不同产地欧泊的宝石矿物学特征

钟媛媛

中国地质大学（北京）珠宝学院，北京 100083

前 言

欧泊的矿物学名称为“蛋白石”，以变彩闻名，即在不同角度下，可看到宝石表面出现瑰丽的彩色。欧泊结构中二氧化硅球粒的规则排列引起光线的干涉及衍射，形成变彩效应（图1）。因球体直径不同、球体间距不同，光线发生多种作用，从而形成单彩或多彩的外观，甚至能出现七彩，变换观察角度或光照角度，变彩会发生变化。

图1 欧泊的变彩及显微结构Fig.1 The play-of-color of opal and its microstructure

根据欧泊的体色、有无变彩、产出时有无附着物等因素，可将天然欧泊分为黑欧泊、白欧泊、水欧泊、火欧泊、水晶欧泊、铁欧泊、砾石欧泊、化石欧泊等（表1），其中有变彩者称为贵欧泊。Jones &Segnit[2]根据X射线衍射特征建立了蛋白石的矿物学分类，将其分为Opal-C（相对有序的α-方石英，少量有鳞石英）、Opal-CT（无序的α- 方石英，α-鳞石英堆积）和Opal-A（高度无序，近无定形）三类。

欧泊化学成分SiO2·nH2O，为含水矿物，含水量通常为4%～9%，高者可达10%～20%[3]。二氧化硅小球的特定排列造成了变彩，而水的含量影响了欧泊耐久性，杂质矿物及元素的存在决定其体色，因而欧泊的结构与成分对其外观有显著影响。近年来国内外学者对不同产地的欧泊进行观察与实验，发现不同产地的欧泊在外观、微量元素及显微结构等方面均有明显不同。

表1 天然欧泊的分类Table 1 Classification of natural opal

续 表1Continued Table 1

1 欧泊的产出概况

欧泊在古时多产于印度以及欧洲原捷克斯洛伐克地区，如今的商业欧泊主要产自澳大利亚、埃塞俄比亚和墨西哥。

澳大利亚是欧泊最重要的产出国之一[4]，所产欧泊的主要成因为沉积岩型。澳大利亚欧泊中最为著名的是南威尔士州北部闪电岭的黑欧泊，黑欧泊较暗的体色将变彩衬托得更加明亮鲜艳。澳大利亚其他品种的欧泊主要分布于南澳大利亚州中部地区，南澳州是澳大利亚欧泊产出最多的地区，其开采区主要是Mintabie、Andamooka和Cooper Pedy，Mintabie矿区主要产出浅色欧泊和白欧泊，Cooper Pedy地区主要产出水晶欧泊，铁欧泊和脉石欧泊几乎全部产自昆士兰地区。

埃塞俄比亚是非洲欧泊的主要产地，产于此处的欧泊大多为火山热液型水欧泊，含水量高，部分在干燥环境中容易失水，从而造成结构和颜色的改变。Renfro[5]发现了产自埃塞俄比亚的一种似玛瑙欧泊，由深色层和有变彩的浅色层构成（图2），是因为蛋白石在裂隙中二次沉积，取代了玉髓的同时保留了原始的玛瑙条带。

图2 产自埃塞俄比亚的一种似玛瑙欧泊，可见突出的玛瑙条带Fig.2 Agate-Like opal from Ethiopia, with prominent agate-like banding

墨西哥的Queretaro地区是世界上宝石级火欧泊的重要来源[6]，该地产出的火欧泊与埃塞俄比亚欧泊的成因类型相似，属于火山热液型。

除了以上三大主要产地，在秘鲁有粉色欧泊产出[7]，在法罗群岛发现了火欧泊和普通蛋白石[8]。欧泊矿床主要分为沉积型和火山热液型，不同产地的欧泊矿床成因也不尽相同。

2 欧泊的产地特征

本文通过查阅文献，对澳大利亚、埃塞俄比亚及墨西哥三个产地产出的欧泊进行比较，从基本宝石学特征、成分特征和结构特征三个方面比较了各产地欧泊的宝石矿物学特征。

2.1 各产地欧泊的基本宝石学特征

从外观来看，通过变彩的不同即可区分澳大利亚欧泊与埃塞俄比亚欧泊。澳大利亚欧泊（如图2）的透明度差，大多数为不透明，仅能观察到表面的变彩色斑，色斑边界模糊，呈薄片形镶嵌状分布，色彩薄片之间过渡自然；埃塞俄比亚欧泊（图3）透明度较好，可达半透明—透明，色斑明显，色斑形状多变、颜色多样，在近表面及内部均可见到变彩，有立体感，色斑与色斑之间差异明显，边界清晰[9]。墨西哥产的火欧泊（图4）则以似火的红色闻名，颜色范围从无色到接近红宝石的暗红色，半透明—亚透明，可有变彩，但一般少见[10]。

