锆石的物理特性、鉴别特征、优化处理

近代由于新技术的发展，人们由宏观认识进入到了微观领域，可以有意识地去合成、改造、改变和改善宝玉石的物理性质。有报导说市场上的彩色宝玉石有75%是经过优化或处理的。还有人认为刚玉类红、蓝宝石经过改善的可超过90%。最近也有人认为翡翠类宝玉石优化处理过的有可能高于这个数字。有专家调查统计后发现市场上优化处理过的翡翠饰品可达95%以上。无论这些数字正确与否，都说明随着宝玉石相关领域中科学技术的发展，人工改造、改变、改善天然宝玉石的工作已经普遍深入展开。

优化处理改造、改变、改善宝玉石，主要是改变其颜色、透明度或其他物理性质。原理是根据宝玉石矿物的形成机理、成矿条件、人工模拟天然形成过程，而致使宝玉石矿物的物理性质得到改变，或者用染色、涂层、填充等方法加以改造、改善。人们通过各种人工优化处理等手段，弥补天然产品的不足和缺陷，或进一步提高使其更完美、更亮丽，从而增大宝玉石的实用意义和经济价值。也正是因为与经济价值挂钩，所以不少公司为一些新的优化处理手段申请专利。具体工艺过程、技术内容是不对外公开的，所以在很多文献中有些资料难以查找。在此仅就当前所众知的略加叙述。

一、热处理

热处理为对样品进行加热处理。通过人工控制温度和氧化还原条件，改善或改变珠宝玉石的颜色、净度，甚至有的可以改变其光学效应（如星光猫眼等）。具体方法是把要改造的宝石放置于高温炉中加热，通过采取不同的热处理条件，使宝石内部所含的致色离子的含量、价态发生变化，而使宝石的物理性质得以改变。如对蓝宝石的改善是通过宝石中所含的铁（Fe）和钛（Ti）离子价态或含量的变化而进行的；对含有Fe和Ti的浅色或无色刚玉，在还原条件下加热处理，以使Fe3＋还原为Fe2＋，使颜色加深或使无色者呈现蓝色；如果是深黑蓝色蓝宝石，在氧化条件下加热处理，使Fe2＋氧化为Fe3＋，则可使其蓝色变浅。中国山东产的深蓝色蓝宝石颜色变浅就是采用的这一技术。不论热处理哪一种宝石，都要考虑加热升高温度或降温的速率，考虑达到的最高温度和最高温度应持续的时间，另外还要考虑到加热炉内氧化还原环境的调节，及对炉内压力的控制。即如何控制常压、加压还是减压，以及用什么材料配合加热的宝石，要添加什么化学试剂等，皆是要考虑的。应该明确不同宝石其加热工艺过程不同，同一宝石不同产地也可以有所不同。这些都需要经过科学试验，确定最佳方案。现将有关的几种宝石热处理后的颜色变化及热处理的环境机制列于表5-2-1中以供参考。

表5-2-1　几种热处理过宝石颜色变化及处理过程的环境机制

续表5-2-1

二、放射性辐照处理

放射性辐照处理通常用的是钴60电子加速器或反应堆等放射源，通过γ射线、高能电子、中子、质子氘核等对宝石进行辐照，使被辐照宝石产生结构缺陷，出现色心，从而引起物理性质（如颜色）变化，使宝石品质得到改变。在线性加速器方法中，采用线性加速器产生高能电子处理宝石，则变化后的颜色均匀性比较差，因能量高而宝石受热不均，所以易爆裂。而且宝石还易存在有放射性残余对人身体不利，故需要搁置一段时间再佩戴。核反应堆法，是利用其产生的高能中子处理宝石，宝石变化后的颜色均匀，但也产生放射性残余，只有γ射线仪常用的是钴60或铯137作γ射线源，因放射性较低，除颜色均匀外，辐射后的饰品一般也无放射性的问题，无需搁置就可直接饰用。这些辐照产生的色心所引起的颜色受热也可产生逆向反应，一些特别不稳定的色心，受日晒可以变回来，温度越高褪色越快。所以在进行这种辐照处理时，常附加热处理以稳定色心，使颜色不易再变回。辐照处理的宝石在市场上常见的有蓝色黄玉、粉红色黄玉及黄水晶等。几种常见的辐照改色宝石如表5-2-2所示。

