黃色礦物晶體種類及顏色成因初探

崔亞男 郝琦 董蘭

摘要：在所有礦物晶體中，黃色礦物晶體占比較大，深受礦物晶體收藏家喜愛。常見的黃色礦物晶體有黃色水晶、黃色鉆石、黃色藍(lán)寶石等，它們的顏色成因各不相同，黃色水晶主要為晶格缺陷致色；黃色鉆石主要為晶格缺陷致色和能帶間電子躍遷致色；黃色藍(lán)寶石主要為能帶間電子躍遷和離子間的電荷遷移致色；黃色石榴石主要為離子間的電荷遷移致色；黃色葡萄石主要為離子間的電荷遷移致色；黃色石英質(zhì)玉石主要是鐵的氧化物致色；黃色冰洲石主要是致色離子和色心致色；黃色綠柱石主要是環(huán)狀結(jié)構(gòu)通道中的[Fe2（OH）4]2+多聚合離子致色；黃色電氣石主要是占據(jù)Y位與O配位的Ni2+致色；黃色長(zhǎng)石主要由Fe2+、Fe3+之間的電荷遷移致色。

關(guān)鍵詞：黃色礦物晶體；顏色成因

礦物晶體是指在自然界中天然形成的化合物，如果生長(zhǎng)的空間足夠大，則可形成完整的晶體形態(tài)。礦物的顏色是礦物最直觀的一項(xiàng)特征，也是礦物晶體質(zhì)量評(píng)價(jià)的一個(gè)重要表征，是礦物對(duì)可見光選擇性吸收的結(jié)果。人肉眼可看到的顏色分為赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種，中國(guó)古人以“黃為尊，紅為貴”，所以自古以來黃色就深受人們的喜愛。礦物晶體顏色豐富，可以涵蓋可見光光譜里的所有顏色。其中黃色礦物晶體種類繁多，是礦物晶體中的一個(gè)重要組成部分。

1.常見黃色礦物晶體種類

評(píng)判一塊礦物晶體質(zhì)量如何，除了其晶體形態(tài)、尺寸大小外，最重要的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)就是其顏色，往往顏色越艷麗，飽和度越高，其價(jià)值也越高。

常見黃色礦物晶體有水晶、鉬鉛礦、釩鉛礦、鉻鉛礦、白鎢礦、金綠寶石、綠柱石、鉆石、藍(lán)寶石、碧璽、石榴石、瑪瑙、日光石、金紅石、方解石、葡萄石、鋯石、自然硫、自然金、虎晶石、黃鐵礦、翡翠、軟玉等。這些礦物晶體雖然都是黃色，但其顏色成因卻各不相同。

2.礦物晶體顏色成因

礦物晶體的顏色是可見光照射到晶體上，經(jīng)過反射、折射、透射、吸收等一系列光學(xué)作用后，剩余可見光進(jìn)入人眼后的顏色組合。傳統(tǒng)的礦物晶體顏色成因分為自色、他色和假色，

自色是指礦物晶體的顏色是由礦物晶體自身所含有的基本化學(xué)組分中的元素所引起的顏色，比如綠松石、孔雀石等。他色是指礦物晶體的顏色是由其中所含的雜質(zhì)元素所引起的顏色，常見的致色元素有Fe2+、Fe3+、Cr3+、Ti4+、Mn4+、 Ni2+、V3+、Co3+等。比如Cr3+使紅寶石呈現(xiàn)紅色、Co3+使尖晶石呈現(xiàn)藍(lán)色、Mn4+使鋰輝石呈現(xiàn)紫色等。假色是指礦物晶體的顏色與其化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有直接關(guān)系，而是由于光在晶體中穿梭所發(fā)生的物理現(xiàn)象（折射、反射等）形成的顏色。比如月光石、拉長(zhǎng)石、歐泊等。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人們對(duì)礦物顏色的成因有了更清晰、更準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。產(chǎn)生了晶體場(chǎng)理論（離子內(nèi)部的電子躍遷呈色）、分子軌道理論（離子間的電荷遷移呈色）、能帶理論（能帶間的電子躍遷呈色）以及晶格缺陷呈色理論來揭示礦物晶體顏色成因的本質(zhì)[1]。

