火欧泊的颜色三要素特征

潘 鑫，郭 颖

中国地质大学（北京）珠宝学院，北京 100083

前 言

火欧泊也称墨西哥欧泊，泛指橙黄、橙红至红色体色，透明到半透明、无变彩或有少量变彩的类似于果冻样的欧泊[1]。墨西哥火欧泊通常分为两类，一类是典型的体色呈深浅不一的橙红或者橙黄的无变彩火欧泊，另一类是具有变彩效应的。体色除了有上述深浅不一的橙色，也有白色或者无色透明的，称为炫彩火欧泊。典型的橙黄至橙红无变彩的火欧泊，通常被切磨成刻面宝石，以增强火欧泊的火彩，其中以体色深红的价值为最高[2-6]。

火欧泊形成于火山熔岩的次生矿，原石常常呈岩球状，因而墨西哥火欧泊有时具有相对较厚的厚度，但其产量是非常稀少的，尤其是高品质的、具有变彩效应的则更为稀少，所以通常好的火欧泊都是随形切割的，即以去掉欧泊上的砂石杂质为主，而尽可能多地把欧泊保存下来，因此通常我们看到的优质火欧泊大部分都是表面高低不平、外形随意扭曲的团状物[7]。

火欧泊的颜色一般占价值评价的50%以上，被称为其最重要的质量评价因素之一，因此促进完善火欧泊的颜色评价系统应该被视为业内非常重要的研究发展方向。颜色的差别会导致价格的巨大变化，因此在表征火欧泊的体色时，应选择适合的客观表色系统[8]。自CIE在1976年推荐LAB均匀色空间以来，已在许多行业中得到广泛应用，尤其在材料制造工业、纺织工业中使用更为广泛[3]。按照我国国家标准《GB/T 7921-2008均匀色空间和色差公式》规定，均匀色空间和CIE 1976 L*a*b*均匀色空间这两个表色系统适用于一切光源色与物体色的表示，色差公式同样适用于一切光源色与物体色的色差表示与计算[9]。而CIE 1976 L*a*b*均匀色空间符合人眼在红绿方向上的视觉色差尺度小于蓝黄方向的主观特征[10]，因此，本论文选择采用CIE 1976 L*a*b*均匀色空间来表征火欧泊的橙红色。

1 材料和方法

本文选取颜色具有一定梯度、质量可达宝石级别的天然火欧泊作为研究对象，经筛选后，共得到天然火欧泊（橙红）样品共30粒，其中25粒样品为质地细腻、表面抛光良好、内部较洁净、少含杂质的天然火欧泊戒面，尺寸为4.7×4.5×2mm至10.3×9.3×6.1mm；其中5颗为颜色具有一定梯度的原矿火欧泊。样品肉眼观察下色调为近浅黄色、橙色至橙红色，且每颗样品的颜色较均匀，只有少数几颗有不显著火彩，以保证本论文实验数据和分析结果具有一定程度的说服力。

颜色指数测定采用爱色丽X-Rite SP62便携式分光测色仪，采用积分球收集样品表面的反射信号；测试条件：反射，不包含镜面反射，D65（6504K）标准光源照明；2°观察者视场；测量范围400～700nm，测量时间＜2.5s，波长间隔10nm。

颜色定量分析基于CIE 1976 L*a*b*均匀色空间，该体系由平面色品a*、b*轴和L*纵轴组成，a*轴的正负端分别代表红色和绿色，b*轴的正负端分别代表黄色和蓝色，L*轴代表明度，其中由色品a*和b*可计算得到彩度C*和色调 h°abab：

表1 本文研究使用的部分火欧泊戒面样品（D65光源，标准 50%灰色背景）Table 1 Some samples of fire opal ring surface used in this study(D65 light source, standard 50% gray background)

2 结果与讨论

2.1 化学成分

欧泊属硅酸盐矿物，其化学分子式为：SiO2·nH2O，是一种含水的二氧化硅凝胶，其含水量一般为4%～9%，最高可达20%。主要由SiO2、H2O、Al2O3、Mn、有机质及其他杂质组成。墨西哥产地的欧泊的成分构成较简单，元素种类主要以Si、Mg和Ca为主，较其他欧泊少，其中火欧泊含Fe[11]，而产自埃塞俄比亚和澳大利亚的欧泊中除Si、Mg和Ca外，还含有Al、Ba和Sr等元素[12]。

