第1章 宝石基本概念、分类、属性及价值
1.1 宝石的概念及所必须具备的条件
1.1.1 宝石的概念
宝石的西文名为gem和gemstone。gem来自于拉丁文Gemma，有宝或宝石的意思。在Gary(1972)编的《地质学词汇》一书中，gem一词主要指经过琢磨加工好的宝石成品；gemstone则指未经加工的宝石材料，包括矿物、岩石或其它自然材料，只要经琢磨抛光后具备美观、耐久等特征，能满足制作饰品的条件即可，因此，gemstone一词实际指未经加工过的宝石材料。但到近代，gem和gemstone的含义区别则越来越模糊。
据《辞海》，宝石为硬度较大、色泽美丽、受大气和化学药品的作用不起变化、产量稀少而极为贵重的矿物，如金刚石、刚玉等等。
从目前的宝石学看，宝石的概念有广义和狭义之分。广义的概念宝石和玉石不分，泛指宝石，指的是色彩瑰丽、晶莹剔透、坚硬耐久、稀少，并可琢磨、雕刻成首饰和工艺品的矿物或岩石，包括天然的和人工合成的，也包括部分有机材料。狭义的概念有宝石和玉石之分，宝石指的是色彩瑰丽、晶莹剔透、坚硬耐久、稀少，并可琢磨成宝石首饰的单矿物晶体，包括天然的和人工合成的，如钻石、蓝宝石等；而玉石是指色彩瑰丽、坚硬耐久、稀少，并可琢磨、雕刻成首饰和工艺品的矿物集合体或岩石，同样既包括天然的，又包括人工合成的，如翡翠、软玉、独山玉、岫玉等。
在商贸或市场销售时，宝石也称珠宝。顾名思义是指珍珠和宝石，包括珍珠、宝石和玉石等。
1.1.2 宝石必须具备的条件
不论是广义的宝石，还是狭义的宝石和玉石，都必须具备以下条件：
1美丽（Beauty）
美是宝玉石必须具备的首要条件。具体要求宝玉石颜色艳丽、纯正、匀净、透明无暇、光泽夺目，或呈现猫眼、星光、变彩、变色等特殊的光学效应。如透明无瑕的钻石堪称宝石之王，而不透明的黑色钻石主要具工业用途。这是美与不美的重大差别。
2、稀罕（Rarity）
物以稀为贵，这一法则在宝石上得到了最大体现。越是稀罕的宝石越名贵。例如，几世纪前欧洲首次发现紫晶，个头虽小，但色彩艳丽新颖，颇受人们喜爱，因其数量稀少，当时被视为珍贵之物，但当南美发现优质大型紫晶矿后，紫晶价格猛跌，从此不再享有珍贵之名。
3、耐久（Durability）
宝玉石不仅要求色彩艳丽非凡，还需具有永葆艳姿美色的耐久性，即宝玉石必需坚硬耐磨，化学稳定性高。
1.2 宝石的分类
按照宝石的概念和必须具备的条件，目前世界上能被用作宝石的矿物、矿物集合体和岩石有二百多种。由于这些宝石具明显的商品特性，贵贱悬殊，存在有机与无机、矿物与岩石、单晶与集合体等之分；再者，宝石和玉石的工艺性质各具特色，所以无论从单一宝石学，还是从矿物学观点都难以提出一个统一的、全面的、被各方面公认的分类方案。因此，目前，关于宝石的分类的认识还存在较大分歧。
1.2.1 历史
历史上，人们从不同角度、根据不同的目的提出了不同的宝石分类方案，较典型的有：
1、正宝石和半宝石
这是欧美早期对宝石质量粗略含糊的分类，即将硬度大于8的宝石称正宝石，将硬度小于8宝石的称半宝石。 但由于许多宝石的价值并不主要决定于硬度，如欧泊硬度仅为6，但其价值却高于硬度为8的托帕石，因此正宝石与半宝石的分类方案现已不再沿用。
2、珍贵宝石与普通宝石
（1）珍贵宝石：是在自然界发现的单晶体矿物宝石中十分稀有的绝代瑰宝，其色彩、透明度以及质地等方面都居宝石之冠。属于这类宝石的品种主要有钻石、红宝石、蓝宝石、祖母绿、猫眼石和变石等。
（2）普通宝石：是自然界发现不多的单矿物晶体宝石，但远不及珍贵宝石稀少、坚硬、精美和名贵。这类宝石在市场上常见的有锆石、托帕石、尖晶石、石榴子石、电气石、橄榄石、水晶、海蓝宝石、非蓝色蓝宝石等。
3、宝石与玉石
这是东方习惯的宝石分类方案，即是上述狭义的宝石划分方案。宝石是指色彩瑰丽、晶莹剔透、坚硬耐久、稀少，并可琢磨成宝石首饰的单矿物晶体；玉石是指色彩瑰丽、坚硬耐久、稀少，并可琢磨、雕刻成首饰和工艺品的矿物集合体或岩石。前者主要是矿物学的范畴，后者主要是岩石学的范畴。
1.2.2 本书的宝石分类
本书从宝玉石形成方式、物质组成、矿物学特征以及宝石的商品特性、工艺特性等综合分析出发，并考虑中国人对玉开发利用的传统及所产生的特有玉文化，提出下列综合分类方案（见图1-1-1）。
非金属宝石(如金刚石)
宝石
金属宝石(如赤铁矿)
非晶质类(如欧泊)
天然宝石 玉石 多晶质类（如翡翠）
晶质类（如芙蓉石）
宝石 隐晶质类（如玉髓）
有机宝石（如珍珠、珊瑚、琥珀和煤玉等）
合成宝石（如合成红宝石）
人工宝石 人造宝石（如莫桑石）
仿制宝石（如玻璃）
拼合石（如以石榴子石为顶的拼合石）
图1-1-1 本书的宝石分类方案
1、天然宝石
是指自然产出的具有美观、耐久、稀少和工艺价值的矿物、矿物集合体及少数非晶质物质，分宝石、玉石等类型。宝石可按矿物学的分类方法把其细分为族、种、亚种。
（1）族：指化学组成类似，晶体结构相同的一组类质同像系列的宝石。如石榴子石族、电气石族、长石族、绿柱石族和辉石族等；
（2）种：指化学成分和晶体结构都相同的宝石。宝石种是分类的基本单位，每一个宝石种都有相对固定的化学成分和确定的晶体结构。如石榴子石族矿物种包括了铁铝榴石和镁铝榴石等品种；
（3）亚种：是种的进一步细分，指同一种的宝石，因化学组成中的微量成分不同，从而在晶形、物理性质等外部特征上有较明显变化的品种，如水晶中的黄晶、紫晶、烟晶等。
需要注意的是：宝石种和亚种的划分有其特殊性，即要考虑到社会属性和价值规律。如刚玉宝石中的红宝石和蓝宝石，绿柱石宝石中的祖母绿和海蓝宝石等，在矿物学上应是亚种，但在宝石学中都被作为重要的单一宝石种。
天然宝石按照价值和稀少程度可以划分为高档宝石、中低档宝石和稀罕宝石等。
天然玉石则习惯按照材料的硬度、工艺特点和用途将其分为玉、玉石等。玉是玉石中最珍贵的品种，主要包括翡翠和软玉两个品种；玉石是指除翡翠和软玉以外其它玉石品种，根据商业和市场上的实际情况，又可分为玉石、彩石、图章石等亚种。
2、有机宝石
是指成因与生物有联系的宝石类型，或其成因与生物作用密切相关，如珍珠，或宝石本身就是生物体的一部分，如象牙。
3、人工宝石
是指完全或部分由人工生产或制造的用于制作首饰及装饰品的材料。人工宝石主要包括合成宝石、人造宝石、拼合石、再造宝石和仿制宝石等。
（1）合成宝石：指部分或完全由人工制造的晶质或非晶质材料，这些材料的物理性质、化学成分及晶体结构和与其相对应的天然宝石基本相同；
（2）人造宝石：指完全由人工制造的晶质和非晶质材料，这些材料没有天然对应物。如立方氧化锆、钛酸锶等。
（3）拼合石：指由两种或两种以上材料经人工方法拼合在一起，在外形上给人以整体印象的宝石；
（4）再造宝石：将一些天然宝石的碎块、碎屑经人工熔结后制成的宝石。如再造琥珀、再造绿松石等。
（5）仿制宝石：指任何具有被仿制宝石外貌但不具备所仿制宝石的化学成分、物理性质和晶体结构材料，可以是天然材料，也可以是人工材料。
1.3 宝石命名与象征
1.3.1 命名
宝石的命名没有固有规律可循，既有现代矿物学、岩石学的因素，也有历史的原因。综合国内外宝石学的实际情况，宝石的命名原则主要有几个方面：
（1）根据颜色：如红宝石，蓝宝石，祖母绿，羊脂白玉等；
（2）根据光学效应(并结合颜色)：如猫眼石，变石，星光红宝石等；
（3）根据产地和产状：如澳玉、非洲翡翠(石榴石)、坦桑石(蓝色黝帘石)、开普红石(镁铝榴石)、台湾翡翠(霞石)、贵翠(贵州石英岩)等；
（4）根据人物：如亚历山大石(变石)；
（5）根据硬度：如硬玉、软玉等；
（6）根据译音：如欧泊、托帕石等。
1.3.2 宝石的象征
宝石是一种具有商品和艺术双重特性的特殊商品。艺术性表现在它的色、光、形方面，商品性则表现在它的值、神、义等方面。也就是说宝石不仅能表现出生产劳动的商品销售价值，而且也能表现思想意识的宗教神秘色彩。同时还表现出美好祝愿的浓重纪念意义，此外宝石还能表现出权力富有的传世价值。
1、作为“御鬼魔、敬鬼神”消灾避邪及防病治病的护身符
在古代多数国家和民族都有将宝石作为“御鬼魔、敬鬼神”消灾避邪及防病治病的护身符的传统，某种程度上这种传统一直延续至今。但不同国家，其品种有所不相同，如东方人喜欢佩戴玉雕佛像，以保护自己；中东人则认为绿松石、珊瑚具有消灾避邪及防病治病的神奇功能。
2、作为使自己“走好运、获吉祥、得幸福”的祭品
这种象征也具有古老的传统，今天也具有普遍意义，如雕有两只羊的如意雕件，代表样样如意，等。
3、作为权力大小、地位高低和金钱贫富的标志
这种象征在古代十分普遍，如代表权力的玉玺、金印，封地及古代传达王令的玉圭，封官拜爵的玉佩和玉珩等。
4、作为银行储备、企业投资、市场流通和家庭保值传世的硬通货
由于天然宝石是一种不可再生的资源，是一种财富的象征，或者说是一种浓缩的财富，其资产价格逐年上升，其上升幅度通常超过通货膨胀率或银行存款所获得的利息，因而，往往被购买者作为银行储备、企业投资、市场流通和家庭保值传世的硬通货。
5、作为美化生活装缀自己的饰品
这种象征贯穿古今，如古代有凤钗、耳坠、项链、手镯和戒指等各种宝石饰品；现代有琳琅满目的宝石首饰。
6、作为祝贺生日和纪念结婚的“诞辰石”和“结婚石”
（1）“诞生石”：起源于《圣经》的十二基石，教父胸前的十二种宝石和伊斯兰十二部族，十二天使和十二宫的神话传说。而真正按月份使用诞辰石，则出于18世纪移居波兰的犹太人，随后诞辰石和结婚石就传遍欧洲和世界各地。今天所使用的诞辰石，是由1952年在美国举行的宝石大会所确定的，现已得到包括我国在内的世界各国的承认。作为统一使用的诞辰石是：
一月：紫牙乌(石榴石)，表示贞操、友爱和忠实；
二月：紫晶，表示诚实、心平气和；
三月：海蓝宝石或鸡血石，表示沉着、勇敢；
四月：钻石，表示贞洁；
五月：祖母绿，表示被人爱、幸福的爱人；
六月：珍珠、月光石或变石，表示健康、富贵和长寿；
七月：红宝石，表示爱情至深、火红的爱情；
八月：橄榄石或红缟玛瑙，表示夫妻幸福；
九月：蓝宝石，表示忠诚、德望；
十月：欧泊或碧玺，表示安乐、平安；
十一月：黄玉(晶)，表示友爱、友谊；
十二月：绿松石或锆石，表示成就。
（2）“结婚石”：国际宝石行业协会商定的，以不同的宝石代表不同时间的结婚纪念日。它以年为单位，从结婚12年开始一直到75年，均有不同的结婚石。其中重要的有：
15年：水晶；
25年：白银；
30年：珍珠；
35年：翡翠；
40年：红宝石；
45年：变石；
50年：黄金；
55年：祖母绿；
60年：黄钻石；
65年：灰色星彩蓝宝石；
70年：蓝色星彩蓝宝石；
75年：钻石。
目前，“诞辰石”和“结婚石”在我国都已悄然兴起。随着人们文化物质生活的逐步提高，诞辰石和结婚石必将在我国的城市和乡村更加流行。
1.4 宝石的属性
1.4.1 客观物质存在性
宝石作为自然形成或人工合成的物质，是客观存在的。它们是由一种或几种化学元素以一定的结构方式形成为单晶体或集合体而存在着，例如钻石主要由碳元素以共价键的方式结合而形成的单晶体物质；翡翠主要是由钠、铝、硅、氧等元素化合而形成的硅酸盐矿物集合体。不论是单晶体还是集合体，它们均有较为固定的物质性质，如硬度、颜色、密度、折射率、双折射率、色散等。一般而言，凡是高档宝石，其物理性质通常独特而优越。如越是颜色美丽，硬度高，韧度好，色散强，折射率大，不怕酸碱腐蚀等等，宝石的价值就越高。这些均是宝石客观性的具体体现。
1.4.2 独特的稀有性
自然界形成的矿物有3000余种。但能被人类用作宝石的只有150种左右，而真正作为珍贵宝石的仅10多种。在这10余种宝石材料中，产量又极其稀少，如翡翠，至今为止，世界上只有缅甸一处能达到宝石级。在这些产地稀少的宝石资源中，大多数是废石，达到珍贵宝石级的更是少之又少。如钻石，即使是世界上最富的矿床，也需要开采大约250吨含金刚石的金伯利岩，才能获得1克拉钻石原料，其中达到宝石级的大约为20％。
对于天然宝石，由于它们大多数是不可再生资源，其形成一般需数百万年、数千万年甚致数亿年，例如，钻石一般形成于30-10多亿年的地幔中，并主要由1亿年左右的火山作用将其带到地表。在人类历史的尺度内，多数天然宝石无法再生，由此可见其稀有性。物以稀为贵，这是衡量世界上一切商品价值的基本法则。由于宝石独特的稀有性，因而决定了宝石具有较高的价格，尤其是珍贵宝石。
1.4.3 可鉴赏性
宝石的另一种属性是它们的可鉴赏性。其可鉴赏性即是主观的，又是客观的。其客观的可鉴赏性主要表现在：由于宝石硬度大，光泽强，颜色美，经过加工后光芒四射，美不胜收，或色彩柔和，质感润泽，因此，无论对于任何国家的人来说，它都是美的。鉴赏宝石会使人感到愉悦，获得美的享受，从这个角度来讲，宝石的可鉴赏性是客观的。但是从另一方面来讲，不同时代的宝中蕴含着不同的文化、文明意义及信息，不同种类、不同款式的宝石，或者同一种类、不同质量（如颜色）的宝石，甚至同一种类、同一质量的宝石均受不同的国家、不同民族或不同人的主观意识所影响。例如日本人喜欢金黄色的珍珠，认为金黄色珍珠是富贵的象征，而中国人则讨厌黄色的珍珠，认为人老珠黄不值钱，是失去生命力的标志。西方人喜欢闪闪发光、色彩艳丽的宝石，东方人喜欢色彩温润的玉石，而中东人则钟情于象征天地神秘色彩的绿松石和青金石。
1.5 宝石的价值
1.5.1 储备资产价值
虽然历史上宝石很少和黄金一样，普遍作为官方储备资产，但从历代世界各国王公贵族和统冶阶层对宝石收藏的热情来看，宝石的确历来就是一部分人重要的储备资产，拥有宝石多少、珍贵程度也常常成为一国王室财富多少及国力强盛的重要标志。
我国古代常常以某家族或某人拥有的贵重宝石的数量来衡量其财富的数量，传家宝往往成为家庭财产继承的重要组成部分。在战国时期，宝石还作为货币充当一般等价物交换的工具，“宝石为上币，黄金为中币，刀币为下币”便是最好的说明。
宝石充当储备资产价值的功能主要决定于它罕见的稀少特性，而且，也与其体积小、便于携带等特点有关。但由于世界范围内没有统一的质量评判标准，加之其产量极不稳定，因此，其作为储备资产的功能受到了限制。
1.5.2 投资价值
宝石的投资价值是双重的，一方面购买宝石的人可以从佩戴宝石中获得成就感和美的享受，得到心理的满足。另一方面，由于天然宝石是一种不可再生的资源，是一种财富的象征，或者说是一种浓缩的财富，其资产价格逐年上升，其上升幅度通常超过通货膨胀率或银行存款所获得的利息，因而使购买者获得投资利益。
宝石的投资价值可从下面实例中得到证明，例如，如果70年代后期在中国各地的宝石商店中花2000元左右购买一只翡翠手镯，到1996年其价值已涨到40-50万元之多，20年价格涨幅超过百倍，投资价值可见一斑。
1.5.3 信用价值
宝石的信用价值同样衍生于宝石是一种财富、身份和权力的象征物，就现在一般人的观点看，凡佩戴珍贵宝石的人，非富则贵，即便其身无分文，其身上佩戴的宝石也可为他完成支付。这表明宝石实际上可以完成资金的有条件暂时让渡或调剂，因此使其具有信用价值。
郭沫若在《中国史稿》中对商代玉石工艺水平有这样的评述：“商代的玉石工艺具有高度的水平，奴隶主贵族无论男女都要佩戴玉佩，还有雕琢成的各种礼器，如圭、璋、璧、琮之类，以显示自己的身份”。这表明玉石在我国奴隶社会时已有信用象征。在我国汉代，玉环代表古人对“天圆地方”的理解，环的圆形环绕取其无穷之意，表彰人高尚的品德，实际上也是其具有信用价值的反映。而在秦后，作为皇帝最高权力象征的玉玺，则是其信用价值的更直接体现。由和氏璧制成的玉玺谁得到它才算是真正的真龙天子。在清代，将红宝石作为亲王和一品官顶戴的标志等，也说明宝石具有身份的象征意义。
