金刚石(二)①前生·今世·未来

李 翰,郭琪磊

(深圳市永存金刚石工具有限公司,广东深圳518104)

金刚石(二)①前生·今世·未来

李 翰,郭琪磊

(深圳市永存金刚石工具有限公司,广东深圳518104)

20世纪50年代人工合成金刚石成功之后,金刚石家族就出现了天然金刚石和人造金刚石两大分支。文章全面系统综合地介绍了它们的发展历程和未来。

天然金刚石;人工合成金刚石;综述;前生;今世;未来

2 天然金刚石矿床

天然金刚石产于金伯利原矿、砂矿和来源不清的地球某个角落以及外太空某个星球或慧星之中。

天然金刚石原生矿主要产于金刚石的母岩——金伯利岩中。这种岩石以1870年首先发现于南非的金伯利城而命名,它是一种偏碱性的超基性岩。

按岩体的形状,金伯利岩大致可分为岩管和岩脉两种。

岩管一般成群出现。系岩浆喷发或侵入方式形成的。岩体形状在地表呈圆形、椭圆形或不规则形状,直径为几十米至上千米。岩体垂直延伸较深,逐渐地或较急剧地收缩变小,于深部多以岩墙相联,在剖面上常形成漏斗状。岩管的岩石类型一般比较复杂,且具有较为明显的分带现象,岩管的边缘,一般由角砾状或细粒金伯利岩组成。岩管的内部,多由斑状或球形金伯利岩组成。

岩脉亦是成群分布的。系由侵入方式形成的。岩体长几十米、几百米至千余米,宽一般几十厘米,最宽3～5米。脉状金伯利岩的岩石结构多为斑状或显微斑状,构造则多数为块状。

在国外,金刚石主要产于爆发型金伯利角砾岩中,而产于侵入型的金伯利岩脉或岩墙的金刚石,一般品位低、规模小。

目前,管状和脉状这两种类型,在我国都有发现,并且均为主要工业类型。

金伯利岩为一种很少见的、在特殊地质条件下形成的岩体,由于其数量少,体积小,蚀变强烈,故不易识别和寻找。

从金伯利岩在空间的分布规律上看,世界上的金伯利岩体都分布在地台区,受深断裂控制。由于地台区经历了长期地、缓慢地、稳定地隆起或膨胀作用,所受张力甚大。因台背斜、台向斜相对的上升和下沉的相互补偿作用,而于二者的过渡带和地台的边缘产生线扭力甚强,故于基底上容易形成深断裂,达于地幔,而形成金伯利岩浆上升的通道。

从金伯利岩在时间上的分布来看,世界上金伯利岩浆活动可见于几个地质时代,从元古代、太古代直到近代。在同一地区,金伯利岩同样可以产生于上述的几个地质时期。

金伯利岩体的含矿性差别很大,有的较富,有的很贫、有的甚至根本不含金刚石。一般地说,有工业价值的只占金伯利岩体的10%～20%。金刚石在金伯利岩中的分布,往往受岩性、构造以及垂直深度等控制。例如,我国某金伯利岩脉中金刚石品位最富的是斑状镁铝榴石金云母金伯利岩,而细粒金云母金伯利岩中金刚石的品位则最贫。南非和苏联某些岩管,金刚石含量随深度的增加而减少。

国外原生矿金刚石最低工业品位要求一般比较高,例如南非目前开采的金伯利岩最低品位为0.2～0.25克拉/吨,扎伊尔开采的品位则高达3克拉/吨。印度的岩管中,由于宝石级金刚石和工业金刚石之比值较高(3∶1～4∶1),所以开采的品位较低,一般为0.1克拉/吨。

近年来,虽然发现的金刚石原生矿数量增加迅速,但是,金刚石砂矿目前还是金刚石的主要矿源。

金刚石砂矿矿床的类型很多,按成因可分残积、坡积、冲积和海滨砂矿床。其中最主要的是河流冲积砂矿床和海滨砂矿床以及残积砂矿。

河流冲积金刚石砂矿分布最广,在中国、非洲、印度、巴西都有出现。河流冲积砂矿的基岩可以是各种各样的。砂矿经常位于冲积层的底部,其中常伴随有橄榄石、钛铁矿、镁铝榴石等重矿物。按冲积环境又可分为下列四类:

1.阶地金刚石砂矿。是古代的河床砂矿,因地壳上升或下降后形成的。河流阶地数目不一,每个阶地都可含有工业价值的砂矿,其特点是,上部有复盖层,含矿砾石层较厚,分布范围广,砂砾层砾石以石英为主,金刚石含量较河床砂矿和细谷砂矿低。

2.河床金刚石砂矿。它存在于现代河床之中。其特点是,含矿砂砾层厚度数十厘米至数米,成透镜状,砂矿的宽度一般百米至数百米。金刚石常集中于砂砾层之底。共生矿物不定,或含橄榄石、钛铁矿、镁铝榴石或以玛瑙、燧石为主。矿床中金刚石含量极不一致。晶体颗粒大小不定,一般晶体质量较好。

3.河漫滩金刚石砂矿。它位于现代大河中的砂矿或浅滩上。砂矿可延长几百公里,厚度不稳定,绝大部分无复盖层,基岩较平坦,含金刚石层的表面高度接近于平均水位线。

4.细谷金刚石砂矿。形成于古代含矿砾岩或阶地上的小河(或细谷)中,小河常具间歇性质,对主流来说,往往成横向排列。矿层的顶端或侧翼常有冲积坡积混合的特征。一般矿层上度较大,宽度较小,厚度很少超过4米。这种砂矿因为经过一次再富集的沉积作用,品位较高,但规模较小。

按工业上的意义说,海滨砂矿仅次于河流冲积砂矿而居第二位,往往在河流入口处沿海岸线呈带状分布,金刚石特别易于富集在海滨砂丘附近,含金刚石砂层厚度由数厘米至数米,品位不等,颗粒一般不大,常成滚圆形,共生矿物有柘榴子石、玛瑙、石英、石髓、碧玉、磁铁矿等。这类矿床分布很广。加纳和西南非洲都是这类砂矿的著名产地。

残积砂矿,金刚石含量一般规模小,品位低,所以工业价值不大。在以物理风化作用为主的条件下,于含金刚石岩石露头上逐渐形成残积层。复盖层中,轻的和可溶性的组分,被地表水和地下水带走,而在岩石露头地带就形成了残积矿床。我国华东某地金刚石砂矿,就属于这种矿床。

此外,虽然坡积、冰成、风成砂矿以及混合砂矿,也有金刚石产出,但总的说来,这些矿床的工业价值不大。

国外富的砂矿每立方米含金刚石可达几十或几百克拉,但目前开采的最低工业品位通常为0.2克拉/米3,开采条件特别好的,甚至可以降低到0.1克拉/米3。

砂矿一般品位较低,但金刚石晶体完整,质量较好。

金刚石砂矿床的分布较原生矿普遍,但大多数亦分布在地台区。地槽区中虽然也有出产,但为数极少,规模远不如前者。由于金刚石的比重与含金刚石原生岩中其它矿物的比重相近,所以,金刚石就不像金、铂等重矿物那样能在河系中于一定的部位富集。砂矿床的分布除少数在原生矿床附近外,往往是由较老的砂矿床再度风化搬运而生成的。从生成的时间上来看,从前震旦纪到现代都有生成,但以第四纪及现代砂矿最为重要。

在很长一个时期,印度和加里曼丹是世界市场上金刚石唯一的供应地。但在18世纪30年代,巴西就开始和它们竞争了。1851年在澳大利亚发现了金刚石,1867年在南非也发现了。随后,相继在世界各地都有发现。具体发现年代见表2。

表2 主要国家天然金刚石发现年代表Table 2 Natural diamond discovery record

南非1870年在金伯利城附近发现了杰格斯丰坦和杜托依斯潘金伯利岩管,1871年发现了布隆丰坦、德贝尔斯金伯利岩管,1888～1891年,相继发现科菲丰坦、韦赛尔顿岩管。1961年在金伯利岩管西北100英里的地方又发现了一个很大的岩管。

1908年,在纳米比亚的卢德立次海湾砂地第一次发现金刚石,经过勘探,肯定了在奥兰治河口与卢德立次之间的海岸线有含金刚石的海底阶地。1925年,在纳马格兰德南部的克伦泽海底发现了金刚石,这一发现又导致勘探出在亚力山大湾的另一金刚石矿床。

