地球科學：從做中學
2002/06/17
每個家庭都有個寶(石)。可能是父母定情的鑽石，也可能是袓傳的玉。再不然，每一個天真的小孩，也都是父母親眼中的寶。本章定名為家庭寶石學，而不是商人寶石學，或是富人寶石學，因為，不是為了名利，不是為了炫耀，只是在溫暖和諧的家中，爸爸抱了女兒，媽媽摟著兒子，一起在欣賞地球的禮物：寶石。
岩石由礦物組成，礦物為天然產出的固態物質，有一定的組成及結構。礦物中結晶澄澈且顏色鮮豔的，長久來被人類喜愛而成為寶石。礦物成為寶石的條件有四個：
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10 |
鑽石 |
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9 |
剛玉(紅、藍寶石) |
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8 |
綠柱石、黃晶 |
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7 |
石英(水晶)、閃玉、輝玉、橄欖石、電氣石、鋯石 |
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6 |
蛋白石 |
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5 |
黑曜岩、青金石 |
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4 |
孔雀石 |
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3 |
珍珠、珊瑚 |
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2 |
琥珀 |
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1 |
這麼軟不能當寶石啦! |
真正被西方世界認定為寶石的只有四種：鑽石、紅寶石、藍寶石、祖母綠，中國人對玉則情有獨衷，其他如水晶、蛋白石等是半寶石；珊瑚、琥珀及珍珠是生物製造的，蛋白石成分不固定，並不符合礦物的定義，但是習稱已久，也給他們叫寶石。
像岩石一樣，生成寶石也有三種作用：火成作用、沉積作用、變質作用，不同的作用產生不同的寶石，因此想挖寶石必須尋找特定的地質構造。
妮可基曼說：「鑽石是女孩最好的朋友。」當老蘿斯把她的海洋之心丟下水時，大家哭得一把鼻涕一把眼淚，鑽石是永遠的寶石之王。
Diamond這個字是從希臘文adamas來的，意思是「堅不可摧」，其中的純碳以正四面體的方式鍵結，形成穩固的結構。鑽石在地下約200公里深處形成，有些鑽石的年齡可能高達30億年。2000年前已有鑽石發現的紀錄，主要來自印度的河流砂礫層，到了近代陸續在巴西及南非發現鑽石，現今最主要的產地是澳洲，供應世界需求量的四分之一，尤其是工業上的需求。
一、導言
鑽石的出現，至少在三千年前之印度。從歷史的記載也是如此；經過數世紀，印度一直是主要礦源。直到十七世紀的一為法國之珠寶商和旅行家Tavernier拜訪印度後，許多大鑽石礦床逐漸被開發，從此開啟世界鑽石歷史之新頁!因為印度長久為英國之殖民地，導致於許多著名鑽石都被貢獻與收藏在英國之皇宮。目前世界前幾大著名鑽石大多都被收藏在英國；在一七二五年，巴西的第一顆鑽石被發現於Minas Gerais之處，而後在巴西各處陸續發現寶石級與工業用之鑽石。之後，世界上有許多鑽石礦，除了之前的印度與巴西外，南非、西伯利亞、澳洲、納米比亞、和中非的安哥拉、薩伊和波次瓦那等地都有出產；目前世界鑽石產量排名依序為－澳洲、俄羅斯、南非。
