钻石的形成、产地和物理特性

矿床成因构成钻石的矿物金刚石如何形成？至今仍存在争议（廖宗廷，1995）。至今为止，提出的相关假说有：地幔捕获晶成因说、幔源岩浆结晶说、陨石冲击成因说、油储爆破成因说和变质成因说等。地球科学结合现代科学实验研究表明，上述形成金刚石假说均可能是正确的，但达到宝石级的金刚石-钻石只产于金伯利岩、钾镁煌斑岩两种类型原生矿以及它们的次生砂岩之中。根据对所含包裹体的研究，钻石的形成温度为900-1300℃，压力为45-60×108Pa，相当于地球深处130-180km的深度。根据包裹体测年分析，钻石的形成年代通常比携带它至地表的金伯利岩或钾镁煌斑岩的年代要早得多，如南非金伯利钻石矿，金伯利岩形成于距今90-100Ma，而该矿床中的钻石却形成于3300Ma前。世界各地的钻石矿均具有相同的特征，因此，可以认为钻石是在较古老的地质历史时期形成于地幔深处，在后期火山活动中，被金伯利岩浆或钾镁煌斑岩岩浆捕获，被带至地表，并赋存在金伯利岩和钾镁煌斑岩中，形成钻石原生矿。原生矿经过风化剥蚀作用，钻石被带至河流或滨海环境沉积下来，则形成钻石的次生砂矿。到1871年为止，全球所有的钻石均发现于次生砂矿，至今次生砂矿仍是世界钻石的主要来源。第一个钻石原生矿于1870年发现于南非的金伯利城，以后相继在博茨瓦纳、扎伊尔、澳大利亚、俄罗斯、巴西和中国等发现金伯利岩型或钾镁煌斑岩型原生钻石矿床。产地到18世纪为止，除了少数钻石开采自婆罗洲外，大部分钻石开采自印度，包括历史上几乎所有的名钻。南美大陆的巴西于1725年发现钻石，此后一百多年的历史中，巴西的钻石产量居世界首位，这一格局直到十九世纪末期才被南非钻石的大量发现所打破（周祖翼等，2001）。1866年，在南非Orange附近，人们发现了第一颗“尤利卡”钻石，成千上万的人因此涌到此处淘沙寻找钻石。逆河而上，历经4年之久，人们终于在金伯利城旁的Dutoitspan岩筒中发现产钻石的母岩-一种蓝绿色的火山喷发岩，并命名其为金伯利岩。今天，人们在南部非洲找到了成千上万个金伯利岩筒，但大多数并不含钻石，或虽有钻石产出，但由于品位太低而无开采的工业价值。著名的南非钻石矿有金伯利矿和普列米尔矿等。其它如扎伊尔、博茨瓦纳、俄罗斯西伯利亚雅库特、坦桑尼亚的姆瓦杜伊和我国辽宁的瓦房店等，都是十分典型的金伯利岩型钻石矿床产地。1979年在澳大利亚发现了含金刚石的钾镁斑岩，又称超钾金云火山岩，这是一种新的金刚石产出类型。这种类型是后期的岩浆岩侵入到早期的火山岩中，使侵入岩与火山岩紧密共生。钾镁煌斑岩属铁质、偏碱性至强碱性基性-超基性岩。澳大利亚的煌斑岩岩管不仅为寻找新的金刚石资源提供了基础资料，而且是红钻的重要产地。为了避免坠石的危险，今天金伯利岩筒钻石的开采已从露天开采转为地下开采。钻石的回收则采用了一系列特殊的分选工艺和设备，如回旋破碎机、碾磨机、重介质分选法、旋转淘洗盘、油脂回收、磁选、X-射线分选机等。各金伯利岩筒的钻石品位变化不等，一般每2吨含钻石金伯利岩产出1克拉钻石，在某些岩筒，每吨矿石提取0.2克拉钻石即具开采价值。金刚石砂矿是世界上金刚石的主要来源。世界各国砂矿中金刚石储量约占世界金刚石总储量的40%，但约占总产量的60%。金刚石砂矿包括滨海砂岩、河流冲积砂矿和残坡积砂矿，分布在寒武纪、晚古生代、中生代和新生代等各个地质历史时期。著名的南非维特瓦特斯兰德含金刚石砾岩、南非普列米尔和博茨瓦纳的奥拉帕岩筒上的残积砂矿，都是金刚石砂矿的重要产地。我国湖南沅江流域两侧也发现有工业价值的金刚石砂矿分布。金刚石砂矿的开采除了采用传统的淘沙方法外，主要的方法和工具有船上回收(挖泥船)、吸扬式挖泥船、河流改道、海上开采等。目前在世界上进行商业性生产钻石的国家有20多个，但产量居前五位的钻石生产国依次是澳大利亚、扎伊尔、博茨瓦纳、俄罗斯、南非。其它生产钻石的国家有安哥拉、巴西、中国、象牙海岸、加纳、几内亚、圭亚纳、印尼、利比亚、莱索托、纳米比亚、坦桑尼亚、委内瑞拉、中非共和国、塞拉里昂、印度、美国等。