石材品种之金刚石

金刚石是碳在高温高压条件下的结晶体,是自然界最硬的矿物。其名称来源于希腊文“Adamas”,意为坚硬无敌。

    金刚石是一种稀有、贵重的非金属矿产,在国民经济中具有重要的作用。金刚石按用途分为两类:质优粒大可用作装饰品的称宝石级金刚石,质差粒细用于工业的称工业用金刚石。

    宝石级金刚石,又称钻石,光泽灿烂,晶莹剔透,被誉为“宝石之王”,价值昂贵,是世界公认的第一货品,其占有程度和消费水平往往被视为是衡量个人和国家经济富裕程度的标志。达不到宝石级的金刚石(工业用金刚石),以其超硬性广泛用于机电、光学、建筑、交通、冶金、地勘、国防等工业领域和现代高、新技术领域。

    金刚石按所含微量元素可分为Ⅰ型金刚石和Ⅱ型金刚石两个类型。Ⅰ型金刚石多为常见的普通金刚石。Ⅱ型金刚石比较罕见,仅占金刚石总量的1%~2%。Ⅱ型金刚石因常具有良好的导热性、解理性和半导体性等,多用于空间技术和尖端工业。具微蓝色彩的优质大粒Ⅱ型金刚石视为钻石中之珍品,如重3 106ct(Carat,克拉)世界著名的“库利南”钻石,即属此类。

    人类对金刚石的认识和开发具有悠久的历史。早在公元前3世纪古印度就发现了金刚石。自公元纪年起至今,钻石一直是国家与王宫贵族、达官显贵的财富、权势、地位的象征。

    世界金刚石矿产资源不丰富,1996年世界探明金刚石储量基础仅19亿ct,远不能满足宝石与工业消费的需要。20世纪60年代以来,人工合成金刚石技术兴起,至90年代日臻完善,人造金刚石几乎已完全取代工业用天然金刚石,其用量占世界工业用金刚石消费量的90%以上(在中国已达99%以上)。金刚石主要生产国为澳大利亚、俄罗斯、南非、博茨瓦纳和扎伊尔等。世界钻石的经销主要由迪比尔斯中央销售组织控制。

    中国发现金刚石约在200~300年前,在明清朝之际(约17世纪),湖南省农民在河砂中淘到过金刚石。金刚石的地质勘查工作始于20世纪50年代。迄今,在中国发现的重量大于90 ct的著名金刚石有6颗,如重约158 ct的“常林钻石”等。

    中国金刚石矿产资源比较贫乏,通过近50年的地质工作,仅在辽宁、山东、湖南和江苏4省探明了储量。截至1996年底,中国保有金刚石储量2 089.78万ct,在世界上不占重要地位。在质量上,中国辽宁省所产金刚石质地优良,宝石级金刚石产量约占总产量的70%。20世纪90年代以来,中国年产金刚石约10~15万ct,远不能满足本国消费的需要。国家所需工业用金刚石99%以上依赖国产人造金刚石,1997年中国人造金刚石产量达4.4亿ct,天然工业用金刚石所占消费比重极为有限。[page]

一、 矿石矿物原料特点

    金刚石的化学成分为C,与石墨同是碳的同质多象变体。在矿物化学组成中,总含有Si、Mg、Al、Ca、Mn、Ni等元素,并常含有Na、B、Cu、Fe、Co、Cr、Ti、N等杂质元素,以及碳水化合物。

    金刚石矿物晶体构造属等轴晶系同极键四面体型构造。碳原子位于四面体的角顶及中心,具有高度的对称性。单位晶胞中碳原子间以同极键相连结,距离为1.54(10-10m)。常见晶形有八面体、菱形十二面体、立方体、四面体和六八面体等。

    金刚石莫氏硬度为10,显微硬度为98 654.9MPa(100 060kg/mm2),绝对硬度大于石英的1 000倍,大于刚玉的150倍。矿物性脆,贝壳状或参差状断口,在不大的冲击力下会沿晶体解理面裂开,具有平行八面体的中等或完全解理,平行十二面体的不完全解理。矿物质纯,密度一般为3 470~3 560kg/m3。