第一次世界大戰結束後，Sir Ernest Oppenheimer憑藉雄厚資金收購了南非的一些重要礦場，成立CDM公司(Consolidated Diamond Mines of South WestAfrica)，之後，藉由CDM公司入主DeBeers開始掌管世界鑽石之通路，並設立CSO(Central Selling Organization)做為全球鑽石管銷系統管理，控制世界鑽石市場並使之欣欣向榮。
二、鑽石的特性
A、鑽石之硬度：鑽石(Diamond)之名稱源於希臘adamas，意指不可匹敵之意。奧地利的礦物學家Friedrich Mohs(1773-1839)發明出鑽石硬度測量法，即摩氏硬度量表(Mohs hardness Scale)將鑽石無可比擬的硬度訂為十度，其次為九度的剛玉、八度的黃玉、七度的石英...。並且鑽石的硬度又比紅藍寶石高了144倍。由於硬度高，在鑽石的切割與拋光方面，則更顯光彩。
B、鑽石的韌性(Toughness)：韌性亦指延展性，也就是寶石抵抗碎裂的能力，在所有珠寶用途的寶石中，軟玉(Nephrite)之韌性排名第一，硬玉(Jadeite)次之，鑽石為第三。也就是說，鑽石除了是最高的珠寶硬度(抵抗互相刮磨的能力)，另有很好之延展性與很高的折射條件，其所顯現的璀璨豔麗之美，自然無可比擬。
C、鑽石之高折射率：鑽石的折射率為2.417，為高折射之寶石，折射率越高，所呈現之亮度越亮。其自然光明的光澤，更非其他天然寶石可及。
鑽石除了硬度、韌性、折射率高之條件，它也是極不容易被化學物品所侵蝕。除了鉻硫化酸(Chromic Sulphuric Acid)能在200℃會被轉換變成二氧化碳(Carbon Dioxide)外，高溫也會導致鑽石刻面的侵蝕，故在製作成戒臺的焊接上，也需特別留意。
三、鑽石之產生
鑽石被發現於原生礦床(Primary Deposits)和次生礦床(Secondary Deposits)。大抵都是由火山爆發將鑽石原石伴隨火山熔液而噴出地表，因此形成管狀脈(Pipe Mine)。一般而言，沖積礦床所擷取之鑽石與管狀脈中之鑽石品質作比較，前者由於已經受過大自然的風雨河川沖洗，可得到較高比率的珠寶等級之寶石。
四、鑽石之形成
鑽石大約形成在地層80公里到200公里處，溫度約1,100-1,300℃，且必須同時具備壓力在70,000 ㎏/1立方公分及碳(Carbon)元素存在之條件下，才可能形成鑽石，若有一項條件有所差異或缺乏時，則只能形成石墨。
純的剛玉其實是無色的，成份是氧化鋁，不同的雜質摻雜其中會造成他不同的顏色變化，如含鐵會成綠色或黃色、含鉻會成紅色、含鈦和鐵成藍色，不過大部份的剛玉是黑嘛嘛一塊，並不能當作寶石，主要用於工業研磨用。自然界中剛玉的硬度僅次於鑽石，大部份的寶石都在沖積層中被發現，最有名的產地包括喀什米爾及斯里蘭卡，澳洲為現在最大的藍寶石出產地，其他產地還有泰國及東非諸國。
紅寶石的紅色是因晶體中0.9%至4%的鋁被鉻所取代，最名貴的紅寶石擁有所謂「鴿血紅」的豔紅色，由於十分珍貴，甚至價錢比鑽石還高。緬甸是高級紅寶石的主要產地。紅寶石在許多文化中有著崇高的地位，因為他的紅色，許多人相信它有保身的功用，德國人曾將紅寶石粉入藥；緬甸人相信紅寶石可保刀槍不入，在印度，紅寶石是寶石之王，只要有錢，婦女都會想辦法弄到一個貼在額頭上。
藍寶石因成分中含有微量的鐵和鈦而成藍色，最優的是「喀什米爾藍」，是一種深藍海水般的顏色，其他還有深藍色的暹羅藍寶石及擁有所謂「皇家藍」的緬甸藍寶石。事實上在英文裡除了紅寶石叫ruby，其他顏色的全部叫藍寶石，也就是sapphire。
