不同產(chǎn)地歐泊的寶石礦物學(xué)特征

鐘媛媛

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

前 言

歐泊的礦物學(xué)名稱(chēng)為“蛋白石”，以變彩聞名，即在不同角度下，可看到寶石表面出現(xiàn)瑰麗的彩色。歐泊結(jié)構(gòu)中二氧化硅球粒的規(guī)則排列引起光線的干涉及衍射，形成變彩效應(yīng)（圖1）。因球體直徑不同、球體間距不同，光線發(fā)生多種作用，從而形成單彩或多彩的外觀，甚至能出現(xiàn)七彩，變換觀察角度或光照角度，變彩會(huì)發(fā)生變化。

圖1 歐泊的變彩及顯微結(jié)構(gòu)Fig.1 The play-of-color of opal and its microstructure

根據(jù)歐泊的體色、有無(wú)變彩、產(chǎn)出時(shí)有無(wú)附著物等因素，可將天然歐泊分為黑歐泊、白歐泊、水歐泊、火歐泊、水晶歐泊、鐵歐泊、礫石歐泊、化石歐泊等（表1），其中有變彩者稱(chēng)為貴歐泊。Jones &Segnit[2]根據(jù)X射線衍射特征建立了蛋白石的礦物學(xué)分類(lèi)，將其分為Opal-C（相對(duì)有序的α-方石英，少量有鱗石英）、Opal-CT（無(wú)序的α- 方石英，α-鱗石英堆積）和Opal-A（高度無(wú)序，近無(wú)定形）三類(lèi)。

歐泊化學(xué)成分SiO2·nH2O，為含水礦物，含水量通常為4%～9%，高者可達(dá)10%～20%[3]。二氧化硅小球的特定排列造成了變彩，而水的含量影響了歐泊耐久性，雜質(zhì)礦物及元素的存在決定其體色，因而歐泊的結(jié)構(gòu)與成分對(duì)其外觀有顯著影響。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同產(chǎn)地的歐泊進(jìn)行觀察與實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地的歐泊在外觀、微量元素及顯微結(jié)構(gòu)等方面均有明顯不同。

表1 天然歐泊的分類(lèi)Table 1 Classification of natural opal

續(xù) 表1Continued Table 1

1 歐泊的產(chǎn)出概況

歐泊在古時(shí)多產(chǎn)于印度以及歐洲原捷克斯洛伐克地區(qū)，如今的商業(yè)歐泊主要產(chǎn)自澳大利亞、埃塞俄比亞和墨西哥。

澳大利亞是歐泊最重要的產(chǎn)出國(guó)之一[4]，所產(chǎn)歐泊的主要成因?yàn)槌练e巖型。澳大利亞歐泊中最為著名的是南威爾士州北部閃電嶺的黑歐泊，黑歐泊較暗的體色將變彩襯托得更加明亮鮮艷。澳大利亞其他品種的歐泊主要分布于南澳大利亞州中部地區(qū)，南澳州是澳大利亞歐泊產(chǎn)出最多的地區(qū)，其開(kāi)采區(qū)主要是Mintabie、Andamooka和Cooper Pedy，Mintabie礦區(qū)主要產(chǎn)出淺色歐泊和白歐泊，Cooper Pedy地區(qū)主要產(chǎn)出水晶歐泊，鐵歐泊和脈石歐泊幾乎全部產(chǎn)自昆士蘭地區(qū)。

埃塞俄比亞是非洲歐泊的主要產(chǎn)地，產(chǎn)于此處的歐泊大多為火山熱液型水歐泊，含水量高，部分在干燥環(huán)境中容易失水，從而造成結(jié)構(gòu)和顏色的改變。Renfro[5]發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)自埃塞俄比亞的一種似瑪瑙歐泊，由深色層和有變彩的淺色層構(gòu)成（圖2），是因?yàn)榈鞍资诹严吨卸纬练e，取代了玉髓的同時(shí)保留了原始的瑪瑙條帶。

圖2 產(chǎn)自埃塞俄比亞的一種似瑪瑙歐泊，可見(jiàn)突出的瑪瑙條帶Fig.2 Agate-Like opal from Ethiopia, with prominent agate-like banding

墨西哥的Queretaro地區(qū)是世界上寶石級(jí)火歐泊的重要來(lái)源[6]，該地產(chǎn)出的火歐泊與埃塞俄比亞歐泊的成因類(lèi)型相似，屬于火山熱液型。

除了以上三大主要產(chǎn)地，在秘魯有粉色歐泊產(chǎn)出[7]，在法羅群島發(fā)現(xiàn)了火歐泊和普通蛋白石[8]。歐泊礦床主要分為沉積型和火山熱液型，不同產(chǎn)地的歐泊礦床成因也不盡相同。

