Question

矿物的反射色

Answer 1

一、反射色的基本概念

矿物的反射色是指矿物磨光面在白光垂直照射下垂直反射所呈现的颜色，它是矿物的表色。所谓矿物的颜色一般有体色与表色之分。体色是矿物在透射光中所呈现的颜色，为透明、半透明矿物所具有（将在内反射章节中叙述），而表色是矿物表面反射光所显示的颜色。若某些矿物光面对白色入射光中各波长的光近似等量反射时，则这些矿物的反射色呈白色至灰色，仅表现亮度（反射率）或深浅的差别，矿物赋色主要由反射较强的波段所决定，如果某矿物对黄波波段反射较强，其反射色就相应地突出黄色。所以形成反射色的机理，是由于矿物光面对白色垂直入射光选择反射所致。

矿物的反射率随入射光的波长不同而变化的现象称之为反射率色散。从矿物反射率色散曲线（图3-1）图中可看出：黄铁矿的反射率色散曲线表现为在黄、橙波段有所升高，所以显淡黄色，自然铜的曲线在黄、橙、红波段急剧上升，而对红光的反射率尤高，故反射色为铜红色，方铅矿之所以为白色，是因为它对各波长的反射率差别很小，曲线较平缓，只在蓝紫波段略为升高，所以白色中微带蓝色色调。从图中不难看出，其他矿物的反射色均决定于各自的反射率色散曲线，在此不一一赘述。

图3-1 矿物反射率色散曲线

由上述可知，用连续光谱按一定波长间距，分段测取矿物的反射率而绘制成的反射率色散曲线，具有重要的实际意义。因为它能形象地反映出反射色的特点，即使有几种矿物的反射色很相似，但它们的色调和浓淡仍有所不同，这种微小的差异从反射率色散曲线的细微变化中可以看出，但用文字是难以描述的。反射色为矿物最突出的特征，因而反射率色散曲线在矿物鉴定工作中就有特殊的重要意义。

二、反射色定性描述及色变效应

反射色虽易辨认，但颜色种类繁多。根据实验，正常视觉的人，能将单纯的光谱色分辨成150种以上的色调，而对每种色调的浓度可辨别约为10个等级，对其亮度的辨别等级可达百位计。三个要素值相乘积，即人眼应辨别的颜色种类，可达几十万种之多，然而实际测试表明，正常的人眼仅能够辨别一万种左右的颜色。如此众多的颜色用有限的词汇来描述相当困难。虽然矿物的反射色分为两大类，即无色类（包括微带色调的白－灰色矿物）及有色类（具明显的赋色）。但不论是对有色矿物还是微带色调的矿物，即使同一颜色也往往因人而异，作出不同的描述。譬如以磁黄铁矿的反射色为例，曾被描述为淡褐黄色、淡棕黄色、淡玫瑰黄色或古铜黄色等，也有人描述为乳黄色、粉黄色或淡黄色微带玫瑰色等。因此矿物反射色的分类及描述难于统一。

影响反射色观察的因素除光源的色调和矿物的磨光质量外，还有就是周围矿物的影响，即视觉的色变效应。矿物反射色是指矿物单独存在时的颜色。而同一种矿物分别与不同的矿物连生时，往往会使观察者产生视觉色变。例如辉铜矿本为无色矿物（灰白微带蓝色调）类，但与方铅矿连生时，就呈明显的蓝色，若与铜蓝连生时，则显白色。再如磁铁矿反射色应为灰色，但和赤铁矿连生时，呈明显的棕色调，但与钛铁矿连生时，则显浅粉红色。虽然色变效应影响对矿物反射色的准确判断，但对某些矿物的鉴定却有所裨益。常见矿物的反射色和相对色变（效应）见表3-1。

表3-1 常见矿物的反射色和相对色变

三、反射色的颜色指数

金属矿物的反射色是矿物的主要属性，是在矿相显微镜下鉴定不透明矿物的重要依据。然而至今多数人还对金属矿物的反射色用文字来作定性的描述。定性的文字描述由于缺乏客观标准，所以人们难以从不同人对反射色的描述中获得统一的概念。近年来，矿相工作者已逐渐利用色度学的原理和方法，来定量测定矿物的反射色，即用几个简单的数字——颜色指数，客观定量地表达各种矿物反射色的特征。

