g/cm
3左右，出露的岩石以玄武岩为主，故一般称之为玄武岩质层,又称硅镁层。因此，整个大陆壳是由上部的花岗岩质层（硅铝层）和下部的玄武岩质层（硅镁层）共同组成。大陆地壳的地质年龄较老，最老超过40亿年，一般大于2亿年。大洋地壳厚度为5-10km，平均厚度约7km。大洋底出现的岩石仅有玄武岩质层，没有花岗岩质层。大洋地壳的地质年龄较轻，一般不超过2亿年。
地壳表面高低起伏不平，基本可分为陆地和海洋两部分。陆地面积为1.495亿km
2，占地球表面积的29.2%；海洋面积3.61亿km
2，占地球表面积的70.8%。海陆面积之比约为2.5∶1。陆地地形十分复杂，高低起伏不平。按高程和起伏变化，陆地地形可分为山地、丘陵、平原、高原、盆地和洼地等地形，山地和高原是遭受风化剥蚀的地方，平原、盆地和洼地是风化剥蚀产物沉积和堆积的地方。许多高原因造山作用而不断上升，但又因风化剥蚀作用而不断夷平，两者间保持着某种平衡。一些含成矿物质的岩浆沿造山带的断裂构造上升，在其过程中因发生一系列物理和化学作用而形成各种矿床，其中包括宝石矿床。造山带上的一些含各类矿物的岩石在高处遭受剥蚀后，其中宝石矿物被地表水搬运，在较低洼处沉积，甚至在原地堆积而形成宝石矿床。这类矿床在整个宝石矿床中占有相当大比例，也是质量和开采条件最好的宝石矿床类型。
2.1.2 地幔
地幔又称中间层，其上界为莫霍不连续面，下界为深度2900km的古登堡不连续面。地震波传播到地下2900km深度处时，其纵波速度由13.6km/s突然减低为8.2km/s（在此深度以上纵波速度是随深度增大而逐渐增加的），而横波在此界面以下消失。这些情况表明，界面以上的物质是固态，而界面以下的物质是液态。这一不连续界面是美国地球科学家古登堡确定的，故称古登堡面。地质上将这一界面以上的部分称为地幔，界面以下直到地心部分称为地核。
地幔按体积约占地球的82.3%，按质量占整个地球的67.8%，因此地幔是地球的主体部分。地幔物质的密度3.32-4.64g/cm
3，是由富含Fe、Mg的硅酸盐物质组成。地幔又分上、下两部分。
深度1000km以上的称上地幔。上地幔物质成份相当于含铁、镁成份很高的超基性岩，目前称之为地幔岩。处于50km以下的地幔物质状态多变。最新的研究发现，在50-250km深度存在一个地震波的低速带，说明那里物质塑性较大，地质上称为软流圈。软流圈的温度已高到该区物质熔点以上而形成液态区，由于低速层离地壳很近，这些液态区就成为岩浆作用的高发区，也是各种岩浆型宝石矿床的发源地之一。
近代地球科学将软流圈以上的地幔岩和地壳合在一起称为岩石圈。岩石圈具有较强的刚性，故能分裂成许多不同的块体，即“板块”。所谓板块运动就是岩石圈板块在软流圈上，随软流圈运动而发生的物质运动。这就是一般构造运动产生的总根源，也是现代板块构造学的立论基础。
深度在1000-2900km间是下地慢。下地幔的物质密度较高，可达5.1g/cm
3以上，其成份与上地幔物质成份相同，但所受的压力更大，被认为是由高压相、高密度矿物组成的超基性岩。
许多宝石的形成与地慢相关，或者直接形成于地幔之中，例如钻石；另一些间接与地慢相关，例如，在翡翠形成过程中，地慢提供了重要的物质来源。
2.1.3 地核
深度在约2900km以下是地核。地核物质密度为11-16g/cm
3，主要由Fe、Ni物质组成。地核又分为内核与外核。地震波的研究表明，外核的组成物质是液态的，因为那里的温度已经超过岩石的熔点；内核是超高压下的固态物质。内、外核之间则有一个由液态向固态转变的过渡带。
地核离地壳太远，从目前的科学研究来看，地幔与宝石的成因没有直接关系。
2.2 地壳的物质组成
地壳是由各种化学元素组成的，这些元素相互结合而形成各种矿物，各种矿物相互堆积在一起形成岩石。要研究地壳的物质组成，就必须研究组成地壳的元素、矿物和岩石。它们也是理解宝石成因和基本特征的关键之一。
2.2.1 地壳中的元素
地壳和所有其他物质一样是由各种元素组成。已知元素中大约有92种存在于地壳中，地壳中各种元素的含量是极不均匀的。O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti、H等10种元素占地壳总量的99.96％（表1-2-1），其中O、Si、Al、Fe即占88.13％。
表1-2-1
地壳主要元素重量百分比（wt%）
元素
|
代号
|
重量百分比
|
元素
|
代号
|
重量百分比
|
氧
|
O
|
46.95
|
钠
|
Na
|
2.78
|
硅
|
Si
|
27.88
|
钾
|
K
|
2.58
|
铝
|
Al
|
8.13
|
镁
|
Mg
|
2.06
|
铁
|
Fe
|
5.17
|
钛
|
Ti
|
0.62
|
钙
|
Ca
|
3.65
|
氢
|
H
|
0.14
|
从以上元素的分配情况看，地壳中元素的分配是极不均匀的，这种不均匀性不但反映在数量上，而且也反映在地区分布上。即不同地区、不同深度元素的分布明显不同。一般说来，地壳上部以O、Si、Al为主，Ca、Na、K也较多，但到了下部，虽仍以O、Si为主，但其他元素的含量减少，Mg和Fe相应地增多。
地壳中的化学元素，除少数以自然元素（如石墨、金刚石和自然金）产出外，大多数是以各种化合物形式出现，尤其是氧化物最为常见。从地壳深度16km范围内按氧化物计算的平均化学成分百分比可以看出（见表1-2-2），地壳中分布最广的是硅和铝的氧化物，占总量的74.48%，其次是铁和碱金属的氧化物。
表1-2-2
地壳16km范围内主要氧化物重量百分比（wt%）
氧化物
|
重量百分比
|
氧化物
|
重量百分比
|
SiO2
|
59.14
|
Na2O+K2O
|
6.97
|
Al2O3
|
15.34
|
MgO
|
3.49
|
FeO+Fe2O3
|
6.88
|
H2O
|
1.15
|
CaO
|
5.08
|
TiO2
|
1.05
|
2.2.2 矿物
矿物是由地质作用形成的元素单质或化合物。矿物在地壳中分布十分广泛，与人类的生活和生产活动关系十分密切，宝石就是由矿物或矿物集合体组成的。矿物具有一定的化学成分，可以用化学分子式表示。由同种元素组成的称为单质矿物，如自然金（Au）、自然铂（Pt）、金刚石（C）、自然硫（S）。由两种或两种以上元素化合而成的称为化合物矿物，如黄铁矿（FeS
2）、赤铁矿（Fe
2O
3）、石英（SiO
