علم الأحجار الكريمة

للحجر الكريم المعدني تركيب كيميائي محدد يُكتب في هيئة صيغة، وترتيب داخلي منظم للذرات. فالكوراندوم أكسيد ألومنيوم (Al₂O₃)؛ والبيريل سيليكات بيريليوم وألومنيوم (Be₃Al₂Si₆O₁₈)؛ والألماس كربون وحده. وأصناف النوع الواحد تختلف أساسًا في العناصر النزرة التي تحل محل الذرات الرئيسية في الشبيكة، ولهذا يتشارك الياقوت والياقوت الأزرق صيغة واحدة.

ويصنّف علماء البلورات البنى البلورية ثلاثية الأبعاد في سبعة أنظمة بلورية: ثلاثي الميل، وأحادي الميل، ومعيني قائم، ورباعي، وثلاثي، وسداسي، ومكعبي. ويصفها علم الأحجار الكريمة بالأطوال النسبية لمحاور مرجعية تخيلية وبالزوايا بينها. والنظام هو الذي يحكم الشكل الخارجي للبلور (ثماني الأوجه للألماس والسبينل، وموشورات سداسية الأضلاع للبيريل)، ويحكم كذلك، وهو الأنفع في التعرف، سلوكه البصري. فالأحجار الكريمة المكعبية متماثلة الخواص: ينتقل الضوء فيها بالسرعة نفسها في كل اتجاه. أما الأحجار في الأنظمة الستة الأخرى فهي متباينة الخواص وتشطر الضوء إلى شعاعين. والتركيب وحده لا يثبّت البنية: فالألماس والغرافيت كلاهما كربون نقي، لكن ترتيبهما مختلف.

وبعض المواد الكريمة ليس لها انتظام ذري بعيد المدى، فلا نظام بلوري لها. فالزجاج ومعظم أوبال الأحجار الكريمة والكهرمان العضوي مواد لابلورية، وهي، مثل البلورات المكعبية، متماثلة الخواص بصريًا.

الصلادة مقاومة الخدش. وقد رتّب عالم المعادن Friedrich Mohs عشرة معادن مرجعية من التلك (1) إلى الألماس (10)، وكل منها قادر على خدش ما دونه. ومقياس موس ترتيب لا قياس بخطوات متساوية. ويُظهر اختبار الانغماز هذا التفاوت بوضوح: فالصلادة المجهرية بمقياس Vickers تبلغ نحو 0.14 GPa للتلك، و1.5 للكالسيت، و12.2 للكوارتز، و19.6 للكوراندوم، في حين يقع الألماس قرب 115. وتهمّ الصلادة في المجوهرات لأن غبار المنازل يحتوي الكوارتز، فالأحجار الكريمة الألين من موس 7 تفقد صقلها تدريجيًا.

والصلابة مقاومة الكسر والتشظي، وهي مستقلة عن الصلادة. فالجاديت مصنّف من 6.5 إلى 7 والنفريت من 6 إلى 6.5، ومع ذلك فكلاهما شديد الصلابة، ولهذا كانت سكاكين العصر الحجري الحديث ورؤوس فؤوسه تُصنع من النفريت في الغالب. والألماس، أصلد حجر كريم طبيعي، قد ينشق مع ذلك تحت ضربة حادة: فله أربعة اتجاهات انفصام تامة، موازية لأوجهه الثمانية المثلثة. وللتوباز اتجاه انفصام تام واحد، وللكونزيت اثنان. وحيث لا انفصام يتكسر الحجر بـالكسر؛ ويُظهر الكوارتز والزجاج كسرًا محاريًا منحنيًا يشبه الصدفة.

والثبات مقاومة الحرارة والضوء والمواد الكيميائية. فالأوبال يحمل حتى 20% ماء، وبعض الكونزيت يبهت في الضوء القوي، واللؤلؤ تنحته الأحماض.

الوزن النوعي يقارن وزن الحجر الكريم بوزن حجم مساوٍ من الماء. ويعطي GIA للألماس 3.52 (+/- 0.01). والزركونيا المكعبة أكثف منه كثيرًا، فقطعة زركونيا مكعبة تزن قيراطًا واحدًا أصغر بوضوح من ألماسة تزن قيراطًا واحدًا. ويقيس علماء الأحجار الكريمة الوزن النوعي بوزن الحجر في الهواء ثم في الماء، أو يقدّرونه بمعرفة ما إذا كان الحجر يغرق أو يطفو في سوائل معلومة الكثافة.