长期以来,一直怀疑沿纳米比亚的大西洋海岸的海底有金刚石。从1961年开始,在这一地区全面地进行了勘探与生产,现在正研究一种适宜从急流中开采金刚石的方法。

20世纪的前半期,在非洲大陆的其他地方也发现了重要的金刚石产地。多年来,在撒哈拉南部的许多地方一直进行金刚石开采。1907年第一次在扎伊尔发现了金刚石。1913年开始工业规模的生产。

1918年在博茨瓦纳发现了世界上最大的工业金刚石矿床,1921年开始大规模生产,目前,该地区仍然是世界上最大的金刚石矿山。博茨瓦纳盛产优质金刚石,宝石级占50%,居世界首位。

世界第二大岩管是在非洲博茨瓦纳发现的欧拉帕岩管,面积达112.5万米2。

1913年在中非发现了金刚石,但到1931年还未进行工业性开采。1916年在安哥拉发现了大的金刚石砂矿,最近五十年来,在该地区进行了有价值的开采。

加纳大约在1919年发现金刚石,以重量计,这个国家的产量目前居非洲的第三位。

1929年在象牙海岸发现了金刚石,但有价值的砂矿资源不多。目前几内亚的金刚石砂矿也是处于这种情况。

在利比里亚西部,于1930年第一次发现了金刚石,但资源有限。

坦桑尼亚早在1913年就发现了金刚石,于1940年发现了著名的姆瓦杜依岩管后,它成为金刚石重要的生产国家。世界上最大的岩管是坦桑尼亚的威廉姆逊,规模为1525×1068m2。

塞拉利昂于1930年发现了金刚石,1932年开始工业性生产。

除上述地区外,在非洲的其它地方如莱索托和津巴布韦也发现了金刚石,但至今尚未证实有经济上的价值。

最富的岩管则是扎伊尔的杜捷列,品位为3～4克拉/吨。据报道,扎伊尔天然金刚石储量大约在5.5亿克拉。

南美洲产金刚石的国家有巴西、委内瑞拉、圭亚那、玻利维亚。但矿床规模较小,产量也不大。

南美洲的金刚石矿床主要分布在巴西,以砂矿为主。在南美洲开采出来的金刚石主要是黑金刚石。巴西年产金刚石超过60万克拉,其中宝石级55%,近宝石级35%,工业级10%。

美国工业规模开采的金刚石矿只限于一个很小的地区,1966年第一次在金伯利岩管中发现了金刚石,小规模试验性的开采证明是不经济的。美国阿肯色州普拉累克地区也发现有金刚石,在进行勘探。上密执安半岛的6个火山岩筒也在进行金刚石勘探。

加拿大金刚石勘探工作主要在萨斯卡彻温州西北部进行。前几年报道,加拿大北部地区发现大量金伯利岩,有望出产金刚石。

美国、加拿大这两个国家目前尚未发现大中型金刚石矿藏。

澳大利亚在1851年发现了金刚石砂矿,只有少量的金刚石作为开采金矿时的副产品被回收。

澳大利亚东南部的新南威尔士也有金刚石砂矿,但含量较低,只是在开采金和锡时顺便少量提取的。

澳大利亚西北的古火山口地区——巴拉蒙迪格普,距离珀斯城2200公里,正在开发金刚石脉状矿床。该矿公司正在筹建一座每年能够处理500万吨金刚石矿石的大型装备,1985年投产后,每年可生产出2000万至2500万克拉金刚石。

澳大利亚天然金刚石矿床主要分布在西澳大利亚洲的阿盖尔地区。阿盖尔矿床金刚石总储量为415百万克拉。该矿床不仅金刚石储量大、品位高,而且质量优良。

澳大利亚天然金刚石储量大约6.5亿克拉。

俄罗斯于1928年在乌拉尔第一次发现金刚石砂矿。1948年在西伯利亚发现了金刚石,而于1954在雅库特发现了金伯利岩管,自此以后,在其它地方相继有新岩管发现,但在已发现的500多个岩管中,只有10%是含有金刚石的。俄罗斯年产金刚石13百万克拉,居世界第4位,其中宝石级占26%,近宝石级占44%,工业级占30%。

