珠寶知識288：珠寶考研考證篇（九十四）：合成水晶的發展歷史與鑑定。

一、合成水晶簡介

【國際合成水晶發展歷史】

水熱法合成水晶的研究早在19世紀初就已經開始了，當時水晶晶體的生長是在鹼性的硅酸鹽溶液中進行的。

1950年，美國貝爾電話實驗室和Clevite協會、英國通用電子集團公司等成功的將水晶的水熱法生長技術推廣到商業性生產中去，之後各國開始進行大規模的水熱法合成水晶的研究和生產，產品不但用於寶石材料，而且更多用於壓電材料和光學材料。

在20世紀50年代末和60年代初期，俄羅斯的有關石英的科學文獻中首次提到了雙色水晶——紫黃晶。經過X射線照射後，某些褐色的合成水晶在菱形生長區中可形成紫色（紫水晶）顏色。

1982年，俄羅斯開始商業化生產紫黃晶的試驗，由俄羅斯科學院（莫斯科）切爾諾戈洛夫卡實驗礦物學研究所（IEM RAS）實施，1993—1994年，這項研究轉移到同樣在莫斯科附近VNIISIMS，隨後VNIISIMS組織了一個名為“Ametrine”的特殊公司來銷售合成紫黃晶。如今，幾乎所有的合成紫黃晶都是在VNIISIMS生產的。

20世紀九十年代中期，俄羅斯的合成紫水晶已經達到商業化

圖為VNIISIMS生產的紫黃晶

【國內合成水晶發展簡史】

1958年，開始對水熱法合成水晶進行研究；

1978年，用於製造電子元件的天然水晶幾乎全部被合成水晶替代；

1985年，國家建材局人工晶體研究所承擔的“特種人造水晶”項目獲得國家科技進步二等獎，標誌著我國合成水晶達到國際水平；

1992年，開始合成彩色水晶，目前能夠合成的顏色包括茶色、紫色、綠色、藍色、黃色、近光色、黑色以及雙色和多色合成彩色水晶品種；

目前，我國水熱法合成水晶廠家達到170多家，其中生產壓電水晶的廠家有80家，年產量可達1760噸；

圖為上世紀八十年代分別有中國（左）和日本（右）生產的合成紫水晶

【合成水晶工藝參數】

由於石英是非常容易發生相變的，因此在合成過程中需要非常嚴格的控制

【合成水晶裝置示意圖】

【致色劑的使用】

二、合成水晶的鑑定

水晶其實是一個看上去很簡單，卻是一個不顯山不漏水的一個寶石品種，合成水晶實際上一類應用常規儀器不太好鑑定的品類，尤其是對於那些顯微鏡下全淨的水晶。看看下圖中的合成水晶，非常乾淨，做成成品之後較難鑑別。下圖為GIA曼谷實驗室在2015年收到的一個合成水晶手鐲，內部非常潔淨，並且在顯微鏡下觀察到了與天然水晶非常類似的兩相氣液包裹體，具有非常大的迷惑性。

因此，在常規儀器無法滿足鑑定需求的時候，就需要藉助大型儀器來進行鑑定了，下圖為東海水晶市場的合成水晶原石與製作成的水晶球。

天然水晶與合成水晶之間的區別具體如下：

【原石對比】

下圖為天然水晶與合成水晶的原石示意圖，其中A圖顯示的是天然水晶的晶體形態，主要呈柱狀；但是合成水晶主要呈板狀，其中B圖為生長在鹼性K2CO3溶液中的紫水晶，籽晶切向平行於Z軸；C圖為生長在近中性NH4F溶液中的紫水晶，籽晶切向平行於C或S軸。R和Z分別代表正負菱面體晶面、m代表六方柱面；天然水晶很少顯示三方柱，並且不含有垂直於Z軸（光軸）的C面。

下圖為天然水晶與合成水晶真實的晶體形態，其中天然水晶呈柱狀，合成水晶呈板狀，兩者之間具有非常明顯的差異。

下圖為在鹼性碳酸鉀溶液中生長的紫水晶的真實形態，籽晶的切向平行於Z軸方向。更多的合成水晶原石見文後圖集一。

【內含物特徵】

在合成水晶的過程中一般是不需要貴金屬內襯的，因此石英、礦化劑以及高壓釜之間會形成錐輝石，包裹在石英內部，形成麵包渣狀包裹體。有時這些麵包渣狀的包裹體是石英晶核。下圖為合成黃水晶與合成紫水晶中的麵包渣狀包裹體。

下圖為合成紫黃晶的鑑定特徵示意圖，其中可見明顯的種晶板（6釐米長），種晶板平行於X軸，紫色分佈在r和z區，黃色分佈在c區。合成紫水晶和合成黃水晶區域都存在顏色分帶現象，同時，由液體氣體包裹體組成的微弱條紋在黃晶區域平行於光軸生長。黃水晶的顏色分帶平行於無色的種晶板（垂直於光軸），紫水晶的顏色分帶平行於菱面體晶面方向。

