壹、 前言

 

貴蛋白石因其無可取代的「遊彩現象」（play of color，或稱變彩效應），在珠寶市場上長期受到高度青睞。21世紀前，主要產地為澳洲、墨西哥，澳洲更是將其尊為「國石」。因為產量稀少，品質穩定，價格始終居高不下。

1994年，非洲衣索比亞的Shewa區發現了火蛋白石；2008年，Wollo地區被發現出產大量寶石級貴蛋白石（以下簡稱蛋白石。無遊彩的蛋白石則以普通蛋白石指稱），由於該產地出產的蛋白石含水量高，也被稱作「水蛋白石」。此後，市場開始有大量衣索比亞蛋白石流通，因其水潤透亮的體色、靈動的遊彩、親民的價格，受到許多消費者喜愛，衣索比亞一舉成為全球主要歐泊產地之一，取代部分澳洲市場。

然而，衣索比亞蛋白石也有一個關鍵的問題，即難以保存。

蛋白石化學成份為含水二氧化矽（SiO2·nH2O），含水量約5-10%，最多可達20%。不同於澳洲蛋白石為沉積成因，衣索比亞蛋白石為水熱成因，結構鬆散、穩定性較低，體色和遊彩的表現皆容易受到含水量的影響（罗洁, 2019）。

多數文獻指出，蛋白石易因過於乾燥，導致失水裂開，或者失去遊彩，然而身處台灣這樣溫度、溼度都高的熱帶氣候條件下，實際上的經驗卻非如此。

台灣氣候長年潮溼，時常下雨。買回的蛋白石經過一段時間後，常可看見未被妥善收納（甚至已經放進夾鏈袋中隔絕空氣）的蛋白石，發生體色和遊彩的變化：體色變透、發黃，且遊彩變弱，或喪失遊彩。雨季時，也常見衣索比亞蛋白石的體色和遊彩改變。

因此，藉此實驗，希望能進行一個正式的觀測，藉儀器輔助，研究蛋白石的水分含量和遊彩、體色之間的關係，以及失去遊彩的歐泊能否透過水分的調整回復。

 

 

貳、 文獻探討     

  

一、物理性質

蛋白石為無機非晶質寶石，成份為含水二氧化矽（SiO2 · nH2O），呈球體排列，含水量大約2 – 10 %，部分可達20 %（張蓓莉, 2014）。具有靈動且繽紛的遊彩現象。

蛋白石折射率約1.40-1.46，單折射。比重1.9-2.3之間，摩氏硬度5.5 - 6.5。澳洲蛋白石折射率穩定在1.44-1.45之間，密度為2.1 (g/cm3) 左右。衣索比亞蛋白石折射率、密度普遍低於澳洲蛋白石，折射率約1.40-1.42，密度約1.83-1.90 (g/cm3)。

衣索比亞蛋白石體色大多為白色，部分為淺黃色、深巧克力色，透明度為透明至半透明，體積較其他產地大，遊彩明顯。吸水失水後，透明度、遊彩變化大。

衣索比亞蛋白石的遊彩特徵不同於澳洲蛋白石。澳洲蛋白石的遊彩多數呈現為表面上片狀的平面色斑，色斑之間的邊界過渡自然。

衣索比亞蛋白石遊彩的型態更為多樣，可分布在表面，也存在於內部，立體感較強，彼此有時漸變相連，有時獨立存在，形狀豐富，特徵性遊彩為「指狀遊彩」（digit patterns）：肉眼可見、類似手指的結構。表面呈網狀，側面呈現柱狀結構，且柱體之間顏色、透明度、變彩效果各有不同。外觀略似Gilson合成蛋白石，但後者柱狀呈多邊形且更為規則（Benjamin Rondeau, 2013）。

圖1：典型的「指狀遊彩」。
圖片來源：Rondeau B, 2010.