据报道,俄罗斯宣布,20世纪70年代,在该国东部的“珀匹盖”陨石坑中,发现储量超过几万亿克拉的天然金刚石。远远超过目前全球已知常规金刚石储量,能满足全球工业金刚石市场3000多年的需求。若消息属实,世界天然金刚石的历史和现况将要重写。

图6为俄罗斯雅库特金刚石矿出产的天然金刚石。

图6 俄罗斯雅库特金刚石矿出产的金刚石Fig.6 Diamonds produced from Russian Yakut diamond mine

中国早于1820-1850(清道光年间)年就发现了天然金刚石,是农民在湖南沅水流域的桃源、常德、黔阳一带淘金时发现的。

中国产天然金刚石的地方很多,有的正在勘探之中,有的已经开采了。

山东。山东产天然金刚石的地方主要有三个:临沂蒙阴地区;胶县;涞阳。胶县和涞阳地区只是传说出产金刚石,但直到目前为止,尚未找到可靠的产地。临沂地区很早就产金刚石,主要是当地农民在雨过天睛之后,靠着金刚石特有的光泽在野地里找到的。这里出产的最大的金刚石有几十克拉重。一般为黄豆粒那样大小。有无色透明的,也有带绿色的和淡黄色的,质量很好。现在已查明,这个地区有两个规模相当大的矿,并正在进行开采。这里的金刚石主要分布在小河里(小河砂矿)和古河床里。这些古河床现在已经被水流切割成一块一块的小丘陵,有的已经种上了庄稼,这里不但有金刚石,而且有稀有金属矿物——锆英石。

湖南沅水流域。这里的金刚石是农民在淘金时发现的。此处的金刚石和黄金是很好的朋友,他们往往住在一起,所以,在淘金子的时候,经常可以淘到金刚石。金刚石在这里分布很广,差不多整个沅水流域到处都分布着金刚石。这是我国最有希望的金刚石产地。目前已勘探出一个规模巨大的金刚石矿区。

贵州。贵州省东部和东南部的大、小河流里和古河床里都发现了金刚石,这里的金刚石也是和金子共生在一个地方,而且这个地方还可能找到金刚石原生矿。这个地区也是我国很有希望的金刚石矿区。

辽宁省辽河流域,是我国重点产金刚石的地方,分布广,储量大,工业开采价值高。2010年初,辽宁瓦房店发现一处21万克拉的金刚石矿。2012年初,又有消息报道,在该地区又发现一处矿藏量约100万克拉的金刚石矿。占我国已探明的金刚石储藏量一半以上,可开采30年,共发现3条金伯利岩矿带、111个金伯利岩体、24个金伯利岩管、87条金伯利岩脉。它们都有可能蕴藏着丰富的金刚石资源。

新疆伊宁北部的山里也产金刚石。另外,黑龙江省瑷珲县的烟筒山、浙江临海县的黄岩都有产金刚石的传说,在这些地方很可能找到很大很富的金刚石砂矿和原生矿。陕西的汉中地区;四川会理、西昌、攀枝花地区;广东的雷州半岛和海南岛以及广西的西北部;河北的西北部;山西北部;内蒙的南部都很有可能找到金刚石矿。西藏安多县也发现有金刚石,但粒度很小。

中国年产天然金刚石约30万克拉,其中宝石级占20%,近宝石级占40%,工业级占40%。

印度也是开采金刚石矿较早的国家,主要为砂矿。1949年发现了原生矿。在这里找到过当时著名而优美的大宝石,如“大莫戈尔”、“奥尔洛夫”、“沙赫”。这个从前有名的印度矿床,现在已失去了往日的繁荣,这些矿床几乎全部开采光了。目前年产量很低。

目前,孟买附近的浦那金刚石矿床每年产量只有14000克拉左右。

加里曼丹的天然金刚石探找和开采更不好。

据报道,目前,世界上有三十多个国家拥有天然金刚石资源。2013年数据显示,全世界天然金刚石已探明储量大约25亿克拉,年开采量为9000万克拉至1亿克拉。按目前开采水平,只能开采25年。产量前五位的国家是俄罗斯、澳大利亚、扎伊尔、博茨瓦纳和南非。这五个国家天然金刚石产量占世界总产量的90%左右。其它产天然金刚石的国家有刚果、巴西、圭亚那、委内瑞拉、安哥拉、中非、加纳、几内亚、象牙海岸、利比里亚、纳米比亚、塞拉利昂、坦桑尼亚、津巴布韦、印度尼西亚、印度、中国、加拿大等。

