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《藍寶石產地之研究 以斯里蘭卡和緬甸藍寶石為研究》

2019-01-29

獎學金生小論文-JIA

藍寶石產地之研究

以斯里蘭卡藍和緬甸藍寶石為研究

作者: 彭怡嘉

指導老師: 吳照明老師


目錄


第一章      緒論

1-1     前言

1-2     藍寶石的基本性質

(一)    顏色與成因

(二)    多色性

(三)    發光性

(四)    光學效應

第二章 鑑定

2-1 藍寶石主要產地鑑定

(一)    斯里蘭卡藍寶石

(二)    緬甸藍寶石

第三章 樣品與實驗方式

3-1 樣品介紹

3-2 實驗步驟

(一)    紫外-近紅外-可見光光譜儀

(二)    成份分析方法

(三)    紅外光譜儀

第四章 分析結果

4-1精密儀器分析圖表與數據

4-2 綜合比較

第五章 結論與討論

參考文獻

特別感謝


第一章 緒論

1-1前言

藍寶石在礦物學與寶石學定義中屬剛玉Corundum家族,化學成份為三氧化二鋁Al2O3,因含有鐵Fe2+和鈦Ti4+微量元素而呈現藍色,等級最高的藍寶石顏色是純淨的藍色調中帶著一抹淡淡的紫色,這種顏色稱為「矢車菊藍」Cornflower Blue,主要產地為喀什米爾Kashmir。而剛玉是有色寶石中硬度最高的寶石,為鑽石以外地球上最硬的天然礦物,非寶石級的剛玉也被用來作為工業上研磨或拋光的材料。

藍寶石英文名稱Sapphire起源於希臘文「藍色」的意思是九月誕生石與結婚45週年的紀念石,深邃沈靜的藍色有如熱情中帶堅定智能,其湛藍色受到青睞,經常出現於古老的傳與名人愛戴,藍寶石象徵冷靜的思考力與洗練的智慧,這種形象一直留在世人心目中。


1-2      藍寶石的基本性質

由於藍寶石與紅寶石同屬剛玉家族,因此其物理/化學性質、晶體結構、結晶型態等都與紅寶石相似。如下表列出藍寶石的基本性質:             


(1 藍寶石物理/化學性質)

物理/化學性質

化學成分

Al2O3 三氧化二鋁

晶系

三方晶系

硬度

9

折射率

1.76 - 1.78

雙折射率

0.008 – 0.009

色散

光澤

亮玻璃光澤

顏色和品種

除了紅色以外的各種顏色

透明度

透明到不透明

解理

斷口

貝殼狀斷口

相對密度

3.80 – 4.05

多色性

光學效應

星光效應:六射星光(十二射星光罕見)、變色效應

結晶習性

柱狀、桶狀、雙錐狀、不規則

光譜

藍寶石在藍區呈三個吸收帶。



藍寶石與紅寶石具有相同的對稱性、折射率、硬度、相對密度等物理/化學性質。但也具有不同的多色性、紫外燈下的反應以及顏色等。

晶體結構:

可能成柱狀、或板狀六邊形晶體,連接平直的底部軸面,相鄰的角落可能出現菱面,也可能呈六邊雙錐。由於錐面/柱面發育不同,可能產生長而薄、短而厚的雙錐。如晶體連接平直的底部軸面,有些可能會呈桶狀的外觀。如圖1

 

(1常見的藍寶石晶體結構)

(一)  顏色及成因

藍寶石的顏色非常豐富多彩,主要的顏色有無色、藍色、綠色、黃色、橘色、棕色、粉紅色、紫色、灰色、黑色等多種顏色。剛玉除了紅色與藍色以外的顏色,其名稱為藍寶石,例如:粉紅色藍寶石Pink Sapphire

然而藍寶石的顏色主要成因是含有鐵和鈦的微量元素而使寶石呈現藍色調,而剛玉中的微量元素的不同與含量的組合使藍寶石呈現多彩的樣貌,在寶石學上稱為「彩色藍寶石」。

(二)  多色性

多色性是鑑定藍寶石特徵之一,藉由多色性可以區分顏色相近的寶石。除無色寶石之外,有些藍寶石具有強的二色性,其二色性的強弱及色彩的變化均取決於寶石的顏色與體色的深淺程度。

常見藍寶石的二色性有:         


     (表2 藍寶石二色性)

顏色

二色性描述

紫色系列

深紫藍色-藍色

綠色系列

藍色-藍綠色

藍色系列

藍色-淡藍色、藍色-灰藍色

黃色系列

金黃色-黃色、橙黃色-淡黃色、淡黃色-無色


(三)
 