ومعامل الانكسار يعبّر عن مقدار تباطؤ الضوء وانحرافه عند دخوله الحجر: فالكوارتز يقرأ نحو 1.54، والكوراندوم من 1.762 إلى 1.770، والألماس 2.42. والأحجار الخارجة عن النظام المكعبي مزدوجة الانكسار، تشطر الضوء إلى شعاعين بمعاملين مختلفين. والفرق بينهما هو الانكسار المزدوج. وانكسار الزبرجد المزدوج، من 0.035 إلى 0.038، كبير بما يكفي لأن ترى كل وجه من أوجه القاعدة مزدوجًا عبر التاج.

والتشتت هو تغيّر معامل الانكسار بتغيّر الطول الموجي، وهو ما يفرّق الضوء الأبيض إلى ألوان طيفية تُرى في هيئة نار. ويستخدم الرسم اصطلاح علم الأحجار الكريمة B إلى G، أي الفرق في معامل الانكسار بين خطي Fraunhofer، أحدهما في الأحمر والآخر في البنفسجي. ويُذكر الألماس عادة عند 0.044. والموسانيت المصنّع، الذي قاسه GIA عند 0.104، يتجاوزه بكثير.

اللمعان يصف نوعية الضوء المنعكس عن سطح الحجر الكريم. وهو يتوقف على معامل الانكسار وعلى مدى قبول السطح للصقل. وللألماس لمعان ألماسي، وهو أشد الأنواع المعتادة سطوعًا؛ ومعظم الأحجار الكريمة، من الكوارتز إلى الكوراندوم، لمعانها زجاجي. ومن المصطلحات المعيارية الأخرى راتينجي للكهرمان، وشمعي للفيروز، ولؤلؤي للؤلؤ ولبعض سطوح الانفصام، وحريري للمواد الليفية.

والشفافية تمتد من الشفاف إلى نصف الشفاف إلى المعتم. وتتوقف على المادة نفسها، وعلى الشوائب التي تشتت الضوء، وعلى السماكة، وهي في بعض الأحجار الكريمة محدِّد للقيمة: فالجاديت الجيد يُقدَّر لشفافيته المتوهجة.

وتعدد الألوان تغيّر في لون الجسم بتغيّر اتجاه النظر. ولا يحدث إلا في البلورات مزدوجة الانكسار، التي تمتص الضوء امتصاصًا مختلفًا على اتجاهات بصرية مختلفة. والبلورات الرباعية والسداسية والثلاثية قد تُظهر لونين (ثنائية اللون)؛ والبلورات المعينية القائمة والأحادية الميل والثلاثية الميل قد تُظهر ثلاثة (ثلاثية اللون). أما المواد المكعبية واللابلورية فلا تُظهر شيئًا من ذلك. والتنزانيت شديد تعدد الألوان ويُظهر ثلاثة ألوان مختلفة عند تدوير البلورة، والقاطعون يوجّهون الخام بحيث يتجه أفضلها إلى الأعلى عبر الطاولة.

يصف علماء الأحجار الكريمة اللون بثلاث صفات. الدرجة اللونية هي اللون الأساسي، مثل الأحمر أو الأزرق أو الأخضر، مع أي ألوان معدّلة. والنبرة هي مدى فتوح اللون أو غموقه. والتشبع هو قوته، من المائل إلى الرمادي أو البني إلى الزاهي.

وينشأ اللون عندما يمتص الحجر الكريم بعض الأطوال الموجية المرئية ويُمرّر الباقي أو يعكسه. وفي الأحجار ذاتية اللون يكون العنصر الملوّن مكوّنًا رئيسيًا، كما هو النحاس في الفيروز والملكيت. ومعظم الأحجار الكريمة دخيلة اللون: عديمة اللون وهي نقية، وتلوّنها حوامل لون نزرة. ويُورد مسح GIA للكوراندوم ستة منها، بينها Cr³⁺ وFe³⁺ وV³⁺ والزوج Fe²⁺ إلى Ti⁴⁺ وزوجان من الثقوب المحتجزة يعطيان البرتقالي والأصفر. ويتطلب الأحمر في الياقوت من عدة مئات إلى بضعة آلاف من أجزاء المليون من Cr³⁺؛ أما الياقوت الأزرق فيأتي من انتقال الشحنة بين التكافؤات، أي إلكترون ينتقل من Fe²⁺ إلى Ti⁴⁺ تحت الضوء ثم يعود.

ومراكز اللون عيوب في الشبيكة تحتجز إلكترونًا أو تترك فراغًا لإلكترون، وذلك عادة بعد إشعاع. والكوارتز الدخاني يحتاج إلى ألومنيوم يحل محل السيليكون، وهو موجود في معظم الكوارتز بمستوى عدة مئات من ppm، قبل أن يتمكن الإشعاع من إنشاء مركز الثقب البني الأسود. والجمشت مركز مشابه مبني على الحديد. وتسخين الكوارتز الدخاني إلى نحو 400°C يُفرغ المحتجزات ويعيده عديم اللون.