 

二、成因和產狀

澳洲蛋白石為沉積成因，大部分為結晶程度較低的Opal-A型蛋白石。

非洲衣索比亞的蛋白石為水熱成因：富含二氧化矽的水熱溶液，在適當的條件下，轉化成二氧化矽凝膠，隨著時間推移生長成微粒，並形成球體，球體之間再互相聚集為串珠狀或簇狀、最後固化。水熱成因形成的蛋白石，也包括墨西哥火蛋白石、秘魯粉蛋白石，結晶程度較高，屬於Opal-CT型蛋白石（α-方石英和α-鱗石英交互生長，且以高度無序排列的α-鱗石英為主）。

礦床為玄武岩層、流紋岩質熔灰岩（火山噴發產生的岩屑、晶屑、火山灰熔結而成）交替組成的漸新世(Oligocene) 火山-沉積序列（漸新世時期，火山活動與沉積作用共同作用下形成的岩石組合）。蛋白石即產於其中約1公尺厚的熔灰岩薄層中（Benjamin Rondeau, Jean-Pierre Gauthier, Francesco Mazzero, Emmanuel Fritsch, Yves Bodeur, Boris Chauviré, 2013）。

三、遊彩成因

1.澳洲蛋白石：球狀排列導致立體光柵干涉

澳洲蛋白石的內部結構，為相對規則排列的二氧化矽球體，球體直徑約150 - 300 nm（邵臻宇、朱静昌, 2000），球體之間的縫隙形成立體的光柵，於是，光線照射寶石時，經過立體光柵，發生了衍射。

衍射光彼此之間互相干涉，使部分波長的可見光呈正相位（in phase），加強該顏色，而部分波長的可見光呈逆相位（out of phase），減弱該顏色，因此形成五彩繽紛，隨角度變化、靈動的閃光——「遊彩效應」。

遊彩的強弱、色彩豐富程度，和二氧化矽排列方式、球體大小、彼此之間的空隙有關。當球體有序排列、其間的空隙達217nm，可見光（400-700nm）中所有波長的單色光皆能通過，則可產生紅色（610-700nm）至紫色（400-450）七種顏色的的遊彩，此時球體直徑約230nm；球體空隙為138 – 166 nm時，僅有紫光、藍光可通過，此時球體直徑約190nm左右。球體愈大，其間空隙愈大（邵臻宇, 2002）。

若蛋白石中的二氧化矽球體大小不一，並呈現無序排列，則光線通過寶石時，無法發生衍射，便產生無遊彩的普通蛋白石。

故，要產生遊彩，寶石本身所需條件為：

1. 二氧化矽球體的排列相對有序。
2. 球體大小相似。
3. 球體大小適中。（根據計算，可得出球體直徑最小為143nm。澳洲蛋白石內球體直徑約150 – 300 nm。）（周佳妮, 2018）

此外，這些二氧化矽球體以「球粒群」的方式存在，群體間的球體相對有序，群體和群體之間則略有差異，導致在同一平面上觀察，也會產生各種邊界模糊，且大小、形狀、色彩皆相異的彩點、色斑。

2.衣索比亞蛋白石：層狀排列導致薄膜干涉／立體光柵衍射／瑞利散射

衣索比亞蛋白石的遊彩呈現相異於澳洲蛋白石。因為兩者成因有所不同，內在結構也不同。多樣的遊彩型態，則表示其為多種成因的綜合結果。

研究指出，在電子顯微鏡下，可觀察到衣索比亞蛋白石內部的二氧化矽球體直徑，大多落在20 – 70 nm之間，一般為30 nm，明顯小於澳洲蛋白石（150 – 300 nm），亦不符合上述所說「立體光柵衍射」的產生條件：球體直徑大於143 nm（周佳妮, 2018）。

衣索比亞蛋白石內部的二氧化矽球體也有特殊的排列特徵：單個球體之間無序地緊密排列，形成「球粒群」，「球粒群」之間再形成「層狀結構」和「鱗球狀結構」。

1. 薄膜干涉（層狀結構）

大部分衣索比亞蛋白石內部，皆可見「球粒群」組成的層狀結構，層與層之間具有一定孔隙，且單層厚度大約為80 – 150 nm，導致了薄膜干涉，也是衣索比亞蛋白石遊彩效應的主因。其遊彩特徵為：球狀遊彩、指狀遊彩。

