劉清揚(yáng)（澳洲國立大學(xué)本科一年級(jí)）

引言

“蘭陵美酒郁金香，玉碗盛來琥珀光。”

——李白《客中行》

在中國古代，琥珀就因具有獨(dú)特的透光性、光澤、顏色和形狀而被賦予了非常豐富的寓意，并被視為一種非常珍貴的寶石。而對(duì)琥珀進(jìn)行的古生物學(xué)研究更是證明，這種美麗的寶石同時(shí)也是遠(yuǎn)古時(shí)期的“3D照相機(jī)”，能將地史時(shí)期的生物面貌清晰地呈現(xiàn)在我們眼前。

琥珀是一種聚合形成的樹脂化石。不同樹木分泌的樹脂成分各有差異，但都主要由萜類化合物形成(J Robles et al., 2000)。柯巴樹脂是樹脂向琥珀轉(zhuǎn)變過程中的一個(gè)階段，在特定條件和很長(zhǎng)時(shí)間尺度下，柯巴樹脂的性質(zhì)可變得更加持久和穩(wěn)定，從而形成琥珀，因此柯巴樹脂和琥珀化學(xué)成分之間存在相似性和過渡關(guān)系(楊一萍和王雅玫，2010)。

緬甸琥珀近來的研究紅紅火火，Yang Meng-chu等（2012）使用U-Pb同位素定年的方法對(duì)緬甸琥珀圍巖中的鋯石進(jìn)行測(cè)定，得出緬甸琥珀形成的地質(zhì)年代為98.79±0.62 Ma（百萬年），屬于白堊紀(jì)。研究發(fā)現(xiàn)，能溶于有機(jī)溶劑的高聚物和有機(jī)溶解成分 (有機(jī)小分子和低聚物等) 是緬甸琥珀的主要成分，包括化學(xué)式為C9H8O3、C10H12O2、C8H10O等的多種有機(jī)物，在氧氣充足的情況下可以燃燒(黃睿等，2015)。有學(xué)者將緬甸琥珀譽(yù)為一種生物學(xué)的財(cái)富，因?yàn)槠渲邪佬袆?dòng)物和哺乳動(dòng)物等多門類遠(yuǎn)古生物的記錄。緬甸琥珀在揭示白堊紀(jì)生物種群面貌上發(fā)揮了重要作用。

人們自古以來就偏愛晶瑩剔透的事物，如果色彩和透光性上佳就會(huì)成為更加優(yōu)異的選擇，因此琥珀就成了樹脂中的最佳代表。通常衡量琥珀形態(tài)好的標(biāo)準(zhǔn)是：透光性好和色澤均勻。琥珀的寶石學(xué)價(jià)值則隨著透光度和顏色的提升而提高。緬甸琥珀的顏色表現(xiàn)與其包含的微量元素有較為緊密的聯(lián)系，重金屬的存在對(duì)琥珀的熒光強(qiáng)度有影響(梁慧芳，2016)。本文希望通過一系列的實(shí)驗(yàn)將此結(jié)論更加細(xì)化。

本次實(shí)驗(yàn)的目的：通過分析緬甸琥珀主要元素分布的規(guī)律和含有微量元素的比率，初步探討琥珀成色 (包括顏色和透光度) 與其組分的關(guān)系。顏色和透明度的描述是較為主觀的，所以這里我們采用肉眼判定的方法。

實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)中選擇了兩塊含有昆蟲包裹物的緬甸琥珀作為代表進(jìn)行分析，兩塊標(biāo)本分別為GMPKU-1號(hào)琥珀 (蚊子包裹體) 和GMPKU-2號(hào)琥珀 (蜱蟲包裹體) 。

實(shí)驗(yàn)方法

在每一塊琥珀的正反面分別選擇多個(gè)盡量均勻分布的點(diǎn)，點(diǎn)位數(shù)量的選擇綜合考慮了時(shí)間成本和有效性等方面。再使用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，簡(jiǎn)稱SEM）和能譜儀（Energy Dispersive Spectroscopy，簡(jiǎn)稱EDS）方法進(jìn)行每個(gè)點(diǎn)的能譜分析，從而得出每一個(gè)點(diǎn)的元素組成。