2.2 光学性质

2.2.1 颜色

火欧泊的体色通常呈橙黄、橙红至红色，下表展示本文部分样品的基本参数及颜色特征。

表2 火欧泊样品的部分基本参数Table 2 Some basic parameters of fire opal samples

续 表2Continued Table 2

2.2.2 光泽、透明度

火欧泊呈透明到半透明、微透明。普通的呈蜡状光泽，抛光后质量好的呈玻璃光泽。

2.2.3 光性特征

火欧泊是无定形非晶质宝石，同时也是均质体宝石[13]，在正交偏光下旋转360°呈全暗或异常消光。

图1 火欧泊在偏光镜下旋转360°呈现异常消光Fig.1 Abnormal extinction of fire opals 360° when rotated under a polarizer

2.2.4 折射率

欧泊的折射率为1.45(+0.02，-0.08)，火欧泊样品测得折射率为1.37左右。

2.2.5 紫外荧光

欧泊在紫外光下发白色荧光，火欧泊样品在紫外光下无明显发光效果。

2.3 力学性质

2.3.1 密度

欧泊的密度为2.15(+0.08，-0.09)g / cm3，火欧泊的密度低于普通欧泊，相对密度仅为2，不仅低于其他欧泊，而且比可能与之相混的玻璃还低。

2.3.2 硬度

欧泊的摩氏硬度为5.5～6.5，有的铁欧泊可以达到7，具备了一定的硬度，用普通的小刀或者玻璃通常不能划动它。但相对于其他高硬度的宝石来讲，它的硬度略显不足，因而在佩戴时要避免和钻石、刚玉等高硬度物质相摩擦。有一定的脆性，所以怕摔[14]。

2.3.3 断口

欧泊无解理，通常断口呈贝壳状，昆士兰铁欧泊有时在外力作用下可裂开为两个光滑的波浪形对称面。

2.4 内部特征

欧泊中通常含有固态包裹体、气液包裹体以及颜色分区，产自澳大利亚的欧泊主要含有铁质砂岩屑，产自墨西哥的欧泊主要含有二相、三相气液包体，还可能含有如角闪石、赤铁矿、萤石、石英、黄铁矿、高岭石等固相包裹体[15]。

通过宝石显微镜将30颗样品进行镜下观察，如图所示，图2中为样品C2、C10、C15中观察到的深色固态矿物包裹体，图3中为样品C6中观察到的气液包裹体，图4中为样品C2中观察到的点状分布的色团。

图2 样品C2、C10、C15中的深色固态矿物包裹体Fig.2 Dark solid mineral inclusions in samples C2, C10, C15

图3 样品C6中的气液包裹体Fig.3 Gas-liquid inclusions in sample C6

图4 样品C2中点状分布的色团Fig.4 Color blobs with dotted distribution in sample C2

2.5 火欧泊颜色测试数据

基于CIE 1976 L*a*b*均匀色空间，应用爱色丽X-Rite SP62积分球式分光光度计进行火欧泊样品的颜色测试，共获得30组样品颜色参数。其中每颗样品保证在同种条件下先后进行五次测量，计算其平均值记录为该样品的实验数据。通过实验得到的火欧泊样品的颜色数据见表3。

表3 标准D65光源下25个样品在CIE 1976 L＊a＊b＊均匀色空间中的颜色参数Table 3 Color parameters of 25 samples under standard D65 light source in CIE 1976 L*a*b* uniform color space

续 表3Continued Table 3

2.6 火欧泊颜色三要素的分析

2.6.1 明度分析

明度(Lightness)是判断物体之间能够反射光多少的色彩感觉属性，即人眼所感受到的色彩的明暗程度，是颜色三属性之一，用L*表示。色彩明暗强弱的差异产生是由于各种彩色物体由于自身反射光量的不同[16]。不同色调明度各不相同，即使同一色调也有不同的明度差别。例如同一色调的红色中根据明度的差异，可分为亮红、正红、暗红等。根据人眼对色彩明度的感觉，人为设定白色的明度值为100，黑色的明度值为0[10]。

