托帕石宝石学特征及谱学特征

摘 要

本文的研究对象是托帕石，主要以蓝色、无色托帕石以及仿托帕石材料进行 对比分析。通过常规宝石仪器的测试，得出托帕石的鉴定特征以及和仿托帕石材 料的异同；通过X射线荧光光光谱仪、紫外—可见光吸收光谱仪、傅里叶红外吸 收光谱仪、荧光光谱仪等大型仪器的测试，得出了托帕石样品的化学成分、谱学 等方面的信息以及性质。

本文共选用6颗样品（4颗托帕石样品、2颗仿托帕石样品）进行了常规仪器 的宝石学特征观测，而仅针对4颗托帕石样品进行大型仪器测试。托帕石和仿托 帕石在宝石学特征上有很大的差异，托帕石样品的折射率、相对密度均高于仿托 帕石样品；蓝色托帕石长波下有弱荧光，仿托帕石无；偏光镜下托帕石四明四 暗，仿托帕石异常消光。

对托帕石样品进行了X射线荧光光谱分析测得其主要元素为Al、Si，还有 Ge、S、K、Ti、Dy、Tb等微量元素；为了研究其致色机理，对托帕石样品进行 了紫外可见光谱的测定，测出蓝色托帕石在540nm-720nm之间有微弱的吸收，而 无色托帕石无吸收，得出了蓝色是由此吸收带所致的结论，而且吸收强弱影响蓝 色的深浅程度，吸收越强蓝色越深，吸收越弱蓝色越浅；又利用红外吸收光谱技 术，得出托帕石3646cm^-1 处强吸收峰、3446cm^-1 的宽吸收带是OH伸缩振动所导 致、Si-O基团的伸缩振动导致1170cm^-1 吸收峰、Al-O基团的伸缩振动导致875cm^-1 的吸收峰、Al-O-Si的弯曲振动导致700cm^-1 以下的吸收峰等结论；最后进行了荧 光光谱的分析，测得418nm、433nm处荧光强度峰，由此得知Dy、Tb两杂质元素 导致托帕石样品的发荧光现象。

关键词 ：托帕石；宝石特征；成分；谱学特征

Abstract

The research object of this thesis is topaz, which is mainly focused on blue, colorless topaz, imitation topaz materials and the comparison between them. By using conventional gemstone instruments, we can conclude the identification characteristics of topaz and the similarities and differences with imitation topaz materials. By the large instrument testing of the X-ray fluorescence spectrum, UV-Vis absorption spectrum, Fourier infrared absorption spectrum, Fluorescence spectrum and other spectra, the chemical composition and spectral characteristics of the topaz samples were obtained.

A total of 6 samples (4 topaz samples and 2 imitation topaz samples) were used for the analysis of gemological observation of conventional instruments, while large instrument testing analysis was only for 4 topaz samples. There are great differences in gemological characteristics between topaz and imitation topaz. First, the refractive index and relative density of topaz samples are higher than those of imitation topaz samples. Second, blue topaz has weak fluorescence under long waves, while imitation topaz materials does not. At last, under the polariscope, the topaz shows four bright and four dark phenomena, and the imitation topaz is anomalous extinct.

The chemical composition analysis through X-ray fluorescence spectrometry shows that the main elements in topaz samples were Al, Si, including some other trace elements such as Ge, S, K, Ti, Dy, Tb and so on. In order to study coloring mechanism, we used the UV-visible spectrum and found that the blue topaz had a weak absorption between 540 nm and 720 nm, while the colorless topaz had no absorption, thus it can be explained that the color blue was caused by the absorption band. In addition, the absorption intensity affects the color depth. The stronger the absorption, the deeper the blue, the weaker the absorption, the lighter the blue. Next, the infrared absorption spectrum technique is used to obtain the characteristic absorption peak. A strong absorption peak at 3646 cm^-1 and the broad absorption at 3446cm^-1 are caused by the OH stretching vibration, the 1170 cm^-1 peak is due to stretching vibration of the Si-O group, the stretching vibration of the Al-O group causes the 875 cm^-1 absorption peak, and the bending vibration of Al-O-Si causes absorption peaks below 700 cm^-1 . Finally, the fluorescence spectrum was analyzed to find out the fluorescence intensity peaks at 418 nm and 433 nm. Therefore, we can infer that the two impurity elements Dy and Tb may cause the fluorescence of the topaz sample.

