鋯石(礦物)

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礦物漫畫《寶石之國》中的人物

鋯石[gào shí]（英文名稱：zircon）是一種矽酸鹽礦物，它是提煉金屬鋯的主要礦石，含有Hf、Th、U、TR等混入物。鋯石廣泛存在於酸性火成岩，也產於變質岩和其他沉積物中。鋯石的化學性質很穩定，所以在河流的砂礫中也可以見到寶石級的鋯石。鋯石有很多種，不同的鋯石會有不同的顏色，如黑、白、橙、褐、綠或無色透明等等。經過切割後的寶石級鋯石很像是鑽石。鋯石過去還被叫作鋯英石。

基本介紹

中文名：鋯石英文名：zircon別稱：鋯英石化學式：ZrSiO4密度：3.90～4.73 g/cm3外觀：透明至半透明，無色、紫紅、金黃色、淡黃色套用：定年，定溫硬度：7.5-8比重：4.4-4.8晶體結構：四方晶系光澤：玻璃至金剛光澤，斷口油脂光澤

簡介,化學成分,理論化學組成,主要化學成分,結構形態,理化性能,類型,工業用途,佩戴,注意事項,相關文化,最佳化處理,熱處理,輻照處理,鑑定,用偏光儀,觀測比較,科學發現,