1.5.4 美学及装饰价值
宝石的美包括色泽美、质地美和工艺美等，使其具有较大的美学鉴赏价值和装饰价值，这也是宝石价值中最为被人理解的。宝石的美学和装饰价值开始于石器时代，我国新石器时代各个文化遗址中都有大量的玉器出土便充分地说明了这一点。例如距今7000-5000年的红山文化就出土玉龙、玉螭、玉鸟、玉兽、玉璇玑、玉璧等玉器。而且玉器的加工通常是通体磨光，并采用圆雕、浮雕、透雕、钻孔、线刻等加工技法，风格质朴、豪放，更突出的特点是对各种动物形象往往经过特殊的艺术概括，并讲求神似和准确性的对称感。这进一步将玉石的美与艺术的美有机结合起来，达到高度美的效果。
国外的情况也相似。如距今5000多年的古埃及皇后的木乃伊的手臂上就装饰有包金的绿松石手镯，让我们了解到当时古埃及人的美学追求和当时发达的工艺技术。
1.5.5 宗教礼仪价值
宝石的宗教礼仪价值是从其作为天、地与人和鬼神与人间的中介物开始的。在生产力发展水平较低的社会背景下，人们便发现许多宝石有很多奇异的特征，例如它们往往很硬，光泽很强，色质温润等，因此往往被认为是天神所赐的宝物，通过它们可以与天、地、神进行沟通，因此，常常将宝石作为灵物用在重要的宗教礼仪上，从而使宝石一开始就有了宗教和礼仪的功能。《说文解字》上说，中文的“玉”字原本为“王”，代表了三块玉中间串上一根线，后来将该字作为“王”字，代表天、地、人沟通，这便是最好的体现。又如，据《周礼? 大宗伯》中记戴：“以玉作六器，以礼天地四方，以苍璧礼天，黄琮礼地，青圭礼东方，赤璋礼南方，白琥礼西方，玄璜礼北方”。又说：“以玉作六瑞，以等帮国，王执镇圭，公执恒圭，候执信圭，伯执躬圭，子执谷圭，男执蒲圭”。说明我国古代，不同的玉器已有不同的礼仪功能。
古印度人认为珍珠与神有关，因此印度庙宇中的神像通常镶嵌珍珠以作装饰。一位宝石商夸张地写道：“一个庙宇中所用珍珠之多，即使有九百人和三百匹马也无法一次拉走”。
直至今日，许多人仍认为，佩戴宝石可以驱邪避凶，吉祥如意，能使人心神安定，万事顺利，财源广进。
1.5.6 医用价值
宝石的医用价值为人们认识已有数千年之久。古埃及人相信青金岩是治疗忧郁病的良药。希腊人和罗马人曾用青金石粉作为补药和泻药。还有人将青金岩作为催生石，认为有促进产妇生产的效用。
我国古代对宝石的药用价值早就有所认识，早在公元前770-720年系统描述矿物原料及其功效的《山海经》中就有记载，民间还留传唐代名医孙思邈用琥珀治好一暴死产妇的故事。而中医书中记载有关于琥珀的药性歌：“琥珀肚膀甘平，散瘀通淋能镇惊，癫痫目疾失眠症，辨血腹痛小便通”，因此，琥珀是一味能安五脏、定魂魄、止惊悸、镇静安神、化瘀活血的良药。
对红宝石和蓝宝石，它们具有医用价值从古一直传至今天。克什米尔的医生用梵文描写了13世纪的医学。其中谈到红宝石能治疗胆汁过多和肠胃胀气。著名的红宝石药剂极为珍贵，是根据秘方炼制而成的，只有富人才用得起。此种流行于13世纪的红宝石医学在今天看来好像是难以置信的。蓝宝石和红宝石一样，传说也有医疗作用，一位古代作家写道：“在蓝宝石上刻一只公羊或一个长胡子的老头，就可以使人免受病痛、监禁和恶魔伤害”。另据传说，蓝宝石可以除去眼中污物或异物。17世纪，德国教徒J.B.Van Helmont 曾教人们用蓝宝石治疗瘟疫。
又如珍珠的药用价值各朝代的医书中都广有记载，例如明代医学家李时珍在《本草纲目》中认为：“珍珠可安魂魄，止遗精百浊，解痘疗毒；能镇定安神，除翳名目，清热解毒，止咳化痰”。现代的分析则表明：珍珠中含有20多种氨基酸，其中六种是人体需要而又无法合成的，因此，珍珠还被广泛制成各种营养品、口服液等，用作高档的化妆品和保健产品。
更有意思的是，某些宝石名称甚至直接来自于其医学效能，例如墨西哥人认为软玉可以用来治腰病，是治腰宝石，而硬玉是治肾的宝石，因而它们的名称分别是腰石和肾石。
1.5.7 物用价值
所谓物用价值就是指宝石可以作为工具器皿或物件使用，从而产生实用价值。宝石的实用价值最早追溯到石器时代的玉斧、玉刀、玉剑、玉矛等。随着历史的发展，物用宝石越来越多，如玉角杯、玉奁、玉灯、玉碗、玉碟、玉瓶、玉砚、玉笔、玉印盒、玉笔筒、玉酒具等等。至今仍有广泛用途。
1.5.8 研究价值
宝石的研究价值包括多方面内容，例如，由于宝石是在特定地质构造背景和特殊的地质作用下，一定的物理和化学条件下的产物，通过宝石的研究可揭示形成宝石的自然过程和物理化学条件，从而为找寻新的宝石资源，为了满足人类生产生活需要进行人工合用宝石及矿物、进行优化处理等提供理论依据。有些宝石的研究还可揭示古代的自然环境及生命的进化过程，如对琥珀中包含的昆虫研究就可以了解地球上某些昆虫几千万年以来的进化过程等。
另一主要方面是宝石可作为研究人类社会变化、文明演化等的实物证据。在各类文物中，宝石是重要的文物品种，记载着人类社会变化、文明演化、一些重要历史事件的重要信息，通过宝石的研究，我们可以恢复已消失的文明，复原人类社会演化的历史。通过对不同朝代宝石品种、款式的研究，可以了解不同时代的生产力发展水平，雕刻艺术风格、风土民俗，社会交往等等诸多社会因素的变化，从而为了解人类文化的过程提供见证。因此，宝石的艺术文化及科学研究的价值是不容忽视的。
第2章 地质学基础
由于宝石学主要是地质学的一门分支学科，因而在许多方面涉及到地质学的有关内容。另外，对于天然的宝石，绝大多数是在特定的地质背景下，由于各种地质作用综合作用的产物。因此，为了更好地掌握宝石学的有关内容，本章将对相关的地质学基础知识作简要介绍。
2.1 地球的结构
地球是太阳系中的一颗行星，自形成以来已
经经历了漫长的演化时期，地质作用促进了这一
演变。研究证明，地球是一个旋转椭球体，赤道
半径较长，为6378.160km，两极半径较短，为
6378.160km。地球科学家用地球物理探测方法
（特别是通过反射地震波的方法）发现：地球是
一个具圈层结构的球体，其内部有两个最明显的、
也是最重要的一级界面，即上部的莫霍洛维奇面
（简称莫霍面）和下部的古登堡面。根据这两个界
面把地球内部分成地壳、地幔和地核三个圈层
（图1-2-1）。
图1-2-1 地球的结构示意图
2.1.1 地壳
地壳是地球表层极薄的固体外壳，至今为止，几乎所有的天然宝石均产在地壳之中。地壳有大陆地壳和大洋地壳之分，且它们在厚度、物质成份及岩石的地质年龄等方面都有所不同。大陆地壳厚25-70km，平均厚度约33km，其上部物质的平均密度为2.7g/cm3，出露的岩石以花岗岩类为主，其组成岩石的平均成分也大致与花岗岩成分相近，所以将大陆地壳的上层称为花岗岩质层，又称硅铝层，这一层在大洋中基本是缺失的。大陆地壳的下层平均密度为2.9g/cm3左右，出露的岩石以玄武岩为主，故一般称之为玄武岩质层,又称硅镁层。因此，整个大陆壳是由上部的花岗岩质层（硅铝层）和下部的玄武岩质层（硅镁层）共同组成。大陆地壳的地质年龄较老，最老超过40亿年，一般大于2亿年。大洋地壳厚度为5-10km，平均厚度约7km。大洋底出现的岩石仅有玄武岩质层，没有花岗岩质层。大洋地壳的地质年龄较轻，一般不超过2亿年。
地壳表面高低起伏不平，基本可分为陆地和海洋两部分。陆地面积为1.495亿km2，占地球表面积的29.2%；海洋面积3.61亿km2，占地球表面积的70.8%。海陆面积之比约为2.5∶1。陆地地形十分复杂，高低起伏不平。按高程和起伏变化，陆地地形可分为山地、丘陵、平原、高原、盆地和洼地等地形，山地和高原是遭受风化剥蚀的地方，平原、盆地和洼地是风化剥蚀产物沉积和堆积的地方。许多高原因造山作用而不断上升，但又因风化剥蚀作用而不断夷平，两者间保持着某种平衡。一些含成矿物质的岩浆沿造山带的断裂构造上升，在其过程中因发生一系列物理和化学作用而形成各种矿床，其中包括宝石矿床。造山带上的一些含各类矿物的岩石在高处遭受剥蚀后，其中宝石矿物被地表水搬运，在较低洼处沉积，甚至在原地堆积而形成宝石矿床。这类矿床在整个宝石矿床中占有相当大比例，也是质量和开采条件最好的宝石矿床类型。
2.1.2 地幔
地幔又称中间层，其上界为莫霍不连续面，下界为深度2900km的古登堡不连续面。地震波传播到地下2900km深度处时，其纵波速度由13.6km/s突然减低为8.2km/s（在此深度以上纵波速度是随深度增大而逐渐增加的），而横波在此界面以下消失。这些情况表明，界面以上的物质是固态，而界面以下的物质是液态。这一不连续界面是美国地球科学家古登堡确定的，故称古登堡面。地质上将这一界面以上的部分称为地幔，界面以下直到地心部分称为地核。
地幔按体积约占地球的82.3%，按质量占整个地球的67.8%，因此地幔是地球的主体部分。地幔物质的密度3.32-4.64g/cm3，是由富含Fe、Mg的硅酸盐物质组成。地幔又分上、下两部分。
深度1000km以上的称上地幔。上地幔物质成份相当于含铁、镁成份很高的超基性岩，目前称之为地幔岩。处于50km以下的地幔物质状态多变。最新的研究发现，在50-250km深度存在一个地震波的低速带，说明那里物质塑性较大，地质上称为软流圈。软流圈的温度已高到该区物质熔点以上而形成液态区，由于低速层离地壳很近，这些液态区就成为岩浆作用的高发区，也是各种岩浆型宝石矿床的发源地之一。
近代地球科学将软流圈以上的地幔岩和地壳合在一起称为岩石圈。岩石圈具有较强的刚性，故能分裂成许多不同的块体，即“板块”。所谓板块运动就是岩石圈板块在软流圈上，随软流圈运动而发生的物质运动。这就是一般构造运动产生的总根源，也是现代板块构造学的立论基础。
深度在1000-2900km间是下地慢。下地幔的物质密度较高，可达5.1g/cm3以上，其成份与上地幔物质成份相同，但所受的压力更大，被认为是由高压相、高密度矿物组成的超基性岩。
许多宝石的形成与地慢相关，或者直接形成于地幔之中，例如钻石；另一些间接与地慢相关，例如，在翡翠形成过程中，地慢提供了重要的物质来源。
2.1.3 地核
深度在约2900km以下是地核。地核物质密度为11-16g/cm3，主要由Fe、Ni物质组成。地核又分为内核与外核。地震波的研究表明，外核的组成物质是液态的，因为那里的温度已经超过岩石的熔点；内核是超高压下的固态物质。内、外核之间则有一个由液态向固态转变的过渡带。
地核离地壳太远，从目前的科学研究来看，地幔与宝石的成因没有直接关系。
2.2 地壳的物质组成
地壳是由各种化学元素组成的，这些元素相互结合而形成各种矿物，各种矿物相互堆积在一起形成岩石。要研究地壳的物质组成，就必须研究组成地壳的元素、矿物和岩石。它们也是理解宝石成因和基本特征的关键之一。
2.2.1 地壳中的元素
地壳和所有其他物质一样是由各种元素组成。已知元素中大约有92种存在于地壳中，地壳中各种元素的含量是极不均匀的。O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti、H等10种元素占地壳总量的99.96％（表1-2-1），其中O、Si、Al、Fe即占88.13％。
表1-2-1 地壳主要元素重量百分比（wt%）
元素
代号
重量百分比
元素
代号
重量百分比
氧
O
46.95
钠
Na
2.78
硅
Si
27.88
钾
K
2.58
铝
Al
8.13
镁
Mg
2.06
铁
Fe
5.17
钛
Ti
0.62
钙
Ca
3.65
氢
H
0.14
从以上元素的分配情况看，地壳中元素的分配是极不均匀的，这种不均匀性不但反映在数量上，而且也反映在地区分布上。即不同地区、不同深度元素的分布明显不同。一般说来，地壳上部以O、Si、Al为主，Ca、Na、K也较多，但到了下部，虽仍以O、Si为主，但其他元素的含量减少，Mg和Fe相应地增多。
地壳中的化学元素，除少数以自然元素（如石墨、金刚石和自然金）产出外，大多数是以各种化合物形式出现，尤其是氧化物最为常见。从地壳深度16km范围内按氧化物计算的平均化学成分百分比可以看出（见表1-2-2），地壳中分布最广的是硅和铝的氧化物，占总量的74.48%，其次是铁和碱金属的氧化物。
表1-2-2 地壳16km范围内主要氧化物重量百分比（wt%）
氧化物
重量百分比
氧化物
重量百分比
SiO2
59.14
Na2O+K2O
6.97
Al2O3
15.34
MgO
3.49
FeO+Fe2O3
6.88
H2O
1.15
CaO
5.08
TiO2
1.05
2.2.2 矿物
矿物是由地质作用形成的元素单质或化合物。矿物在地壳中分布十分广泛，与人类的生活和生产活动关系十分密切，宝石就是由矿物或矿物集合体组成的。矿物具有一定的化学成分，可以用化学分子式表示。由同种元素组成的称为单质矿物，如自然金（Au）、自然铂（Pt）、金刚石（C）、自然硫（S）。由两种或两种以上元素化合而成的称为化合物矿物，如黄铁矿（FeS2）、赤铁矿（Fe2O3）、石英（SiO2）、刚玉（Al2O3）等。这些化合物中有的属于硫化物类、有的属于氧化物类,还有许多化合物是通过酸与金属通过化学作用形成的金属盐类，如碳酸盐类：孔雀石（Cu2（CO）3（OH）2、方解石（CaCO3）；磷酸盐类:绿松石（CuAl6（PO4）4（OH）8.5H2O）.硅酸盐类:如绿柱石（Be3Al2（SiO3）6）、钙铝石榴石（Ca3Al2（SiO4）3）、钙铁石榴石（Ca3Fe2（SiO4）3）、钙铝榴石（Ca3Al2（SiO4）3）等。绝大多数矿物是固体的，也有少数呈气体或液体状态，如天然气、石油、自然汞等。
固体矿物按其内部构造可分为结晶质矿物和非晶质矿物。结晶质矿物是指不仅具有一定的化学成分，而且组成矿物的质点（原子或离子）按一定的方式作规则排列，具有一定的结晶构造，如盐是由钠离子和氯离子规则排列成立方体的晶体构造。非晶质矿物是指组成矿物的内部质点不规则排列，没有一定的结晶构造，如欧泊。宝石中绝大多数矿物是结晶质，少数是非晶质。
由于矿物具有一定的化学成分和结晶构造，决定了矿物具有一定的形态特征和物理化学性质，人们常用晶体形态和物理化学性质来识别矿物。
随着人类生产活动和科学技术的发展，矿物的概念也在不断变化。现代矿物学对矿物的定义是：矿物是由天然形成并具有一定化学成份和一定原子结构的均匀固体，通常由无机化学作用所形成。由此定义可知，首先矿物必须是天然形成的物体，从而与在工厂或实验室中人工制造的产物相区别。那些人工合成的且性质与天然矿物相同或极相似的产物，如人造金刚石、人造水晶等，被称为人工合成矿物。至于那些自然界不存在相应矿物的人工合成物，如立方氧化锆、钛酸锶等只能称为人造矿物。另外，矿物必须是均匀固体，这意味着天然形成的气体和液体都不属于矿物。但是，已经有人把液态的自然汞（Hg）也看作是矿物。
至今为止，地球科学家已在自然界发现矿物3000多种，可用作宝石的矿物不过100多种，而其中主要宝石矿物仅有15种：即金刚石、绿柱石、刚玉、欧泊、硬玉、金绿宝石、黄玉、电气石、石英、绿柱石、石榴石、锆石、橄榄石、尖晶石和长石。
在已知的3000多种矿物中，绝大多数极其分散，数量稀少。对形成岩石有普遍意义的矿物，即主要造岩矿物数量有限，其中特别重要的造岩矿物只有7种，即石英、钾长石（正长石）、斜长石、云母、角闪石、辉石、橄榄石。它们构成了地壳岩石的主体，在火成岩中它们的含量占99％以上。