    金刚石的颜色取决于纯净程度、所含杂质元素的种类和含量,极纯净者无色,一般多呈不同程度的黄、褐、灰、绿、蓝、乳白和紫色等;纯净者透明,含杂质的半透明或不透明;在阴极射线、X射线和紫外线下,会发出不同的绿色、天蓝、紫色、黄绿色等色的荧光;在日光曝晒后至暗室内发淡青蓝色磷光;金刚光泽,少数油脂或金属光泽,高折射率,一般为2.40~2.48。

    金刚石的热导率一般为136.16w/(m·k),其中Ⅱa型金刚石热导率极高,在液氮温度下为铜的25倍,并随温度的升高而急剧下降,如在室温时为铜的5倍;比热容随温度上升而增加,如在-106℃时为399.84J/(kg·k),107℃时为472.27J/(kg·k);热膨胀系数极小,随温度上升而增高,如在-38.8℃时为0,0℃时为5.6×10-7;在纯氧中燃点为720~800℃,在空气中为850~1 000℃,在绝氧下2 000~3 000℃转变为石墨。

    金刚石化学性质稳定,具有耐酸性和耐碱性,高温下不与浓HF、HCl、HNO3作用,只在Na2CO3、NaNO3、KNO3的熔融体中,或与K2Cr2O7和H2SO4的混合物一起煮沸时,表面会稍有氧化;在O、CO、CO2、H、Cl、H2O、CH4的高温气体中腐蚀。

    金刚石还具有非磁性、不良导电性、亲油疏水性和摩擦生电性等。唯Ⅱb型金刚石具良好的半导体性能。

    根据金刚石的氮杂质含量和热、电、光学性质的差异,可将金刚石分为Ⅰ型和Ⅱ型两类,并进一步细分为Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb四个亚类。Ⅰ型金刚石,特别是Ⅰa亚型,为常见的普通金刚石,约占天然金刚石总量的98%。Ⅰ型金刚石均含有一定数量的氮,具有较好的导热性、不良导电性和较好的晶形。Ⅱ型金刚石极为罕见,含极少或几乎不含氮,具良好的导热性和曲面晶体的特点。Ⅱb亚型金刚石具半导电性。由于Ⅱ型金刚石的性能优异,因此多用于空间技术和尖端工业。两类金刚石特征比较见表4.12.1。

    金刚石矿石有岩浆岩和砂矿两类。已知含金刚石的岩浆岩有金伯利岩、钾镁煌斑岩和橄榄岩3种,其中金伯利岩型和钾镁煌斑岩型具有工业意义。[page]

(一) 金伯利岩
 
    金伯利岩即角砾云母橄榄岩,是大陆板块内部一种较其他岩浆来源更深的独立高温岩浆作用的产物。金伯利岩是一种超浅成相、偏碱性超基性岩,具角砾状、块状构造、斑状构造或凝灰状构造,常含有某种标型矿物、钛矿物和深源捕虏体,不含长石。岩体产于前寒武纪古老地台或地盾区,分布于大断裂构造的次级断裂中,呈岩管、岩脉、岩墙或岩床状沿断裂成群产出。岩石主要由橄榄石、金云母等铁镁矿物组成,通常含数种特征矿物,如金刚石、含铬镁铝榴石、铬透辉石、铬尖晶石、镁钛铁矿、钙钛矿、锐钛矿、金红石、铌铁矿等,铌钽等稀土元素含量较一般超基性岩可高出数倍至数十倍。岩石所含捕虏体中有深源岩石和矿物,如橄榄石、辉石类和透辉石矿物及二辉橄榄岩和斜辉橄榄岩等。按橄榄石和金云母含量的不同,金伯利岩可分为橄榄石型金伯利岩(橄榄石含量>50%)和金云母型金伯利岩(金云母含量>50%)。

    目前,世界已发现金伯利岩体上万个,其中含金刚石的占20%~30%,具工业价值的不足5%。在具工业意义的含金刚石金伯利岩体中,呈岩管(筒)状产出的占90%,如南非、博茨瓦纳、扎伊尔、澳大利亚和中国等。

表 4.12.1Ⅰ型和Ⅱ型金刚石特征比较



(二) 钾镁煌斑岩
 
    钾镁煌斑岩又称橄榄金云火山岩,是一种超钾、富镁超基性火山岩。岩体呈岩管、岩颈、岩墙状成群产出于地台边缘的断裂活动带中,具角砾状和块状构造。角砾中含有深源捕虏体。岩石具斑状或晶屑结构,主要矿物为橄榄石、金云母,以及斜方辉石、透辉石、铬尖晶石、白榴石、富钾镁闪石、红柱石、钾钙板锆石和磷灰石等。化学成分中K2O为3%~12%,MgO5%~29%,SiO240%左右。

