К оглавлению

Природа окраски изумруда.

Васильев А. В.

Предисловие

Предлагаемая Вашему вниманию статья является фрагментом статьи, впервые опубликованной в Вестнике Геммологии (Gemological Bulletin) №1(11), 2004, стр. 7-16. Фрагмент ограничен только частью работы, проделанной непосредственно автором. Он переработан в виде отдельной статьи и дополнен фотографиями изумрудов. Идея написания статьи возникла в результате многочисленных обсуждений проекта Госта на изумруды.

Главным, определяющим цену, свойством изумрудов является их неповторимый цвет. А он, в свою очередь зависит от условий образования кристаллов. Цвет прозрачного кристалла определяется его спектром поглощения, поэтому все особенности цвета заключены именно в спектрах поглощения изумрудов. На Научно-Производственной фирме ЛАЛ, в рамках работы по изучению цвета драгоценных камней, в течение нескольких лет измерялись спектры поглощения света в кристаллах изумрудов различного происхождения. При этом выявлялись все влияющие на цвет закономерности. Обнаружилось замечательное соответствие, зафиксированных нами спектральных особенностей, геологическим особенностям соответствующих месторождений. Рассмотрим особенности цвета изумрудов разного происхождения.

Синтетические изумруды.

Изумруд представляет собой редкую разновидность минерала берилла ярко зелёного цвета. Редкость его обусловлена тем, что лёгкий элемент бериллий в природных условиях минералообразования чрезвычайно редко встречается с хромом, окрашивающим его в зелёный цвет.

Рис.1 Кристалл берилла

Берилл является одноосным кристаллом, поэтому его оптические свойства зависят от направления распространения и поляризации светового луча. Так, хорошо известно, что при разглядывании кристаллов изумруда вдоль, они всегда имеют более жёлтый цвет, нежели поперёк. На рис.1 приведена схема направлений колебаний электрического поля для обыкновенного и необыкновенного лучей. В электромагнитной волне (свет) колебания электрического поля происходят перпендикулярно направлению распространения света. Таким образом, мы видим окраску обыкновенного луча при разглядывании кристалла вдоль его оси, и окраску, обусловленную суммой обыкновенного и необыкновенного лучей, при наблюдении поперёк оси. Огранщики хорошо знают это и используют при огранке, управляя цветовым оттенком готового камня. Поэтому на всех рисунках, представленных далее, мы привели отдельные спектры поглощения для обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно.

Рис.2 Спектры поглощения синтетического изумруда

Принято считать, что цвет природных изумрудов обусловлен примесью Cr3+, изоморфно замещающего Al в структуре Берилла. В качестве примера такой окраски, на рис.2 приведены спектры поглощения флюсового синтетического изумруда окрашенного ионами Cr3+.

Флюсовой кристалл выбран из-за его чистоты – при таком методе выращивания весьма затруднительно ввести другие красители. Кривые состоят из двух сложной формы широких полос поглощения. Чем выше кривая, тем больше поглощение света. Цвет же изумруда определяется двумя окнами прозрачности в зелёной (480 – 540 нм) и тёмно-красной (более 680 нм) областях спектра. Красные лучи не вносят существенного вклада при обычных условиях, но определяют цвет изумруда под фильтром Челси.

Узкая линия поглощения Cr вблизи 680 нм (т. н. R-линия [1]) не вносит вклада в цвет камня, но является диагностической, позволяя определять присутствие хрома и судить о его количестве.

Количество света прошедшего через кристалл связано с насыщенностью его окраски. Обычно, чем больше красителя (или больше размер камня), тем он темнее и тем больше насыщенность его цвета. Больше всего ценятся камни, имеющие максимальную насыщенность (чистоту) цвета при достаточно высокой светлоте. Это справедливо как для рубинов и сапфиров, так и для изумрудов. Идеальный краситель пропускает все лучи света, длины волн которых лежат внутри некоторого диапазона, но поглощает все остальные. В природе не встречается идеальных красителей, но есть хромофоры, обеспечивающие наивысшую (среди других красителей) насыщенность цвета при фиксированной светлоте. Для изумруда таким красителем является примесь хрома. Для сохранения чистоты цвета нужно, чтобы кристалл был окрашен только одним хромофором. Комбинация хромофоров, как правило (как и смешение красок в живописи), ухудшает чистоту наблюдаемого цвета.