2）、刚玉（Al
2O
3）等。这些化合物中有的属于硫化物类、有的属于氧化物类,还有许多化合物是通过酸与金属通过化学作用形成的金属盐类，如碳酸盐类：孔雀石（Cu
2（CO）
3（OH）
2、方解石（CaCO
3）；磷酸盐类:绿松石（CuAl
6（PO
4）
4（OH）8.5H
2O）.硅酸盐类:如绿柱石（Be
3Al
2（SiO
3）
6）、钙铝石榴石（Ca
3Al
2（SiO
4）
3）、钙铁石榴石（Ca
3Fe
2（SiO
4）
3）、钙铝榴石（Ca
3Al
2（SiO
4）
3）等。绝大多数矿物是固体的，也有少数呈气体或液体状态，如天然气、石油、自然汞等。
固体矿物按其内部构造可分为结晶质矿物和非晶质矿物。结晶质矿物是指不仅具有一定的化学成分，而且组成矿物的质点（原子或离子）按一定的方式作规则排列，具有一定的结晶构造，如盐是由钠离子和氯离子规则排列成立方体的晶体构造。非晶质矿物是指组成矿物的内部质点不规则排列，没有一定的结晶构造，如欧泊。宝石中绝大多数矿物是结晶质，少数是非晶质。
由于矿物具有一定的化学成分和结晶构造，决定了矿物具有一定的形态特征和物理化学性质，人们常用晶体形态和物理化学性质来识别矿物。
随着人类生产活动和科学技术的发展，矿物的概念也在不断变化。现代矿物学对矿物的定义是：矿物是由天然形成并具有一定化学成份和一定原子结构的均匀固体，通常由无机化学作用所形成。由此定义可知，首先矿物必须是天然形成的物体，从而与在工厂或实验室中人工制造的产物相区别。那些人工合成的且性质与天然矿物相同或极相似的产物，如人造金刚石、人造水晶等，被称为人工合成矿物。至于那些自然界不存在相应矿物的人工合成物，如立方氧化锆、钛酸锶等只能称为人造矿物。另外，矿物必须是均匀固体，这意味着天然形成的气体和液体都不属于矿物。但是，已经有人把液态的自然汞（Hg）也看作是矿物。
至今为止，地球科学家已在自然界发现矿物3000多种，可用作宝石的矿物不过100多种，而其中主要宝石矿物仅有15种：即金刚石、绿柱石、刚玉、欧泊、硬玉、金绿宝石、黄玉、电气石、石英、绿柱石、石榴石、锆石、橄榄石、尖晶石和长石。
在已知的3000多种矿物中，绝大多数极其分散，数量稀少。对形成岩石有普遍意义的矿物，即主要造岩矿物数量有限，其中特别重要的造岩矿物只有7种，即石英、钾长石（正长石）、斜长石、云母、角闪石、辉石、橄榄石。它们构成了地壳岩石的主体，在火成岩中它们的含量占99％以上。
2.2.3 岩石
岩石是矿物的自然集合体，主要由一种或几种造岩矿物按一定方式通过一定的地质作用胶结而成。岩石按其成因和形成过程可分为三大类：即火成岩、沉积岩和变质岩。
1、火成岩
火成岩亦称岩浆岩，它是由炽热的硅酸盐岩浆，在地下或喷出地表后，冷凝形成的岩石。按产出状态，火成岩可分为侵入岩和喷出岩（火山岩）两种基本类型（图1-2-2）。
图1-2-2 岩浆活动方式示意图
（1）喷出岩（火山岩）：岩浆喷出地表在空气中或海水里迅速冷凝形成的岩石，如玄武岩、安山岩、流纹岩等。喷出岩由于冷凝速度快，物质来不及充分结晶,因此组成岩石的物质往往呈非晶质（玻璃质）或半晶质（即玻璃质与结晶物质共存）或隐晶质（矿物粒径<0.3mm）。
（2）侵入岩：岩浆在地表以下缓慢冷却、凝固而成的岩石，如花岗岩、闪长岩等。由于岩浆是在地下一定深度冷凝，因此岩石中的矿物呈不同粒度的全晶质。浅成侵入岩矿物颗粒较细，深成岩则矿物颗粒粗。
根据火成岩的化学成分，特别是其中SiO
2的含量多少，又将火成岩分为酸性岩、中性岩、基性岩和超基性岩几种主要类型。它们的主要特征如表1-2-3所列。
表1-2-3 火成岩类型及其特征简表
|
超基性岩
|
基性岩
|
中性岩
|
酸性岩
|
SiO2
|
<45%
|
45%-52%
|
53%-65%
|
>65%
|
主要
矿物
|
橄榄石、辉石、角闪石
|
钙长石、
辉石
|
中长石
|
碱性长石
|
钾长石、酸性长石、石英、黑云母
|
角闪石、黑云母
|
颜 色
|
深
→
浅
|
喷出岩
|
岩流、岩被，斑状或隐晶结构、气孔状、杏仁状、流纹状构造
|
苦橄岩
|
玄武岩
|
安山岩
|
粗面岩
|
流纹岩
|
浅成岩
|
斑状、细粒或隐晶质结构
|
金伯利岩
|
辉绿岩
|
闪长玢岩
|
正长斑岩
|
花岗斑岩
|
深成岩
|
全晶质粗粒或似斑状结构
|
橄榄岩、辉石岩
|
辉长岩
|
闪长岩
|
正长岩
|
花岗岩
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
花岗岩是地球上分布最广泛的侵入岩，是人们最常用的建筑石料。玄武岩是地球上分布最广泛的火山岩，地球上的大洋底几乎全部由玄武岩构成。地球上的许多原生宝石矿床都是产于火成岩中，例如蓝宝石、红宝石、石榴石是高压下玄武岩浆早期结晶的产物，以后随岩浆喷出带至地表；又如金刚石与超基性金伯利岩浆有关，目前绝大多数地质学家认为，金刚石是上地幔早期形成的矿物，后被超基性岩浆－金伯利岩浆带到地表。
2、沉积岩
沉积岩是在地表或接近地表的条件下，由风化作用、生物作用或某种火山作用形成的产物，经搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石（碎屑岩），或者由于溶液在正常地表温度下沉淀而成（化学岩）。沉积岩虽只占地球外壳（地表以下4－5km以上的浅处）总重量的3%，但却构成地表岩石面积的75%。沉积岩按其成因可分为碎屑岩和化学岩两大类：
（1）碎屑岩：包括砾岩、砂岩、粉砂岩、粘土岩。它们是碎屑物经过搬运、沉积和压实排除水分并产生一定的化学变化，使碎屑颗粒胶结成为岩石。粘土岩的碎屑颗粒直径
<0.06mm，砂岩颗粒直径0.06-2mm，砾岩颗粒直径>2mm。胶结物主要是碳酸盐和SiO
2。碎屑岩的特点是具有层理、波痕、泥裂等沉积构造。
（2）化学岩:常见的化学岩是由方解石和文石组成的石灰岩，以及由白云石组成的白云岩，它们统称碳酸盐岩，约占沉积岩总量的20%。还有一些不同组分的化学岩，如硅质岩、蒸发岩、磷酸岩等。
地质上一般把形成时代最晚的尚未胶结的第四纪“沉积岩层”称为第四纪沉积物。例如，原岩经过风化崩解后残留于原地附近的松散沉积物称为“残积物”，风化产物被暂时性流水冲刷、搬运到山坡坡麓或山前带沉积下来的分别称为“坡积物”和“洪积物”；由经常性流水-河流搬运并在河床中沉积下来的物质称为“冲积物”；有些碎屑物质还可以被搬运到湖泊或海洋里，并在湖滨、海滨地带或者在浅海、深海沉积下来则分别称为“湖相沉积物”或“海洋沉积物”。