    据橄榄石和白榴石含量的多少,钾镁煌斑岩又可分为橄榄石钾镁煌斑岩(橄榄石含量大于20%~50%)和白榴石钾镁煌斑岩(白榴石含量不小于20%~50%)。

    据报道,虽然世界很多地区已发现有钾镁煌斑岩产出,但含金刚石矿的不多,具工业价值的多为橄榄石钾镁煌斑岩。目前,只有西澳大利亚阿盖尔地区金刚石矿床规模巨大,印度马加旺岩筒具工业意义,其他在美国、赞比亚、象牙海岸、中国贵州等地分布的钾镁煌斑岩中的金刚石尚无工业价值。

(三) 橄 榄 岩
 
    在中国西藏、新疆等地发现几处橄榄岩型超基性岩体,亦含有金刚石及与金刚石共生的指示矿物,如镁铝榴石、钙钛矿等。目前,已发现的含量甚少,地质研究程度浅,其找矿意义与经济价值有待进一步探索。

    古砂矿在世界上分布广泛,主要分布于加纳、巴西、印度、南非等国,第四纪滨海砂矿广泛分布于非洲西南部的大西洋西岸,中国发现的具有经济价值的砂矿,主要为分布于湖南沅水流域、山东沂沭河流域和辽宁复州河流域的第四纪河流冲积砂矿,矿石品位低,金刚石粒小,常共生有金、锆石、钛铁矿等,可综合利用。[page]

二、 用途与技术经济指标

(一) 宝石级金刚石
 
    宝石级金刚石(钻石),要求晶体完美,无色或色彩鲜艳,透明度高,无裂隙和杂质,良好的琢磨性能,重量一般不低于0.25ct(即0.05g)。近年来,小于此重量的钻石亦常用于首饰配镶。颗粒愈大,愈珍贵。

    现今世界通用的钻石评价四大要素是重量、颜色、净度和切工,简称“4C”标准。
 
    1.重量
 
    重量是钻石经济评价的首要因素。钻石重量以Carat(克拉,简写ct)计算,1ct=0.2g,1 ct可分为100分,重量1ct以上者为大钻,25~99分者为中钻,24分以下者为小钻。

    钻石重量计算公式为∶金刚石原晶或琢磨后的钻石晶体的长度乘以宽度乘以深度乘以调整系数等于重量。调整系数取决于钻石的晶形,如圆形、椭圆形、鸡心型、三角形等而异。美国宝石研究所提供的一般调整系数为0.0051~0.0061。金刚石(钻石)的重量与腰围直径对照见表4.12.2。

    钻石的价值直接与重量相关,计算公式为∶

    钻石价值=(重量)2×K(基础价)

    基础价即上市时的市场基础价格。

表 4.12.2金刚石重量与腰围直径对照
 
    2.颜色
 
    颜色是决定钻石优劣的第二指标。钻石愈近无色,售价愈高。

    钻石颜色主要有微带蓝的白色(无色)、白色、淡黄色和黄色等。国际上各国均有各自的评价标准,中国标准按钻石颜色等级不同分为100色,85色可见明显黄色,75色以下多不作为首饰钻,中国标准与世界主要钻石颜色等级系统对照见表4.12.3。但是,标准以外的具红、黄、绿、蓝、紫等亮丽颜色的透明至半透明钻石,又属钻石中的珍品。呈大红色或鲜红色的称红钻;呈亮黄色称金钻;呈艳绿色的称绿钻;呈天蓝至蓝色的称蓝钻;呈淡紫色的称紫钻等。
 
    3.净度
 
    净度是钻石纯净、透明无瑕的程度。瑕疵指钻石原生的缺陷,如包裹体、裂隙等,以及因加工和外界环境所造成的缺陷,如破损、擦痕、裂隙等。完全透明无瑕的钻石在自然界中极为罕见,绝大多数钻石具有不同程度的瑕疵。钻石的净度是以在10倍放大镜下观察的结果为依据的。中国钻石净度分为:无瑕、半号花、一号花、二号花、三号花和四号花(大花)6个等级,与世界主要钻石瑕疵等级系统对照见表4.12.4。
 