簡介鋯石又稱鋯英石，日本稱之為“風信子石”，它是十二月生辰石，象徵成功。（十二月生辰石還有綠松石、青金石）它的英文名字是Zircon ，是地球上形成最古老的礦物之一。鋯石為礦物名稱，舊稱鋯英石，風信子石，透明者作為寶石，稱鋯石寶石。其來源一說可能是在阿拉伯文“Zarkun”的基礎上演變而來的，原意是“辰砂及銀硃”；另 一說認為是來源於古波斯語“Zargun”，意即“金黃色”。第一次正式使用“Zircon”是在1783年，用來形容來自斯里蘭卡的綠色鋯石晶體。大家知道，許多東西經過熱處理就可以變性，鋯石也是如此。如果對低型的鋯石加熱到一定程度時，其就會變成無色透明晶體。比如：斯里蘭卡的鋯石多為綠色低型的，經過熱處理後，顏色明顯變淡，成為高型的鋯石寶石。我國海南省產的紅色、棕色鋯石，經過熱處理，可以變成無色的。化學成分理論化學組成理論化學組成(%)：ZrO267.22%，SiO2 32.78%。有時含有MnO、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、TR2O3、ThO2、U3O8、TiO2、P2O5、Nb2O5、Ta2O5、H2O等混入物。H2O、TR2O3、U3O8、(Nb,Ta)2O5、P2O5、HfO2等雜質含量較高，而ZrO、SiO2含量相應較低時，其物理性質也發生變化，硬度和比重降低。鋯石一般具弱放射性，有些鋯石英因含U、Th等，因放射性較強而產生非晶質化現象，這種鋯石硬度可降至6，比重可降至3.8。因而形成多種變種：山口石，TR2O3 10.93%，P2O5 17.7%；大山石，TR2O3 5.3%，P2O5 7.6%；苗木石，TR2O3 9.12%，(Nb,Ta)2O5 7.69%，含U、Th較高；曲晶石，含較高TR2O3、U3O8，因晶面彎曲而故名；水鋯石，含H2O 3~10%；鈹鋯石，BeO 14.37%，HfO2 6.0%；富鉿鋯石，HfO2 可達24.0%。有些鋯石因含U、Th等，由於放射性較強而產生非晶質化，變為非晶態。主要化學成分主要化學成分為矽酸鋯；化學組成為Zr[SiO4]，晶體屬四方晶系的島狀結構矽酸鹽礦物。晶體呈短柱狀，通常為四方柱、四方雙錐或復四方雙錐的聚形。鋯石顏色多樣，有無色、紫紅、金黃色、淡黃色、石榴紅、橄欖綠，香檳，粉紅，紫藍，蘋果綠等，一般有無色、藍色和紅色品種。色散為0.039（高）。光澤為強玻璃光澤至金剛光澤。無解理。摩氏硬度6～7.5，比重大，密度：多數在3.90～4.73 g/cm3。高型：4.60～4.80 g/cm3。中型：4.10～4.60 g/cm3。低型：3.90～4.10 g/cm3。結構形態鋯石在各種火成岩中作為副礦物產出；鋯石的化學性質穩定，因而經常保存與漂砂中，並作為碎屑物出現與沉積岩和沉積變質岩中，並且真正有開採價值的鋯石是沙型鋯石礦床。在鹼性岩和鹼性偉晶岩中可富集成礦，著名的產地有挪威南部和俄羅斯烏拉爾。鋯石也常富集於砂礦中。世界上重要的寶石級的鋯石產於寮國、高棉、緬甸、泰國等地。中國東部的鹼性玄武岩中也有寶石級的鋯石。鋯石是提取鋯和鉿的最重要的礦物原料，也用於國防和航天工業。鋯石是矽酸鹽類礦物，按其物理性質和化學成份可分為高型和低型兩個變種。結晶完整的晶體多為“高型”；晶體極差或無晶者為“低型”。由於放射性元素，使得鋯石的內部結構遭到破壞，根據內部結構特點，分為高型鋯石、中型鋯石和低型鋯石三種。但就寶石價值來說，高型鋯石價值較高。鋯石是天然寶石中折射率僅次於鑽石、色散值很高的寶石，無色透明的鋯石酷似鑽石，是鑽石很好的代用品。常用的鋯石多呈無色、紅褐色、褐紅色、綠色等。但最流行的顏色是藍色和無色兩種，其中以藍色價值較高，且一般都經過最佳化熱處理改色。市場上的許多鋯石，都是經過熱處理之後再拿出來銷售。鋯石經常用熱處理以提高其質量，或改變顏色或改變鋯石的類型，因其在最佳化過程中未添加任何其他物質，故在珠寶鑑定上，仍舊將其認定為天然寶石。經過最佳化處理，鋯石會變得更漂亮、易於銷售。鋯石的晶體屬四方晶系，a0=0.662nm，c0=0.602nm；Z=4。結構中Zr與Si沿c軸相間排列成四方體心晶胞。晶體結構可視為由[SiO4]四面體和[ZrO8]三角十二面體聯結而成。[ZrO8]三角十二面體在b軸方向以共棱方式緊密連線。復四方雙錐晶類，D4h-4/mmm（L44L25PC）。晶體呈四方雙錐狀、柱狀、板狀，且形態與成分密切有關。主要單形：四方柱m、a，四方雙錐p、u，復四方雙錐x。可依成膝狀雙晶。可與磷釔礦成規則連生。鋯石的成分中含有放射性元素鈾（U）和釷（Th）。但含量很低，遠低於安全係數。所以大家可以放心地佩戴鋯石裝飾品。鋯石是一種性質特殊的寶石。它有較高的折光率和較強的色散，無色或淡藍色的品種加工後，象鑽石一樣有較強的出火現象。由於它在外觀上與鑽石很相似，因而被譽為可與鑽石媲美的寶石。大家知道，許多東西經過熱處理就可以變性，鋯石也是如此。如果對低型的鋯石加熱到一定程度時，其就會變成無色透明晶體。比如：斯里蘭卡的鋯石多為綠色低型的，經過熱處理後，顏色明顯變淡，成為高型的鋯石寶石。我國海南省產的紅色、棕色鋯石，經過熱處理，可以變成無色的。寶石界把鋯石、綠松石、青金石同列為十二月生辰石，象徵勝利，好運，是成功的保證。我國有部分紅色或棕紅色的鋯石，不經改色處理，也可直接研磨成美麗的寶石。但應該注意，我國紅低型鋯石也是二色性較強的寶石。如果從紅鋯石某一方向上看是紅色，而從另一方向看，又是淡色或接近無色。所以，加工時，必須按一定方向研磨，讓紅色出現在磨型正面。鋯石的著名產地有斯里蘭卡、泰國、寮國、高棉。我國雲南出產的鋯石一般需經加熱改色處理。我們在商場裡看到的一些鑽石的替代品——營業員聲稱的鋯石，並不是前文所說的天然鋯石，而且一種人工合成的立方氧化鋯（Cubic Zirconia），簡稱CZ，價格遠低於天然鋯石，是鑽石的一種最常見的替代品，請勿將它與天然鋯石混淆。

