Microscopic, chemical and spectroscopic investigations on emeralds of various origins

In dieser Arbeit werden die mikroskopischen, chemischen und spektroskopischen Charakteristika von 260 natürlichen Smaragden und 66 synthetischen „Smaragden“ untersucht. Die Konzentrationen der chemischen Elemente von Smaragden wurden mit Hilfe der LA-ICP-MS und EMS bestimmt. Ergänzende Raman- und IR spektroskopische Methoden ermöglichen es, die Herkunft der verschiedenen Smaragde und ihrer synthetischen Analoga zu bestimmen. Auf Grund der verschiedenen Gehalte von Si, Al und Be können synthetische „Smaragde“ von natürlichen getrennt werden. Die Smaragde von Malipo, Chivor und auch synthetische „Smaragde“ können von allen anderen natürlichen Smaragden wegen der unterschiedlichen Cr-, V-, und Fe-Gehalte von einander getrennt werden. Wegen der unterschiedlichen Mg-, Na-, K-Gehalte lassen sich eher „schiefer-gebundene“ Smaragde identifizieren. Dabei wird festgestellt, dass die Unterscheidung in „schiefer-„ und „nichtschiefer-gebundene“ Smaragd-Vorkommen im Wesentlichen nur die Endglieder einer offensichtlich kristallchemisch sehr variablen Mineralchemie der Berylle, bzw. Smaragde beschreibt, dass damit aber keinesfalls eine petrologisch vertretbare Trennung belegbar ist, sondern dass Smaragde nur das jeweils regierende chemische Regime unter geeigneten Druck-Temperatur-Bedingungen widerspiegeln. Einschlussmerkmale spielen eine große Rolle bei der Unterscheidung verschiedener Lagerstätten und Herstellungsmethoden. Zum Beispiel können die Smaragde der drei Lagerstätten Santa Terezinha, Chivor, und Kafubu mit Hilfe ihrer charakteristischen Pyriteinschlüsse identifiziert werden. Die Band-Positionen und FWHM -Werte der Raman-Bande bei 1068 cm-1 und der IR-Bande bei 1200 cm-1 ermöglichen eine Differenzierung zwischen synthetischen und natürlichen Smaragden, und können darüber hinaus auch Auskunft geben über die Lagerstätte. Zusammen mit chemischen Messwerten kann bewiesen werden, dass diese Banden von Si-O Schwingungen verursacht werden. Die Raman- und IR-Banden im Bereich der Wasserschwingungen und insbesondere das IR-Band um 1140 cm-1 führen zur Trennung von Flux-Synthesen, Hydrothermal-Synthesen und natürlichen Smaragden.

In this work a total of 260 natural emeralds and 66 synthetic “emeralds” were thoroughly studied in microscopic, chemical and spectroscopic features by means of LA-ICP-MS, EMP, Raman and IR spectroscopy. The microscopic, spectroscopic features and the concentrations of chemical elements were quite different between natural and synthetic “emeralds”, and also among natural emeralds of different deposits. Using these features, criteria were deduced for differentiating between natural and synthetic emeralds and among different localities of natural emeralds. The use of ICP-MS and EMPA allowed us to identify the concentrations of elements in emeralds. Basing on Si, Al, Be amounts we are able to separate synthetic “emeralds” from natural emeralds since the concentration of these elements approximates the ideal amounts, while in natural ones these amounts are very variable. The concentrations of chromophoric elements, like Cr and V and Fe, helped to attribute Malipo, Chivor and synthetic emeralds. The uses of concentrations of Mg, Na, K allowed us to identify whether an unknown emerald belongs to “schist type” or to “non-schist type”, where these two antipodes are only the endmembers of an obviously continuously running solid solution between emeralds of a relatively wide spread crystal chemistry. The crystal structure of beryl, esp. emerald, is able to react constructively on different chemical environments, which may be paralled by a somewhat distinct petrological background of more “schistoid” or “non-schistoid” (pegmatitic, hydrothermal etc.) character. Microscopic investigation allowed to see a variety of inclusions in emeralds of various deposits and producers and therefore is an effective method for separating emeralds of different origins. Pyrite inclusions for example can be used as a criterion to separate Santa Terezinha, Chivor, Kafubu emeralds from all others. The combination of this method with spectroscopic ones makes the separation even much more precise. Features of FWHM and position of Raman band at about 1068 cm-1 and IR band at about 1200 cm-1 can be used to distinguish between synthetic and natural emeralds. The Raman and IR bands in the range of water vibrations and an IR band at 1140 cm-1 lead to separate flux-grown synthetic “emeralds”, hydrothermally-grown “emeralds” and natural ones. On the basis of chemical data, the Raman peak at 1068 cm-1 and the IR peak at 1200 cm-1 were assigned to Si-O vibrations.