将实验测得火欧泊样品的明度数据绘在图5中，火欧泊样品在标准D65光源下的明度值L*范围为(27.85，74.79)，平均为48.08，且主要分布在(43.88，56.00)范围内，属于中等明度。明度分布较为均匀，过高明度和过低明度样本较少，与肉眼下观察效果一致，证实所获明度数据可靠有效。

图5 火欧泊样品在D65光源下橙红色的明度分布图Fig.5 Lightness distribution of orange-red under D65 light source

2.6.2 彩度分析

彩度(Chroma)，是指用距离等明度无彩点的视知觉特性来表示物体表面颜色的浓淡，并给予分度，是颜色三属性之一，用C*表示。物体色的彩度高低取决于物体表面反射或透过光谱色光的选择性吸收程度。当物体对光谱某一较窄波段的色光反射率很高、对其他波长的色光反射率很低或没有反射时，表明物体具有很高的光谱选择性，其对色光反射率很高的这一颜色的彩度就高。白、灰、黑色对光谱的各段波长的反射均等，表明物体没有选择性，即彩度为0；而对于其他彩色色调来说，彩度高则意味着色泽鲜艳，彩度低则表明暗淡显灰[17]。

将实验测得火欧泊样品颜色的彩度数据绘在图6中，在标准D65光源下，所用火欧泊样品的彩度值C*范围为(8.87，72.14)，平均为45.52，主要分布在(32.45，62.13)，属于中高彩度，且分布相对均匀。

图6 火欧泊样品在 D65光源下橙红色的明度分布图Fig.6 Lightness distribution of orange-red under D65 light source

2.6.3 色调分析

色调（Hue）是用以判断物体颜色感觉的属性，是颜色的基本特征，也是颜色三属性之一[12]。光源的光谱组成和物体表面选择性吸收后所反射（透射）的各波长辐射具有不同比例，因而人眼对颜色的感觉也不同，物体的色调变化就取决于此。在色度学中，物体色调通过色调角h°来表示，区间在0°～360°，色调角h°是指颜色投点与原点连线，所得直线与横轴正半轴的夹角。

通过色品图将测试所得样品色品值a*、b*表示在图7的色品图中。由于色品图为二维平面投影图，且数据点较为集中，可设定明度值L*=65，并将数据点位置做放大显示。从该色品图中分析可知，色品的a*、b*值范围分别为（0.19， 46.92）和（6.76，58.61），集中于橙红色区域；色调角h°范围为（23.48°，88.80°），平均56.14°，角度较大，说明实验所用火欧泊的色调变化范围较宽，其实验结果具有一定的代表性。

图7 标准 D65光源下火欧泊样品橙红色色品投点图(L*=65)Fig.7 Orange-red color drop point diagram (L*=65) of samples under standard D65 light source

2.6.4 三属性的分析比对

颜色三属性是相互独立又有联系的三个参数，人眼看到的任一种彩色光都是这三个特性的综合效果。其中色调与光波的波长具有直接关系，亮度和彩度与光波的幅度有关。色相、色度（明度、纯度）、色性是相互依存，相互制约的。任何色调在纯度最高的时候，都具有特定的明度L*和彩度C*的属性。如果明度L*变化，那么彩度C*也就会随之下降。比如标准柠檬黄，极高的纯度、极高的明度和其在色环中的冷暖定位均为它的特性。但如果在柠檬黄中添加红色调，明度就会随之变暗，纯度也跟着降低，色性也将相对变暖，这就是颜色三要素之间有机联系[18-24]。

图8 火欧泊的彩度与色品a*关系图（a）、火欧泊彩度与色品b*关系图（b）Fig.8 Relationship between chroma and chromaticity a * of fire opal (a), relationship between chroma and chromaticity b* of fire opal (b)

将火欧泊样品的彩度与色品a*、b*关系进行比对，如图8所示，样品彩度C*和色品a*、b*均具有一定的相关性，R2分别是0.709、0.816，相关系数为0.842、0.903（见表4、5），R2和相关系数较大说明两个因素之间具有更好的线性关系，所以相比彩度与色品a*来说，彩度与色品b*具有更好的线性关系，色品b*的正、负半轴分别代表黄、蓝色，而色品a*的正、负半轴分别代表红、绿色，通过实验测得的通过实验测得的火欧泊橙红色色品a*、b*皆为正值，因此火欧泊的彩度与色品b*之间的更好的线性关系可以说明，火欧泊的彩度受到黄色调的影响较红色调更大一些。