其他的剛玉寶石還包括淡紅得很透明的錫蘭紅寶石、紫紅色的暹羅藍寶石、紫色的藍寶石東方紫晶、黃色的東方黃晶。有的剛玉裡含有細微的針狀包裹物，琢磨後可以顯現出六條放射狀的星彩。
綠柱石雖然叫綠的，卻有很多顏色，多樣且美麗的顏色自古以來一直受到喜愛，其中最有名的就是綠色的綠寶石(祖母綠)及水藍色的海藍寶石。她的名字beryl的起源可以回溯至梵文，可能在史前時代人類就已經佩帶她了。
綠柱石的化學組成為Be3Al2(SiO3)6，純的綠柱石是無色的，紅色及粉紅的紅綠柱石含錳，海藍寶石的藍色及金綠寶石的黃色由鐵造成，翡翠綠由微量的鉻或釩造成。
祖母綠是人類最早使用的寶石之一，在亞斯文水壩的東北邊有數百個埃及豔后的祖母綠礦坑，最深的有160公尺，現在留下的只有較劣質的石頭。巴比倫人也用它來奉祀維納斯女神。深綠透明無瑕的祖母綠和最好的鑽石一樣貴，現在以哥倫比亞出產的品質最好。海藍寶石因鐵含量的改變，顏色由淡綠至藍色都有，許多國家都有出產，但主要來自巴西。紅綠柱石非常的稀少，它是所有綠柱石中唯一不含結晶水的，產於美國西部無水的火山岩中。
石英成分為二氧化矽，是地球表面最常見的礦物，石英礦物有粗晶和微晶的分別，微晶又分成細粒狀及纖維狀，再加上微量元素及雜質的不同，形成一堆明明不像卻是一家人的石頭。
結晶石英有「壓電性」，當晶體受壓時，由於內部原子排列不對稱，晶體會產生電位差，這種特性可以用來測量壓力；產生的電位差放電產生火花，瓦斯爐和打火機就是這樣點，用來取火的燧石成分是細小的石英結晶，互相敲擊便因同樣的原理點火。石英同時也是玻璃的原料和鐘錶內的震盪計時器。
水晶就是結晶得很大粒又澄澈的石英晶體，最常見的晶形是六角形尖柱狀，水晶結晶可以長到非常巨大，紀錄上最大的晶體有6公尺長，重達48噸。巴西是水晶的最大產地，巨大的水晶產在緬甸和馬達加斯加，常常被磨成球形給吉普賽人卜卦。紫水晶的紫色是鐵造成的，常產在晶洞內，許多國家皆有出產。另外還有含三價鐵的黃水晶、受放射性元素破壞原子結構的煙水晶、含鈦的玫瑰水晶及成乳狀光澤的乳石英，另外有種深藍如藍寶石的藍水晶，十分名貴。
石髓(玉髓)是纖維狀微晶的石英，有無色、藍色、綠色及紅色，瑪瑙是呈帶狀沉積的微晶石英，填充在岩石的空洞中，瑪瑙有各式美麗的彩紋，巴西、印度、美國產量最大，不過現在市場上大多是染色的。燧石是粒狀微晶石英，碧玉則是含赤鐵礦紅色的微晶石英。
石英常沉積在岩石的孔洞中形成晶洞，這些孔洞原來充滿了地下水，漸漸水中的礦物質晶化學沉澱負載洞的內壁，通常會先結晶出玉髓，之後在玉髓的上面成長出較大粒且透明的水晶結晶，紫水晶常出現在晶洞中；有時則一層層的沉積，因結晶大小及雜質不同，形成各式的瑪瑙。
如夢幻般的蛋白石在羅馬時代被當作權力的象徵，但在14世紀威尼斯黑死病流行時，因為傳說當人染病時，蛋白時會異常美麗，然後在病人死去時消失光彩，從此蛋白時就被當成不幸的寶石。
蛋白石成分為SiO2．nH2O，依礦物的定義，蛋白石的結晶構造不明顯，而且含有不定量的結晶水，所以不能稱為礦物，而稱為似礦物，不過因為它華麗燦爛的五彩光澤，仍習稱為寶石。蛋白石可分為普通蛋白石及貴蛋白石，普通蛋白石顏色普通，硬度較軟，通常含1%至20%的水，沒有閃亮亮的變彩；貴蛋白石硬度較高，水分在6%到10%之間，變彩各有不同。
蛋白石依顏色可分為兩種：第一種、黑蛋白石是深色的，包括深藍、綠、棕等，第二種、白蛋白石，有透明的水蛋白石及黃、橙、褐的火蛋白石。電子顯微鏡顯示蛋白石是由許多二氧化矽的球體整齊排列而成，每個圓球大小在1500埃到3000埃之間。蛋白石五彩繽紛的顏色是導源於光的繞射。物理學告訴我們：