2.2.3 岩石
岩石是矿物的自然集合体，主要由一种或几种造岩矿物按一定方式通过一定的地质作用胶结而成。岩石按其成因和形成过程可分为三大类：即火成岩、沉积岩和变质岩。
1、火成岩
火成岩亦称岩浆岩，它是由炽热的硅酸盐岩浆，在地下或喷出地表后，冷凝形成的岩石。按产出状态，火成岩可分为侵入岩和喷出岩（火山岩）两种基本类型（图1-2-2）。
图1-2-2 岩浆活动方式示意图
（1）喷出岩（火山岩）：岩浆喷出地表在空气中或海水里迅速冷凝形成的岩石，如玄武岩、安山岩、流纹岩等。喷出岩由于冷凝速度快，物质来不及充分结晶,因此组成岩石的物质往往呈非晶质（玻璃质）或半晶质（即玻璃质与结晶物质共存）或隐晶质（矿物粒径<0.3mm）。
（2）侵入岩：岩浆在地表以下缓慢冷却、凝固而成的岩石，如花岗岩、闪长岩等。由于岩浆是在地下一定深度冷凝，因此岩石中的矿物呈不同粒度的全晶质。浅成侵入岩矿物颗粒较细，深成岩则矿物颗粒粗。
根据火成岩的化学成分，特别是其中SiO2的含量多少，又将火成岩分为酸性岩、中性岩、基性岩和超基性岩几种主要类型。它们的主要特征如表1-2-3所列。
表1-2-3 火成岩类型及其特征简表
超基性岩
基性岩
中性岩
酸性岩
SiO2
<45%
45%-52%
53%-65%
>65%
主要
矿物
橄榄石、辉石、角闪石
钙长石、
辉石
中长石
碱性长石
钾长石、酸性长石、石英、黑云母
角闪石、黑云母
颜 色
深 → 浅
喷出岩
岩流、岩被，斑状或隐晶结构、气孔状、杏仁状、流纹状构造
苦橄岩
玄武岩
安山岩
粗面岩
流纹岩
浅成岩
斑状、细粒或隐晶质结构
金伯利岩
辉绿岩
闪长玢岩
正长斑岩
花岗斑岩
深成岩
全晶质粗粒或似斑状结构
橄榄岩、辉石岩
辉长岩
闪长岩
正长岩
花岗岩
花岗岩是地球上分布最广泛的侵入岩，是人们最常用的建筑石料。玄武岩是地球上分布最广泛的火山岩，地球上的大洋底几乎全部由玄武岩构成。地球上的许多原生宝石矿床都是产于火成岩中，例如蓝宝石、红宝石、石榴石是高压下玄武岩浆早期结晶的产物，以后随岩浆喷出带至地表；又如金刚石与超基性金伯利岩浆有关，目前绝大多数地质学家认为，金刚石是上地幔早期形成的矿物，后被超基性岩浆－金伯利岩浆带到地表。
2、沉积岩
沉积岩是在地表或接近地表的条件下，由风化作用、生物作用或某种火山作用形成的产物，经搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石（碎屑岩），或者由于溶液在正常地表温度下沉淀而成（化学岩）。沉积岩虽只占地球外壳（地表以下4－5km以上的浅处）总重量的3%，但却构成地表岩石面积的75%。沉积岩按其成因可分为碎屑岩和化学岩两大类：
（1）碎屑岩：包括砾岩、砂岩、粉砂岩、粘土岩。它们是碎屑物经过搬运、沉积和压实排除水分并产生一定的化学变化，使碎屑颗粒胶结成为岩石。粘土岩的碎屑颗粒直径 <0.06mm，砂岩颗粒直径0.06-2mm，砾岩颗粒直径>2mm。胶结物主要是碳酸盐和SiO2。碎屑岩的特点是具有层理、波痕、泥裂等沉积构造。
（2）化学岩:常见的化学岩是由方解石和文石组成的石灰岩，以及由白云石组成的白云岩，它们统称碳酸盐岩，约占沉积岩总量的20%。还有一些不同组分的化学岩，如硅质岩、蒸发岩、磷酸岩等。
地质上一般把形成时代最晚的尚未胶结的第四纪“沉积岩层”称为第四纪沉积物。例如，原岩经过风化崩解后残留于原地附近的松散沉积物称为“残积物”，风化产物被暂时性流水冲刷、搬运到山坡坡麓或山前带沉积下来的分别称为“坡积物”和“洪积物”；由经常性流水-河流搬运并在河床中沉积下来的物质称为“冲积物”；有些碎屑物质还可以被搬运到湖泊或海洋里，并在湖滨、海滨地带或者在浅海、深海沉积下来则分别称为“湖相沉积物”或“海洋沉积物”。
原始基岩（母岩）中含有的宝石矿物或金属矿物经过风化淋滤作用，可以在原地富集起来，形成风化淋滤矿床。宝石或金属矿物也可以保存在残积物中或者经过流水的搬运和分选作用而在洪积物、冲积物或滨海沉积物中富集起来形成砂矿。如果说存在于火成岩或变质岩等母岩中的宝石矿床称为内生矿床的话，那么富集在风化物中或在矿物中的宝石矿床则称为外生矿床。对于宝石矿物来说，外生矿床比内生矿床更为重要，因为绝大多数宝石都可以形成砂矿，而且它们易于开采，成本较低，土法即可开采，例如，金刚石、红宝石、蓝宝石等大多见于残积或冲积砂矿中；欧泊、绿玉髓（澳玉）多见于风化淋滤矿床中；高质量的玛瑙、玉石也常见于冲积砾石层中。经过长距离的搬运和磨蚀后尚能保存下来的宝石往往多是质地坚硬、品质良好的宝石，例如，翡翠原料有“山料”和“仔料”之分，后者即是以卵石形式赋存于后生成因的冲积矿中，高档翡翠一般产于仔料中。
3、变质岩
原先存在的岩石（火成岩、沉积岩或早期变质岩），在温度、压力作用下，使原来的岩石发生矿物成分、结构构造的变化而形成的岩石即为变质岩，形成变质岩的这种过程称为变质作用，变质作用一般发生在固态条件发生，主要类型有：
（1）动力变质作用：它是在构造运动产生的定向压力作用下岩石所发生的变质作用，它与岩石的断裂相伴随，并出现在断裂带两侧。岩石受到压力发生变形破碎，导致其结构、构造的变化。同时，挤压力引起的高温也能引起局部的重结晶作用，使原岩矿物成分变化，动力变质的代表岩石是碎裂岩和糜棱岩。
（2）接触变质作用（或热变质作用）：是岩浆侵入体周边的围岩受侵入体的影响发生温度升高而发生的矿物重结晶作用。例如，由石灰岩经过热变质作用使灰岩的CaCO3普遍结晶,就形成了人们熟知的大理岩（汉白玉）。如果是含镁的白云岩变质后会出现含绿色蛇纹石的不规则条带，这便是人们喜爱的建筑装饰材料蛇纹石大理岩。
（3）接触交代变质作用：引起变质的因素除温度以外，岩浆中分泌的挥发性物质与围岩发生物质交换，既使围岩发生变质，又使侵入体边缘变质。这种变质作用的典型代表岩石是矽卡岩。矽卡岩是中酸性－中基性侵入岩类与碳酸盐岩接触带上形成的接触交代变质岩，其中常伴有某些金属矿物和宝石矿物，后者如钙铝-钙铁石榴石、尖晶石、红宝石等。
（4）区域变质作用：在大范围内主要由温度、压力普遍升高而引起的变质过程。其变质影响范围可达数千至数万km2，代表的岩石有角闪岩、麻粒岩、绿片岩等。与这些变质岩有关的宝石主要有铁铝榴石、红宝石、蓝宝石、碧玉等。
与三大岩类有关的宝石（见表1-2-4）。
表1-2-4 与三大岩类有关的典型宝石
火成岩
变质岩
沉积岩(包括第四系沉积物)
绿柱石族宝石，如海蓝宝石
绿柱石族宝石，如祖母绿
钻石
金绿宝石
刚玉族宝石，如红宝石
绿松石
刚玉族宝石，如蓝宝石
赛黄晶
欧泊
钻石
石榴石族宝石，如钙铝榴石
翡翠
石榴石族宝石，如铁铝榴石
堇青石
软玉
长石族宝石，如月光石
青金岩
橄榄石
翡翠
石英族宝石，如水晶
软玉
尖晶石
岫玉
托帕石
独山玉
电气石
鸡血石
锆石
寿山石
第3章 结晶学基础
宝石是一种坚硬耐磨的固体物质，宝石材料经过精心设计和人工琢磨，形成规则的几何形态，发出奇光异彩，映出奇妙花纹，所有这些首先归功于人类的艺术创造，但本质上是归功于宝石材料的结晶学性质，因此，结晶学是宝石学重要的基础学科之一，结晶学知识对于宝石学家是必不可少的。
3.1 晶体和非晶体
在古代，人们把石英晶体称为水晶，这是因为石英晶体透明如水，故误认为是由水结晶而成。后来，人们又找到了石盐、方解石、萤石和金刚石等具有规则几何多面体形态的结晶体，于是开始深入研究晶体的本性。从近代地质学研究看，把水晶当作是水的结晶体显然是不对的。同样是石英，它既可呈具有几何多面体形态的水晶晶体，亦可呈不规则颗粒形态而广泛存在于各种岩石和河、海滩地的砂粒中。这两种形态的石英虽然外形不一样，可在微观结构、化学组分上却是一样的，表现在外部的物理性质上也是一样的。
通过X-射线分析表明，一切晶体，不论其外部形态如何，其内部质点（原子、离子、或分子）都是有规律排列的。这种规律表现为同种质点作周期性的重复，构成了所谓的格子构造。因此，晶体的定义应当是：晶体是具有格子构造的固体，晶形的充分发育可导致其外部晶面呈规则的几何形态。绝大多数宝石矿物是单矿物晶体，如钻石、红宝石等。
与晶体的上述特征相反，有些形状似固体的物质（如玻璃、琥珀和松香等），它们内部组成质点不作规则排列，不具格子构造，因而没有规则的几何外形，这类物质称非晶质或非晶质体。从内部结构的角度看，非晶质体中的质点分布类似于液体。这类宝石材料包括欧泊和火山玻璃等。
除晶体和非晶体外，尚有一些矿物，虽然其内部原子结构作有序排列，但不具外部规则的几何形态，它们由无数的微晶组成，但这些微晶是如此之小，以致于用普通显微镜都无法观察到，也就是说是超显微的，这些矿物称隐晶质，如玉髓、软玉等。另外还有一些矿物也是由细小的晶体组成，然而其组成晶体可用放大镜、甚至肉眼观察到，这些矿物称多晶质，如翡翠、独山玉等。
3.2 空间格子
晶体内部构造的最基本特征是质点在三维空间作有规律的周期性重复。空间格子是表示晶体内部构造的一种模拟几何图像。以氯化铯（CsCl）晶体为例（图1-3-1），分析其内部构造变化的规律性。
图1-3-1 为氯化铯的晶体构造和空间格子模拟图形
（左图中双图与黑点分别表示Cl-和Cs离子的中心点）
从图1-3-1中可以看出，无论Cl-还是Cs+离子，在图形的三维方向上均作等距离的重复排列。为进一步揭示这种重复规律，我们可以对它作某种抽象（图1-3-1b），可选取其中任一个元素的离子（Cl-或Cr+）作为相当点，显然，相当点的分布规律可以体现晶体构造中所有质点的重复规律。三度空间中相当点的这种格子状排列就称为空间格子。为了研究晶体内部构造中质点的重复规律时不受晶体大小限制，可设想相当点在三度空间上的排列是无限的，因而，空间格子是一种无限图形（图1-3-2）。
图1-3-2 晶体的空间格子
从三维空间格子图形中，可以划出一个最小的单位，这就是平行六面体，即晶体中的最小基本组成单位。因此，晶体是由平行六面体“砖块”毫无间隙地重复堆垒而成，这一“砖块”称为“晶胞”。晶胞的形状和大小，取决于平行六面体三向彼此的棱长及其棱间夹角的大小。
3.3 晶体的基本性质
晶体的内部构造是由单位晶胞组成的立体空间格子。同一晶体由相同的晶胞组成，晶体种类不同，组成空间格子的形状和大小也不同，这样，就形成了千姿百态、物理和化学性质不同的天然晶体世界。研究和统计表明，晶体有以下五种基本性质：
1、晶体的自范性（或称自限性）
指一切晶体在生长过程中，只要具备充分的空间条件，都能自发地形成规则的几何多面体外形的性质。晶体的自范性为我们确定晶体的内部结构、进行晶体分类和鉴定宝石原石晶体提供了宏观依据。如黄铁矿为立方体，祖母绿为六方柱状，金刚石为八面体等。
2、晶体的均一性
对于某晶体，由于同一类型空间格子的周期性重复构筑，决定了晶体中任何一部分所表现的物理化学性质的均一性。基于这一点，同一晶体上切下来的宝石材料都具有相同的物理化学性质。
3、晶体的各向异性
除立方格子外的其余格子，由于不同方向上质点性质和间距不同，因此，晶体在内部和外部性质上也存在差异。如蓝宝石垂直柱体（光轴）切磨时，无二色性，而平行光轴切磨时，则有二色性；又如蓝晶石在不同方向具有不同的硬度，其摩氏硬度随方向变化于5-7之间（图1-3-3）。
图1-3-3 蓝晶石的差异硬度
4、晶体的稳定性
指同一成分组成的结晶体物质处于最稳定的状态，即内部质点处于有规律的格子平衡位置，具有最小的内能。对于无序状态的液体和气体，则随着时间的迁移，会有向有序结晶态发展的趋势。晶体的这一特性，为宝石的长久保存提供了有利条件，也为不稳定的宝石（欧泊）提出了需要保护的问题。
5、晶体的对称性
对称现象在自然界极为常见，如蝴蝶和花冠。物体或图形的对称有两个基本特点，一是有相同部分；二是这些相同部分呈现有规律的重复。如蝴蝶左右有两个相等部分，可以通过镜面反映而彼此重合；六个相同花瓣，可以通过垂直花冠的中心轴线旋转而呈现六次重复。通过这种操作，使物体相同部分的有规律重复，称为对称。
晶体同样是有对称性的，但严格受内部格子构造控制，晶体的对称性不仅表现在外部形态上，也表现在物理性质上。晶体的对称规律为宝石鉴定提供了可靠的依据。
使物体或图形的相同部分重复出现的操作称为对称操作。在操作时，要借助一些假想的几何要素，即点、线、面。点是对称中心（C），线是对称轴（L），面是对称面（P）。
（1）对称面（P）：是一个假想平面，它可把晶体平分为镜像相等的两个部分（图1-3-4）。
图1-3-4 （a）和（b）对称面示意图
（2）对称轴（L）：是通过晶体中心的一条假想的直线，晶体围绕它旋转一周，相同形状出现2、3、4、6次。相对应分别称2次、3次、4次和6次对称轴。图1-3-5是将一根针刺入一个正方形卡片中心，这个卡片围绕针旋转一周时，相同形状就出现4次，这根针就代表4次对称轴。晶体上相同部分重复出现的次数越多，晶体的对称程度越高。
图1-3-5 对称轴示意图 图1-3-6 具有对称中心的图形
（3）对称中心（C）：是晶体内部的一个假想点，透过该点的直线两端等距离的地方有晶体上相等部分存在（见图1-3-6）。
6、晶轴
为了描述晶体的形态，必须有某些固定线作为描述晶面相对位置的坐标系统，这些坐标系统可认为是无限长的假想线，沿着与晶体对称性有关的某些限定方向穿过理想晶体。它们相交在晶体内部被称为原点的一个点上。这些假想的线就称为晶轴，一般需要3个晶轴，但有两个晶系需要4个晶轴。
任何晶体所属的晶系均可由晶轴的数目、相对长度及倾斜角来确定。
3.4 晶簇、晶系的划分
根据晶体对称中有无高次对称轴，以及高次对称轴的多少，可把晶体构成三个晶族。
低级晶族：无高次对称轴，如L2PC等；
中级晶族：只有一个高次对称轴，如L44L25PC；
高级晶族：有数个高次对称轴，如3L44L36L29PC。
每个晶族又可按其特点进一步划分晶系，三个晶族共划为七个晶系（见表1-3-1）。
表1-3-1 晶族、晶系划分表
晶 族
晶 系
对 称 特 征
高级晶族
立方晶系
有数个高次对称轴（四个三次对称轴）
中级晶族
六方晶系
四方晶系
三方晶系
有一个六次对称轴
有一个四次对称轴
有一个三次对称轴
低级晶族
斜方晶系
单斜晶系
三斜晶系
有二次对称轴或对称面多于一个
有二次对称轴或对称面多于一个
无对称轴，无对称面
除了对称外，为了进一步描述晶体的形态，还必须有某些固定的线作为描述晶面相对位置的坐标系统。这些坐标系统由无限延伸的线组成，沿着与晶体对称的某些方向穿过理想晶体，它相交于晶体内部一个被称为原点的点上，这些假想的线被称为晶轴。一般晶系的晶体需要三个晶轴，但六方晶系和三方晶系需要四个晶轴。根据晶轴和各晶系的对称特征，可将七大晶系的特征描述如下：
1、等轴晶系
该晶系的晶体有三个相等且相互垂直的晶轴，a=b=c，α=β=γ= 90°（见图1-3-7）。该晶系的晶体具有9个对称面，6个2次对称轴，4个3次对称轴，3个4次对称轴和1个对称中心。理想的晶形是立方体，八面体及菱形十二面体等。常见的宝石是金刚石、石榴子石、萤石、尖晶石、黄铁矿和方钠石等。
图1-3-7 等轴晶系及常见晶体
2、四方晶系