التفلور ضوء مرئي يبثّه الحجر الكريم أثناء تعرضه لإشعاع أعلى طاقة، وهو عادة الأشعة فوق البنفسجية (UV). والتفسفر وهج يستمر بعد إطفاء مصدر الإشعاع. ويختبر علماء الأحجار الكريمة الاثنين بمصابيح فوق بنفسجية طويلة الموجة (365 nm) وقصيرة الموجة (254 nm)، ويسجّلون لون الاستجابة وقوتها.

ويذكر GIA أن نحو 35% من الألماس الطبيعي عديم اللون إلى الأصفر الخفيف يتفلور تحت الأشعة فوق البنفسجية طويلة الموجة، وأن الأزرق يمثّل 97% من تلك التفاعلات، ويبثّه العيب N3. والكروم يجعل الياقوت يتفلور بالأحمر. والحديد مُخمِد شائع في الأحجار الملونة، فأحجار الياقوت قليلة الحديد من مكامن الرخام كتلك التي في ميانمار تتفلور بقوة.

والتفسفر أقل شيوعًا وكثيرًا ما يكون مفيدًا. فالألماس من النمط IIb الحامل للبورون يتفسفر في جميع الحالات تقريبًا، بالأزرق أو الأحمر، تحت الأشعة فوق البنفسجية العميقة، ووهج ألماسة هوب الأحمر اللاحق يستمر عدة دقائق. ونحو 90% من الألماس المصنّع المستنبت بطريقة HPHT يتفلور بالأصفر أو الأصفر المائل إلى الأخضر للأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة ثم يعطي تفسفرًا قويًا طويل العمر يرتبط بالبورون، وهو ما يجعل الاختبار دليلًا نافعًا في الفحص الأولي. والتفاعلات تتداخل بين مواد مختلفة، فالتفلور يدعم التعرف ولا يثبته.

الأحجار ذات الظواهر البصرية تُظهر تأثيرات بصرية تنتجها بنيتها الداخلية أو شوائبها لا لون جسمها وحده. ومعظمها يُقطع على هيئة كابوشون، أي قببًا ناعمة بلا أوجه، وهو ما يركّز الأثر.

وظاهرة عين القط شريط ضوء ساطع واحد ينعكس عن إبر أو ألياف أو أنابيب مجوّفة متوازية كثيرة. وينزلق الشريط على القبة عند تحريك الحجر. وعين القط من الكريزوبيريل هي المثال الكلاسيكي. والنجمية هي الانعكاس نفسه عن مجموعتين أو ثلاث من الإبر يتقاطع بعضها مع بعض، فينتج نجمة. وفي الكوراندوم تكون الإبر روتيلًا في العادة، ويعطي GIA أربعة أشعة أو ستة أو اثني عشر أحيانًا، والستة هي الحالة الشائعة.

وتلاعب الألوان في الأوبال الكريم انعراج. فكريات السيليكا المتساوية الحجم، المرصوصة في مصفوفات منتظمة تتصرف كبلورات ضوئية ثلاثية الأبعاد، تشطر الضوء الأبيض إلى رقع من لون طيفي خالص تتغير بتغير زاوية النظر. والكريات الأصغر تعطي الأزرق والبنفسجي؛ والأكبر تعطي الأحمر والبرتقالي والأخضر. والأدولارية هي البريق الأبيض المزرق الناعم السابح في حجر القمر، وهو مبني من طبقات متبادلة من فلسبار الأورثوكليز والألبيت. فالضوء يتشتت بين هذه الطبقات المجهرية ويتداخل، وكلما كانت الطبقات أرقّ وأكثر انتظامًا قوي الأثر.

اللابرادورية هي الوميض العريض الأزرق أو الأخضر أو الذهبي أو البرتقالي الذي يجتاح اللابرادوريت عند إمالته. فعند التبريد البطيء ينفصل الفلسبار إلى صفائح متبادلة، والضوء المنعكس عن الطبقات المتعاقبة يتداخل؛ واللون الناتج يتبع انعراج Bragg على الرصّة. وفي حجر لابرادوريت واحد يُظهر لابرادورية صفراء، كان متوسط الصفائح الأسمك 129 nm والأرقّ نحو 64 nm، أي تكرار مقداره 193 nm يعيد انعكاسًا قرب 597 nm.

والأفنتورية لمعان مرقّط تسببه صفائح عاكسة صغيرة. وفي فلسبار حجر الشمس تكون هذه نحاسًا فلزيًا أو أكاسيد حديد مثل الهيماتيت؛ أما كوارتز الأفنتورين فيرجع لمعانه إلى صفائح الميكا.