鋯石在酸性和鹼性岩漿岩中廣泛分布，基性岩和中性岩中亦常產出。四方短柱狀，四方雙錐狀。硬度大，金剛光澤。與金紅石的區分是硬度大，金紅石有完全解理。與錫石區別是鋯石的密度較小。與獨居石區別是鋯石具四方柱狀晶形，且硬度較大。鋯石主要鑑定特徵有：高折射率、強光澤、高雙折射率、高密度、高色散和典型的光譜特徵等。由於鋯石色彩豐富，而且顏色深淺程度變化較大，因此，鋯石可與任何顏色、透明度的寶石相混。最易於相混的寶石有鑽石、尖晶石、金綠寶石、藍寶石、紅寶石、石榴子石、鋯石寶石、托拍石等理化性能無色、淡黃、紫紅、淡紅、藍、綠、菸灰色等。玻璃至金剛光澤，有時呈油脂光澤。不完全解理。透明到半透明。硬度7.5~8。相對密度4.4~4.8。因常具有放射性而引起自身的非晶化，透明度、光澤、密度、硬度均下降。X射線照射下發黃色，陰極射線下發弱的黃色光，紫外線下發明亮的橙黃色光。偏光鏡下：無色至淡黃色，色散強，折射率大。No = 1.91~1.96，Ne = 1.957~2.04。均質體折射率會降低，N = 1.60~1.83。熔點2340~2550℃。氧化條件下，在1300~1500℃穩定；1550~1750℃分解，生成ZrO2 SiO2。線性熱膨脹係數5.0 10-6/℃（200~1000℃），且耐熱震動，穩定性良好。高溫下不與CaO、SiO2、C、Al2O3等反應，抗渣蝕能力強，不粘鋼水。鋯石按它的結晶程度分為高型（四方晶系，受輻射少或無，晶格沒有或很少發生變化的鋯石），低型（有多種非晶質混合物組成，結晶程度低，晶格變化大），中型（介於高和低之間），硬度由低型到高型發生變化，低型可低至6，高型可高至7.5，密度也一樣從低型到高型逐漸變大，範圍為3.90~4.73，鋯石無解理，斷口呈貝殼狀，鋯石較脆，常見邊角有破損，稱為紙蝕效應。有的鋯石也可具貓眼或星光效應，只是比較罕見。鋯石穩定性好，晶體結構可以輕易鎖住鈾原子，但對鉛原子不然。因此在熔融的岩漿中形成的這種晶體已設定好放射性時鐘的指針，而鈾衰變產生的鉛可提供精確的時間，而且鋯石晶體一旦形成就無比堅硬，因而而成為同位素地質年代學最重要的定年礦物，已測定出的最老的鋯石形成於43億年以前。類型在貿易中完全用鋯石結構類型劃分品種並不利於顧客選購，而且進入市場的基本上是高型鋯石，尤其是處理石，無需強調其類型，因而，如今商業上，品種仍是以顏色劃分的。(1)無色鋯石:應和鑽石一樣無色透明，不帶任何灰或褐色調。(2)藍色鋯石:最受歡迎的品種，包括天然石和熱處理最佳化石。最佳化石因在最佳化過程中未添加任何其他物質，故在珠寶鑑定上，仍然認定其為天然寶石，寶石色度有深有淺。不帶任何褐色色調的藍鋯石有強二色性;帶褐色調的在極端高溫高壓作用下有可能轉變為金黃色（非常罕見，基本不會發生）。藍鋯石常帶很淡的綠色調。(3)藍綠色或帶黃、帶褐色的藍色鋯石。(4)綠色和微綠黃色鋯石。(5)橙色、褐色和黃色鋯石。(6)紅色鋯石:包括紅色到橙紅色者。有人還將罕見的鋯石貓眼單列為一個品種。

