矿物的颜色成因

颜色是矿物最明显、最直观的性质，对我们欣赏和认识矿物有极大的影响，观察颜色的经验对于鉴定区分不同矿物是至关重要的。

中国画与古建筑彩绘常有的颜色主要是花青、藤黄、胭脂、朱砂、赭石、石青、石绿等，前3种是植物颜色，后4种是矿物颜色。植物颜色在空气中不稳定，易变色；而矿物颜色稳定，千年不变。如绿色的孔雀石，褐红色的赤铁矿等都可作为天然颜料。那么矿物的颜色是怎样形成的呢？

当矿物受到自然光照射，自然光中的某些波段的能量被吸收。被吸收的能量用于把电子跃迁到别的能级，所吸收光的能级被从自然光中抽离，从而

在组成自然光的能级波谱中留下一个或者多个吸收

谱线，这一现象叫做光的选择性吸收。当自然光的

一部分以这种方式被吸收，我们的眼睛只能感受到

顺利穿过或反射并达到我们眼睛的剩下的残余能

量。大脑把这些残余的能量组合到一起，并记录成

单一的一种颜色，即矿物的体色。

矿物对白光中的不同波长的光波同等程度的

吸收时，矿物所呈现的颜色取决于吸收程度。如果

是均匀地全部吸收，矿物呈黑色；若基本上都不吸

收，则为无色或白色；若各色光均被均匀地吸收了

一部分，则视其吸收量的多少，而呈现不同浓度的

灰色。如果矿物只选择性吸收地吸收某种波长的色

光时，则矿物呈现出被吸收的色光的残余色。

矿物的颜色又可分为体色（Body color）和表

面色（Surface color）。

有些矿物的体色是由构成材料主要成分的化学

元素导致的，这种叫做自色矿物。体色由非构成材

料主要成分而是以矿物中痕量“杂质”存在的元素

所导致的，这种叫做他色矿物。

矿物的颜色

矿物的颜色

撰文

撰文//摄影

摄影：

：曲 直

曲 直

元素

元素 颜色

颜色 代表矿物

代表矿物

钛 Ti 蓝锐钛矿、蓝宝石

钒 V 绿、红钒铅矿

铬 Cr 红、绿红宝石、祖母绿

锰 Mn 粉红

粉红 菱锰矿

铁 Fe 绿、蓝、黄橄榄石、铁铝榴石

钴 Co 蓝、红钴华

镍 Ni 绿镍华

铜 Cu 绿、蓝孔雀石、蓝铜矿 图1：古代建筑彩绘

图2：白光进入透明矿物晶体，光线全部透过

图3：矿物吸收黄色以上的光谱，残余的

红色部分反射进入眼睛，看到的就是红色

The Color of Minerals

决定矿物颜色的重要因素，主要有以下几个方面，金属离子的电子跃迁、离子间的电子转移、色心致色、能带间电子跃迁和物理光学致色。 在每个矿物中，不止一种因素会产生或导致其颜色，矿物的颜色是很多致色因素综合作用的结果。

1. . 金属离子的电子跃迁金属离子的电子跃迁

在化学元素中，被称为过渡元素的一组八个金属元素是许多矿物呈色的原因，也成为色素离子。 主要为周期表中第四周期的Ti 、V 、Cr 、Mn 、Fe 、Co 、Ni ，以及次要的W 、Mo 、U 、Cu 和稀土元素等离子。因为过渡金属的离子都具有未填满的d 或f 电子亚层，电子在离子内部的轨道间跃迁（即d-d 跃迁或f-f 跃迁）。

不同的过渡元素趋于产生不同的颜色。例如红宝石中的红色是由铬元素产生的，而金绿宝石中的黄色是由铁产生的。其中最常见的是通常分别使矿物呈绿色和红褐色的Fe 2+和Fe 3+。

此外，还有一些矿物是因为其他元素而呈色的，例如天河石是微斜长石中绿色至蓝绿色的变种，含有Rb 和Cs ，一般Rb 2O 的含量为1.4%~3.3%，Cs 2O 为0.4%~0.6%，其颜色有一种说法是含Rb 致色，也有人认为是其中含有微量的Pb 取代结构中的K ，引起结构上的缺陷产生色心而导致呈色。 所感受到的颜色还取决于致色离子在晶体结构中的位置，以及晶体结构的本身。通常情况下，晶体中的过渡元素大多是由氧离子环绕的，然而对于同样的离子，不同的排列环绕方式将产生不同的影响。例如二价铁离子在橄榄石中产生绿色，而在铁铝榴石中产生红色。

