КАМНЕННАЯ АЗБУКА

Возможности современной геммологии

06.11.2019

Геммология — наука о самоцветах (ювелирных камнях) — начала формироваться в первой половине ХХ в. Безусловно, красивые, яркие и редкие минералы и раньше привлекали внимание людей, но к необходимости их детального (в том числе и аналитического) изучения исследователи пришли относительно недавно.

Большинство ученых придерживаются мнения, что геммологию необходимо рассматривать исключительно в качестве прикладного направления минералогии, а не как самостоятельную научную дисциплину. Предметом изучения геммологии служат ювелирные камни — минералы, ряд органогенных образований (янтарь, жемчуг, кораллы, кость и др.), а также синтетические (имеющие природные аналоги) и искусственные (не имеющие природных аналогов) соединения, выращенные в лабораторных условиях под полным контролем человека (рис. 1). Исследование ювелирных камней тесно связано с другими геологическими дисциплинами — минералогией, кристаллографией, геохимией, геологией месторождений полезных ископаемых, без знания, понимания и применения которых роль геммологии сводится к минимуму.

Рис. 1. Ювелирные камни: 1 — аквамарин, 2 — аметист, 3 — танзанит, 4 — апатит, 5 — морганит, 6 — изумруд, 7 — синтетический желтый сапфир, 8 — аметист, 9 — сапфир, 10 — рубин, 11 — сфен, 12 — рубин, 13 — топаз, 14 — аметист. Фото Т. А. Гвозденко

История возникновения и развития

Человек всегда проявлял интерес к ярко окрашенным и особенно прозрачным камням. Еще наши далекие предки обращали внимание на красивые и редкие камушки, которые они находили и использовали в качестве украшений и амулетов. Первые описания свойств камней, дошедшие до нас, изложены в I в. Плинием Старшим в его самом известном труде «Естественная история» [1]. Другой значимой книгой о ювелирных камнях, написанной значительно позже, в 1652 г., считается Lapidary английского ученого Т. Николса [2].

Постепенно, с развитием науки (физики, химии и в особенности минералогии), открытием новых месторождений и выделением разновидностей ювелирных камней мировое сообщество осознало необходимость изучения самоцветов. Впервые термин «геммология» (от латинского gemma — ‘самоцвет, драгоценный камень’ и греческого λογοζ — ‘слово, разум’) стал употребляться на рубеже XIX и XX вв. Несколько лет спустя, в 1908 г., в рамках Национальной ассоциации ювелиров Великобритании был организован Образовательный комитет, позднее преобразованный в Геммологическую ассоциацию Великобритании (Gem-A). Впервые в мире началась подготовка специалистов по диагностике ювелирных камней — экспертов-геммологов. Следующим важным событием стало открытие в 1931 г. Геммологического института Америки (GIA) — одной из лидирующих научно-исследовательских организаций в области геммологии в мире. Инициатором его создания стал выпускник Gem-A Роберт Шипли.

В России у истоков исследования самоцветов стояли академик В. М. Севергин (1765–1826), писатель, краевед М. И. Пыляев (1842–1899), а также академик А. Е. Ферсман (1883–1945), внесшие огромный вклад в становление и развитие отечественной геммологии.

В начале XX в., параллельно с созданием исследовательских институтов, постепенно начала развиваться приборная база для изучения и диагностики самоцветов. Были изобретены рефрактометр для определения показателя преломления минералов (Г. Смит, 1905), эндоскоп для диагностики жемчуга (К. Чиловски и А. Перрин, 1920-е годы), полярископ для изучения оптических свойств камней, геммологический микроскоп для диагностики самоцветов и детального изучения включений (Р. Шипли и Р. Шипли мл., 1930-е годы), фильтр Челси для выявления имитаций драгоценных камней, а также был разработан метод определения удельного веса камней с применением тяжелых жидкостей (Б. Андерсон с коллегами, 1930-е годы) [3].

