火歐泊的顏色三要素特征

潘 鑫，郭 穎

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）珠寶學(xué)院，北京 100083

前 言

火歐泊也稱墨西哥歐泊，泛指橙黃、橙紅至紅色體色，透明到半透明、無變彩或有少量變彩的類似于果凍樣的歐泊[1]。墨西哥火歐泊通常分為兩類，一類是典型的體色呈深淺不一的橙紅或者橙黃的無變彩火歐泊，另一類是具有變彩效應(yīng)的。體色除了有上述深淺不一的橙色，也有白色或者無色透明的，稱為炫彩火歐泊。典型的橙黃至橙紅無變彩的火歐泊，通常被切磨成刻面寶石，以增強(qiáng)火歐泊的火彩，其中以體色深紅的價值為最高[2-6]。

火歐泊形成于火山熔巖的次生礦，原石常常呈巖球狀，因而墨西哥火歐泊有時具有相對較厚的厚度，但其產(chǎn)量是非常稀少的，尤其是高品質(zhì)的、具有變彩效應(yīng)的則更為稀少，所以通常好的火歐泊都是隨形切割的，即以去掉歐泊上的砂石雜質(zhì)為主，而盡可能多地把歐泊保存下來，因此通常我們看到的優(yōu)質(zhì)火歐泊大部分都是表面高低不平、外形隨意扭曲的團(tuán)狀物[7]。

火歐泊的顏色一般占價值評價的50%以上，被稱為其最重要的質(zhì)量評價因素之一，因此促進(jìn)完善火歐泊的顏色評價系統(tǒng)應(yīng)該被視為業(yè)內(nèi)非常重要的研究發(fā)展方向。顏色的差別會導(dǎo)致價格的巨大變化，因此在表征火歐泊的體色時，應(yīng)選擇適合的客觀表色系統(tǒng)[8]。自CIE在1976年推薦LAB均勻色空間以來，已在許多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，尤其在材料制造工業(yè)、紡織工業(yè)中使用更為廣泛[3]。按照我國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 7921-2008均勻色空間和色差公式》規(guī)定，均勻色空間和CIE 1976 L*a*b*均勻色空間這兩個表色系統(tǒng)適用于一切光源色與物體色的表示，色差公式同樣適用于一切光源色與物體色的色差表示與計算[9]。而CIE 1976 L*a*b*均勻色空間符合人眼在紅綠方向上的視覺色差尺度小于藍(lán)黃方向的主觀特征[10]，因此，本論文選擇采用CIE 1976 L*a*b*均勻色空間來表征火歐泊的橙紅色。

1 材料和方法

本文選取顏色具有一定梯度、質(zhì)量可達(dá)寶石級別的天然火歐泊作為研究對象，經(jīng)篩選后，共得到天然火歐泊（橙紅）樣品共30粒，其中25粒樣品為質(zhì)地細(xì)膩、表面拋光良好、內(nèi)部較潔凈、少含雜質(zhì)的天然火歐泊戒面，尺寸為4.7×4.5×2mm至10.3×9.3×6.1mm；其中5顆為顏色具有一定梯度的原礦火歐泊。樣品肉眼觀察下色調(diào)為近淺黃色、橙色至橙紅色，且每顆樣品的顏色較均勻，只有少數(shù)幾顆有不顯著火彩，以保證本論文實驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果具有一定程度的說服力。

顏色指數(shù)測定采用愛色麗X-Rite SP62便攜式分光測色儀，采用積分球收集樣品表面的反射信號；測試條件：反射，不包含鏡面反射，D65（6504K）標(biāo)準(zhǔn)光源照明；2°觀察者視場；測量范圍400～700nm，測量時間＜2.5s，波長間隔10nm。

顏色定量分析基于CIE 1976 L*a*b*均勻色空間，該體系由平面色品a*、b*軸和L*縱軸組成，a*軸的正負(fù)端分別代表紅色和綠色，b*軸的正負(fù)端分別代表黃色和藍(lán)色，L*軸代表明度，其中由色品a*和b*可計算得到彩度C*和色調(diào) h°abab：