中国于1965年先后在贵州和山东找到了金伯利岩和钻石原生矿床。1971年辽宁瓦房店找到钻石原生矿床。目前仍在开采的两个钻石原生矿床分布于辽宁瓦房店和鲁中蒙阴地区。钻石砂矿则见于湖南沅江流域、西藏、广西以及跨苏皖两省的郯庐断裂等地。钻石与仿制品的鉴别市场上钻石的仿制品很多，典型的有钇铝榴石、钆镓榴石、锆石、立方氧化锆、钛酸锶、合成金红石、莫桑石、玻璃等。但和其它宝石相比，钻石与仿制品的真假鉴别相对较容易，最方便的办法是借助于热导率仪就能将钻石与其它仿制品区别开来，因为除莫桑石外，所有钻石仿制品的热导率都远比钻石低。在此基础上，重点解决莫桑石的鉴别问题即可。莫桑石是1997年由美国C3公司生产并投放到市场的一种人造宝石。与其它钻石仿制品相比，它具有更大的欺骗性，原因在于其热导率较高，用传统的热导仪无法将它与钻石区分形来。其实，这种仿制品的鉴别并不太难，第一，这种材料是非均质体，并具有较大的双折射，用十倍放大镜便可将此区分开来；第二，利用已投入市场的反射率仪等，很容易将两者区别开来。钻石包裹体钻石内部的包裹体除金刚石外，还有石墨、石榴子石、单斜辉石、斜方辉石、硫化物、橄榄石、蓝晶石、刚玉、红柱石、方解石、云母、长石、角闪石、钛铁矿、铬透辉石、绿泥石、锆石、透辉石等。此外，放大观察，还可见钻石的生长纹、解理等。在原石和成品上还常见与解理有关的三角座、V字型缺口、胡须等。钻石的物理性质1、光学性质（1）颜色：变化大，常为无色、黄、黑等；少量为绿、红、蓝等色。（2）光泽：为典型的金刚光泽。（3）透明度：透明-不透明。（4）光性：为各向同性，因此，在偏光镜下为全消光，但钻石常受构造作用影响将发生晶格畸变，因而有些钻石在偏光镜下可显异常消光。（5）折射率：2.417-2.419；无双折射。（6）色散：0.044，较高，因此，钻石具较高的火彩。（7）多色性：无。（8）发光性：在强度和颜色上均有较大变化。无色及黄色钻石多数呈蓝-白色，约有1/15的钻石在紫外光下发荧光；棕色及绿色钻石常见绿色荧光。（9）吸收光谱：不同颜色的钻石具有不同的吸收光谱。无色-黄色钻石在478nm、465nm、451nm、435nm、402nm、423nm、416nm、390nm处具有吸收线。蓝-绿色钻石在537nm、504nm、498nm外具有吸收线。2、力学性质（1）解理：三个方向完全的八面体解理。（2）硬度：为自然界中最硬的物质，摩氏硬度为10，刻划硬度为刚玉的140多倍。（3）密度：3.52g/cm3。3、其它物理性质（1）热膨胀性：热膨胀性非常低，因此，温度的突然变化对钻石的影响极小。无裂隙或无包裹体的钻石，在真空加热至1800℃而后快速冷却，不会给钻石带来任何损害。但在氧气中加热，则只需达到较低的温度（650℃），钻石即缓慢燃烧而变为CO2气体。激光打孔和切磨便是利用这一原理。（2）导热性：是所有已知物质中最高的。利用这一性质制成的热导仪成为钻石检测中最快捷有效的工具；这一性质也使钻石在电子工业中被用作散热片和测温热感应器件等。（3）电学性质：除少数罕见的天然蓝色钻石(Ⅱb型)外，一般是绝缘体。钻石越纯净，其晶格越完美，其电绝缘性就越好。若钻石被X射线或r射线辐射，其结构将被破坏并产生一些自由电子，由此产生极小的电导率。（4）表面吸附性：钻石表面不能被水湿润，但具特殊的亲油性。这一特性常被用于钻石鉴定和选矿中。钻石颜色1、钻石颜色的等级特征基于行业习惯，钻石根据颜色可划分为两个系列，一个是带颜色的异彩钻石系列(FancyColourDiamonds)，如红色、蓝色、紫色和棕色等。这个系列的钻石在自然界非常稀少，故在价值上也较高，评价需单独进行。另一个是数量相当大的无色系列，这个系列的钻石要求越是无色，价值越高。但由钻石中或多或少含少量N等杂质元素，因而或多或少带黄色调。为了评价这个系列的钻石，国际上提出了许多分级体系。目前世界上主要的钻石分级体系是GIA和CIBJO的分级体系（表2-1-2）。