原始基岩（母岩）中含有的宝石矿物或金属矿物经过风化淋滤作用，可以在原地富集起来，形成风化淋滤矿床。宝石或金属矿物也可以保存在残积物中或者经过流水的搬运和分选作用而在洪积物、冲积物或滨海沉积物中富集起来形成砂矿。如果说存在于火成岩或变质岩等母岩中的宝石矿床称为内生矿床的话，那么富集在风化物中或在矿物中的宝石矿床则称为外生矿床。对于宝石矿物来说，外生矿床比内生矿床更为重要，因为绝大多数宝石都可以形成砂矿，而且它们易于开采，成本较低，土法即可开采，例如，金刚石、红宝石、蓝宝石等大多见于残积或冲积砂矿中；欧泊、绿玉髓（澳玉）多见于风化淋滤矿床中；高质量的玛瑙、玉石也常见于冲积砾石层中。经过长距离的搬运和磨蚀后尚能保存下来的宝石往往多是质地坚硬、品质良好的宝石，例如，翡翠原料有“山料”和“仔料”之分，后者即是以卵石形式赋存于后生成因的冲积矿中，高档翡翠一般产于仔料中。
3、变质岩
原先存在的岩石（火成岩、沉积岩或早期变质岩），在温度、压力作用下，使原来的岩石发生矿物成分、结构构造的变化而形成的岩石即为变质岩，形成变质岩的这种过程称为变质作用，变质作用一般发生在固态条件发生，主要类型有：
（1）动力变质作用：它是在构造运动产生的定向压力作用下岩石所发生的变质作用，它与岩石的断裂相伴随，并出现在断裂带两侧。岩石受到压力发生变形破碎，导致其结构、构造的变化。同时，挤压力引起的高温也能引起局部的重结晶作用，使原岩矿物成分变化，动力变质的代表岩石是碎裂岩和糜棱岩。
（2）接触变质作用（或热变质作用）：是岩浆侵入体周边的围岩受侵入体的影响发生温度升高而发生的矿物重结晶作用。例如，由石灰岩经过热变质作用使灰岩的CaCO
3普遍结晶,就形成了人们熟知的大理岩（汉白玉）。如果是含镁的白云岩变质后会出现含绿色蛇纹石的不规则条带，这便是人们喜爱的建筑装饰材料蛇纹石大理岩。
（3）接触交代变质作用：引起变质的因素除温度以外，岩浆中分泌的挥发性物质与围岩发生物质交换，既使围岩发生变质，又使侵入体边缘变质。这种变质作用的典型代表岩石是矽卡岩。矽卡岩是中酸性－中基性侵入岩类与碳酸盐岩接触带上形成的接触交代变质岩，其中常伴有某些金属矿物和宝石矿物，后者如钙铝-钙铁石榴石、尖晶石、红宝石等。
（4）区域变质作用：在大范围内主要由温度、压力普遍升高而引起的变质过程。其变质影响范围可达数千至数万km
2，代表的岩石有角闪岩、麻粒岩、绿片岩等。与这些变质岩有关的宝石主要有铁铝榴石、红宝石、蓝宝石、碧玉等。
与三大岩类有关的宝石（见表1-2-4）。
表1-2-4 与三大岩类有关的典型宝石
火成岩
|
变质岩
|
沉积岩(包括第四系沉积物)
|
绿柱石族宝石，如海蓝宝石
|
绿柱石族宝石，如祖母绿
|
钻石
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金绿宝石
|
刚玉族宝石，如红宝石
|
绿松石
|
刚玉族宝石，如蓝宝石
|
赛黄晶
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欧泊
|
钻石
|
石榴石族宝石，如钙铝榴石
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翡翠
|
石榴石族宝石，如铁铝榴石
|
堇青石
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软玉
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长石族宝石，如月光石
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青金岩
|
|
橄榄石
|
翡翠
|
|
石英族宝石，如水晶
|
软玉
|
|
尖晶石
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岫玉
|
|
托帕石
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独山玉
|
|
电气石
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鸡血石
|
|
锆石
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寿山石
|
|
结晶学基础
宝石是一种坚硬耐磨的固体物质，宝石材料经过精心设计和人工琢磨，形成规则的几何形态，发出奇光异彩，映出奇妙花纹，所有这些首先归功于人类的艺术创造，但本质上是归功于宝石材料的结晶学性质，因此，结晶学是宝石学重要的基础学科之一，结晶学知识对于宝石学家是必不可少的。
3.1 晶体和非晶体
在古代，人们把石英晶体称为水晶，这是因为石英晶体透明如水，故误认为是由水结晶而成。后来，人们又找到了石盐、方解石、萤石和金刚石等具有规则几何多面体形态的结晶体，于是开始深入研究晶体的本性。从近代地质学研究看，把水晶当作是水的结晶体显然是不对的。同样是石英，它既可呈具有几何多面体形态的水晶晶体，亦可呈不规则颗粒形态而广泛存在于各种岩石和河、海滩地的砂粒中。这两种形态的石英虽然外形不一样，可在微观结构、化学组分上却是一样的，表现在外部的物理性质上也是一样的。
通过X-射线分析表明，一切晶体，不论其外部形态如何，其内部质点（原子、离子、或分子）都是有规律排列的。这种规律表现为同种质点作周期性的重复，构成了所谓的格子构造。因此，晶体的定义应当是：晶体是具有格子构造的固体，晶形的充分发育可导致其外部晶面呈规则的几何形态。绝大多数宝石矿物是单矿物晶体，如钻石、红宝石等。
与晶体的上述特征相反，有些形状似固体的物质（如玻璃、琥珀和松香等），它们内部组成质点不作规则排列，不具格子构造，因而没有规则的几何外形，这类物质称非晶质或非晶质体。从内部结构的角度看，非晶质体中的质点分布类似于液体。这类宝石材料包括欧泊和火山玻璃等。
除晶体和非晶体外，尚有一些矿物，虽然其内部原子结构作有序排列，但不具外部规则的几何形态，它们由无数的微晶组成，但这些微晶是如此之小，以致于用普通显微镜都无法观察到，也就是说是超显微的，这些矿物称隐晶质，如玉髓、软玉等。另外还有一些矿物也是由细小的晶体组成，然而其组成晶体可用放大镜、甚至肉眼观察到，这些矿物称多晶质，如翡翠、独山玉等。