EDS 方法及原理概述：

能譜儀（EDS）主要對(duì)微區(qū)成分進(jìn)行定性分析，其原理為：電子槍發(fā)射出的高能電子束激發(fā)樣品表面可以產(chǎn)生一定能量的特征X射線。因?yàn)椴煌禺a(chǎn)生的特征X射線能量不同，所以可通過檢測(cè)不同光子的能量確定元素的種類，之后用EDS譜圖上的峰強(qiáng)度反映出樣品中元素含量的多少。

實(shí)驗(yàn)過程：

首先，在標(biāo)本表面鍍上一層碳，讓整塊標(biāo)本可以導(dǎo)電。在每一塊標(biāo)本上分別使用記號(hào)筆標(biāo)記要進(jìn)行能譜分析的點(diǎn)，每一塊的每一個(gè)面上選擇多于14個(gè)盡量均勻分布的點(diǎn)，所選擇的點(diǎn)位盡量不要包含特殊點(diǎn)（如包裹的特殊礦物）。其次，為了后續(xù)分析更加有依據(jù)，在掃描電鏡下拍攝每一個(gè)面的影像，在此過程中要注意讓不同照片的視野保持一致。

考慮到琥珀是由柯巴樹脂轉(zhuǎn)變而成，具有一定的透光性，所以在三維建模上可能會(huì)遇到很大的問題。主要有兩種解決方法：（1）將琥珀標(biāo)本翻模和（2）在標(biāo)本上面鍍上不透光材料。之后使用激光掃描的方法，建立三維模型。

因?yàn)橐M(jìn)行緬甸琥珀的顏色和透光度的分析，所以這里選擇用單反相機(jī)（設(shè)備：佳能750D）分別對(duì)所選擇的標(biāo)本進(jìn)行360°環(huán)繞拍攝。確保每一次旋轉(zhuǎn)角度較小，讓相鄰的兩張照片有較多的重合部分。在拍攝標(biāo)本光源較為單一的情況下，不同角度的照片合在一起描述某一特征會(huì)更加有說服力。拍攝GMPKU-1號(hào)琥珀獲16張照片，從中選出4張圖進(jìn)行拼接；拍攝GMPKU-2號(hào)琥珀獲14張照片，從中選出5張圖進(jìn)行拼接。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

GMPKU-1號(hào)琥珀標(biāo)本：

緬甸琥珀表面通常不是以非常規(guī)整的形態(tài)存在的，常有凹坑。此特征在本文中GMPKU-2號(hào)琥珀的三維模型上比較明顯。GMPKU-1號(hào)琥珀和GMPKU-2號(hào)琥珀都為不規(guī)則的橢圓狀，但大小有明顯的差異。

圖1 GMPKU-1號(hào)琥珀標(biāo)本3D建模

圖2 GMPKU-1號(hào)琥珀標(biāo)本

圖3 GMPKU-1號(hào)琥珀標(biāo)本在掃描電鏡下的成像照片（單張照片的視野10.2mm）

表1 GMPKU-1號(hào)琥珀標(biāo)本，在圖3標(biāo)號(hào)位置所示的元素質(zhì)量百分比

這一組數(shù)據(jù)較為集中，只有一組較為特殊的值（第15組），其中氧元素的質(zhì)量百分比為95.2654，硫元素的質(zhì)量百分比是2.4999。肉眼觀察可知，整塊琥珀顏色分布十分均勻，只有個(gè)別顏色較深的條帶 (如圖2所示)。使用表格中數(shù)據(jù)做均值，其中氧和硫元素的質(zhì)量百分比分別是99.9317和0.0682 (已排除第15組數(shù)據(jù))。

表2 GMPKU-1號(hào)琥珀表1背面相同位置的特殊點(diǎn)的元素百分比

這一組數(shù)據(jù)十分離散，選擇的是在電鏡下呈現(xiàn)特殊現(xiàn)象的點(diǎn)，如圖3中最明亮的點(diǎn)。因此，在表1中沒有出現(xiàn)過的元素會(huì)在表2的數(shù)據(jù)中占有較大的百分比。3-2和4-1這兩個(gè)點(diǎn)的硫元素含量都為100%，其在電鏡下的成像近似為黑色。但如點(diǎn)3-1也呈現(xiàn)與這兩個(gè)點(diǎn)相似的顏色。

