马志飞，1984年生，地质工程师，2009年毕业于太原理工大学矿业工程学院地球探测与信息技术专业，获硕士学位，现在北京市地质研究所从事地质勘查与地球物理勘探研究工作。北京科学技术普及创作协会会员，曾荣获中国科协首届全国科学博客大赛“杰出原创空间奖”和“zui佳博客文章奖”、第二届全国科学博客大赛“优秀博客文章奖”，著有《世界地理地质之谜大全集（破解版）》（科学出版社），发表地质科学方面的学术论文和科普文章三百多篇。
1.3 祖母绿：不是祖母喜欢的那种绿
《红楼梦》第五十二回，薛宝琴说：“我八岁时节，跟我父亲到西海沿子上买洋货，谁知有个真真国的女孩子，才十五岁，那脸面就和那西洋画上的美人一样，也披着黄头发，打着联垂，满头带的都是珊瑚，猫儿眼，祖母绿这些宝石……”有红学研究者认为，文中所说的“西海沿子”应该是指我国福建沿海一带的商埠，“真真国”应该是南海之西诸岛，这位满头带着宝石的真真国女孩可能是荷兰人。沿海地区对外通商相对繁华，国外的珠宝玉石便逐渐走进明清时期的富贵人家。清朝末年，嘉庆皇帝查抄贪官和珅的家产时，在大量的珠宝中就发现有多块祖母绿宝石，它们都来自于国外。史料记载，慈禧太后去世后，其墓葬中有大量珠宝，黄金、珍珠、翡翠等本土所产的自不必说，还有很多来自于国外的珠宝，其中就有祖母绿。
与祖母无关
仅从字面上看，很多人都会觉得祖母绿应该是祖母戴的宝石。其实不然，祖母绿和祖母之间并没有什么特殊的必然关系，只因为它的名称源于古波斯语Zumurud，被音译成汉语之后就成了“助木刺”“子母绿”，后来又变成了 “祖母绿”。
早在公元前3500至前3000年间，在埃及红海附近人们就已经发现并开采祖母绿，它也是当时埃及女王钟爱的宝石。到了公元前2000年左右，祖母绿成为埃及贵族必备的装饰珍品。传说，祖母绿是爱神维纳斯喜爱的宝石，所以在西方珠宝文化史上，人们一直认为它会给佩戴者带来一生的平安，并选取祖母绿作为5月的幸运石，同时也将祖母绿作为结婚55周年的纪念石。
尽管祖母绿在我国出产稀少，但深受人们喜爱，清代以前其知名度远远大于钻石。明朝永乐年间，郑和受明成祖朱棣之命，率领庞大的船队七下西洋，拜访了30多个国家和地区，明代小说家罗懋登在其所著的《三宝太监西洋记通俗演义》一书中写道，木骨都束国、竹步国和卜刺哇国这三个国家共同为大明王朝进贡，贡单上记之曰：“玉佛一尊，玉圭一对，玉枕一对，猫睛石二对，祖母绿二对……”这里所说的木骨都束国、竹步国和卜刺哇国都位于现在的非洲索马里一带，在当时的非洲，祖母绿是珍贵宝石，送到中国来更是无价之宝。
剔透无暇的钻石，通常是皇家贵族最喜欢的珍宝，但是法国的拿破仑与众不同，他最喜欢那种青翠欲滴的祖母绿。1804年拿破仑称帝，加冕约瑟芬为皇后，并亲自为皇后带上了镶嵌着祖母绿的皇冠。可是好景不长，迫于政治压力，约瑟芬与拿破仑在1809年离婚，一位画家在为约瑟芬离婚前绘制画像时，问她该佩戴哪种首饰，悲痛欲绝的约瑟芬最终选择了拿破仑送给她的一条祖母绿项链。
与海蓝宝石为亲
