A Study of Coloration of Topaz(I): Mineralogical and Chemical Study on the Topaz Selected from Some Localities of the World

토파즈의 人工着色 處理를 위한 硏究(I) : 世界 主要 産地別 토파즈의 鑛物學的 및 化學的 特性

For the purpose of mineralogical and chemical study on the topazes from various localities of world(Brzail, China, India, Nigeria and Sri Lanka), electron microprobe analysis(EPMA), neutron activation analysis(NAA), X-ray diffractometry, Raman spectroscopy, etch test, scanning electron microscopy, refractive index, specific gravity, fluid inclusion were performed. The chemical composition in topaz was discussed along with its physical and structural properties. Variations in the unit-cell dimension and physical properties of topaz were found to have a close relations in the unit-cell dimension and physical properties of topaz were found to have a close relationship with extent of substitution of $OH^-\;for\;F^-$. According to neutron activation analyses, the trace elements had no effects on the physical properties of topaz. Raman spectra showed that the peaks of topaz were different in intensity from one locality to another. Etching defects in topaz includes negative crystal defect o point-bottom pit(India, Nigeria) and net work defect of curl-bottom pit(Brazil, China). Fluid inclusions in topaz may be classiffied into liquid $CO_2$-bearing inclusion, gaseous inclusion, halite, sylvite-bearing inclusion and liquid inclusion. The results of this study can be useful to devising artificial coloring methods for topaz with different mineralogical compositions.

본 연구는 토파즈의 인공착색 처리 방법을 설정하기 위하여 브라질, 중국, 인도, 나이지리아, 스리랑카 등 5개국에서 산출된 토파즈를 대상으로, 전자현미분석(EPMA), 중성자활성분석(NAA), X선 회절분석, 라만 분광분석, 주사현미경(SEM), 부식시험, 굴절률측정, 비중측정, 유체 포유물 관찰 등의 실험을 실시하여 광물학적, 화학적 특성에 관한 연구를 수행하였다. 연구 결과 토파즈는 산지에 따라 화학적, 구조적 및 물리적 특성의 차이를 나타내었으며 특히, F와 OH 고용체 함량의 차이는 물리적, 구조적 특성과 밀접한 관련성이 있음이 확인되었다. F에 대한 OH로 치환정도가 가장 높은 인도산 토파즈는 굴절률, 단위포상수 b, 단위포 체적 및 ${\Delta}021$값이 가장 크고, 비중값은 가장 작으며 스리랑카산, 중국산, 브라질산, 나이지리아산순으로 F에 대한 OH로 치환 정도가 낮다. F에 대한 OH로 치환정도가 가장 낮은 나이지리아산 토파즈는 굴절률, 단위포상수 b, 단위포 체적 및 ${\Delta}021$값이 가장 작고, 비중값은 가장 크다. 토파즈내에 함유되는 미량원소종은 Na, Fe, Br, Co, Ce, La, Sm, Th, Au, Sc, Cr 등이며 이러한 미량원소의 정성정량적 특성은 물리적 특성에는 거의 영향을 미치지 않았다. 라만 분광분석 결과 토파즈의 피크는 산지에 따라 강도의 차이를 나타내었으며 브라질산과 인도산은 455∼458($cm^{-1}$)근처의 피크, 중국산은 282∼284($cm^{-1}$) 근처의 피크가 나타나지 않았다. 산지에 따른 결정구조결함 특성은 주로 point-bottom pit의 negative crystal defect(인도산, 나이지리아산)와 curl-bottom pit의 net work defect(브라질산, 중국산)로 구분되며, 결정내에 발달하는 미세한 균열을 따라 형성된 선결함 양상(linear defect)을 보여준다. 유체 포유물의 특징은 브라질산이 액상 $CO_2$를 가지는 III형이고, 중국산에는 유체 포유물이 거의 관찰되지 않으며 단지 $10{\mu}m$이하의 매우 작은 크기인 초생포유물의 극소량 존재한다. 인도산은 기체가 풍부한 II형이고, 나이지리아산은 암염, 실바이트 등의 고체 포유물을 함유하는 IV형이며 스리랑카산은 거의 대부분의 유체 포유물이 2차 생성의 I형이 주로 형성되어 있다. 본 연구의 결과는 광물학적 특성의 차이를 갖는 산지별 토파즈의 인공착색을 위한 처리 방법을 설정하는 유용한 기초 자료로 이용될 수 있을 것이다.