同時，因為層間具有孔隙，當水進入後，可能改變層間物質，所以含水量對變彩顏色的影響相對顯著。

B.立體光柵干涉（鱗球狀結構）

當「球粒群」之間形成鱗球狀結構，且鱗球直徑為100 - 300 nm時，其球粒間的孔隙大小呈現為30 – 500 nm不等，便滿足了立體光柵干涉的條件，可能產生變彩。但許多呈現「指狀遊彩」的蛋白石中未見鱗球狀結構，因此並非衣索比亞蛋白石遊彩的主要成因（周佳妮, 2018）。

圖2：鱗球狀結構。
圖片來源：
周佳妮, 尹作为. 埃塞俄比亚欧泊微结构及变彩成因探讨. 宝石和宝石学杂志, 2018.

C.瑞利散射

當可見光照射到小於可見光的微粒後，會發生散射，且強度與波長成反比。因此可見光（400 - 700 nm）照射到直徑約20 – 70 nm的二氧化矽球體微粒，會發生藍紫色散射，可能因此導致了藍紫色遊彩。

以上三種原因並非獨立發生，而是同時並存。鱗球狀結構和層狀結構可以在同一個蛋白石中存在，常見為鱗球狀結構零散地分布在層狀排列中，推測成因可能為熱液成因環境穩定性較差，溫度壓力較高時，二氧化矽球體易團聚，較穩定時，便規則排列。但是造成衣索比亞蛋白石豐富多變的遊彩的主因仍是薄膜干涉（周佳妮, 尹作为. 2018）。

四、含水量對遊彩的影響

將衣索比亞蛋白石浸泡於水中，計算前後重量差異，可得出其孔隙度約為2.19 % - 15.85 %（周佳妮, 尹作为. 2018），差異性大。其中，具有「指狀遊彩」的蛋白石孔隙度較大，而僅有單色遊彩的蛋白石孔隙度相對小。

根據前述蛋白石遊彩成因，推論衣索比亞蛋白石因為遊彩成因為層狀排列結構，相對於澳洲蛋白石的規則球狀排列，水分更容易進出衣索比亞蛋白石的層間縫隙，導致遊彩成因本身的結構條件，在水的作用下並不穩定，而容易發生溼氣影響遊彩、體色的情況。

五、保存方式

許多網路資料指出，蛋白石由於易因為脫水而失色、失彩，故在保存時，應該和溼棉花球一起放入透明夾鏈袋中封存，維持溼度。

六、研究目的

目前多數研究指出蛋白石在乾燥環境下容易失水，導致裂紋與遊彩，而本研究旨在研究高溼度環境對蛋白石的影響。

這次的研究希望藉由系統性的觀察紀錄、儀器分析，對衣索比亞蛋白石進行以下研究：

1. 紀錄衣索比亞蛋白石的含水量與遊彩、體色間的關係。
2. 測試是否能經由調整含水量以回復遊彩，並了解回復條件及限制。
3. 台灣的氣候條件應如何保存。

參、 研究方法

         此次研究樣本共採用十顆衣索比亞蛋白石，皆由吳照明寶石教學鑑定中心所提供，平均重量約 10 ct，大小約 1 - 2 cm。琢型為蛋面琢型，體色為乳白色至微黃色，透明度為半透明至不透明。十顆蛋白石皆有明顯遊彩，易於觀察。