3.不同種類礦物晶體顏色成因

3.1黃色水晶

黃色水晶是水晶中一個(gè)比較名貴的品種，有天然的黃水晶，也有其他顏色水晶經(jīng)過加熱形成的黃水晶。根據(jù)王萍等（2004）的研究認(rèn)為，黃色水晶有三種可能的成因類型：（1）輻射（天然或者人工）黃水晶的顏色與Al+O-空穴心有關(guān)；（2）紫水晶加熱到450℃～500℃形成的黃水晶顏色與煅燒過程中Fe3+以及Fe3++O-色心變成鐵氧化物的次顯微析出物有關(guān)；（3）有些煙晶加熱到300℃～320℃變?yōu)辄S水晶與有些煙晶中不僅有使水晶呈煙色的Al3++O-空穴心，還存在Fe3++O-色心或者Fe3+，煅燒形成鐵氧化物的次顯微析出物，從而產(chǎn)生黃色[2]。

3.2黃色鉆石

鉆石根據(jù)是否含N元素分為Ⅰ型鉆石和Ⅱ型鉆石，其中氮在晶格中呈聚合狀不純物存在為Ⅰa型鉆石；氮在鉆石內(nèi)呈單獨(dú)不純物存在為Ⅰb型鉆石；不含氮，碳原子因位置錯(cuò)移造成缺陷為Ⅱa型鉆石；不含氮但含少量硼元素為Ⅱb型鉆石。

黃色鉆石的成因有兩種，Ⅰa型鉆石中不同聚合態(tài)形式的N可形成不同的結(jié)構(gòu)缺陷，從而形成不同的色心，對(duì)可見光產(chǎn)生不同的吸收，多個(gè)色心共同作用吸收了可見光中的紫光和藍(lán)光，從而使鉆石呈現(xiàn)黃色。Ⅰb型鉆石中，N原子比C原子結(jié)構(gòu)中多一個(gè)電子，這個(gè)多余的電子在帶隙內(nèi)形成一個(gè)雜質(zhì)能級(jí)，只要足夠能量的光量子將這個(gè)多余電子激發(fā)到導(dǎo)帶中，并由此引起紫光—藍(lán)光范圍內(nèi)的光被吸收，其他光透過，則鉆石就呈現(xiàn)黃色[1]。

3.3黃色藍(lán)寶石

藍(lán)寶石是指除去紅寶石以外的其他所有顏色的剛玉寶石。包括藍(lán)色、綠色、黃色、橙色、粉色、紫色、無色等多種顏色的剛玉寶石。韓孝朕等（2019）認(rèn)為非洲黃色藍(lán)寶石的顏色是由Fe3+外層d電子躍遷和O2-與Fe3+的電荷轉(zhuǎn)移兩種呈色機(jī)制共同所致[3]。丁競(jìng)等（2015）認(rèn)為山東黃色藍(lán)寶石呈色主要是過渡金屬離子的d—d躍遷、Fe2+—Fe2+耦合對(duì)、Fe2+—Fe3+耦合對(duì)和Fe2+—Fe3+電荷轉(zhuǎn)移躍遷共同作用[4]。

3.4黃色石榴石

石榴石因其礦物晶體形態(tài)酷似石榴籽而得名。按其化學(xué)成分不同分為兩大系列，鋁質(zhì)系列和鈣質(zhì)系列。石榴石的顏色也特別豐富，除藍(lán)色以外的其他顏色幾乎均有出現(xiàn)。常見的黃色石榴石有錳鋁榴石（商業(yè)名稱為芬達(dá)石榴石）、鈣鋁榴石（當(dāng)鈣鋁榴石中的Ca2+被Fe2+取代時(shí)稱為桂榴石）等。

吳浩秋（2016）認(rèn)為Fe3+是鈣鋁榴石的主要致色離子，隨著鈣鋁榴石中Fe3+含量的增加，鈣鋁榴石整體的顏色呈現(xiàn)橙—黃色調(diào)。錳鋁榴石的主要致色離子為Mn2+和Fe2+，隨著Mn2+含量的增加，F(xiàn)e2+含量的減少，錳鋁榴石中黃色調(diào)增加[5]。朱琳（2015）認(rèn)為橙紅—橙黃色石榴石中為Fe3+致色，Ca2+對(duì)顏色無貢獻(xiàn)。明亮的橙紅—橙黃色石榴石（芬達(dá)石）中為Mn2+致色，橙紅色石榴石中紅色調(diào)是由Cr3+導(dǎo)致的[6]。

3.5黃色葡萄石

葡萄石是一種含水硅酸鹽，多以集合體產(chǎn)出，因其顏色清新如剝了皮的葡萄一般而得名。因其與翡翠具有相似的光澤和結(jié)構(gòu)而作為翡翠的一種平價(jià)替代品。