表1 本文研究使用的部分火歐泊戒面樣品（D65光源，標(biāo)準(zhǔn) 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 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分

歐泊屬硅酸鹽礦物，其化學(xué)分子式為：SiO2·nH2O，是一種含水的二氧化硅凝膠，其含水量一般為4%～9%，最高可達(dá)20%。主要由SiO2、H2O、Al2O3、Mn、有機(jī)質(zhì)及其他雜質(zhì)組成。墨西哥產(chǎn)地的歐泊的成分構(gòu)成較簡單，元素種類主要以Si、Mg和Ca為主，較其他歐泊少，其中火歐泊含F(xiàn)e[11]，而產(chǎn)自埃塞俄比亞和澳大利亞的歐泊中除Si、Mg和Ca外，還含有Al、Ba和Sr等元素[12]。

2.2 光學(xué)性質(zhì)

2.2.1 顏色

火歐泊的體色通常呈橙黃、橙紅至紅色，下表展示本文部分樣品的基本參數(shù)及顏色特征。

表2 火歐泊樣品的部分基本參數(shù)Table 2 Some basic parameters of fire opal samples

續(xù) 表2Continued Table 2

2.2.2 光澤、透明度

火歐泊呈透明到半透明、微透明。普通的呈蠟狀光澤，拋光后質(zhì)量好的呈玻璃光澤。

2.2.3 光性特征

火歐泊是無定形非晶質(zhì)寶石，同時也是均質(zhì)體寶石[13]，在正交偏光下旋轉(zhuǎn)360°呈全暗或異常消光。

圖1 火歐泊在偏光鏡下旋轉(zhuǎn)360°呈現(xiàn)異常消光Fig.1 Abnormal extinction of fire opals 360° when rotated under a polarizer

2.2.4 折射率

歐泊的折射率為1.45(+0.02，-0.08)，火歐泊樣品測得折射率為1.37左右。

2.2.5 紫外熒光

歐泊在紫外光下發(fā)白色熒光，火歐泊樣品在紫外光下無明顯發(fā)光效果。

2.3 力學(xué)性質(zhì)

2.3.1 密度

歐泊的密度為2.15(+0.08，-0.09)g / cm3，火歐泊的密度低于普通歐泊，相對密度僅為2，不僅低于其他歐泊，而且比可能與之相混的玻璃還低。

2.3.2 硬度

歐泊的摩氏硬度為5.5～6.5，有的鐵歐泊可以達(dá)到7，具備了一定的硬度，用普通的小刀或者玻璃通常不能劃動它。但相對于其他高硬度的寶石來講，它的硬度略顯不足，因而在佩戴時要避免和鉆石、剛玉等高硬度物質(zhì)相摩擦。有一定的脆性，所以怕摔[14]。

2.3.3 斷口

歐泊無解理，通常斷口呈貝殼狀，昆士蘭鐵歐泊有時在外力作用下可裂開為兩個光滑的波浪形對稱面。

2.4 內(nèi)部特征

歐泊中通常含有固態(tài)包裹體、氣液包裹體以及顏色分區(qū)，產(chǎn)自澳大利亞的歐泊主要含有鐵質(zhì)砂巖屑，產(chǎn)自墨西哥的歐泊主要含有二相、三相氣液包體，還可能含有如角閃石、赤鐵礦、螢石、石英、黃鐵礦、高嶺石等固相包裹體[15]。

通過寶石顯微鏡將30顆樣品進(jìn)行鏡下觀察，如圖所示，圖2中為樣品C2、C10、C15中觀察到的深色固態(tài)礦物包裹體，圖3中為樣品C6中觀察到的氣液包裹體，圖4中為樣品C2中觀察到的點(diǎn)狀分布的色團(tuán)。

圖2 樣品C2、C10、C15中的深色固態(tài)礦物包裹體Fig.2 Dark solid mineral inclusions in samples C2, C10, C15

