黑曜岩及其仿制品的对比研究①

周树礼,刘衔宇

(桂林理工大学地球科学学院,广西桂林541004)

黑曜岩及其仿制品的对比研究①

周树礼,刘衔宇

(桂林理工大学地球科学学院,广西桂林541004)

近年来,天然玻璃作为宝石材料在市场的销售开始慢慢增多。由于天然玻璃和人造玻璃的主要成分都是二氧化硅,且都是无内部固定结构的材料,使得二者难以区别。文章通过常规的宝石学特征测定,同时利用偏光显微镜下的薄片分析和电子探针等手段对于天然玻璃的一种——黑曜岩和现今市场上出现的仿制品进行了物理性质和化学方面的对比。

天然玻璃;黑曜岩;仿制品;对比

1 天然玻璃和人造玻璃的概述

1.1 天然玻璃

天然玻璃包括天然的火山玻璃如黑曜石、陨石玻璃如莫尔道玻陨石和雷公墨等等。

在当今的宝玉石市场上,天然玻璃这类宝石材料虽然并不被大家所重视,但是也慢慢开始崭露头角了。其实在自然界中有若干种天然的玻璃可以用来作为宝石,只要它具有了宝石的特性——即美观性、耐久性、稀有性。

1.2 人工合成玻璃

仿制宝石材料指的是具有天然宝石外貌,但不具有其化学成分、原子结构和物理性质的材料。人工合成的玻璃在仿制宝石中占据着重要位置。恰当染色的玻璃可以用来模仿所有透明和半透明的宝石材料,以及大多数微透明的宝石材料。玻璃是最古老的一种宝石仿制品,至今仍然被大量的使用。玻璃可以用来仿制几乎所有的中高档宝石,如钻石、祖母绿、月光石、橄榄石、刚玉类宝石材料等。而由于天然玻璃的成分重要的也是SiO2,这样一来,人工玻璃仿制的成功率就会更高,这也确实蒙骗了不少的珠宝商和消费者。

玻璃是一种非晶质物质,其内部质点在三维空间没有重复规律的排列。和天然玻璃一样,玻璃以其原材料的储量巨大以及特殊的物理性质被广泛地应用于珠宝业中。时至今日,这种材料无论是在使用范围、加工技术以及材料性质的改善上都有了质的飞跃,已成为了一种相当普及的“廉价宝石”和高度逼真的仿制品材料。近年来它在珠宝业中又作为高档宝石的充填物,用以改善宝石的质量。然而,它毕竟是廉价的玻璃,价格上与其他高档次的宝石根本无法比拟,正因为如此,一些不法的珠宝商借此鱼目混珠,以假乱真,以次充好,造成了珠宝业的一定混乱。

另外,玻璃又可以分为含铅和不含铅两类,无铅玻璃,主要是由二氧化硅组成,加有钠和钙的氧化物。铅玻璃,主要是由二氧化硅组成,加有钾和铅的氧化物。加进铅的氧化物可以提高玻璃的色散和亮度的特性,但是通常也会使得玻璃的硬度降低。

表1 常见人工合成的玻璃制品的重要参数Table 1 Important parameters of the common synthetic glass

2 天然玻璃和人造玻璃常规宝石学特征的对比

2.1 光学性质的对比

(1)颜色

天然黑曜岩的颜色从黑色到褐色、红色、黄色、灰色乃至微绿色和微蓝色都有出现,但是市场上出现的仿制品的颜色几乎全是绿黑色的,且色调非常地统一。

(2)透明度及光泽

黑曜岩一般是半透明到微透明的,其抛光后制成的成品其光泽为玻璃光泽。仿制品大都为不透明,光泽为玻璃光泽。

(3)光学效应的产生

天然黑曜岩中有的会出现彩虹状的效应,这是因为其内部所含圆形或者是拉长的气泡对光的折射率所导致的在表面的光彩。

仿制品中的“眼睛”在销售中也被认为具有彩虹状效应,但是笔者在研究中认为,这里的彩虹状效应与合成的工艺有关,是人为的生长很平直的线条而导致的,且仿制品切开后,虽然已经碎开,但是在其表面仍然可以看到“残缺”的彩虹状效应。我们仔细观察时常所见的猫眼,其色彩也可能是因为人为导致的定向排列的包裹体导致的。

(4)折射率

在实验室利用中国地质大学珠宝学院研制的珠宝折射仪测出其折射率(使用589nm黄光源进行测试)。

对三个仿制品的珠子进行测试(点测法):

将珠子抛磨好后进行折射率测试,

故仿制品折射率大约在1.48～1.49之间(由于样品数量有限,故数据会有误差)。

对天然黑曜岩进行测试:

对其不平整的地方进行点测法测试

将天然的珠子抛磨好后进行折射率测试

故天然黑曜岩折射率大约在1.49～1.50之间(由于样品数量有限,故数据会有误差)。

(5)误差

天然玻璃在长波和短波紫外荧光下均无反应。仿制品在长波和短波紫外荧光下也无反应。

2.2 物理性质

(1)硬度

利用摩氏硬度笔,对所取天然的黑曜岩样品进行刻划测试。用硬度为五的硬度笔刻划,用放大镜观察刻划处,无痕迹。故硬度大于5。用硬度为六的硬度笔刻划,用放大镜观察刻划处,有痕迹。故硬度小于6。

天然玻璃的硬度为5至6之间。同样对仿制品进行测试,仿制品的硬度亦为5到6之间。

(2)韧性

在磨制薄片前,笔者对样品进行切割开料时发现,天然陨石玻璃和黑曜岩在被切割时明显容易崩裂。但是黑曜岩仿制品却能比较完好地被分割开来,这样可见,仿制品的韧性相对来说要好一些。

(3)相对密度

利用珠宝检测中心的单盘直读天平进行测试,天然陨石玻璃的三个仿制品样品的SG分别如下:

表2 样品的SG测试数据Table 2 SG testing data of the samples

2.3 其内部特征的对比

将天然黑曜岩切磨成薄片,使其透明度变得在透射光下可见,观察其内部大致情况,可以看到比较平直的互相平行的条纹,还可以看到气孔。

将仿制品切割成薄片,可以看到非常平直的相互平行的条纹。在自然光下可以见到其中的白色包裹体由于切片的关系出露在表面。颗粒大小直径为3.5mm左右。这个方向垂直于仿制品虹眼的方向,在平行与虹眼方向切一薄片,在透射光下观察,发现其内部比较洁净,可以看到的是出露在表面的四个白色的包裹体。

3 在偏光显微镜下的对比

将天然黑曜岩和仿制品都制成薄片,在偏光显微镜下观察分析。

3.1 黑曜岩在偏光显微镜下(40×10放大观察)

黑曜岩在单偏光镜下:

颜色:薄片中从无色到灰色都有存在,基质玻璃呈现灰褐色。

解理:无解理,但是可以看到几处珍珠状的裂理。

突起:低负突起,说明其R I值小于加拿大树胶。

其中还可以找到其他的晶体如石英、长石以及铁矿物等,还可以看到其中的雏晶,有放射状或者是分散的针状。

(1)长石

单偏光镜下观察:一级灰白干涉色,正低突起,表面光滑,呈现多颗粒的碎裂分布,可以见到一组解理。

正交偏光镜下观察:大多呈现消光,其消光角大约15°～20°之间,可以寻找较大的颗粒,用偏光观察其干涉图,可确定其二轴晶。

(2)石英

单偏光镜下观察一级灰白干涉色,正低突起,表面光滑。但表面有些裂理纹并非解理,其中柱状轮廓的为平行消光,但是由于其颗粒太小,无法做其干涉图。

(3)褐铁矿

颜色特征为黄褐色,薄片中可以看到其为半透明。无解理。

3.2 薄片的偏光镜下分析

将仿制品磨制薄片在三个方向(平行与虹眼的方向,垂直于虹眼的方向和一个随机的方向)置于偏光显微镜下观察其特征。

3.2.1 仿制品随机方向的切片

在单偏光镜下

下降物台,贝克线往外移动,为负低突起,褐色条纹状的结构,在25×10放大下可见到针状晶体,定向排列,以及极少量的矩形外观的非均质晶体。

在正交偏光镜下

视野中几乎全暗,仅在条纹结构处有微弱的干涉色,矩形状的晶体呈现一级灰白干涉色,并出现四次消光,但是其颗粒太小(利用目镜微尺测量得到长度大约在0.5×10-2～2×10-2)无法进行进一步的鉴别。

3.2.2 仿制品平行虹眼方向的切片

在单偏光镜下

呈浅黄褐色,可以看到下降物台,贝克线往外移动,为负低突起,褐色条纹状的结构,可以看到许多细小的针状的晶体,针状物长度大约为(利用目镜微尺测量得到长度)0.5×12-2～2×10-2mm。

在正交偏光镜下

可以看到许多的细小针状的晶体有一级灰白的干涉色,由于太小,难以进行进一步的鉴别。

3.2.3 仿制品垂直于虹眼方向的切片

在单偏光镜下

浅褐色,下降物台,贝克线往外移动,负低突起,有大量的针状物,利用目镜微尺测量得到长度大约在0.5×12-2～2×10-2mm。

正交偏光镜下

有许多针状的晶体,且有干涉色为一级灰白,同样由于晶体太小,无法进行进一步测量

3.3 两者在偏光显微镜下的对比

仿制品与天然黑曜岩之间在偏光显微镜下可以看到有很大的区别:仿制品有极少的斑晶,并且在正交偏光镜下没有高的干涉色,其大多看到的是极细的且定向排列的针状晶体,长度太小,大约0.5×12-2～2×10-2mm,由于条件的限制不能定其种属;天然黑曜岩中可以看到放射状或者针状的雏晶,以及长石、石英和一些铁矿物。

