钻石

钻石“钻石恒久远，一颗永留传”。钻石以其璀璨光彩、稀少、珍贵、坚硬无比和独一无二的特质，被誉为“宝石之王”。1.钻石的概念钻石(Diamond)是指宝石级的金刚石，主要是由碳元素组成的等轴晶系天然矿物。摩氏硬度为10，密度为3.52(±0.01)g/cm3，折射率2.417,色散0.044。此外，钻石还具有高热导性、强抗腐蚀性等特点。在开采出的金刚石中能够达到宝石级的仅占总量的五分之一。2.钻石文化和历史钻石文化：钻石作为大自然恩赐给人类的宝贵财富，孕育着丰富的内涵。作为一种特殊的商品，自古以来就是爱情与永恒、成功与财富、权力与地位的象征。它比其他任何宝石更具有强烈的感性色彩、情感力量和投资价值。二、钻石的成因及产出1.钻石的成因类型（1）钻石形成的条件：到目前为止，研究认为钻石形成在大陆克拉通下部的上地幔中。[视频：钻石的形成]对钻石中包裹体研究结果表明，钻石中的原生或同生矿物包裹体可以分为两组即橄榄岩型和榴辉岩型。橄榄型钻石形成温度为900℃～1300℃(平均1050℃)，压力为(45～60)×108Pa，相当于地下120～180km的深度；榴辉岩型钻石形成温度1250℃，超过180km深度的压力。图10-1-1。[视频：钻石的开采]、[视频：钻石的分选]（2）钻石成分中碳的来源：钻石中碳的同位素成分测定表明：上地幔中碳的来源有两种观点，即幔源碳（地幔中碳以固态矿物或溶解气体形式存在）和壳源碳（地壳碳被地质作用带入地幔）。（3）钻石形成的年代：橄榄岩型钻石大约形成于33亿年前；榴辉岩型钻石则分别为15.8亿年和9.9亿年。比把它带到地表的寄主岩石的年龄都早。寄主岩石类型：迄今为止，钻石仅保存在两种寄主岩石中，即金伯利岩和钾镁煌斑岩。这两种岩浆仅仅是将钻石携带到地壳浅层的载体。2.钻石的分布与产出二十一世纪，钻石主要采自非洲、澳大利亚、俄罗斯和加拿大。其中非洲是最主要的产地。主要产出国是博茨瓦纳、南非、刚果共和国、安哥拉和纳米比亚等。澳大利亚的钻石矿床主要集中在西澳地区，目前的钻石产量居世界首位。俄罗斯的钻石矿床多分布在西伯利亚地区，随着新的勘探方法的应用，有可能发现新的矿床，从而提高钻石产量。加拿大是一个新的钻石产出国，二十世纪90年代，在加拿大北部Slave州的湖泊地区发现了重大钻石矿床。预测不久的将来，每年可产出约占全球产量10%的钻石，加拿大将会成为另一个主要的钻石生产国。其他产钻石的国家还有：巴西、委内瑞拉、安哥拉、图10-1-2钻石的分布图图10-1-1钻石形成的模式中非共和国、加纳、几内亚、象牙海岸、利比里亚、纳米比亚、塞拉里昂、印度、中国等。中国自1953年以来，先后在湖南、山东、辽宁等省发现金刚石矿床，探明储量超过2500万克拉，目前金刚石年产量15～20万克拉，占世界总产量的0.5%，其中宝石级20%。三、钻石的宝石学性质1.钻石的结晶学特征钻石是由有规律重复排列的碳原子组成。碳原子和碳原子之间是以共用电子对(共价健)的形式键合在一起的。碳原子之间的结合及排列方式是导致钻石各种性质的根本原因。（1）钻石的结构基型：每个碳原子通过sp3杂化轨道同其他4个碳原子以0.154nm间距相连接，形成4个共价单键，配布成一个正四面体。图10-1-3。（2）单位晶胞：立方面心晶胞，其边长为0.356nm。碳原子除位于立方体晶胞的角顶及面中心外，在相间排列的小立方体中心还存在碳原子。每一个碳原子周围有四个碳原子围绕，形成四面体配位，整个结构可视为以角顶相连接的四面体的组合。图10-1-3钻石原子结构图（3）晶系：等轴晶系。（4）结晶习性：常见八面体、菱形十二面体、立方体、三角三八面体、三角六八面体、三角四六面体和四角三八面体等。图10-1-4。（5）双晶：双晶类型有：①接触双晶(八面体按尖晶石律(111)形成双晶)；②星状穿插双晶(两个或多个单体相互贯穿所构成的双晶)；③环状双晶（有三个——五个单晶组成，（111）双晶结合面不平行，形成环状。