产生的体色之所以会不同，是与电子从一个能级跃迁到另一个能级所需要的能量有关，环绕过渡元素离子的氧离子的距离和数量将影响电子跃迁能级的能量大小。

在红宝石和祖母绿中，环绕每个过渡金属铬离子的氧原子的数量是相同的，但晶体中的晶体结构

图4：Cu 致色的蓝铜矿与Cr 致色的铬铅矿

图7：同样是铬致色，红宝石呈现红色，祖母绿呈现绿色

图5：蓝色的天河石

图6：同样是铁致色，橄榄石呈现绿色，铁铝榴石呈现红色

图8：变色萤石，日光下呈现蓝色，灯光下呈现紫红色

摄影：刚刚下线

环境是不同的，氧原子与铬离子之间的距离也是不

同的，电子跃迁所需要的能量也不同，这种差别导致晶体对自然光的吸收稍有不同，而这足以对颜色产生巨大的影响。例如铬存在于绿柱石结构中，我们看到的是祖母绿浓艳的绿色。而存在于刚玉结构中我们看到的是红宝石鲜艳的红色。

当入射光的光谱随光源而改变，如日光与钨丝白炽光的能量分布稍有不同，透过部分晶体，这种差别将足以改变体色，导致大脑把不同条件下透过晶体的残余能量解释为完全不同的颜色。这就是变色效应。有变色效应最著名的就是铬钒致色金绿宝石的变色品种-------变石。石榴石和萤石等矿物也会产生变色效应。

对萤石的变色有贡献的元素是过渡元素Fe 、

V 和稀土元素Y 、Sr 、 Nb 、Sm ，在萤石晶体内呈类质同象置换的杂质元素离子。

我国四川平武雪宝顶的白钨矿常呈橘黄色，十分醒目。其颜色成因与主量化学成分和晶体结构关系并不明显，可能与晶体结构中较小的超微结构或是微量元素、稀土元素有关。

广西阳朔的磷氯铅矿常呈现亮绿色。其实纯净的磷氯铅矿是无色透明的，磷氯铅矿中具有选择吸收的离子主要是Fe 2+、Fe 3+、Cu 2+、Ni 2+，致色元素是以Fe 离子为主，Cu 离子和Ni 离子含量较少，它们比Fe 离子少了一个数量级，可以认为磷氯铅矿的颜色主要是Fe 离子作用。当Fe 3+离子含量较大时会使磷氯铅矿呈现黄色，Fe 2+比较多的时候致使磷氯铅矿呈现绿色。

2 2. . . 电荷迁移电荷迁移

在某些矿物晶体中，电子能从一种离子类型移动到另一种离子类型并返回，电子可通过吸收一定能级（波长）的光获得能量来实现这一点。在电荷迁移过程中会发生可见光的选择性吸收，导致残余体色。电荷迁移效应能产生比金属离子的电子跃迁强得多的吸收，故颜色也强得多。

在蓝色刚玉（蓝宝石）中，铁和钛离子之间发生电荷迁移并产生蓝色。

这里电子在铁和钛离子之间摆动过程中发生电荷的迁移，也就是说，当能量以光辐射形式进入到晶体时，这两个金属的离子态快速的变化，有Fe 2+变为Fe 3+又变回，由Ti 4+变为Ti 3+又变回。透过刚玉晶体结构的残余能量到达你的眼睛，被大脑综合的解释为“蓝色”。

电荷迁移也可以在同一个金属离子间发生。铁可作为一个很好的例子，因为它是常见元素。很多矿物晶体中，两个铁离子间长被氧原子分隔开，同样电子也在两个不同价位的铁离子之间反复的摆动。所见到的是堇青石和海蓝宝石中一样的参与蓝色。

由于同种电荷的迁移可以人为的控制，所以

电荷迁移成因的矿物晶体颜色大多也可以人为的改变。例如黄绿色的绿柱石，由于含有导致黄色的三价铁离子（Fe 3+）而颜色暗淡，通过加热可以使Fe 3+获得一个电子而产生更多的导致蓝绿色的二价铁离子（Fe 2+），形成海蓝宝石。也可以通过辐照，使二价铁离子（Fe 2+）失去一个电子而产生更多的导致黄色的三价铁离子（Fe 3+），形成金色绿柱石。

3. . 色心致色色心致色

色心是晶体结构中的缺陷，它会吸收能量。这些缺陷可在生长过程形成，也可由辐照产生。辐照可以是天然的或者人工的。

图9：广西产不同颜色的磷氯铅矿

图10：海蓝宝石与金色绿柱石

加热获得电子加热获得电子

辐照释放电子辐照释放电子

Fe

3+

Fe 2+