尖晶石

尖晶石（Spinel），由镁铝氧化物组成的单晶体矿物，其主要化学成分为铝酸镁（MgAl2O4），常含有铁（Fe）、铬（Cr）、锌（Zn）等元素。^[3]常见有红色、橙色、粉色、紫色、蓝色、黑色等多种颜色，其颜色多为黑色或暗绿色，以红色最为珍贵。^[2][4]

尖晶石属于变质岩的一种，多产于镁质灰岩与酸性侵入岩的接触变质带，宝石级尖晶石多产于接触交代矿床中的大理岩和灰岩内^[5]，常与镁橄榄石和透辉石等矿物共生，^[6]大部分宝石级尖晶石产于斯里兰卡、泰国和缅甸抹谷的冲积砂砾矿床中，历史上最为著名的两颗尖晶石是“帖木儿红宝石”和“黑王子红宝石”，“帖木儿红宝石”重361克拉，被誉为东方的“世界贡品”；“黑王子红宝石”重约170克拉，被镶于英国国王的皇冠中前方明显的位置上。^[4][5]主要被用在轴承、颜料、耐火材料上，在无机催化剂、发光材料、传感材料、纳米管材料、导电材料等也有应用。^[7]

尖晶石主要由镁铝氧化物组成，化学通式由AB2O4组成，A为镁、铁、锌、锰或镍niè等物质，B为铝、铬或铁，O为氧^[8]。主要化学成分为MgAl2O4，含有Fe、Cr、Zn等元素。^[1]Mg2+可以被Fe2+替代形成类质同像，Al3+常被Cr3+替代形成红色。^[5]

尖晶石属等轴晶系。晶体呈八面体晶形，有时为八面体晶形与菱形十二面体和立方体聚形。薄片中常见正方形、四角形、三角形等切面。一般无解理，可见不规则裂纹。正高突起。显均质性。^[5][9]

尖晶石的密度通常为3.60(+0.10，-0.03）g/cm3，黑色尖晶石密度近于黑色近于4.00g/cm3；尖晶石的摩氏硬度8；折射率为1.718（+0.017，-0.008)，最高可至2；不完全解理；无双折射率；无双色性。^[1]

根据中国国家标准《珠宝玉石鉴定》（GB/T16553-2017）中对尖晶石颜色范围的定义为红、橙红、粉红、紫红、无色、黄、橙黄、褐、蓝、绿、紫等色^[1]，尖晶石的颜色丰富，各种不同的颜色主要是由含有铬、铁、镁、锌、锰等金属形成的，含铬呈红色，含锌呈蓝色，含镁呈暗绿色，含铁和锰呈黄色至灰褐色，其中最主要的颜色为红色、蓝色，以纯正的红色为最珍贵，被称为红宝尖晶石。^[2][5]

光性：均质体，各向同性。^[1]

光泽：玻璃光泽至亚金刚光泽。^[1]

荧光观察：红、橙、粉色:长波弱至强，红、橙红；短波：无至弱，红、橙红。^[1]

绿色：长波：无至中，橙至橙红。^[1]

其他颜色：通常无。^[1]

特殊光性：星光效应（稀少），变色效应。^[1]

尖晶石是一种变质岩，一般由岩浆侵入到不纯的灰岩或白云岩中经接触变质作用形成^[10]，多产于镁质灰岩与酸性侵入岩的接触变质带，与镁橄榄石和透辉石等矿物共生；在火成岩和变质岩中尖晶石通常也会作为副矿物存在，另外在砂矿中也常出现。^[11][12]

尖晶石是由镁铝氧化物组成的矿物，其化学通式一般由“AB2O4”格式组成，A为镁、铁、锌、锰或镍等物质，B为铝、铬或铁，O为氧。根据该格式将尖晶石分为三个系列，分别是铝尖晶石、铬铁矿和磁铁矿系列。^[8][13][14]

铝尖晶石系列是最常见的尖晶石系列，三价阳离子为Al，包括镁铝尖晶石、铁镁尖晶石、铁尖晶石等，其特点是硬度高、透明度高、密度小，主要形成于基性火成岩、花岗岩伟晶岩和接触变质石灰岩矿床中。^[8]