GMPKU-2號(hào)琥珀標(biāo)本：

圖4 GMPKU-2號(hào)琥珀的三維建模

圖5 GMPKU-2號(hào)琥珀標(biāo)本

圖6 GMPKU-2號(hào)琥珀標(biāo)本的電子顯微鏡（SEM）成像照片；視野8.70mm

表3 GMPKU-2號(hào)琥珀標(biāo)本的元素質(zhì)量分布（取樣位置編號(hào)如圖6所示）

這一組數(shù)據(jù)較GMPKU-1號(hào)琥珀標(biāo)本的數(shù)據(jù)而言較為離散。肉眼觀察可知，整塊琥珀顏色的分布不如第一塊樣本均勻，整體顏色比第一塊樣本更深（如圖2和圖5所示）。使用總體數(shù)據(jù)做均值，其中氧和硫元素的質(zhì)量百分比分別是99.45993和0.464086。由此可見此塊樣本硫元素的含量遠(yuǎn)大于第一塊樣本的。因此推測(cè)，隨著硫元素含量的上升，琥珀的顏色會(huì)變得越來越深。

表4 GMPKU-2號(hào)琥珀表3背面相同位置的特殊點(diǎn)的元素質(zhì)量百分比

這一組數(shù)據(jù)十分離散，因?yàn)樵谶x擇點(diǎn)的時(shí)候包含了特殊情況，如圖6的最明亮的點(diǎn)。取樣方法屬于表3中的特殊點(diǎn)位，所以會(huì)出現(xiàn)比較特殊的數(shù)據(jù)。這組數(shù)據(jù)證明，緬甸琥珀包含很多不同種類的微量元素，如鈷和鎂元素。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

4.1 通過以上數(shù)據(jù)可以證明：緬甸琥珀表面含有很多微量元素，如鈷和鎂。

4.2 金屬氧化物及相關(guān)化合物通常在電鏡下表現(xiàn)為顏色較深的條紋，通常包含3種以上的元素?？偟膩碚f，琥珀表面的元素成分由于暴露在空氣中，可能會(huì)發(fā)生改變。

4.3 這兩塊琥珀的數(shù)據(jù)說明，隨著硫元素質(zhì)量百分比的上升，琥珀的顏色變得更深。在同一塊琥珀上，硫元素質(zhì)量百分比的波動(dòng)與顏色深淺不一的條帶相對(duì)應(yīng)。

4.4 通過在白冷光下由單反相機(jī)拍攝的照片可得，GMPKU-2號(hào)琥珀樣本的透光性要低于GMPKU-1號(hào)琥珀標(biāo)本。再通過表2和表4的數(shù)據(jù)比較可知，GMPKU-2號(hào)琥珀樣本的微量元素比率要大于GMPKU-1號(hào)琥珀標(biāo)本。由此可以推斷：緬甸琥珀的透光性與所含雜質(zhì)的種類和比率有關(guān)（在此，將雜質(zhì)定義為出現(xiàn)的非常規(guī)化學(xué)元素，將比率劃定為出現(xiàn)的概率）。

實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法及后續(xù)可以探究的問題

5.1 拍攝單反照片時(shí)，可將背景選擇得更加簡(jiǎn)單：如在托盤內(nèi)放置一張白紙。其次可以提升光源的強(qiáng)度，從而更好地表現(xiàn)緬甸琥珀的通透性。

5.2 在進(jìn)行EDS和SEM分析的時(shí)候，可以選擇鍍硅元素。因?yàn)樘荚氐馁|(zhì)量百分比可能會(huì)影響所分析的顏色透光度，因此可以嘗試選擇對(duì)透光度影響較小的硅元素作為電導(dǎo)體。

5.3 對(duì)于這兩塊標(biāo)本，后續(xù)可以進(jìn)行折光率的測(cè)試，讓透光度的衡量更加客觀。

5.4 本次實(shí)驗(yàn)只是對(duì)琥珀表面的元素組成進(jìn)行了測(cè)試，未來可就內(nèi)部成分組成進(jìn)行進(jìn)一步分析，并以此來討論其與顏色的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)論文指導(dǎo)老師

江大勇 教授

（北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院）

季承 副研究員

（中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所）