该晶系的晶体具有三个相互垂直的晶轴，其中二个晶轴长度相等，另一个不等，不等的晶轴为纵轴，两个相等的晶轴为横轴，a=b≠c,α=β=γ=90°（见图1-3-8）。该晶系的晶体具有5个对称面，5个2次对称轴，1个3次对称轴，1个对称中心。理想的晶体是四方柱和四方双锥，代表宝石有锆石、方柱石和符山石等。
图1-3-8 四方晶系及晶体
3、六方晶系
该晶系的晶体有四个晶轴，其纵轴或主轴（C轴）比其它三个相等的晶轴长或短，三个相等的晶轴相互以120度相交（见图1-3-9），纵轴垂直于三个相等晶轴组成的平面。这个晶系的晶体具有7个对称面，6个2次对称轴，1个6次对称轴和1个对称中心。代表的宝石有绿柱石、磷灰石和蓝锥矿等。
图1-3-9 六方晶系及晶体
4、三方晶系
该晶系晶体的晶轴与六方晶系相同，但其对称度较低。该晶系晶体具有3个对称面，3个2次对称轴，1个3次对称轴，1个对中心（见图1-3-10）。理想的晶体是三方柱，菱面体。代表性宝石有刚玉、石英、电气石、硅铍石、方解石和菱锰矿等。
图1-3-10 三方晶系及晶体
5、斜方晶系
该晶系的晶体具有三个不等的晶轴，彼此相互垂直，a≠b≠c，α=β=γ=90°。其最长的主轴（C轴）直立，其它两个晶轴水平（见图1-3-11）。该晶系的晶体具3个对称面，3个2次对称轴，1个对称中心。理想的晶形是长方形底面上的柱和双锥。代表性宝石有红柱石、金绿宝石、赛黄晶、堇青石、橄榄石、托帕石和柱晶石等。
图1-3-11 斜方晶系及晶体
6、单斜晶系
这个晶系的晶体具三个不等的晶轴，其中两个晶轴相互垂直，另一个晶轴与此两个相互垂直晶轴所构成的平面斜交，a≠b≠c，α=β=90，γ≠90度（见图1-3-12）。该晶系的晶体具有1个对称面，1个2次对称轴，1个对称中心。理想的晶形是柱和平行双面。代表性的宝石有透辉石、翡翠、软玉、正长石和孔雀石等。
图1-3-12 单斜晶系及晶体
7、三斜晶系
这个晶系的晶体具有3个不等且相互斜交的晶轴，a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°，只有1个对称中心（见图1-3-13），理想的晶形只有平行双面。代表的宝石有斜长石、斧石和绿松石等。
图3-13 三斜晶系及晶体
3.5 晶体的光性分类
根据光学性质，自然界的物质可分成光性均质体和光性非均质体两大类。未受应力影响的等轴晶系矿物（如金刚石、萤石、石榴石等）和非晶质物质（如火山玻璃、树胶、琥珀等），它们内部结构各个方向相同，反映在光学性质上是各向同性的，这类物质称光性均质体。而晶体家族中的中级晶族和低级晶族矿物，由于它们的光学性质受内部结构的影响而随方向的改变而变化，这类物质称光性非均质体。物质按光学性质的分类（见图1-3-14）。
非结晶物质（如火山玻璃、琥珀）
光性均质体
高级晶族（等轴晶系）晶体（如金刚石）
物质
正、负光性一轴晶 三方晶系晶体（如方解石）
晶体（中级晶族） 四方晶系晶体（如锆石）
光性非均质 六方晶系晶体（如磷灰石）
正、负光性二轴晶 斜方晶系晶体（如橄榄石）
晶体（低级晶族） 单斜晶系晶体（如硬玉）
三斜晶系晶体（如斜长石）
图1-3-14 物质按光学性质的分类
3.5.1 晶体光学性质分类的依据
晶体光学性质分类的主要依据是折射率。实验证明，光性均质体物质只有一个折射率值，而光性非均质体物质，可以有两个以上的折射率值，具体来讲，一轴晶晶体具有二个折射率；二轴晶晶体具有三个折射率。
为了说明光在晶体中折射现象，现对光在晶体中的传播特点作简单介绍。
1、光在均质体中的传播特征
光在均质体中的传播特点是：其传播速度不因入射线方向的改变而发生变化。光在其中传播时，严格遵守折射定律，只发生单折射。故均质体物质只有一个折射率值。光传入均质体时，基本不改变入射光的振动性质和方向，即自然光射入均质体后仍然为自然光，偏振光射入均质体后仍然为偏振光，其振动方向基本不变。若在某均质体中置一点光源，则每一瞬间所形成的波前为球面，且光法线与光线的方向完全一致。
2、光在非均质体中的传播特征
自然界全部非晶质体物质（包括经受过应力作用的均质体）都具有双折射性质。晶体的光学现象都与双折射有关。实验证明，当一束平行光射入非均质体时，除特殊方向（光轴方向）外，都要发生双折射，即分解成两条振动方向相互垂直、传播速度和折射率不等的偏振光。
晶体的双折射性质与其内部结构的非均一性有关。对于一轴晶晶族所属的三个晶系的晶体来说，它们只有两个折光率值：一个是常光（或O光），常光在晶体中的分布规律是振动方向永远垂直于光轴（或结晶C轴），常光在晶体中传播时，其速度和折射率n不随入射方向或振动方向的改变而变化，严格遵守折射定律。另一个是非常光（或e光），非常光在晶体中的分布规律是：振动方向永远包含在入射线（波法线）和光轴组成的平面内，并随振动方向的改变而变化。若│ne-no│=B值（这个B值是绝对值），其数值大小因不同晶体而异。如石英，ne=1.553,no=1.554,｜ne-no｜=0.009。又如方解石，ne=1.486，no=1.658，｜ne-no｜=0.172。对石英来说，B值因光波入射方向不同而连续变化于0-0.009之间。对于方解石来说，B值因光波入射向不同而连续变化于0-0.172之间。若ne>no，称为一轴晶正光性，石英就是一轴晶正光性；若ne<no，称之为一轴晶负光性，方解石就是一轴晶负光性。
对于属于二轴晶三个晶系的晶体，则具有三个折射率值，即最大者（ng）、中间者（nm）和最小者（np），它们的固定公式是：ng>nm>np。其中ng和np是随入射线方向的变化而连续变化的，nm对于某一晶体来说是不变的，并且当ng-nm>nm-np时为二轴晶正光性；当ng-nm<nm-np时为二轴晶负光性。
3.5.2 光率体
为使晶体光学性质的分析形象化，富莱契（1891）创立了光率体的概念，他把晶体的折射率值与其相应的光波振动方向联系起来，用圆和椭圆的几何图形变化规律予以表示，成功地解释了晶体在偏光系统下呈现的现象、晶体的光性特征及其规律性。
光率体又称光性指示体，它是一种将光波振动方向与该方向上的折射率值相联系起来的空间几何图形。其作法是，在各个光波的振动方向上，将相应的折射率值按一定比例截取线段，自中心以这些线段为半径，将这些线的端点连接起来，就构成了光率体。
光率体的几何形态变化规律是：球体代表全部非晶质体和等轴晶系矿物的光学性质；旋转椭球体代表全部中级和低级晶族的光学性质。
1、均质体光率体
均质体光率体的几何形态是一个圆球体，可表示全部均质体物质的光性特征，即从任何方向射入均质体物质的光波，其振动性质不变，其折射率值只有一个。不同均质体物质光率体的唯一差别是球半径大小，它取决于物质的折射率，如金刚石的折射率为2.4175，铁铝榴石为1.830，萤石为1.434等（见图1-3-15）。
图1-3-15 均质体光率体示意图
2、一轴晶光率体
一轴晶光率体的几何形态是一种旋转椭球体，旋转轴方向与光轴方向一致，椭球的长、短半径分别代表两个偏光振动方向及其相应的最大和最小折射率值。与旋转轴方向相互垂直的椭球半径方向代表常光的振动方向，其长度代表其折射率值。根据两个主折射率值的相对大小，又可把一轴晶光率体分成正光性和负光性两类：当ne>n（如石英），其光率体指示图形为一长形旋转椭球体，这就是正光性光率体（见图1-3-16）；当ne<n0（如方解石），其光率体指示图形为一扁形旋转椭球体，这就是负光性光率体（见图1-3-16）。
图1-3-16 一轴晶光率体示意图
3、二轴晶光率体
二轴晶光率体的几何形态也是旋转椭球体，旋转轴的方向也与光轴方向一致，椭球体的长、中和短轴分别代表三个振动方向及相应的最大、中间和最小折射率。同样根据三个主折射率值可将二轴晶光率体分为正光性和负光性两类（见图1-3-17）。二轴晶有三个折射率值（ng、nm、np），当ng-nm>nm-np时为正光性；当ng-nm<nm-np时为负光性。
图1-3-17 二轴晶光率体示意图
3.6 单形、聚形和晶体规则连生
3.6.1 单形、聚形与结晶习性
1、单形
单形是由对称要素联系起来的一组晶面的总和，同一单形的所有晶面都同形等大，例如，立方体是由六个相同大小的正方形组成的，八面体由八个同大的等边三角封闭而组成（见图1-3-18）。常见的单形有：四面体、立方体、八面体、菱形十二面体、五角十二面体、四角三八面体、菱面体、复三方偏三角面体、三方单锥、三方柱、六方柱、六方双锥、平行双面、四方柱、四方双锥、斜方双锥、斜方柱等，少数宝石晶体可能以单形的形式产出，如钻石和尖晶石常呈八面体产出；石榴子石常呈菱形十二面体、五角十二面体、四角三八面体等产出；方解石常呈菱面体产出。但绝大多数宝石晶体呈不同单形的聚形产出。
图1-3-18 六方体和八面体单形示意图
2、聚形
由两个或两个以上单形聚合而成的晶形，称为聚形。在理想晶体上，聚形一定有二种以上形状、大小不同的晶面，例如，绿柱石晶体上可见到六方柱、六方双锥、平行双面等单形的晶面。由于自然界的宝石晶体，绝大部分都是聚形，因此，研究聚形具有更大的宝石学意义。然而，聚形又是由单形聚合而成，为了更好地研究聚形，必须熟练地掌握单形（特别是常见单形）的特征。尤其要掌握单形的晶面与对称要素的关系这一重要特征。因为单形相聚后，由于晶面彼此切割而改变了单形晶面原来的形状，但单形的各晶面与对称型中的对称要素的相对位置却不会改变。
单形相聚的根本原则是要符合对称规律。只有属于同一对称的单形才能相聚。换言之，只有属于同一对称的单形才能在同一晶体上出现。研究聚形，不是给聚形定名称，而是要分析某一聚形由那些单形组成的。分析聚形的步聚如下：
（1）找出晶体的对称要素，确定其所属的晶族、晶系和晶类，因为各晶族、晶系、晶类所能出现的单形是不同的。
（2）确定晶体上有几种不同的晶面，从而确定此聚形晶体是几个单形组成的。
（3）根据每一单形的晶面数，晶面相互关系，以及晶体所属晶系、对称型，晶面与对称型中的对称要素的相对空间关系，确定各单形的名称。
3、结晶习性
结晶习性是指宝石矿物通常呈现的晶体形态。这种形态本质上是由它们本身的内部结构所决定，但它们也受到矿物形成时的外部环境因素所制约。这些外部因素包括：晶体生长时的温度、压力、有关组分的浓度、杂质、空间条件等。由于这些因素千差万别，同一宝石矿物在不同产地，以及同一宝石矿物不同品种的晶体，其结晶习性均可能出现较大的不同。如钻石的常见习性是八面体，电气石的常见习性是呈复三方柱状，刚玉的常见习性是桶状等。
4、矿物描述中所使用的其它术语
（1）假象：由于化学作用，或由于温度压力变化而以另一种矿物外形产出的矿物，称为假象。典型的二氧化硅交代木头形成的硅化木，二氧化硅交代石棉形成的“虎睛石”等。
（2）半面象：是指某些晶体只具有对称型中全部晶面数的一半，这类晶体被称为是半面象的。多数宝石晶体由于受客观生长条件的制约，往往表现为半面象的。
（3）异极象：是指某些晶体在对称轴的两个末端出现不同的单形，这些晶体常显示热电效应，电子石是典型的例子。
3.6.2 晶体的规则连生
上述所讨论是单晶体的光学特征，但自然界中由于受各种因素影响，有时，同一宝石晶体两个或更多个单体按对称方式生长在一起，这些由两个或更多个单体所组成的晶体由于受内部结构的控制表现出一定的规则，因此称为晶体的规则连生。晶体的规则连生可分为两种基本类型，即双晶和平行连生。
1、双晶
双晶是由两个或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，但它们通过一定的对称操作——反映、旋转或反伸，使两个个体彼此平行或重合。双晶按生长的方式可分为下例几种类型（见图1-3-18）：
（1）接触双晶：即仅由两个个体组成的双晶，如尖晶石的双晶；
（2）聚片双晶：多个双晶个体以同一双晶律连生，接合面相互平行，如钠长石的聚片双晶；
（3）环状双晶：多个双晶个体彼此以同样的双晶律连生，但结合面互不平行，而是依次以等角相交。晶体连生的个数有三连晶、四连晶，等等。金绿宝石的三连晶双晶就是环状双晶的典型例子；
（4）穿插双晶：又称贯穿双晶，是单晶个体相互穿插而形成的双晶，十字石双晶和萤石双晶就是典型例子。
图1-3-18 双晶及主要类型
2、平行连生
是同种晶体的个体彼此平行地连生在一起，连生着的每一个晶体相对应的晶面和晶棱相互平行（见图1-3-19）。平行连生从外形来看是多晶体的连生，但它们内部的格子构造都是平行而连续的，从这点来看，它与单晶没有差别。
图1-3-19 晶体的平行连生
3.7 实际晶体的形态和表面特征
3.7.1 实际晶体的形态
在此之前所讨论的宝石晶体形态，都是以理想晶体为对象。但实际上晶体的生长环境很复杂，同时还受内部和外部各种因素的影响，以致晶体不能按理想晶体发育。而且，在晶体形成以后，还会继续受外界因素的影响，这更会增加晶体的非理想程度。可以说，绝大多数晶体是非理想的，所不同的只是它们偏离理想晶体的程度存在差异而已。
1、歪晶
在实际晶体中歪晶是极其常见的。歪晶是在非理想环境下形成的、偏离本身理想晶形的晶体，其通常的表现形式为同一单形的各晶面不等发育，有的晶面甚至可能缺失，但它们的晶面夹角与理想晶体的晶面夹角是一致的。
2、弯晶
指整体呈弯曲形态的晶体，如白云石的马鞍状弯曲晶体（见图1-3-20）。
3、凸晶
与弯晶相反，是指各晶面中心均相对凸起而呈曲面、晶棱弯曲而呈弧线的晶体（见图1-3-20）。
3.7.2 晶体表面特征
不同矿物的晶体受内部原子结构控制，呈现上述一系列独特的特征，有时这些晶体内部原子结构也反映到晶体表面，呈现一系列受内部原子结构控制的表面特征。它们对于宝石晶体原石的鉴定具有重要的意义，以下对一些常见的表面特征作简要介绍。
1、晶面条纹
晶面上由一系列邻接面构造构成的直线条纹，称为晶面条纹。晶面条纹是晶体在生长过程中形成的，在许多晶体上可以看到，例如石英晶体柱面上的横纹，电气石晶体上的柱面纵纹，黄铁矿立体上三对相互垂直的条纹等（见图1-3-21）。
2、三角座
一些晶体上见到的呈三角形的特殊图案，称三角座。一些晶体的三角座是由几组解理面组合构造的，如金刚石的三角座就是由八体解理的几组解理面交切构造的；一些晶体则与裂理面与双晶面有关，如刚玉。
3、蚀痕
4、螺纹
第4章 地球化学基础
从地球化学角度出发，宝石原料（矿物和岩石）都是在长期地质演化过程中，在特定的物理化学条件下，元素相互结合的产物。宝石的特征从根本上说决定于化学元素本身的性质及其演变规律。因此，了解和掌握地球化学的基本知识，无论对了解宝石的成因和特征，还是对宝石优化、人造宝石，以及对宝石进行研究和鉴定等都具有很重要的参考价值。
4.1 原子和元素
原子是元素的最小的能保持该元素的性质不变的单元。元素是指完全由一种原子组成的物质。
地球上的所有物质，不论是气体、液体和固体，均由许多以不同方式聚集在一起的原子所组成。原子有多种类型，每一种类型称为一个元素，某些宝石可以由一种元素组成，如金刚石，其化学分子式为C。但大多数宝石矿物是由多种不同的元素组成，如翡翠由钠、铝、硅和氧等元素组成，其化学分子式为NaAl(SiO3)2。
至今为止，人类已发现元素108种，其中天然元素92种。每种元素具有固定的原子序数，在元素周期表中分别占有固定的位置。同种元素的原子具有的中子数可以不同，因而具有不同的原子量。具有不同原子量的同种元素的变种称为同位素（isotope）。在已知元素中除21种外，其余元素都是两种或两种以上同位素的混合物。同种元素的同位素的物理性质与化学性质本质上相同。
