尖晶石晶體結(jié)構(gòu)

尖晶石晶體，屬于等軸晶系，為面心立方，Z=8?；窘Y(jié)構(gòu)是氧按ABC順序在垂直于(111)方向堆積。四面體與八面體層相間，四面體與八面體數(shù)之比為2:1。尖晶石結(jié)構(gòu)可看作氧離子形成立方最緊密堆積，再由X離子占據(jù)64個(gè)四面體空隙的1/8，即8個(gè)A位，Y離子占據(jù)32個(gè)八面體空隙的1/2，即16個(gè)B位。由此得出尖晶石單位晶胞的通式為X₈Y₁₆O₃₂，簡約后常寫作XY₂O₄〔1～5〕。

尖晶石的晶體包括正常尖晶石型結(jié)構(gòu)、反尖晶石型結(jié)構(gòu)。

正常尖晶石型結(jié)構(gòu)：氧離子成立方緊密堆積，三價(jià)陽離子占據(jù)六次配位的八面體空隙，二價(jià)陽離子占據(jù)四次配位的四面體空隙。正尖晶石結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)通式XY₂O₄，X為二價(jià)陽離子，Y為三價(jià)陽離子。其中X占據(jù)四面體位置，Y占據(jù)八面體位置。

反尖晶石型結(jié)構(gòu)：二價(jià)陽離子和半數(shù)三價(jià)陽離子占據(jù)八面體空隙，另半數(shù)三價(jià)陽離子占據(jù)四面體空隙。反尖晶石型結(jié)構(gòu)又稱倒置尖晶石型結(jié)構(gòu)。若結(jié)構(gòu)中所有的X陽離子和一半的Y陽離子占據(jù)八面體位置，另一半Y陽離子占據(jù)四面體位置，則稱反尖晶石結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)通式Y(jié)[XY]O₄。磁鐵礦(Fe² FeO₄)的結(jié)構(gòu)即屬此種類型。

大多數(shù)天然尖晶石都具有介于這兩種極端間的陽離子分布，其A、B位離子化合價(jià)比為2：3。在現(xiàn)有百余種尖晶石結(jié)構(gòu)化合物中，除2：3外電價(jià)比最常見的是4：2，其結(jié)構(gòu)多為反尖晶石結(jié)構(gòu)，如TiMg₂O₄，TiZn₂O₄，TiMn₂O₄。反型結(jié)構(gòu)可看作8個(gè)A位離子與16個(gè)B位離子中的8個(gè)進(jìn)行相互換位，即8個(gè)Y² 離子進(jìn)入四面體間隙（A位），而剩下8個(gè)Y² 離子與8個(gè)X⁴ 離子復(fù)合占據(jù)正常情況下B位的八面體間隙。除正反兩種極端情況外，還可能有混合型中間狀態(tài)分布。這樣可用反分布率α定量表示X離子占八面體上的分?jǐn)?shù)，從而將各種尖晶石結(jié)構(gòu)通式擴(kuò)充如下：

正型：（X）四面體〔Y₂〕八面體O₄，α=0；

反型：（Y）四面體〔X，Y〕八面體O₄，α=1；

混合型：（Y_α，X_1－α）四面體〔X_α，Y_2－α〕八面體O₄，0<α<1。

正與反型的屬性及反位的程度對(duì)于化合物材料的性能有較大影響。對(duì)于常見的2∶3和4∶2電價(jià)比的尖晶石結(jié)構(gòu)，似乎前者趨正型，后者趨反型。但縱觀全部物種，不僅有相當(dāng)數(shù)量趨于混合型，且范圍程度不能確定，而且還有若干品種完全不遵從這一規(guī)律。影響這種分布的因素極其復(fù)雜，有離子鍵的靜電能、離子半徑、共價(jià)鍵的空間分布、晶體場(chǎng)等諸多方面。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可將大部分二、三價(jià)離子的優(yōu)先順序排出：Zn² ，Cd² ，Ga² ，In³ ，Mn² ，F(xiàn)e³ ，Mn³ ，F(xiàn)e² ，Mg² ，Cu² ，Co² ，Ti³ ，Ni² ，Cr³ 。越往前傾向于四面體填隙，反之傾向于八面體填隙。陽離子的分布對(duì)尖晶石型材料的性能也有重大影響〔1，4〕。