铬铁矿系列也称为铬尖晶石系列，三价阳离子为Cr，主要包括镁铬铁矿、铬铁矿和亚铁铬铁矿等，其特点是硬度较低（摩氏硬度5.5～6.5），呈不透明状，密度较高（4.3～4.8g/cm3），具有弱磁性，常产于超基性岩中，与橄榄石共生。^[8][15][16]

铬铁矿系列也称为铁尖晶石系列，三价阳离子为Fe，主要包括镁铁矿、磁铁矿、镍磁铁矿和锰磁铁矿等，其特点是硬度较低（摩氏硬度6），不透明，金属光泽，密度高（5.20g/cm3），具强磁性，受岩浆交代作用形成。^[8][17][16]

尖晶石常伴随红、蓝宝石一起产出，主要产地有缅甸、越南、斯里兰卡、塔吉克斯坦、阿富汗、泰国、坦桑尼亚、马达加斯加、墨西哥等。^[3]

塔吉克斯坦最主要的尖晶石矿床（kuh-i-lal矿山）位于帕米尔高原西南部巴达赫尚(Badakhshan)地区，该地区是世界上最大颗粒尖晶石的主要产地^[11]，历史上著名的“黑王子红宝石”“帖木儿红宝石”可能都来自该产区，该区产出的尖晶石颗粒大、净度高，多为粉红色、桃红色和部分深红色。^[3]kuh-i-lal矿山的尖晶石是一种高级变质岩，主要存在于镁质矽卡岩的镁橄榄石透镜体中，长度一般在10厘米至5米之间，最长可达30米，与辉石、菱镁矿、金云母、磁黄铁矿、黄铁矿、金红石、褐铁矿和石墨在矿区共存。^[18]

斯里兰卡的尖晶石主要发现在冲击矿床，与刚玉及其他宝石共生。颜色有灰色、蓝色、绿色、紫色等色系，大多颜色较浅，红色及粉红色系的优质尖晶石较少，但会产出稀有的变色尖晶石和星光尖晶石，被称为锡兰尖晶石。^[3][11]

缅甸的尖晶石矿床主要分布在抹谷地区和克钦邦密支那地区，品质最好的尖晶石主要来自于Namya和ManSin两个矿床，产量较多的尖晶石矿床主要为Namya和Ywathit矿床。抹谷尖晶石常作为红宝石矿床的附生矿物出现，以其丰富多变的颜色、色调及高饱和度在宝石市场广受欢迎，主要颜色包括红色-橙红色、紫色、蓝色、粉色及亮霓虹色不等。Namya矿床是次生矿，晶体多不规则或呈浑圆状，产出的色调更偏向粉色调，也产出紫色、蓝色等色调的尖晶石，产量较不稳定；ManSin矿床产出的尖晶石颜色更红；Ywathit矿床主要为冲积矿床，颜色有淡粉色、紫色、橙色以及各种红色调，尖晶石生成于大理岩中与蓝宝石、石榴子石、金云母、白云母、方柱石等共生。^[3][11]

越南的尖晶石首次发现与1983年，在越南安沛省北部的陆安（LucYen）地区，形成于大理岩中，与刚玉共生。越南出产的尖晶石带以紫色与粉色为主，产出量较为稳定，是国际市场上粉色尖晶石和紫色尖晶石的稳定供应国。^[3][11]

坦桑尼亚的尖晶石从20世纪80年代在莫罗戈罗省（Morogoro）的马通博和马亨盖地区被大量发现，与蓝宝石共生，90年代在靠近莫桑比克的通杜鲁（Tunduru）地区也发现了大量的冲积矿床，现已称为尖晶石的主要产地，坦桑尼亚的尖晶石主要颜色为粉色、粉红色及红色，已成为第二大粉红-红色系列尖晶石的出产国。^[3][11]

宝石轴承是仪器仪表的转动支撑元件，尖晶石具有硬度高、熔点高，化学性能稳定的特点，是宝石级轴承的重要组成部分。^[19]