圖3 樣品C6中的氣液包裹體Fig.3 Gas-liquid inclusions in sample C6

圖4 樣品C2中點(diǎn)狀分布的色團(tuán)Fig.4 Color blobs with dotted distribution in sample C2

2.5 火歐泊顏色測試數(shù)據(jù)

基于CIE 1976 L*a*b*均勻色空間，應(yīng)用愛色麗X-Rite SP62積分球式分光光度計進(jìn)行火歐泊樣品的顏色測試，共獲得30組樣品顏色參數(shù)。其中每顆樣品保證在同種條件下先后進(jìn)行五次測量，計算其平均值記錄為該樣品的實驗數(shù)據(jù)。通過實驗得到的火歐泊樣品的顏色數(shù)據(jù)見表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)D65光源下25個樣品在CIE 1976 L＊a＊b＊均勻色空間中的顏色參數(shù)Table 3 Color parameters of 25 samples under standard D65 light source in CIE 1976 L*a*b* uniform color space

續(xù) 表3Continued Table 3

2.6 火歐泊顏色三要素的分析

2.6.1 明度分析

明度(Lightness)是判斷物體之間能夠反射光多少的色彩感覺屬性，即人眼所感受到的色彩的明暗程度，是顏色三屬性之一，用L*表示。色彩明暗強(qiáng)弱的差異產(chǎn)生是由于各種彩色物體由于自身反射光量的不同[16]。不同色調(diào)明度各不相同，即使同一色調(diào)也有不同的明度差別。例如同一色調(diào)的紅色中根據(jù)明度的差異，可分為亮紅、正紅、暗紅等。根據(jù)人眼對色彩明度的感覺，人為設(shè)定白色的明度值為100，黑色的明度值為0[10]。

將實驗測得火歐泊樣品的明度數(shù)據(jù)繪在圖5中，火歐泊樣品在標(biāo)準(zhǔn)D65光源下的明度值L*范圍為(27.85，74.79)，平均為48.08，且主要分布在(43.88，56.00)范圍內(nèi)，屬于中等明度。明度分布較為均勻，過高明度和過低明度樣本較少，與肉眼下觀察效果一致，證實所獲明度數(shù)據(jù)可靠有效。

圖5 火歐泊樣品在D65光源下橙紅色的明度分布圖Fig.5 Lightness distribution of orange-red under D65 light source

2.6.2 彩度分析

彩度(Chroma)，是指用距離等明度無彩點(diǎn)的視知覺特性來表示物體表面顏色的濃淡，并給予分度，是顏色三屬性之一，用C*表示。物體色的彩度高低取決于物體表面反射或透過光譜色光的選擇性吸收程度。當(dāng)物體對光譜某一較窄波段的色光反射率很高、對其他波長的色光反射率很低或沒有反射時，表明物體具有很高的光譜選擇性，其對色光反射率很高的這一顏色的彩度就高。白、灰、黑色對光譜的各段波長的反射均等，表明物體沒有選擇性，即彩度為0；而對于其他彩色色調(diào)來說，彩度高則意味著色澤鮮艷，彩度低則表明暗淡顯灰[17]。

將實驗測得火歐泊樣品顏色的彩度數(shù)據(jù)繪在圖6中，在標(biāo)準(zhǔn)D65光源下，所用火歐泊樣品的彩度值C*范圍為(8.87，72.14)，平均為45.52，主要分布在(32.45，62.13)，屬于中高彩度，且分布相對均勻。

圖6 火歐泊樣品在 D65光源下橙紅色的明度分布圖Fig.6 Lightness distribution of orange-red under D65 light source

2.6.3 色調(diào)分析

色調(diào)（Hue）是用以判斷物體顏色感覺的屬性，是顏色的基本特征，也是顏色三屬性之一[12]。光源的光譜組成和物體表面選擇性吸收后所反射（透射）的各波長輻射具有不同比例，因而人眼對顏色的感覺也不同，物體的色調(diào)變化就取決于此。在色度學(xué)中，物體色調(diào)通過色調(diào)角h°來表示，區(qū)間在0°～360°，色調(diào)角h°是指顏色投點(diǎn)與原點(diǎn)連線，所得直線與橫軸正半軸的夾角。

