宝石晕彩效应的成因机理综述

第10卷 第1期2008年 3月

宝石和宝石学杂志

Jour nal of G ems and G emmolog y V ol 10 N o 1

M ar 2008

收稿日期:2007-10-15 修回日期:2008-01-10

基金项目:中国地质大学矿物材料国家专业实验室开放基金课题(519002310062) 作者简介:彭艳菊(1982 ),女,中国地质大学(北京)宝石学专业硕士研究生。

宝石晕彩效应的成因机理综述

彭艳菊

1,2

,何雪梅

1,2

,方勤方

1

(1.中国地质大学矿物材料国家专业实验室,北京100083; 2.中国地质大学珠宝学院,北京100083)

摘 要:综合分析不同宝石晕彩成因机理的最新研究成果,结果表明:所有具有晕彩效应的宝石,其晕彩成

因大多与其内部存在的周期性层状结构有关,且层状结构厚度也限定在一定的变化范围内,同时层状结构的形成途径及其厚度变化范围因宝石种属的不同而异。从光学原理上详细探讨了光的干涉和衍射的形成条件,对比了光在不同晕彩宝石内产生干涉或衍射的理论条件与其实际情况,分析了宝石晕彩效应产生的两种光学模型:薄膜干涉式晕彩不仅要求宝石内部结构层的厚度必须在一定的纳米范围内,而且要求结构层由两相组分出溶而成,即其化学成分、折射率和结构层厚度形成三位一体;而光栅式衍射晕彩则仅要求结构层排列规则、边缘狭窄,能使入射光的振幅或位相或两者同时产生周期性空间调制即可。

关键词:晕彩效应;层状结构;薄膜干涉;光栅衍射

中图分类号:T S93 文献标识码:A 文章编号:1008-214X(2008)01-0015-05

Review on Origin of Iridescence in Gems

PENG Yan -ju 1,2,H E Xue -m ei 1,2,FAN G Qin -fang 1

(1.N ational L abor ator y of Miner al Mater ials,China Univ ersity of

Geosciences,Beij ing 100083,China;2.School of G emmology ,

China Univer sity of Geosciences ,B eij ing 100083,China)

Abstract:T he latest resear ches o n the o rigin of iridescence in the gems ar e synthetically re -v iew ed.The results indicate that the iridescence is mostly related to the inner periodic lame-l lar str uctures in the gems and the thickness of the lamellar structures r estr icted w ithin a cer -tain scope,w hich are different from the variety of the g em s.T he optical principles of thin -film interference and diffraction are discussed in detail for analy sing tw o optical models inclu -ding thin -film interference and g rating diffraction.The iridescence pro duced by the thin -film interference needs the thickness o f lam ellar structure w ithin the cer tain nanom eter range and the lam ellar structur e form ed by ex so lution of tw o phases,w hich the chemical com positio ns,refractive index and thickness of the lam ellar str ucture are trinity.T he ir idescence produced by the grating diffraction just needs the lamellar structure arrayed reg ularly and the nar row edges w hich either amplitude or phase or bo th o f incident light co uld produce per io dic spatial modulation.

Key words:iridescence;lamellar structur e;thin -film interference;g rating diffr actio n 晕彩效应是一种特殊的光学现象,指光波因衍射或薄膜干涉作用而产生的颜色[1]。晕彩效应的存在会增强宝石的视觉效果,提升其商业价值。

然而,自然界中真正具有晕彩效应的宝石并不多,

拉长石无疑是其中的典型代表。长期以来,人们对晕彩成因的认知主要得益于拉长石晕彩成因的

研究成果,即其内部的层状结构对光的干涉作用所致[2~12]。实际上,除拉长石具有典型的晕彩效应外,钠长石、鲍贝壳、珍珠、欧泊、石榴石以及角闪石等宝石也具有该效应,近年来有更多的学者对其关注[13~17]。迄今为止,人们对宝石晕彩成因的研究多停留在单个宝石种属上,对不同宝石种属的晕彩成因的关联性缺少应有的关注。一个重要的问题由此衍生:不同宝石晕彩效应的成因机理有何异同,它们之间是否存在着某种联系?为此,笔者回顾与梳理了不同宝石晕彩成因机理的最新研究成果,旨在了解其差异性的同时,寻找其共性。笔者从光学原理入手,分析了光波在晕彩宝石中可能的传播途径,结合前人对不同宝石晕彩的层状结构的研究成果,建立了晕彩效应与宝石结构之间的关系,并分析了宝石晕彩效应产生的两种光学模型。