表5-2-2　几种常见的辐照改色宝石

三、扩散处理

扩散处理是在高温下在宝石表面进行离子交换。扩散处理是将宝玉石置于高温高压条件下，对宝石进行处理，使致色离子进入珠宝玉石的浅表层，以产生颜色或加深颜色，有的宝石还会产生星光或猫眼等效应。其处理方法首先是要调整好微量元素的比例，加热，使不同氧化物产生不同颜色，如添加铁、钛氧化物产生蓝色，铬氧化物产生红色，镍的氧化物产生黄色，过量的钛可使宝石产生星光。扩散极慢，仅渗透几微米。如用铁、钛、铬等金属离子粉末混入加热，则因不同物质热扩散速率不同，而所需的时间长短不同，一般需要几天才渗透1～2μm。宝石表面留下色斑，是离子交换留下的颜色薄层，所以既要再轻抛光又不可抛光过重，否则会将色层抛掉。观察扩散处理的蓝宝石可通过油浸和放大见到扩散层，在宝石的表面裂纹和周围空隙中常沉淀为深色色料，颜色仅限于表面。在油浸下观察可见较深颜色线或高突起。整个宝石呈色不均匀，刻面有深有浅，由扩散层厚度不均匀引起，腰围处多无色，腰围清晰可见。在二碘甲烷中易见清晰的刻面结合部，宝石整体也会常出现一个清晰的蓝色轮廓。未经过扩散的天然宝石则看不到刻面界限，整体边缘也不清楚。最常见的是对刚玉类宝石的扩散处理。对红、蓝宝石扩散处理除可改善颜色外，有的还可以出现星光效应。

四、染色、着色处理

染色处理常用有机染料浸泡或填充宝玉石。其颜色一般是沿着裂隙缝微小孔隙渗入宝石内部。染色的颜料溶剂一般为油。被染色的材料往往是具有天然孔隙或裂纹的材料，如玉髓、玛瑙、石英、大理石、岫玉、翡翠、珊瑚、象牙、欧泊、珍珠、绿松石、青金石、绿柱石、红宝石等。若材料无合适孔隙或裂纹还可以人工制造孔隙或裂纹。如染色石英，可先将石英加热，再骤然冷却，即可使石英产生微小裂纹，后再浸泡于染料中。如用的是有机染料，即可使石英产生颜色，多为红色或绿色。但这种染色品的颜色往往比较妖艳、不自然，而且易褪色。用紫外荧光或吸收光谱皆易检测出来。

如果是用无机颜料浸泡或填充，颜色也是沿着裂隙缝微小孔隙进入宝石内部，可称其为着色处理。着色宝玉石所用的颜料溶剂是水或醇，故有“水染”之称。颜料可与宝石内部的化学组分发生部分的化学反应，或被宝石所吸附，因此颜色比较稳定。这种着色品常见的有着色玛瑙（红、蓝、绿、黄、黑色等）、着色大理石、着色绿松石、翡翠、石英等。