在自然元素中，组成宝石的元素常见的有30多种（见表4-1-1），而且，大多数宝石以
表1-4-1 组成宝石的常见元素
原子序数
名称
符号
原子序数
名称
符号
原子序数
名称
符号
1
3
4
5
6
7
8
9
氢
锂
铍
硼
碳
氮
氧
氟
H
Li
Be
B
C
N
O
F
11
12
14
15
16
17
19
20
钠
镁
硅
磷
硫
氯
钾
钙
Na
Mg
Si
P
S
Cl
K
Ca
22
24
25
26
29
30
38
40
钛
铬
锰
铁
铜
锌
锶
锆
Ti
Cr
Mn
Fe
Cu
Zn
Sr
Zr
O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg八种元素作为其主要成分，其它元素作为微量成分。微量成分的含量虽然少，但宝石学意义却极大，绝大多数宝石的颜色成因与微量元素有关。
4.2 晶体化学
宝石矿物主要是结晶物质，其中原子、离子或分子都有规律的排列，形成各种类型的晶体结构，由此决定着宝石的化学性质和物理性质。
4.2.1 化学键和晶体类型
原子相互作用形成化合物，靠的是原子间相互产生的作用力，这种作用力称为“化学键”。一般说来，化学键按性质可分为离子键、共价键、金属价和分子键四种类型。相应有离子晶体、原子晶体、金属晶体和分子晶体。
1、离子键和离子晶体
在这种化学键中，电子重新配置的方式是由一个元素的原子给出一个或几个电子，而另一个元素的原子接受一个或几个电子而形成的化学键。金属元素易于失去电子，形成惰性气体型离子，而非金属元素易于结合电子，形成稳定的惰性气体型离子。以氧化钠为例，钠给出一个电子，氯则接受一个电子，从而双方在其外层获得稳定的惰性气体型离子（图1-4-2）。这种化学键实质上是阴阳离子间的静电引力，所以离子键发生于金属元素与非金属元素之间。
图1-4-2 氧化钠的形成示意图
由正负离子靠离子键相结合而形成的晶体称为离子晶体。离子晶体的物理性质与离子键的特性密切相关。由于电子皆属于一定的离子，质点间电子密度小，对光的吸收较少，而使光易于通过。因此，离子晶体在光学性质上常表现为折射率及反射率较低，透明或半透明，玻璃光泽等。由于不存在自由电子，故一般为不良导体，但熔化后可以导电；由于离子键的键力一般说来比较强，所以晶体的膨胀系数较小，但因为离子键的强度与电价的乘积成正比，与半径之和成反比，因此，晶体的机械稳定性、硬度和熔点等均有很大的变化范围。
在常见的硅酸盐、氧化物及卤化物等矿物的晶体中，离子键常起着主导作用，如刚玉、萤石等。
2、共价键（原子键）和原子晶体
共价键是靠共用电子对而形成的化学键。当形成化合物元素的原子间性质差别不大甚致相同时，它们难以靠失去或得到电子方式来形成惰性气体型离子。而是各自提供一个或数个电子共用以达到目的。例如氢和氧结合形成水时，就是靠两个氢各提供一个电子，一个氧提供两个电子共用来形成稳定的惰性气体型结构。
由共价键（或原子键）形成的晶体称为原子晶体。一般说来，共价键是相当坚强的，所以晶体有较大的硬度和较高的熔点；不导电（与离子晶体不同的是熔体也不导电）；透明至半透明；玻璃-金刚光泽。与键的强度有关的物理性质的差异取决于原子的化合价及半径的大小。在宝石中，金刚石是典型的原子晶体。
3、金属键和金属晶体
由于金属元素的原子核对外层电子的联系是比较松弛的，因此，金属中不断有部分金属原子失去外层电子形成正离子，而金属原子和正离子之间又随时进行着电子交换，即金属元素的原子变成正离子和金属正离子变成金属原子。在金属晶体中，价电子不断在原子和离子间进行交换，使电子能在金属晶体中自由移动，这些电子称为自由电子。高速运动的自由电子把金属内部的金属原子和金属正离子结合在一起，这种化学键叫金属键。
由金属键形成的晶体称为金属晶体。由于金属晶体中存在自由电子，因而金属晶体具有良好的导热性、导电性、延展性；不透明；高反射率；金属光泽；硬度一般较小。黄金、白银和铂金等是金属晶体的典型代表。
4、分子键和分子晶体
分子键是由分子间的作用力（包括取向力、诱导力、色散力等）所形成的化学键。由分子键形成的晶体被称为分子晶体。
由于分子键的结合力相当弱，因而分子晶体的沸点、熔点均较低，一般在常温下以气体形式存在，只有在负几十至几百度的温度下，才能成为晶体，氧气、氮气、氢气等都是分子晶体的典型代表。分子晶体在宝石学中无实际意义。
值得指出的是：上面讨论的是典型或极端类型。实际上，在自然界的化合物常是由多种化学键结合而成的复合体。例如在硅酸盐类宝石中，化合物的硅氧络阴离子内部以共价键联结，而硅氧络阴离子与外部阳离子间则以离子键相结合。同时，在键性上亦存在着过渡的情况，有些宝石化合物的离子键带有一程度的共价键成分，而另一些化合物则在共价键中带有部分离子键成分。
4.2.2 配位数和配位多面体
晶体结构中一种原子或离子常为一定数量的异号离子所包绕，原子或离子周围紧邻的原子或异号离子数称为该原子或离子的“配位数”。以一个原子或离子为中心，将其周围与之成配位关系的原子或离子的中心联结起来所获得的多面体称为配位多面体。配位多面体有多种形式，晶体结构常可看做是由配位多面体相互联结而成的一种体系。
离子的配位数首先取决于阳离子与阴离子半径的比率，只有当阳、阴离子的半径比率适中，并使阴阳离子完全紧密接触时，晶体才是稳定的，太大或太小都使晶体不稳定，并将使其配位数发生变化。为了使阴阳离子完全接触，阴阳离子的半径比值必须满足配位数及相应的阴阳离子半径的条件（见表1-4-2）。
表1-4-2 阳离子配位数与阳、阴离子半径R+/R-比值的关系
阳、阴离子半径R+/R-比值
配位数
配位离子的排列方式及形状
0.000-0.155
0.155-0.225
0.225-0.414
0.414-0.732
0.732-1.000
1.000
2
3
4
6
8
12
哑铃状
等边三角形
四面体
八面体
立方体
立方八面体
上述配位数的介绍是纯几何的。在实际晶体结构中，情况要复杂得多，离子的极化将导致离子的变形和离子间距的缩短，从而可使配位数降低。具有共价键的晶体，配位数和配位离子排列方式取决于共价键的方向性和饱和性，就同一种元素的离子来说，在不同外界条件（温度、压力、介质条件下）生长的晶体也可能具有不同的配位数。
4.2.3 离子极化
电子云不是刚性的，当原子或离子处于电场中时，在电场的作用下，电子云就会发生变形。使正负电荷的重心发生相对位移，从而产生偶极。其结果使离子的形状和大小发生改变，原子或离子在外电场的作用下改变其形状与大小，称为原子或离子的极化。
在晶体结构中，一方面离子受到周围离子形成的外电场作用而被极化，另一方面离子本身的电场作用于周围的离子而使后者极化，即离子本身具有“极化力”。
不同的离子由于它们的电子构型、半径大小和电荷的多少不同，从而具有不同极化性质。一般说来，阳离子半径小，电荷集中，外层电子与核的联系较牢固，因此不易被极化。相反，却表现出较强的使其它离子极化的极化力，电荷越多，半径越小，极化力就越强。而半径较大的阴离子则表现为被极化。离子极化引起离子的变形和电子云的穿插，从而使离子键向共价键过渡，同时，由于离子极化使离子间距缩短，使配位数降低。
4.3 过渡元素的晶体场理论
过渡元素，特别是第一系列即第六周期的过渡元素Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu等，在宝石学中占有显著位置，宝石瑰丽的颜色主要归功于它们与可见光之间的相互作用，这与其特殊的原子结构和特殊的晶体化学性质有关。但过渡元素具有特殊的性质，这些特殊性用一般的晶体化学理论是难以解释的。而只能用晶体场理论来进行解释，简单介绍如下。
4.3.1 过渡元素原子电子壳层中亚层电子轨道的形状
在过渡元素的原子电子壳层中，亚层电子轨道的形状如图4-4-3。s轨道呈球形对称；轨
图4－3 原子电子壳的s轨道、p轨道和d轨道的形状示意图
道有三个，每一个p轨道都呈哑铃状，分别沿直角座标X、Y、Z轴延伸，并分别标记为px、py、pz；d轨道有五个，每一个d轨道都有相互垂直的四瓣（dz2轨道除外）。根据五个轨道不同的空间排布。可将其分为两组，一组为dε轨道，包括三个轨道dxy、dyz、dxz，沿斜交座标轴方向伸展；另一组dγ轨道，包括dx2-y2和dz2，沿三个直角座标延展。
4.3.2 过渡元素电子层结构的特征
过渡元素原子的电子层结构的特征是d（或f）亚层只部分地为电子所充填，例如在宝石学中起重要作用的第一系列过渡元素的电子排布的一般形式为：
1s22s22p63s23p63d10-n4s1-2
闭合电子壳层的电子排布为：1s22s22p63s23p6，相当于惰性气体（氩）的结构。去4s电子或某些3d电子便形成过渡元素的离子和不同的氧化态，表1-4-6列出第一系列过渡元素的电子排布。
表1-4-6 第一系列过渡元素的电子排布
原子序数
元素
电 子 层 结 构
原子
二价离子
三价离子
四价离子
21
Sc
（Ar）3d14s2
（Ar）3d1
（Ar）
——1
22
Ti
（Ar）3d24s2
（Ar）3d2
（Ar）3d1
（Ar）
23
V
（Ar）3d34s2
（Ar）3d3
（Ar）3d2
（Ar）3d1
24
Cr
（Ar）3d54s1
（Ar）3d4
（Ar）3d3
（Ar）3d2
25
Mn
（Ar）3d54s2
（Ar）3d5
（Ar）3d4
（Ar）3d3
26
Fe
（Ar）3d64s2
（Ar）3d6
（Ar）3d5
——
27
Co
（Ar）3d74s2
（Ar）3d7
（Ar）3d6
——
28
Ni
（Ar）3d84s2
（Ar）3d8
（Ar）3d7
（Ar）3d6
29
Cu
（Ar）3d104s1
（Ar）3d9
（Ar）3d8
——
在一个孤立的过渡金属离子中，五个d轨道的能量相同（五重间并），电子处于任一个轨道的几率相等，但依洪特规则分配，即电子占据尽可能多的轨道，且其自旋方向相同。
4.3.3 晶体场分裂及晶体场稳定能
在晶体结构中，阳离子周围的配位体以及与阳离子成配位关系的阴离子或负极朝中心的偶极分子，所形成的一个静电场称为晶体场。
当过渡元素进入晶体场时，将受静电场的影响，五个能量相同（五重简并）的d轨道围绕能级重心就将发生分裂，其分裂的方式和程度，将取决于配位体的种类和配位多面体的形状。
1、正八面体配位中的晶体场分裂
正八面体配位中的晶体场和过渡金属离子d轨道的方位（如图1-4-6）。
图1-4-6 八面体配位中配位体和过渡金属元素的离子轨道方位
a、配位体相对于直角坐标轴的方位；b、在八面体晶体场中过渡金属离子的x-y平面；
阴影椭圆为dxy轨道；空椭圆为dx2-y2轨道；黑圆点是配位体
在正八面体中，过渡金属的五个ｄ轨道都受到配位体负电荷的排斥，但属于dγ组的两个轨道dx2-y2、dz2的轨道瓣是指向配位体的，而属于dε组的三个轨道dxy、dyz、dxz轨道是指向配位体之间的。所以，前者的电子被斥的程度要大于后者，因此相对于dε轨道而言，dγ轨道的能量增加了，dγ与dε轨道的能量间距称为晶体场分裂，分裂参数以△0表示（见图1-4-7）。能级分裂遵循重心规则,即如果以未分裂时d轨道的能量为0，则4E（dγ）+ 6E（dε）=0，所以E（dγ）=-3/5△0，E（dε）=2/5△0，即dγ轨道中每一个电子使过渡金属离子
图1-4-7 八面体配位中过渡金属离子d轨道的相对能量
（据R.G.伯恩斯坦，1977）
的稳定性降低了3/5△0，而相反dε轨道中每一个电子使过渡金属离子的稳定性增大了2/5△0，盈负相低，所得的净稳定能称“晶体场稳定能”，以CFSE（Crystal Field Stalbilization Energy）表示。
在一个过渡金属离子中，d电子由两种相反的趋势所控制。第一，根据洪德规则，电子要占据尽可能多的轨道；第二，晶体场分裂效应使电子倾向于占据最低的轨道，这两种可能导致过渡金属离子在弱晶体场和强晶体场中分别具有高自旋和低自旋状态两种电子构型。具有一、二、三和八、九、十个d电子的过渡金属离子只可能有一种电子层构型，而具有四、五、六、和七个d电子的离子，其电子层构型则可能有高、低两种状态。d3、d8、d6构型的离子（Cr、Ni和Co）在八面体配位中获得较大的晶体场稳定能，它们将强烈地倾向选择八面体配位。
2、四面体配位中晶体场分裂
四面体配位（见图1-4-8）所示，可以把配位体看成是位于相间立方体的顶点上，这种配位体没有对称中心。
在四面体配位中dε组轨道的电子被排斥的程度大于dγ组轨道的电子，因使其能级分裂的情况与八面体正好相反，且分裂的能量间距也比八面体小。四面体晶体场参数用△t表示（△t=4/9△0），dγ轨道的每一电子使它的稳定性增加了3/5△t，而dε轨道的每一个电子使它的稳定性降低2/5△t。具有d3和d7构型的离子（分别如V和Co）在四面体配位中获得较高的稳定能。
图1-4-8 四面体配位中配位体分布示意图
3、立方体配位中的晶体场分裂
在立方体配位中，配位体位于立方体的八个顶角上，dγ与dε轨道分裂的情况与八面体相同，但其分裂的参数△c（△c =8/9△0）较四面体分裂参数大。
上述八面体、四面体和立方体皆为等轴晶系高对称的晶体场。但在实际晶体结构中，过渡金属离子常处于畸变了的非等轴的配位多面体中。同一配位位置中，金属——氧间距可能并不相等，有时，配位体还可能不相同或不等价，如在硅酸盐中阳离子配位体除氧外，还有OH-、F-、Cl-等离子，而且在一个配位位置中，还可能有不同性质的氧配位体，如O2-、OH-、Si—O-、Si－O－Si、H2O等。
处在低对称配位位置中的过渡金属离子其d轨道能级会进一步发生分裂，形成更多的不同轨道，因而必须考虑一个以上的能量间距。
过渡元素由于在各种配位场中，其d将发生分裂形成不同能量的轨道，而第一系列的过渡金属离子，它们发生分裂后的能量差与光谱中的可见光或近可见光区域电磁波谱线的能量相同，当这些电磁谱线入射到含有这些元素的宝石矿物晶体时，晶格中具有一定能量差的价电子能被具有其能量差相同能量的光波所激发而跃迁到具有较高能级的轨道，而该波长光波的能量则被转移到电子而被吸收。其它未被吸收的光则穿过宝石晶体或从宝石表面反射回来，它们混合或互补而产生颜色。由于过渡金属元素所处的配位体场不同，周围的配位体不同等，因此，同一过渡金属离子在不同的宝石中显示不同的致色特征，如Cr在红宝石中使宝石呈红色，在祖母绿中使宝石呈绿色，在变石中可使宝石呈红色和绿色（变色效应）。
4.4 化合价和化合物
4.4.1 基本概念及基本特征
原子核外的层状结构称为电子层，其中分布的电子为价电子。元素中有一组气体称为“惰性气体”，它们是氩、氖、氦、氙和氡，这些元素的原子比较稳定，一般不与别的元素发生化学反应，而总以元素的形式存在，从这些元素原子的电子排列来看，氦为2个，其余为8个。对大多数元素的原子来讲，它们的核外最外层电子数既不为2，也不为8，为了在其外层电子层形成2个或8个的稳定排列，一些元素将失去多余的电子，而另一些原子将得到电子，并相互结合形成化合物。那些既不易失去又不易得到电子的元素将靠各自提供的电子共用以达到形成这种稳定电子层的目的，这种被给出、得到或共用电子对数目称为元素的化合价，失去者为正价，得到者为负价。