وتغيّر اللون انتقال في الدرجة اللونية الظاهرة بين ضوء النهار والضوء المتوهج. وللألكسندريت نطاق امتصاص قرب 580 nm ويُمرّر الأخضر والأحمر كليهما، فيقرأ أخضر إلى أخضر مائل إلى الأزرق في ضوء النهار وأحمر إلى أحمر مائل إلى الأرجواني تحت المصباح. وبعض أحجار الياقوت الأزرق والجارنت والسبينل يُظهر صورًا أضعف من هذا الأثر، والفاناديوم قد ينتجه في الكوراندوم.

والتقزح لون بنيوي ينشأ من تداخل الضوء المنعكس أو المنعرج عن بنى دون الميكرون. ويظهر في العقيق الناري، وفي الشرقية على سطح اللؤلؤ الجيد، وعلى امتداد شقوق رقيقة مملوءة بالهواء في الكوارتز.

الشوائب بلورات وسوائل وشقوق وسمات نمو محصورة داخل الحجر الكريم. وقليل من الأحجار يخلو منها، وترتيبها في كل حجر فريد عمليًا. وهي تسجّل كذلك كيف نما الحجر المضيف وأين، فيقرأها علماء الأحجار الكريمة لفصل المادة الطبيعية عن المصنّعة، وكشف المعالجة، والإشارة إلى المنشأ الجغرافي.

والحرير شبكة من إبر روتيل دقيقة في الكوراندوم. وهو يلطّف اللون، وقد ينتج نجومًا، ويتغير تغيرًا مرئيًا عند تسخين الحجر، وهو ما يجعله دليلًا أساسيًا في كشف المعالجة بالحرارة. والإبر بلورات أو أنابيب مفردة مستطيلة. والريشات شقوق، سُمّيت لمظهرها الريشي؛ والريشات التي تبلغ السطح في الألماس هي المنافذ التي تستغلها مواد الحشو. وشقوق الزمرد وشوائبه المميزة تسمى jardin، وهي الفرنسية لكلمة «حديقة»، والتجار يتوقعونها.

وبعض الشوائب يشير إلى موقع بعينه. فزمرد كولومبيا يحتوي غالبًا شوائب ثلاثية الأطوار: تجويف مشرشر يحمل سائلًا مالحًا، وفقاعة غاز، ومكعبًا دقيقًا من الهاليت (ملح الصخر)، احتُجزت من المحاليل الملحية الحارة التي أرسبت الزمرد. وأحجار الجارنت من نوع الديمانتويد، ولا سيما من جبال الأورال في روسيا، قد تحتوي ذيول الفرس: رشقات منحنية من الألياف تشعّ من بلورة دقيقة. ويعدّها GIA من السمات الداخلية القليلة التي ترفع قيمة الحجر الكريم.

الألماس كربون نقي تقريبًا، لكن آثار النيتروجين والبورون تغيّر لونه وتفلوره وسلوكه الكهربائي. ويصنّف العلماء الألماس في أنماط بحسب هذه الشوائب، وتُقاس بالتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR). وتقع امتصاصات النيتروجين في منطقة الفونون الواحد، أي نحو 1332 إلى 400 cm⁻¹.

والألماس من النمط I يحتوي نيتروجينًا يستطيع FTIR قياسه. وفي النمط Ia، الذي يشمل أكثر من 95% من الألماس الطبيعي، هاجر النيتروجين على مدى الزمن الجيولوجي إلى أزواج متجاورة (تجمعات A، أي IaA) أو إلى مجموعات من أربع ذرات حول فراغ (تجمعات B، أي IaB). وفي النمط Ib يقع النيتروجين في هيئة ذرات مفردة منفردة؛ وأحجار Ib الطبيعية بنية أو صفراء أو برتقالية في جميع الحالات تقريبًا، ولا يوجد منها إلا قليل نادر. أما معظم الألماس المصنّع المستنبت بطريقة HPHT فهو، على العكس، من النمط Ib.

والألماس من النمط II لا يحتوي نيتروجينًا يستطيع FTIR كشفه، وهو أيضًا نادر الحدوث في الطبيعة. وأحجار النمط IIa كثيرًا ما تكون عديمة اللون على نحو استثنائي، وأكبر أحجار الألماس الكريمة، أي الأحجار من طراز كولينان التي تكوّنت على عمق 360 إلى 750 km، تنتمي إلى IIa في المعتاد. والألماس من النمط IIb يحتوي البورون، الذي يلوّنه أزرق أو رماديًا ويجعله ناقلًا للكهرباء. والنمط مهم عمليًا: فـIIa هو النمط المعتاد للألماس المستنبت بطريقة CVD وهو النمط الذي تستطيع معالجة HPHT إزالة لونه، ولهذا تُحال أحجار IIa إلى الاختبار المختبري في المعتاد.