2023-03-15
獎學金生小論文-林恩汎
前言
在悠久的寶石歷史中，紅寶石毋庸置疑為最重要的寶石之一。Ruby源自拉丁詞「Ruber」，意即「紅色」。如烈焰般火紅又絢麗的顏色常做被為激情、力量、財富和生命力的象徵，從古至今便深受東西方的帝王、君主及貴族們愛戴。紅寶石更曾在聖經中被提及四次；聖經中約伯說：「智慧的價值超過紅寶石」。堪與智慧的價值相比擬，超然的地位可見一斑。
紅寶石在礦物學中屬剛玉家族。化學組成為三氧化二鋁(Al2O3)，由鉻致色，顏色從亮紅色、紅色、帶紫或帶棕的紅色至帶粉色調的紅色。折射率為1.76-1.78，雙折射率0.008-0.009。比重約為3.80-4.05。耐久度極佳，在摩氏硬度為9，僅次於鑽石。紅寶石的化學穩定度很好，韌性亦極好。無論切工或透明度如何，都呈現亮玻璃光澤。天然的包裹體常出現長針狀的金紅石。
紅寶石的顏色和淨度直接地影響其市場價格，由於紅寶石為鉻致色，其含鉻量越高，顏色越顯飽和明亮。越接近血紅的顏色，越稀有珍貴。最頂級鮮紅艷麗的顏色被譽為「鴿血紅」，主要產自於緬甸抹谷。但由於商業開發，在大量開採下天然資源有限，位於緬甸東北部的Mong Hsu孟蘇小鎮自1992年開始成為紅寶石的主要礦產區域之一。
因產自緬甸Mong Hsu的紅寶石原礦皆有深色色心，故普遍會以加熱處理以淡化色心，提升寶石整體的顏色及價值。雖然熱處理的處理方式相對穩定且易被大眾所接受，但是熱處理會產生的足跡，如: 燒斷的金紅石、以及Mong Hsu紅寶石經加熱處理後會出現的三水鋁礦，對紅寶石的淨度及視覺上的顏色會產生一定的影響。尤其有加熱處理的紅寶石與完全沒有經過處理的紅寶石在價格上仍有天壤之別。故鑑別紅寶石的產地雖非現今寶石鑑定師的主要課題，但仍有其意義與價值。
紅寶石為剛玉家族，成分為三氧化二鋁，屬於三方晶系負光性。致色元素為鉻；顏色從亮紅色、紅色、帶紫或帶棕的紅色至帶粉色調的紅色。基本的物理性質為折射率1.76-1.78，雙折射率0.008-0.009。比重約為3.80-4.05，色散值為0.018，摩氏硬度為9。現階段已知的文獻研究為產自緬甸Mong Hsu紅寶石桶狀原石多呈褐紅色、深紫紅色，中心具藍色、深紫至黑色的核或芯 (Krzemnicki, 2021. Schmetzer, 1995)。熱處理後整體可呈紅至暗紅色，核心的藍、黑色調相對減弱，但仍保留核心的痕跡。部分樣品熱處理後其中心呈不透明的乳白色斑點狀(張蓓莉, 2014)。
在紅寶石的組成成份中，除了致色元素鉻(Cr)之外，鎂(Mg)、鈦(Ti)、釩(V)、鐵(Fe)、鉀(Ga)這五個元素含量常被挑選作為鑑別天然紅寶石，以及產地區分的研究。一般來說，僅天然的紅寶石會含鉀；反觀，合成紅寶石除了通常不含鉀的成份之外，在鈦、釩、鐵的含量也相較天然紅寶石較低 (Barone, 2017)。由於包含紅寶石的大理石母岩形成條件十分相似，故蒐集這五個元素含量對於區分紅寶石的地理產地僅能作為統計和參考。但就目前的研究顯示，對比緬甸抹谷、越南、阿富汗和塔吉克產區的紅寶石，僅緬甸Mong Hsu的紅寶石會有貧鐵的狀況 (Palke, 2019)。其他產區之紅寶石的鐵含量平均值在LA-ICP-MS的檢測下，高出緬甸Mong Hsu的紅寶石至少十七點五倍(圖2-1)。
因緬甸Mong Hsu紅寶石原礦具有深色芯，於市場流通前多經熱處理以去除色芯、增其市場價值。傅立葉轉換紅外光譜儀(FTIR)用以檢測寶石是否經過熱處理。如在圖表中檢測3160 cm-1處有峰值，則表示寶石未經熱處理強化；如在3309 cm-1處有峰值，則代表寶石可能經過熱處理 (Hughes, 2007)。
本研究擬以鑑定儀器如: 十倍放大鏡、顯微鏡、螢光燈、切爾西濾色鏡(CCF)以及精密儀器:能量色散X光螢光光譜技術(EDXRF) 及傅立葉轉換紅外光譜儀(FTIR)對24顆已經切磨的緬甸Mong Hsu紅寶石做其產地的鑑別與區分。
由於紅寶石可以說是有色寶石中最重要寶石之一，其價格不斐，消費者常會對其產地及來源感到好奇。尤其產自緬甸抹谷地區的紅寶石因極其珍稀而被市場哄抬價格。現今普遍的鑑定證書亦會針對寶石產地提供建議，供消費者做參考。故本實驗欲探討產自緬甸Mong Hsu是否有其鑑定特徵，為寶石學的學術研究以及寶石消費市場做出貢獻。
本實驗的研究目的為:
1. 區分產自緬甸Mong Hsu的紅寶石
2. 檢測緬甸Mong Hsu紅寶石是否有特殊的鑑定特徵
3. 分析高階儀器的使用對於區分Mong Hsu紅寶石可提供的資訊
圖2-1以ppma為單位的大理母岩紅寶石的廣義微量元素概況。Geographic Origin of Ruby (Palke, 2019)