3.2 空间格子
晶体内部构造的最基本特征是质点在三维空间作有规律的周期性重复。空间格子是表示晶体内部构造的一种模拟几何图像。以氯化铯（CsCl）晶体为例（图1-3-1），分析其内部构造变化的规律性。
图1-3-1 为氯化铯的晶体构造和空间格子模拟图形
（左图中双图与黑点分别表示Cl-和Cs离子的中心点）
从图1-3-1中可以看出，无论Cl
-还是Cs
+离子，在图形的三维方向上均作等距离的重复排列。为进一步揭示这种重复规律，我们可以对它作某种抽象（图1-3-1b），可选取其中任一个元素的离子（Cl
-或Cr
+）作为相当点，显然，相当点的分布规律可以体现晶体构造中所有质点的重复规律。三度空间中相当点的这种格子状排列就称为空间格子。为了研究晶体内部构造中质点的重复规律时不受晶体大小限制，可设想相当点在三度空间上的排列是无限的，因而，空间格子是一种无限图形（图1-3-2）。
图1-3-2
晶体的空间格子
从三维空间格子图形中，可以划出一个最小的单位，这就是平行六面体，即晶体中的最小基本组成单位。因此，晶体是由平行六面体“砖块”毫无间隙地重复堆垒而成，这一“砖块”称为“晶胞”。晶胞的形状和大小，取决于平行六面体三向彼此的棱长及其棱间夹角的大小。
3.3 晶体的基本性质
晶体的内部构造是由单位晶胞组成的立体空间格子。同一晶体由相同的晶胞组成，晶体种类不同，组成空间格子的形状和大小也不同，这样，就形成了千姿百态、物理和化学性质不同的天然晶体世界。研究和统计表明，晶体有以下五种基本性质：
1、晶体的自范性（或称自限性）
指一切晶体在生长过程中，只要具备充分的空间条件，都能自发地形成规则的几何多面体外形的性质。晶体的自范性为我们确定晶体的内部结构、进行晶体分类和鉴定宝石原石晶体提供了宏观依据。如黄铁矿为立方体，祖母绿为六方柱状，金刚石为八面体等。
2、晶体的均一性
对于某晶体，由于同一类型空间格子的周期性重复构筑，决定了晶体中任何一部分所表现的物理化学性质的均一性。基于这一点，同一晶体上切下来的宝石材料都具有相同的物理化学性质。
3、晶体的各向异性
除立方格子外的其余格子，由于不同方向上质点性质和间距不同，因此，晶体在内部和外部性质上也存在差异。如蓝宝石垂直柱体（光轴）切磨时，无二色性，而平行光轴切磨时，则有二色性；又如蓝晶石在不同方向具有不同的硬度，其摩氏硬度随方向变化于5-7之间（图1-3-3）。
图1-3-3
蓝晶石的差异硬度
4、晶体的稳定性
指同一成分组成的结晶体物质处于最稳定的状态，即内部质点处于有规律的格子平衡位置，具有最小的内能。对于无序状态的液体和气体，则随着时间的迁移，会有向有序结晶态发展的趋势。晶体的这一特性，为宝石的长久保存提供了有利条件，也为不稳定的宝石（欧泊）提出了需要保护的问题。
5、晶体的对称性
对称现象在自然界极为常见，如蝴蝶和花冠。物体或图形的对称有两个基本特点，一是有相同部分；二是这些相同部分呈现有规律的重复。如蝴蝶左右有两个相等部分，可以通过镜面反映而彼此重合；六个相同花瓣，可以通过垂直花冠的中心轴线旋转而呈现六次重复。通过这种操作，使物体相同部分的有规律重复，称为对称。
晶体同样是有对称性的，但严格受内部格子构造控制，晶体的对称性不仅表现在外部形态上，也表现在物理性质上。晶体的对称规律为宝石鉴定提供了可靠的依据。
使物体或图形的相同部分重复出现的操作称为对称操作。在操作时，要借助一些假想的几何要素，即点、线、面。点是对称中心（C），线是对称轴（L），面是对称面（P）。
（1）对称面（P）：是一个假想平面，它可把晶体平分为镜像相等的两个部分（图1-3-4）。
图1-3-4
（a）和（b）对称面示意图
（2）对称轴（L）：是通过晶体中心的一条假想的直线，晶体围绕它旋转一周，相同形状出现2、3、4、6次。相对应分别称2次、3次、4次和6次对称轴。图1-3-5是将一根针刺入一个正方形卡片中心，这个卡片围绕针旋转一周时，相同形状就出现4次，这根针就代表4次对称轴。晶体上相同部分重复出现的次数越多，晶体的对称程度越高。
图1-3-5 对称轴示意图 图1-3-6
具有对称中心的图形
（3）对称中心（C）：是晶体内部的一个假想点，透过该点的直线两端等距离的地方有晶体上相等部分存在（见图1-3-6）。
6、晶轴
为了描述晶体的形态，必须有某些固定线作为描述晶面相对位置的坐标系统，这些坐标系统可认为是无限长的假想线，沿着与晶体对称性有关的某些限定方向穿过理想晶体。它们相交在晶体内部被称为原点的一个点上。这些假想的线就称为晶轴，一般需要3个晶轴，但有两个晶系需要4个晶轴。
任何晶体所属的晶系均可由晶轴的数目、相对长度及倾斜角来确定。
3.4 晶簇、晶系的划分
根据晶体对称中有无高次对称轴，以及高次对称轴的多少，可把晶体构成三个晶族。
低级晶族：无高次对称轴，如L
2PC等；
中级晶族：只有一个高次对称轴，如L
44L
25PC；
高级晶族：有数个高次对称轴，如3L
44L
36L
29PC。
每个晶族又可按其特点进一步划分晶系，三个晶族共划为七个晶系（见表1-3-1）。
表1-3-1
晶族、晶系划分表
晶 族
|
晶 系
|
对 称 特 征
|
高级晶族
|
立方晶系
|
有数个高次对称轴（四个三次对称轴）
|
中级晶族
|
六方晶系
四方晶系
三方晶系
|
有一个六次对称轴
有一个四次对称轴
有一个三次对称轴
|
低级晶族
|
斜方晶系
单斜晶系
三斜晶系
|
有二次对称轴或对称面多于一个
有二次对称轴或对称面多于一个
无对称轴，无对称面
|
除了对称外，为了进一步描述晶体的形态，还必须有某些固定的线作为描述晶面相对位置的坐标系统。这些坐标系统由无限延伸的线组成，沿着与晶体对称的某些方向穿过理想晶体，它相交于晶体内部一个被称为原点的点上，这些假想的线被称为晶轴。一般晶系的晶体需要三个晶轴，但六方晶系和三方晶系需要四个晶轴。根据晶轴和各晶系的对称特征，可将七大晶系的特征描述如下：
1、等轴晶系
该晶系的晶体有三个相等且相互垂直的晶轴，a=b=c，α=β=γ=
90°（见图1-3-7）。该晶系的晶体具有9个对称面，6个2次对称轴，4个3次对称轴，3个4次对称轴和1个对称中心。理想的晶形是立方体，八面体及菱形十二面体等。常见的宝石是金刚石、石榴子石、萤石、尖晶石、黄铁矿和方钠石等。
图1-3-7
等轴晶系及常见晶体
2、四方晶系