Афганские изумруды.

Начнём наше рассмотрение с месторождений гидротермального типа. Так на рисунке 3 приведены спектры поглощения типичного кристалла изумруда из Афганистана.

Рис.3 Спектры поглощения Афганского изумруда

Очевидно, что по спектру он просто идентичен синтетическому изумруду. Это говорит о чистоте его окраски. Обратите внимание на отсутствие поглощения в дальней красной области спектра. Под фильтром Челси такие камни выглядят ярко красными.

Колумбийские изумруды.

Рис.4a Спектры поглощения Колумбийского изумруда №1

На рис. 4а представлены спектры поглощения одного из Колумбийских изумрудов. Он очень похож на Афганский. На самом же деле, Колумбийские камни неоднородны по окраске, а представляют собой непрерывный ряд, на другом противоположном конце которого лежит камень, спектр которого приведён на рис. 4б.

Рис.4b Спектры поглощения Колумбийского изумруда №2

Обратите внимание на почти полное отсутствие диагностической R-линии Cr и необычный вид коротковолновой полосы на этих спектрах. Дело в том, что это спектр поглощения ванадия! Таким образом, практически все Колумбийские изумруды окрашены не только хромом, но и ванадием, причём цвет большой их части обусловлен именно ванадием, а не хромом. По результатам же химических анализов ванадий, как правило, преобладает над хромом. К счастью, цветовые характеристики ванадиевой окраски почти не отличаются от хромовой. Следы же хрома, достаточные для диагностики камня под карманным спектроскопом, присутствуют в Колумбийских камнях всегда.

Кристалл Колумбийского изумруда в породе Кристалл Колумбийского изумруда Кристалл Колумбийского изумруда

Изумруды из двух описанных выше месторождений объединяют форма хорошо образованных кристаллов с зеркальными гранями и отсутствие примеси железа. Совершенная форма кристаллов обусловлена их свободным ростом в трещинах горных пород. На поздних стадиях свободное пространство заполнялось кальцитом.

Кристалл Колумбийского изумруда с включениями пирита

Интересно, что минералы железа, на этих месторождениях присутствуют даже в виде включений (пирита) в самих изумрудах. Отсутствие железа в спектрах поглощения изумрудов можно объяснить избытком серы, связавшей всё железо в виде сульфидов.

Уральские изумруды.

Уральский изумруд

Остальные месторождения изумрудов относятся к десилицированным пегматитам (по классификации А.Е. Ферсмана). Кристаллы изумрудов находят в слюдите. Они редко имеют правильную форму и содержат многочисленные включения сопутствующих минералов. Типичным представителем таких месторождений являются Изумрудные Копи Урала, расположенные к северо-востоку от Екатеринбурга (пос. Малышева).

Спектры поглощения типичного Уральского (Малышевское мест.) изумруда приведены на рисунке 5а.

Рис.5a Типичные спектры поглощения Уральских изумрудов

Их окраска обусловлена ионами Cr3+, но в отличие от месторождений предыдущего типа, в спектрах этих камней наблюдаются полосы вблизи 800 нм, которые заметно увеличивают поглощение света в красной области спектра (под фильтром Челси камни могут быть инертны). Чтобы детально рассмотреть эти полосы, можно просто вычесть поглощение Cr из данных спектров, но мы не стали прибегать к столь искусственному методу, а измерили поглощение в бесцветных бериллах из этого же месторождения, которым просто «не повезло» с хромом. Их спектры представлены на рис. 5б (справа).

Рис.5б Спектры поглощения бесцветных бериллов

Это поглощение обусловлено примесью двухвалентного железа и описано в [2] как аквамариновая окраска первого типа. Для таких аквамаринов характерен невысокий дихроизм и бледная голубая окраска. В некоторых из Малышевских бериллов присутствует слабая гелеодоровая окраска. И аквамариновая и гелеодоровая окраска слабы и практически не влияют на цвет Уральских изумрудов, лишь иногда (особенно в недостаточно густо окрашенных камнях) придавая им голубоватые или желтоватые оттенки. Однако эти красители не затрагивают центральную зелёную часть спектра и не ухудшают насыщенности цвета, обусловленного хромом. Встречающееся мнение о желтоватом оттенке Уральских камней является мифом, так нам довелось наблюдать, как колумбиец, всю жизнь профессионально занимающийся изумрудами, принял Малышевский камень за камень с месторождения «Чивор», которое славится в Колумбии наиболее голубыми камнями.