GIA的分级体系是一英文字母体系，这一体系从最好表2-1-2各种钻石成色等级比较对照表美国宝石学院(GIA)国际珠宝联合会(CIBJO)中国肉眼观察特征Ｄ极白色(finestwhite)100一般肉眼观察无色Ｅ极白(Finestwhite)99Ｆ优白(Finewhite)98Ｇ白(White)97Ｈ96Ｉ淡白(Slightlywhite)95小于0.2克拉的钻石感觉不到颜色；大颗钻石可感觉到有颜色存在。Ｊ94Ｋ微白(Tintedwhite)93Ｌ92Ｍ一级黄(Tinted)91一般肉眼感觉到具有颜色。Ｎ90Ｏ二级黄(Tinted2)89一般人均感到黄色的存在，而且感到黄色调越来越明显。Ｐ88Ｑ87Ｒ86Ｓ－Ｘ黄(Yellow)85以下颜色D开始，终结于Z。CIBJO分级体系则用简单的术语来描述色级。中国传统的钻石分级体系则采用100制的方法，即将最好的颜色定为100，其他依次类推。2、颜色分级的实践钻石的成色分级一般要求有以下4个基本条件，即一套标准比色石、合适的灯源、中性的分级环境以及经验。（1）标准比色石：每一个实验室应有一套共7颗的比色钻石，称为标准“比色石”（masterstones）。其中的每一颗钻石都代表一种标准“颜色”，对应于一个色级的下限、或上限。将一颗未知钻石的颜色与某一比色石相比，即能得到该钻石的颜色色级。需要注意的是，一个色级代表着一个颜色范围，许多被评为同一色级的钻石，经仔细观察，其色调仍有轻微差异。（2）合适的光源：在颜色分级时，需要一种标准的、无紫外线的人造光源。钻石颜色分级中推荐使用的光源是5000/5500K，这种光源是在相对于绝对零度（-273℃）温度下产生的。（3）中性的分级环境：分级的环境也会影响到对钻石颜色的感觉。来自非标准屋顶灯的散射光和从四周窗户进来的日光都会使钻石发荧光，另外，如墙壁及顶棚的颜色色调比较鲜艳，也会妨碍眼睛观察并影响分级，要求有一个中性的分级环境，在黑暗房间中使用标准光源是最理想的，或是一间半暗的房间，其墙壁和顶棚为中性淡色。（4）经验：钻石分级要求有经验丰富的钻石分级师，能够灵活的掌握各种分级标准，准确的分级钻石。3、成色分级步骤成色分级一般采用比色法，即将待评价钻石与标准的比色样石进行比较，以决定待比未知样品的成色级别。4、颜色与价格钻石的颜色对其价格影响较大。在其他条件（重量、净度和切工）相同的情况下，颜色级别越高，其价格越高。例如，1998年的国际报价，重量为1克拉、净度为VS、切工相同，成色为D的钻石价格约为15000美元/ct，颜色为K的钻石，价格约为5000美元/ct，相差近3倍。钻石的化学成分钻石为单质矿物，化学分子式为C。C原子之间以共价键相联结，其结合十分牢固，导致钻石具有高硬度、高熔点、高绝缘性和强化学稳定性等特征。除C外，钻石还可能含N、B等微量成分，并因此可将钻石分为两种类型，即Ⅰ型和Ⅱ型。1、Ⅰ型钻石Ⅰ型钻石含微量N。按N的存在形式进一步分为：（1）Ⅰa型：N以原子对或N3中心的方式出现，含量越多，钻石越黄。在自然界中，大部钻石属于此类。（2）Ⅰb型：N以单原子形式出现，在自然界中少见。这种钻石的颜色为黄、黄绿和褐色。2、Ⅱ型为不含N的钻石，这种钻石导热性很好，在自然界少见。按含B与否及导电与否可进一步分为下列两类：（1）Ⅱa型：不含B，不导电，具最高的导热率，室温下导热率是铜的6.5倍。（2）Ⅱb型：因含微量B而成为电的半导体，颜色多为蓝色。钻石的化学稳定性较高。但在CrSiO4中加热至200℃，可使之变成CO2，在氧化环境中加热至650°C-870°C，也可使之变成CO2。天然钻石与合成钻石的鉴别自从40多年前第一粒合成钻石问世以来，由于合成钻石的技术一直不完善，多数合成金刚石只能作为工业用途，达到宝石级的很少，而且合成钻石成本比开采天然钻石昂贵，所以过去合成钻石很少流入市场，人们似乎高枕无忧，看到钻石理所当然认为是天然的。但是近十多年，随着合成技术的不断提高，成本随