例如刚玉类宝石，它们的化学成分为Al2O3，铝的外电子层有3个电子，而氧有6个，2个铝原子每个给出3个电子，这6个电子为3个氧原子各提供了2个电子。利用这种方法，铝原子保留了8个电子的第二层，而氧原子则组成具有8个电子的外电子层，二者都形成了稳定排列。有能力给出3个价电子的铝被认为具有3个化合价或者说是正3价的，而氧因能接受2个电子而具有2个化合价或者说是负2价的。萤石的情况是钙提供2个电子，而2个氟各提供1个电子来补偿外电子层，因而钙是正2价，氟是负1价。
然而，一些元素具有一种以上的价态，例如铁有正二价和正三价之分，为正2价时,与氧结合形成氧化亚铁，为正三价时，形成三氧化二铁，即赤铁矿。在这些元素中，组成内层的电子也同样能参加到化学反应中以形成化合物。
但总的来说，化合价就是为形成2个或8个电子的稳定核外电子层结构而被给出、接受及共用的电子的数目。
元素可通过化合作用以简单的比例相结合形成新的物质。这些新的物质具有与母体元素完全不同的物理和化学性质，以铝为例，这种金属密度为2.7g/cm3，呈银白色，硬度不大，但它与氧结合形成刚玉后，其摩氏硬度为9，密度为3.99 g/cm3，并因含少量其它元素而呈多种不同的颜色。
化合物，简言之就是两个或两个以上元素按一定比例通过化学作用形成的结合物，它具有能用化学分子式表示的固定组分，如绿柱石，主要是由Be、Al、Si、O元素结合形成的化合物，其固定组分可表示为：Be3Al3(SiO3)6。
研究化合物时，要注意与混合物的区别。化合物通过化学作用形成，同时也只能通过化学作用来分离；而混合物是通过物理过程混合而形成，同样可通过物理过程来分离。最简单的实例是盐和铁屑的混合物可通过二种简单的物理作用来将它们分开：①利用磁铁可吸起铁屑而留下盐；②用水可溶解盐而留下铁屑。
宝石学中，由混合物构成的宝石是很多的，许多玉石就是由各种矿物混合胶结而成的混合物，这也是区分宝石和玉石最重要的特征之一。
4.4.2 宝石中常见的化合物
1、硫化物及其类似化合物
为一系列金属元素与S、Se、As等元素相结合而形成的化合物，代表的宝石有：白铁矿FeS2、黄铁矿FeS2和辰砂HgS等。
2、氧化物类
由一系列金属和非金属元素与氧结合而形成的化合物。代表宝石有刚玉Al2O3、赤铁矿Fe2O3、欧泊SiO2?nH2O、水晶SiO2、金红石TiO2、锡石SnO2等。属于复杂氧化物的宝石有尖晶石（Mg,Fe）Al2O3和金绿宝石BeAl2O4。
3、卤化物类
由金属元素与卤族元素相结合而形成的化合物。代表的宝石有萤石CaF2。
4、碳酸盐类
由金属元素与碳酸根离子相结合而形成的化合物。代表的宝石有孔雀石CuCO3Cu(OH)2、汉白玉CaCO3、珍珠CaCO3、珊瑚CaCO3等。
5、磷酸盐类
由金属元素与磷酸根结合形成的化合物。代表宝石有绿松石CuAl6(PO4)4(OH)8?5H2O、天河石(Fe,Mg)Al2(OH)2(PO4)等。
6、硅酸盐类
是由一系列金属元素与硅酸根结合形成的化合物，代表宝石有：锆石ZrSiO4、橄榄石（Mg,Fe）2SiO4、石榴子石L3M2(SiO4)3（在铝榴石系列中，L可能是Mg、Fe、Mn，M永远是Al；在钙榴石系列中，L永远是Ca，M可以是Cr、Al和Fe）、托帕石Al2SiO4F2、榍石CaTi(SiO4)O、十字石Fe2Al9(SiO4)O6(O,OH)、绿柱石Be3Al2(SiO3)6、堇青石Al3(Mg,Fe)2(AlSi5O18)、电气石Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6(SiO3)6(BO3)3(OH,F)4、硬玉NaAl(SiO3)2、软玉CaMg5(OH)2(Si4O11)2、月光石(K,Na)AlSi3O8，等。
4.5 类质同象、同质多象及其对宝石的影响
4.5.1 类质同象
类质同象是宝石矿物化合物中的一种或多种元素被另一种或多种元素部分或全部置换，晶体结构或晶形没有发生明显变化，而晶体的物理性质可能有很大变化的现象。形成类质同象的条件，一方面取决于宝石矿物化合物中元素的性质，如原子或离子的半径大小、化合价、离子类型、化学键性等；另一方面也决取于外部条件，如温度、压力和介质条件等。
类质同象对宝石有着非常重要的影响，在很大程度上控制着宝石颜色的成因，在一定程度上决定着宝石的物理性质，并在一些情况下决定着某些宝石的宝石种。
1、宝石的颜色
类质同象对于宝石矿物颜色的成因具有非常重要的意义，因为大部分宝石矿物的颜色成因都归结于组成宝石的化合物中混合了少量的类质同象杂质。典型的例子有：刚玉类宝石，它的化学分子式为：Al2O3，当其中少量Al被微量杂质Cr类质同象置换后，呈红色至玫瑰红色，称红宝石；当少量Al被微量杂质Fe或Ti类质同象置换后，呈蓝色，称蓝宝石。又如翡翠，主要是硬玉矿物的集合体，硬玉的化学成分为：NaAl(SiO3)2，当不含杂质元素时，为白色，但当其中少量Al被微量杂质Cr类质同象置换后，翡翠呈绿色；当少量Al被微量杂质Fe类质同象置换后，呈翡翠可显暗绿色、紫色等。
2、宝石的折射率、密度和硬度
类质同象不但使宝石矿物的化学成分发生一定程度的改变，而且也在一定程度上影响宝石矿物的折射率、密度、硬度等物理性质。例如石榴子石，其化学组成通式为L3 M2 (SiO4 )3。其中在铝榴石系列中，L可以是Mg、Fe和Mn，即三者可以发生类质同象置换，形成不同的宝石种；在铬钙铁榴石系列中，M可以是Cr、Al和Fe，即三者可以发生类质同象置换，形成不同的宝石种。不同宝石种间折射率、密度和硬度均存在一定差别（见表3-8-2）。
3、宝石种
许多宝石的宝石种实际上是由类质同象决定的，典型的例子有：石榴子石族宝石、长石族宝石、刚玉族宝石、绿柱石族宝石等，其宝石划分本质上均主要是类质同象规律决定的。
4.5.2 同质多象
相同的成分，在不同的物理化学环境中，能形成结构不同的几种晶体，这种现象称为同质多象。成分相同而结构不同的几种晶体，称为该成分的同质多象变体。例如金刚石和石墨就是碳（C）的两个同质多象变体，两个同质多象变体具有完全不同的物理化学特征（见表1-4-7）。
表1-4-7 金刚石和石墨同质多象变体的特征比较
主要特征
金刚石
石墨
晶系
等轴晶系
六方晶系
形态
八面体、立方体等
六方片状
颜色
无色或浅色
墨色
透明度
透明
不透明
光泽
金刚光泽
金属光泽
解理
完全的八面体解
完全的底面解石
硬度
10
1
密度g/cm3
3.52
2.09－2.23
导电性
半导体
良导体
宝石中的同质多象变体还有：成分同为SiO2的α石英、β石英和γ石英；成分同为Al2SiO6的红柱石、夕线石和蓝晶石等。
第5章 宝石的物理性质
5.1 光学性质
5.1.1 概述
宝石矿物的光学性质在宝石鉴定、评价以及设计加工中均具有极其重要的意义。首先，宝石的颜色、光泽以及所具有的一些特殊的光学效应都是光与宝石相关作用的结果，因此，光与宝石间相互作用产生的效应是评价宝石价值高低最重要的依据；第二，对宝石（特别是成品）的鉴定，一般要求无损伤鉴定，所依据的主要是宝石的光学性质，如折射率、双折射率等，因此，光学性质对宝石鉴定至关重要；第三，为了最大限度地体现宝石的美，必须将宝石所能产生的最吸引人的效果显示出来，为此，加工中必须充分了解宝石的光学性质。因此，光学性质对于宝石的重要性体现在评价、鉴定与加工等方面（见图1-5-1）。
相互作用
图1-5-1 光与宝石的关系示意图
5.1.2 光的本质
光的本质很早就引起人们的注意。但直到近代，人们才认识到光是一种电磁波，它既具有波动性又有粒动性。波动性说明光是按波的形式以30万km/s的速度在真空中传播；电磁波的振动方向垂直于传播方向，即光波是横波，并可用波长、波幅来表示（见图1-5-2）。其
图1-5-2 光的波动特性示意图
中波长表示电磁波的能量大小，波幅表示电磁波的强度。
整个电磁波是一个广阔的领域，它包括了波长极长的无线电波（波长1000-2000m之间），到极短的宇宙射线（波长小于10-4nm）。电磁波从无线电波到红外线、可见光、紫外线、X-射线、r射线，最后到宇宙射线，依次按波长顺序排列，组成一个完整的电磁波谱。由电磁波谱可知，可见光只是整个电磁波谱中极窄的小段，其波长约为780nm-380nm。这小段电磁波能引起人的视觉反映，即能为人眼所看见，故称可见光。不同波长的可见光可呈现不同颜色。当波长由大到小，相应的颜色由红（780-630nm）、橙（630-590nm）、黄（590-550nm）、绿（550-490nm）、蓝（490-440nm）、紫（440-380nm）。
普朗克和爱因斯坦经研究证明，光不但具有波动性，而且具有粒动性。光能是光源发出的一系列不连续的粒子流，这种粒子叫做光子或光量子。每个光子的能量与光的频率成正比，与光的波长成反比。即波长越小，光的能量就越大。因此，无线电波的能量最小，而宇宙射线的能量最大。
原子核外电子由正常状态（基态）转变到激发状态的过程，就是原子吸收外来能量的过程，这时电子将由离核较近的轨道跳到离核较远的轨道上。由于处在每一个轨道上的电子均具有一定的能量，因此，原子不能吸收任意大小的能量，也不是任意大小的外来能量都能把电子激发，只有当原子吸收的能量加上电子原有的能量，等于电子在某一轨道所具有的能量时，才能使电子激发，跳到那个轨道上去。电子在受激发后经过了某一段极短的时间，就要恢复到正常状态，因而放出多余的能量，即放出具有一定能量的光子，以电磁波的形式辐射出来，这便是原子放射能量的过程。
5.1.3 宝石对光的影响方式
1、自然光和偏振光
根据光振动的特点不同，可将光分成自然光和偏振光。自然光是一切普通光源所发出的光波，如太阳光和电灯光等，它们是光源中大量分子或原子辐射的电磁波的混合波。由于光源中各个分子或原子的运动状态各不相同，发光的状况也不同，可以说是瞬间万变，异常复杂。因此，混合波中的光振动就不可能只沿一个方向，而是在垂直光传播方向的平面内的一切方向都有光振动（如图1-5-3）。
图1-5-3 表示光振动方向的波形图
自然光经宝石（特别是各向异性宝石）反射、折射、双折射或选择吸收等作用后，可转变成只在一个固定方向内振动的光波，这种光称为偏振光或偏光（如图1-5-4）。
偏振光是在单一平面内并只在与传播方向垂直的一个方向上振动的光。偏振光在宝石学中是极为重要的，以此为基础而设计的偏光仪成了宝石鉴定中最常用的鉴定仪器之一。
图1-5-4 利用滤光片产生的平面偏振光
2、反射及反射效应
光的反射是指落到宝石表面的一部分光由表面折回的现象。光的反射受反射定律支配，表达为：①光线的反射角等于它的入射角；②入射线、反射线及法线在同一平面内（图1-5-5）。
图1-5-5 光在抛光面上的反射和反射定律
光从宝石的抛光面上反射可产生下列重要的光学效应：
（1）光泽：是一种表面光辉，在很大程度上取决于宝石的折射率，也取决于宝石的抛光程度，宝石中常见的光泽类型有：
金刚光泽：是金刚石所显示的光泽类型；
亚金刚光泽：具较高折射率宝石（稍比金刚石低，如锆石等）所显示的光泽类型；
玻璃光泽：具中等折射率宝石，如祖母绿、红宝石及大多数透明的宝石所显示的光泽类型；
树脂光泽：质软且折射率低的宝石（如琥珀）所显示的光泽类型；
丝绢光泽：某些具纤维状结构的宝石（如石膏、孔雀石等）所示的光泽类型；
金属光泽：某些金属单质（如金等）及矿物（如抛光的赤铁矿）所显示的非常强的光泽类型。
除上述光泽类型外，宝石中还可见一些特殊变异的光泽类型：如油脂光泽（如羊脂玉）、珍珠光泽（如珍珠）、土状光泽（如劣质绿松石）等。
宝石的光泽也称反射率，可通过反射仪来测定。
（2）光彩：是由宝石内部包裹体或结构反射出的光所产生的一种漫反射效应。光彩可以看作是由宝石表面以下的颗粒或结构对光的反射所致。下面列举光彩效应的一些典型实例。
月长石中所见的光彩（闪光）是光从由正长石与钠长石的互层中反射的结果。当这样的互层是超薄的，看到的是淡蓝色的光彩，这是月长石最佳的光彩。当互层较厚时，看到的则是银白色，这是普通月长石所显示的光彩。
天然玻璃（黑曜岩）的某些品种含有显微针状体或因气泡逸出而形成的微洞穴，光可被它们反射而形成银白色光彩。
天然的和人工养殖的珍珠均由半透明的晶质层组成，光从这些晶质层反射并形成一种光彩。这种细的结构有时能引起干涉色（晕彩），这种效应通常称为珍珠光彩。但这并不是严格的光彩效应。
（3）猫眼效应：是在某些弧面型宝石的表面出现的从这一头到另一头的明显光带效应。形成猫眼效应必须具备下列条件。
①宝石中含有极其丰富的呈一个方向定向排列的包裹体；
②切磨宝石的底面平行于包裹体组成的平面；
③宝石必须切磨成弧面型，其长轴方向垂直于包裹体延伸的方向（如图1-5-6）。
图1-5-6 猫眼效应及产生原因示意图
金绿宝石中的一个品种可提供典型的猫眼效应，这种宝石通常被称为“猫眼石”。除此之外，能提供猫眼效应的宝石还有许多，如石英、电气石、绿柱石、磷灰石等，但无论是宝石学中、还是商业上，都不能将这些宝石称为猫眼石。正确的称谓是：“宝石名称+猫眼”，如“石英猫眼”、“电气石猫眼”等。
（4）星光效应：是在切磨成弧面型的某些宝石中见到的通常为四射或六射（偶尔十二射）的星状闪光效应。形成星光效应必须具备下列条件。
①包裹体必须含有极丰富的致少呈二个方向定向排列的包裹体；
②切磨宝石的底面平行于包裹体排列方向所组成的平面；
③宝石必须切磨成弧面型（见示意图1-5-7）。
图1-5-7 星光效应及产生原因示意图
由D1产生的光带；由D2产生的光带；由D3产生的光带
能显示星光效应的宝石很多，如红宝石、蓝宝石、铁铝榴石、尖晶石、绿柱石、水晶和辉石等。当星光是由宝石内部包裹体反射所致时，这种星光叫表星光（epi-asterism）。若星光是由透过宝石并照亮包裹体所致时，这种星光效叫透星光（di-asterism）。许多宝石，如刚玉类宝石，具有定向排列的包裹体，但其数量不足以显示星光，当这些宝石被切磨成刻面琢型时，偶尔可见到从所含包裹体反射出的光，这种光称为丝光。
（5）亮度：是光从宝石亭部小面反射而导致的明亮程度。亮度取决于宝石的透明度，也取决于琢型宝石正确的比例（图1-5-8）。
图1-5-8 琢型比例对宝石亮度的影响
（6）晕彩（变彩）：是指当光从薄膜或从贵蛋白石所特有的结构反射时，由于光的干涉或衍射作用而产生的颜色或一系列颜色。光的干涉原理（见图1-5-9）。
图1-5-9 光的干涉
AB=入射光；BC=光射光
ABC+ABDEF 若相差为波长的整数倍，即同相位时，则出现增强
ABC+ABDEF 若相差为半波长的奇数倍，即异相位时，则出现干涉
当入射光照射到具薄膜状的物质时，一部分光将从薄膜的表面直接被反射，即BC，另一些光通过薄膜折射后再反射，即BDEF。当两条光线在同一方向上传播并相遇，若其波峰与波峰重合时，它们相互增强，因而光的强度增大。相反，若是波峰与波谷相遇，则彼此间相抵消，光完全消失。由于可见光由不同波长的单色光组成，这样，必会发生其中一部光被增强，一部分光被干涉抵消。因此，被增强的残余光便产生颜色或一系列颜色。
引起晕彩的另一途径便是衍射。该现象的确切起因不易解释，但已知当光波通过折射率不同的物质之间或透明与不透明物质之间的边界时，便产生了色散。当光线通过微小裂隙（相当于光栅）或非常小的空洞时，也可产生相类似的效应。组成欧泊的二氧化硅球体彼此间的空隙，提供了这种微小的空洞，产生了通常与欧泊伴生的晕彩。