尖晶石化學(xué)成分中類質(zhì)同象替代很普遍，?？珊F、鋅、鉻、錳等。八面體晶形很常見；還常以八面體面為雙晶面和接合面構(gòu)成雙晶，稱為尖晶石律雙晶。尖晶石由接觸變質(zhì)作用形成，或由巖漿結(jié)晶而產(chǎn)于基性、超基性火成巖中。透明而色澤艷麗的尖晶石是高檔寶石材料。

尖晶石是一種歷史悠久的寶石品種，它的名字來源有兩種：一說是來自希臘單詞“火花”，形容其紅艷似火的色澤；另一種說法是來自拉丁語Spina、Spinells，即尖端、荊棘，因?yàn)樗慕Y(jié)晶外形為立方結(jié)晶，有一個(gè)尖銳的角，故以此命名。

尖晶石自古以來就是較珍貴的寶石。由于它的美麗和稀少，所以也是世界上最迷人的寶石之一。由于它具有美麗的顏色，自古以來一直把它誤認(rèn)為是紅寶石。目前世界上最具有傳奇色彩、最迷人的重361克拉的“鐵木爾紅寶石”(TimurRuby)和1660年被鑲在英帝國國王王冠上重約170克拉的“黑色王子紅寶石”(BlackPrince'sRuby)，直到近代才鑒定出它們都是紅色尖晶石。

世界上最迷人、最著名并富有傳奇色彩的紅色尖晶石是“鐵木爾紅寶石”。寶石重361克拉，產(chǎn)于阿富汗，顏色為深紅色，沒有切面，只有自然拋光面，幾乎沒有光澤，因而更加呈現(xiàn)出寶石的自然美。有人把這顆寶石稱之為東方的“世界貢品”。從銘刻在寶石上的擁有者的標(biāo)記可以知道，這顆寶石曾落到過韃靼人征服者的手中。鐵木爾1398年征服了德里，得到了這塊寶石。1612年，寶石歸屬于英國王室。1851年，這顆寶石和其它幾粒較小的寶石一起在世界大展中展出，并被作為“極大的尖晶石紅寶石"記載在官方的清單中。后來它被送給了維多利亞女王，保存在英國倫敦白金漢宮的印度展覽室中。在我國清代皇族封爵和一品大官帽子上用的紅寶石頂子，幾乎全是用紅色尖晶石制成的，尚未見過真正的紅寶石制品。世界上最大、最漂亮的紅天鵝絨色尖晶石，重398.72克拉，是1676年俄國特使奉命在我國北京用2672枚金幣盧布買下的，現(xiàn)存于俄羅斯莫斯科金剛石庫中。

全球最大一顆尖晶石產(chǎn)自緬甸，重955.7克拉，黑紅色，半透明，雕刻雙獅銹雙球。威武的雄獅搖頭擺尾，造型生動(dòng)活潑，十分罕見。

化學(xué)分子式為(Mg，F(xiàn)e，Zn，Mn)(Al，Cr，F(xiàn)e)₂O₄，成分比較復(fù)雜，包括了鋁尖晶石和鉻尖晶石等亞族。含鐵的尖晶石亞族即為不透明的磁鐵礦、磁赤鐵礦等。大部分尖晶石為鋁尖晶石亞族，其中Mg² 和Fe² 可以任意比例混合。晶體系：屬等軸晶系，結(jié)晶習(xí)性：常呈八面體晶形，有時(shí)八面體與菱形十二面體、立方體成聚形。 可以人工合成，其熔點(diǎn)為2135℃，耐火度約為1900℃。

尖晶石的英文名稱為Spinel，意思是有尖角的結(jié)晶體。它是一種鎂鋁的氧化物，因此尖晶石和剛玉有聯(lián)系。尖晶石的顏色多種多樣，有紅色、粉紅色、紫紅色、無色、藍(lán)色、綠色等。作為寶石的尖晶石幾乎是透明的鎂尖晶石。

尖晶石是一族礦物，在自然界中形成于熔融的巖漿侵入到不純的灰?guī)r或白云巖中經(jīng)接觸變質(zhì)作用形成的。有些出現(xiàn)在富鋁的基性巖漿巖中。寶石級(jí)尖晶石則主要是指鎂鋁尖晶石，是一種鎂鋁氧化物。晶體形態(tài)為八面體及八面體與菱形十二面體的聚形。顏色豐富多彩，有無色、粉紅色、紅色、紫紅色、淺紫色、藍(lán)紫色、藍(lán)色、黃色、褐色等。尖晶石的品種是依據(jù)顏色而劃分的，有紅、橘紅、藍(lán)紫、藍(lán)色尖晶石等。玻璃光澤，透明。貝殼狀斷口。淡紅色和紅色尖晶石在長、短波紫外光下發(fā)紅色熒光。