key words ： Topaz ； Gem feature ； Ingredient ； Spectral characteristics

目 录

第一章 引言............................................... 1
1.1 研究目的及意义........................................................................................1
1.2 研究现状及存在的问题..............................................................................1
1.3 研究思路...................................................................................................2
1.4 论文进程安排............................................................................................3
第二章 托帕石呈样品的宝石学特征.................................................4
2.1 文献综述...................................................................................................4
2.1.1 托帕石介绍.................................................4
2.1.2 基本性质...................................................4
2.1.3 托帕石的产地及产地特征.....................................4
2.2 托帕石样品的选择.....................................................................................5
2.3 托帕石样品的宝石学特征..........................................................................8
2.3.1 颜色.......................................................8
2.3.2 透明度及光泽...............................................8
2.3.3 折射率.....................................................8
2.3.4 相对密度...................................................9
2.3.5 发光性特征.................................................9
2.3.6 偏光镜下特征...............................................9
2.4 小结........................................................................................................10
第三章 托帕石的化学成分及结构...................................................11
3.1 化学成分.................................................................................................11
3.2 X射线荧光光谱.......................................................................................11
3.2.1 实验原理..................................................11
3.2.2 实验分析..................................................12
3.3 晶体结构.................................................................................................13
3.4 小结........................................................................................................13
第四章 样品的谱图分析.................................................................14
4.1 紫外-可见光吸收光谱..............................................................................14
4.1.1 实验原理..................................................14

中国地质大学学士学位论文

4.1.2 实验分析..................................................14
4.2 红外吸收光谱..................................................15
4.2.1 实验原理..................................................16
4.2.2 实验分析..................................................16
4.3 荧光光谱......................................................17
4.3.1 实验原理..................................................17
4.3.2 实验分析..................................................18
4.4 小结..........................................................19
第五章 结论...................................................................................20
5.1 主要研究结论..................................................20
5.2 不足与展望....................................................21
致谢..................................................................................................22
参考文献..........................................................................................23

1

中国地质大学学士学位论文

第一章 引言

1.1 研究目的及意义

托帕石，矿物学又称黄玉，但在市场上由于 “ 黄玉 ” 会被消费者常常理解成黄 色玉石，因此商业一般称其为 “ 托帕石 ”。 托帕石颜色丰富，透明度较高，硬度较 大，在西方，托帕石作为十一月的生辰石，又是结婚十六周年纪念宝石，它意味 着幸福美好，因此越来越受广大消费者青睐 。 托帕石一般分布于巴西 、 墨西哥 、 日本 、 斯里兰卡 、 美国等地，常见颜色为透明无色 、 蓝色 、 黄色 、 绿色 。 宝石化 学成分的差异或者元素含量的高低也是造成颜色明显差异的重要原因 。 托帕石的 宝石学 、 谱学的特征会使消费者进一步的了解托帕石，无论在购买或者研究托帕 石时这些特性会提供一定的帮助，因此研究托帕石的这些特征尤为重要 。

本文在前人研究的基础上进一步分析了不同颜色托帕石的元素成分构成 、 致 色因素，简单介绍了托帕石样品的谱学特征，并且以仿托帕石样品做为对比进行 了宝石学特征的研究，总结并提供鉴别依据 。

1.2 研究现状及存在的问题

托帕石，作为珠宝市场上的中档宝石，市场地位不断飙升，由于其独特的颜 色，在首饰中托帕石元素也犹如雨后春笋，与贵金属相结合色彩更加绚烂，使它 慢慢步入奢侈品层面，尤其是宝石级托帕石，其价值也是越来越高 。 随着托帕石 在市场上扮演的角色越来越重要，它的研究地位也在悄然不息的上升，学术上对 托帕石的研究也越来越多 。 不仅仅是在简单的宝石属性的认知以及鉴定层面，更 多的是在宝石形成机理以及内部要素等方面 。

国内外学者主要集中在研究不同颜色的托帕石宝石学特征，以及化学成分等 课题 。Ammara Ittipongse（2018）研究了辐照托帕石的特性，通 过分析特征光谱 得知，经辐射后产生的缺陷和杂质离子之间相互作用而产生天蓝色的托帕石，其 在紫外吸收光谱620nm处具有宽的吸收带 。 周佩玲（1991）对广西某矿区托帕 石的宝石学特征进行了深入的研究，以及对其红外光谱有详尽的分析；王柏松 （2000）利用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR） 、 以及紫外-可见光分光光度计 （UV/VIs）分别研究了托帕石的谱学特征，在红外光谱中指出各吸收峰处的振动 类型，在紫外吸收光谱中指出：蓝色托帕石600nm处的宽吸收带是由于辐照而产

2

马俊杰：托帕石宝石学特征及谱学特征

生的F色心吸收不同波长范围内的能量所致；王妮（2016）总结了不同蓝色托帕 石的宝石学特征及放射性问题，指出辐照蓝绿色托帕石 、 深灰蓝色托帕石均具有 放射性，进行辐照后的托帕石应搁置一段时间，要格外注意安全问题 。 李文侠 （1999）对比天然黄玉与辐照改色黄玉分析了其两者的谱学特征，指出经辐照后 的托帕石化学成分没有发生变化，紫外吸收光谱强于天然托帕石，而天然托帕石 的红外光谱要比辐照托帕石复杂 。 经过学习前人的研究成果，给了笔者很多思 路，也解决了研究过程中的部分困难 。