该晶系的晶体具有三个相互垂直的晶轴，其中二个晶轴长度相等，另一个不等，不等的晶轴为纵轴，两个相等的晶轴为横轴，a=b≠c,α=β=γ=90°（见图1-3-8）。该晶系的晶体具有5个对称面，5个2次对称轴，1个3次对称轴，1个对称中心。理想的晶体是四方柱和四方双锥，代表宝石有锆石、方柱石和符山石等。
图1-3-8
四方晶系及晶体
3、六方晶系
该晶系的晶体有四个晶轴，其纵轴或主轴（C轴）比其它三个相等的晶轴长或短，三个相等的晶轴相互以120度相交（见图1-3-9），纵轴垂直于三个相等晶轴组成的平面。这个晶系的晶体具有7个对称面，6个2次对称轴，1个6次对称轴和1个对称中心。代表的宝石有绿柱石、磷灰石和蓝锥矿等。
图1-3-9
六方晶系及晶体
4、三方晶系
该晶系晶体的晶轴与六方晶系相同，但其对称度较低。该晶系晶体具有3个对称面，3个2次对称轴，1个3次对称轴，1个对中心（见图1-3-10）。理想的晶体是三方柱，菱面体。代表性宝石有刚玉、石英、电气石、硅铍石、方解石和菱锰矿等。
图1-3-10 三方晶系及晶体
5、斜方晶系
该晶系的晶体具有三个不等的晶轴，彼此相互垂直，a≠b≠c，α=β=γ=90°。其最长的主轴（C轴）直立，其它两个晶轴水平（见图1-3-11）。该晶系的晶体具3个对称面，3个2次对称轴，1个对称中心。理想的晶形是长方形底面上的柱和双锥。代表性宝石有红柱石、金绿宝石、赛黄晶、堇青石、橄榄石、托帕石和柱晶石等。
图1-3-11
斜方晶系及晶体
6、单斜晶系
这个晶系的晶体具三个不等的晶轴，其中两个晶轴相互垂直，另一个晶轴与此两个相互垂直晶轴所构成的平面斜交，a≠b≠c，α=β=90，γ≠90度（见图1-3-12）。该晶系的晶体具有1个对称面，1个2次对称轴，1个对称中心。理想的晶形是柱和平行双面。代表性的宝石有透辉石、翡翠、软玉、正长石和孔雀石等。
图1-3-12
单斜晶系及晶体
7、三斜晶系
这个晶系的晶体具有3个不等且相互斜交的晶轴，a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°，只有1个对称中心（见图1-3-13），理想的晶形只有平行双面。代表的宝石有斜长石、斧石和绿松石等。
图3-13 三斜晶系及晶体
3.5 晶体的光性分类
根据光学性质，自然界的物质可分成光性均质体和光性非均质体两大类。未受应力影响的等轴晶系矿物（如金刚石、萤石、石榴石等）和非晶质物质（如火山玻璃、树胶、琥珀等），它们内部结构各个方向相同，反映在光学性质上是各向同性的，这类物质称光性均质体。而晶体家族中的中级晶族和低级晶族矿物，由于它们的光学性质受内部结构的影响而随方向的改变而变化，这类物质称光性非均质体。物质按光学性质的分类（见图1-3-14）。
非结晶物质（如火山玻璃、琥珀）
光性均质体
高级晶族（等轴晶系）晶体（如金刚石）
物质
正、负光性一轴晶
三方晶系晶体（如方解石）
晶体（中级晶族）
四方晶系晶体（如锆石）
光性非均质
六方晶系晶体（如磷灰石）
正、负光性二轴晶
斜方晶系晶体（如橄榄石）
晶体（低级晶族）
单斜晶系晶体（如硬玉）
三斜晶系晶体（如斜长石）
图1-3-14 物质按光学性质的分类
3.5.1 晶体光学性质分类的依据
晶体光学性质分类的主要依据是折射率。实验证明，光性均质体物质只有一个折射率值，而光性非均质体物质，可以有两个以上的折射率值，具体来讲，一轴晶晶体具有二个折射率；二轴晶晶体具有三个折射率。
为了说明光在晶体中折射现象，现对光在晶体中的传播特点作简单介绍。
1、光在均质体中的传播特征
光在均质体中的传播特点是：其传播速度不因入射线方向的改变而发生变化。光在其中传播时，严格遵守折射定律，只发生单折射。故均质体物质只有一个折射率值。光传入均质体时，基本不改变入射光的振动性质和方向，即自然光射入均质体后仍然为自然光，偏振光射入均质体后仍然为偏振光，其振动方向基本不变。若在某均质体中置一点光源，则每一瞬间所形成的波前为球面，且光法线与光线的方向完全一致。
2、光在非均质体中的传播特征
自然界全部非晶质体物质（包括经受过应力作用的均质体）都具有双折射性质。晶体的光学现象都与双折射有关。实验证明，当一束平行光射入非均质体时，除特殊方向（光轴方向）外，都要发生双折射，即分解成两条振动方向相互垂直、传播速度和折射率不等的偏振光。
晶体的双折射性质与其内部结构的非均一性有关。对于一轴晶晶族所属的三个晶系的晶体来说，它们只有两个折光率值：一个是常光（或O光），常光在晶体中的分布规律是振动方向永远垂直于光轴（或结晶C轴），常光在晶体中传播时，其速度和折射率n不随入射方向或振动方向的改变而变化，严格遵守折射定律。另一个是非常光（或e光），非常光在晶体中的分布规律是：振动方向永远包含在入射线（波法线）和光轴组成的平面内，并随振动方向的改变而变化。若│n
e-n
o│=B值（这个B值是绝对值），其数值大小因不同晶体而异。如石英，n
e=1.553,n
o=1.554,｜n
e-n
o｜=0.009。又如方解石，n
e=1.486，n
o=1.658，｜n
e-n
o｜=0.172。对石英来说，B值因光波入射方向不同而连续变化于0-0.009之间。对于方解石来说，B值因光波入射向不同而连续变化于0-0.172之间。若n
e>n
o，称为一轴晶正光性，石英就是一轴晶正光性；若n
e<n
o，称之为一轴晶负光性，方解石就是一轴晶负光性。
对于属于二轴晶三个晶系的晶体，则具有三个折射率值，即最大者（n
g）、中间者（n
m）和最小者（n
p），它们的固定公式是：n
g>n
m>n
p。其中n
g和n
p是随入射线方向的变化而连续变化的，n
m对于某一晶体来说是不变的，并且当n
g-n
m>n
m-n
p时为二轴晶正光性；当n
g-n
m<n
m-n
p时为二轴晶负光性。
3.5.2 光率体
为使晶体光学性质的分析形象化，富莱契（1891）创立了光率体的概念，他把晶体的折射率值与其相应的光波振动方向联系起来，用圆和椭圆的几何图形变化规律予以表示，成功地解释了晶体在偏光系统下呈现的现象、晶体的光性特征及其规律性。
光率体又称光性指示体，它是一种将光波振动方向与该方向上的折射率值相联系起来的空间几何图形。其作法是，在各个光波的振动方向上，将相应的折射率值按一定比例截取线段，自中心以这些线段为半径，将这些线的端点连接起来，就构成了光率体。
光率体的几何形态变化规律是：球体代表全部非晶质体和等轴晶系矿物的光学性质；旋转椭球体代表全部中级和低级晶族的光学性质。