尖晶石光學(xué)性質(zhì)

(1)顏色：有紅色、橙紅色、粉紅色、紫紅、無色、黃色、橙黃、褐色、藍(lán)色、綠色、紫色等多種顏色。

(2)光澤及透明度：玻璃至亞金剛光澤，透明至半透明。

(3)光性特征：均質(zhì)體。

(4)折射率：1.718（ 0.017，-0.008），鋅尖晶石為1.805，鐵尖晶石為1.835，鉻尖晶石可高達(dá)2.00，無雙折射率。

(5)色散：0.02

(6)發(fā)光性：紅色、橙色尖晶石在長波紫外光下呈弱至強(qiáng)紅色、橙色熒光，短波下無至弱紅色、橙色熒光；黃色尖晶石在長波紫外光下弱至中等強(qiáng)度褐黃色，短波下無至褐黃色；綠色尖晶石長波紫外光下無至中的橙-橙紅色熒光。無色尖晶石無熒光。

(7)吸收光譜：紅色和粉紅色尖晶石山鉻致色，在黃綠區(qū)以550nn，為中心有寬吸收帶，紫區(qū)吸收，紅區(qū)有多條熒光線，被描述為風(fēng)琴管狀。藍(lán)色尖晶石由鐵或偶由鉆致色，主要吸收帶在藍(lán)區(qū)，以458 nm吸收帶為最強(qiáng)，還有478nm等幾條較弱的帶。鋅尖晶石的吸收光譜與藍(lán)色尖晶石的相似，只是弱些。合成藍(lán)色尖晶石：鈷致色，綠、黃和橙黃區(qū)有3條較強(qiáng)的吸收帶，綠區(qū)吸收帶最窄。630nm、580nm、543nm，其中間580nm吸收帶最寬

(8)特殊光學(xué)效應(yīng)：星光效應(yīng)（四射星光、六射星光）稀少，變色效應(yīng)。

(9)結(jié)晶特點(diǎn)：晶體常呈八面體晶形和磨蝕卵石，有時(shí)為八面體與菱形十二面體和立方體聚形，具特征的尖晶石律雙晶，即以{111}為雙晶結(jié)合面構(gòu)成的接觸雙晶。

(10)偏光鏡下：顏色隨成分而變，無色、淺玖瑰色(鎂尖晶石)、暗綠色(鐵尖晶石)、淺灰白色(鋅尖晶石)。尖晶石為均質(zhì)體，但鋅尖晶石可有光性異常。

尖晶石力學(xué)性質(zhì)

(1)解理：解理不發(fā)育，常見貝殼狀斷口。

(2)硬度：摩氏硬度8。

(3)密度：3.57-3.90，一般為3.60，含Zn高的品種（鋅尖晶石）可達(dá)4.60。

尖晶石熱學(xué)性質(zhì)

尖晶石可用熱處理改善顏色。藍(lán)色者在900℃加熱變成綠色，加熱到1200℃變成黃色。這種改色效果穩(wěn)定。也有將紅色尖晶石加熱去掉棕色成分獲得純紅色的報(bào)道。

尖晶石內(nèi)部包裹體

1、固態(tài)包體：常見八面體尖晶石包體，單獨(dú)、成行排列或呈指紋狀分布。有時(shí)見八面體負(fù)晶，其內(nèi)局部被方解石、白云石充填，其次可見片狀石墨、柱狀磷灰石、石英等包體。在緬甸產(chǎn)的尖晶石中發(fā)現(xiàn)有細(xì)小霧狀包體，刀片狀榍石包體，密集時(shí)可形成星光效應(yīng)。

2、液態(tài)包體：開放裂隙中常見液態(tài)包體。八面體晶體包體周圍可有張力裂隙形成的指紋狀包體。

3、生長現(xiàn)象：可見沿八面體晶面發(fā)育的生長帶及雙晶紋，在正交偏光下油浸觀察最易觀察。

尖晶石顏色

尖晶石常以顏色及特殊光學(xué)效應(yīng)來劃分寶石品種，常見的品種有：

(1)紅色尖晶石：主要含微量致色元素Cr³ 而呈各種色調(diào)的紅色其中純正紅色的是 尖晶石中最珍貴的寶石品種，這種品種過去常把它誤認(rèn)為是紅寶石，如英國王冠上著名的紅 寶石“黑王子紅寶石”“鐵木兒紅寶石”等，直到近代才鑒定出是尖晶石。其中中紅色至深紅色的尖晶石是普遍受歡迎的紅色寶石品種，淺粉色至暗紅色的尖晶石則與石榴石相像。