图3 澳大利亚欧泊，透明度较差，变彩色斑呈片状，边缘过渡均匀（钟媛媛 摄）Fig.3 Opals from Australia with poor transparency and blurred boundaries between color spots （Photograph by Zhong Yuanyuan）

图4 产自埃塞俄比亚Wegel Tena的欧泊，透明度较好，变彩色斑立体Fig.4 Opals mined at Wegel Tena, Ethiopia with good transparency and three-dimensional color spots

图5 墨西哥火欧泊，透明度好，无变彩Fig.5 Fire opals from Mexico with good transparency and less play-of-color

澳大利亚欧泊产出通常是层状，夹在砂岩薄层中或者是沉积于铁质基岩上，厚度不佳，常有脉石附着物，一般将有变彩的欧泊薄层单独切出，加工为扁平、低拱的弧面，或连同底部脉石一起切磨；埃塞俄比亚欧泊产出粒度较大，因耐久性不足、透明度较高、价值稍低，一般加工成高顶厚底的弧面琢型，使其变彩色斑更明显；而墨西哥产的火欧泊因为重体色、轻变彩，且透明度高，常被加工成刻面宝石。

对比三个产地欧泊的常规宝石学参数[9]（表2），发现澳大利亚欧泊的折射率在三个产地中为最高，其次为埃塞俄比亚欧泊，而墨西哥火欧泊的折射率比大部分欧泊都低，约为1.42～1.43，低者可至1.37。

表2 不同产地欧泊的宝石学参数[9]Table 2 Gemological parameters of opal from different origins[9]

2.2 各产地欧泊的成分特征

2.2.1 元素组成

任慧珍等[12]对澳大利亚、埃塞俄比亚和墨西哥三个产地的欧泊样品进行了激光诱导解离光谱仪（LIBS）测试（表3），发现三地所产欧泊的元素种类具有差别。澳大利亚欧泊含微量Mg、Ca、Al、Ba和Sr；同样的，埃塞俄比亚欧泊也含有微量Mg、Ca、Al、Ba、Sr，此外在一些黄色—橙黄色和棕色欧泊中测试到Fe的存在，推测Fe与样品的颜色有关；墨西哥欧泊的成分构成则较简单，元素种类相对较少，主要是Si、Mg和Ca，火欧泊含Fe。在相同的测试条件下，激光诱导等离子体中元素的谱线强度与样品中待测元素的浓度成正比，埃塞俄比亚欧泊中Ca的LIBS谱峰强度明显比澳大利亚欧泊和墨西哥欧泊谱峰强度大，即埃塞俄比亚欧泊中Ca含量比其它两个产地高，据此可以利用LIBS将埃塞俄比亚欧泊与另外两个产地欧泊区别开来。

表3 澳大利亚欧泊、埃塞俄比亚欧泊和墨西哥欧泊的元素种类[12]Table 3 Element types of opal from Australian, Ethiopian, and Mexican [12]

能量色散型X射线荧光能谱仪（EDXRF）测试显示[12]，埃塞俄比亚欧泊SiO2含量达83%～97%，成分较纯，此外还含有一定含量的Na、Al、K、Ca、Fe、Sr、Zr、Ba等微量元素，其中K、Ca含量最高且不同样品的含量差异较大，其次为Na、Al、Fe和Ba。对比Gaillou E等[13]对澳大利亚欧泊和墨西哥欧泊的成分测试结果，发现澳大利亚、墨西哥所产欧泊与埃塞俄比亚欧泊具明显差异的元素为Ca、Sr和Ba，三个产地欧泊中Ca、Sr和Ba的含量有部分重叠，但总体来说Ca、Sr和Ba含量规律为：埃塞俄比亚欧泊 > 澳大利亚欧泊 > 墨西哥欧泊，因此根据Ca、Sr和Ba的含量可以区分三个产地的欧泊。

2.2.2 红外光谱特征

任慧珍[12]、Adamo I等[14]对来自澳大利亚Cooper Pedy、埃塞俄比亚、墨西哥Queretaro以及其他多个产地的不同欧泊进行了红外光谱测试，对其进行矿物成分分析。测试结果表明，所有欧泊的红外光谱均具有在2800～3700cm-1的多组分宽吸收带，其中心位于3400～3450 cm-1左右，这些光谱特征是由于氢键分子水和SiOH基团（硅烷醇）的基本OH拉伸振动所致。欧泊的红外光谱具有位于1100cm-1、790cm-1和470cm-1的三个强吸收峰，与基本的Si-O振动有关。在790cm-1附近的吸收峰是区分各个产地欧泊的最主要特征。来自澳大利亚的欧泊（属Opal-A型）在790cm-1附近的吸收峰位于796～800cm-1处，而来自埃塞俄比亚、墨西哥的欧泊以及其他同属Opal-CT型的欧泊在该处的吸收峰则低于澳大利亚欧泊，位于788～792cm-1处。

