寶石材料的雙折射及其在鑒定中的應用

余煉鋼

(德宏師范高等?？茖W校，云南德宏 678400)

雙折射是非均質(zhì)寶石材料的一種特殊光學性質(zhì)，常表現(xiàn)為10×放大鏡或顯微鏡下某些寶石中的重影效應。從廣義上說，它屬于寶石的一種非物質(zhì)形態(tài)的包體［1］，是區(qū)別于均質(zhì)體寶石的重要標志。目前寶石學界的普遍認知是，放大觀察到清晰的后刻面棱重影是寶石材料具有高雙折射率的直接證據(jù)，可作為鏡下識別特征，也是判定寶石屬非均質(zhì)體(各向異性)材料的重要依據(jù)。其次，高雙折射率的晶體材料具特殊性能，可用作光學儀器元件，如冰洲石(高純度無色透明的方解石)具有很高的雙折射率(DR:0.172)，可用來制作冰洲石二色鏡［2-3］，觀察寶石的多色性效果較之一般二色鏡更佳，等等。筆者經(jīng)對大量寶石標本的觀察研究發(fā)現(xiàn)，不同寶石及同種寶石的不同個體之間雙折射及其引起的重影效應存在不同程度的差異。為此，本文在剖析光的雙折射原理［4-6］基礎上，論述了寶石雙折射的多種表現(xiàn)形式、重影效應觀察的方法技巧及其在鑒別幾種特殊鉆石仿冒品中的應用，由此希望拓展對寶石雙折射性質(zhì)的理解和實踐運用，為寶石學習者、研究者提供了參考。

1 光的雙折射原理

當自然光進入各向異性(非均質(zhì)體)寶石材料中，除特殊方向(光軸)外，會被分解成兩束傳播方向不同且振動方向相互垂直的獨立偏振光，這兩束光的傳播速度及折射率也不相同，這種現(xiàn)象稱為光的雙折射，兩束偏振光的折射率之間的最大差值稱為雙折射率。雙折射是由于各向異性寶石材料晶體結構中質(zhì)點在各方向上排列方式、質(zhì)點間距、偶極距等各不相同，存在明顯的異向性，從而能改變?nèi)肷涔獠ǖ恼駝犹攸c，使之發(fā)生偏振化。例如，一束自然光P進入水晶晶體后，因雙折射作用在出射界面分解成兩束偏振光P1、P2(圖1)。此時，若逆著出射偏振光P1、P2光路方向觀察，則隔著透明寶石材料可看到光源物體的兩個影像，這也正是很多透明刻面寶石呈現(xiàn)后刻面棱重影效應的原理所在。

圖1 光的雙折射示意圖Fig.1 The schematic diagram of birefringence of light

相比而言，各向同性(均質(zhì)體)的寶石材料具有完全不同的性質(zhì)，無論入射光性質(zhì)如何，進入各向同性寶石材料后，其光波性質(zhì)和振動特點都不會改變，入射光為自然光(光波在垂直傳播方向的平面內(nèi)的各個方向均有等幅振動)，則出射光為自然光，入射光為平面偏振光(光波僅在垂直傳播方向的某個平面內(nèi)有振動)，出射光依然為平面偏振光(圖2)，其傳播速度及相應折射率由寶石材料本身性質(zhì)決定，不因光的傳播方向變化而不同。例如，當一束光從空氣斜向進入玻璃(各向同性)中，傳播方向向界面法線一側(cè)偏移，這就是大家所熟知的光的折射(單折射)作用(圖3)。此時，若逆著折射光觀察光源物體時則只有一個影像，不會出現(xiàn)重影效應。

圖2 光進入各向同性材料示意圖Fig.2 Schematic diagram of light entering isotropic materials

圖3 光的單折射示意圖Fig.3 Schematic diagram of single refraction of light

圖4 橄欖石:20×，后刻面棱重影Fig.4 Peridot:20×，post-engraved double shadow

2 寶石重影效應的觀察與識別

據(jù)上述雙折射原理可知，重影效應是光在非均質(zhì)寶石材料中發(fā)生雙折射作用的一種特殊現(xiàn)象，均質(zhì)體寶石無重影，非均質(zhì)體的寶石才能觀察到重影。但我們在實際寶石研究中發(fā)現(xiàn)，重影僅在少數(shù)幾種雙折射率值較高的寶石才能見到，如:鋯石(DR:0.039±)、碧璽(DR:0.024±)、橄欖石(DR:0.035～0.038)、鉻透輝石(DR:0.024～ 0.030)、莫桑石 DR:0.043、合成金紅石(DR:0.287)等［7-8］，而絕大部分雙折射率較低的寶石，無法觀察到重影，如水晶、磷灰石、海藍寶石等。那么在未知鑒定中如何正確識別寶石中的重影效應呢?