2 歐泊的產(chǎn)地特征

本文通過(guò)查閱文獻(xiàn)，對(duì)澳大利亞、埃塞俄比亞及墨西哥三個(gè)產(chǎn)地產(chǎn)出的歐泊進(jìn)行比較，從基本寶石學(xué)特征、成分特征和結(jié)構(gòu)特征三個(gè)方面比較了各產(chǎn)地歐泊的寶石礦物學(xué)特征。

2.1 各產(chǎn)地歐泊的基本寶石學(xué)特征

從外觀來(lái)看，通過(guò)變彩的不同即可區(qū)分澳大利亞歐泊與埃塞俄比亞歐泊。澳大利亞歐泊（如圖2）的透明度差，大多數(shù)為不透明，僅能觀察到表面的變彩色斑，色斑邊界模糊，呈薄片形鑲嵌狀分布，色彩薄片之間過(guò)渡自然；埃塞俄比亞歐泊（圖3）透明度較好，可達(dá)半透明—透明，色斑明顯，色斑形狀多變、顏色多樣，在近表面及內(nèi)部均可見(jiàn)到變彩，有立體感，色斑與色斑之間差異明顯，邊界清晰[9]。墨西哥產(chǎn)的火歐泊（圖4）則以似火的紅色聞名，顏色范圍從無(wú)色到接近紅寶石的暗紅色，半透明—亞透明，可有變彩，但一般少見(jiàn)[10]。

圖3 澳大利亞歐泊，透明度較差，變彩色斑呈片狀，邊緣過(guò)渡均勻（鐘媛媛 攝）Fig.3 Opals from Australia with poor transparency and blurred boundaries between color spots （Photograph by Zhong Yuanyuan）

圖4 產(chǎn)自埃塞俄比亞Wegel Tena的歐泊，透明度較好，變彩色斑立體Fig.4 Opals mined at Wegel Tena, Ethiopia with good transparency and three-dimensional color spots

圖5 墨西哥火歐泊，透明度好，無(wú)變彩Fig.5 Fire opals from Mexico with good transparency and less play-of-color

澳大利亞歐泊產(chǎn)出通常是層狀，夾在砂巖薄層中或者是沉積于鐵質(zhì)基巖上，厚度不佳，常有脈石附著物，一般將有變彩的歐泊薄層單獨(dú)切出，加工為扁平、低拱的弧面，或連同底部脈石一起切磨；埃塞俄比亞歐泊產(chǎn)出粒度較大，因耐久性不足、透明度較高、價(jià)值稍低，一般加工成高頂厚底的弧面琢型，使其變彩色斑更明顯；而墨西哥產(chǎn)的火歐泊因?yàn)橹伢w色、輕變彩，且透明度高，常被加工成刻面寶石。

對(duì)比三個(gè)產(chǎn)地歐泊的常規(guī)寶石學(xué)參數(shù)[9]（表2），發(fā)現(xiàn)澳大利亞歐泊的折射率在三個(gè)產(chǎn)地中為最高，其次為埃塞俄比亞歐泊，而墨西哥火歐泊的折射率比大部分歐泊都低，約為1.42～1.43，低者可至1.37。

表2 不同產(chǎn)地歐泊的寶石學(xué)參數(shù)[9]Table 2 Gemological parameters of opal from different origins[9]

2.2 各產(chǎn)地歐泊的成分特征

2.2.1 元素組成

任慧珍等[12]對(duì)澳大利亞、埃塞俄比亞和墨西哥三個(gè)產(chǎn)地的歐泊樣品進(jìn)行了激光誘導(dǎo)解離光譜儀（LIBS）測(cè)試（表3），發(fā)現(xiàn)三地所產(chǎn)歐泊的元素種類(lèi)具有差別。澳大利亞歐泊含微量Mg、Ca、Al、Ba和Sr；同樣的，埃塞俄比亞歐泊也含有微量Mg、Ca、Al、Ba、Sr，此外在一些黃色—橙黃色和棕色歐泊中測(cè)試到Fe的存在，推測(cè)Fe與樣品的顏色有關(guān)；墨西哥歐泊的成分構(gòu)成則較簡(jiǎn)單，元素種類(lèi)相對(duì)較少，主要是Si、Mg和Ca，火歐泊含F(xiàn)e。在相同的測(cè)試條件下，激光誘導(dǎo)等離子體中元素的譜線強(qiáng)度與樣品中待測(cè)元素的濃度成正比，埃塞俄比亞歐泊中Ca的LIBS譜峰強(qiáng)度明顯比澳大利亞歐泊和墨西哥歐泊譜峰強(qiáng)度大，即埃塞俄比亞歐泊中Ca含量比其它兩個(gè)產(chǎn)地高，據(jù)此可以利用LIBS將埃塞俄比亞歐泊與另外兩個(gè)產(chǎn)地歐泊區(qū)別開(kāi)來(lái)。