2.3 各产地欧泊的结构特征

2.3.1 X射线粉晶衍射

罗洁[9]、Mikhail O[6]分别对澳大利亚欧泊、埃塞俄比亚欧泊及墨西哥欧泊进行了X射线粉晶衍射（XRD）测试，澳大利亚欧泊的衍射图谱无尖锐的衍射峰，谱线表现为以2θ=22.0°为中心的馒头峰，即以4.0Å为中心的宽带，说明测试所用的澳大利亚欧泊均是非晶态的，为Opal-A型欧泊，结晶程度很差，是典型的非晶态蛋白石。

埃塞俄比亚及墨西哥欧泊XRD衍射图谱中衍射峰尖锐，主要峰值位于22.0°和36.3°附近，说明结晶程度较高，属于Opal-CT型欧泊，即含有低温鳞石英和低温方石英的欧泊[13]。此外，在44.5°和57.1°左右存在归属于其他物相的弱衍射峰，说明埃塞俄比亚欧泊的物相组成并非单一相，而是由非晶态向结晶态过渡的复杂混合态。

资料显示[7，8]，火欧泊、粉色欧泊等内生成因的火山热液型欧泊，大多属于Opal-CT型， Opal-C型少见；外生成因的澳大利亚欧泊则多被证实为Opal-A型欧泊。因此可以推断，欧泊的类型与它们形成时的地质环境是有直接关系的。Fritsch E[7]同样指出，Opal-C型欧泊较罕见，宝石级Opal-CT型欧泊通常发现在火山环境，而宝石级Opal-A型欧泊通常发现在沉积环境。

2.3.2 扫描电镜测试

二氧化硅小球的排列直接影响欧泊的外观，若小球排列规律，欧泊呈现艳丽的变彩；若在扫描电镜下观察到球体间边界模糊，小球无规律排列，欧泊则不呈现变彩或是在连续的变彩间有黑点或阴影。罗洁[9]、Elöse G等[15]分别对澳大利亚、埃塞俄比亚及墨西哥三个产地的欧泊进行了扫描电镜研究。其中具有变彩的澳大利亚欧泊中的二氧化硅小球的直径约为150～300nm，球体排列主要为简单立方堆积和体心立方堆积两种方式，也存在无规律排列的情况；埃塞俄比亚欧泊中二氧化硅小球的直径约为20～70nm，一般为30nm，小球的排列方式无规律，在扫描电镜下可见二氧化硅小球呈阶梯片层状排列，也可见球体在小范围内紧密团聚，形成团聚体，各个团聚体间存在空隙[9]；墨西哥火欧泊的结构当中没有真正的二氧化硅球体，其结构是由直径约25nm的、近似球形的纳米颗粒随机排列组成，这种结构不会引起衍射，即不出现变彩。此外，Elöse G等[15]还提到，不同地区火欧泊的结构特征基本一致，无明显产地特征。

3 结论

（1）从外观上来看，澳大利亚欧泊通常以带有围岩的扁平层状形式产出，透明度较差，其变彩色斑呈二维片状，色斑之间边界模糊、过渡自然；埃塞俄比亚欧泊透明度较好，色斑立体，色斑与色斑之间边界明显；墨西哥产出的火欧泊通常呈橙红色至红色，透明度好，少见变彩。

（2）澳大利亚欧泊的折射率约为1.43～1.45，比重约为2.1；埃塞俄比亚欧泊的折射率和比重则普遍偏低，折射率约1.42～1.43，比重一般为1.9～2.0。墨西哥火欧泊的折射率比大部分欧泊都低，约为1.42～1.43，低者可达1.37。

（3）埃塞俄比亚欧泊的SiO2含量达80%～97%，杂质元素以K和Ca为主，其次为Na、Al、Fe、Sr、Zr和Ba，其它杂质元素氧化物含量均低于0.1%。通常情况下，Ca、Sr和Ba含量为：埃塞俄比亚欧泊 >澳大利亚欧泊 > 墨西哥欧泊。

（4）澳大利亚欧泊属非晶态的Opal-A型欧泊，埃塞俄比亚和墨西哥欧泊属结晶程度较高的Opal-CT型欧泊，二者在红外光谱上的鉴别主要是依靠790cm-1附近的吸收峰位置，Opal-A型欧泊在该处的吸收峰位于796～800cm-1处，Opal-CT型欧泊的吸收位于788～792cm-1处，吸收峰较低。

（5）三个产地的欧泊结构有较大区别，其中澳大利亚欧泊中二氧化硅小球的直径最大，约150～300nm，球体排列规律；埃塞俄比亚欧泊中二氧化硅小球的直径较小，一般为30nm，球体排列无规律；墨西哥火欧泊的结构当中没有真正的二氧化硅球体，其结构是由直径约25nm的、近似球形的纳米颗粒随机排列组成。

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