實驗方法主要以肉眼觀察，並拍照紀錄，以及測量寶石重量，精密儀器則以傅立葉紅外光譜儀進行測試。

為了改變寶石溼度，會將蛋白石依序進行浸水和乾燥，並在每個階段都對寶石進行上述測試。

肉眼觀測：肉眼可辨的遊彩是判定寶石是否美麗的一大重點，因此會以肉眼先進行遊彩的判斷，以及紀錄寶石體色、透明度。

相機拍照：輔證肉眼所見的遊彩效應。

重量測試：確認歐泊內水分含量。

FTIR：進行水峰測試，確認歐泊內水分含量以及水峰變化的關聯。

一、實驗設備與條件

1. 拍照設備

為輔助佐證並紀錄肉眼所觀察到的體色、透明度和遊彩變化，每一個階段都以相機拍照留存對照。然而寶石的色彩和光學效應呈現，本身即為一系列「寶石－光－雙眼－大腦」之間複雜的能量吸收與神經傳遞，加上蛋白石變化多端，如萬花筒般難以捕捉的遊彩，在攝影上更是困難。拍照時已儘量呈現觀測時所見的模樣，仍舊無法完全還原。

拍照設備：硬體為 iphone 14 pro手機，搭配 Kase大師級百微PRO鏡頭（微距鏡頭，拍攝距離約45mm – 85mm）。軟體為Foodie，無濾鏡，放大1.3 x，光線設置 -1.0。光線為室內光（吳照明寶石教學鑑定中心）。

2. 傅立葉紅外光譜儀（FTIR）

傅立葉紅外光譜儀（FTIR）可發出紅外光，以穿透或反射的形式射入待測材料，部分紅外光的波長與樣本中的特定分子發生作用，產生了吸收光譜，呈現出某些可供辨別的「吸收峰」，進而能夠推斷材料的分子結構。

在此實驗中，主要需觀測的吸收峰為水的吸收峰。根據文獻資料，水峰位置有兩處，一是位在約3400 – 3500 cm-1的寬吸收帶，第二是 1640 cm-1附近的吸收峰。

此外另有一些有意義的吸收峰：(1) 1092 – 1117 cm-1和Si-O-Si反對稱伸縮振動相關。(2) 790 - 800 cm-1和Si-O-Si對稱伸縮振動有關。(3) 470 – 477 cm-1和O-Si-O彎曲振動有關。而790 - 800 cm-1處的吸收峰有助於判斷蛋白石的結晶類型，通常結晶程度較低的Opal-A型蛋白石（通常為澳洲蛋白石），吸收峰位於796 - 800 cm-1，而有一定結晶程度的Opal-CT型蛋白石（通常為非洲衣索比亞或墨西哥蛋白石），吸收峰則略低於前者，位於 cm-1。

本實驗使用的紅外光譜儀為吳照明寶石教學鑑定中心提供。型號為Perkin Elmer Spectrum Two。設置條件：反射法，實驗波段為400 – 4000 cm-1，掃描次數16次，分辨率8 cm-1。觀測圖譜為T譜，進行KK轉換。

3. 浸水與乾燥

本實驗控制溼度的方式為浸水加溼，單純靜置，以及和乾燥劑靜置除溼。儘管無法精準確定寶石溼度，但實驗以控制浸水／靜置時間的方式，亦可以同時觀測不同樣本之間的差異，更接近實際上的情況。

乾燥劑使用透明顆粒狀矽膠乾燥劑包。由矽酸鈉和硫酸反應凝固合成，屬於中性至弱酸性的乾燥劑。由於顆粒本身為表面積約700m/g的多孔構造物，吸附面積大，被廣泛運用於水分吸收。

浸泡的水為常溫自來水，浸泡時間為5小時。

浸水後的樣本，先個別放置於夾鏈袋內靜置五天，無明顯變化。

再把每一個夾鏈袋內都放入一包1g乾燥劑，靜置10天。

二、研究樣本

研究樣本共十顆衣索比亞蛋白石，由吳照明寶石教學鑑定中心所提供。平均重量約 10 ct，大小約 1 - 2 cm。琢型為蛋面琢型。十顆蛋白石皆有明顯遊彩，易於觀察。

 

 

 

肆、研究結果

 

一、寶石觀察

 

 

十件樣本皆有三個階段的紀錄，首先是收到樣本時原始樣態的紀錄，接著是浸水5小時後的紀錄，最後是放入乾燥劑靜置10天。

 

 