通過色品圖將測試所得樣品色品值a*、b*表示在圖7的色品圖中。由于色品圖為二維平面投影圖，且數(shù)據(jù)點(diǎn)較為集中，可設(shè)定明度值L*=65，并將數(shù)據(jù)點(diǎn)位置做放大顯示。從該色品圖中分析可知，色品的a*、b*值范圍分別為（0.19， 46.92）和（6.76，58.61），集中于橙紅色區(qū)域；色調(diào)角h°范圍為（23.48°，88.80°），平均56.14°，角度較大，說明實驗所用火歐泊的色調(diào)變化范圍較寬，其實驗結(jié)果具有一定的代表性。

圖7 標(biāo)準(zhǔn) D65光源下火歐泊樣品橙紅色色品投點(diǎn)圖(L*=65)Fig.7 Orange-red color drop point diagram (L*=65) of samples under standard D65 light source

2.6.4 三屬性的分析比對

顏色三屬性是相互獨(dú)立又有聯(lián)系的三個參數(shù)，人眼看到的任一種彩色光都是這三個特性的綜合效果。其中色調(diào)與光波的波長具有直接關(guān)系，亮度和彩度與光波的幅度有關(guān)。色相、色度（明度、純度）、色性是相互依存，相互制約的。任何色調(diào)在純度最高的時候，都具有特定的明度L*和彩度C*的屬性。如果明度L*變化，那么彩度C*也就會隨之下降。比如標(biāo)準(zhǔn)檸檬黃，極高的純度、極高的明度和其在色環(huán)中的冷暖定位均為它的特性。但如果在檸檬黃中添加紅色調(diào)，明度就會隨之變暗，純度也跟著降低，色性也將相對變暖，這就是顏色三要素之間有機(jī)聯(lián)系[18-24]。

圖8 火歐泊的彩度與色品a*關(guān)系圖（a）、火歐泊彩度與色品b*關(guān)系圖（b）Fig.8 Relationship between chroma and chromaticity a * of fire opal (a), relationship between chroma and chromaticity b* of fire opal (b)

將火歐泊樣品的彩度與色品a*、b*關(guān)系進(jìn)行比對，如圖8所示，樣品彩度C*和色品a*、b*均具有一定的相關(guān)性，R2分別是0.709、0.816，相關(guān)系數(shù)為0.842、0.903（見表4、5），R2和相關(guān)系數(shù)較大說明兩個因素之間具有更好的線性關(guān)系，所以相比彩度與色品a*來說，彩度與色品b*具有更好的線性關(guān)系，色品b*的正、負(fù)半軸分別代表黃、藍(lán)色，而色品a*的正、負(fù)半軸分別代表紅、綠色，通過實驗測得的通過實驗測得的火歐泊橙紅色色品a*、b*皆為正值，因此火歐泊的彩度與色品b*之間的更好的線性關(guān)系可以說明，火歐泊的彩度受到黃色調(diào)的影響較紅色調(diào)更大一些。

表4 火歐泊彩度C*與色品值a*相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of fire opal chroma C* and chromaticity a*

表5 火歐泊彩度 C*與色品 b*相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of fire opal chroma C* and chromaticity b*

將火歐泊樣品的色調(diào)與色品a*、b*關(guān)系進(jìn)行比對，如圖9所示，剔除兩個琥珀紅色樣品，其余橙紅色樣品的色調(diào)h*和色品a*之間存在負(fù)相關(guān)的關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)不高；彩度h°與色品b*之間無顯著相關(guān)關(guān)系，色品b*的正、負(fù)半軸分別代表黃、藍(lán)色，色品a*的正、負(fù)半軸分別代表紅、綠色，因此，火歐泊的色調(diào)受黃色調(diào)的影響不大，主要受紅色調(diào)影響。