發光性

1. 紫外光

藍寶石的紫外光是長波紫外光大於短波紫外光,隨著不同地、不同顏色的紫外光有不同的變化反應,與寶石本身所含的微量元素有關。若鉻元素含量高紅色會使之鮮豔、鐵元素含量高則會抑制螢光反應。通常藍寶石在紫外燈下沒有明顯的螢光反應,有時在長波紫外光可見紅色至橙色的螢光,短波下呈弱螢光或黃綠色螢光,例如:斯里蘭卡的藍寶石在短波紫外光下呈橙黃色螢光反應。

 

(3藍寶石螢光反應)

產地

紫外光

LWUV

SWUV

緬甸藍寶石

惰性

惰性

斯里蘭卡藍寶石

弱橙色

惰性-弱橙色

 

(四)  光學效應

1.   星光效應

「星光效應」Asterism源於搭丁語Aster,為星星之意,是一種多次星光狀反射效應,由寶石兩組或兩組以上的定向平行包裹體所生,包裹體細長針狀物、纖維狀構造或管狀的構造,寶石必須經適當切磨成弧面寶石。

藍寶石中含有豐富的金紅石包裹體,在垂直軸的平面那沿10101120的三組金紅石針狀包裹體,平行包裹體彼此成60度交角,經過切磨成弧面且底軸平行於三組金紅石包裹體,光自寶石內每組包裹體上反射,產生三個交叉的反射光帶,在寶石表面成六射星光。十二射星光較罕見,由兩套規律排列的包裹體所產生,兩套星光彼此互相呈現30度交叉所生的,兩套包裹體分別為金紅石和赤體礦張蓓莉2012)。

 

    (圖2 剛玉內金紅石包裹體所引起的星光效應)

 

2.    變色效應

少數藍寶石具有變色效應,在日光燈下呈藍色、灰藍色調;在絲燈下呈暗紅紫色。藍寶石普遍的變色效應是由鉻和鐵-鈦混合而形成的。



第二章   鑑定

2-1 藍寶石主要地鑑定

(一)  藍寶石主要地分佈圖

(圖3 主要藍寶石地分佈圖)

 

(二)斯里蘭卡藍寶石

斯里蘭卡藍寶石是歷史悠久最早開採的礦區,品質最優質的地,迄今仍然可以產出各種顏色的藍寶石,包括較稀少的蓮花剛玉(Padparadsch)和星光紅藍寶都是主要的地。除了出顏色豐富藍寶石外,也出大量白色藍寶石Genuda,白色藍寶石在還原環境中加熱到1600-1900度後可以變成透明清澈的藍寶石,已成為市場上常見的熱處理藍寶石。

除了藍寶石基本物理/化學性質外,其中藉由藍寶石中的包裹體可鑑別出藍寶石的地之一,斯里蘭卡特徵包裹體:黃鐵礦、帶有暈圈的石晶體、類似指紋撞癒合裂隙、金紅石呈絲狀物、兩相包裹體以及磷灰石晶體。在兩相或三相包裹體中,石墨會以固態呈現其中;而長形的負晶和黃鐵礦也很常見(E.J.Gublin1995)


          

4 細長金紅石呈絲狀                                                                                              圖5 針狀金紅石定向分部可見干涉圖


     

圖6 數個黃鐵礦與黃鐵礦晶體                                                                                  圖7 鋯石暈包裹體


             

圖8 長型空晶                                                                                                            圖9 癒合裂隙


(三)  緬甸藍寶石

緬甸是常常聽到產出紅寶石和翡翠的地方,其實也有產出藍寶石,抹谷Mogok礦區主要出較優質的紅寶石、粉紅色藍寶石和藍寶石,產出的藍寶石具有高的透明度、品質、光澤及顏色品質好,其中最優質的藍寶石能與喀什米爾相媲美,顏色甚至達到皇家藍。此礦區較常發現較大克拉的紅、藍寶石與星光紅、藍寶石。

除了藍寶石基本物理/化學性質外,其中藉由藍寶石中的包裹體可鑑別出藍寶石的地之一,緬甸特徵的包裹體:金紅石絲狀物,伴隨著針點狀的金紅石。有些寶石中可見長形的針狀磷灰石、白雲石包裹體(產自抹谷)、捲曲羽狀紋或絲狀,以及六邊形色帶(E.J.Gublin1995)


           

圖10 金紅石包裹體                                                                                                   圖11 指紋狀癒合裂隙包裹體