1、均质体光率体
均质体光率体的几何形态是一个圆球体，可表示全部均质体物质的光性特征，即从任何方向射入均质体物质的光波，其振动性质不变，其折射率值只有一个。不同均质体物质光率体的唯一差别是球半径大小，它取决于物质的折射率，如金刚石的折射率为2.4175，铁铝榴石为1.830，萤石为1.434等（见图1-3-15）。
图1-3-15 均质体光率体示意图
2、一轴晶光率体
一轴晶光率体的几何形态是一种旋转椭球体，旋转轴方向与光轴方向一致，椭球的长、短半径分别代表两个偏光振动方向及其相应的最大和最小折射率值。与旋转轴方向相互垂直的椭球半径方向代表常光的振动方向，其长度代表其折射率值。根据两个主折射率值的相对大小，又可把一轴晶光率体分成正光性和负光性两类：当n
e>n（如石英），其光率体指示图形为一长形旋转椭球体，这就是正光性光率体（见图1-3-16）；当n
e<n
0（如方解石），其光率体指示图形为一扁形旋转椭球体，这就是负光性光率体（见图1-3-16）。
图1-3-16 一轴晶光率体示意图
3、二轴晶光率体
二轴晶光率体的几何形态也是旋转椭球体，旋转轴的方向也与光轴方向一致，椭球体的长、中和短轴分别代表三个振动方向及相应的最大、中间和最小折射率。同样根据三个主折射率值可将二轴晶光率体分为正光性和负光性两类（见图1-3-17）。二轴晶有三个折射率值（n
g、n
m、n
p），当n
g-n
m>n
m-n
p时为正光性；当n
g-n
m<n
m-n
p时为负光性。
图1-3-17 二轴晶光率体示意图
3.6 单形、聚形和晶体规则连生
3.6.1 单形、聚形与结晶习性
1、单形
单形是由对称要素联系起来的一组晶面的总和，同一单形的所有晶面都同形等大，例如，立方体是由六个相同大小的正方形组成的，八面体由八个同大的等边三角封闭而组成（见图1-3-18）。常见的单形有：四面体、立方体、八面体、菱形十二面体、五角十二面体、四角三八面体、菱面体、复三方偏三角面体、三方单锥、三方柱、六方柱、六方双锥、平行双面、四方柱、四方双锥、斜方双锥、斜方柱等，少数宝石晶体可能以单形的形式产出，如钻石和尖晶石常呈八面体产出；石榴子石常呈菱形十二面体、五角十二面体、四角三八面体等产出；方解石常呈菱面体产出。但绝大多数宝石晶体呈不同单形的聚形产出。
图1-3-18
六方体和八面体单形示意图
2、聚形
由两个或两个以上单形聚合而成的晶形，称为聚形。在理想晶体上，聚形一定有二种以上形状、大小不同的晶面，例如，绿柱石晶体上可见到六方柱、六方双锥、平行双面等单形的晶面。由于自然界的宝石晶体，绝大部分都是聚形，因此，研究聚形具有更大的宝石学意义。然而，聚形又是由单形聚合而成，为了更好地研究聚形，必须熟练地掌握单形（特别是常见单形）的特征。尤其要掌握单形的晶面与对称要素的关系这一重要特征。因为单形相聚后，由于晶面彼此切割而改变了单形晶面原来的形状，但单形的各晶面与对称型中的对称要素的相对位置却不会改变。
单形相聚的根本原则是要符合对称规律。只有属于同一对称的单形才能相聚。换言之，只有属于同一对称的单形才能在同一晶体上出现。研究聚形，不是给聚形定名称，而是要分析某一聚形由那些单形组成的。分析聚形的步聚如下：
（1）找出晶体的对称要素，确定其所属的晶族、晶系和晶类，因为各晶族、晶系、晶类所能出现的单形是不同的。
（2）确定晶体上有几种不同的晶面，从而确定此聚形晶体是几个单形组成的。
（3）根据每一单形的晶面数，晶面相互关系，以及晶体所属晶系、对称型，晶面与对称型中的对称要素的相对空间关系，确定各单形的名称。
3、结晶习性
结晶习性是指宝石矿物通常呈现的晶体形态。这种形态本质上是由它们本身的内部结构所决定，但它们也受到矿物形成时的外部环境因素所制约。这些外部因素包括：晶体生长时的温度、压力、有关组分的浓度、杂质、空间条件等。由于这些因素千差万别，同一宝石矿物在不同产地，以及同一宝石矿物不同品种的晶体，其结晶习性均可能出现较大的不同。如钻石的常见习性是八面体，电气石的常见习性是呈复三方柱状，刚玉的常见习性是桶状等。
4、矿物描述中所使用的其它术语
（1）假象：由于化学作用，或由于温度压力变化而以另一种矿物外形产出的矿物，称为假象。典型的二氧化硅交代木头形成的硅化木，二氧化硅交代石棉形成的“虎睛石”等。
（2）半面象：是指某些晶体只具有对称型中全部晶面数的一半，这类晶体被称为是半面象的。多数宝石晶体由于受客观生长条件的制约，往往表现为半面象的。
（3）异极象：是指某些晶体在对称轴的两个末端出现不同的单形，这些晶体常显示热电效应，电子石是典型的例子。
3.6.2 晶体的规则连生
上述所讨论是单晶体的光学特征，但自然界中由于受各种因素影响，有时，同一宝石晶体两个或更多个单体按对称方式生长在一起，这些由两个或更多个单体所组成的晶体由于受内部结构的控制表现出一定的规则，因此称为晶体的规则连生。晶体的规则连生可分为两种基本类型，即双晶和平行连生。
1、双晶
双晶是由两个或两个以上的同种晶体按一定的对称规律形成的规则连生，相邻两个个体的相应的面、棱、角并非完全平行，但它们通过一定的对称操作——反映、旋转或反伸，使两个个体彼此平行或重合。双晶按生长的方式可分为下例几种类型（见图1-3-18）：
（1）接触双晶：即仅由两个个体组成的双晶，如尖晶石的双晶；
（2）聚片双晶：多个双晶个体以同一双晶律连生，接合面相互平行，如钠长石的聚片双晶；
（3）环状双晶：多个双晶个体彼此以同样的双晶律连生，但结合面互不平行，而是依次以等角相交。晶体连生的个数有三连晶、四连晶，等等。金绿宝石的三连晶双晶就是环状双晶的典型例子；
（4）穿插双晶：又称贯穿双晶，是单晶个体相互穿插而形成的双晶，十字石双晶和萤石双晶就是典型例子。
图1-3-18 双晶及主要类型
2、平行连生
是同种晶体的个体彼此平行地连生在一起，连生着的每一个晶体相对应的晶面和晶棱相互平行（见图1-3-19）。平行连生从外形来看是多晶体的连生，但它们内部的格子构造都是平行而连续的，从这点来看，它与单晶没有差别。
图1-3-19 晶体的平行连生
3.7 实际晶体的形态和表面特征
3.7.1 实际晶体的形态
在此之前所讨论的宝石晶体形态，都是以理想晶体为对象。但实际上晶体的生长环境很复杂，同时还受内部和外部各种因素的影响，以致晶体不能按理想晶体发育。而且，在晶体形成以后，还会继续受外界因素的影响，这更会增加晶体的非理想程度。可以说，绝大多数晶体是非理想的，所不同的只是它们偏离理想晶体的程度存在差异而已。