首先，觀察重影效應要求寶石必須為透明－半透明的非均質(zhì)體單晶寶石，均質(zhì)體及多晶質(zhì)寶石材料均不可能出現(xiàn)重影，且刻面琢型寶石觀察效果較曲面(弧面、蛋面、雕件)型寶石觀察效果要好。其次，借助10倍放大鏡或?qū)毷@微鏡，在透射光條件下邊轉(zhuǎn)動寶石邊觀察，透過寶石重點觀察對向刻面棱線、內(nèi)部微細裂隙、解理紋等，可在特定角度見到某些刻面棱、裂隙、解理紋處出現(xiàn)模糊分離的雙影線，類似于未戴專用3D眼鏡觀看3D電影時熒屏上人物輪廓模糊的情形。以部分彩色寶石為例，橄欖石可見明顯后刻面棱重影(圖4)，尤其當棱線被磨損重影效果更明顯。碧璽則因內(nèi)部毛礦裂隙發(fā)育常同時可見后刻面棱重影(圖5，箭頭1、2)和內(nèi)部微裂隙重影(圖5，箭頭3、4)。因而，重影效應不限于通常理解的刻面型寶石的后刻面棱重影，寶石內(nèi)部的微裂隙、解理紋處亦能觀察到。最后須了解，寶石材料的雙折射率越高，重影效應越清晰，越容易觀察，反之，折射率越低越難觀察甚至無法觀察。

圖5 碧璽:40×，箭頭1、2處為后刻面棱重影，箭頭3、4為內(nèi)部微裂隙處的重影Fig.5 Tourmaline:40× ，arrows 1 and 2 are double shadows of post－engraved edges，and arrows 3 and 4 are double shadows of internal micro-fissures.

此外，筆者發(fā)現(xiàn)重影效應在某些雙折射率極高的寶石中還可表現(xiàn)出另一種特殊情形，暫且稱之為“線條重影”試驗。以方解石為例，方解石雙折射率(DR:0.172)很高，多呈無色－淺黃色、透明的菱面體晶體或解理塊。將透明的方解石放在畫有黑色直線條的白紙上，透過方解石觀察發(fā)現(xiàn)線條出現(xiàn)明顯的雙影線，轉(zhuǎn)動樣品雙影線之間的距離由小變大，然后由大變小，且轉(zhuǎn)到特定位置雙影線消失，重合為一條影線，繼續(xù)轉(zhuǎn)動樣品時雙影線重新出現(xiàn)，且兩條影線間距發(fā)生周期性變化(圖6)。原因在于:方解石屬于一軸晶三方晶系的寶石，自然光進入方解石后，被分解成兩束偏振光，折射率值分別為No(常光)和Ne(非常光)。隨著樣品的轉(zhuǎn)動，光軸(即晶體的最高次對稱軸L3)方向與紙張所在平面的角度發(fā)生周期性變化，常光折射率No值不變，而非常光折射率值Ne發(fā)生由小變大再由大變小發(fā)生周期性變化，雙折射率值DR=︱Ne－No︱也隨之在0和最大值(0.172)之間周期性變化。當方解石光軸垂直于紙張平面，雙折射率值為0，重影消失，當光軸傾斜角度最大時，雙折射率值最大為0.172，雙影線之間距離也變?yōu)樽畲蟆?/p>

圖6 方解石的重影效應Fig.6 The double-shadow effect of calcite

3 重影效應在仿鉆飾品中的特殊情形解析

據(jù)筆者多年的寶石研究及市場調(diào)研經(jīng)驗，目前國內(nèi)市場上鉆石仿冒品至少有十幾種，其中令消費者尤其迷惑的是近無色透明、圓鉆型、具明亮火彩，且鑲嵌成戒指、項墜等的仿鉆飾品，這些飾品外觀上與鉆石十分接近，其中就包括莫桑石、合成金紅石、鋯石。這三種仿鉆都屬于非均質(zhì)材料，雙折射率較高，理論上具重影效應，而高品質(zhì)鉆石屬于均質(zhì)體，無重影效應，表現(xiàn)為顯微鏡下正常的刻面棱線(圖7)，據(jù)此可快速將仿鉆與鉆石鑒別開來。但實際上筆者在大量觀測實踐中發(fā)現(xiàn)，重影效應在這幾種鉆石仿冒品中的表現(xiàn)有以下幾種不同情形:

圖7 鉆石:20×，無重影效應Fig.7 Diamond:20×，no double-shadow effect

(1)以部分莫桑石樣品為例，正對臺面垂直觀察，以及將樣品臺面傾斜到任何角度，均可透過臺面、冠部刻面(風箏面、星小面、上腰小面)觀察到亭部靠近底尖處棱線的雙影線(圖9)。(2)同樣以莫桑石、合成金紅石為例，部分樣品正對臺面垂直觀察無雙影線，只有將臺面傾斜至一定角度，透過臺面及冠部刻面才可觀察到雙影線。(3)以鋯石為例(圖11)，部分樣品正對臺面垂直觀察，以及將臺面傾斜到任何角度，都無法從臺面觀察到雙影線，只有將臺面傾斜至特定角度，且透過冠部刻面(非臺面)才能觀察得到。(4)從鉆石臺面及冠部的風箏面、上腰小面刻面均可觀察到底尖及靠近底尖的亭部棱線的影像(圖8)，這些多個影像不僅形態(tài)相同而且有些挨得很近，但只要稍稍晃動鉆石，其中部分影像即快速移動甚至消失，它與雙折射引起的重影有本質(zhì)區(qū)別，切不可混淆。

圖8 鉆石:20×，從不同刻面觀察到底尖影像(非重影)Fig.8 Diamond:20×，bottom-tip image(non-doubleshadow effect)observed from different facets

圖9 莫桑石:20×，垂直臺面觀察可見重影Fig.9 moissanite:20× double shadows is visable from the direction of vertical Mesaand crown facets

圖10 莫桑石:20×，臺面傾斜至特定角度從臺面及冠部均可見重影Fig.10 moissanite:20× double shadows is visable from mesa when the mesa is tilted to a specific angle

以上第一種情形為大家所熟知，第二、三種情形若不仔細觀察就會導致誤判，須引起足夠重視。究其原理，與上述方解石“線條重影”試驗相似，本質(zhì)上是由寶石不同的切磨定向引起的。莫桑石、鋯石和合成金紅石均為一軸晶寶石，其單晶體材料中只有唯一的光軸C軸(最高次對稱軸L6或L4)和兩個折射率值No和Ne(No值固定，Ne值連續(xù)變化)。當它們用來仿冒鉆石時均被加工成圓鉆型。若其臺面定向與C軸垂直，則雙折射率值DR=︱Ne－No︱最小為0，垂直臺面觀察則無重影，須將臺面傾斜至一定角度才能觀察到，若臺面定向與C軸斜交，即交角α在0°～90°之間，雙折射率DR在最大值和0之間，則從臺面及冠部刻面均可見重影，且α越接近0度越容易觀察，反之，α越接近90度越難觀察，此外，重影效應的清晰程度亦與這些材料本身的折射率值的大小相關，在相同切工定向情況下，雙折射率值越大的寶石材料重影效應越清晰。

圖11 鋯石:a垂直臺面觀察無重影，b、c將臺面傾斜至特定角度從冠部見重影(c－40×為b局部放大)Fig.11 Zircon:no double shadows from vertical mesa(a)，double shadows is visable from crown facets when the mesa is tilted to a specific angle(c－40× is magnified b part)

可見，在觀察這些特殊的仿鉆飾品時，須透過樣品臺面及各冠部刻面，并變換角度仔細觀察是否有重影，方能保證鑒定的準確性。

4 結 語

雙折射是非均質(zhì)體單晶寶石的基本性質(zhì)之一，高雙折射率的寶石不僅表現(xiàn)為后刻面棱重影，還表現(xiàn)為寶石內(nèi)部微裂隙、解理紋的重影，以及類似方解石的“線條重影”試驗。重影效應在莫桑石、鋯石、合成金紅石等鉆石仿冒品中表現(xiàn)為不同情形，須引起寶石研究者、鑒定師足夠的重視，這同時也給寶石學研究帶來了新的思考。