合成碳硅石的宝石学特征及鉴定方法

万佳鑫，余晓艳，孙竹琳

中国地质大学（北京）珠宝学院，北京100083

前言

合成碳硅石的强光泽、强火彩、高折射率和高硬度使得其在整体外观上与钻石相似，同时因其具有较高的热导率，热导仪无法区分其和钻石，因而自1998 年合成碳硅石投放珠宝市场以来就常作为钻石的极佳仿制品，给珠宝行业和鉴定机构带来了一定的挑战。本文主要通过测试无色和绿色合成碳硅石、钻石及无色蓝宝石、合成立方氧化锆等钻石仿制品的宝石学特征，分析合成碳硅石样品的多型，总结出合成碳硅石与钻石及其仿制品的鉴定方法。

1 样品的宝石学特征

1.1 外观特征

本文测试的合成碳硅石样品为圆钻型成品宝石11 颗，其中2 颗近无色，编号W01 和W02，称为W 系列；4 颗绿蓝色，编号B01-B04，称为B 系列；5 颗蓝绿色，编号G01-G05，称为G 系列。样品透明度好，具金刚光泽。所有合成碳硅石样品都是在中国合成生长的，由来自广州的珠宝商提供。圆钻型成品宝石照片见图1。

图1 圆钻型合成碳硅石样品Fig.1 Synthetic moissanite samples with round-brilliant-cut

钻石及其仿制品样品由中国地质大学（北京）珠宝学院实验室提供，为两颗钻石（编号Dia01 和Dia02）、两颗无色蓝宝石（编号Sap01 和Sap02）和两颗合成立方氧化锆（编号CZ01 和CZ02），均为圆钻型。Dia01 带灰黄色调，颜色为L 级，Dia02 带黄色调，颜色为J 级，透明度都较好，为金刚光泽。蓝宝石样品为无色略带黄色调，透明度好，玻璃光泽。合成立方氧化锆样品为无色，透明度好，亚金刚光泽。表1 为样品的一些宝石学性质。

表1 样品的宝石学性质Table 1 Gemological characteristics of the samples

1.2 相对密度

每个样品测试相对密度三次，取平均值，测试结果见表1。合成碳硅石的相对密度为3.167～3.289，平均为3.218。钻石的相对密度为3.520，无色蓝宝石的相对密度为3.997，合成立方氧化锆的相对密度为5.994。由此看出合成碳硅石的相对密度小于其他几种宝石。

1.3 紫外荧光

样品的紫外荧光情况见表1。所有合成碳硅石样品在短波下都为惰性，在长波下W 系列为惰性，B系列和G 系列均可见强绿色荧光，且B 系列的荧光强度强于G 系列。

钻石样品在长波下均呈强蓝色荧光，在短波下Dia01 为惰性，Dia02 呈弱蓝绿色荧光。无色蓝宝石样品在长波下为中等橙红色荧光，在短波下Sap01为惰性，而Sap02 显中等蓝色荧光。合成立方氧化锆样品则是在长波下为惰性，短波下为中等黄绿色荧光。所有样品都未见磷光。图2 为合成碳硅石、无色蓝宝石和钻石样品在长波下的荧光，图3 为合成立方氧化锆和无色蓝宝石样品在短波下的荧光。

图2 合成碳硅石、无色蓝宝石和钻石样品在长波下的荧光Fig.2 Fluorescence of synthetic moissanites,colorless sapphire and diamond samples under long wave of UV fluorescent lamp

图3 合成立方氧化锆和无色蓝宝石样品在短波下的荧光Fig.3 Fluorescence of CZ and colorless sapphire samples under short wave of UV fluorescent lamp

1.4 多色性

所有样品的多色性见表1。W 系列和蓝宝石为近无色，因此不可见多色性。B 系列均可见中等二色性，绿/蓝绿；G 系列都可见中等二色性，绿黄/蓝绿。彩色合成碳硅石都具有二色性，而钻石和立方氧化锆无多色性，可用这点来辅助鉴别彩色合成碳硅石和彩色钻石。

2 合成碳硅石的鉴定方法

2.1 透视效应

将样品台面朝下放在画有黑线的白纸上，垂直地从亭部一侧观察是否能透过宝石看到黑线。如图4，由于全内反射，切工较好的钻石是看不到黑线的；而大多数仿制品如蓝宝石和合成立方氧化锆等都是能看到黑线的。合成碳硅石由于折射率大，也无法看到黑线，这虽无法用来区分其与钻石，但可用于区分其它钻石仿制品。

图4 样品的透视效应Fig.4 The perspective effect of samples

2.2 显微观察

在除平行光轴方向外，所有合成碳硅石样品都可以透过冠部刻面观察到后刻面棱重影（图5），这是合成碳硅石的高双折率（0.043）造成的。在合成碳硅石样品中也可见一些平行于C 轴的白色针状包裹体（图6），这些在钻石中不可见；钻石中可见矿物包裹体、裂隙、云状物等天然包裹体（图7），而这些在合成碳硅石中不可见。

图5 合成碳硅石中的后刻面棱重影Fig.5 Double shadow of the pavilion facet junctions in the synthetic moissanite sample

图6 合成碳硅石中彼此平行的白色针状包体Fig.6 Parallel white-appearing needles in the synthetic moissanite sample