    4.切工
 
    切工又称磨工,是指按设计要求对宝石级金刚石进行切割和琢磨,进而生产出理想的钻石制品的整个工艺技术加工过程的总称。钻石款式的选择是以能最大限度地将入射光全面反射回钻石台面,充分展现钻石的色散效果为准。一般情况下标准钻石型有58个刻面,但小于0.25ct的小钻没有底部小面,仅有57个刻面。现代常见的钻石款式有圆型、祖母绿型、椭圆型、心型、梨型、三角型、菱形、橄榄型等。国际流行切工分级采用德国标准,分为优、良、中和差4级。评定的内容包括钻石的对称性、加工光洁度和人工损伤等。[page]

表 4.12.3世界主要钻石颜色等级系统近似对照
 

表4.12.4 世界主要钻石瑕石疵等级系统对照  

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(二) 工业用金刚石

    工业用金刚石常用作刀具、钻具、研磨、轴承、拉丝模、硬度计压痕器、锯片、光学精密仪器及修整器等。中国工业用金刚石的主要用项是石材加工、地质和石油钻头、磨料和修正砂轮、刀具等。据中国建材行业标准JC/T220-79(96)天然金刚石,中国地质钻头和石油钻头用天然金刚石、拉丝模用金刚石、车刀用金刚石和砂轮刀用金刚石品级分类分别见表4.12.5、4.12.6、4.12.7、4.12.8。

表 4.12.5地质钻头和石油钻头用天然金刚石品级

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表4.12.6 拉丝模用金刚石

表4.12.7车刀金刚石

表4.12.8 砂轮刀用金刚石

(三) Ⅱ型金刚石
 
    由于Ⅱ型金刚石所具有的优异的光学、热学、电学性能,在光学、电子、原子能、空间技术、高能物理及医学等多种领域中起到不可取代的作用,特别在高新精尖技术领域得到愈益深入的研究和广泛的应用。例如:利用其导热性,制做超级热沉材料;利用其透光性,制作各种窗口材料,如作高功率激光器窗口、红外探测器滤光片;利用其光导性,用于核工业、自动化技术及医学;利用其半导体性能,作高功能半导体材料等。总之,更深层次地研究和发挥Ⅱ型金刚石的特殊性能与作用,将更有助于促进国家经济的发展,更大地造福于人类。[page]

三、 矿 业 简 史
 
    人类对金刚石的认识和开发具有悠久的历史。早在公元第3世纪以前,印度人就发现了金刚石砂矿,于公元130年至18世纪发现了“光明之山”、“杉苏”、“大莫卧尔”、“希望”等名钻。公元1726年,巴西发现金刚石砂矿床,世界金刚石生产中心逐渐从印度移向巴西。1866年南非发现金刚石砂矿,1867年又发现含金刚石金伯利岩型原生矿床,这是金刚石矿业发展的里程碑,世界金刚石生产中心又由巴西移至南非。20世纪扎伊尔、俄罗斯,博茨瓦纳、澳大利亚前后发现了金刚石矿床。生产中心亦不断更迭,从南非移至扎伊尔,又移至博茨瓦纳和澳大利亚等。迄今世界已发现的500ct以上的钻石原石约40颗,以南非发现的最多,尤以1905年在南非特伦威尔省普列米尔金伯利岩管中发现的重3 106 ct名为“摩利南”的钻石最大,被誉为“金刚石之王”,被加工成12颗钻石,其中最大一颗重530.2 ct,称为“非洲之星”镶在英王权杖上。

    目前,生产金刚石的国家近20个,主要生产国有澳大利亚、博茨瓦纳、扎伊尔、南非、俄罗斯和巴西等。

    中国在晋朝以前称金刚石为昆吾石。《晋书》中曾有于咸宁三年(公元277年)敦煌上送金刚石,产自天竺(即古印度)的记载。明朝(公元1596年)李时珍《本草纲目》中对金刚石的描述是可钻玉、补瓷、谓之钻。明朝(公元1625年)有金刚石在山东出土记载。17世纪末至18世纪初章鸿钊先生所著《古矿录》中提到在新疆、山东、黑龙江曾发现过金刚石。清朝道光年间(公元1821~1850年)湖南常德、桃源等地农民在淘洗砂金时发现过金刚石。1937年,山东郯城农民在翻种菜地时,拾到一颗重218.65 ct的金刚石,形似小鸡,色泽金黄,当地农民称之为“金鸡宝石”。