但是这些内部特征和物理性质的些微差别不足以对两者进行准确的区别,下面利用电子探针分析来对两者进行进一步的研究。

4 电子探针测试

研究随机对黑曜岩不同颜色的条纹处进行了电子探针的测试,对黑曜岩中的主要成分如SiO2、T iO2、A l2O3、M nO、Fe2O3、FeO、M gO、CaO、N a2O、K 2O、C r2O3等氧化物进行含量测量。由于仪器的条件限制,Fe2O3、FeO无法分开测量,只能测量到铁元素的整体含量。因此,下表中的FeO,表示的是铁元素的整体含量,其中可能是Fe2O3和FeO两者的含量。电子探针测试结果如下:

表3 天然黑曜岩电子探针的测试结果(w t%)Table 3 The test results of natural obsidian by using electron probe

由于仪器老化,测试结果客观上存在一定的误差。从以上测试结果可以看出,天然黑曜岩其主要组成元素为O和Si,同时它含有K、Ca、Fe、A l、T i、N a、C r等元素,同时测试结果显示了黑曜岩中的不同颜色的条带的成分特点。

第一、SiO2的含量明显多于其他的物质成分,其为黑耀岩的主要成分;

第二、在条带中不含锰、镁、铬等微量元素;

第三、在两种条带中,钛、铁、钙、钾元素在含量上不存在大的差异,这些元素在两种条带中的分布比较平均和稳定;

第四、在两种条带中,硅、铝、钠等元素存在比较明显的差异,具有一定的分层现象。

由测试结果中元素的分布特点可以看出,在晕彩黑曜岩中,由于硅、铝、钠等元素的不均匀分布,造成了晕彩黑曜岩的内部在宏观上表现为不同颜色的深浅的条纹分层。

这种成分差异的结构可能是黑曜岩在形成过程中,岩浆脉动喷发,致使熔岩产生流动纹层,流动层的搅动带动溶液中的元素随纹层的分布造成不均匀,从而导致的颜色的深浅不同。

对仿制品也进行了电子探针的测试,用以分析元素组成。电子探针的测试结果如下:

表4 仿制品电子探针的测试结果(w t%)Table 4 The test results of replica by using electron probe

从上面的数据很容易看出,仿制品中的微量元素几乎没有,主要组成的元素除了氧,就是硅、钙、钾,其他的元素如锰、镁、钛、铁等微量元素则几乎为零。与主要几种玻璃制品的元素含量进行对比之后发现,其整体的元素组成与冕牌玻璃很接近。

5 结论

由于天然玻璃和人工玻璃的常规宝石学特征非常的相似,如折射率和比重都大致在一个范围内,这样使得两者的鉴别比较困难,有效的方法是利用其内含物进行区别,同时适当的化学分析如电子探针的元素分析,在鉴定时也能起决定性的作用。

根据电子探针测试的结果,可以得出人工玻璃其成分主要为SiO2,约为72.65%,其他部分分别为CaO 12.66%、K 2O 14.18%,与主要的几种玻璃制品相比较后发现其与冕牌玻璃相接近,而其中不含Fe、M n、K等微量元素。磨片后在偏光显微镜下观察,仿制品内部以针状物居多,且发现其比较好的定向性。仔细观察并没有发现能导致其彩虹状外观的充满空气的空洞,同时在电光源下仔细地观察可以发现从珠子的一头到另一头的粗的猫眼效应;另外,仿制品切开后,在其表面仍然可以看到“残缺”的彩虹效应,笔者认为这些仿制品完好的且一致的彩虹外观是由于人工因素导致的,但由于自身水平和经费以及测试技术的限制,还有待更进一步的研究。

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[3] 上海地矿珠宝网http://www.mygem.com.cn.

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[6] 陈运胜编译.玻璃在珠宝领域中的应用[J].珠宝科技,1992(2):23-26.

Comparative study of obsidian and its replica

ZHOU Shu-li,LIU Xian-yu
(Guilin University of Technology,Guilin,Guangxi 541004)

In the past few years,natural glass is increasing as one kind of gem stone materials in the market.for the main component of natural glass and man-made glass is silicon dioxide,and both of them have no defined crystal structure,it is hard to distinguish from each other.By using the regular gemological identification as well as polarizing microscope analysis and electron p robe etc,the article has mainly contrasted the physical properties and the chemical composition of one k ind of natural glass obsidian and its replica which appears in now a days market.

natural glass;obsidian;replica;contrast

TS933

A

1673-1433(2010)03-0048-05

2010-04-10

周树礼(1950-)男,广西南宁市人,高级实验师,主要从事珠宝玉石工艺学教学和研究。

广西地质工程中心重点实验室开放基金项目资助(桂科能07109011-K 005);地质资源与地质工程广西高校人才小高地创新团队项目(桂教人[2005]80);广西区教育厅专利资助项目(桂教科200800ZL 036)