【科普】独特的自然之美－宝石矿石包裹体

宝石包裹体的不同种类

在研究中，宝石学家两项最重要的工作就是，鉴定宝石的真伪及其品质。宝石学家通过测定一块未知石头的光学和物理常数对其进行鉴别；随后确定这块矿石的真实性和产地，以及采用何种加工方法能够改善这块石头的光学外观。一块石头的内在特性能够反应出，它在形成期间所处自然环境的化学和物理条件，当然，如果它是由人工合成的，那么它的内在特性能够反应出其在实验室合成时所经受的环境条件。上述内在特性包括色带以及天然共生性，即依据结晶构造定律，两个或以上单独晶体形成的共生体，亦称作孪晶。宝石矿物中常常会夹杂外来物质。上述包裹体根据种类可分为：

• 原生包裹体：在基质晶体构成前，就已经存在的矿物质，基质晶体内包含这些矿物质。

• 同生包裹体：这些包裹体与基质晶体同时构成，比如，修复结构体断裂过程中构成的包裹体。在上述过程中会形成很多小的凹坑，就是所谓的负晶体，其包含晶体生长过程中残留的水溶液。

• 后生包裹体：基质晶体构成后产生的包裹体。这类包裹体大多数为天然物质，存在于基质晶体的裂缝或出溶产物之中。

显微镜展现隐藏之美

一块好的宝石并非具有百分之百的纯净度，那些包裹体就是致其贬值的“缺陷”所在。对于一块带有刻面的宝石，这块宝石的纯净度就是鉴定等级的重要指标。而对于其他所有的宝石和装饰宝石来说，只要包裹体不破坏这块宝石的外观或稳定性，那么，这类宝石就不会因包裹体的存在而贬值。实际上，正是这些包裹体令宝石具有独一无二的特性，甚至可以说是大自然的鬼斧神工。除了它们的科学价值外，包裹体独有的美学意义常常只能透过显微镜方能展现。正是这份隐藏的内在美，似乎使“缺陷”这个词的积极意义比消极意义更多了一重。

针对宝石的显微镜检查不仅对宝石学家要求较高，更对所用的仪器设备提出了严苛要求。由于大多数情况下，需要对珠宝首饰中的宝石进行检验，因此，观察宝石的内在特性常常受到限制。在有些情况下，需要将宝石浸入与其光折射率相似的液体中。需要与黑暗背景构成对照极差，比如，由于反射刻面或带有金属光泽的包裹体，也为照明带来了重大挑战。

照明系统

一般来说，我们使用配备以下照明系统的立体显微镜用于宝石检验：

• 扩散明场：这种照明系统能够确保用户对低对比度的生长结构、色带和液态包裹体进行观察。如果使用正交偏光镜，还可以鉴别双折射性矿物包裹体或层状孪晶面。

• 暗场：暗场照明能够使在明场下不可见的极细小结构显示出来，比如，针状或像发丝一样的极细小包裹体。

• 玻璃纤维光波导管：这些光波导管能够确定目标暗场照明区域，或利用入射光对表面结构进行检验。

瑞士宝石学协会运用配备 1.0x Planapo 物镜的徕卡立体显微镜即可获取诸如图 1 - 6 中的任意图像，而他们所用的这款显微镜也为检验体积较大的物体提供了适当的自由工作距离。徕卡显微镜系统的冷光源将为明场或暗场提供照明。此外，还运用了两根配备外部光源的玻璃纤维光波导管。由于很多宝石具有光学各向异性，即双折射材料，因此，通常使用偏振滤光片（检偏镜）来消除因双折射性而导致的图像模糊现象。

对包裹体的数码显微摄像

借助数码显微摄像对宝石的内在特性进行记录，可追溯到 19 世纪。德国矿物学家 Ferdinand Zirkel 于 1873 年在他的书《矿物和岩石的微观特性》("Die mikroskopische Beschaffenheit der Mineralien und Gesteine") 提及了此项技术。仍然是在这本书中，Zirkel 也提到了对显微摄像的一些质疑。与绘图技术相比，他认为显微摄像无法突出图像的重要部分或者略去次要细节部分。尽管如上所述，显微摄像缺乏灵活性，但其却成为宝石学及其他科学研究不可或缺的仪器设备。宝石学家，例如，瑞士籍教授 Eduard Gübelin（瑞士宝石学协会的创始人之一），以及美国籍专家 J. Koivula，都在包裹体黑白胶卷和彩色胶卷摄像的进一步发展过程中扮演了重要角色。在当今的数码摄像时代，他们的技术仍然为现代人所用。由于包裹体的特殊特性，为包裹体的显微镜检查带来的巨大挑战，因而，高品质的光学器件、严丝合缝的工作态度以及极具耐心的特质成为卓越显微摄像的先决条件。尤其是，高对比度、景深受限以及宝石表面未被注意到的灰尘污点或划痕常常会产生这样或那样的问题。正如显微镜分析一样，不同的照明系统以及，最为重要的，照明系统组合，对显微摄像的结果起着关键作用。

确保无失真处理

在过去的几年中，数码显微摄像获得了普遍认可，从而开启了包裹体摄像的大门。利用高动态范围成像 (HDRI) 技术，能够实现对明亮和黑暗区域之间亮度动态范围超出照相机传感器亮度范围的物体的成像。通过一系列包围式曝光，电脑中会生成 HDRI 照片，这样就可以将全对比范围存储在一个 32 位的图像中了。但是，不管在常规监测器或通过印刷系统，该图像都不可再现。为了获取具有明显高亮和阴影部分的真实感图像，第二步，即所谓的色调映射，将通过压缩亮度范围予以执行，从而生成可以通过常规媒介重现的 8 位图像。

借助计算机技术进行的数码图像后加工克服了仍受限的摄像技术带来的阻碍，从而获得了更为真实的图像。但是，这种方式却不会导致图像润色或色彩改变，那样会导致图像因刻意修改信息而失真。在这方面，Ferdinand Zirkel 的观点在当今依然是真理：作者应运用其可能产生的影响 - 借助绘图笔或图像处理软件能否帮助以一种容易理解的方式实现记录的真实性。

宝石学主要检验方法

一般情况下：宝石学检验方法不得产生破坏性。

标准设备

• 宝石学立体显微镜

• 折光仪（确定折射率）

• 比重天平（确定重量和比重）

• 分光镜（用于可视光谱吸收率的光学观察）

• 偏光镜：确定光学各向异性

• 二色镜：确定多向色性（颜色差异取决于偏振光的振动平面）

• UV 灯：观察荧光性

现代宝石学研究实验室运用的分析技术

• 分光光度计、UV-VIS 和 IR（对可见光区 UV 和红外线区域吸收率的精确测量）

• X 射线荧光 (XRF)：对稀有元素的半定量分析

• 拉曼光谱学：对分子结构的分析（例如，确定包裹体）

• 激光烧蚀 - 电感耦合等离子体 - 质谱分析法 (LA-ICP-MS)：高灵敏度稀有元素分析

• 扫描电子显微镜检查法（亚微观表面结构检验）

• 激光诱导击穿光谱仪 (LIBS)：进一步进行稀有元素分析