可見光波長從7000到4000埃，而蛋白石折射率為1.45，對固定的某一面而言，不同的繞射角會對不同的光波長加以繞射，因此拿一塊蛋白石在眼前轉動時，隨著角度的變換，蛋白石會會呈現不同的顏色。
也可依形成構造的不同分為各種種類：第一種、彩紋瑪瑙蛋白石，有層狀構造，第二種、貓眼蛋白石，有貓眼光芒，蛋白石也會取代木材及骨骼中的成分，形成第三種、蛋白石化木和第四種、蛋白石化骨骼。沒有變彩的有透明至白色的玻璃蛋白石、放入水中才會顯出變彩的水蛋白石。
澳洲為蛋白石最大的產地，生產變彩以藍、綠為主的黑蛋白石，以珍貴的紅變彩最貴。蛋白石怕高溫日曬，它會因高溫而碎裂，其中的結晶水也會蒸發，無法回復。
玉是中國最喜愛的一種寶石，是中國文化中很重要的一部分，最古老的玉器在江蘇太湖附近出土，歷史有七千年之久，數量上萬件。
玉有兩種，一是輝玉(硬玉)屬輝石類礦物，一是閃玉(軟玉)屬角閃石類礦物。
閃玉是由透閃石Ca2Mg5Si8O22(OH)2和陽起石Ca2Fe5Si8O22(OH)2的混合物，結構為微晶質的結合體，有一定的排列方向。在垂直及平行結晶方向的硬度會有所不同，約在5到6之間，纖維狀的連鎖結晶很有韌性，因此是很好的雕刻素材。閃玉可分為三大類，第一種是最常見的普通閃玉，半透明，有玻璃光澤；第二種貓眼閃玉的結晶呈長纖維狀，在台灣首次被打磨成功，會反射出如貓眼石的光彩；第三種蠟光閃玉是指光澤如蠟，不透明至為透明的閃玉，因其中結晶顆粒很微小，光線進入後產生漫射，因此有蠟狀光澤，古玉有所謂羊脂白玉就是白色的蠟光閃玉，台灣產的蠟光閃玉是淺灰藍色的。
閃玉的產地著名的如台灣花蓮、新疆和闐、俄國的貝加爾湖、紐西蘭及阿拉斯加。閃玉同時也很常被仿製，石英、滑石、蛇紋石、玻璃和塑膠都會被用來騙人，玻璃、塑膠及滑石只要測硬度即可很容易的分辨，其他的就需要測密度來分辨了。古玉有所謂的沁，古人相信玉吸收血會染成紅色，吸收水銀會呈黑色，這些也是決定古玉價值的條件之一，不過現在的研究說明紅色是氧化鐵，而黑色是由氧化錳造成。
輝玉就是硬玉，也稱緬甸玉或大陸玉，其中綠色的也稱為翡翠。根據考證，輝玉在漢朝時已被當作寶石，孔明在貴州一帶跟孟獲作戰，離緬甸．雲南不遠，因此翡翠可能就在漢朝時傳入中國。輝玉為什為又稱大陸玉呢?因為玉石自緬甸出產之後，往北運至大陸廣東加工，而由廣州或香港出口，台灣的玉商經常至此二地買玉，因此稱為大陸玉。
輝玉是一種含鈉的輝石，成分為NaAlSi2O6，硬度比閃玉大，為6.5至7，翡翠的綠色是由於內含的鉻而造成。輝玉主要產在緬甸及瓜地馬拉等地。
輝玉的價格比閃玉高出許多，原因不外乎：輝玉產量稀少，單塊玉件體積小，顏色較純淨，有著高貴的翠綠色。
在台灣的玉器市場對輝玉有所謂的A貨、B貨、C貨、D貨之稱。我們先對市場上通稱之A貨、B貨、C貨、D貨作一概述:
A貨：真玉，真色未施以任何破壞性人工處理。
B貨：真玉，真色但施以漂白處理將黃褐色氧化物去除，不論是否上膠，皆稱為B貨。
C貨：真玉，染色，不論是否先經漂白處理皆稱為C貨。
D貨：仿冒玉，合成玉，或組合輝玉等稱之。
硬玉泡"強酸"前後其內含物之變化：B貨之處理方式。
硬玉屬天然之礦物，其內部有原生性雜質及次生性氧化物(尤其以鐵氧化物最多)是正常之現象。然而對一塊含綠色之硬玉而言，其內含之鐵氧化物卻是商品化過程中的一個價格障礙。有些顏色漂亮但含有大量雜質之玉件若不施以「人工處理」將其中之灰，黃，紅色雜質消除，將很難得到消費者的青睞。
以重量比來說，硬玉中之雜質約占其總量之3個百分比，而這些不同顏色之雜質絕大多數分布在晶體與晶體間之空隙。目前清除雜質之手法大多係將硬玉浸泡在工業用強酸(大多數用鹽酸)中，讓晶界中灰，黃，紅色含鐵氧化物與鹽酸起化學作用。其化學反應式如下：
FeCl2和FeCl3均可溶於水，它們會溶於酸液的溶質(也就是水)而被帶出硬玉之外。
