第一章　宝石的晶体结构和化学成分

第一节　宝石的晶体结构和形状

一、宝石的晶体结构

自然界出产的宝石，绝大多数源自矿物，而矿物是天然形成的具有一定的化学成分和晶体结构的单质或化合物。在众多矿物中达到宝石条件的，则被用作宝石。

用作宝石的矿物，是由自然界中的无机物组成的，它具有明显的化学组成，特定的晶体结构特征。在适合的条件下形成矿物的过程中，其质点（原子、离子或分子），会有规律地排列好，形成一个严格的、有其特点的内部结构，这种确切的、严格的结构，在矿物学中称之为晶体结构（Crystal structure），也称为格子构造。这种具有格子构造的固体，称为晶质体，简称晶体（Crystal）。

物质固结的速度很快，限制了质点按其规律的方式排列形成的固体，即具有一定的化学成分，但内部质点不作规则排列，则形成不具有格子构造的固体，称之为非晶质体，简称非晶体（Noncrystalline）。非晶质体没有固定的熔点。

1.晶体的性质

（1）自限性　即晶体具有自发地形成几何多面体形态的性质。我们知道，格子构造本身就是几何多面体形态的，而晶体具格子构造，所以晶体能按照自己的格子构造形态，自发地形成规则的几何多面体形态。

（2）均一性　晶体是具格子构造的固体，同一晶体的各个部分质点的分布是相同的，所以同一晶体的各个部分的性质是一样的，这就是晶体的均一性。例如将一块纯净的水晶打碎，每一块的成分都是SiO2，相对密度都是2.65，这就是晶体均一性的具体表现。

（3）异向性　同一格子中，在不同的方向上质点的排列一般是不同的，因而晶体的性质也随方向的不同而有所差异。如蓝晶石，在不同方向上硬度不同，沿晶体延长方向用小刀可刻动，而沿垂直晶体延长方向小刀刻不动。因此，对于蓝晶石来说，其晶体的不同方向性质不同。

晶体的均一性指的是同一晶体的不同部分性质是相同的；而晶体的异向性则是指同一晶体不同方向性质不同。

（4）最小内能与稳定性　晶体质点的规则排列，使其相互间的引力和斥力达到平衡，与同种物质的液态和气态相比，晶体具有最小的内能，所处的状态最稳定。自然界中，非晶质体有转化为晶体的趋向。

（5）对称性　晶体具有对称性，是晶体最重要的性质之一。由于晶体内部都具有格子构造，而格子构造本身就是质点在三维空间周期重复的体现。因此，所有晶体都是对称的，但不同晶体的对称排列形式是不同的。

2.晶体的对称要素

在研究晶体的对称时，为使物体作有规律的重复而借助的一些假想的几何要素（点、线、面）称为对称要素。

晶体外形可能存在的对称要素如下。

（1）点——对称中心（C）　为一个假想的点，在通过此点的任意直线上，距该点等距离的两端必有对应的相同部分。晶体的对称中心使其相对应晶面成反向平行，且大小相等。

晶体的对称中心只能有一个，有的晶体也可以没有。在晶体中，若存在对称中心时，其晶面必然是两两平行而且相等的，它必定位于晶体的几何中心，对称中心用“C”表示（图1-l，图1-2）。

（2）线——对称轴（L）　对称轴是指通过晶体中心的一根假想的直线。当晶体围绕其旋转一周（360°）时，其相同的外形能重复出现2、3、4或6次。这时的对称轴分别称为二次轴（L2）、三次轴（L3）、四次轴（L4）和六次轴（L6）（图1-3），三次对称轴以上的称之为高次轴。

（3）面——对称面（P）　对称面是一个假想平面，将一个晶体划分成互成镜像反映的两个相等部分。

这里最重要的是“镜像反映”，如果一个晶体沿对称面切割成两半，并将切割下的半个晶体的切割面对着镜面放置，映像将重现所失去的另半个晶体。

根据晶体的特点，晶体中的对称面的可能数目是0～9个，立方体最高，有9个对称面（图1-4）。

3.晶体的对称分类

根据晶体对称要素的组合特点，将晶体划分为三个晶族，七个晶系（表1-1）。它们是晶体研究的基础，并对晶体的光学性质和力学性质有着直接的影响。

宝石的晶体结构直接影响着宝石的晶体形态，不同晶体形态的宝石在加工切磨时，它的切磨方法是不同的。也就是说，宝石切磨后，既要美观，又要尽可能地保持宝石的最大重量。而宝石的切磨与宝石的晶体结构密切相关。

宝石的晶体结构还直接影响着宝石的物理性质，并直接影响宝石的美观和耐久性等，这些性质对宝石的切磨、宝石的鉴定都有很重要的作用。

二、晶体的外表特征

1.晶体（Crystal）

凡具有一定的化学成分和晶体结构的固体，称为晶体。在其内部结构中，原子、离子或分子在三维空间均呈周期性的、有规律的平移重复排列，在外部形成具有晶面包围的固体。晶体形态的充分发育，可形成晶体外部晶面，这些外部晶面可以组成规则的几何多面体形态，称为单晶体。如钻石的八面体晶体，石榴石的菱形十二面体晶体，磷灰石的六方柱和六方双锥组成的晶体等（图1-5）。

2.双晶（Twin crystal）

双晶是两个以上的同种晶体按一定的对称规律形成的规则连生，相邻两个个体的相应的面、棱、角并非完全平行，但它们可借助对称操作——反映、旋转或反伸，使两个个体彼此重合或平行。双晶有以下三种类型（图1-6）。

（1）接触双晶　各单晶沿一个个的平面（双晶面）相接触，当把一部分沿轴（双晶轴）旋转180°后，两部分将构成一个单晶的形态；或借助一个假想镜面反映，使两个个体重合或成平行方位。尖晶石常出现这种简单的接触双晶。

（2）穿插双晶　两个单晶互生并相互穿插。十字石常呈此穿插形式，故又称为十字双晶。萤石两个立方体相互穿插呈穿插双晶。

（3）聚片双晶　一系列薄层晶体呈页片状接触，每一薄层晶体与相邻的晶体呈相反方向排列，故间隔的晶体具有相同的结构。

其他还有三连晶，如金绿宝石有时形成假六方晶体，是三个晶体穿插生长在一起。双晶对于宝石的光学性质和力学性质，都会产生很大的影响。

3.晶簇（Crystal aggregates）

晶簇是由一组具有共同基底的单晶呈簇状集合而成。

4.显晶质集合体（Crystalline aggregate）

显晶质集合体是指肉眼可见矿物晶体颗粒的集合体。宝石学中，按单体的结晶习性及集合方式的不同可分为粒状、片状、针状、柱状、棒状、放射状、纤维状等集合体。主要的显晶集合体形态如下。

（1）粒状集合体　由许多粒状单体任意集合而成，如石英质玉石、青金岩等。

（2）片状、鳞片状集合体　由结晶习性为二向延长的单体任意集合而成。集合体以单体的形状命名，单体呈片状者，称为片状集合体；单体呈鳞片状者称为鳞片状集合体，如珍珠。

（3）柱状、针状、毛发状、束状、放射状集合体　由一向延长的单体集合而成。柱状、针状和毛发状集合体中的单体呈不规则排列；若细长矿物规则地平行排列称纤维状集合体，如软玉猫眼。单体围绕某些中心成放射状排列称为放射状集合体，如孔雀石。

5.隐晶质集合体（Cryptocrystalline aggregate）

晶体细小，只能在显微镜下才能分辨矿物晶体，称为隐晶质集合体，如玛瑙、玉髓、绿松石等。