尖晶石的晶体结构非常致密，高温中发色稳定，对气氛敏感小，被认为是一种良好的陶瓷颜料，但并不是所有的颜料都具备稳定的状态，如MgO·Fe2O3（褐色尖晶石）在瓷釉中只是局部稳定，通常尖晶石的颜料有铝钴尖晶石海碧颜料、铬锌铝红和孔雀蓝色。^[20]

尖晶石具有高硬度、化学热稳定性、高熔点、低热膨胀性等性质，被广泛的用于耐火材料的行业，常见的应用有锅炉、砖窑等，常见的耐火类尖晶石品种有铬尖晶石质耐火材料、镁铝尖晶石质耐火材料。^[21][22]

尖晶石也被广泛用于锂电池的正极材料、无机催化剂、发光材料、传感材料、纳米管材料、导电材料、磁性材料、半金属材料、玻璃等。^[7]如尖晶石氧化物具有高温稳定性、优异的硬度、化学性质稳定及耐酸耐碱的特点，被当做无机催化剂广泛应用于光催化、缓冲层等材料中；^[23]尖晶石型结构的二元金属半导体氧化物的传感性更容易调控，可以优化微纳结构，改变其成分也能够实现传感器性能的提升；^[24]富铝尖晶石可以添加碳形成含碳复合材料充当良好的导电材料。^[25]

尖晶石的分类一般依据色彩和特殊光学效应来分类，可以将其分为红色尖晶石、紫色尖晶石、变色尖晶石、星光尖晶石、蓝色尖晶石、黑色尖晶石等类型；也可以根据其内含物质的含量分为铝尖晶石、铁尖晶石、锌尖晶石、锰尖晶石、铬尖晶石等。^[3][26][27]

红色尖晶石是最受欢迎的尖晶石品种，颜色从荧光红色至暗红色、橙红色、粉红色都有，其红色的致色因素为含有微量元素铬（Cr），以纯正靓丽带有红宝石的红色为最佳，具有可见荧光的亮霓虹色品种被称为“绝地武士”（JediSpinel），绝地武士与其他尖晶石相比颗粒较小，由GIA宝石学家VincentPardieu命名；橘黄色至红色的尖晶石品种被称为“火焰尖晶石”。^[3][26][27]

蓝色尖晶石的色彩从灰暗的蓝色到蓝紫色，大多数蓝色尖晶石的致色因素是含有微量的二价铁离子（Fe2+）和二价锌离子（Zn2+），少部分是由二价钴离子（Co2+）引起的，Co2+形成的蓝色尖晶石较Fe2+、Zn2+形成的蓝色色彩更鲜艳，产出量更为稀少。^[3][27]

紫色尖晶石的色彩从紫到红紫，具有类似于石榴石的色泽^[27]，紫罗兰色和蓝紫色至紫色，或紫罗兰色的宝石往往缺乏吸引力，需求低于其他罕见颜色的宝石。^[28]

变色尖晶石是尖晶石的变色品种，可以在不同的光源下呈现出不同的色彩，其致色原因与含有微量元素Cr、V有关，常见色有暗紫红色-棕褐色、灰蓝色-紫红色两种。^[3]

星光尖晶石因含有金红石及细针状包裹体而呈现出星光效应，可见六射星光和四射星光，星光效果通常较弱，颜色较深，多见紫红色、褐红色和灰黑色等。^[3][27]

黑色尖晶石是一种不透明、黑色的尖晶石，其颜色不够美观，价值较低，多用作工艺品。^[3][27]

其他颜色如绿色尖晶石、无色尖晶石、黄色尖晶石等较为少见。^[3][27]

尖晶石英文Spinel的具体由来尚无法确定，主流上有两种较为可信的说法，一种名称源于希腊文火光（Spark）一词，形容尖晶石红艳的色泽；一种源自于拉丁语尖端（Spina）一词，以其外形有一个尖锐的角而命名。^[29]

尖晶石从自古以来就属于珍贵的宝石之一，在历史很长的一段时间内尖晶石被误认为是红宝石，直到1783年法国矿物学家让·巴蒂斯特（Jean·Baptiste）才将红宝石与尖晶石作为两种矿物区别开来。^[30][31]