5.1.4 光的折射及双折射
1、折射
指光穿过两个不同光密度的介质时（入射线与分界呈90度除外），其传播方向发生变化的现象（图1-5-10）。光的折射是荷兰科学家斯涅耳发现的，他还阐述了折射定律。内容是：
图1-5-10 当一条光线进入和离开介质时所发生的折射现象
①对给定的任何两种相接触的介质及给定波长的光来说，入射角的正弦与折射角的正弦之比为一常数，sinｉ/sin r=n。ｉ为入射角，r为折射角，对于给定的任何两种介质来说，n为一常数，称第二介质（折射介质）对第一介质（入射介质）的相对折射率。如果入射介质为真空，n称为折射介质的绝对折射率，简称折射率。
②入射线、折射线以及法线均位于同一平面内。
当光从光疏介质进入光密介质时，光线是偏向法线而折射的；当光线从光密介质进入光疏介质时，光线是偏离法线而折射的，这时所产生的折射角总比入射角要大。当光从光密介质进入光疏介质，并当入射角增大到足以使折射线沿两介质之间的分界面通过，即折射角等于90度时，这个角称为临界角（图1-5-11）。
图1-5-11 当光从光密介质进入光疏介质时由折射转为全内反射的现象
以临界角为基准，所有以小于临界角的角度与分界面相遇的入射光，将离开光密度较大的物质而进入光疏介质中；所有大于临界角的入射光与分界面相遇时，将发生全内反射（遵循反射定律）并留在光密度较大的物质中。
若光密介质的折射率为N，光疏介质的折射率为n，Φ为临界角，则
sinΦ/sin90=n/N
n = N×sinΦ
由此可见，如果当光密介质的折射率N为已知时，则光疏介质（宝石）的折射率n可由全内反射的临界角计算出来，这便是设计和制作宝石折射率仪所依据的基本原理。
属于各向异性的宝石具有使入射光分解成两条单独的光线的原子结构，当光进入这些宝石时，原子结构就使入射线分解成在相互垂直的平面上振动的两束独立光线，这叫双折射（图1-5-12）。
图1-5-12 入射光线通双折射宝石分解成两条相互垂直的平面偏振光示意图
在被分解而成的两束平面偏振光中，折射最小的是传播速度较快的光线，也就是折射率较低的光线；折射率较大的是传播速度较慢的光线，也就是折射率较高的光线。例如，石英有两个折射率，经测定分别为1.544和1.553，分别表示折射较小和折射较大的光线。
双折射一般用双折射率来表示，其数值等于最大区别的折射率之间的差值，例如，石英最大区别的折射率分别为1.544和1.553，因此，其双折射率等于1.553-1.544=0.009。
5.1.5 颜色
颜色是宝石“美”的重要体现，是宝石鉴定的重要单项指标，是决定宝石品级、确定宝石价值的重要因素。因此，宝石颜色成因的研究一直是宝石学的重要课题。
1、颜色的本质和形成条件
从光学的角度上讲，颜色不是物质固有的特征，它只是光作用于人的眼睛而在人的头脑中产生的一种感觉。形成颜色必须具备下列三个缺一不可的条件：
（1）白光源：白光源的类型主要有两类，一类是自然光，主要来自太阳；另一类是人造光，来自于白炽灯等。尽管各种光源的强度有所差别，但白光源都是由七种不同颜色的单色光所组成的混合光。这七种颜色的单色光相应的波长范围可参考电磁波谱。牛顿将一束普通日光通过一个玻璃棱镜，于是便产生了红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫这些颜色的光谱（彩虹）。这种将白光分解成它的若干组成色（若干波长）的现象称为色散。
牛顿还反证了这种效应。他切了一个圆盘，并把7种光谱色按等量涂在圆盘上，当快速旋转这个圆盘时，这时7种颜色重新汇合成白色（图1-5-13）。
图1-5-13 牛顿圆盘
大多数透明宝石（包括各种物质）之所以呈现颜色，是因为来自白光源中的混合光一部分被吸收，一部分透过。我们看到的是透过的那部分残余光的混合色。而不透明宝石（包括各种物质）的颜色则取决于反射出来的那一部分残余光谱，即是白光源中的一部分被吸收，另一部分被反射，反射残余光谱的混合色即是不透明宝石的颜色。
（2）改变光的物质（致色元素）：宝石是怎样影响光的运动状态以至产生颜色的呢? 研究发现其主要原因是宝石中含有某些致色元素，主要是第一序列的过渡元素。它们既可以是宝石的基本组成成分，也可以是微量元素。以此为依据，可以将宝石划分成：
①自色宝石：是由作为宝石化学成分主要部分的元素所致色的宝石，如铁铝榴石；
②他色宝石：纯净时为无色，其颜色是由不构成其化学结构中主要部分的微量元素所致色的宝石，如红宝石。
宝石中所含的过渡元素，无论是作为宝石的主要成分，还是次要成分，它们都是宝石颜色形成的物质基础。其不寻常之处在于电子在轨道层上的分布形式，即其自由离子具相同能量的5个d轨道处于未充满状态。在晶格中，由于d轨道上电子同其周围配位体的电子云相互作用，致使d轨道的能级分裂为具有不同能量的能级轨道。对于第一系列过渡元素的离子，它们的能量差与电磁波谱中可见光或近可见光波谱的能量相同，当白光射入晶格时，晶格中d电子能够被一定波长的光所激发，从基态跃迁到较高能量的轨道（激发态），该波长光的能量被转移给被激发的电子而被吸收，未被吸收的光将继续透射或反射，残余光便混合产生我们所看到的颜色，下面以元素铬为例作进一步说明。
作为微量元素的铬是宝石中最重要的致色元素，它使许多宝石致色，如红宝石、祖母绿、变石等。在这几种宝石中，铬原子取代了某些铝原子（即占据了铝原子的位置）。铬原子有6个未成对电子，其中3个为价电子，它在红宝石、祖母绿、变石的晶体结构中与其它原子形成化学键，其中3个电子能自由地改变能级，从而导致宿主宝石致色。
红宝石：在红宝石的原子结构中，三个未成对的电子能占据多个能级，其中有一些能级要求吸收可见光光谱范围以外的能量，对此我们不作更多的考察。其余的能级如下：
在图1-5-14中，电子可跃迁到能级C和D，从能级A跃迁至能级C所需的能量约为2.25eV，这与黄-绿光相当，即电子吸收黄-绿光。电子从A跃迁到D所需的能量约为3.00ev，这与紫光相当，即电子吸收紫光。无数电子卷入这一过程，一些吸收紫光，一些吸收黄-绿光，故红宝石作为整体，这两种颜色均被吸收，其它未被吸收的残余光组合就形成红宝石的红色。
图1-5-14 红宝石中铬电子的能级
祖母绿：绿柱石的原子结构与刚玉相似，但包围铬离子的力和限制电子运动状态的力都较弱，所以，能级的位置有所变化。能级C下降到2eV左右，因而在红宝石中影响光谱黄-绿部分的吸收作用在此迁移到红区。这样，白光通过祖母绿被吸收后的残余光混合所组成的残余色即为漂亮的翠绿色。
变石：在变石的结构中，作用于铬离子的力的强度介于红宝石和祖母绿之间。因而，能级C也介于二者之间，对红光和绿光的吸收作用如此精确地平衡，以致透过宝石的颜色取决于用来观察宝石的光源。钨丝灯光或烛光中与红光相当的能量多，故宝石显红色。日光和荧光灯中与绿光相当的能量占优势，故宝石显绿色。
元素致色的另一重要机理是它们在晶体结构中间，并在外来能量（光）作用下产生电子转移，即发生电荷转移。造成离子间电荷转移所需要的能量比上述电子跃迁所需的能量大千百倍。在许多化合物中是由高能的紫外线所诱发的，所产生紫外区吸收带可延展到可见光区域，而造成带色的透射光，使矿物呈现颜色。许多过渡元素具有一个以上的价态，如铁有2价和3价，锰有2价和3价，钛的3价和4价等等。在晶体结构中具有这种不同价态的离子是最有利于电荷转移的，因而使宝石呈现不同的颜色。下面以堇青石的成色为例作进一步说明。与堇青石的颜色有关的致色元素铁可能存在一种或二种价态，与氧结合可形成不同价态的化合物，即FeO和Fe2O3。在堇青石中，Fe2+和Fe3+同时存在，并占据不同的晶格位置。在外部能量的作用下，电荷将从Fe2+离子到Fe3+离子又返回作重复的运动（见图1-5-16）。在此过程中，离子本身并未移动，只是电子带着电荷从一个离子运动到另一个离子。电子在两个离子之间不断运动需要吸收能量，所以白光源中的一部光波被吸收，剩余的那部分光波就可使宝石产生颜色。
图1-5-16 堇青石的电荷迁移机制示意图
宝石晶体结构缺陷造成电子转移也是元素致色的一个原因，即色心。在这种机制中，颜色的产生还是电子运动的结果，但这一状态不是晶体学与结构的自然结果，而是与晶体的缺陷有关。在宝石颜色形成过程中，有两种可能的晶体缺陷：
①如果一个电子被捕获到晶格中在正常情况下不存在电子的位置上，该电子具有占据不同能级和吸收光线的能力，其方式与过渡元素的未配对电子相同，这种类型称电子色心；
②如果在一个本该存在电子的位置上缺少一个电子，就留下一个空隙和一个能吸收光的未配对电子，这是第二种缺陷，称空穴色心。
以钻石为例，如果钻石的中C元素被N所取代，就会多出一个电子，于是产生电子色心，使钻石产生黄色调；如果钻石中C元素被B所取代，就会少一个电子，于是产生空穴色心，使钻石产生珍贵的蓝色调。
宝石中常见的致色元素有Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu，此外，还有部分放射性元素和稀土元素，如U和Th等。这些元素致色宝石的例子（如表1-5-1；1-5-2）：
表1-5-1 自色元素及典型宝石（自色宝石）
元 素
典型宝石
所呈现的颜色
铬（Cr）
钙铬榴石
绿色
锰（Mn）
锰铝榴石
菱锰矿
蔷薇辉石
橙色
粉红色-红色
粉红色-红色
铁（Fe）
橄榄石
铁铝榴石
绿色
红色
铜（Cu）
孔雀石
硅孔雀石
绿松石
绿色
淡绿色
天蓝色-绿色
表1-5-2 他色元素及典型宝石（自色宝石）
元 素
典型宝石
所呈现的颜色
钛（Ti）
蓝锥矿
蓝色
钒（V）
绿色绿柱石
坦桑黝帘石
绿色
淡黄色-蓝色
铬（Cr）
红宝石
祖母绿
翡翠
变石
红色尖晶石
翠榴石
玉髓
红色
绿色
绿色
红色或绿色
红色
绿色
绿色
锰（Mn）
红色绿柱石
玫瑰红色
铁（Fe）
蓝色蓝宝石
海蓝宝石
电气石
蓝色尖晶石
软玉
蓝色
蓝色
绿色或褐色
蓝色
绿色
钴（Co）
蓝色尖晶石
玻璃
蓝色
蓝色
镍（Ni）
黄色蓝宝石
绿玉髓
黄色
绿色
由于宝石的颜色是由所含致色元素对光的不同吸收作用所引起，因此，不同宝石具有不同的吸收光谱，这是用分光镜检测吸收光谱以对宝石进行鉴定和评价的理论基础。
除致色元素外，宝石的颜色还可能由下列因素引起：
①色散：色散就是白光分解成它的组成色（波长）的现象，常见的是用玻璃棱镜来分解白光。实践证明，透明物体倾斜面也可产生相同的效果，还有就是白光从微小的狭缝（相当于光栅）通过时也发生分解（衍射），形成组成光波的光谱色。色散是宝石的重要特征之一，通常用与氟朗霍菲光谱B线（红光中的686.7nm）和G线（紫光中的430.8nm）相当的光所测得的折射率的差值表示，如钻石的色散为0.044，锆石的色散为0.039等。
色散（火彩）在某些程度上说，与宝石琢型正确的比例有关，因而一双训练有素的眼睛，通过观察宝石的火彩，便可以在一定程上区别各种宝石的真假，也可以在一定程度上确定宝石加工质量的好坏。
②干涉与衍射：宝石所见的一些颜色（不是它们的体色）或是由干涉作用引起，或是由于衍射作用引起。光发生干涉和衍射需要特殊的条件，因而要求宝石具有特殊的结构，如月长石中由正长石和钠长石相互组成的细薄层状结构和欧泊中规则排列的二氧化硅球体间的细小空隙。所见到的颜色通常称为晕彩或变彩。
（3）接收残余光的人眼和解释它的人脑：正常的人，只要不患色盲以及其它大脑疾病，都能对接收到的有色光作出正确反应，看到正确的颜色。
值得强调的是：属于一轴晶和二轴晶的宝石，由于光进入这些宝石中将被分解成振动方向不同、波长、振幅不同的偏振光，因而在不同方向上，致色元素对光的吸收也会不同，于是产生不同的颜色，这种性质称为多色性，通常一轴晶宝石具有二色性，二轴晶宝石具有三色性，多色性也是宝石鉴定中的重要性质之一。
5.1.6 条痕
宝石的条痕是宝石粉未的颜色，一般是指宝石在白色瓷板上划擦时留下的粉未的颜色，是宝石呈粉未状态时对白光中不同波长光波吸收的结果。宝石的条痕可以与其本来的颜色一致，也可以不一致。条痕在某些情况下有助于鉴定宝石，它的一些实例（见表1-5-3）。
表1-5-3 一些宝石和体色和条痕色
宝 石
体 色
条痕色
赤铁矿
黄铁矿
白铁矿
孔雀石
青金石
方钠石
光亮的金属状黑色
光亮的金属状金色
光亮的银黄色
淡绿-深绿色
艳蓝色
深蓝色
红色
绿黑色
暗灰色
淡绿色
蓝色
白色
5.1.7 透明度
宝石的透明度是指宝石透过可见光的能力，主要与宝石对光吸收的强弱有关。由前面的介绍可知，当光与宝石相遇时，一部分光将被反射而折回，另一部分光将进入宝石中。光波进入宝石后其传播方向和速度都将发生改变，即折射。光进入宝石后，除了向各个方向散射很少一部分光能外，主要将克服前进阻力而转化为热能（吸收），因而，光波穿过宝石越深就衰减越甚。宝石透明度的大小主要决定于矿物的成分和内部结构。例如具金属键的矿物（金和银等），由于其中含有较多的自由电子，对光波的吸收较多，因而透过的光就少，透明度很低，称为不透明。反之，一些具离子键或共价键的矿物（如金刚石、冰洲石等），由于不存在自由电子，它们对可见光吸收较少，因而透过光就多，透明度较高，称为透明。
自然界没有绝对透明或绝对不透明的物质。例如极薄的金箔亦能透能过一部分光，极深的水也可以表现为不透明。在宝石鉴定中，通常将宝石的透明度划分为以下几个级别：
（1）透明：当隔着宝石观察后面的物体时，能清楚地看到物体的轮廓和细节，如水晶、冰洲石、钻石；
（2）半透明：当隔着宝石时观察其后面的物体时，仅能看到物体轮廓的阴影，不能看到细节，如翡翠、玉髓等可视为半透明宝石；
（3）不透明：基本上不允许光线通过，隔着宝石不能看见其后面的物体，如黄铁矿、赤铁矿等可视为不透明宝石。
5.1.8 发光性
发光性是指宝石在外部高能辐射线影响下发射可见光的性质（或现象）。宝石学感兴趣的是荧光和磷光两种类型。
1、荧光
指宝石在高能射线辐照下发射可见光的现象。宝石鉴定中常用的辐射线由可见光、紫外线及X-射线提供。宝石的荧光色与其在白光下的正常颜色可以相同，也可以不同。且在不同的光源下也可有很大变化。以红宝石为例（图1-5-17），它的颜色是由于电子从能级A跃迁
图1-5-17 红宝石荧光的形在机理
到能级C和D时吸收能量而产生的。一般说来，当这些电子迁回能级A时，它们并不直接到达，而是先落到能级B。当发生这种情况时，它们发射的是相当于红外线的能量，所以是不可见的。但当它们从能级B迁回能级A时，发射的能量相当于红光。这种可见光的发射即为红色荧光。
2、磷光
指被辐射的宝石在外部辐射源关闭后，具荧光的宝石仍能继续发光的现象，即余光现象。磷光的成因是：被激发的电子从能量较高的能级向较低能级转化过程中由于受能垒所阻所致（见图1-5-18）。即电子经辐射而从基态A到激发态D，但在返回过程中，不是直接返回到
图1-5-18 磷光产生机理示意图
能级A，而是先掉落到一个能量较低的能级B，这样，该电子必须吸收一定的能量以克服能垒C后，才能返回到能级A。电子“跳”过能垒，这一效应即使在外部辐射源关闭后，发光仍可持续一段时间，即形成磷光。一般特续时间较短，不超过几分钟。但在少数情况下可持续较长的时间，例如极少数钻石在白天被太阳光辐射后，其荧光就可持续很长时，有时可持续至晚上。古时有人在夜间看到宝石的磷光，并据此将这样的宝石称为夜明珠。