    中国有计划地开展金刚石的地质勘查工作始于1952年。50年代勘查的重点为金刚石砂矿。1952~1953年地质部派专家并组成普查队对山东沂沭河流域进行踏勘和普查,1953年地质部组建湖南沅水地质队(后改名四一三队)开展湖南沅水流域金刚石砂矿的普查勘探工作,至1967年探明了湖南常德等4个金刚石砂矿。1957年地质部组建山东沂沭河地质队(后改名八○九队)对山东沂沭河流域和胶东地区进行金刚石普查勘探,先后探明了于泉、陈家埠等5个金刚石砂矿床。通过1964年全国第一次金刚石专业地质会议动员开展金刚石原生矿的普查找矿后,1965年贵州地质局一○一队在黔东镇远发现含金刚石的金伯利岩脉;同年8月山东地质局八○九队在蒙阴常马庄发现中国第一个具有工业价值金伯利岩型金刚石原生矿床——“红旗1号”,此后数年内陆续发现60余个金伯利岩体,至1977年探明常马庄、王村、西峪、头村和红喜庄5个有工业价值的金刚石原生矿床;1971年6月辽宁省地质局区调队在辽宁复县发现含金刚石的金伯利岩管,至1980年探明了30号、42号、50号、57号、68号和74号6个具工业价值金刚石原生矿床。辽宁、山东、湖南等省金刚石原生矿床与砂矿的发现和勘查,基本查明了目前中国金刚石矿产资源的格局。其后自1988年至今,地质矿产部一直坚持大力开展金刚石找矿,并与英国、澳大利亚、比利时、加拿大等国的矿业公司或专家合资或合作,在湖南、山东、贵州、广西、江苏、湖北、江西、山西、四川、新疆、西藏等地广泛开展工作,取得一定的进展。

    中国金刚石的开采也始于50年代,1957年国家计划委员会确定由沅水地质队负责组建,在湖南常德建设中国第一个金刚石砂矿。1958年8月湖南省常德专署动工建设桃源县车溪冲矿,当年生产金刚石428ct,填补了中国不生产天然金刚石的空白。1958年金刚石矿划归建筑工程部管理,将1个矿区扩大为4个矿区,1959年更名为建工六○一矿,1974年以后年产量基本稳定在8 000ct以上。山东郯城金刚石砂矿由郯城县工业局于1958年始建,1959年产金刚石247ct,1962年更名为建工八○三矿,1968年建成投产,规模为年产金刚石3 000ct。1967年地质部、建筑材料工业部组织对山东蒙阴原生金刚石矿进行选矿试验。随后建筑材料工业部组建七○一矿进行开采,宋家庄红旗一号矿是中国开采的第一个原生矿,1970年投产,规模为年产金刚石2万ct,1978年王家村矿区为中国第一个年产10万ct的原生金刚石矿建成投产。1980年辽宁省地矿局第六地质队组建滨海金刚石矿,试采瓦房店(复县)50号岩管,1981年生产金刚石8 773ct,1985年产量12 240ct,1987年由辽宁省地质矿产局、辽宁省瓦房店市和沈阳有色金属公司联合组建瓦房店金刚石有限公司转入正规露天开采。40年来,上述4个金刚石矿为中国发展金刚石生产做出了重要贡献。目前中国年产金刚石约10~15万ct。

    据记载,中国发现重量大于90ct的6颗金刚石都是在山东境内发现的。第一颗就是1937年郯城农民罗振邦发现重218.65 ct,命名为“金鸡宝石”的那颗,这是迄今中国发现的最大粒金刚石,但后被日本侵略者掠走;第二颗于1977年在临沭县常林由魏振芳发现,重158.786ct,命名“常林钻石”;第三颗于1981年在山东郯城“八○三”矿采出,重124.27ct,命名“陈埠1号”;第四颗于“八○三”矿采出,重96.94 ct,命名“陈埠2号”;第五颗于1983年于“八○三”矿采出,重92.86 ct,命名“陈埠3号”;第六颗于1983年在“七○一”矿的破碎矿石中发现,重119.01 ct,取名“蒙山1号”。此外,重10~50 ct的大颗金刚石发现甚多,不胜枚举。