下圖為在黃水晶部分觀察到的流線狀構造。

針狀氣液兩相包裹體僅在合成紫黃晶的黃水晶部分很少見到。包裹體的延長方向平行於C軸分佈。

有些合成水晶用來模仿發晶，但是晶體內部包裹的並不是針狀的包裹體，而是由經過染色的空洞組成的，與天然發晶有著非常明顯的區別。下圖為從側面觀察合成水晶仿發晶的現象。

【種晶板的殘留】

籽晶的顏色往往與合成寶石有著較為明顯的顏色差異，因此在合成寶石的原石中可以非常明顯的觀察到，當種晶殘留在成品中，同樣也是可以觀察到的。【更多的種晶板殘餘見圖集三】

下圖為合成水晶的成品，中間無色的即為種晶。

【顏色均勻、鮮豔、呆板】

從外觀上觀察，合成水晶的顏色往往較為鮮豔，並且顏色分佈非常均勻（但不靠譜），另外還會出現一些天然水晶中很少見到的顏色，例如鈷藍色。下圖為合成藍色水晶，自然界少見

下圖為天然的黃水晶，可見色帶，並且顏色不均勻。不過很多高質量的水晶也可以做到顏色非常均勻。

【紅外光譜】

當常規儀器無法滿足鑑定要求時，紅外光譜是鑑定合成水晶最有效的方法之一，主要是由於水晶中含有極微量的水和氫氧根，但在天然與合成品中的賦存狀態有著明顯的差異，因此在紅外光譜中有著明顯的顯示，主要表現在X-OH伸縮振動區域（即3800—3000cm- 1）的不同。

下圖的左圖為天然無色水晶與合成水晶的紅外光譜對比圖，其中，天然水晶具有3595cm-1和3484cm-1的特徵吸收，而合成水晶則具沒有，但是出現了3585cm-1的吸收峰；右圖為天然與合成黃水晶的紅外光譜對比圖，在天然黃水晶中，2000cm-1到3000cm-1範圍內具吸收峰的，但是合成黃水晶中不存在。

下圖同樣為天然與合成無色水晶的紅外光譜對比圖，所測試的樣品為開篇提到的那一隻無色水晶手鐲，從圖中我們可以觀察到，天然無色水晶的紅外吸收峰出現在3379，3483和3595cm–1處，但是這些吸收峰在合成水晶中從未出現。但是水熱法合成水晶可出現3610，3585，3431，3294和3194cm–1 的吸收峰。

下圖為天然與合成紫水晶的紅外光譜對比圖，其中合成紫水晶的3595 cm-1吸收帶要麼不存在（綠色），要麼具有較寬的半高寬7 cm-1（紅色）;天然紫水晶通常具有3595 cm-1吸收帶，半高寬為3.3±0.6 cm-1（黑色），但是，某些天然紫水晶具有比3585 cm–1更強的3595 cm–1的吸收帶，具有5±0.5 cm-1的半高寬（藍色）。

下圖為天然與合成紫黃晶之間的紅外光譜對比圖，其中左側為黃水晶部分的對比，右側為紫水晶的對比，其中，合成黃水晶區在3700 – 2500cm-1範圍內存在一個較強的、較寬的吸收帶（A）；3555和3528 cm-1的弱峰在深色的合成黃水晶區屬於診斷性鑑定特徵（B）；合成與天然紫水晶的光譜特徵相似（C），但是在紫水晶中通常可見弱的3543 cm-1吸收峰（D）。

【拉曼光譜】

下圖為天然水晶與合成水晶的拉曼光譜對比，其中天然水晶（左圖）無明顯的熒光背景，而合成水晶除了合成綠色水晶與合成無色水晶無明顯的熒光背景外，其餘的均含有較強的熒光背景，在扣除熒光背景之後對466cm-1譜鋒進行高斯線性擬合對比發現，天然水晶的半高寬均大於6.5，而合成水晶的半高寬則小於6.5，可作為鑑定證據之一。

【成分測試】

目前用於區分天然與合成水晶的成分測試儀器主要包括La-ICP-Ms和X射線熒光光譜儀，其中，前者屬於微區有損測試，並且價格昂貴，很多實驗室都沒有配備相關的儀器，但是分辨率更高，測試數據更加準確，下圖為利用Ga-（Ti+Cr）圖解進行區分紫水晶（左圖）與黃水晶（右圖）。後者主要是通過測試水晶中的K元素來進行區分，由於水熱法合成水晶主要應用的礦化劑為KOH和K2CO3，因此會影響水晶的微量元素組成。

圖集一：合成水晶原石

圖集二：麵包渣狀包裹體

圖集三：種晶片殘留

好了，關於水晶的合成方法與鑑別就分享到這裡，希望對大家有所幫助。

我是艾昊，珠寶培訓師，十餘年從業經歷，用紮實的理論知識和豐富的實踐經驗，為大家分享專業的珠寶知識，如果你有珠寶方面的問題，歡迎私信、留言或關注。本人原創作品，轉載請註明出處【艾昊講珠寶】。