五、填充处理

填充处理包括玻璃填充、注蜡、注油、塑料填充或其他聚合物等固化材料注入，充填于宝玉石中。主要是充填于多孔隙的珠宝玉石或珠宝玉石的表面缝隙、空洞中。目的是除去宝石的破绽，也可使宝玉石材料硬度增强、稳定性增加，以提高宝玉石的价值。例如：①注油、注胶。注有色油或无色油于宝石表面孔隙中，其目的是改善外观。如在祖母绿表面注油、充填以掩盖裂隙。用超声波或蒸气清洗均可去油，但有合成树脂则不易去掉裂隙中的注油。②注蜡。使蜡浸入到宝石表面孔隙中，如绿松石表面可注油或上蜡以改善外观、掩盖裂隙、增强光亮程度；欧泊因脱水而产生裂隙，可注蜡，以增强光彩掩盖裂纹。在多孔隙的绿松石中注入有色或无色树脂，可使绿松石变得更为坚固。在白垩状的蛋白石中，充填有色聚合物则提高了该低档蛋白石的经济价值，看来也甚为美丽。③天然黑欧泊注入黑色塑料或黑硅质染料可使黑欧泊更靓丽夺目，看来更透明。对大理石、皂石亦可如此处理，增加其美观度。④填充处理。这主要用于翡翠、钻石和红宝石等，为先用酸浸泡，以溶解出可溶物质，增加空隙，后充填无色透明的高分子聚合物或与处理宝石物性相近的无机物，以增加酸浸后的牢固性、增强亮度、掩盖缺陷。用这种技术充填处理的宝玉石有红宝石、蓝宝石、祖母绿、绿松石、石英、青金石、欧泊、电气石、钻石和翡翠等。

另外市场上还常有重异物充填，如用黄色合金铸造成的仿古元宝、吉祥物体，为用密度较大的铅锡充填，外镀一层极薄的铜粉或18K金冒充的金制品。内用铅、锡或重石料，外用水泥制成的石狮等伪陈列品亦属此类充填处理。

六、漂白处理

一般采用氯气、过氧化氢、次氯酸、亚硫酸盐等具漂白作用的化学制剂，多半是对有机质宝石等进行浸泡漂白，其目的是使珠宝玉石的颜色变浅或除去杂质、增加白度。常用于对暗色或带绿色色调的珍珠进行漂白。黑色贝壳、珊瑚可漂白成为微带褐色色调的“金黄色”；年代久的暗色象牙也可漂白如新；带暗黄的褐色虎睛石可漂白成浅色的虎睛石。可以漂白的宝石一般有玉髓、珊瑚、象牙、硅化木、翡翠、虎睛石等。漂白处理也皆可用于其褪色。

七、高温高压处理

高温高压处理是将宝石置于高温高压的环境条件下，对宝石进行处理，其目的主要是改善或改变宝石的颜色。此法主要是用于处理钻石，前面已经提到在高温高压下对钻石的处理，在此仅进一步明确高温高压法，是在接近钻石生长的高温高压条件下使钻石结构中产生褐色空位，及在间隙原子间进行调整，使之互相抵消，以消去褐色而提高色级。当前常进行的处理是使Ⅰa型钻石变为黄色或黄绿色彩钻，使Ⅱa型钻石原来的褐色消失以提高色级。

八、覆膜处理

覆膜处理是将宝玉石的部分或全部表面涂一层薄膜，所以又有人称之为涂层。也有用镀或衬的方法将膜覆盖于珠宝玉石之上，其目的是减少宝玉石表面的漫反射，以使其表面产生晶莹亮丽的光泽。另外还可以掩盖珠宝玉石表面的瑕疵或缺陷，即提高强度或使其产生特殊的光学效应。覆膜材料往往是无色或有色石蜡、清漆、合成树脂等。覆膜的厚度一般为0.1μm左右，无色涂层掩盖表面缺陷或瑕疵，常用在多晶质宝玉石上，如软玉、天河石、大理石、蛇纹石、青金石、绿松石、翡翠等。如颜色较白的翡翠，涂上一层翠绿色的胶，干燥后形成一层翠绿色的薄皮，易使人误认为是翠绿色的翡翠。在蜡中加黑色颜料涂制绿松石铁线也较为常见。