表4 火欧泊彩度C*与色品值a*相关性分析Table 4 Correlation analysis of fire opal chroma C* and chromaticity a*

表5 火欧泊彩度 C*与色品 b*相关性分析Table 5 Correlation analysis of fire opal chroma C* and chromaticity b*

将火欧泊样品的色调与色品a*、b*关系进行比对，如图9所示，剔除两个琥珀红色样品，其余橙红色样品的色调h*和色品a*之间存在负相关的关系，但相关系数不高；彩度h°与色品b*之间无显著相关关系，色品b*的正、负半轴分别代表黄、蓝色，色品a*的正、负半轴分别代表红、绿色，因此，火欧泊的色调受黄色调的影响不大，主要受红色调影响。

图9 火欧泊的色调与色品a*关系图（a）、火欧泊色调与色品b*关系图（b）Fig.9 Fire opal's hue and chromaticity a* relationship (a), fire opal's hue and chromaticity b* relationship (b)

将火欧泊的明度L*和色调角h°之间的关系进行比对（如图10），火欧泊样品的明度L*和色调角h°之间基本呈现正相关，即样品明度L*越高，其色调角h°越大，样品色调往黄色调变化，与肉眼下的色知觉感知基本一致。

分析火欧泊明度L*与色调角h°的相关性可知（如表6），二者之间相关系数仅为0.720，说明相关性并不高，推测是由于样品成分对颜色的影响间接干扰了二者之间的相关性[25-36]。

图10 火欧泊的明度L*与色调角h°关系图Fig.10 Relationship between the lightness L* and hue angle h° of the fire opal

表6 火欧泊明度 L*与色调角h°相关性分析Table 6 Correlation analysis between fire opal brightness L* and hue angle h°

3 结论

火欧泊是一种无定形非晶质宝石，同时也是均质体宝石，在正交偏光下旋转360°呈全暗或异常消光，体色通常呈橙黄、橙红至红色，透明度呈透明到半透明、微透明，普通的呈蜡状光泽，抛光后质量好的呈玻璃光泽。折射率为1.37左右，比重低于2，折射率与硬度均低于其他品种的欧泊。样品无解理，在紫外光下无明显发光现象。

火欧泊中通常含有固态包裹体、气液包裹体以及颜色分区，产自澳大利亚的欧泊主要含有铁质砂岩屑，产自墨西哥的欧泊主要含有二相、三相气液包裹体，除此之外，还可能含有如角闪石、赤铁矿、萤石、石英、黄铁矿、高岭石等固相包裹体。

实验所用的火欧泊样品在标准D65光源下的明度值L*范围为(27.85，74.79)，平均值为48.08，且主要分布在(43.88，56.00)范围内，属中等明度。所用火欧泊样品的彩度值C*范围为(8.87，72.14)，平均为45.52，主要分布在(32.45，62.13)，属中高彩度，且分布较为均匀。所用样品色品a*、b*值范围分别为(0.19，46.92)和 (6.76，58.61)，集中于橙红色区域；色调角 h°范围为 (23.48°，88.80°)，平均 56.14°，角度较大，说明实验所用火欧泊的色调变化范围较宽，其试验结果具有一定的代表性。样品的彩度C*和色品a*、b*均具有一定的相关性，且彩度C*与色品b*具有更好的线性关系，色品b*的正、负半轴分别代表黄、蓝色，可以说明火欧泊的彩度受到黄色调的影响较大。剔除两个琥珀红色样品，其余橙红色样品的色调h°和色品a*之间存在负相关的关系，但相关系数不高；彩度h°与色品b*之间无显著相关关系。色品a*的正、负半轴分别代表红、绿色，因此，样品色调主要受红色调影响。样品明度和色调之间存在正相关，即样品明度越高，其色调角越大，色调往黄色调变化，这与肉眼下的色知觉是一致的。但二者的相关性并不高，作者推测是由于成分方面对颜色的影响间接干扰了二者之间的相关性。