表3 澳大利亞歐泊、埃塞俄比亞歐泊和墨西哥歐泊的元素種類(lèi)[12]Table 3 Element types of opal from Australian, Ethiopian, and Mexican [12]

能量色散型X射線熒光能譜儀（EDXRF）測(cè)試顯示[12]，埃塞俄比亞歐泊SiO2含量達(dá)83%～97%，成分較純，此外還含有一定含量的Na、Al、K、Ca、Fe、Sr、Zr、Ba等微量元素，其中K、Ca含量最高且不同樣品的含量差異較大，其次為Na、Al、Fe和Ba。對(duì)比Gaillou E等[13]對(duì)澳大利亞歐泊和墨西哥歐泊的成分測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)澳大利亞、墨西哥所產(chǎn)歐泊與埃塞俄比亞歐泊具明顯差異的元素為Ca、Sr和Ba，三個(gè)產(chǎn)地歐泊中Ca、Sr和Ba的含量有部分重疊，但總體來(lái)說(shuō)Ca、Sr和Ba含量規(guī)律為：埃塞俄比亞歐泊 > 澳大利亞歐泊 > 墨西哥歐泊，因此根據(jù)Ca、Sr和Ba的含量可以區(qū)分三個(gè)產(chǎn)地的歐泊。

2.2.2 紅外光譜特征

任慧珍[12]、Adamo I等[14]對(duì)來(lái)自澳大利亞Cooper Pedy、埃塞俄比亞、墨西哥Queretaro以及其他多個(gè)產(chǎn)地的不同歐泊進(jìn)行了紅外光譜測(cè)試，對(duì)其進(jìn)行礦物成分分析。測(cè)試結(jié)果表明，所有歐泊的紅外光譜均具有在2800～3700cm-1的多組分寬吸收帶，其中心位于3400～3450 cm-1左右，這些光譜特征是由于氫鍵分子水和SiOH基團(tuán)（硅烷醇）的基本OH拉伸振動(dòng)所致。歐泊的紅外光譜具有位于1100cm-1、790cm-1和470cm-1的三個(gè)強(qiáng)吸收峰，與基本的Si-O振動(dòng)有關(guān)。在790cm-1附近的吸收峰是區(qū)分各個(gè)產(chǎn)地歐泊的最主要特征。來(lái)自澳大利亞的歐泊（屬Opal-A型）在790cm-1附近的吸收峰位于796～800cm-1處，而來(lái)自埃塞俄比亞、墨西哥的歐泊以及其他同屬Opal-CT型的歐泊在該處的吸收峰則低于澳大利亞歐泊，位于788～792cm-1處。

2.3 各產(chǎn)地歐泊的結(jié)構(gòu)特征

2.3.1 X射線粉晶衍射

羅潔[9]、Mikhail O[6]分別對(duì)澳大利亞歐泊、埃塞俄比亞歐泊及墨西哥歐泊進(jìn)行了X射線粉晶衍射（XRD）測(cè)試，澳大利亞歐泊的衍射圖譜無(wú)尖銳的衍射峰，譜線表現(xiàn)為以2θ=22.0°為中心的饅頭峰，即以4.0?為中心的寬帶，說(shuō)明測(cè)試所用的澳大利亞歐泊均是非晶態(tài)的，為Opal-A型歐泊，結(jié)晶程度很差，是典型的非晶態(tài)蛋白石。

埃塞俄比亞及墨西哥歐泊XRD衍射圖譜中衍射峰尖銳，主要峰值位于22.0°和36.3°附近，說(shuō)明結(jié)晶程度較高，屬于Opal-CT型歐泊，即含有低溫鱗石英和低溫方石英的歐泊[13]。此外，在44.5°和57.1°左右存在歸屬于其他物相的弱衍射峰，說(shuō)明埃塞俄比亞歐泊的物相組成并非單一相，而是由非晶態(tài)向結(jié)晶態(tài)過(guò)渡的復(fù)雜混合態(tài)。