钻石最常见的双晶为八面体按尖晶石律生长的接触双晶，外观为三角形的板状晶体。在双晶接合处常有凹角，凹角处常见平行八面体晶棱方向的交叉纹理，似青鱼骨刺，故称为青鱼骨刺纹。图10-1-4钻石的原始晶形2.钻石的分类根据钻石是否含有氮元素，把钻石分成含氮的Ⅰ型钻石和不含氮的Ⅱ型钻石两个大类，II型钻石较为稀少，只占钻石总量的2%。Ⅰ型钻石又分成Ia型和Ib型，Ⅰa型钻石中的氮以聚合态的形式存在，Ⅰb钻石的氮以单原子形式存在。II型钻石Ⅱa型和Ⅱb型，Ⅱb型专指含少量的硼的蓝色钻石。Ib和IIb型钻石更为稀少，不到钻石总量1%。但是，合成钻石大多数是Ib型的，或者是IIa型的。不同类型的钻石在紫外吸收、可见光吸收、红外吸收等方面存在不同的特征，列于下表10-1-1。表10-1-1钻石的类型及特征分类Ⅰ型含一定量的氮杂质Ⅱ型不含氮，含硼等杂质及依据ⅠaⅠbⅡaⅡb杂质元素存在的形式及亚类双原子氮ⅠaA三原子氮IaAB4-9原子氮ⅠaB片晶氮ⅠaB2孤氮分散的硼替代碳的位置晶体缺陷中心N2/A中心N3中心B/B1中心B2中心N/C心B心红外光吸收光谱(cm-1)128211751365137011301100-1400之间不吸收2460、2800特征光谱415吸收线无无紫外光截至330nm400220nm同左紫外荧光长紫外线下颜色以蓝白色为主，强度为无---强无—强短紫外光下为蓝色或红色磷光杂质元素的含量(%)氮0.1%--0.25%氮小于0.1%含小于0.001%的氮或不含氮含极少量的硼、铍和铝比例98%很少小于2%极少颜色无—浅黄色系列，褐色金黄无色-褐色蓝色-蓝灰色常见晶形大多以圆滑的八面体、菱形十二面体及其聚形产出形态不规则状导电性绝缘体半导体3.钻石的物理性质（1）光学性质①颜色：钻石的颜色可以分为两大类：无色钻石和彩色钻石。无色钻石严格说是近于无色的，通常带有浅黄、浅褐、浅灰色，是钻石首饰中最常见的颜色。图10-1-5。图10-1-5无色系列钻石的色调彩色钻石的颜色很丰富，有黄色、红色、粉红色、蓝色、绿色等。彩色钻石远比物色钻石稀少，虽然彩色钻石颜色大多不够鲜艳，但是价格很高。图10-1-6。彩色钻石的颜色成因非常复杂，可以是微量杂质元素N、B和H引起的，也可以是晶缺陷导致的，或者是这两种因素的综合作用。图10-1-6彩色钻石的颜色②光泽：金刚光泽。③折射率：2.42，单折射。④色散率：0.044。图10-1-7。[视频：钻石的火彩]⑤发光性：多变，X射线下多为蓝白色荧光；在紫外线下部分钻石可发弱至强的蓝白色、黄白色、橙黄色、粉红色等荧光，一般短波弱于长波。（2）力学性质①解理：平行｛111｝四组完全解理。②密度：3.52g/cm3。③硬度：目前所知的最硬的物质，摩氏硬为10。钻石存在差异硬度，即晶体不同方向上的硬度不同，其硬度由大到小排列的顺序为六体面平行对角线方向--菱形十二面体平行长对角线方向（与晶轴垂直）--八面体面平行晶面棱方向—八面体面上垂直于面棱的方向—立方体面上平行晶棱方向--菱形十二面体平行短对角线方向（图10-1-8）。图10-1-7钻石的火彩图10-1-8钻石的差异硬度（3）其他性质①导热率：7—25W/CM.K，目前所知导热率最大的材料。②燃烧性：空气中加热到850℃～1000℃发生燃烧，在氧气中加热到650℃发生燃烧，在绝氧条件下加热到1500℃以上缓慢地变成石墨。③导电性：绝缘体，电阻率均大于1014Ω·CM，只有Ⅱb钻石属于P型半导体，电阻率具小于104Ω·CM。④亲油和疏水性：钻石具有明显的亲合油脂而排斥水的性质。⑤化学稳定性：钻石具有极强的化学稳定性，在正常的情况下不与酸和碱发生反应。但热的氧化剂、硝酸钾却可以腐蚀钻石。四、钻石及仿制品的鉴定特征1.钻石的鉴定特征（1）晶面花纹：钻石的表面，特别是在腰棱位置残留的原始晶面上有纹理、蚀象、生长丘等特征。（2）切磨质量：由于钻石的硬度很大，切磨好的钻石的面棱非常尖锐；多个刻面相交的顶点非常尖锐；刻面非常的平整。