本次實驗方法首先測定紅寶石樣本的基本性質如大小、重量、長波及短波紫外螢光(UV)、切爾西濾色鏡(CCF)，並使用折射儀測量紅寶石樣本之折射率及雙折射率，再以立體雙目顯微鏡觀察內含物和包裹體。高階儀器的部分使用能量色散X光螢光光譜技術(EDXRF)進行成份分析，並使用近紅外線光譜儀(FTIR)檢測光譜曲線。 最後利用所測定出的Mong Hsu紅寶石之物理性質結合包裹體辨識、EDXRF化學成份分析以及FTIR光譜曲線做研究探討，實驗步驟如圖1-1所示。
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本研究樣本數量為24顆天然紅寶石，皆為亮紅色、透明、橢圓形混合琢形的刻面寶石，重量介於0.56至0.965克拉之間，如表3-1和4-1所示。所有樣本皆為吳照明寶石教學鑑定中心提供。
4.1 物理性質
實驗結果可見：緬甸Mong Hsu紅寶石的折射率介於1.760-1.782之間，比對天然紅寶石的1.760-1.780，數據範圍相當。雙折射率的數據皆介於0.008-0.009之內。在CCF下，所有紅寶石都呈現亮紅色，而在短波及長波紫外光下，所有Mong Hsu紅寶石樣本皆呈現弱紅至強紅色，與其樣品本身的體色相呼應。 4.2 顯微鏡包裹體觀察
在顯微鏡的放大觀察之下，幾乎全部的樣本都可以見到白色雲狀物或霧霧的白色包裹體，顯示為緬甸Mong Hsu紅寶石經加熱處理後出現的三水鋁礦。樣本編號MS-02可見三水鋁礦以三個方向的針狀物型態呈鷹架狀；樣本標號MS-11和MS-14的三水鋁礦呈兩個方向的短針狀。其他包裹體如固包體、液包體、指紋狀包裹體、和聚片雙晶紋均為天然紅寶石常見之包裹體，在本實驗中不具緬甸Mong Hsu紅寶石之診斷性的產地特徵。 4.3 EDXRF成份分析本次實驗挑選 10 個樣本，以 EDXRF測量，成份分析如下：
表4-3
由於形成紅寶石的地質條件相當相似，要使用微量元素來區分幾乎是不可能的 (Palke, 2019)，故本實驗沿用Aaron C. Palke和Saeseaw等人在Geographic Origin Determination of Ruby一文中選用的五項數值: 鉻、鐵、鎂、鈦、釩、鉀做檢測。文獻指出，僅天然的紅寶石會含鉀；而合成紅寶石除了通常不含鉀的成份之外，在鈦、釩、鐵的含量也相較天然紅寶石較低 (Barone, 2017)。由於包含紅寶石的大理石母岩形成條件十分相似，故蒐集這五個元素含量對於區分紅寶石的地理產地僅能作為統計和參考，未能有指標性結論 (Palke,2019)。 由檢測數據可見，10個樣品的鉻(CR)含量介於2203.68-3877.46 ppm之間，平均值為2880.853 ppm。鐵(Fe)和鎂(Mg)的數值均為0，檢測不到。鈦(Ti)含量的數值介於35.69-1000.19 ppm之間，平均值為551.237 ppm。釩(V)含量介於68.22-301.88之間，平均值為182.302。鉀含量介於45.14-71.49之間，平均值為56.965。由於紅寶石是鉻致色，此處鉻多鐵少的檢測結果，顯示在寶石的外觀– 寶石呈強烈的鮮紅色，並在紫外光下呈強螢光反應。 4.4 FTIR紅外光譜儀分析
圖表4-1可見10個樣品的峰值非常相似；明顯在2354 cm-1、2851 cm-1、2921 cm-1、3309 cm-1及3746 cm-1處可見波峰。文獻指出：如FTIR檢測在3160cm-1處有峰值，則顯示寶石未經熱處理強化，而樣品如在3309 cm-1處有峰值，則代表寶石可能經過熱處理 (Hughes, 2007)。比對本次實驗樣本，10個樣本在3160 cm-1處均「不可見」峰值。而10個樣品均在3309 cm-1處均可見峰波，故可得結論為此10個樣本均經過熱處理。
實驗顯示，經過加熱處理的緬甸Mong Hsu紅寶石與其他產地之紅寶石，在外觀上以肉眼所見幾乎一致。但是透過放大觀察，以及高階儀器的檢測，能夠將熱處理鑑別出。 緬甸Mong Hsu紅寶石的物理性質與其他產地的紅寶石皆相同。常規儀器折射儀所做出的數據皆為1.760-1.782之間，雙折射率0.008-0.009。由此可見，在鑑定產地時僅能作為天然紅寶石之輔助性參考，無法作為診斷性依據。 在EDXRF高階儀器的檢測下，本次抽選10顆紅寶石樣本的鉻含量，數據介於2203.68 – 3877.46 ppm之間，在CCF濾色鏡下皆呈現亮紅色。由此可見鉻含量與CCF濾色鏡之間的關係: 鉻含量越高的紅寶石在CCF濾色鏡下所呈現的紅色越強烈；同時，本身體色也越紅。除此之外，10顆紅寶石的樣本在EDXRF的檢測下，鐵含量均檢測不到，此特徵可視為緬甸Mong Hsu產區的重要指標之一，因其他產區如: 緬甸抹谷、越南、阿富汗和塔吉克的紅寶石含鐵量都不至於貧乏(Palke, 2019)。 