图7 钻石中的裂隙Fig.7 Fracture in the diamond sample

2.3 热导仪和590 型测试仪

合成碳硅石的热导率（0.55～1.70cal/(cm·℃·s)）与钻石的热导率（1.60～4.80cal/(cm·℃·s)）有所重叠，所以热导仪无法区分二者，而需将热导仪和590 型测试仪组合在一起使用：先用热导仪进行测试，对测试结果显示为钻石的样品再使用590 型测试仪测试。本文测试的合成碳硅石样品均通过了热导仪测试，590 型测试仪测试结果为合成碳硅石。

2.4 钻石确认仪和钻石观测仪

钻石确认仪（Diamond Sure）是通过检测Ia 型钻石的415nm 吸收线来鉴别样品是否为钻石的。合成碳硅石和无色蓝宝石、合成立方氧化锆的测试结果全为“建议进一步检测（REFER FOR FURTHER TESTS）”，而钻石样品的测试结果为“通过（PASS）”，这也说明其为Ia 型钻石。测试结果见图8。

图8 W02（左）和Dia02（右）的Diamond Sure 测试结果Fig.8 Diamond Sure test results of W02（left）and Dia02（right）

钻石观测仪（Diamond View）是利用波长小于紫外短波的光照射样品，并观察其发光情况来鉴定是否为钻石的。钻石常常显示不同的发光样式，而合成碳硅石和无色蓝宝石、合成立方氧化锆都为惰性，未见到发光。钻石样品皆发强蓝色荧光（图9），未见到磷光。

图9 Dia02 的Diamond View 测试结果Fig.9 Diamond View test result of Dia02

Diamond Sure 和Diamond View 配合在一起使用的话便可准确鉴别钻石、合成碳硅石和其它仿制品。

2.5 紫外—可见光光谱

本次测试采用反射法，测试仪器为中国地质大学（北京）珠宝学院实验室的UV-3600 系列紫外—可见光分光光度计，测试范围为200～900nm，狭缝宽：2.0 nm，扫描速度：高速，采样间隔：0.5s。

通过分析软件将反射光谱转换为吸收光谱（图10），所有合成碳硅石样品可见从400nm 开始并延伸到紫外区的强吸收区域，在380nm 处可见吸收边，这表明其为4H 型SiC。B 系列和G 系列在464nm、592nm 处可见氮引起的吸收峰，因此它们为n 型SiC。并且B 系列的593nm 处的吸收峰强于464nm 处的，所以呈绿蓝色；G 系列则相反，因而呈蓝绿色；W 系列在可见光区域无明显吸收峰，因此呈近无色。

图10 W02、B01、G01、Sap01、CZ01 和Dia02 的紫外—可见光光谱Fig.10 The UV-Visible spectra of W02、B01、G01、Sap01、CZ01 and Dia02

Ia 型钻石可见多个尖锐的吸收峰（最强吸收峰即特征峰为415nm），它在紫外光下的透过度在330nm 左右，所以钻石和合成碳硅石才会在紫外透过度上存在巨大差异，并以此为原理制作了590 型测试仪。无色蓝宝石和合成立方氧化锆的紫外—可见光光谱也与合成碳硅石和钻石的有着明显的不同。

2.6 拉曼光谱

本次测试采用中国地质大学（北京）珠宝学院实验室的Horiba Jobin Yvon 型激光拉曼光谱仪，激发波长为532nm，测试范围为100～2000cm，扫描时间2s，叠加次数1 次。

合成碳硅石样品在204cm、265cm、610cm、777cm、797cm和967cm处均可见吸收峰，且204cm峰强于265cm和610cm峰，777cm峰强于797cm峰，因此合成碳硅石样品都为4H 型。

无色蓝宝石的吸收峰在377cm、416cm、575cm、750cm处，强度都很弱；合成立方氧化锆的吸收峰在148cm、615cm处，强度也较弱；钻石的特征峰在1333cm处，强度很强（图11）。它们的拉曼光谱中没有重合的峰，特别是钻石的1333cm峰，无论哪种多型、哪个光学方向的合成碳硅石的拉曼光谱都不可见此峰，可以此鉴定合成碳硅石和钻石。

图11 W02、B01、G01、Sap01、CZ01 和Dia02 的拉曼光谱Fig.11 Raman spectra of W02、B01、G01、Sap01、CZ01 and Dia02

3 结论

（1）合成碳硅石的相对密度为3.218，小于钻石及其仿制品的相对密度；短波下惰性，长波下为惰性至不同强度绿色的紫外荧光；彩色合成碳硅石具有比较明显的多色性。这些特征都不同于钻石及其仿制品——无色蓝宝石和立方氧化锆。

（2）透视效应不可见黑线，显微观察可见后刻面棱重影和白色针状包裹体也是合成碳硅石的特征之一。

（3）热导仪和590 型测试仪、Diamond Sure 和Diamond View 的组合使用都可以很好地鉴别合成碳硅石和钻石。

（4）通过合成碳硅石的紫外—可见光光谱和拉曼光谱可以确定样品为4H 型合成碳硅石，且绿色样品的紫外—可见光光谱中464nm 和592nm 吸收峰解释了其致色原因。Ia 型钻石紫外—可见光光谱特征的415nm 吸收峰和拉曼光谱中的1333cm特征峰在合成碳硅石中均不可见。合成碳硅石的紫外—可见光光谱和拉曼光谱与钻石及其仿制品的光谱没有重合的峰，这也是鉴定合成碳硅石的重要方法。