彩色宝石的迷人色彩源于其晶体结构在形成过程中被掺入的微量元素。这些杂质通常以百万分之一 (ppm) 的含量存在，它们与光发生相互作用，产生鲜艳的色彩。其中，最具影响力的微量元素包括 铁 (铁), 钒 （五）, 铬 （铬）及 钛 （Ti）的。本文探讨了它们的地质起源、着色机制以及它们在特定宝石中的作用。
内容
1. 铬（Cr）：红色和绿色的大师
地质现象
铬是一种过渡金属，常见于 超镁铁质 岩石 （例如橄榄岩、蛇纹岩）和 热液脉. 它替代了 铝板 (Al) 由于离子半径相似而存在于晶格中。
在宝石着色中的作用
- 红宝石 (刚玉（Al₂O₃）： Cr³⁺取代Al³⁺，产生强烈的红色色调。Cr³⁺内部的电子跃迁吸收黄绿光，透射出红色。
- Emerald (绿柱石，Be₃Al₂Si₆O₁₈): Cr³⁺（有时是 V³⁺）会诱发深绿色。Fe 的存在会改变颜色。
- 紫翠玉 (金绿宝石（BeAl₂O₄）： 由于选择性吸收带，Cr³⁺ 会引起剧烈的颜色变化（日光下为绿色，白炽灯下为红色）。
- 粉红色 蓝宝石 （刚玉）： 较低的 Cr 浓度会产生粉红色而不是红色。
值得注意的存款
- 红宝石： 缅甸（抹谷）、马达加斯加、坦桑尼亚。
- 绿宝石: 哥伦比亚（穆佐）、赞比亚、巴西。
2. 铁（Fe）：多功能着色剂
地质现象
铁在地壳中普遍存在，存在于 镁铁质和 变质岩。它有两种氧化状态：
- Fe²⁺（亚铁） – 通常产生蓝色/绿色。
- Fe³⁺（三价铁） – 趋向于黄色/棕色。
在宝石着色中的作用
- 蓝宝石（刚玉）： Fe²⁺ + Ti⁴⁺电荷转移（价态跃迁）吸收红光，产生蓝光。
- 海蓝宝石（绿柱石）： 八面体位置上的 Fe²⁺ 呈现蓝色色调。
- 贵橄榄石 (黄绿，（Mg，Fe）₂SiO₄）： Fe²⁺ 产生橄榄绿色至黄绿色。
- 黄水晶 (石英（二氧化硅）： Fe³⁺杂质会产生黄色至橙色的色调。
值得注意的存款
- 蓝宝石： 克什米尔（印度）、斯里兰卡、蒙大拿州（美国).
- 蓝晶： 巴西、尼日利亚、巴基斯坦。
3. 钒（V）：变色龙元素
地质现象
钒通常与 页岩型 存款 和 伟晶岩. 它在晶体结构中取代Al³⁺或Cr³⁺。
在宝石着色中的作用
- 绿色和蓝绿色绿柱石（“钒绿宝石”）： V³⁺ 产生纯绿色，通常比含铬的祖母绿更饱和。
- 坦桑石（黝帘石，Ca₂Al₃(SiO₄)₃(OH)): V³⁺（含少量Fe）会产生多向色性的蓝紫色调。热处理可增强蓝色。
- 一些合成紫翠玉： V³⁺ 可以模拟 Cr 引起的颜色变化。
值得注意的存款
- 坦桑石： 仅在坦桑尼亚的梅雷拉尼山 (Merelani Hills)。
- 钒绿柱石： 巴西、非洲。
4.钛（Ti）：蓝色和星光效果的创造者
地质现象
钛常见于 火成岩 （例如， 金红石 在伟晶岩中）并且经常形成脱溶层。
在宝石着色中的作用
- 蓝宝石（含 Fe²⁺）： Ti⁴⁺参与电荷转移，这对于深蓝色至关重要。
- 星光蓝宝石/红宝石： 溶解的金红石 (TiO2) 针状体通过光散射产生星光。
- 粉色和紫色蓝宝石： Ti-Fe 相互作用可以与 Cr 一起改变颜色。
值得注意的存款
- 星光刚玉： 斯里兰卡、泰国。
- 蓝宝石： 马达加斯加、澳大利亚。
结语
微量元素如 Cr、Fe、V 和 Ti 通过电子跃迁、电荷转移和晶体场效应，对定义宝石的颜色至关重要。它们的结合取决于 地质条件，包括 压力、温度和母岩化学。了解这些过程有助于宝石学家识别天然宝石和合成宝石，并增强对地球矿物艺术的欣赏。
延伸阅读
- 拿骚，K.（1983 年）。 颜色的物理和化学.
- Giuliani, G. 等人 (2019)。“宝石形成、地质学和勘探”。 《元素》杂志.