目前托帕石的研究还未完全成熟，天然的托帕石和经辐照处理的托帕石的研 究结果是否存在差异，这方面还存在很大的隐患，这也是研究天然托帕石的一大 障碍，所以这方面的研究是今后研究的重要课题 。

1.3 研究思路

本文研究的对象是两种不同颜色的托帕石，笔者收集了蓝色以及无色的共四 颗托帕石样品，作为宝石学特征的对比，还有蓝色和无色各一颗仿托帕石样品 。 样品编号为 T1-T6。 其中 T1、T2 为蓝色托帕石样品， T3、T4 为无色托帕石样品， T5、T6 为仿托帕石样品 。

本文的主要研究思路如下：

• (1) 通过对宝石样品的肉眼观察 、 折射率 、 相对密度 、 多色性，荧光等的常规

• 宝石学性质的测试，简单归纳出托帕石的鉴定依据 。

• (2) 通过 X 射线荧光光谱仪（ XRF ）对托帕石样品的成分分析，测定宝石样品

• 的元素及其大致强度 。

• (3) 通过紫外 - 可见光分光光度计以及红外光谱仪对托帕石样品的吸收光谱分

• 析，探讨托帕石样品的化学组成 。

• (4) 通过荧光光谱仪对托帕石进行测试，获得荧光强度等信息，得出荧光的形

• 成机理 。

3

中国地质大学学士学位论文

1.4 论文进程安排

表 1.1 论文进程安排

Tab 1.1 Paper process arrangement

日期	进程安排
03.30	样品收集，并依次进行编号
04.01	文献查询、收集资料
04.05	样品常规宝石学测试
04.10	XRF分析样品，得出测试结果
04.15	紫外-可见光吸收光谱测试样品，并分析结果
04.20	荧光光度计测试样品，得出荧光信息并分析结果
04.25	进行论文初稿的撰写
05.05	样品磨粉，进行红外吸收光谱测试

4

马俊杰：托帕石宝石学特征及谱学特征

第二章 托帕石呈样品的宝石学特征

2.1 文献综述

2.1.1 托帕石介绍

托帕石，英文名称为 Topaz ，这一词来自于西班牙语的 “Topazios” ，灵感来自 于古希腊在红海的一个小岛 。 一部分学者将其起源追溯到梵语的 topas 这个词，意 思是 “ 火 ”。 这意味着当时的人们认为这颗宝石给了他们力量，才以此命名 。 从古 至今，托帕石在人们的心中代表的意义非凡，在文艺复兴时期，欧洲人认为它可 . 以 . 打破魔法并消除愤怒 。 印度的许多人也相信将托帕石佩戴在心脏上方可以延年 益寿以及保证美丽和智慧 。 由于十九世纪俄罗斯的乌拉尔山脉是托帕石的主要来 源，有很多宝石级别的托帕石被开采，在那里开采的宝石的所有权仅限于王室 [1]。

2.1.2 基本性质

托帕石的化学成分为 A l 2 S i O 4 ( F ， O H ) 2 ， 内部含有 Li、Be、Ca、Ti、Nb、Ta、Cs、Fe、Co、Mg、Mn 等微量元素，属于斜方晶系， 常见晶形为柱状，柱面有纵纹 。 是二轴晶宝石，但常表现为假一轴晶 。 常见有无 色 、 蓝 、 黄 、 粉 、 绿色等颜色，其中香槟色托帕石为最贵重品种^[2] 。 市场上很多 蓝色托帕石都是经处理而致的，无色托帕石经辐照变成不稳定的褐色托帕石，再 经热处理等作用得到蓝色托帕石^[3] 。 玻璃光泽，宝石一般透明，内部较为干净， 晶体内常见液态包体 、 矿物包体 、 负晶等；一组完全解理；摩氏硬度为 8 ；密度 3.50-3.60g/cm³ ，折射率 1.61-1.64。 多色性明显 。 长波紫外荧光中蓝色和无色托帕 石发弱的黄绿色光 。 无特征吸收光谱 。

2.1.3 托帕石的产地及产地特征

托帕石产地较广，在世界范围内均有产出 。 巴西的米 . 纳 . 斯吉拉斯州是世界上 最主要的托帕石产区，国际珠宝市场有九成以上均来自该区，其中砂矿型托帕石 最为重要 。 该地区出产无色 、 蓝色 、 黄色 、 粉色等的各种颜色的托帕石 。 作为世 界上优质宝石的出产地，斯里兰卡也是托帕石的重要产地，主要产黄色 、 绿色 、