Рис. 2. Минералы — природные пигменты: слева — лазурит 20×17×16 см; справа — малахит 19,5×18×5 см. Собрание ГГМ РАН

С древнейших времен человечество стремилось к преобразованию (облагораживанию) природных камней для улучшения их внешнего вида. Еще до нашей эры люди успешно владели способами усиления и изменения цвета — в буквальном смысле запекали камни в огне. Позже стали использовать натуральные красители (рис. 2), такие как охра, киноварь, лазурит, малахит, или подкладывать цветную фольгу под бесцветные либо слабоокрашенные камни. В собрании Алмазного фонда России представлено украшение «Большой букет» с цветными бриллиантами и изумрудами. В ажурную оправу бутона вставлен редкий нежно-фиолетовый бриллиант весом 15 карат — единственный цветной бриллиант в этом изделии. Под остальные, бесцветные, бриллианты мастер подложил разноцветную фольгу, чтобы они выглядели цветными (рис. 3).

Рис. 3. «Большой букет» из собрания Алмазного фонда РФ. Фото: Гохран России

Сегодня, с развитием технологий, в зависимости от исходного материала (вида камня и его особенностей) успешно применяются разные методы облагораживания: облучение (электронами, нейтронами, γ-лучами), термообработка, термическая диффузия («имплантирование» оксидов титана, хрома и бериллия), заполнение трещин различными по составу веществами, поверхностная обработка (отбеливание, нанесение тонких пленок, вощение), прокрашивание и т. д. Существуют и весьма занятные способы облагораживания. Например, нагрев опалов в сахарном растворе с последующей обработкой серной кислотой. При этом базовый цвет камня темнеет, что подчеркивает его яркую опалесценцию на темном фоне. Такой способ облагораживания мы в шутку называем кисло-сладким. Цена самых дорогих опалов может доходить до нескольких тысяч долларов за карат.

В конце XIX в. — начале XX в. начали проводиться опыты по синтезу самоцветов (создание в лабораторных условиях под контролем человека ювелирных камней с химическими и физическими свойствами, схожими со свойствами их природных аналогов). Так, в 1902 г. французский химик О. Вернейль обнародовал успешные результаты синтеза корундов. Полученные им минералы впервые нашли широкое применение в промышленных масштабах. Метод основан на плавлении оксида алюминия с примесями оксидов металлов (хрома, титана, железа, никеля, ванадия) в огне кислородно-водородной горелки. До Вернейля опыты по синтезу ювелирных камней проводили: французские химики М. Годен (1837), Ж.-Ж. Эбельман (1851), Э. Фреми и Ш. Фейль (1877), П. Отфель и А. Перре (1888), шотландский химик Д. Хэнней (1880) и др. Хэнней, как считается, первым синтезировал алмаз [4].

Позднее ученые разработали (усовершенствовали) и другие способы синтеза: раствор-расплавный (флюсовый), метод Чохральского, заключающийся в «вытягивании» кристалла из расплава; гидротермальный; синтез при высоких давлении и температуре (НРНТ) и ряд других [5–7]. Сегодня в лабораториях по всему миру выращивают ювелирные камни отличного качества, зачастую даже превосходящие свои природные аналоги по яркости и насыщенности цвета, блеску, а также отсутствию дефектов. В мае 2015 г. российская компания New Diamond Technology заявила о выращенном методом HPHT алмазе в 32,26 карата, который впоследствии огранили в бриллиант весом 10 карат и сертифицировали в одной из авторитетных геммологических лабораторий.

Начиная с 50-х годов прошлого века ученые (в особенности, швейцарский профессор Э. Гюбелин — один из основоположников современной геммологии) стали активно заниматься исследованием происхождения драгоценных камней [8]. В течение более полувека накапливались данные (в основном о сапфирах, рубинах и изумрудах) из разных месторождений по всему миру.

Вопрос происхождения различных драгоценных камней — весьма сложный и нередко спорный. Часто полученных в ходе исследования данных бывает недостаточно для однозначного определения региона, из которого происходит данный минерал [9]. А эта информация весьма существенно влияет на стоимость драгоценного камня. Собранный фактический и аналитический материал позволяет нынешним специалистам геммологических лабораторий определять принадлежность драгоценного камня к конкретному месторождению с весьма высокой точностью.

Современный вид геммология начала приобретать во второй половине XX в. — с изобретением точных методов исследования минерального вещества (спектроскопии, тонких методов анализа химического состава), а также существенно усовершенствованной микроскопии.

Современный подход к решению проблем

За более чем столетнюю историю развития геммология претерпела значительные изменения, пройдя путь от простейшей диагностики камня с помощью лупы, рефрактометра и полярископа (традиционных геммологических методов) до использования сложных инструментальных исследований минерального вещества.