FeCl2呈現綠色，FeCl3呈現橘紅色，所以當玉件泡在鹽酸中一段時間後，鹽酸溶液便由無色變為黃綠色、或綠色、或橘黃色、或橘紅色，視FeCl2和FeCl3的濃度而定。
值得注意的是，目前一般B處理所用之強酸對玉件中之黑點，黑絲等並無作用。而通常除非時間過久否則強酸只對晶界中之鐵氧化物產生作用，要對硬玉晶體產生嚴重破壞並非易事。B處理之後之「上膠」動作則係為了填補原先晶界中雜質被清除後所遺留之空間並對晶體做固結作用。
1. SEM掃描式電子顯微鏡
2. 螢光分析
3. 比重測試
4. 紅外線光譜儀
5. 靜電反應
6. 聽音
一般人買玉常會問：「這是真玉或假玉?」，這句話的含意應該是:「它是D貨嗎?」。把B貨說成假玉可真是侮辱了賣玉者，事實上，B貨仍是真玉真色，只不過在其商品化過程中為了增加美觀而將其內部的雜質清除罷了。
一分錢一分貨是大家常強調的，然而目前珠寶交易糾紛之發生常因以下因素：
玉的市場不像鑽石有那麼科學化的分級鑑定(如鑽石4C般的評鑑標準)，反倒多了些投機、炒作、哄抬，給買者一份非常難受的不確定感，買的人無法確定他是否受騙(事實上受騙者蠻多的)。也因為市場上沒有一種科學化的分類估價標準，玉的價格完全由買賣雙方議價，貨一出門概不退換，因此，玉的變賣性並不好。讀者應該常看到許多好的玉以很低的價格估給了當舖。反觀，銀樓可以9成5的價格回收黃金，也可以9成價格買回鑽石，而玉呢，變賣不出去，只好留著當傳家寶了。
雖然寶石學的歷史已有一百多年，直到近幾十年寶石才再工業發展上佔有一席之地。因為礦物及寶石的許多物理特性，許多的科技如電子．機械．通訊及工程器械都倚仗著寶石。
首先是鑽石，不漂亮的鑽石雖然賣不到好價錢，卻可以挖到其它的貴重物質，挖掘石油．隧道．天然氣的鑽頭上都附著碎鑽，好讓鑽頭能通過堅硬的岩層。鑽石也可作成手術刀，因為它十分堅硬，不會磨損也不會被腐蝕，常用在需要高精密度的手術如眼部。傳統唱片的針頭尖端曾經利用鑽石，感謝它，黑人才做得到hip-hop。
接下來是紅寶石，它最有名的就是製造雷射了，當晶體被加熱時，如果以特定波長的光照射它，它會放射出和照射光同步的光線，雷射可以被集中在很小的一點，聚集極高的能量，可以用於手術．工業及許多的科學研究，CD等碟片也是用雷射讀取。剛玉也被用在研磨．錶的軸承等。
石英的用途前面已有提過，除了作石英錶和點打火機還有製造玻璃，也可以做水晶球、作風水、改變身體磁場(此言論本人不負責，此非礦物寶石學討論泛圍)。石英是提煉純矽的原料，將石英和碳一起加熱，可以得到非常純的矽，將一片純度高達99.9999%的矽晶體裝在一旋轉的棒上，浸入融熔的矽中，再將其旋轉並拉起，矽就會順著晶種的結晶方向長成一個巨大的棒子，把棒子切成一片片就成了晶圓，現在的量產晶圓已經到了十二吋直徑了。
寶石因為美麗迷人，又極為稀少，所以附加價值當高，而且高科技工業對寶石純度要求高，人造寶石可控制寶石的品質，因此已有實驗室或工廠以人工的方式製造生產，結晶良好的可加工琢磨成人造寶石飾品，其他則作工業用途及高科技產業應用。
目前鑽石，紅寶石，藍寶石和袓母綠都可以在實驗室中以人工培養出晶體，但要能符合低成本的大量生產只有紅寶石和藍寶石。你我手錶中的寶石軸承就是由合成紅寶石製成。
最常見的仿造鑽石如蘇聯鑽，其成分為二氧化鋯，具高硬度(7.5~8.5)，光性也與鑽石相似，是市面上最常見的仿造鑽石，而且技術成熟，生產較容易，故也大量應用於工業用途。以純碳製造的人工鑽石技術困難度及成本都較高，故較少見。常見的合成晶體製造方法有以下幾種：
為了賺錢，名貴的寶石也常容易用其他相似的，或同種但顏色不珍貴的寶石加工染色，魚目混珠，最常見的是利用石英晶體的寶石仿製品。
參考書目：