1 不同宝石晕彩成因研究的新进展

1.1 拉长石

拉长石属斜长石亚族,为钠钙长石系列,An (钙长石)分子在50%~70%之间变化,具有晕彩的拉长石均位于斜长石的博吉尔德连生组分(An46~60)范围内。1770年,在加拿大拉布拉多首次发现了晕彩拉长石,随着测试技术的不断进步,研究者们通过电子探针、透射电子显微镜、X衍射等手段,基本确定了晕彩拉长石的内部结构,认识到其晕彩色并非其晶体内部的杂质或包裹体所致,而更可能是因晶体内部的周期性层状结构对光的干涉作用而产生[2~4]。然而,拉长石内部的层状结构有多种如解理、聚片双晶以及出溶连生片晶等,究竟是哪一种或哪几种结构起主导作用,目前尚存在争议。部分学者认为,引起拉长石晕彩的层状结构主要为聚片双晶[6~10],而更多的学者则认为,博吉尔德连生区内出溶的50~200nm 连生片晶是引起拉长石产生晕彩的主要原因[4,5,11],笔者的最新研究结果也倾向于后一种观点[12]。

1.2 钠长石

钠长石也属于斜长石亚族,位于晕长石连生区内(An2~16)。白色和暗黄色钠长石可产生类似鸽颈色的晕彩,与拉长石的相比,其晕彩更加细腻。研究表明[4,5],钠长石晕彩也因其晶体内部的周期性层状结构对光的干涉作用而产生;在An5~13之间,钠长石的连生结构一般比较粗大,往往导致干涉色;但由于成分与结构的不均匀性,并不是所有的样品都可观察到晕彩色。Olsen A.[18]在挪威的钠长石(Ab91An4Or5)中发现了两个方向的出溶连生条纹,并在其中一个条纹周期为150~230nm的方向上观察到450~690nm 的干涉色;另一方向上的条纹周期为75nm,未见可见光范围内的干涉色。电子探针和电子显微镜研究结果显示[5],钠长石晶体内部的层状结构由厚层钠长石和薄层奥长石周期性重复组成,两者的厚度比约为2 1,单元层厚度多为50~300nm。

1.3 石榴石

石榴石家族中唯一具有晕彩效应的品种是钙铁榴石,主要产于墨西哥索诺拉州,近年来在日本奈良以及美国新墨西哥州等地也有发现。墨西哥的石榴石常具有绿色、条带状晕彩,偶尔可见星光效应;而日本奈良的则为橙褐色,与拉长石的晕彩较为类似。研究表明,石榴石晕彩也与其晶体内的周期性层状结构对光的干涉有关。H irai H.等[19~20]在最初研究美国内华达的晕彩石榴石时,把平行于生长层的周期性结构归为双晶;随后通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察发现,导致晕彩的层状结构是由富Fe和富Al的两相榴石组成,且富Fe层为主要层,富A l层为次要层。日本奈良的晕彩钙铁榴石的最新研究发现[1],其晕彩的成因较复杂,除与周期性重复的两种类型的薄层状结构对光的干涉有关外,也与光的衍射有关,即平行于(110)面、宽100~1000 nm的钙铁和钙铝两相榴石的出溶结构对光的干涉导致晕彩的产生,而晶体表面上宽40 m的波状、台阶状薄层对光产生的衍射(类似于鲍贝壳表面的槽状衍射)也对样品的晕彩成因有贡献。

1.4 角闪石

晕彩角闪石非常少见,丹麦格陵兰西南部的努克区产有一种具有黄色晕彩的角闪石,英国新汉普夏尔和美国马萨诸塞州有一些晕彩斜方角闪石。研究表明[21~23],晕彩角闪石均属于斜方角闪石亚族,其内部都具有周期性薄层状出溶结构。Gittos M. F.等[21]通过透射电镜观察发现,新汉普夏尔和马萨诸塞的角闪石晕彩与其晶体内平行于(010)或(120)面的周期性薄层有关,其厚度分别为250,140nm。Rodg er K. A.等[22]通过原子力显微镜在其(210)解理面上发现了宽度为190 ~350nm的波纹状条带,这种结构如同衍射光

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