从化学矿物学的角度来看，祖母绿其实是铍铝硅酸盐，化学成分为Be3Al2[Si6O18]，也就是说主要由铍、铝、硅和氧四种元素组成，属于绿柱石家族。绿柱石硬度为7.5，晶体往往很大，历史上曾经发现过长达8米、横切面直径2米的晶体。在地球上，铍、铝、硅和氧这几种元素普遍存在，但通常情况下这些元素聚集在不同的地方，是不会混合在一起的，所以严格来说，祖母绿也许就不应该存在，但频繁的地质构造运动创造了奇迹，大陆漂移、板块碰撞、火山喷发等最终导致大陆地壳失去了它最初的纯度，使得多种元素相互混合并重新结晶。但是，结晶之后的绿柱石大多为浅绿色，要表现出如同嫩绿的青草一般的绿色，还需要一种“杂质”来帮忙，那就是铬元素。
由于绿柱石矿物中的铝离子（Al3+）半径和铬离子（Cr3+）半径相差不多，铬离子就会李代桃僵，以类质同象的形式代替部分铝离子，同时由于存在铍（Be2+）和硅（Si4+）两种离子，从而使得其周围配位电场强度减弱，电子从一个基态能级跃迁到另外一个能级，需要吸收一定的能量以保证电子被激发，而这个能量对应的恰恰是红色光和紫色光波段，即红光和紫光被大量吸收，从而残余的混合色就成了祖母绿的绿色。不仅如此，如果绿柱石中混入了铯，会表现出粉红色，称为铯绿柱石；如果含有二价铁时，呈淡蓝色，称为海蓝宝石；含有三价铁时，呈黄色，称为黄绿柱石。
所以，祖母绿宝石的诞生，可谓是多种元素的“机缘巧合”，而且还是千百万年时间凝聚的精华，主要产于绿柱石花岗伟晶岩及其相应的砂矿中。目前，世界上最好的祖母绿产于哥伦比亚，在纽约自然历史博物馆曾经展出过一颗产自于哥伦比亚的祖母绿晶体，重达632克拉，据说哥伦比亚的波哥大银行收藏着世界上最珍贵的五颗祖母绿宝石，重量在220～1796克拉之间。另外，在巴西、澳大利亚、巴基斯坦、哈萨克斯坦、马达加斯加、赞比亚、坦桑尼亚、南非、尼日利亚、津巴布韦等地也有产出。20世纪90年代，我国云南发现了祖母绿矿床，但颜色多为黄绿色，质量一般。2004年，我国新疆发现了质地相对较好的祖母绿矿，颜色翠绿，略带有浅蓝色。
让钻石低头的昂贵
2001年，巴西东北部的巴伊亚州矿工发现了一块重达380余千克的祖母绿原矿，其中所含的祖母绿宝石大约有18万克拉，价值4亿美元。据说，当时开采这块矿石的时候，矿工们用骡车搬运，后来半路上遭遇美洲豹袭击，之后矿工们被迫抬着这块矿石步行将其送到了圣保罗市，将其命名为“巴伊亚祖母绿”。此后，这块矿石经历了多次转手和买卖，其中伴随着欺诈和虚假交易，2005年被卖到美国，存放在新奥尔良一家银行地下三层的金库中，可是新奥尔良遭遇史上罕有的飓风袭击，将它湮没在水底，两个月之后又被潜水员打捞出来。接下来，重新走进人间的巴伊亚祖母绿一次又一次转手，价格节节攀升，买卖过程中又有多人受骗。巴伊亚祖母绿到底该属于谁呢？就这样，引发了一场错综复杂的官司，至少有8人宣称对它拥有所有权。此案诉诸公堂，2015年3月闹到洛杉矶高等法院，正当洛杉矶高等法院为此事而头疼的时候，巴西政府站了出来，决定向美国政府讨要这块宝石，巴西政府代表称“没有任何宝石、石头或者矿产可以在未经授权的情况下离开巴西”。然而，时至今日，价值连城的巴伊亚祖母绿究竟会判给谁，我们还不知晓。
世界上还有比巴伊亚祖母绿个头更大的精品，2007年7月，人们在马达加斯加东南部发现了一块重达536千克的祖母绿原矿，它长125厘米、宽78厘米、高55厘米，2008年在我国香港抱趣堂当代艺术馆展出。据了解，这块原生矿石是以传统爆破方式开采出来的。爆破方式通常会将矿石崩成碎石块，所以，能获得这么大的完整矿石实属不易，如今它已经被载入吉尼斯纪录，成为世界上最大的祖母绿。
