加熱處理和鈷擴散的尖晶石

背景介紹

鈷尖晶是當今最為寶貴的尖晶石之一，其中沒有灰調和暗色的藍色鈷尖晶更是少之又少。在寶石市場上，艷藍色的鈷尖晶比灰調暗色的藍尖晶石能貴10-100倍。鈷離子的存在強化了尖晶的藍色，大大增強了其美感。5克拉以上的鈷尖晶甚至可以賣到10,000—30,000美元每克拉，當然價格很大程度上取決於具體的石頭是否足夠美觀，相比而言，灰藍色或過暗的石頭根據尺寸大小不同只有250—500美元每克拉。

圖1：由Haris提供的擴散處理藍尖晶樣本

我們知道，鈷擴散處理對藍色尖晶石顏色具有很明顯的增強，由此可以推斷，這種處理遲早會出現在市場上，儘管我們還沒有看到這種新的處理方法（2015年5月），但它在市場上確實已經出現。下圖就是這種出現在斯里蘭卡貝盧瓦拉當地寶石市場的新型藍色尖晶，由當地寶石學家MTM Haris提供。

圖2：圖中顯示了三種不同的鈷尖晶石。左邊兩顆是來自越南的鈷尖晶，右邊是斯里蘭卡市場上新出現的鈷擴散尖晶樣本。

圖3：經鈷擴散處理致色尖晶中的表面。在其表面的羽狀紋和裂隙處著色較明顯，這些特徵即使在重新拋光後，仍能被觀察到。

他首先看到了這顆深藍色尖晶石的不同尋常，RI（折射率）測試中在1.720附近發現有擴散線，雖然是刻面，但棱邊並不鋒利。用分光鏡可以觀察到鈷的吸收光譜，但不同於天然鈷尖晶石630nm附近的吸收帶，這顆樣品的鈷吸收帶在650nm附近。Haris博士最初認為它可能是一種新的合成尖晶，但其鐵的吸收譜、RI（折射率）和內含物又證明它是一顆天然尖晶石。浸入浸液觀察時，石頭在裂縫和邊緣周圍顯示較集中的紫色，另外還能觀察到一些紫色色塊（圖3也能看到）。該尖晶沒有表面擴散藍寶石那種傘狀效應。包體的張力裂紋表明其曾受過熱處理。它的顏色與斯里蘭卡的深藍色天然鈷尖晶石很接近，並不像越南的鈷尖晶或合成的尖晶石。在浸沒式顯微鏡下，能夠觀察到在刻面棱邊輪廓的藍色邊緣，這是典型的擴散處理特徵。

樣品被送到GRS並採用更加先進的技術和設備進行分析，以提供以前未在文獻中報道過的新的擴散處理方法的相關數據。GRS與蘇黎世聯邦理工學院實驗室合作開展了LA-ICP-MS分析。在GRS實驗室中對樣品進行觀察檢測表明，除了上段中描述的觀察結果之外，樣品表面還可以發現不規則的藍色斑塊，這通常也是擴散處理的重要指征。

為了進一步研究樣品，實驗室將其切成2塊。它能夠幫助我們在輪廓和核心等內部區域獲得更深入的研究數據。用ED-XRF進行的特殊測試證實了樣品極高的鈷濃度以及低的鐵濃度。LA-ICP-MS分析證實了邊緣鈷和鈦的聚集（濃度較高）以及Zn，Fe和Li的基礎濃度，這些數據都表明這是一顆經過擴散處理的天然尖晶石。

光致發光光譜的研究結果表明尖晶石經過熱處理。樣品中的LA-ICP-MS分析最終證明樣品表面擴散的深度達到300微米，擴散的致色元素有鈷和鈦，所使用的母體為淺灰藍色天然尖晶石。由此可以得出結論，市場上存在一種新型鈷擴散處理尖晶石的方法，與天然的深藍色鈷尖晶具有類似的顏色和折射率，必須使用特殊分析如擴散處理PL和LA-ICP-MS結合顯微分析才能判定。

圖4：經擴散處理尖晶的化學分布分析。這顆經鈷擴散處理的尖晶石樣品已被切成兩半，並對其上的117個點進行測量。左表可以看出，越靠近寶石邊緣，因擴散加入的Ti和Co越聚集，而Li濃度保持恆定（「自然指紋」）。

右表是由ETH ZH（Hoenggerberg）的DetlefGünther教授對尖晶石中一些元素進行的LA-ICP-MS分析，單位ppm（Cr和Be濃度未測）。

圖310：未加熱的越南鈷尖晶石（藍）和鈷擴散天然尖晶石（紅）的光致發光譜圖。光譜的不同也可作為區別天然與鈷擴散尖晶石的特徵。另外可以看出，經擴散處理的尖晶石僅部分從正常尖晶石轉變為反尖晶石（inverse spinel）（與圖311相比）。

圖311：熱處理前後同一顆尖晶石的光致發光光譜（PL 532）（在Mogok的GRS實驗熱處理設施中加熱）。注意線條的顯著變化和線條的消失（紅色為加熱處理後，藍色為未加熱）。這種變化源自在700℃以上進行熱處理後，正常尖晶石向反尖晶石的結構轉化。

圖313 Ni-Co含量圖：含鈷高的尖晶產於坦尚尼亞，越南和斯里蘭卡。與坦尚尼亞的某些暗藍色尖晶相比，緬甸尖晶含有較高的鎳/鈷比。越南的高鈷藍尖晶也含有一些鎳。只有鈷含量（低Fe條件）高於40-60ppm（原文如此，但按照圖示來說，應該是高於40ppm）的尖晶方可稱為鈷尖晶石。

Authors

Dr. Adolf Peretti 1, Prof. Detlef Günther 2 and MTM Haris 3

1 GRS Gemresearch Swisslab Ltd, Sempacherstr.1, CH-6003 Lucerne, Switzerland

2 Laboratory of Inorganic Chemistry, ETH Zurich, HCI, G113, CH-8093 Zurich, Switzerland

3 EG Lab, Emteem Gem Laboratory, Chinafort, Beruwala, Sri Lanka

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