圖9 火歐泊的色調(diào)與色品a*關(guān)系圖（a）、火歐泊色調(diào)與色品b*關(guān)系圖（b）Fig.9 Fire opal's hue and chromaticity a* relationship (a), fire opal's hue and chromaticity b* relationship (b)

將火歐泊的明度L*和色調(diào)角h°之間的關(guān)系進(jìn)行比對（如圖10），火歐泊樣品的明度L*和色調(diào)角h°之間基本呈現(xiàn)正相關(guān)，即樣品明度L*越高，其色調(diào)角h°越大，樣品色調(diào)往黃色調(diào)變化，與肉眼下的色知覺感知基本一致。

分析火歐泊明度L*與色調(diào)角h°的相關(guān)性可知（如表6），二者之間相關(guān)系數(shù)僅為0.720，說明相關(guān)性并不高，推測是由于樣品成分對顏色的影響間接干擾了二者之間的相關(guān)性[25-36]。

圖10 火歐泊的明度L*與色調(diào)角h°關(guān)系圖Fig.10 Relationship between the lightness L* and hue angle h° of the fire opal

表6 火歐泊明度 L*與色調(diào)角h°相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis between fire opal brightness L* and hue angle h°

3 結(jié)論

火歐泊是一種無定形非晶質(zhì)寶石，同時也是均質(zhì)體寶石，在正交偏光下旋轉(zhuǎn)360°呈全暗或異常消光，體色通常呈橙黃、橙紅至紅色，透明度呈透明到半透明、微透明，普通的呈蠟狀光澤，拋光后質(zhì)量好的呈玻璃光澤。折射率為1.37左右，比重低于2，折射率與硬度均低于其他品種的歐泊。樣品無解理，在紫外光下無明顯發(fā)光現(xiàn)象。

火歐泊中通常含有固態(tài)包裹體、氣液包裹體以及顏色分區(qū)，產(chǎn)自澳大利亞的歐泊主要含有鐵質(zhì)砂巖屑，產(chǎn)自墨西哥的歐泊主要含有二相、三相氣液包裹體，除此之外，還可能含有如角閃石、赤鐵礦、螢石、石英、黃鐵礦、高嶺石等固相包裹體。

實驗所用的火歐泊樣品在標(biāo)準(zhǔn)D65光源下的明度值L*范圍為(27.85，74.79)，平均值為48.08，且主要分布在(43.88，56.00)范圍內(nèi)，屬中等明度。所用火歐泊樣品的彩度值C*范圍為(8.87，72.14)，平均為45.52，主要分布在(32.45，62.13)，屬中高彩度，且分布較為均勻。所用樣品色品a*、b*值范圍分別為(0.19，46.92)和 (6.76，58.61)，集中于橙紅色區(qū)域；色調(diào)角 h°范圍為 (23.48°，88.80°)，平均 56.14°，角度較大，說明實驗所用火歐泊的色調(diào)變化范圍較寬，其試驗結(jié)果具有一定的代表性。樣品的彩度C*和色品a*、b*均具有一定的相關(guān)性，且彩度C*與色品b*具有更好的線性關(guān)系，色品b*的正、負(fù)半軸分別代表黃、藍(lán)色，可以說明火歐泊的彩度受到黃色調(diào)的影響較大。剔除兩個琥珀紅色樣品，其余橙紅色樣品的色調(diào)h°和色品a*之間存在負(fù)相關(guān)的關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)不高；彩度h°與色品b*之間無顯著相關(guān)關(guān)系。色品a*的正、負(fù)半軸分別代表紅、綠色，因此，樣品色調(diào)主要受紅色調(diào)影響。樣品明度和色調(diào)之間存在正相關(guān)，即樣品明度越高，其色調(diào)角越大，色調(diào)往黃色調(diào)變化，這與肉眼下的色知覺是一致的。但二者的相關(guān)性并不高，作者推測是由于成分方面對顏色的影響間接干擾了二者之間的相關(guān)性。