Среди основных задач, решаемых геммологией сегодня, следует отметить: определение минерального вида и разновидности ювелирного камня, определение его генезиса, выявление облагораживания, установление географической привязки с точностью до месторождения.

Последние три пункта можно считать основными задачами геммологии XXI в. Их успешное решение зависит не только от опыта геммолога, который должен иметь глубокие фундаментальные знания в области минералогии, но и от умения интерпретировать данные, полученные с помощью современного оборудования.

Сейчас в отечественных и зарубежных геммологических лабораториях используются высокотехнологические приборы, позволяющие решать самые сложные задачи. Среди современных методов исследования наибольшее распространение получили спектрометрические методы: оптическая и инфракрасная спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеивания (рамановская), а также тонкие методы определения химического состава: рентгенофлуоресцентный и масс-спектрометрический анализ с индуктивно связанной плазмой и с лазерной абляцией (LA-ICP-MS), электронно-зондовый микроанализ, а также энергодисперсионная рентгеновская флуоресценция. На сегодняшний день среди методов определения химического состава одним из самых высокоточных и оптимальных считается LA-ICP-MS, позволяющий определять содержание практически всех химических элементов с пределом обнаружения до миллионных (ppm) и даже миллиардных частей (ppb) [10]. В некоторых случаях применяются и другие инструментальные методы исследования — фотолюминесцентная спектроскопия, катодолюминесценция, электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия (LIBS) и масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS) [10].

Как правило, для получения наиболее достоверных результатов используют несколько методов одновременно. Так, например, для определения происхождения (месторождения) сапфиров в комплексе используются микроскопия, оптическая спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеивания (идентификация включений в сапфире), а также масс-спектрометрия [11]. Анализ результатов таких исследований позволяет получить полную картину происхождения образца.

Стоит отметить, что вышеперечисленные методы были лишь адаптированы под геммологические задачи, а не разработаны специально для их решения. Использование разрушающих методов изучения в геммологии недопустимо, так как иногда стоимость исследуемых образцов превышает десятки и сотни тысяч долларов.

С появлением и развитием спектрометрии и методов определения тонкого химического состава вещества возможности геммологии значительно расширились. Использование современных аналитических методов позволяет решать ключевые задачи геммологии, в то время как традиционные методики оказываются бессильны.

***

Геммология как самостоятельное научное направление начала развиваться чуть более 100 лет назад, но за этот относительно небольшой промежуток времени мировое геммологическое сообщество прошло значительный путь. На сегодняшний день накоплена огромная фактическая и аналитическая базы по самоцветам. Они постоянно пополняются. Геммология совершенствуется и с появлением и развитием новых методов облагораживания и синтеза ювелирных камней, требующих разностороннего подхода в диагностике. В лабораторной практике известны случаи одновременного использования нескольких видов облагораживания не только природных, но и синтетических ювелирных камней. В основе многих методов синтеза лежит повторение природных процессов, в том числе использование природных затравок (флюсовой, гидротермальной и др.). Все это приводит к появлению дополнительных сложностей, справиться с которыми могут только высококвалифицированные специалисты.

С началом применения высокотехнологических приборов геммология постепенно уходит от «субъективной» диагностики в «объективную», все более обоснованную и подкрепленную результатами точных инструментальных методов исследования вещества.

Геммология тесно взаимосвязана с коммерческой практикой. В условиях современного ювелирного рынка знание происхождения и выявление облагораживания ювелирных камней необходимы. Ошибка в их оценке может стоить тысяч, а порой и десятков тысяч долларов. Особенно это актуально для редких и крупных драгоценных камней с высокими характеристиками. Так, например, в мае 2015 г. на аукционе «Сотбис» было продано кольцо с бирманским рубином в 25,59 карата цвета «голубиная кровь» (самые дорогие рубины на ювелирном рынке) за рекордные 30 млн 300 тыс. долл. США. Природа происхождения камня и отсутствие признаков облагораживания подкреплялись сертификатами нескольких авторитетных геммологических лабораторий. На сегодняшний день этот камень — самый дорогой природный рубин, проданный с аукциона. В начале 2012 г. на одном из аукционов в Канаде на продажу выставили гигантский ограненный изумруд Teodora весом 57,5 тыс. карат с низкой стартовой ценой в 1 млн 150 тыс. долл. США. Как оказалось впоследствии, камень представлял собой прокрашенный берилл, а не изумруд. Таким образом, облагораживание существенно влияет на цену ювелирных камней, которая может отличаться на несколько порядков в зависимости от наличия облагораживания.