1、歪晶
在实际晶体中歪晶是极其常见的。歪晶是在非理想环境下形成的、偏离本身理想晶形的晶体，其通常的表现形式为同一单形的各晶面不等发育，有的晶面甚至可能缺失，但它们的晶面夹角与理想晶体的晶面夹角是一致的。
2、弯晶
指整体呈弯曲形态的晶体，如白云石的马鞍状弯曲晶体（见图1-3-20）。
3、凸晶
与弯晶相反，是指各晶面中心均相对凸起而呈曲面、晶棱弯曲而呈弧线的晶体（见图1-3-20）。
3.7.2 晶体表面特征
不同矿物的晶体受内部原子结构控制，呈现上述一系列独特的特征，有时这些晶体内部原子结构也反映到晶体表面，呈现一系列受内部原子结构控制的表面特征。它们对于宝石晶体原石的鉴定具有重要的意义，以下对一些常见的表面特征作简要介绍。
1、晶面条纹
晶面上由一系列邻接面构造构成的直线条纹，称为晶面条纹。晶面条纹是晶体在生长过程中形成的，在许多晶体上可以看到，例如石英晶体柱面上的横纹，电气石晶体上的柱面纵纹，黄铁矿立体上三对相互垂直的条纹等（见图1-3-21）。
2、三角座
一些晶体上见到的呈三角形的特殊图案，称三角座。一些晶体的三角座是由几组解理面组合构造的，如金刚石的三角座就是由八体解理的几组解理面交切构造的；一些晶体则与裂理面与双晶面有关，如刚玉。
3、蚀痕
4、螺纹
地球化学基础
从地球化学角度出发，宝石原料（矿物和岩石）都是在长期地质演化过程中，在特定的物理化学条件下，元素相互结合的产物。宝石的特征从根本上说决定于化学元素本身的性质及其演变规律。因此，了解和掌握地球化学的基本知识，无论对了解宝石的成因和特征，还是对宝石优化、人造宝石，以及对宝石进行研究和鉴定等都具有很重要的参考价值。
4.1 原子和元素
原子是元素的最小的能保持该元素的性质不变的单元。元素是指完全由一种原子组成的物质。
地球上的所有物质，不论是气体、液体和固体，均由许多以不同方式聚集在一起的原子所组成。原子有多种类型，每一种类型称为一个元素，某些宝石可以由一种元素组成，如金刚石，其化学分子式为C。但大多数宝石矿物是由多种不同的元素组成，如翡翠由钠、铝、硅和氧等元素组成，其化学分子式为NaAl(SiO
3)
2。
至今为止，人类已发现元素108种，其中天然元素92种。每种元素具有固定的原子序数，在元素周期表中分别占有固定的位置。同种元素的原子具有的中子数可以不同，因而具有不同的原子量。具有不同原子量的同种元素的变种称为同位素（isotope）。在已知元素中除21种外，其余元素都是两种或两种以上同位素的混合物。同种元素的同位素的物理性质与化学性质本质上相同。
在自然元素中，组成宝石的元素常见的有30多种（见表4-1-1），而且，大多数宝石以
表1-4-1 组成宝石的常见元素
原子序数
|
名称
|
符号
|
原子序数
|
名称
|
符号
|
原子序数
|
名称
|
符号
|
1
3
4
5
6
7
8
9
|
氢
锂
铍
硼
碳
氮
氧
氟
|
H
Li
Be
B
C
N
O
F
|
11
12
14
15
16
17
19
20
|
钠
镁
硅
磷
硫
氯
钾
钙
|
Na
Mg
Si
P
S
Cl
K
Ca
|
22
24
25
26
29
30
38
40
|
钛
铬
锰
铁
铜
锌
锶
锆
|
Ti
Cr
Mn
Fe
Cu
Zn
Sr
Zr
|
O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg八种元素作为其主要成分，其它元素作为微量成分。微量成分的含量虽然少，但宝石学意义却极大，绝大多数宝石的颜色成因与微量元素有关。
4.2 晶体化学
宝石矿物主要是结晶物质，其中原子、离子或分子都有规律的排列，形成各种类型的晶体结构，由此决定着宝石的化学性质和物理性质。
4.2.1 化学键和晶体类型
原子相互作用形成化合物，靠的是原子间相互产生的作用力，这种作用力称为“化学键”。一般说来，化学键按性质可分为离子键、共价键、金属价和分子键四种类型。相应有离子晶体、原子晶体、金属晶体和分子晶体。
1、离子键和离子晶体
在这种化学键中，电子重新配置的方式是由一个元素的原子给出一个或几个电子，而另一个元素的原子接受一个或几个电子而形成的化学键。金属元素易于失去电子，形成惰性气体型离子，而非金属元素易于结合电子，形成稳定的惰性气体型离子。以氧化钠为例，钠给出一个电子，氯则接受一个电子，从而双方在其外层获得稳定的惰性气体型离子（图1-4-2）。这种化学键实质上是阴阳离子间的静电引力，所以离子键发生于金属元素与非金属元素之间。
图1-4-2
氧化钠的形成示意图
由正负离子靠离子键相结合而形成的晶体称为离子晶体。离子晶体的物理性质与离子键的特性密切相关。由于电子皆属于一定的离子，质点间电子密度小，对光的吸收较少，而使光易于通过。因此，离子晶体在光学性质上常表现为折射率及反射率较低，透明或半透明，玻璃光泽等。由于不存在自由电子，故一般为不良导体，但熔化后可以导电；由于离子键的键力一般说来比较强，所以晶体的膨胀系数较小，但因为离子键的强度与电价的乘积成正比，与半径之和成反比，因此，晶体的机械稳定性、硬度和熔点等均有很大的变化范围。
在常见的硅酸盐、氧化物及卤化物等矿物的晶体中，离子键常起着主导作用，如刚玉、萤石等。
2、共价键（原子键）和原子晶体
共价键是靠共用电子对而形成的化学键。当形成化合物元素的原子间性质差别不大甚致相同时，它们难以靠失去或得到电子方式来形成惰性气体型离子。而是各自提供一个或数个电子共用以达到目的。例如氢和氧结合形成水时，就是靠两个氢各提供一个电子，一个氧提供两个电子共用来形成稳定的惰性气体型结构。
由共价键（或原子键）形成的晶体称为原子晶体。一般说来，共价键是相当坚强的，所以晶体有较大的硬度和较高的熔点；不导电（与离子晶体不同的是熔体也不导电）；透明至半透明；玻璃-金刚光泽。与键的强度有关的物理性质的差异取决于原子的化合价及半径的大小。在宝石中，金刚石是典型的原子晶体。
3、金属键和金属晶体
由于金属元素的原子核对外层电子的联系是比较松弛的，因此，金属中不断有部分金属原子失去外层电子形成正离子，而金属原子和正离子之间又随时进行着电子交换，即金属元素的原子变成正离子和金属正离子变成金属原子。在金属晶体中，价电子不断在原子和离子间进行交换，使电子能在金属晶体中自由移动，这些电子称为自由电子。高速运动的自由电子把金属内部的金属原子和金属正离子结合在一起，这种化学键叫金属键。