钻石仿制品则相反，刻面抛光不精致，刻面棱、角圆滑。（3）透视试验:标准切工的圆多刻面型样品台面朝下放在一张印有字迹或线条的白纸上，视线垂直白纸观察，钻石不会有字、线透过，而折射率低于钻石的仿制品可观察到断断续续的，不同外形的字、线。图10-1-9。图10-1-9透视试验（4）解理裂隙：钻石有与解理有关的“须状腰”、“V”型缺口、“羽状纹”等，钻石仿制品没有这些特征。（5）包裹体：天然钻石可含有各种矿物包裹体，而钻石仿制品大多是人工宝石，没有矿物包裹体，而是气泡、针状物等。图10-1-10、图10-1-11、图10-1-12。图10-1-10钻石的晶体包裹体图10-1-11钻石的生长纹图10-1-12合成碳硅石的刻面重影和针状包裹体2.钻石与相似品的鉴别钻石的仿制品很多，市场上最常见的是合成立方氧化锆、合成氮硅石、合成无色蓝宝石、无色锆石、人造钇铝榴石、人造钆镓榴石、人造钛酸锶等，这些仿制品和钻石在物理性质性质上有很大的差异，可以从外观特征、简单的仪器测试来识别，各项特征汇总在表10-1-2中。表10-1-2钻石及仿制品的特征宝石名称化学成分晶系折射率/双折率色散密度（g/cm3）硬度其他鉴定特征钻石C等轴2.4170.0443.5210导热性好合成碳硅石SiC六方2.65-2.69/0.0430.1043.20-3.229.25针状包体，重影明显，导热性好合成立方氧化锆ZrO2等轴2.150.0605.898.5偶见气泡或未熔ZrO2粉末人造钇铝榴石Y3Al3O12等轴1.830.0284.588.5洁净，偶见气泡人造钆镓榴石Gd3Ga5O12等轴1.970.0457.056气泡人造钛酸锶SrTiO3等轴2.410.1905.135.5抛光性差，色散强合成金TiO2四2.61-2.900.3004.2-4.36.5重影明显红石方合成尖晶石MgAl2O4等轴1.7270.0203.638斑状异常消光铅玻璃SiO2/1.63-1.960.08~0.0313.745气泡锆石ZrSiO4四方1.93-1.990.0393.90-4.737.5刻面棱重影明显无色合成蓝宝石Al2O33三方1.76-1.770.0183.95-4.109洁净五、钻石的优化处理钻石的优化处理技术是提高钻石价值的重要手段，是宝石学研究的重要课题和前沿领域。钻石人工优化处理的方法主要有辐照与加热处理、激光打孔、充填处理、腹膜处理和高温高压处理。钻石人工优化处理的主要目的是改善钻石的颜色，提高钻石的净度。1.辐照处理用高能射线、中子束、高能电子束照射钻石，提供激活电子、原子发生位移的能量，使晶体产生缺陷，形成色心。辐照后的钻石呈绿色，通过加热形成黄色、金黄色、粉红色。辐照处理钻石的鉴定难度很大，除了观察颜色帆布的特征外，还要运用UV-VIS分光光度计、红外光谱等谱学特征来识别。2.高温高压处理钻石在高温高压的条件，经过退火作用修复褐黄色、棕黄色、褐色的IIa型的钻石晶体缺陷，使钻石退色形成高色级的无色钻石，称为GE-POL钻石；或者使Ia型钻石产生黄绿色、蓝绿色，形成彩色钻石，成为NOVA钻石。GE-POL钻石鉴定的难度大，要通过红外光谱、拉曼光谱和阴极发光特区分。NOVA钻石多有特征的黄绿色紫外荧光，较易识别。3.激光钻孔对含有黑色包裹体的钻石，用激光烧出抵达包体的通道，再用强酸溶蚀黑色包裹体，改善钻石的外观。鉴别特征有：白色的激光钻孔，表面钻孔入口的黑点。图10-1-13激光钻孔钻石的特征4.充填处理用高折射率的铅玻璃或者塑脂注入到钻石的裂隙和孔洞中，掩盖裂隙，改善钻石的外观。充填处理鉴别的主要特征是闪光效应。图10-1-14。图10-1-14充填处理钻石六、合成钻石及其鉴别合成钻石有高温高压和化学气相沉淀两种方法，现在已经由针对珠宝目的的商业生产。详细内容参见第7章第2节的合成钻石。天然钻石与合成钻石的区别列于表10-1-3中。表10-1-3天然钻石与合成钻石的区别签定特征天然钻石合成钻石晶体形态八面体，凸晶。菱形