如果是用镀的方法则又可称为镀膜，如金刚石的镀膜等。金刚石的镀膜早已为人们所关注，近几十年来一直有人在探索如何用一些蓝色到紫色的物质涂于品质较差的带浅黄色的钻石之上，以提高色级，甚至假冒彩钻。目前科学技术已发展到采用真空溅射喷镀、气相沉淀等先进技术，在钻石上形成超薄镀膜，通过增加其补色以抵消其黄色调，也有以一层蓝色或紫色钻石膜掩盖钻石上原有的黄色。这种镀膜是难以用物理或化学的方法（用丙酮）将其除掉的，镀膜后可以提高色级也更加亮丽，还多少增加些质量，是一项欺骗性很强的技术。这一喷镀技术现已广泛地应用到一些普通常见的宝石上。在一些宝石的表面喷镀金属薄膜可产生虹彩效应。市场上经常见到的带有晕彩的水晶项链、手链，带有晕彩的各种装饰用品，晕彩托帕石制品，晕彩珍珠、贝壳类制品等都是这类处理方法制成的。这一覆膜处理技术也可用于琥珀、珍珠、金刚石、玉髓、翡翠等。

九、箔衬处理

箔衬是将一非透明材料粘贴在宝石的背面，或以涂膜的方式涂在宝石的背后，也有的涂于宝石的亭部以增强其宝石的亮度色彩，再以封闭式镶嵌使人难以发现，也有的从台面可以看到不平坦的起伏，这些都是粘贴不紧密所致，如能发现粘合剂的痕迹则更是箔衬处理无疑。这种处理也可以看作是拼合石的另外一种。

（1）宝石的背部箔衬。是将一种非透明的、反光强度强的材料（如金属箔等）贴在宝石的背面或亭部，用以增强反射光能力，增加宝石的亮度，还有的可以改善星彩效应、星光效应等，反射出非常耀眼的光亮。

（2）宝石的背部涂有色薄膜。大部分是为了增强宝石的色彩或掩盖在一些裂纹及缺陷。如在一些有裂纹的绿柱石的背面，涂上一层绿色薄膜以仿祖母绿。这在检测工作中都应十分注意，尤其对封闭式镶嵌或有粘合剂痕迹及异常的光谱现象等都要多加怀疑，仔细观测，以揭露真假。

十、激光钻孔处理方法

激光钻孔处理方法是一种用激光束和化学药品除掉宝石内部的包体或杂质的方法。在处理宝石时，向着宝石体内的包体打一孔道，以消灭掉杂质或包体。钻孔留下的孔道痕迹称“激光痕”，呈管状或漏斗状激光痕亦称激光孔道，外部留有孔道口。

图5-2-1　激光打孔示意图

1.用激光处理钻石中的暗色包体；
2.由钻石台面向下打孔到包体；
3.由钻石亭部刻面打孔

这一方法经常用以除去钻石内部的深色包体，以提高钻石的净度。这在有的宝石上也可以发现，有的可有几道激光痕，如图5-2-1所示，甚至可在宝石上看到几道激光孔口，可以看到开口的部位和痕迹。值得注意的是钻孔多半都是打在钻石上不易被人发觉的部位。最近发展地尤其先进，可以靠激光束聚焦所产生的热能将包体去掉，再用氢氟酸洗涤后充填，甚至一孔多用，打掉一个包体群，即借助于此一包体到另一包体之间的内部反射而毁灭几个包体。这就大大地提高了钻石的净度等级。

十一、宝石的拼合处理

拼合是将两块或两块以上的材料经人工拼合在一起成整体相的宝石。这可以是天然高档材料与天然低档材料的组合，也可以是天然材料与人工材料的组合，或人造材料与人造材料的组合；可以是二层的拼合，也可以是三层的拼合。还有小材料拼合成大材料，或在底部加衬。因而拼合石是多种多样的，其目的是提高宝石的直观效果。

根据组合的材料、结构等方面的不同，可将拼合宝石分为以下3种类型。

（一）二层石

二层石是由两部分材料通过粘结或熔接拼合在一起，根据这两层材料的不同还可再细分。

（1）两块材料都是天然宝石，甚至有的就是同一种天然宝石，有人称其为真二层石，如钻石与钻石拼合在一起，由小块变成了大块，如图5-2-2（a）所示。

（2）如一块天然欧泊与另一块天然玉髓拼合在一起而提高了欧泊的光学效果，如图5-2-2（b）所示，这种拼合石有人称其为半真拼合石。又如钻石与一些价值较低的天然材料的拼合，可以是天然钻石作冠部，而合成立方氧化锆或合成尖晶石作亭部。(www.xing528.com)