最早的尖晶石装饰品被发现于公元前100年阿富汗的喀布尔的一个佛教墓地里；罗马时期（公元43一409）的史料记载过一个来自东罗马帝国的镶嵌浅绿色八面体尖晶石的戒指；公元951年阿拉伯地质学家伊斯塔赫里（Istakhri）首次提到尖晶石的开采地-阿富汗巴达赫尚（Badakshan），马可波罗在其书中也对该地区有过相应描述。传说印度教徒认为尖晶石是红宝石，并将印度四个不同阶级分别以佩戴不同的宝石来划分，婆罗门佩戴纯正的红宝石，刹帝利佩戴橙色尖晶石，吠舍佩戴红尖晶石，首陀罗佩戴玫瑰红色尖晶石。在古代和中世纪，人们把尖晶石磨成粉末当成止血和消炎药用，认为尖晶石粉末制成药剂可以消除不祥之兆。^[31]

黑王子红宝石，黑王子红宝石是一枚尖晶石，重约170克拉，现今被镶嵌在英国的帝国之冠上，展示于伦敦塔。据历史记载，黑王子红宝石最早出现于14世纪的西班牙，1367年，黑王子威尔士亲王爱德华将其作为战争的胜利品收获，在其后的时间里，许多英国帝王如亨利五世、亨利八世、查理二世都对其非常珍爱，认为它给他们带来了好运。^[31][32]帖木儿红宝石，帖木儿红宝石重352克拉，在1851年之前一直被认为是已知最大的“红宝石”，1851年10月东印度由东印度公司赠送给维多利亚女王，此后一直是英国皇室的收藏品。帖木儿是一位突厥-蒙古统治者，据传在1398年在印度洗劫德里时获得了这颗红宝石，之后在与波斯人发生几次战争之后宝石落于波斯国王阿巴斯一世手中，他于1612年将其送给莫卧儿皇帝贾汉吉尔，贾汉吉尔按照印度的传统惯例将其名字和其父亲的名字刻在“红宝石”上，在其后的历任拥有者都将其名字刻在宝石上，直至德里最后一位皇帝法鲁赫西亚尔（Farukhsiyar）。在之后的多年该宝石经过多次交易和掠夺，最终在1849年被东印度公司获得，于1851年在水晶宫举行的万国博览会期间展出最终送给维多利亚女王。^[33][34]俄罗斯珠宝匠波吉耶1762年为叶卡捷琳娜二世加冕典礼制作了一顶皇冠，皇冠顶端镶嵌了一枚重达398.72克拉的红宝石，是世界上最大的红天鹅绒色尖晶石，这枚红宝石是1676年由当时俄国出访中国的特使尼古拉斯特菲尔以2672枚金卢布在北京购得的，被列为俄罗斯七大历史珍贵宝石之一。^[35][10]全球最大一颗尖晶石是一颗重达955.7克拉的尖晶石，产自缅甸，呈黑红色，半透明状，雕刻双狮锈双球。^[36]

尖晶石并没有一个标准化的品质分级标准，部分商家会根据GIA的分级类型将尖晶石分类为AAA、AA、A等分级，从业机构一般不会对尖晶石进行分级，有色宝石鉴定会对尖晶石的重量、尺寸、形状、切磨式样和颜色进行评估，判断其为天然还是实验室制造，并指明任何可检测到的处理方式。^[37]

尖晶石的颜色在价值权重中占比较高，以红、蓝色的尖晶石最受欢迎，红色的尖晶石为最理想颜色，以鲜艳纯正的红色最为稀有，如缅甸的绝地武士品种；蓝色尖晶石以艳蓝色最佳；紫色及其他颜色的尖晶石往往不太有吸引力，需求量也较少。^[3][28]

尖晶石的净度在GIA分级体系中为净度II型宝石，常见有净度瑕疵cī，通常净度越高的尖晶石品质越高，但部分内含物可以呈现出如人类指纹的精美外观，在适宜的位置出现的内含物可以令尖晶石呈现出星光效应。^[3][28]

尖晶石的标准切工通常采用椭圆形混合切工，尺寸在6×4毫米和7×5毫米之间，适宜作为戒指的主石；通常品质较好的尖晶石的切割为非标准切割，这样可以更少的减少重量上的损失。切工对有净度瑕疵的尖晶石品质影响较小，对高净度的尖晶石影响较大。^[3]