在宝石交易中，评价祖母绿的经济价值主要依据4C标准。质量上乘的祖母绿要求颜色纯正、浓艳，其中以翠绿、微带蓝的翠绿色最佳，内部要求纯净无暇，块度要求越大越好，切工要求对称、抛光度好。如果切割合适，会有美丽的猫眼效应。
祖母绿硬度很好，但生性较脆，且内部还有许多细小裂纹，这使得对祖母绿的切割十分困难，通常几十克的一块原料只能磨得2～3克拉的少许成品。重量在2克拉以上的优质祖母绿已经十分罕见，超过5克拉以上的祖母绿更是难得的珍品，大于0.5克拉的祖母绿，其价值就已经明显高于同重量的钻石。
祖母绿内部常见的是一种直线状丝纹，就像蝉翼一样，叫做绵。这其实是一种内部暗伤裂纹，没有贯通表面，这种绵纹可以帮助我们很好地鉴别真假祖母绿。人造赝品不易产生这种裂纹，即使有也是近圆形或同心圆形的，而不是天然宝石中的平行直线纹。正因为存在这种人工合成的困难，才使得天然祖母绿显得更加珍贵。
里面有硬“铍”
在普通百姓眼中，祖母绿是价值连城的珍贵宝石。在科学家眼中，它还有更大的魅力。
18世纪末，法国矿物学家阿羽伊在研究祖母绿和绿柱石这两种矿物时，发现它们晶体的几何结构完全相同。于是，他怀疑这两种物质应该是同一种矿物，但为了保证推断结果的准确性，他请求化学家沃克朗帮忙鉴定。鉴定结果表明，祖母绿和绿柱石的化学组成确实是完全相同的，祖母绿实际上就是绿柱石的一种。更令人震惊的发现在于，沃克朗在鉴定过程中，意外地发现绿柱石中除了含已知的硅和氧化铝外，还有一种新物质。1798年2月，沃克朗宣布了自己的这一发现，并给它取名“铍”。可是由于技术所限，把铍提纯出来十分困难。直到30年后的1828年，科学家才将金属铍从化合物中分离出来。
“铍”这种物质是最轻的碱土金属元素，比铝轻三分之一，但强度比钢还要大很多，而且还具有显著的抗腐蚀性，加少量铍于铜中，可制成既耐腐蚀又极坚韧的合金，用于制造飞机零件，将会大大减轻飞机的质量，提高飞机的灵活机动性，所以被广泛应用于航空工业，尤其是用来制造强调速度的战斗机。
此外，铍是金属中的良导体，传热性能是钢的3倍。鉴于这种特性，许多超音速飞机的制动装置中用到了铍，“刹车”制动时产生的热量能很快散失。同样的道理，如果用铍来制造宇宙飞船的外层材料，当它高速穿越大气层时，摩擦产生的高温可以快速传导出去，保障了飞行器的安全。
1.4 水晶：像水一样的谎言
在古人眼里，水晶是“千年之冰所化”“水之精灵”，是建造水底龙宫的材质，只要嘴里含上一块就能够止渴，甚至还有人相信透过它可以看到千里之外的世界。水晶是什么？真的和水有关么？
水晶与水精
《山海经》中记载：“堂庭之山多水玉。”南宋诗人杨万里有诗曰：“西湖野僧夸藏冰，半年化作真水精”。此处的“水玉”和“水精”都是水晶之别称。屈原曾赋诗赞美水晶曰：“登昆仑兮食玉英，与天地兮同寿，与日月兮同光。”这里的玉英也是水晶的别称。唐代诗人崔珏写诗赞誉一块水晶做成的枕头：“千年积雪万年冰，掌上初擎力不胜。南国旧知何处得？北方寒气此中凝。”诗中极其形象地描绘出水晶的特殊魅力，它仿佛是千年积雪、万年寒冰变成的美玉，澄澈的晶体似乎容纳了南方秀美怡人的风景和北方沁人心脾的凉爽，构成了一幅绝美的晶中世界。