（3）如果是拼合二层石的两部分全由与仿制品不同的材料组成，如冠部用合成无色石榴石，亭部用玻璃制成假钻或假彩钻的二层石，则被称做假二层石。如图5-2-2（c）所示。

（二）三层石

三层石是由3部分材料，通过粘结或熔合拼合在一起成整体相。根据材料的不同，也有不同的类型。

（1）3块材料都是天然宝石粘结或熔合在一起成为拼合石，还可能是同一种天然宝玉石，则有人称之为真三层石，如3片翡翠料粘结拼合在一起。此外如绿松石、青金石也可以粘结，如果是两块无色或浅绿色的绿松石中间夹一浓绿色粘胶而无形中加深了颜色，改善了外观，这种情况有人称其为半真三层石，如图5-2-2（d）所示。

（2）3层材料中两块或一块是天然石，而一块或两块是合成品，或有一块是玻璃可粘结成拼合石，有人称其为半真三层石。如冠部为钻石，腰部为无色合成尖晶石，亭部为玻璃，还有的为红蓝宝石、欧泊石，石榴石等的三层石组合，如图5-2-2（e）所示。

（3）3个部分完全为不同的仿宝石，再用绿色胶粘合，上下两块合成尖晶石，而冒充祖母绿，则有人称其为假三层石，如图5-2-2（f）所示。

（三）复合宝石

在市场上常见的复合宝石，是用真的天然宝石同玻璃或水晶胶合而成，在二层石中最为多见，上层是宝石、下层是玻璃；还有上层是黑欧泊、下层是玻璃或合成水晶；也有把一片黑欧泊夹在无色透明的玻璃或水晶之中，成为三层石。在三层石中很多情况是将两片宝石材料，用有色胶粘合，因此必须特别注意观测。

（四）其他拼合石

除上述者外还可以有多种多样的拼合石。如星光拼合石，是由带星光效应的宝石作冠部，亭部用玻璃或合成水晶类作底，可显现更强的星光效应；还有用玻璃或合成水晶作冠部，底部用金属刻图案花纹佛像、观音等衬底，看起来也十分美观、耐人寻味，如图5-2-3（a）和图5-2-3（b）所示。

拼合石是范围很广的、种类很多的优化处理方法，一般凡折射率相近、颜色相同的两种宝石都可以往一块拼合。由于这类拼合能获得较大的经济效益，市场上以次充好、以小充大甚至以假充真的现象屡屡发生。如现在市场上出现了冠部为钻石，亭部用合成蓝宝石、合成无色尖晶石、水晶或合成立方氧化锆、碳硅石等的拼合石充当大钻石。宝石检测工作者及消费者们应格外注意。现将常见的拼合石列于表5-2-3　。

图5-2-2　各种拼合石

图5-2-3　星光二层石及底衬二层石示意图

表5-2-3　几种常见的拼合宝石及充当物品示意表

（五）平面拼合

即用几块宝石或仿宝石、玉石等粘贴在一个平面上，花纹差不多相连接，拼合成大块饰品。图5-2-4所示为鲍鱼贝壳粘贴拼合而成的双凸形吊坠。

（六）识别方法

识别这种拼合、夹层、箔衬石需注意以下几点。①需要侧视观察有无拼合迹象；②观察相近两层材料是否性质一致；③在各个方向找出胶合后的接触痕迹，两块拼合的接触界限往往是直线接触；④观察花纹的连接关系；⑤在可能的范围内作不同部位的折射率、硬度及整体的密度检测，全面观察其光学特征、花纹、色彩特征、紫外荧光、不同层的材料荧光性等，综合考虑则易于识别。

图5-2-4　拼合饰品及拼合工艺品

十二、宝石的再造处理

天然宝石的碎块、碎屑，通过人工将其熔接或压结在一起成整体相，谓之再造宝玉石。目前常见的有琥珀、水晶、绿松石、青金石的再造品等。其中最常见的为琥珀的再造品，这主要是由于琥珀的熔点低，熔结在一起比较容易，故这种再造品非常普遍。