螢光燈檢測下，天然紅寶石在強波下皆為明顯的強紅至紅色，短波下為強紅色至弱紅色，對照EDXRF的成份比對分析，可見紅寶石在螢光燈下呈現的顏色和鉻和鐵的含量有關係。如本次檢測樣品MS-01、MS-06、MS-08、MS-10、MS-12-15、MS-17以及MS-24皆為鉻多鐵少，在螢光燈下均呈明顯紅色至強紅色。 在顯微鏡的放大觀察下，本次檢測之24顆緬甸Mong Hsu紅寶石皆可見含有天然的包裹體，如: 白色雪花狀或雲狀包裹體、呈六角形色帶狀的白色雲狀物、有角度的梯狀雙晶紋以及梯狀或帶狀的白色包裹體。尤其可以在每一顆樣本中見到白色雲狀物或霧霧的白色包裹體，顯示為緬甸Mong Hsu紅寶石經熱處理會出現的三水鋁礦。 在FTIR的檢測下，得到的實驗結果與文獻相呼應，十個樣本在3160 cm-1處無峰值；而在3309 cm-1處均可見峰波，得結論為此10個樣本均經過熱處理。因緬甸Mong Hsu紅寶石原礦帶有深色芯，市場上常以熱處理提升色相以增加價值。故紅寶石是否經熱處理可視為鑑別緬甸Mong Hsu產地的重要特徵之一。 綜合以上文獻的研究及實驗的佐證，即便緬甸Mong Hsu紅寶石的物理性質與其他產地的紅寶石並無差異，但是經由放大觀察檢視診斷性的三水鋁礦、以及高階儀器如FTIR和EDXRF數據的分析下，可為緬甸Mong Hsu產地提供參考依據。
張蓓莉 (2014) 系統寶石學 地質出版社 AIGS. (2022). “Inclusions in Ruby”. Retrieved from https://www.aigsthailand.com/viewgallery.aspx?catid=1&title=Inclusions%20in%20Ruby&Ins=1
Barone, G., Bersani D., Mazzoleni, P., and Raneri, S. (2017) “Portable XRF: A Tool for the Study of Corundum Gems” Retrieved from https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/opar-2017-0011/html
Hughes R. (2007) “Introduction to Infrared Spectroscopy (FTIR) in Gemology” Retrieved from https://www.ruby-sapphire.com/index.php/component/content/article/10-articles/810-ftir-intrigue?Itemid=101
Krzemnicki M. (2021) “Heated Ruby from Mong Hsu (Myanmar) with Blue Bone” Retrieved from https://www.ssef.ch/heated-ruby-from-mong-hsu-myanmar-with-blue-zone/
Pardieu V., Sangsawong S., Muyal J., Chauviré B., Massi L., and Sturman N. (2013) “Rubies From the Montepuez Area (Mozambique)” Retrieved from https://www.ruby-sapphire.com/index.php/component/content/article/10-articles/810-ftir-intrigue?Itemid=101
Palke A., Saeseaw S., Renfro N., Sun Z., and McClure S. (2019) “Geographic Origin Determination of Ruby” Retrieved from https://www.gia.edu/doc/WN19-ruby-geographic-origin-determination.pdf
Palke A.C., Saeseaw S., Renfro N.D., Sun Z., McClure S.F. (2019) Geographic Origin Setermination of Blue Sapphire. G&G, Vol. 55, No. 4, pp. 536–579, http://dx.doi.org/10.5741/GEMS. 55.4.536
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