(2)藍(lán)色尖晶石：它含有Fe² 和Zn² 而呈藍(lán)色。多數(shù)藍(lán)色尖晶石都是從灰暗藍(lán)到紫 藍(lán)，或帶綠的藍(lán)色。

(3)橙色尖晶石：是橙紅色至橙色的尖晶石品種。

(4)無色尖晶石：純凈無色者很稀少。多數(shù)天然無色尖晶石或多或少帶有粉色色調(diào)。

(5)綠色尖晶石：一般是含F(xiàn)e² 所致，顏色發(fā)暗，有的基本呈黑色，真正的黑色的尖晶石在蒙特桑瑪、泰國紅藍(lán)寶石礦等有發(fā)現(xiàn)。

(6)變色尖晶石：非常稀少。在日光下，呈藍(lán)色，在人工光源（白熾燈）下，呈紫色。

(7)星光尖晶石：這種尖晶石一般呈暗棕紅色、暗紫色到黑色，數(shù)量很少，尖晶石內(nèi)部可具有多組針狀包體，使其具有四射或六射星光，主要發(fā)現(xiàn)于斯里蘭卡。

尖晶石組成

尖晶石是鎂鋁氧化物組成的礦物，因?yàn)楹墟V、鐵、鋅、錳等元素，根據(jù)這些也可以將它分類，如鋁尖晶石、鐵尖晶石、鋅尖晶石、錳尖晶石、鉻尖晶石等。由于含有不同的元素，不同的尖晶石可以有不同的顏色，如鎂尖晶石在紅、藍(lán)、綠、褐或無色之間；鋅尖晶石則為暗綠色；鐵尖晶石為黑色等等。尖晶石呈堅(jiān)硬的玻璃狀八面體或顆粒和塊體。它們出現(xiàn)在火成巖、花崗偉晶巖和變質(zhì)石灰?guī)r中。有些透明且顏色漂亮的尖晶石可作為寶石，有些作為含鐵的磁性材料。

尖晶石常產(chǎn)于片巖、蛇紋巖及相關(guān)巖石中，大多寶石級(jí)尖晶石發(fā)現(xiàn)于沖積扇中。它可以產(chǎn)于大理巖中（矽卡巖型），與紅寶石、藍(lán)寶石等共生，也可以產(chǎn)于砂礦。

尖晶石的主要產(chǎn)地有緬甸抹谷、斯里蘭卡、肯尼亞、尼日利亞、坦桑尼亞以及塔克吉斯坦、越南、美國和阿富汗等。

尖晶石因顏色豐富，與許多寶石品種相似，特別是易與紅寶石、藍(lán)寶石、石榴石、綠柱石、鋯石、玻璃、人造釔鋁榴石等相混。

尖晶石形態(tài)差異

尖晶石與相似寶石、人造尖晶石的區(qū)別。紅色尖晶石與紅寶石十分相似，區(qū)別在于：紅寶石有二色性，顏色不均勻，有絲絹狀包裹體。尖晶石是均質(zhì)體，無二色性，顏色均勻，固態(tài)包體為八面體。

藍(lán)色、灰藍(lán)色、藍(lán)紫色、綠色尖晶石與藍(lán)寶石容易相混，區(qū)別在于：藍(lán)寶石二色性明顯，色帶平直，有絲絹狀包裹體和雙晶面。兩種寶石的密度、折光率、偏光性都不同。

人造尖晶石顏色濃艷，均一，包裹體少，偶爾有弧形生長紋，折光率高，一般為1.728±0.003左右，合成紅色尖晶石為1.722~1.725，仿青金石者為1.725，合成變色尖晶石為1.73。紅色人造尖晶石多仿造紅寶石的紅色，藍(lán)色尖晶石多呈艷藍(lán)色。天然尖晶石還可以根據(jù)內(nèi)部包裹體的特征與人造尖晶石區(qū)別。