          

圖12 皺摺羽狀包裹體                                                                                              圖13 磷灰石包裹體


第三章 樣品與實驗方式

3-1 樣品介紹

本研究樣品來自斯里蘭卡和緬甸藍寶石,所有樣品皆未經過人工處理之原石及刻面藍寶石。

斯里蘭卡藍寶石原石其晶體結構有雙錐狀、桶狀以及經過風化侵蝕作用呈現不規則之形狀,顏色有無色、粉紫色,淡藍色,黃色等等,其中多數原石中都具有鐵染現象;刻面寶石其顏色為深藍色至淡藍色,有些顏色較深接近黑藍色,其中部分樣品具有不均勻的色帶,包裹體有癒合裂隙、應力裂紋等。

3-2 實驗步驟

(一)挑選樣品-放大觀察-測折率-光譜-紫外燈-比重-精密儀器測試-數據分析-結論

 

斯里蘭卡原石標本20個: 


圖14 斯里蘭卡藍寶石原石標本


4 斯里蘭卡藍寶石原石標本晶體結構

 

 

 

 

垂直C軸生長紋理

貝殼撞斷口

 

C-1

黃棕色

V

 

 

 

V

V

V

 

 

C-2

淡藍色

V

 

 

 

V

V

 

V

 

C-3

無色

V

 

 

 

V

V

 

 

V

C-4

無色

V

 

 

 

V

V

 

 

 

C-5

淡藍色

V

 

 

 

V

V

 

 

 

C-6

淡藍紫色

 

 

 

V

V

 

V

 

 

C-7

黃白色

 

 

 

V

V

V

 

 

 

C-8

淡灰色

 

 

V

 

V

V

V

 

 

C-9

淡藍色

 

 

V

 

 

V

 

V

V

C-10

淡灰色

 

 

V

 

V

V

 

 

 

C-11

淡灰藍色

 

 

 

V

V

V

 

 

V

C-12

灰藍色

 

 

V

 

V

V

V

 

 

C-13

無色

 

 

V

 

 

V

V

 

V

C-14

灰色

 

 

V

 

V

V

 

 

 

C-15

淡黃色

 

 

V

 

V

V

V

 

 

C-16

白色

 

 

 

V

 

 

 

 

V

C-17

白色

 

 

 

V

V

V

V

 

 

C-18

淡紫色

 

 

V

 

V

V

V

 

 

C-19

無色

 

V

 

 

V

V

 

 

V

C-20

藍色

 

 

V

 

 

V

 

 

V

 

斯里蘭卡刻面寶石標本12個:


圖15 斯里蘭卡刻面寶石標本


特徵包裹體:


圖16 斯里蘭卡刻面藍寶石特徵包裹體


緬甸藍寶石刻面寶石其顏色為無色至淡藍色、藍色至深藍色,包裹體有癒合裂隙、石暈等。

 

刻面寶石標本25顆:


圖17 緬甸刻面藍寶石標本


特徵包裹體:


圖18 緬甸刻面藍寶石特徵包裹體


3-3 精密儀器簡介

1. 紫外-近紅外-可見光光譜儀(UV-Visible-NIR)

紫外-近紅外-可見光譜儀原理是在電磁輻射作用,寶石中的原子、離子、中子的價電子及分子軌道,而在電子在電子能級間跳躍到更高能級的電子而生吸收光譜。寶石具有不同的晶體結構可以生不同的吸收光譜,常用於鑑定區分天然剛玉和合成剛玉、區分祖母綠的地分析、區分天然鑽石的顏色和經過處理鑽石的顏色等。

將刻面斯里蘭卡藍寶石和緬甸藍寶石樣品,使用廣州標旗電子科技有限公司製造型號:Gem-300的紫外-近紅外-可見光譜儀進行分析。

1. 成份分析ED-XRF

由於寶石的化學成分多且複雜,利用成份分析可得知寶石含有哪些微量元素,使寶石呈現多彩的樣貌,同時藉由成份分析可作為地分析的鑑別,常用於鑑定天然寶石與合成寶石,區分紅寶石、尖晶石、祖母綠,以及確定某些微量元素的相對濃度可區分天然紅藍寶石的地。

將刻面斯里蘭卡藍寶石和緬甸藍寶石樣品,使用Thermo NION製造型號:XL3t 950 的成份分析精密儀器進行分析。

2. 傅立葉轉換紅外光譜儀F.T.I.R:

能量在4000-400cm-1的紅外光譜儀用於測量寶石晶體結構中對電磁波紅外部分的吸收,產生分子電子間的能級振動與轉動能級的能階,由於不同的振動能級的變化,因此生不同紅外光譜儀光譜,常用於鑑定區分鑽石III型、翡翠B貨、低溫處理的紅寶石等等。

將刻面斯里蘭卡藍寶石和緬甸藍寶石樣品,使用PERKIN ELMER公司製造型號:Spectrum Two的紅外光譜儀進行分析。

 

第四章 分析結果

4-1精密儀器分析圖表與數據

(一) 紫外-近紅外-可見光光譜儀


斯里蘭卡藍寶石:

sa-01


19 UV-Visible-NIR斯里蘭卡刻面藍寶石sa-01

波長在 238nm 處有最高峰、387nm代表天然藍寶石。


sa-45


20 UV-Visible-NIR斯里蘭卡刻面藍寶石sa-45

波長在 238nm 處有最高峰、387nm代表天然藍寶石、690nm代表含有紅色色塊,常常含有鉻(Cr)


sa-66


21 UV-Visible-NIR斯里蘭卡刻面藍寶石sa-66

波長在 238nm 處有最高峰、387nm代表天然藍寶石。


緬甸藍寶石:

ms-02


22 UV-Visible-NIR 緬甸刻面藍寶石ms-02

波長在425nm最高峰,波長387nm有吸收峰代表天然藍寶石,在450nm代表經熱處理。


ms-05


23 UV-Visible-NIR 緬甸刻面藍寶石ms-05

波長在690nm最高峰,波長387nm有吸收峰代表天然藍寶石、波長在450nm有吸收峰代表未經熱處理。


ms-11


24 UV-Visible-NIR 緬甸刻面藍寶石ms-11

波長在410nm最高峰,波長387nm有吸收峰代表天然藍寶石、波長在450nm有吸收峰代表未經熱處理。


ms-12


25 UV-Visible-NIR 緬甸刻面藍寶石ms-12

波長在460nm最高峰,波長387nm有吸收峰代表天然藍寶石。


ma-17


26 UV-Visible-NIR 緬甸刻面藍寶石ms-17

波長在460nm最高峰,波長387nm有吸收峰代表天然藍寶石。


ms-20


27 UV-Visible-NIR 緬甸刻面藍寶石ms-20

波長在480nm最高峰,波長387nm有吸收峰代表天然藍寶石、波長在450nm有吸收峰代表未經熱處理。



(二)成分分析

斯里蘭卡藍寶石:


28 EDXRF 斯里蘭卡刻面藍寶石比較


5 EDXRF 斯里蘭卡刻面藍寶石比較

sa-01

sa-45

sa-66

Fe

0.015

0.051

0.037

Cr

0.000

0.026

0.000

V

0.005

0.002

0.000

Ti

0.055

0.028

0.03

Ga

0.028

0.016

0.027


Fe Ti%的比較:



緬甸藍寶石:


29 EDXRF 緬甸刻面藍寶石比較


6 EDXRF 緬甸刻面藍寶石比較

ms-02

ms-05

ms-11

ms-12

ms-17

ms-20

Fe

0.601

0.124

0.234

0.077

0.032

0.191

V

0

0

0

0.01

0.006

0

Ti

0.006

0.012

0.015

0.014

0

0.009

Ga

0.08

0.083

0.084

0.084

0.082

0.083

P

0.923

0.983

1.013

0.908

0.862

0.924

Si

0.079

0.175

0.189

0.142

0.163

0.177

Ga

0.045

0.009

0.009

0

0.016

0.006


Fe Ti%的比較:



(三)傅立葉轉換紅外光譜儀F.T.I.R


斯里蘭卡藍寶石:

sa-01

31 F.T.I.R 斯里蘭卡刻面藍寶石 sa-01

2848 cm-12930 cm-13307 cm-13749 cm-1處有吸收峰,是鑑別斯里蘭卡藍寶石參考值之一。


sa-45


32 F.T.I.R 斯里蘭卡刻面藍寶石 sa-45

2854 cm-12924 cm-13309 cm-13745 cm-1 處有吸收峰,是鑑別斯里蘭卡藍寶石參考值之一。


sa-66


33 F.T.I.R 斯里蘭卡刻面藍寶石 sa-66

2854 cm-12926 cm-13307 cm-13744 cm-1 處有吸收峰,是鑑別斯里蘭卡藍寶石參考直之一。


緬甸藍寶石:

ms-02


33 F.T.I.R 緬甸刻面藍寶石 ms-02

2344cm-12929cm-13787cm-1處有吸收峰,是鑑別緬甸藍寶石考參考值之一。

 

ms-05


34 F.T.I.R 緬甸刻面藍寶石 ms-05

2344cm-12929cm-13786cm-1處有吸收峰,是鑑別緬甸藍寶石考考值之一。

 

ms-11


35 F.T.I.R 緬甸刻面藍寶石 ms-11

2344cm-12924cm-13788cm-1處有吸收峰,是鑑別緬甸藍寶石考考值之一。

 

ms-12


36 F.T.I.R 緬甸刻面藍寶石 ms-12

2340cm-12926cm-13788cm-1處有吸收峰,是鑑別緬甸藍寶石考考之一。

 

ms-17


37 F.T.I.R 緬甸刻面藍寶石 ms-17

2920cm-13788cm-1處有吸收峰,是鑑別緬甸藍寶石考考之一。

 

ms-20


38 F.T.I.R 緬甸刻面藍寶石 ms-20

2926cm-13783cm-1處有吸收峰,是鑑別緬甸藍寶石考考之一。

 

 

4-2 綜合比較

緬甸藍寶石:

7 顏色較淡緬甸刻面藍寶石物理/化學性質比較

 

ms-11

ms-17

ms-20

照片

顏色

極淡藍

極淡藍

極淡藍

折射率

1.761-1.770

1.760-1.770

1.761-1.770

雙折射率

0.009

0.010

0.009

光澤

亮玻璃光澤

亮玻璃光澤

亮玻璃光澤

光譜

藍區一條弱吸收線

藍區一條弱吸收線

藍區一條弱吸收線

螢光反應

長波微紅

長波亮橘紅

長波弱橘紅

二色性

無色/淡藍色

無色/藍色

無色/淡藍色



8 顏色較深緬甸刻面藍寶石物理/化學性質比較

 

ms-02

ms-05

ms-12

照片

顏色

深灰藍

淡藍

淡藍紫

折射率

1.765-1.776

1.761-1.770

1.760-1.768

雙折射率

0.011

0.009

0.008

光澤

亮玻璃光澤

亮玻璃光澤

亮玻璃光澤

光譜

藍區一條吸收窄帶

藍區一條吸收弱線

藍區一條吸收弱線

螢光反應

長波惰性

長波強橘紅

長波弱橘紅

二色性

藍色/綠色

中等

灰藍色/藍紫色

中等

無色/藍紫色



第五章 結論與討論

斯里蘭卡藍寶石與緬甸藍寶石鑑別由以上精密儀器測試,可以得到以下的鑑別根據:


(1)   紅外光譜儀:

斯里蘭卡藍寶石:

2840 cm-1~2860 cm-12920 cm-1~2930 cm-13300 cm-1~3310 cm-13740 cm-1~3750 cm-1 有特徵吸收峰。




緬甸藍寶石:

2340cm-1~2350cm-12920cm-1~2930cm-13780 cm-1~3790 cm-1有特徵吸收峰。




(2) 紫外-近紅外-可見光光譜儀

斯里蘭卡藍寶石:

220nm~240nm有吸收峰、280nm~300nm有吸收峰、690nm是斯里蘭卡診斷性吸收峰。

 

緬甸藍寶石:

410nm~500nm有吸收峰,而387nm有吸收帶表示天然藍寶石,若在450nm處有很深吸收峰可能為熱處理過的藍寶石,是否為熱處理的寶石需透過放大觀察鑑別。

 

3)成份分析:斯里蘭卡藍寶石中的微量元素主要有鐵、鈦、釩、鉻、鎵、鋁;緬甸藍寶石中的微量元素主要有鐵、鈦、釩、鎵、鋁、鈣、磷。根據不同的微量元素相對%,可以鑑別斯里蘭卡藍寶石和緬甸藍寶石。

 

 

參考文獻

1.      E.J.Gublin1995《寶石含物大圖解》。張瑜生譯。台北:大支出版

2.     張蓓莉2016《系統寶石學》。北京:地質出版。

3.     張蓓莉2012《世界主要彩色寶石地研究》。北京:地質出版。

4.    謝意紅2004。寶石和寶石學雜誌。藍寶石的紫外-可見光譜及致色機理分析,19-10

5.     Lin Sutherland , Khin Zaw , Sebastien Meffre , Tzen-Fui Yui and Kyaw Thu2015)。Advances in Trace Element “Fingerprinting” ofGem Corundum, Ruby and Sapphire, Mogok Area, Myanmar

 

特別感謝

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