对于水晶的早期认识，中西方的观点基本一致。据说，罗马人最早在阿尔卑斯山上发现了水晶，由于山高陡峻而且四季积雪，他们也认为水晶是冰变成的。
水晶与石英
我们现在知道，水晶跟水没多大关系，也不一定就是无色透明的，从其矿物成分上来看，它只不过是石英，即二氧化硅，化学式为SiO2，这种矿物是地球上数量最多的矿物之一，按照体积来计算，石英矿物占到了整个地壳的11.9%。当我们踩在海边的沙滩上，脚下细腻的沙粒大部分都是二氧化硅。但是结晶完美的石英超凡脱俗，成了一种最纯净的宝石。水晶不仅深受古人喜爱，也得到现代人的追捧。小块儿的可以做成吊坠、耳钉，块儿头较大的则可以制成观赏石，摆放于家中，正映衬了文人墨客智者乐水仁者乐山的闲情逸致，可谓各得其乐。如今，日本、瑞典、瑞士和乌拉圭等国家都把水晶作为国石。
水晶家族不仅在地球上分布范围很广，而且颜色多变，异彩纷呈，除了纯净无暇的透明水晶之外，还有乳白色的“乳石英”、紫色的“紫晶”、金黄色或柠檬色的“黄晶”、淡粉色的“蔷薇水晶”、红色的“红水晶”，绿色的“绿水晶”，还有的内部包裹着柱状或针状物的，名为“发晶”，倘若含有不同杂质，以隐晶质的形式在岩石的裂隙或空洞中分层沉淀，会形成具有同心环状或多色条状结构的石英集合体——玛瑙。
远观水晶，清澈透亮是它最大的特点，当我们走近它的时候，就会发现，水晶的晶体具有规则的六棱柱形状，有些柱体为一头尖，有些是两头都尖，还有多条长柱体连结在一块，像怒放的花朵，十分美丽。这是为什么呢？
从矿物学角度来说，不同的晶体都有不同的形态，有的是针状，有的是板状，有的是粒状，还有的是柱状，这主要取决于晶体的内部结构。但是通常情况下，我们难以观察到它规则的单晶形态，这是由于晶体的生长还受到外界环境的影响，比如温度、压力、溶液浓度等物理化学条件及空间情况，如果条件恰当，水晶可以长得很大。吉尼斯记录中所记载的“最昂贵的浴缸”，是一块完整的水晶制品，长约2米，重约2吨，它是从一块重达10吨的水晶中直接切割出来的，在伦敦著名的哈罗兹百货公司销售，标价为84.5万美元。我国新疆、内蒙古、江苏、海南等省区均有水晶产出，其中以江苏东海县的水晶最为著名。东海县内已经探明的天然水晶储量约为30万吨，种类繁多，质地纯正，堪称“水晶之都”，1958年曾在这里发现过一块重达4吨多的“水晶王”。目前，东海县已经成为闻名世界的天然水晶原料集散地。
当地下深处存在空洞时，如岩洞、岩石裂缝等，在含有饱和二氧化硅的地下水环境中，如果具备合适的条件，比如有两三个大气压的压力，水温在500～600℃之间，二氧化硅便会从溶液中自发生成晶芽，过饱和溶液中的二氧化硅分子便会粘附在晶芽上，以洞壁或裂隙壁作为共同基底，经过数万年甚至上千万年的时间，最终结晶成为长长的六方柱状的美丽水晶，大量的单晶体朝着自由空间中发育形成集合体，就是晶簇构造，因为形成于孔洞内，这样的构造就是晶洞。1900年，人们曾经在南美洲的巴西发现了一个规模罕见的水晶洞，晶洞深9.7米、宽1.9米、高0.9米，洞中的水晶总重量达35吨，其规模之大堪称世界之最。我国湖南省耒阳县上堡硫铁矿区也曾经发现过一个巨大的水晶洞，该洞长8米，宽1.7米，高1.6米，规模之大、形态之美十分罕见。现如今，很多人相信紫晶洞具有紫气东来、镇宅辟邪的寓意，所以喜欢将大块紫晶洞一剖为二，摆放在家中客厅里或办公室内，成为当前流行的一种风水石。