▲浸水紀錄。
-上排左一（圖W0）：所有寶石一同浸泡於自來水。浸泡後可看見明顯氣泡。
-上排左二（圖W3）：樣本3號。           -下排左一（圖W7）：樣本7號。
-上排左三（圖W4）：樣本4號。           -上排左二（圖W8）：樣本8號。
-上排左四（圖W5）：樣本5號。           -上排左三（圖W9）：樣本9號。

1. 重量：增重

寶石浸水約2 - 3小時後，可看見周圍有氣泡產生。表示原先存在於寶石內部孔隙的空氣，被所浸泡的水取代。

浸泡5小時後，重量皆顯著增加。其增加的重量比率大部分為3 - 6% 左右，個別甚至可達20%：8號樣本前後重量變化達至2克拉。由9.913ct增加至11.985ct，重量增加了20.9%，且由圖W5可見，浸泡後產生的氣泡相對明顯。圖W4也可見相對大而密集的氣泡，其重量增加也高達12.033%。圖W5的氣泡相對小且較少，其重量增加為4.312%。增重比率計算方式：浸水後重量-浸水前重量／浸水前重量x 100%。

乾燥過程，先個別放置於夾鏈袋內靜置五天，重量皆無明顯變化。接著在每一個夾鏈袋內都放入1g乾燥劑，靜置10天。可見重量顯著下降，且部分甚至較原本重量更低。表格內回復率計算方式：（浸水後的增重比率-乾燥後的增重比率）／浸水後的增重比率x 100%。

2. 體色：發黃

體色最顯著的變化為發黃。大部分蛋白石在浸水後皆會有程度不一的發黃表現，部分蛋白石在乾燥後可回復原先白色的體色，如樣本1號、2號、7號，部分蛋白石則無法回復，仍舊保持微黃的外表，如樣本3號、4號。也有部分寶石產生發霧的情形，如樣本5號、8號、10號。

3. 透明度：變透

所有蛋白石在浸水後透明度皆有所提升，變成半透明或全透明。

部分蛋白石原先被隱藏的包裹體也因透明度提升而展現出來，如7號樣本內部的纖維狀包裹體。

經乾燥後透明度皆再度變低。

4. 遊彩：變弱

大部分蛋白石的遊彩在浸水後皆變得較微弱，僅5號樣本在浸水後遊彩呈現較原本明顯，而6號樣本遊彩保持同樣強度。

乾燥後的遊彩皆稍微恢復，然而多數蛋白石儘管完成了乾燥，甚至水分較原先更少，遊彩仍沒有完全回復原狀。

此外，乾燥後的寶石，含水量回復的比例，看似與遊彩的回復呈正相關。如1號樣本的含水量浸水後為3.218%，乾燥後為-9.559%，回復程度為397%，為所有樣本中回復程度最高的，遊彩也較為理想。3號樣本回復程度為137%，遊彩回復也較為理想。值得注意的是，1號、3號樣本的遊彩，皆呈現為典型的「指狀遊彩」。

而8號樣本回復程度最低，僅63%，遊彩回復的程度亦較差。

5、6號樣本浸水後的遊彩並未減弱，但是乾燥過後反而變弱了。推測原因為其遊彩表現較為立體，更透的底色有助於立體的遊彩被同時展示出來。

表格內遊彩強度評估為肉眼評估。共分為9個等級，6-9分為理想的遊彩，亮度強烈，且分布位置廣，6-9分內再分為上（9分）、中（8分）、下（7分）。4-6分為中等的遊彩，可能亮度和分布位置其中一項不佳。4-6分內再分為上（6分）、中（5分）、下（4分）。1-3分為微弱的遊彩，遊彩的亮度和分布皆不理想，或者其中一項特別不理想，1-3分內再分為上（3分）、中（2分）、下（1分）。

二、FTIR 紅外光譜儀

紅外光譜儀的紀錄針對10個樣本的原始狀態、浸水5小時、靜置乾燥，三個階段都有分別紀錄。光譜儀型號為Perkin Elmer Spectrum Two。設置條件：反射法，實驗波段為400 - 4000 cm-1，掃描次數16次，分辨率8 cm-1。觀測圖譜為T譜，進行KK轉換。