程曉宇（2018）通過紫外—可見光譜發(fā)現(xiàn)黃色葡萄石具有430nm為中心的寬吸收帶和580nm附近的弱吸收帶，認(rèn)為葡萄石的黃色調(diào)主要是由于Fe3+部分替代Al3+，發(fā)生電子躍遷所致[7]。杜華婷（2018）通過紫外—可見光光譜推測(cè)黃色系葡萄石的顏色主要由O2+-Fe3+-OH電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生，并通過LA-ICP-MS激光剝蝕等離子質(zhì)譜分析Mn元素含量是決定葡萄石呈黃色還是黃綠色的關(guān)鍵因素。Mn元素含量相對(duì)很大時(shí)，葡萄石呈黃色[8]。

3.6黃色石英質(zhì)玉石

石英質(zhì)玉石是由隱晶質(zhì)—顯晶質(zhì)石英礦物組成，石英質(zhì)玉石品種繁多，如石英巖、木變石等顯晶質(zhì)石英質(zhì)玉石；玉髓、瑪瑙等隱晶質(zhì)石英質(zhì)玉石。在石英質(zhì)玉石中，黃色是其最常見的顏色。

張勇（2016）通過對(duì)云南龍陵、安徽霍山、廣西賀州3個(gè)產(chǎn)地的石英質(zhì)玉石進(jìn)行了顯微鏡觀察、拉曼光譜和紫外可見光吸收光譜測(cè)試，通過紫外可見光吸收光譜的一階導(dǎo)數(shù)圖譜，對(duì)石英質(zhì)玉石的黃色和紅色部位進(jìn)行了研究。結(jié)果表明黃色石英質(zhì)玉石紫外可見光吸收光譜一階導(dǎo)數(shù)圖譜的特征峰有545nm～535nm和435nm，認(rèn)為黃色石英質(zhì)玉石主要由赤鐵礦致色[9]。

周丹儀等（2013）對(duì)黃色—紅色系列隱晶質(zhì)玉石顏色成因的前人工作進(jìn)行了詳細(xì)整理，認(rèn)為黃色—紅色系列隱晶質(zhì)玉石顏色主要是由富存在石英顆粒之間的鐵的氧化物產(chǎn)生的，為雜質(zhì)礦物致色[10]。

3.7黃色冰洲石

冰洲石是指無色透明的方解石，因雜質(zhì)離子的存在而具有其他顏色。冰洲石具有三大光學(xué)特征，即高透波率，強(qiáng)雙折射，良好的偏光性，被用于國(guó)防工業(yè)和制造高精度光學(xué)儀器。

羅躍平（2002）對(duì)不同色調(diào)黃色冰洲石的微量元素進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)Mn、Pb元素隨著黃色調(diào)的加深而含量增加，認(rèn)為Mn、Pb元素可能是引起黃色冰洲石的致色離子。此外，放射性元素Th也隨著黃色調(diào)的加深而含量增加，被認(rèn)為是由于放射性元素對(duì)其輻照而使其內(nèi)部產(chǎn)生缺陷產(chǎn)生色心而致色。加熱褪色實(shí)驗(yàn)標(biāo)明Mn元素是造成黃色冰洲石在350nm～460nm處產(chǎn)生吸收的原因。因此，Mn2+、Pb2+、CO32+的相互作用使冰洲石產(chǎn)生了黃色[11]。

3.8黃色綠柱石

綠柱石類寶石品種豐富，包括我們熟知的祖母綠、海藍(lán)寶石、摩根石都是綠柱石家族的一員，黃色也是綠柱石中一個(gè)常見的顏色。也稱金色綠柱石。

胡丁瑜（2010）采用紫外可見光光度計(jì)對(duì)內(nèi)蒙古烏拉特前旗黃色綠柱石的定向切片吸收光譜進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古黃色綠柱石紫外—可見光光譜沒有出現(xiàn)八面體位Fe3+、Fe2+的吸收，并且Cr3+、V5+元素含量很少，不對(duì)該區(qū)黃色綠柱石顏色產(chǎn)生影響，進(jìn)而認(rèn)為內(nèi)蒙古烏拉特前旗黃色綠柱石的顏色可能與環(huán)狀結(jié)構(gòu)通道中的[Fe（2OH）4]2+多聚合離子有關(guān)[12]。