工業用途提取Zr、Hf的主要礦物原料。鋯石的主要工業用途如下：耐火材料;型砂材料;陶瓷原料；寶石原料。鋯石極耐高溫，其熔點達2750。並耐酸腐蝕。世界上有80%的鋯石直接用於鑄造工業、陶瓷、玻璃工業以及製造耐火材料。少量的鋯石用於鐵合金、醫藥、油漆、製革、磨料、化工及核工業。極少量的鋯石用於冶煉金屬鋯。含ZrO265～66%的鋯英石砂因其耐熔性(熔點2500℃以上)而直接用作鑄造廠鐵金屬的鑄型材料。鋯英石砂具有較低的熱膨脹性、較高的導熱性，而且較其他普通耐熔材料有較強的化學穩定性，因此優質鋯英石和其他各種粘合劑一起有良好的粘結性而用於鑄造業。鋯英石砂也用作玻璃窯的磚塊。而鋯英石砂和鋯英石粉與其他耐熔材料混合還有其他用途。鋯英石和白雲石一起在高溫下反應生成二氧化鋯或鋯氧(ZrO2)。鋯氧也是一種優質耐熔材料，雖然其晶形隨溫度而變。穩定的鋯氧還含有少量的鎂、鈣、鈧或釔的氧化物，穩定的鋯氧熔點接近2700,它抗熱震，在一些冶金套用中比鋯英石反應差。穩定的鋯氧導熱性低，在工業鋯氧中，二氧化鉿作耐熔物使用是無害的。金屬形式存在的鋯，主要用於化學工業和核反應堆工業，以及用於要求耐蝕、耐高溫、特殊熔合性能或吸收特殊中子的其他工業，在美國，鋯總消耗量中約有8%用於這些工業，而鉿金屬的唯一有意義的套用是用在軍艦的核反應堆。鋯金屬用多段提煉法獲得。最初鋯英石在電爐中和焦炭反應產生碳氫化鋯，然後氯化生成四氯化鋯。鎂還原四氯化鋯法（Thekrollprocess）包括四氯化物的還原，它把鎂金屬放在一種惰性的氣體中，用來獲得海綿狀鋯金屬。可以用碘化物熱離解法精煉高純度鋯金屬，在這一過程中，依靠金屬和碘蒸氣在200℃的溫度下發生反應，並將易揮發的碘送往連線器中，使鋯成為易揮發碘的形態，從而與大多數雜質分離。大約在1300℃的溫度下，碘化物在加熱的燈絲上被分離。燈絲上附著高純度的鋯。釋放出來的碘從燈絲中轉移，這種產物稱為鋯晶棒。用途 ：海綿鋯的90%以上是作為核反應堆中結構和包殼材料的鋯基合金的原料。金屬鋯在化工、農藥、印染等行業中可用來製造耐腐蝕的反應塔、泵、熱交換器、閥門、攪拌器、噴嘴、導管和容器襯裡等，它還可作為煉鋼過程中的脫氧、脫氮劑，鋁合金的晶粒細化劑。鋯絲可作為柵板支架、陰極支架和柵板材料，以及作為空氣等離子切割機的電極頭。鋯粉主要在軍火工業上用作爆燃劑，在電子器件內可作為消氣劑，它也可製作引火物、煙花和閃光粉佩戴注意事項鋯石是常見的寶石用礦物，但是低型鋯石有些含有放射性元素，故而有些低型鋯石有放射性，特別是亮橙色的低型鋯石，最好不要作為首飾佩戴，這樣的鋯石很可能有放射性。所以如果是首飾用的鋯石，低型鋯石是不能接受的，低型鋯石是由於放射性而晶體變為非晶體的鋯石，很可能是帶有放射性的，所以首飾珠寶用鋯石只會選用高型鋯石。相關文化在西方人看來，佩帶紅鋯石可以起到催眠作用，可以驅走瘟疫，戰勝邪惡。現今有些國家把鋯石和綠松石一起作為“十二月誕生石”，象徵成功和必勝。高型鋯石是岩漿早期結晶的礦物，不含放射性元素，對人體無害。世界上最著名的藍色鋯石，重208克拉，現珍藏於美國紐約自然歷史博物館。