黑色曲線：原始狀態。紅色曲線：浸水。藍色曲線：乾燥後。

 

 

1. 水峰

3000 - 3700 cm-1區段有一個碗狀的吸收峰，表示水的吸收。所有樣本的吸收圖譜皆可見泡水後的水峰加深，尤其吸水比率最高的樣本4號（增重12.033%）、8號（增重20.902%），碗狀水峰有最顯著的加深。

同時也能觀察到，吸水比率最低6號樣本，僅增重3.091%，但是也能見到吸水後的水峰加深。

1630 cm-1處有一個小吸收峰，同樣也是水的吸收峰。樣本4號、8號一樣表現為較為顯著的加深。

此研究結果表示，蛋白石的紅外吸收光譜，除了能定向性地指出孔隙水的存在，也在一定程度上能做定量測試，指出孔隙水的多寡。

2. 遊彩的回復可體現於水峰

根據前述寶石觀察的結果，在乾燥後遊彩回復較為理想的寶石，有樣本3號、樣本9號。觀察這兩個樣本的FTIR峰位變化，可見乾燥後的曲線（藍色），在3000 - 3700 cm-1 處的碗狀水峰較為平緩。

而樣本8號的遊彩回復較不理想，3000 - 3700 cm-1 處的碗狀水峰則比其他寶石更深。

1630 cm-1處的尖狀水峰變化則無顯著差異。

3. 其他峰位

                除了水峰外的其他峰位大抵無特徵性變化。2350 cm-1 附近處的吸收峰應為二氧化碳的背景峰值。

伍、結論

根據上述實驗過程和結果，可大致總結出以下結論。

• 衣索比亞蛋白石的含水量與遊彩、透明度、體色的變化有正相關。

多數情況下，吸水量愈多，遊彩愈弱，透明度提高，體色也會有發黃的表現。吸水量在物理性質上也會體現於寶石重量。吸水愈多的寶石增重愈多，如樣本8號，可見其FTIR水峰位顯著加深，其增重比例高達20.9%。

FTIR則展現出水峰的變化：3000 - 3700 cm-1區段有一個碗狀的吸收峰，表示水的吸收。除了能定向性地指出孔隙水的存在，也在一定程度上能做定量測試，指出孔隙水的多寡：在水峰加深更多的樣本中，增重比例更高。

• 可以藉由調整含水量，以回復遊彩，然而有其程度限制。

本次實驗在泡水後經歷的乾燥時間共15天，輔以乾燥劑後，多數樣本皆有程度不一的外觀回復，然而也許受限於時間長度，未能完全回復。表示含水量的調節對改變遊彩呈現確實是有效果的。

在實驗結束約6週後，再次觀察樣本，可見大部分樣本再度呈現出強烈的遊彩、恢復原先的透明度，部分發黃的體色則未能回復原狀，代表其浸水後造成的遊彩改變確實是可逆的，體色的變化則不一定。但是由於期間未做變量的觀測，故該發現僅能作為本次實驗的未竟之處，有待日後深入探討：是否拉長時間的乾燥，可以徹底回復其外觀？又，會否造成寶石失水裂開？

• 在溼度偏高的台灣北部氣候條件，不宜以溼棉花球保存。

就本實驗觀測，在北台灣的氣候條件下，衣索比亞蛋白石比起乾燥失水，更擔心的是溼度過高，導致失彩、發黃。因此溼棉花球並不是最合適的保存方式。以尋常易得的保存工具來說，更適宜的保存方式，應該是直接將寶石放在密封袋內，定期查看其外觀狀態，並適時放入乾燥劑，調節寶石溼度。

鑑於其不穩定性，作為配戴用途的蛋白石，應該在販售前有其他篩選措施，保留受溼度影響較小的寶石個體作為商品販售，或製成飾品，確保在配戴時不因穩定性而喪失寶石的價值。

 

陸、參考文獻

中文文獻：

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