颜色与能量
水晶的颜色为何如此丰富多彩？很多学者提出过不同的观点。比如烟晶，这种水晶由表及里透着一种烟黄色甚至是暗褐色，仿佛被黑烟熏过一般，某些烟晶的颜色可能会发黄，被称作“茶晶”，若颜色暗黑，则被称为“墨晶”。有种说法认为，烟晶发黑是由于其中含有少量的碳元素所致，《地质大辞典》中对烟晶的解释为：“色素是含碳所致，黑的深浅决定于碳的多少，全黑者称墨晶。”但凡提到墨字，我们自然而然地会想到碳，但随着研究的不断深入，有人对此提出了质疑。
类似于紫晶，长期以来人们认为紫晶的紫色是杂质元素铁或锰、钛等混入引起的“他色”，杂质含量的多少影响紫色的深浅，但是后来的研究发现，当紫晶被加热到450～500℃时，紫色会消退并变为黄色，所以也有人认为紫晶的颜色只是因为内部铁离子的电子层发生变化所引起的光学现象。同样的，有人对烟晶进行加热，当达到225℃时，烟晶开始慢慢褪色，随着温度不断升高，褪色速度也加快，直至变为无色。
这表明，水晶的颜色变化肯定和能量有着密切的关系。
我们知道，矿物晶体的结构是在空间范围内周期性的重复排列，但有时候，某种杂质的出现会在某一个或几个结点上将这种重复性排列的晶体结构破坏掉，比如，石英晶体中原本是二氧化硅，但有时候其中的硅Si4+会被铝Al3+所代替，此时，正电荷较少的阳离子进入晶格中代替了正电荷较多的阳离子，从而会导致局部电中性遭到破坏，在受到外界X射线、γ射线、中子轰击时，晶体损伤形成晶格缺陷，这些微观的缺陷就可以束缚电子或形成可见光的吸收中心，从而在晶体中引起颜色的变化。
1979年，一位学者采用钴-60对一种无色水晶进行辐射处理之后，竟然真的将其变成了烟晶，这是人类首次通过实验的方式证实了以前的猜想。这位学者所采用的钴-60是一种放射性金属元素钴的同位素，它可以通过β衰变释放出较强的能量和γ射线。实验中采用的无色水晶也是其中含有少量铝的石英晶体。
由此人们得知，烟晶之所以呈现出烟黄色或暗褐色，既与其内部结构有关，又与外界辐射有关。天然产出的烟晶应该是那些含有少量铝的无色水晶，在地下遭受了放射性辐射之后形成的。当然，作为摆放在家里的宝石工艺品，经过检验的烟晶即使残留有放射性，其能量也很小，是不足以危害到人体健康的。
水晶与玻璃
在《西游记》中，齐天大圣孙悟空多次勇闯龙宫。那龙宫是用奇珍异宝建造而成，装饰有各种玉石和珊瑚，其中最吸引人的还是晶莹剔透的水晶。它们将龙宫装扮得极其富丽堂皇，因此，龙宫又叫“水晶宫”。现实中是否真的有这样的水晶建筑呢？
我国南朝宋时期的历史学家范晔所著《后汉书》中记载“大秦国宫室皆以水精为柱”。虽然不能与龙王的水晶宫相媲美，但根据那高大的水晶柱我们仍然可以想象得出秦宫的奢华。在玻璃尚未普遍使用的时候，水晶是皇家贵族才能用得起的珍贵饰品。唐朝李白有首反映宫女哀怨的诗，题为《玉阶怨》，诗中写道：“玉阶生白露，夜久侵罗袜。却下水精帘，玲珑望秋月。”这其中的帘子即为水晶制成。