由金属键形成的晶体称为金属晶体。由于金属晶体中存在自由电子，因而金属晶体具有良好的导热性、导电性、延展性；不透明；高反射率；金属光泽；硬度一般较小。黄金、白银和铂金等是金属晶体的典型代表。
4、分子键和分子晶体
分子键是由分子间的作用力（包括取向力、诱导力、色散力等）所形成的化学键。由分子键形成的晶体被称为分子晶体。
由于分子键的结合力相当弱，因而分子晶体的沸点、熔点均较低，一般在常温下以气体形式存在，只有在负几十至几百度的温度下，才能成为晶体，氧气、氮气、氢气等都是分子晶体的典型代表。分子晶体在宝石学中无实际意义。
值得指出的是：上面讨论的是典型或极端类型。实际上，在自然界的化合物常是由多种化学键结合而成的复合体。例如在硅酸盐类宝石中，化合物的硅氧络阴离子内部以共价键联结，而硅氧络阴离子与外部阳离子间则以离子键相结合。同时，在键性上亦存在着过渡的情况，有些宝石化合物的离子键带有一程度的共价键成分，而另一些化合物则在共价键中带有部分离子键成分。
4.2.2 配位数和配位多面体
晶体结构中一种原子或离子常为一定数量的异号离子所包绕，原子或离子周围紧邻的原子或异号离子数称为该原子或离子的“配位数”。以一个原子或离子为中心，将其周围与之成配位关系的原子或离子的中心联结起来所获得的多面体称为配位多面体。配位多面体有多种形式，晶体结构常可看做是由配位多面体相互联结而成的一种体系。
离子的配位数首先取决于阳离子与阴离子半径的比率，只有当阳、阴离子的半径比率适中，并使阴阳离子完全紧密接触时，晶体才是稳定的，太大或太小都使晶体不稳定，并将使其配位数发生变化。为了使阴阳离子完全接触，阴阳离子的半径比值必须满足配位数及相应的阴阳离子半径的条件（见表1-4-2）。
表1-4-2
阳离子配位数与阳、阴离子半径R
+/R
-比值的关系
阳、阴离子半径R+/R-比值
|
配位数
|
配位离子的排列方式及形状
|
0.000-0.155
0.155-0.225
0.225-0.414
0.414-0.732
0.732-1.000
1.000
|
2
3
4
6
8
12
|
哑铃状
等边三角形
四面体
八面体
立方体
立方八面体
|
上述配位数的介绍是纯几何的。在实际晶体结构中，情况要复杂得多，离子的极化将导致离子的变形和离子间距的缩短，从而可使配位数降低。具有共价键的晶体，配位数和配位离子排列方式取决于共价键的方向性和饱和性，就同一种元素的离子来说，在不同外界条件（温度、压力、介质条件下）生长的晶体也可能具有不同的配位数。
4.2.3 离子极化
电子云不是刚性的，当原子或离子处于电场中时，在电场的作用下，电子云就会发生变形。使正负电荷的重心发生相对位移，从而产生偶极。其结果使离子的形状和大小发生改变，原子或离子在外电场的作用下改变其形状与大小，称为原子或离子的极化。
在晶体结构中，一方面离子受到周围离子形成的外电场作用而被极化，另一方面离子本身的电场作用于周围的离子而使后者极化，即离子本身具有“极化力”。
不同的离子由于它们的电子构型、半径大小和电荷的多少不同，从而具有不同极化性质。一般说来，阳离子半径小，电荷集中，外层电子与核的联系较牢固，因此不易被极化。相反，却表现出较强的使其它离子极化的极化力，电荷越多，半径越小，极化力就越强。而半径较大的阴离子则表现为被极化。离子极化引起离子的变形和电子云的穿插，从而使离子键向共价键过渡，同时，由于离子极化使离子间距缩短，使配位数降低。
4.3 过渡元素的晶体场理论
过渡元素，特别是第一系列即第六周期的过渡元素Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu等，在宝石学中占有显著位置，宝石瑰丽的颜色主要归功于它们与可见光之间的相互作用，这与其特殊的原子结构和特殊的晶体化学性质有关。但过渡元素具有特殊的性质，这些特殊性用一般的晶体化学理论是难以解释的。而只能用晶体场理论来进行解释，简单介绍如下。
4.3.1 过渡元素原子电子壳层中亚层电子轨道的形状
在过渡元素的原子电子壳层中，亚层电子轨道的形状如图4-4-3。s轨道呈球形对称；轨
图4－3 原子电子壳的s轨道、p轨道和d轨道的形状示意图
道有三个，每一个p轨道都呈哑铃状，分别沿直角座标X、Y、Z轴延伸，并分别标记为px、py、pz；d轨道有五个，每一个d轨道都有相互垂直的四瓣（dz
2轨道除外）。根据五个轨道不同的空间排布。可将其分为两组，一组为dε轨道，包括三个轨道dxy、dyz、dxz，沿斜交座标轴方向伸展；另一组dγ轨道，包括dx
2-y
2和dz
2，沿三个直角座标延展。
4.3.2 过渡元素电子层结构的特征
过渡元素原子的电子层结构的特征是d（或f）亚层只部分地为电子所充填，例如在宝石学中起重要作用的第一系列过渡元素的电子排布的一般形式为：
1s
22s
22p
63s
23p
63d
10-n4s
1-2
闭合电子壳层的电子排布为：1s
22s
22p
63s
23p
6，相当于惰性气体（氩）的结构。去4s电子或某些3d电子便形成过渡元素的离子和不同的氧化态，表1-4-6列出第一系列过渡元素的电子排布。
表1-4-6
第一系列过渡元素的电子排布
原子序数
|
元素
|
电 子 层
结 构
|
原子
|
二价离子
|
三价离子
|
四价离子
|
21
|
Sc
|
（Ar）3d14s2
|
（Ar）3d1
|
（Ar）
|
——1
|
22
|
Ti
|
（Ar）3d24s2
|
（Ar）3d2
|
（Ar）3d1
|
（Ar）
|
23
|
V
|
（Ar）3d34s2
|
（Ar）3d3
|
（Ar）3d2
|
（Ar）3d1
|
24
|
Cr
|
（Ar）3d54s1
|
（Ar）3d4
|
（Ar）3d3
|
（Ar）3d2
|
25
|
Mn
|
（Ar）3d54s2
|
（Ar）3d5
|
（Ar）3d4
|
（Ar）3d3
|
26
|
Fe
|
（Ar）3d64s2
|
（Ar）3d6
|
（Ar）3d5
|
——
|
27
|
Co
|
（Ar）3d74s2
|
（Ar）3d7
|
（Ar）3d6
|
——
|
28
|
Ni
|
（Ar）3d84s2
|
（Ar）3d8
|
（Ar）3d7
|
（Ar）3d6
|
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