一般来讲，宝石矿物发光性的实质是宝石晶格吸收了较高的外加能量，然后以较低能量（可见光）再发射出造成的。在发光过程中，能量的再发射可分为两个阶段，其一是在可见光区域内发射，其发生的机理为：可见紫光、紫外光和X-射线的光量子具较高的能量，它能将宝石矿物结构中的原子或离子的外层电子，从基态激发到较高能量的激发态。如果激发态与基态间有另外一些激发态存在，当被激发到高能级的激发态电子落回到较低激发时则发射光。若两个激发态能级间的能量差相当于某可见光子的能量，则发射出具有该能量差能量的可见光。因而发射的光子呈现一定的颜色。
其次，另外一些宝石晶体结构中激发电子被晶体缺陷所捕获，一般捕获是暂时的，激发电子将依一定速度落回到基态，能持续地发出一定能量的可见光。故在外加能量停止后仍继续发光，此缓慢衰退的发光就称为磷光。
5.2 力学性质
宝石的力学性质是指宝石在外力（包括地球引力）作用下所表现出来的各种物理性质，包括比重、硬度、韧度、解理、裂开和断口等，在这些性质中，某些对宝石的耐久性影响极大，是评价、鉴定宝石的重要依据。
5.2.1 密度和比重
由于宝石内部组成原子的排列方式不同，因而每种宝石的重量与其体积的比值不同。现给出了1cm3的几种宝石或物质的质量或重量（图1-5-18），可以看出，立方氧化锆最大，
图5-19 1cm3 不同宝石或物质的重量
然后依次是红宝石、水晶、欧泊和水。表示立方氧化锆最致密，红宝石次之，其下是水晶、欧泊和水。
物理学中将物质或质量的密集程度定义为密度，并以一个单位体积内所含的物质的单位数来度量。表达式为：密度=质量/体积。质量和体积都有各自的单位，因此，宝石密度是有单位的，而且所用单位不同，密度的数值也不同，例如，当单位用g/ cm3和lb/ft3时，水的密度值分别是1和62.4。但在宝石中，常使用公制g/ cm3。
密度是宝石的重要特征，也是鉴定宝石重要的参数和依据。但是宝石密度的求取较为困难，因而引出了宝石相对密度，即比重的概念。
宝石的比重定义为：在4℃温度及标准大气压条件下，宝石的重量与等体积水的重量之间的比值。
按照定义，求宝石的比重需预先知道两个基本数值，一个是宝石的重量，一个是等体水在4℃和标准大气压下的重量。
宝石的重量可直接用克拉天平称得，等体积水的重量可根据阿基米德定律求得，即当宝石浸入水中时水作用于宝石的上浮力等于所排开水的重量。这样，比重可由下列公式求得：
比重（S.G）=宝石在空气中的重量/（宝石在空气中的重量－宝石在水中的重量）
在物理学中已给定，水在4℃温度及标准大气压条件下的密度为1 g/ cm3，因此，任何宝石的密度均可采用上述比重计算公式求得，即只要在某宝石的比重值后加密度单位g/ cm3就是该宝石的密度值。
5.2.2 硬度
硬度是指宝石抵抗磨蚀的能力，通俗的说是宝石抵抗外力对它的刻划、压入和研磨的能力。硬度直接影响宝石的耐久性，同时也是鉴定宝石的重要依据之一，还是宝石琢磨工艺中必须注意的重大技术问题。宝石硬度的表示常有以下方法：
1、比较硬度法或称相对硬度法：
这种方法是德国矿物学家摩斯（F.Mohs）于1822年提出来的，摩斯经过多次的选择性实验后，收集了10种能获得高纯度的常见矿物，并按彼此间抵抗刻划的能力大小顺序排列，其结果就是人们目前广泛使用的摩氏硬度计。按其抗磨能力逐渐增大的顺序，其等级为：
1 滑石 6 长石
2 石膏 7 石英
3 方解石 8 黄玉（托帕石）
4 萤石 9 刚玉
5 磷灰石 10 金刚石
摩氏硬度计可对宝石的相对硬度进行测定，例如某种宝石可划动石英，但又能被黄玉划动，那么这种宝石的硬度就在7－8之间。
在实际应用中，还有一些常见物质的相对硬度也可以粗略地帮助我们对宝石进行测定，这些常见物质是：指甲2.5；铜针3.0；窗玻璃5.0-5.5；钢刀片5.5-6.0；钢锉6.5-7.0。
2、绝对硬度法
由于相对硬度只是矿物硬度相对大小的排列顺序，而且在硬度计中任何两种相邻硬度之间的硬度差异，并不说明其它两种矿物之间也存在相同的硬度差异。例如金刚石与刚玉之间的硬度差异远比刚玉与滑石之间的硬度差还要大。要对硬度进行精确的测定，就要用绝对硬度测定法。绝对硬度的测定常用显微硬度计，其方法是在宝石磨光面上加一定重量的金刚石角锥压入，以重量和压痕面积之比（kg/mm2）来表示宝石的硬度。显然，产生单位面积压痕所需的重量越大，宝石的绝对硬度也就越大。这样测得的硬度叫压入硬度，压入硬度是绝对硬度的一种。由表1-5-4可知，作绝对硬度来衡量摩氏硬度的十个级别，发现它们很不均匀，且并不呈简单的线性关系。
表1-5-4 摩氏硬度与绝对硬度的比较
宝石矿物
摩氏硬度（相对硬度）
绝对硬度
金刚石
刚 玉
托帕石
石 英
长 石
磷灰石
萤 石
方解石
石 膏
滑 石
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
10000-2500
2500-2100
2100-1550
1550-1200
1200-760
760-530
530-200
200-120
120-68
68-2
鉴于摩氏硬度使用最为方便，且在工作中基本符合要求，故在宝石鉴定中一般使用摩氏硬度计法。
3、宝石硬度的各向异性
宝石硬度的各向异性指的是同一宝石晶体的不同方向上，因晶体结构的不同而硬度有所差异的现象。如蓝晶石在平行晶体延长方向上硬度为4.5，而在垂直晶体延长方向上的硬度度为7.0。又如金刚石，它是所有物质中硬度是最大的，但在琢磨金刚石时，采用的研磨材料是硬度与之相同的金刚石粉末，人们就是利用金刚石各方向硬度存在较大差异这一特性。金刚石结晶体有三种常见晶形，立方体、菱形十二面体和八面体。在立方体晶体中，与结晶轴平行的方向硬度最小，与结晶轴呈45度角方向上硬度最高。在菱形十二面体中，结晶轴方向硬度较小，而与结晶轴垂直方向上硬度较高。在八面体晶体中，结晶轴方向则是最硬的方向，与之垂直的方向是硬度较低的方向。因此，在用于加工金刚石的一大堆金刚石粉末中，总会存在大量的颗粒，其排列方向适合于研磨或抛光金刚石，即用硬度大的方向研磨硬度小的方向。因此，人们就是利用金刚石存在方向性硬度差异这一特征，用金刚石粉末切割、研磨和抛光钻石。
5.2.3 韧度
韧度是指宝石抵抗破碎的能力。韧度与硬度不具正相关关系，主要与宝石矿物的结构构造有关，无色金刚石的硬度在所有物质中是最大的，但其韧度不如具纤维交织结构的软玉。
常见宝石的韧度从高到低的排序为：黑色金刚石、软玉、硬度、刚玉、金刚石、水晶、海蓝宝石、橄榄石、绿柱石、托帕石、月光石、金绿宝石、萤石。
一些宝石硬度虽然高，但韧度小，如钻石。对于这些宝石，在加工、佩戴等环节都必须注意保护。
5.2.4 宝石的解理、裂开和断口
宝石的解理、裂开和断口是宝石受外力作用后产生的不同破裂性质的各种表现形式。由于各种宝石的内部化学组分及原子排列方式的方向性差异，致使某些宝石在受到各种外力作用后，严格沿一定结晶方向（如金刚石的八面体方向）呈平面状裂开，而某些方向受力打击后，形成凹凸不平的断面（如贝壳状、锯齿状等），破裂方向不受约束。前者称解理或裂开，后者称断口。解理和裂开只在结晶物质中产生，两者的区别是前者是沿结晶面网的方向，而后者是沿双晶面的方向，或是沿结晶面网方向，但其成因是沿面网方向分布的定向包裹体有关。解理和裂开表现形式一样，只是成因略有不同。断口不但在结晶物质中产生，也可在多晶体、隐晶质和非晶质中产生。在玉石和有机宝石中，只有断口，而没有解理。
1、解理
指宝石晶体在外力作用下，沿着某些固定方向裂开，并或多或少留下光滑平面的性质，其光滑面称解理面。解理是一些宝石晶体固有的性质，因此，对于那些存在典型解理的宝石晶体，可以利用解理不同的表现形式来鉴定宝石，根据宝石的解理特征选择琢型，并对宝石进行有效保养。
根据产生解理的难易、解理片的厚薄、解理面的大小及其光滑程度，一般将宝石的解理分为以下五个级别：
（1）极完全解理：极易分裂成薄片，解理面平整光滑，如云母和石墨等；
（2）完全解理：锤击后容易沿解理面裂开，解理面较平整光滑，如方解石和金刚石等；
（3）中等解理：锤击后不易裂开，但在破裂面上有小面积的阶梯状解理面断续出现，如辉石和角闪石等；
（4）不完全解理：解理面偶尔出现，多数断面上很难找到，如磷灰石；
（5）极不完全解理：锤击后一般在晶体上不出现解理，只有在特殊情况下才出现解理性质，如石英。
下面给出常见宝石及其解理的类型（表1-5-5）。
表1-5-5 常见宝石及解理类型
宝 石
晶 系
解理方向
解理方向数
性 质
金刚石
立方晶系
八面体
4
完全
闪锌矿
立方晶系
菱形十二面体
6
完全
萤石
立方晶系
八面体
4
完全
锆石
四方晶系
柱体
2
差
黄玉
斜方晶系
底面
1
完全
锂辉石
单斜晶系
柱体
2
完全
正长石
单斜晶系
底面或柱体
4
完全（底面）
磷灰石
六方晶系
底面
1
差
方解石
三方晶系
菱面体
3
完全
解理存在与否，直接受控于宝石晶体的结构。解理是宝石晶体最稳定的性质之一，如宝石晶体某方向存在解理（如金刚石的八面体解理），则在任何单体上都可产生这些方向的解理，而且在沿该方向产生的解理，在晶体上任何其它部位都同样可以产生。因此，解理是鉴定宝石矿物最重要的特征之一。
2、裂开
因存在聚片双晶或定向包裹体等原因，晶体在受外力作用后，沿双晶结合面或包裹体分布面等方向裂开成光滑平面的性质，称为裂开。宝石裂开不直接决定于宝石的晶体结构，如某宝石晶体有某方向裂开，其它同种宝石晶体的相同方向就不一定有，另外，在有裂开的宝石晶体中，裂开面也只产生于双晶接合面或包裹体分布面等部位，并不象解理那样，在同方向处处都能产生裂开。
3、断口
指具不完全解理性质的宝石，尤其是那些没有解理的宝石晶体、多晶质、隐晶质和非晶质宝石，在外力作用下产生的无固定方向破裂的性质。根据物质组成方式不同，断口也各有各自固定的形状。常见断口类型有下列几种。
（1）贝壳状断口：断裂面呈椭圆形的光滑曲面，并常呈同心圆纹，形似贝壳，如石英和玻璃的断口；
（2）锯齿状断口：断口呈光滑锯齿状，延展性很强的矿物，具有这种断口，如自然铜；
（3）参差状断口：断面参差不齐，粗糙不平，大多数宝石具有这种断口，如磷灰石，东陵玉；
（4）纤维状和多片状断口：断口呈纤维状或错综细片状，如软玉、翡翠和蛇纹石等。
5.3 其它重要的物理性质
5.3.1 导热性
导热性是宝石对于热的传导能力。凡导热性强的物质都能迅速地传送热量，例如人们熟知的金、铜、铝等，当人们用手触摸时，就会有凉的感觉，因为这些金属能迅速地将手上的热量传开，而木材和布料等，用手触摸时则有温热的感觉，因为这些材料的导热性较低。
导热性的强弱，可以用导热系数来表示，导热系数越大，物质的导热性就越强。常见宝石的热导率见表1-5-6。
表1-5-6 常见宝石的导热系数
宝石
导热系数
宝石
导热系数
钻石
1.6-4.8
蓝宝石
0.0834
黄玉
0.0446
锆石
0.0109
水晶
0.0264
人造尖晶石
<0.01
立方氧化锆
0.01
钆镓石榴石
0.01
钆铝石榴石
0.01
钛酸锶
0.01
人造金红石
0.01
玻璃
0.003
据<<系统矿物学>>等综合。
热导性是宝石的重要物理性质，从表中可以看出，晶体的热导性较非晶质好，因此，在鉴定宝石时，许多人利用手感对宝石进行初步鉴定就是利用热导性。但较为突出的是：由于钻石比其它相似宝石具有高得多的热导系数，根据这一性质，人们设计了一种专门鉴定钻石的热导仪。这种仪器鉴定钻石较为有效，现仍广泛用于钻石的鉴定中。
5.3.2 导电性、压电性、介电性和热电性
导电性是宝石矿物对电流的传导能力，一般来说，金属矿物是电的良导性，非金属矿物是电的不良导体，而有的矿物是电的半导体。矿物的导电性主要用于工业中，例如石墨和金属是电的良导体，可作为电极材料；云母和石棉是电的不良导体，可作为绝缘材料；而半导体则广泛地被用于无线电工业中。在宝石学中，也可用导电性来帮助鉴定宝石。如天然蓝色钻石由于其中含微量的B而成半导体，而用辐射处理或染色而形成的蓝色钻石，则没有这种性质，据此可将它们区分开来。
压电性是指某些矿物晶体，在机械作用的压力或张力影响下，因变形效应而呈现的荷电性质。在压缩时产生正电荷的部位，在拉伸时，产生负电荷。在机械地一压一张的相互作用下，就可以产生一交变电场。这种效应就称为“压电效应”。反过来具有这种压电性的矿物晶体，把它放在一个交变电场中，它就会产生一伸一缩的机械振动。矿物的压电性只发生在无对称中心，具有极性轴的各类晶体矿物中（如石英）。矿物的压电性在现化科学技术中越来越广泛地应用。如无线电工业中用作各种换能器、超生波发生器等。但在宝石中的应用还有待开发。
介电性是指宝石矿物在电场中被极化的性质。
热电性是指宝石矿物在外界温度变化时，在晶体的某些方向上产生荷电的性质。如电气石热到一定温度时，其Z轴的一端带正电，另一端带负电，若将已加热的晶体冷却，则两端的电荷变号。
介电性和热电性在宝石中还未得到有效应用，但在找矿和矿床成因的分析中早已引起地质学家的重视。
5.3.3 宝石矿物的放射性和磁学性质
含有放射性元素的宝石矿物，由于所含的放射性元素能自发地从原子核内放出粒子或射线，同时释放出能量，这种现象叫放射性，这一过种叫放射性衰变。
放射性在宝石矿物中是存在的，一方面某些宝石矿物（如锆石）天然就含有放射性元素，放射性元素可以使宝石致色。但放射性太高会对人体产生伤害，由此影响宝石价值。另一方面放射性可对宝石进行处理，但对处理的产物，也应注意对放射性作出评价，以防止放射性太高对消费者带来不良影响。
宝石矿物的磁性主要是由于矿物成分中含有铁、钴、镍、钛和钒等元素所致。磁性的强弱取决于具体宝石矿物所含金属元素有多少。大多数宝石矿物应具有磁性，一些比较强的（如磁铁矿和赤铁矿）完全可以用磁性对此进行鉴定。一些较弱的，目前尚无鉴定意义，但加强对磁性的研究，有望开发出新的宝石鉴定方法。
5.3.4 表面性质
宝石矿物的表面性质与宝石矿物的表面晶体结构有关。在矿物晶体内部，组成矿物的阴阳离子是按一定规律重复排列的，并且电荷平衡。但在矿物晶体结构表面上的离子对晶体外部来说出现排列不连续或处于电价不平衡的状态。这种不平衡的趋势存在着两种明显的相反效应：一种是分布在结构表面的阳离子尤其是高电荷离子趋向于为阴离子所屏蔽而不直接暴露在表面；另一种是由于表面离子为了排列和电荷的平衡及上述效应，使表面离子的位置同原规则排列的晶格位置发生偏离，造成表面结构的变形，这种变形深达几个离子半径。宝石矿物表面结构随具体宝石种而不同，由表面结构所决定的表面性质也必然存在着差异。宝石矿物的表面性质突出表现为对外界物质的吸附作用上，尤其是对广泛存在的水分子的吸附。一般晶体近表面的阳离子电荷越高，对屏蔽的要求越强，晶体表面的极性越大。键的离子键性越强，晶体表面的极性也越大。对于宝石矿物表面的吸湿性来说，由于水分子是极性分子，矿物的极性表面比非极性表面更易于吸附水。油是非极性的，极性低的表面吸油比吸水更强些。据此性质，不但可以帮助对宝石进行鉴定，而且也可用于宝石的分离之中。例如，钻石的吸油性比较强，因此用钢笔画钻石台面时，墨水不呈一条线，而集中成点滴分布。在钻石选矿中，磨碎的金刚石在一个用油脂涂底的冲洗床中用水冲洗，硅酸盐矿物水湿性强易被冲走，而水湿性较弱的金刚石则吸附于油脂底面上而被分离。