1.色度学的基本概念

色度学中，颜色可用色调（颜色主波长）、饱和度（纯度或浓度）及亮度（反射率）三要素来表示。

视觉的色彩效应是由于可见光具有不同波长而产生。可见光中的各种色光以大致相等的强度混合时即成白光。色光可归纳为三种主要色光，即蓝光、绿光及红光。而以不同方式和强度混合这三种色光，就能获得几乎所有的色光。所以光学上将蓝、绿、红称为三原色。以三原色中任意两原色可混合成青、黄和紫等补色。它们之间的关系见表3-2和图3-2。

表3-2 原色和补色的加减关系

注：红绿蓝为色光中的三原色。七种基本色的其他四色为三原色以不同方式混合而成。

图3-2 三原色关系图

色调或色彩系指颜色的种类，可用反射光的主波长（λ_d）来表示，它与反射率色散曲线主峰的波长值相当。饱和度（P_e）也可称纯度或浓度，是指同一色调的纯粹浓淡程度，可用纯光谱色（主波长色调）和白光的比例来表示，纯光谱色最大作为100/100＝1，随颜色变淡其P_e值逐渐变小，直至纯白色（光）时饱和度为零，不透明矿物反射色饱和度都很小，因此在矿相显微镜下呈现的颜色均较浅淡。亮度即颜色的明亮程度可用矿物的反射率（绿光）R_vis表示。

色调（λ_d）与饱和度（P_e）合称色度或色品。

2.三刺激值与色度图

三刺激值是表示正常人目中三种锥体对红、绿和蓝三原色的刺激程度（值）。据此国际照度委员会利用三色色度计制定了标准的三色曲线，也称三刺激值曲线（图3-3），图中以波长为横坐标，亮度的相对量为纵坐标。

、

、

分别表示不同波长刺激值的相对数量。例如波长为500 nm色光的三原色刺激值为：

X＝0.0049

Y＝0.3230

Z＝0.2720

图3-3 等能光谱的三色曲线

由于表示上述三个数值，则须采用三度空间的立体图。为了解决作图的困难，可分别采用其相对百分数计算。即令：

矿相学

由上式可知x＋y＋z＝1，如x、y为已知， z当为一定值。仍用上例说明：

∵ X＋Y＋Z＝0.5999

∴ x＝0.0082

y＝0.5384

z＝0.4534

上列x、y、z三数值通称相对三色系数或色度坐标。因z为一定值，则可用x为横坐标，y为纵坐标作出平面色度图（色品图），见图3-4。

图3-4 色度图

将所有的光谱色（400 nm～700 nm）均依上述方式分别找出相应的相对三色系数，并将其各自的x、y值投入图中，就可绘出各光谱色在色度图中的马蹄形轨迹。

从图中可看出，所有光谱色都位于上述光谱色轨迹（光谱色曲线）之上，由于光谱色的饱和度最大，所以任何颜色都必位于马蹄形范围以内。在图E（S_E） 点表示等能白色光，即它的三色系数x、y、z均为0.3333。

既然在轨迹上的光谱色代表最大的饱和度（为1），那么任何颜色的色度坐标愈近轨迹，其色愈浓、愈纯或愈近于饱和；而愈近E 点，则颜色愈淡，即饱和度或纯度愈低，直至色光完全变成白光（饱和度等于零）为止。

设某一颜色的x、y落于P₁ 点，可自E点连直线EP₁ 直至交光谱色轨迹530 nm光λ₁处，530 nm即这一颜色的主波长（λ₁ 处）。其饱和度P_e 则相当于EP₁/Eλ₁，即二者长度之比。

另如某一紫光落于P₂ 点，而与E点的连线交于红、紫端的直线连线之上Q点处。但在此点无法得出主波长，只能将EP₂ 线反向延长交于轨迹曲线段λ₂ 点，此点为P₂ 点的补色主波长λ_d，以负数（－499 nm）表示。而P₂ 点色光的饱和度可表示如下：

矿相学

综上所述，基于颜色的三基本要素，反射色的颜色指数是用三色系数中的x、y，亮度（代表视觉反射率）R_vis（＝Y），主波长λ_d 及饱和度P_e来表示。常见矿物的反射色颜色指数见表3-3。

表3-3 常见矿物的反射色颜色指数

从表中可看出，在镜下难以区别的矿物，如几种黝铜矿的颜色指数是有差别的，特别是主波长λ_d较为明显，同时也不难看出，几种黄色矿物和玫瑰色矿物中，其颜色指数皆有较大的差异。从而有助于鉴定矿物。