資料顯示[7，8]，火歐泊、粉色歐泊等內(nèi)生成因的火山熱液型歐泊，大多屬于Opal-CT型， Opal-C型少見(jiàn)；外生成因的澳大利亞歐泊則多被證實(shí)為Opal-A型歐泊。因此可以推斷，歐泊的類(lèi)型與它們形成時(shí)的地質(zhì)環(huán)境是有直接關(guān)系的。Fritsch E[7]同樣指出，Opal-C型歐泊較罕見(jiàn)，寶石級(jí)Opal-CT型歐泊通常發(fā)現(xiàn)在火山環(huán)境，而寶石級(jí)Opal-A型歐泊通常發(fā)現(xiàn)在沉積環(huán)境。

2.3.2 掃描電鏡測(cè)試

二氧化硅小球的排列直接影響歐泊的外觀，若小球排列規(guī)律，歐泊呈現(xiàn)艷麗的變彩；若在掃描電鏡下觀察到球體間邊界模糊，小球無(wú)規(guī)律排列，歐泊則不呈現(xiàn)變彩或是在連續(xù)的變彩間有黑點(diǎn)或陰影。羅潔[9]、Elo?se G等[15]分別對(duì)澳大利亞、埃塞俄比亞及墨西哥三個(gè)產(chǎn)地的歐泊進(jìn)行了掃描電鏡研究。其中具有變彩的澳大利亞歐泊中的二氧化硅小球的直徑約為150～300nm，球體排列主要為簡(jiǎn)單立方堆積和體心立方堆積兩種方式，也存在無(wú)規(guī)律排列的情況；埃塞俄比亞歐泊中二氧化硅小球的直徑約為20～70nm，一般為30nm，小球的排列方式無(wú)規(guī)律，在掃描電鏡下可見(jiàn)二氧化硅小球呈階梯片層狀排列，也可見(jiàn)球體在小范圍內(nèi)緊密團(tuán)聚，形成團(tuán)聚體，各個(gè)團(tuán)聚體間存在空隙[9]；墨西哥火歐泊的結(jié)構(gòu)當(dāng)中沒(méi)有真正的二氧化硅球體，其結(jié)構(gòu)是由直徑約25nm的、近似球形的納米顆粒隨機(jī)排列組成，這種結(jié)構(gòu)不會(huì)引起衍射，即不出現(xiàn)變彩。此外，Elo?se G等[15]還提到，不同地區(qū)火歐泊的結(jié)構(gòu)特征基本一致，無(wú)明顯產(chǎn)地特征。

3 結(jié)論

（1）從外觀上來(lái)看，澳大利亞歐泊通常以帶有圍巖的扁平層狀形式產(chǎn)出，透明度較差，其變彩色斑呈二維片狀，色斑之間邊界模糊、過(guò)渡自然；埃塞俄比亞歐泊透明度較好，色斑立體，色斑與色斑之間邊界明顯；墨西哥產(chǎn)出的火歐泊通常呈橙紅色至紅色，透明度好，少見(jiàn)變彩。

（2）澳大利亞歐泊的折射率約為1.43～1.45，比重約為2.1；埃塞俄比亞歐泊的折射率和比重則普遍偏低，折射率約1.42～1.43，比重一般為1.9～2.0。墨西哥火歐泊的折射率比大部分歐泊都低，約為1.42～1.43，低者可達(dá)1.37。

（3）埃塞俄比亞歐泊的SiO2含量達(dá)80%～97%，雜質(zhì)元素以K和Ca為主，其次為Na、Al、Fe、Sr、Zr和Ba，其它雜質(zhì)元素氧化物含量均低于0.1%。通常情況下，Ca、Sr和Ba含量為：埃塞俄比亞歐泊 >澳大利亞歐泊 > 墨西哥歐泊。

（4）澳大利亞歐泊屬非晶態(tài)的Opal-A型歐泊，埃塞俄比亞和墨西哥歐泊屬結(jié)晶程度較高的Opal-CT型歐泊，二者在紅外光譜上的鑒別主要是依靠790cm-1附近的吸收峰位置，Opal-A型歐泊在該處的吸收峰位于796～800cm-1處，Opal-CT型歐泊的吸收位于788～792cm-1處，吸收峰較低。

（5）三個(gè)產(chǎn)地的歐泊結(jié)構(gòu)有較大區(qū)別，其中澳大利亞歐泊中二氧化硅小球的直徑最大，約150～300nm，球體排列規(guī)律；埃塞俄比亞歐泊中二氧化硅小球的直徑較小，一般為30nm，球體排列無(wú)規(guī)律；墨西哥火歐泊的結(jié)構(gòu)當(dāng)中沒(méi)有真正的二氧化硅球體，其結(jié)構(gòu)是由直徑約25nm的、近似球形的納米顆粒隨機(jī)排列組成。

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