Ustalono, że każde źródło minerału (naturalne czy sztuczne) ma swoją charakterystykę izotopową zależną od wielu czynników. Badania izotopowe pozwalają więc określić bardzo precyzyjnie pochodzenie minerału, roztworów minerałotwórczych, temperaturę powstawania minerału, warunki środowiska, kierunki migracji badanych mas (ile substancji pozostało, a ile uciekło z układu) itd.  

W gemmologii stosuje się obecnie najczęściej analizy izotopowe tlenu w mikroobszarze (przekrój wiązki laserowej). Pozwalają one wykryć niehomogeniczność składu izotopowego, związaną np. z wielofazowym narastaniem minerału, rozpuszczaniem, strącaniem i rekrystalizacją, a także migracją wody.

Tlen jest ilościowo jednym z głównych składników skorupy ziemskiej. Występuje prawie we wszystkich typach skał, wchodząc w skład podstawowych minerałów skałotwórczych, także wielu kamieni szlachetnych z grupy krzemianów, glinokrzemianów, tlenków i węglanów. Z racji powszechnego występowania tlenu w strukturach minerałów, oznaczenia zmienności jego składu izotopowego są doskonałą metodą w nowoczesnych badaniach procesów powstawania i ewolucji minerałów, w tym zwłaszcza kamieni szlachetnych. Tlen ma trzy naturalne izotopy o przeciętnej częstości występowania w środowiskach naturalnych (tzw. abudancja).

Zróżnicowanie stosunków izotopowych tlenu jest wyrażane według wzoru:

Wzorcem jest SMOW (Standard Mean Ocean Water) lub V-SMOW (woda o składzie izotopowym zbliżonym do składu SMOW, spreparowana przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej w Wiedniu). Dzięki postępowi technicznemu, jaki dokonał się w ostatnich latach w dziedzinie spektroskopii mas, chromatografii gazowej i technikach ekstrakcji laserowej, możliwe jest dzisiaj analizowanie składu izotopowego wodoru w grupach OH i tlenu w SiO 2 w próbkach o masie poniżej 2 mg. Przewiduje się, że w niedalekiej przyszłości będzie dostępna nowa technika pomiarowa składu izotopowego w grupach OH krzemionki, co pozwoli na wykorzystanie "termometru tlenowego pojedynczego minerału"  do oznaczania temperatury krystalizacji w próbkach o masie poniżej 2 mg.

Obecne techniki laserowe, stosowane w analizie izotopowej tlenu, pozwalają na precyzyjny wybór obiektu badań w skali mikroskopowej, bez konieczności jego fizycznej separacji. Umożliwiają one analizę składu izotopowego tlenu monokryształów lub pojedynczych ziaren minerałów w skale. Uniwersalność techniki laserowej i jej możliwości analityczne sprawiają, że pozostawia ona w minerale niewielkie, na ogół poniżej l mm średnicy, tzw. kratery ablacyjne. Niekiedy również minerał rozpada się pod wpływem zogniskowania wiązki laserowej.

Pomimo tych niedogodności, już obecnie w mineralogii i gemmologii coraz częściej wykonuje się analizy izotopowe tlenu w mikroobszarze. Bardzo spektakularnym osiągnięciem są badania izotopowe szmaragdów wykonane przez zespół francuskich i kolumbijskich gemmologów pod kierunkiem prof. G. Giulianiego. Na podstawie zmienności izotopów tlenu ustalono, że badane szmaragdy można podzielić na trzy grupy. W grupie pierwszej znalazły się szmaragdy Brazylii (Qadrilatero, Ferrifero, i Anage), Australii (Poona) i Zimbabwe (Sandawana). W drugiej grupie  są to złoża z Brazylii (Santa Terezinha de Goia`s), Afganistanu, Pakistanu (Swat Mingora) oraz Kolumbii. Różnice w koncentrowaniu przez szmaragdy z różnych złóż zależą więc od warunków geologicznych i fizyczno-chemicznych, w których one powstawały. Dlatego też omawiane wartości są dobrymi "liniami papilarnymi" szmaragdów, na podstawie których można ustalić miejsce ich wydobycia.

Historia wykorzystywania przez ludzkość szmaragdów sięga IV tysiąclecia p.n.e., jednak pochodzenie wielu spośród tych najcenniejszych kamieni jest nieznane. Z problemem tym zmierzyli się badacze pod kierunkiem prof. G. Giulianiego z Centrum Badań Petrograficznych i Geochemicznych CNRS w Vandoeuvreles-Nancy (Francja), którzy postanowili spraw dzić, z jakich kopalń pochodzą niektóre słynne szmaragdy.

Motywacją do rozpoczęcia tych badań były wyniki oznaczeń składu izotopowego tlenu uzyskane przez francuskich geochemików w trakcie analizy szmaragdów wydobywanych w kopalniach Kolumbii i Brazylii. Zbadano 9 szmaragdów: l) najstarszy pochodził z czasów rzymskich i został znaleziony w złotym pierścieniu w 1997 r. w Miribel (Francja); 2) cztery pochodziły z klejnotów należących do nizamów Hajdarabadu (Indie) i są to kamienie oszlifowane w XVIII w., zaliczane do tzw. szmaragdów "ze starych kopalni", z których wydobywano kamienie już za czasów Aleksandra Wielkiego (III w. p.n.e.); 3) szmaragd z korony króla Francji Ludwika IX (XIII w.); 4) dwa szmaragdy z kolekcji A. Haüy`ego, kolekcjonera i mineraloga, który jako pierwszy w 1806 r. opisał ten minerał; 5) szmaragd znaleziony we wraku hiszpańskiego galeonu 'Nuestra Senora de Atocha", zatopionego w 1622 r. u wybrzeży Florydy (USA).

Na podstawie wyników analiz izotopowych określono miejsca pochodzenia badanych szmaragdów. Ustalono, że szmaragd z Miribel nie pochodzi, jak przypuszczano, z kopalń egipskich lub austriackich, lecz z Pakistanu. Dotychczas uważano, że do 1545 r. jedynym miejscem pozyskiwania szmaragdów były kopalnie w Egipcie i Austrii. Jeden szmaragd nizamów Hajdarabadu pochodzi z Afganistanu, pozo- stałe z Kolumbii. Szmaragd z korony Ludwika IX wydobyto natomiast z kopalni w Habachtalu, szmaragdy opisane przez A. Haüy`ego pochodzą z Austrii i Egiptu, a te z hiszpańskiego galeonu były znalezione w Kolumbii (diagram).

Literatura:
G. Giuliani: Towards a 18 O/ 16 O isotopic identity card of natural and synthetic emeralds. "The Emerald, AFG"1998.
G. Giulianii in.: Oxygen isotopes and emeraland trade routes since antiqu- ity. "Science" 2000, 287, 28.
M.O. Jędrysek, A. Weber-Weler: Analiza izotopowa tlenu w mikroobszarze: krzemiany i tlenki. "Przegląd Geologiczny" 2000, 48, 7.