宝石级的尖晶石总体颗粒较小，尖晶石每克拉随着尺寸大小价格大幅上升，顶级品质的尖晶石超过3克拉就已非常稀有，5克拉以上的红、蓝尖晶石会因数量稀少价格大幅上升。^[3][28]

特殊光学的尖晶石多为星光尖晶石，产出较为稀少，以星光效果上乘、颜色鲜艳、少裂、形状好的星光尖晶石为上品。^[3]

可具备开采价值的尖晶石矿床很少，工业上所用的尖晶石多为人工合成。^[13]主要的合成方法有焰熔法和助溶剂法，主要用镁精矿、轻烧镁砂粉作为氧化镁（MgO）原料，用特级矾土生料、工业氧化铝作为氧化铝（AI2O3）的原料，外加添加剂制成。^[38]

焰熔法又称维尔纳叶法，是一种生长高熔点晶体的方法，1908年前后开始用此法大批量合成尖晶石晶体，把氧化镁（MgO）、钴元素加入到三氧化二铝（Al2O3）中合成。^[39][40]

助溶剂法又称溶盐法或熔盐法，是在高温下把晶体原料溶解于能在较低温度下熔融的盐溶剂中，通过缓慢降温形成过饱和溶液而析出晶体的晶体生长方法。^[41]

合成尖晶石的晶体外形通常呈不规则形，内部晶格常发生畸变，其颜色通常呈无色、浅至深蓝、浅至深绿、红、黄、紫、暗蓝色，无二色性特性，在紫外线照射下会发荧光。^[42]

常见的尖晶石优化处理有充填处理、染色处理和扩散处理。

充填处理是用油、人造树脂、玻璃或其他聚合物等材料充填和掩盖尖晶石表面的缝隙或孔洞。^[1][43]放大检查时可见充填物出露部分表面光泽与主体宝石有差异，充填处可见闪光、气泡；用红外光谱测试可见充填物特征-红外吸收谱带；用紫外荧光观察仪等发光图像分析可观察充填物的分布状态。^[1]

染色处理是用技术手段使致色物质渗入宝石来产生或增强颜色。^[1][43]放大检查可见色彩范围分布不均，多在裂隙间或表面凹陷处富集；用紫外线可见光谱观察可见异常的扩散处理。^[1]

尖晶石的扩散处理的方式是用钴来做扩散处理，主要用来诱发蓝色尖晶石或红色尖晶石的外层颜色和星光效果。^[43][44]用X射线荧光光谱仪进行成分分析检测可见宝石表层的扩散元素含量异常，由表及里浓度降低；用光致发光光谱分析可以辅助区分钴扩散处理的蓝色尖晶石与天然含钴元素蓝色尖晶石。^[1]

尖晶石常与石榴石、红宝石、蓝宝石相混淆，对尖晶石与相似品的鉴定主要靠辨别尖晶石的相关属性，包括折射率、包裹物、紫外光谱和吸收光谱特征的差异区分，尖晶石为均质体，偏光镜检测下尖晶石是各向同性，没有二色性，折射率为1.71～1.72，密度为3.60g/cm3，摩氏硬度8 ；红宝石为非均质体，具有二色性，折射率为1.762～1.770，密度为4.00（±0.05）g/cm3，摩氏硬度9，红宝石的吸收光谱中蓝区有三条吸收线；^[1]蓝宝石为一轴晶，负光性，具有二色性，折射率为1.7，密度为3.97～3.99g/cm³，摩氏硬度9；^[45]石榴石的折射率为1.734~1.940，其上限要比尖晶石高，密度为3.50~4.30g/cm3与尖晶石较近，摩氏硬度7～8与尖晶石较近。^[46][47]

天然尖晶石为八面体，合成尖晶石为棒状体。^[48]

一般天然尖晶石的折射率为1.718。焰熔法合成的折射率为1.727，熔剂法合成的折射率为1.730。^[48]

焰熔法合成尖晶石由许多细小的气泡和弯曲的色带，有时将其称为“异形”气泡。^[48]

一般天然尖晶石为均质体，全消光；合成尖晶石常消光不均匀，具斑纹状光性异常。^[48]