外表看起来，水晶和玻璃相似，但实际上二者差别很大。水晶是矿物晶体，内部质点排列有序，而玻璃是非晶体，内部质点排列无序。水晶的热导性能很强，它能把热量很快传到别的地方，倘若把水晶握在手心里，手上的热很快就传到水晶的各处，我们会感到很凉，换成玻璃则会相对较温暖。生活中我们经常会遇到这样的事情，将滚烫的开水倒进冷玻璃杯中，杯子很容易炸裂，原因就在于玻璃导热慢，内外温度不均匀，导致热胀冷缩也不均匀，从而炸裂，而水晶做成的杯子却不会出现这样的情况。
日本奈良的中宫寺，曾经发生过一件离奇的事情。这座寺庙中供奉着一尊高6米的观音菩萨像，雕像是由一整棵桧木雕刻而成。1987年的一天，当一群虔诚的佛教徒正在菩萨像前烧香磕头时，突然有人发现，菩萨像的双眼竟然流出了泪水。经科学家实地考察后发现，原来制作这座雕像的木头吸水能力很强，湿气凝聚却无法排出，而雕像的眼睛并非木头，而是天然水晶，水晶导热快，表面清凉，水汽碰到水晶易于凝结成水，一旦眼眶内储水过多便会自动流出。
鉴别水晶和玻璃的简单方法是：透过它们来观察对面的事物，比如头发丝，如果能看到头发丝呈现出双影，这就是水晶，否则就是玻璃，因为水晶对光线具有明显的双折射性。随着现代化学工业的发展，人们制造出了性能特殊的水晶玻璃，这是一种只含有二氧化硅单一成分的特种玻璃，耐高温、耐腐蚀，可作为国防工业、冶金、化工和建筑等行业的重要原材料。
险些成了潜艇克星
水晶因其特殊的美学价值常成为名贵的工艺品雕刻材料，但这只是水晶家族中的一个应用领域，水晶的工业价值远不止如此。
在工业上，由于水晶硬度较大，莫氏硬度为7，仅次于金刚石（莫氏硬度为10）、刚玉（莫氏硬度为9）和黄玉（莫氏硬度为8），抗风化能力强，研磨之后的石英粉可以做成金属抛光剂，常应用于研磨机、喷砂机中。
1880年，法国化学家皮埃尔?居里和雅克?居里兄弟俩发现了水晶的一个奇怪现象，当这种晶体某一方向上受到压应力或者张应力的作用时，会导致垂直于应力的两边表面上产生正负相反的电荷，如果机械压力一压一张交替作用，就可以产生交变电场，这就是著名的“压电效应”。
可是这种物理性质有什么用途呢？可别小看了它，在战争中水晶的压电效应发挥过重要的作用。第一次世界大战期间，属于同盟国的德国使用了水下利器——潜艇，给协约国造成了重大打击。如何准确发现并定位神出鬼没的德国潜艇，成为一大难题。物理学家根据声波可以在水中传播很远、衰减很小的特点，发明了一种回声探测器，而回声探测器中最重要的部分是换能器，它能够将声能与其他形式的能，如机械能、电能相互转化，这必须要求具有很高的敏感度，材料的选取至关重要。法国著名物理学家保罗?朗之万想到了居里兄弟发现的压电效应，于是就找来一块石英晶体做成换能器，经过试验，成功地搜寻到了海底潜艇的回波。这项伟大的发明让协约国欣喜若狂，为了制造回声探测器，就连英国地质博物馆的水晶展品都被搜罗一空，甚至水晶眼镜商人也奉献出了他们的存货。不过，稍微让人觉得有点遗憾的是，这项发明有点太晚了，还没有来得及在战争中大显身手，德国就已战败，第一次世界大战就结束了。尽管如此，水晶压电效应的发现和回声探测器的发明对后来声呐技术的发展起到了重要推动作用。
如今，水晶被广泛用于制造高精度的压电石英元件，比如谐振器、滤波器等，它们都是现代国防、电子工业中的重要部件；有些水晶可以用来制造石英折射计、光谱仪等高级光学仪器。
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