关于矿物反射色的分类（级），前节仅将其分为有色及无色两大类，而对微带色调的矿物，则归入无色一类中。

若按矿物反射色的深浅与饱和度P_e的关系，可依如下标准分类定级：

（1）P_e＜0.00 n：不论主波长为哪一种波长，反射色一律为白色（无色），其极微弱的色调不足以被人目感觉出来。

（2）0.01＜P_e＜0.05：一般为微带色调的矿物。

（3）0.05＜P_e＜0.10：一般为淡色或浅色矿物。

（4）P_e＞0.10：一般为明显的有色矿物。

3.反射色颜色指数的测量方法

下面以由陈正等提出的用等能光源（S_E）、等间距波长坐标法的测量反射色颜色指数方法为例，将实测步骤介绍如下：

（1）精确地测出矿物的反射率色散曲线：即在以波长为横坐标、反射率为纵坐标的直角坐标网格图中，将各点所测的值投入并连成反射率色散曲线；或用MPV－3显微光度计打印机上直接印绘的反射率色散曲线。

（2）在反射率色散曲线上，从400 nm～700 nm波长之间，按间隔10 nm量出31个波段的反射率值R_λ，再分别乘以相对应的三刺激函数X_λ、Y_λ、Z_λ，而得各波长的X_λ·R_λ、Y_λ·R_λ、Z_λ·R_λ（表3-4）。

表3-4 S _E 等能光源等值纵坐标法计算记录表

续表

注：反射率按整数计。

（3）将三色分别相加，而得出∑X_λ·R_λ、∑Y_λ·R_λ、∑Z_λ·R_λ，再分别乘以因数1/10.68，即求出该矿物的反射色的X、Y、Z。Y值也代表视觉反射率R_vis。

（4）将X＋Y＋Z作分母，分别除X、Y，就求出色度坐标x、y。

（5）将x、y投入色度图，就可定出P点位置。

（6）P点已定，即能从图中求出λ_d和P_e。

按上述步骤，即可得出欲测矿物的颜色指数R_vis、x、y、λ_d和P_e。

此外，必须提及的是国际上发表的颜色指数，通常用以CIE（国际照度学会）公布的两种标准光源A和C所测算的数据。其测量方法相似（参阅参考文献［7］），按照C光源用等值纵坐标法计算见表3-5。

表3-5 按照C光源（P_Cλ）用等值纵坐标法计算记录表

续表

注：反射率按小数计。

应指出的是用上述作图法得出的λ_d 和P_e，对于大多数矿物，因其反射色的浓度很低，故而色度点P与白点E（或C）的距离很近，所以在定点和连线时易产生较大的误差。此即用作图法求λ_d和P_e 的缺点所在。但用“斜率”检索法，可避免作图法的这一缺陷，而以计算、查表的方法简便准确地求解出λ_d。

下面对用“斜率”求（查）λ_d和P_eX的方法（斜率检索法）略加介绍：

以得出矿物的色度坐标（x、y）与白点E的色度坐标（x_o＝0.3333，y_o＝0.3333）两点连线即“斜率”。矿物色度坐标与白点连线的斜率（S_r）计算公式为：

矿相学

算出“斜率”后，可根据斜率查“检索表”（张志雄，1983），并用内插法求出精度达0.1 nm的主波长值λ_d。

关于纯度（P_e）也可用相应的计算法获得：

矿相学

式中：x、y为欲测矿物的色度坐标值；x_d、y_d为主波长λ_d 的色度坐标值（可从色度图中量出）。

另一表解矿物颜色指数的新方法（刘建明，1993）是：先求出斜率K ［K ＝（y_o －y）/（x_o－x）］，再根据K值在检索表中查出λ_d 和另一个参数| x_o－x_d|，再以公式P_e ＝|x_o－x|/| x_o－x_d|算出P_e。不难看出，这种表解法是完全摆脱了作图法的弊端。同时这一新方法中，不仅备有标准光源A和C以及等能光源求解λ_d和P_e的检索表，而且编制了一套自动求解的计算机程序。

实验作业

（1）观察描述下列矿物的反射色，并对相似反射色的矿物进行比较。

黄色——黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿

玫瑰色——斑铜矿、红砷镍矿、自然铜

蓝色——铜蓝、蓝辉铜矿、深红银矿

无色（白——灰色）毒砂、方铅矿、闪锌矿、石英。

（2）观察磁铁矿与赤铁矿连生时的视觉色变效应。

（3）参观MPV－3型显微光度计并测定矿物反射率色散曲线，根据测出的矿物反射率色散曲线，求出该矿物反射色的颜色指数。