除了天然形成的黃色綠柱石外，還可以通過輻照處理將無色綠柱石變?yōu)辄S色綠柱石。亓利劍（2012）對(duì)新疆無色綠柱石進(jìn)行輻照改色處理和變溫退火實(shí)驗(yàn)使綠柱石晶格上替位雜質(zhì)離子Fe2+、通道中的填隙[Fe2（OH）4]2+聚合離子及OH自由基的帶電性質(zhì)、配位體結(jié)構(gòu)及化學(xué)鍵發(fā)生改變產(chǎn)生損傷心而產(chǎn)生黃色綠柱石[13]。

3.9黃色電氣石

電氣石，又稱碧璽，是一種重要的寶石礦物，因其顏色豐富，光彩奪目，深受人們的喜愛。因其具有熱電效應(yīng)而可以吸附灰塵，也被稱為“吸灰石”。

電氣石屬于環(huán)狀硅酸鹽礦物，礦物晶體化學(xué)組成復(fù)雜，通用化學(xué)式為XY3Z6[Si6018] [B03]3V3W，其中X、Y、Z為不同價(jià)態(tài)的陽離子。

李明（2019）對(duì)彩色電氣石顏色成因機(jī)制進(jìn)行了研究，通過對(duì)不同顏色的電氣石的微量元素測(cè)定認(rèn)為占據(jù)晶體結(jié)構(gòu)中Y位的過渡金屬離子引起電氣石的顏色，占據(jù)晶體結(jié)構(gòu)中Z位的過渡金屬離子不引起電氣石的顏色，除了占位，過渡金屬離子的價(jià)態(tài)、配位陰離子的種類等也影響電氣石的顏色。電氣石的顏色來自于過渡金屬離子的d-d電子躍遷。而黃色電氣石的顏色由占據(jù)Y位與O配位的Ni2+引起。通過對(duì)不同顏色電氣石精細(xì)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，認(rèn)為電氣石結(jié)晶程度的降低一定程度上有利于晶體顏色的產(chǎn)生[14]。

3.10黃色長(zhǎng)石

長(zhǎng)石是地殼中最豐富的礦產(chǎn)之一。許多寶石品種也屬于長(zhǎng)石家族，比如正長(zhǎng)石中的月光石，透明長(zhǎng)石（冰長(zhǎng)石），微斜長(zhǎng)石的綠色變種天河石，斜長(zhǎng)石中的日光石、拉長(zhǎng)石等。

曹越在2006年通過可見光吸收光譜測(cè)試對(duì)內(nèi)蒙古固陽縣的黃色拉長(zhǎng)石進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在380nm和420nm附近的吸收峰，認(rèn)為固陽縣拉長(zhǎng)石顏色的成因與Fe3+有關(guān)。然后分析了Fe3+鐵的作用認(rèn)為固陽拉長(zhǎng)石吸收光譜中380nm處吸收峰半高寬較窄，推測(cè)與Fe3+d-d電子躍遷有關(guān)，420nm處吸收峰半波寬較寬，推測(cè)與Fe2+、Fe3+之間的電荷轉(zhuǎn)移有關(guān)。由于380nm處吸收位于可見光范圍以外，對(duì)肉眼可觀察到顏色無重要作用，因此420nm左右的吸收峰，對(duì)黃顏色的產(chǎn)生起到了重要的作用。因此其致色原因應(yīng)該是Fe2+、Fe3+之間的電荷轉(zhuǎn)移。此外，他還分析推測(cè)Fe3+在長(zhǎng)石結(jié)構(gòu)中占據(jù)四面體位置是其呈黃色的原因[15]。

4.結(jié)語

黃色礦物晶體種類較多，致色原因也各不相同，通過對(duì)前人工作的整理，分別對(duì)黃色水晶、黃色鉆石、黃色藍(lán)寶石、黃色石榴石、黃色葡萄石、黃色石英質(zhì)玉石、黃色冰洲石、黃色綠柱石、黃色電氣石進(jìn)行分析，認(rèn)為黃色水晶主要為晶格缺陷致色；黃色鉆石主要為晶格缺陷致色和能帶間電子躍遷致色；黃色藍(lán)寶石主要為能帶間電子躍遷和離子間的電荷遷移致色；黃色石榴石主要為離子間的電荷遷移致色；黃色葡萄石主要為離子間的電荷遷移致色；黃色石英質(zhì)玉石主要是鐵的氧化物致色；黃色冰洲石主要是致色離子和色心致色；黃色綠柱石主要是環(huán)狀結(jié)構(gòu)通道中的[Fe2（OH）4]2+多聚合離子致色；黃色電氣石主要是占據(jù)Y位與O配位的Ni2+致色；黃色長(zhǎng)石主要由Fe2+、Fe3+之間的電荷遷移致色。

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