再造的琥珀，早在20世纪40年代，苏联、波兰、法国、英国等一些盛产琥珀的国家即开始研制。主要是用压制法将其碎粒琥珀压成大块琥珀，在不断改进过程中逐渐掺加色料、香料以提高琥珀的质量。

我国抚顺在煤层中产有大量的琥珀，以碎小的颗粒最多，在选煤过程中有的予以分离，大部分直接与煤炭同时运出，进厂进炉燃烧掉。抚顺本为一所老的露天开采矿区，煤的产量很大，煤层中夹有大量琥珀，所以琥珀碎粒也几乎布满煤矿区内各地段。约在20世纪60年代已有人任意扫取，经过提纯，去其杂质，再在一定温度下，压制成整体的大块琥珀。

再造的琥珀与原琥珀成分基本相同，只不过去其杂质，增加了致色剂、香料和植物油等。

放大检查可见再造品有明显的流动构造、夹层等，常含有“未熔物”和气泡，有的可见出原碎块原料之间的界限。最近的技术又不断改进，使其已不见上述特征，更均一透明，如图5-2-5所示。人工还仿造天然琥珀中的生物，在再造过程中加入现代的虫、蚊、蚁、蜜蜂、植物残骸等，更使再造品生动逼真，以冒充天然琥珀。但天然琥珀中的小蚊、蚁常常因挣扎而伸直其腿脚；再造品中人工加入的蚊、蚁则是呈蜷曲状，动物翼却多为张开状。

琥珀再造品的密度约为1.068g／cm3，稍低于天然琥珀，在偏光镜下可看出异常的双折射。天然琥珀是均质性，整体消光，遇高温即变黑。在紫外荧光下，短波照射再造品为强的带有白栗状的亮蓝色，有的还可见到粒状结构。

其他如再造水晶、再造绿松石、再造青金石等都应引起人们的关注，鉴赏时应仔细观察。

十三、岩粉压模

岩粉压模也称做岩粉压制，是将一些宝玉石材料碎屑、粉末，用有色胶或无色胶粘结压实，仿制成各种雕刻品。常见的如绿松石、大理石、白玉、滑石、动物骨骼粉等的压制品，在市场上每每有所销售，图5-2-6为岩粉压制的仿象牙雕。

图5-2-5　再造琥珀（内有现代昆虫蜜蜂）

图5-2-6　岩粉压制吊坠

其他还有压块处理，主要是处理小碎块如绿松石等，压制加胶用环氧树脂处理，如压块绿松石磨制的手镯饰品还是很受人们欢迎的（图5-2-7）。

在优化处理过程中，还经常用清水洗涤，或用盐酸、草酸、王水、丙酮、甲醇、乙醇等酸类作洗涤剂，目的在于除去在加工过程中沾染的油垢。但在市场上出售的成品又往往表面涂油、涂蜡以保护其饰品的表面光泽，并增加其光亮。柜台里也常放一杯水使其蒸发，以起到维持湿度，保护成品不致干裂和保护饰品表面之功效。

图5-2-7　压块绿松石手镯（据林晓冬）

以上简述了优化处理常见的几种方法，但实际上在处理过程中往往不是单用一项，而是综合使用。如高温处理，也常常伴有高压等。又如处理翡翠往往是先用酸浸泡，作漂白处理，去掉翡翠中的杂质，翡翠出现微孔隙，结构变为疏松，然后再作充填处理，注胶、注环氧树脂，有的还再加入着色剂。经处理后，种、色都差的翡翠变为色艳种亮的漂亮货。

优化处理的方法多种多样，也常因不同宝玉石和不同目的而异。这里所介绍的仅是目前一些常见的优化处理方法，随着科学技术的发展、市场的需要与利润的追求还将会有更多、更妙的方法不断产生。但是魔高一尺、道高一丈，识别、检测技术也会应运而生，不断地改进和提高。