С появлением (и постоянным увеличением количества) синтетических алмазов на ювелирном рынке приборная диагностика бриллиантов стала необходима и чрезвычайна важна. Синтетические алмазы дешевле природных на 20–30%. Зачастую мастера используют природные и синтетические бриллианты в одном ювелирном изделии одновременно (см. рис. 4). В определении происхождения бриллиантов на помощь экспертам приходит ИК-спектроскопия. Сегодня, хорошо оснащенные лаборатории довольно легко справляются с этой задачей. На рис. 5 приведен пример ИК-спектра природного бриллианта (типа IaA согласно общепринятой физической классификации алмазов). В спектре хорошо видна основная диагностическая полоса 1282 см−1 (А-центр, представляющий собой пару атомов азота в соседних узлах кристаллической решетки алмаза) [12]. На спектре присутствует и полоса поглощения 3107 см−1, которая свидетельствует о примеси водорода, что также говорит о природном происхождении образца [13].

Рис. 5. Пример ИК-спектра природного бриллианта типа IaA. Присутствие полос 1282 см−1 и 3107 см−1 подтверждает природное происхождение образца. Внизу — работа геммолога-аналитика с ИК-спектрометром. Фото С. В. Степановой

При формировании стоимости ювелирных камней особую роль играет страна происхождения или конкретное месторождение. В качестве примера можно привести турмалин параиба — это одна из самых востребованных сегодня на рынке разновидностей турмалина (рис. 6). Стоимость неоново-голубого минерала может отличаться в несколько раз. Решающий фактор — месторождение ювелирного камня (в Бразилии, Нигерии или Мозамбике), определить которое возможно при помощи оптической спектроскопии по содержанию меди в самоцвете [14].

Рис. 6. Образцы бразильского турмалина параиба — одной из самых востребованных на рынке его разновидностей. Диаметр верхнего левого образца 7 мм. Фото Е. И. Герасимовой

Как мы видим, успешное развитие геммологии неразрывно связано с комплексным использованием традиционных и современных инструментальных методов исследования ювелирных камней, накоплением представительной аналитической базы, а также с одной из самых важных составляющих — грамотной интерпретацией получаемых данных высокопрофессиональными специалистами.

Литература
1. Плиний Старший. Естественная история. Книга XXXVII. Перевод с латинского и комментарии Г. А. Тароняна. М., 1994.
2. Nicholas T. A lapidary, or the history of precious gemstones. Cambridge, 1652.
3. Рид П. Геммология. М., 2003.
4. Hannay J. B. On the artificial formation of diamond // Proc. Roy. Soc. 1880; 30: 188–189. Preliminary note: 450–461.
5. Вильке К. Т. Выращивание кристаллов. Л., 1977.
6. Scheel H. J. Historical aspects of crystal growth technology // Journal of Crystal Growth. 2000; 211(1): 1–12.
7. Levin I. H. Synthesis of precious stones // The Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 1913; 5(6): 496–500.
8. The Roots of Origin Determination // Jewellery News Asia. 2006; July: 66–71.
9. The Limitations of Origin Determination // Jewellery News Asia. 2006; August: 52–62.
10. Breeding C., Shen A. et al. Developments in gemstone analysis techniques and instrumentation during the 2000s // Gems&Gemology. 2010; 46(3): 241–257.
11. Krzemnicki M., Halicki P. Kashmir sapphires: Potential and limitations of origin determination by chemical fingerprinting with LA ICP mass spectrometry. GAHK Seminar. 23 June. 2012.
12. Cоболев Е. В., Лиcойван В. И. О пpиpоде cвойcтв алмазов пpомежуточного типа // Докл. АН CCCP. 1972; 204(1): 88–91.
13. Woods G. S., Collins A. T. Infrared absorption spectra of hydrogen complex in type I diamonds // J. of Physics and Chemistry of Solids. 1983; 44: 471–475.
14. Abduriyim A., Kitawaki H., Furuya M., Schwarz D. «Paraiba» — type copper-bearing tourmaline from Brazil, Nigeria and Mozambique: Chemical fingerprinting by LA-ICP-MS // Gems&Gemology. 2006; 42(1): 4–21.