Замбийские изумруды.

Рис.6 Спектры поглощения Замбийских изумрудов

На рисунке 6 приведены спектры поглощения изумрудов из Замбии. Для него отобраны крайние представители всей цветовой гаммы изумрудов, встречающихся на месторождении.

Все они характеризуются очень большой величиной аквамариновых полос поглощения вблизи 800 нм, что говорит о высоком содержании примеси железа. Таким образом, Замбийские камни не становятся красными под фильтром Челси.

Спектры второго камня намного интереснее. Здесь мы, кроме рассмотренной ранее аквамариновой окраски типа 1, наблюдаем широкую сильно дихроичную (наблюдается только для необыкновенного луча) полосу вблизи 650 нм.

Рис.6a Разложение аквамаринового спектра в контура

На самом деле, эта полоса сложная и состоит из двух (14300 и 16450 см-1). На рисунке 6б (справа) приведено разложение аквамаринового спектра поглощения в составляющие его элементарные полосы (контура). Единого мнения о природе этого поглощения нет. Иногда его называют аквамариновой окраской второго и третьего типа. Достоверно, что эти полосы обусловлены ионами железа, и мы наблюдали их в изумрудах парами. Для простоты будем называть этот тип окраски аквамариновая тип 2. Эта окраска чрезвычайно сильно влияет на цвет изумруда, прежде всего, значительно увеличивая его дихроизм. Так обыкновенный луч остаётся желтовато-зеленым, а необыкновенный становится тёмно синим. В ограненных камнях оба луча смешиваются и взаимодействуют, результат зависит от ориентации камня при огранке, орнамента граней и их углов наклона. Как правило, такие камни темнее и насыщенность (при одинаковой светлоте) цвета луча в таких камнях может быть ниже, чем у изумрудов другого происхождения. Хорошо заметен синеватый оттенок. Однако недопустимо вульгаризировать проблему и интерпретировать это как добавку серого цвета – в изумрудах и вообще бериллах не существует серого красителя! Эти изумруды легко классифицируются по цвету в соответствии с эталонными образцами по ТУ 95.335 – 88 «Изумруды природные обработанные». Но обнаружился интересный эффект. Если наблюдателя лишить возможности сравнивать камни с эталонными, то память подводит его и он субъективно присваивает испытуемым камням более высокие характеристики. Дело в том, что наш мозг плохо справляется с разделением двух параметров цвета - светлоты и насыщенности и смешивает их.

Мадагаскарские изумруды.

Рис.7 Спектры поглощения Мадагаскарских изумрудов

На рисунке 7 представлены спектры поглощения изумруда с Мадагаскара, все его особенности полностью соответствуют Замбийским камням.

Возникает вопрос, почему железо в одних месторождениях ухудшает цвет камня, а в других (Урал) нет. Мы заметили связь появления аквамариновой окраски второго типа в изумрудах с низким содержанием натрия в его кристаллах. Наличие натрия, который сам по себе не является хромофором, блокирует возникновение дихроичных полос поглощения вблизи 650 нм. Уральскому месторождению повезло в том, что кристаллы изумрудов образовывались на стадии, для которой был характерен избыток натрия. Это уберегло их от образования аквамариновой окраски типа 2.

В заключение отметим, что, несмотря на разницу в цвете, аттестация цвета больших партий камней огранённых из сырья, привезённого из Колумбии, Замбии и Урала с помощью набора эталонов соответствующих последним техническим условиям и изготовленных из Уральских камней не вызывает у эксперта никаких затруднений.

Список литературы.

  1. Мейльман М. Л., Чекалин Н. С. «Спектролюминесцентные характеристики изумрудов различного происхождения», Вестник Геммологии №2, 2001. стр. 21.
  2. Платонов А. Н., Таран М. Н., Балицкий В. С., «Природа окраски самоцветов», М., Недра, 1984.

К оглавлению Гостевая книга