最佳化處理熱處理熱處理可以改變鋯石的顏色，也可以改變鋯石的類型。1.改變顏色不同產地的鋯石經熱處理會出現不同的顏色。1）在還原的條件下進行熱處理可產生藍色或無色的鋯石。其中最重要的是越南紅褐色的鋯石原料，經熱處理後產生無色、藍色、金黃色，這是寶石首飾中最常見的品種。熱處理步驟如下：首先樣品放在封閉的坩堝里（一般放1kg），放進爐子中，在減壓還原的條件下進行加熱900~1000°C，約可使30%的樣品達到寶石級。剩下70%顏色差但淨度好的藍色鋯石，再經進一步加熱可產生無色的鋯石。這一步熱處的目的是去除鋯石中的褐色色調，以產生無色的鋯石，同時產生白霧狀效果。2）在氧化條件下進行熱處理，溫度達到900°C時可產生金黃色和無色的鋯石，有些樣品可呈紅色。上述熱處理兩個步驟下來仍未達到寶石級顏色的樣品也可以在這種氧化條件下熱處理成無色或金黃色的鋯石。經熱處理可得到無色、藍色、黃色及橙紅色鋯石。鋯石熱處理最佳化過程因未添加其他任何物質，故在珠寶鑑定上仍將其認定為天然寶石。另有一種把鋯石和硝酸，鈷鉀鐵鹽放在一起放入坩堝中燒6-8小時的處理方法（此種方法一般比較少見），在這種處理方法下產生的鋯石在極端高溫高壓條件下可以再度轉變顏色。如藍色鋯石在極端高溫高壓下可以轉變為金黃色或亮紅色，這種部分轉變顏色的鋯石有時放在有木炭的坩堝里，再度加熱至800~900°C，又可完全轉為藍色。此現象與因產地不同而導致的鋯石中雜質成分的差異有密切關係。2.改變類型加熱至1450°C，持續長時間的熱處理可引起矽和鋯石重結晶，將低型的鋯石轉向高型的鋯石。經這種處理，低、中、高型的鋯石都能提高密度（可達4.7g/cm3），具有較高的折射率和清楚的吸收線，同時還可以提高透明度和明亮程度。熱處理引起的重結晶還可產生纖維狀微晶，形成貓眼。經熱處理的鋯石表面或稜角處更加飽滿，光澤度也有一定程度的提升。輻照處理鋯石的輻照處理與熱處理結果是相反的逆變化過程。幾乎所有經熱處理得到的高型鋯石改變品經輻照處理（X射線、γ射線、高能電子等）都可以恢復熱處理前的顏色，甚至變深。天然產出的鋯石在輻照下也會發生變色，如無色鋯石在X射線照射下可變成深紅色、褐紅色或紫色、橘黃色；藍色鋯石在X射線輻照下可變成褐色—紅褐色。但這類輻照改色鋯石改色過程均可逆，在極端高溫高壓下可以恢復原狀。鑑定怎樣快速分辨鋯石和鑽石？透明度測試：如果在紙上畫一條線，將“鑽石”放置在紙上，如果透過“鑽石”可以看到那條線的話，它就不是鑽石，因為鑽石會將100%的光反射，應該看不清任何東西。濕度測試：向礦石哈氣，哈氣擴散得非常快。鑽石的表面非常光滑，它留不住水和冷凝液體。瑕疵測試：仔細地用放大鏡觀察礦石，如果可以觀察到礦石內部有一些小的瑕疵，那么這就是一顆真的鑽石。除非這是一塊非常極盡完美的鑽石（幾乎不可能）。假的鑽石總是非常純非常清澈的。紫外線測試：如果有一台比較高端的器材，可以通過紫外線來觀察，如果它可以變色，它就是真的鑽石，因為真正的鑽石是對紫外線有反應的。

用偏光儀可將均質體寶石的鑽石、尖晶石、石榴石等區分開來，因為，鋯石是非均質寶石，在偏光鏡下呈四明四暗的消光現象，而均體寶石為全消光或斑狀消光。觀測比較測折射率、密度、光譜、觀察刻面邊棱重影以及包裹體等，易將鋯石與其餘相似寶石區分來。科學發現經過科學家的檢測，在西澳大利亞一個牧羊場的石頭中提取的微型鋯石晶體已經經歷了44億年的歲月，是地殼最古老的部分之一。地質學家通過檢驗這塊石頭，確定了地殼至少於44億年前就已經形成，僅僅在太陽系形成的1.6億年之後。另外，科學家們還認為，這塊石頭的存在表明，早期的地球並不像許多科學家所認為的，是一個環境嚴酷的地方。它證明了地球曾經冷卻至適宜生命居住的溫度過。

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