尖晶石光學(xué)差異

利用偏光鏡、分光鏡和放大觀察以及測(cè)折射率和密度等常規(guī)方法不難把它們區(qū)分開。尖晶石的常見品種為紅色，要注意與紅寶石和紅色石榴子石特別是鎂鋁榴石相區(qū)分。

尖晶石為均質(zhì)體，無雙折射，而紅寶石為一軸晶負(fù)光性。尖晶石的折射率低于紅寶石，其吸收光譜也沒有紅寶石在藍(lán)區(qū)常見的3條吸收線。

尖晶石與石榴子石均為均質(zhì)體，偏光鏡下也都有異常消光，但尖晶石的折射率明顯低于石榴子石，吸收光譜也很不同。此外，尖晶石內(nèi)部常見單個(gè)或成排排列的八面體包裹體，鎂鋁榴石中多見渾圓狀包裹體。

尖晶石的質(zhì)量評(píng)價(jià)主要從顏色、透明度、凈度、切工和大小等方面進(jìn)行，其中顏色最為重要。顏色以深紅色最佳，其次是紫紅、橙紅、淺紅色和藍(lán)色，要求顏色純正、鮮艷。透明度越高，瑕疵越少，則質(zhì)量越好。尖晶石最好的顏色是深紅色，其次是紫紅、橙紅、淺紅和藍(lán)色。要求色澤純正、鮮艷。

尖 晶石的透明度影響顏色和光澤，同時(shí)受凈度影響，尖晶石的凈度一般以包體少為佳。包體多或是晶體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈變形，都會(huì)影響尖晶石的透明度。透明度越高，則質(zhì)量越好。大多數(shù)尖晶石都比較干凈，倘若尖晶石出 現(xiàn)瑕疵，價(jià)格就比較低。

尖晶石切工也是影響其價(jià)格的一個(gè)因素。優(yōu)質(zhì)尖晶石常以刻面型切工出現(xiàn)，而且要求切磨比例正確，以祖母綠型切工為佳。尖晶石在切割時(shí)，不必過多考慮方向性，盡可能切磨得越大越好，并需要精細(xì)拋光。對(duì)于大小，超過10ct以上的尖晶石是較少的，因此，每克拉價(jià)格也比一般尖晶石高一些。

顏色、透明度、重量是尖晶石的評(píng)價(jià)與選購的主要依據(jù)，優(yōu)質(zhì)的尖晶石要求顏色好、透明度高、凈度好、切工比例及拋光修飾程度好。尖晶石有各種顏色，通常含有較多的包裹體，呈成層分布，透明度較好。紅色尖晶石最受人歡迎，鮮紅色，透明度高，重量大的是其佳品。有星光效應(yīng)的尖晶石也較貴重。深紅、大紅、艷藍(lán)、綠的尖晶石也較好。

質(zhì)量達(dá)到寶石級(jí)的尖晶石。

主要是鎂鋁尖晶石，其中淺粉紅色到血紅色的、含鉻的紅尖晶石最名貴。尖晶石成分MgAL2O4，等軸晶系。玻璃光澤。硬度8。解理平行{111}不完全。熔點(diǎn)高達(dá)2135℃。密度3.50～3.70克/立方厘米，折射率1.72～1.74，易與紅寶石及紅色石榴子石相混淆。如英帝國王冠上重170克拉的著名黑王子紅寶石實(shí)際上是紅尖晶石。一些褐紅色尖晶石可經(jīng)熱處理變?yōu)榧儍舻募t色。鎂鋅尖晶石為淺藍(lán)至藍(lán)色，也有黃、綠、褐、微綠黑色的。偶爾有美麗的綠色或橄欖綠色的鋅尖晶石，密度3.58～4.06克/立方厘米，折射率1.725～1.753；合成的鋅尖晶石相對(duì)密度4.6克/立方厘米，折射率1.82，易區(qū)別于天然鋅尖晶石。鎂鉻尖晶石又稱鎂鉻鐵礦，為暗黃到暗綠色。鐵鎂尖晶石中鐵多時(shí)從暗綠色到黑色：暗綠色的密度3.63～3.90克/立方厘米，折射率1.77～1.80；純黑色的黑尖晶石密度在3.8克/立方厘米以上，折射率大于1.80。有星光效應(yīng)的尖晶石曾見于暗褐紅色、紫紅色及中灰色到黑色的品種中。更罕見的變色尖晶石在日光下呈藍(lán)色，白熾燈下呈紫色。