中国天然金刚石探明储量和产量均居世界第10位。

俄罗斯“珀匹盖”陨石坑中储藏着巨量的金刚石,据悉是3500万年前一颗巨大的陨星撞击地球发生爆炸瞬间产生的巨大的压力和高温而形成的。图7为“珀匹盖”陨石坑空中鸟瞰照片。

图7 “珀匹盖”陨石坑鸟瞰照片Fig.7 An aerial photo of"Popigai"meteor crater

三十年前人们就猜测在天王星和海王星的核心处可能有金刚石。英国《每日邮报》网站2013年10月14日报道,美国加利福尼亚特种工程公司莫娜·杰利茨基和威斯康星大学凯文·贝恩斯两位行星科学家研究表明:木星和土星外围充满了甲烷,这些甲烷在雷电产生的超高压高温下,变成了碳黑,继而变成石墨,最终形成了金刚石。研究者说,在这两个星球上,普通的金刚石直径可能有1厘米,但有些可能已经变得很大,可以被称为“金刚石山”。

2011年澳大利亚和英国天文学家发布报告,称距地球4000光年的太空中有一颗主要由碳素构成的高密度行星,可能含有金刚石。

2012年10月13日报道,美法科学家发现距地球40光年命名为55Cancrie的行星,它的直径为地球2倍,质量为地球8倍,主要由碳单质构成,金刚石含量占该行星总质量的三分之一。

天然金刚石的形成,必须同时满足四大要素:碳源、高温、超高压和孕育时间。在地球上,同时出现这四大要素时时都有。地球形成开始和整个形成过程、地球板块迁移、雷电作用、陨石和宇宙碎块对地球的撞击,都会造成高温和超高压,在有碳源的情况下,都会生成金刚石,因时间长短,可以生成不同粒度的金刚石。正因为这样,可以设想地球上很多地方均有金刚石,无非是颗粒极细,不易被人们发现和极难收集而已。当然,外太空含有金刚石的宇宙星体碎块和彗星碎块,在地球引力作用下,以陨石的形成,把金刚石搬运到地球上也是可能的。

天然金刚石成因最普遍的假说是:

1、天然金刚石是深部岩石的组成部分,但这种岩石后来又遭到了破碎,岩石和矿物碎屑被金伯利岩浆带到了它们现在所在的地方。这就是说,按照这种假说,金伯利岩浆仅仅起了个搬运作用,它把金刚石从地壳的橄榄岩带或其它岩带搬运到地表。这种假说把金刚石看成是金伯利岩浆从数十公里以下的地方搬来的晶体。

2、天然金刚石是早在火山喷发开始以前就在地球的深部原始岩浆中晶出的。同时,这种假说还认为,在岩浆柱的下部也能形成一部分金刚石。换言之,金刚石仍是形成橄榄岩、辉岩、金伯利岩一类岩石的岩浆的原始组成部分。

证明金伯利岩内金刚石“深部”成因的事实是:在金伯利角砾岩内发现了金刚石晶体碎片,而且经常在不同地方发现同一种晶体的碎片;金刚石晶体大小也比结晶作用后期的微晶大得多;在金刚石晶体中发现无数矿物包裹体(首先是镁铝榴石),无疑,这些矿物包裹体在金伯利岩浆上升的后期都是不稳定的。在金刚石中不只一次地发现镁铝榴石的小自形晶,而早在爆发以前,金伯利岩内的镁铝榴石四周就有次变边形成,但没有发现自形晶体。在金刚石内也发现过钛铁矿包裹体,这种矿物在金伯利岩浆结晶的早期形成,到后期增长了一层钙钛矿外壳。最后,金刚石石墨化某些痕迹也证明,金刚石是在1200℃左右时晶出的,可是岩筒内金伯利角砾岩的形成温度却要低得多。

生成金刚石的碳的来源,应该认为是在岩浆中经常存在的原生碳酸。这里碳的析出情况,类似岩浆成因的石墨的形成情况,是按下面反应而发生的。

2CO=CO2+C

碳酸还原是由于有大量的游离氢或岩浆中的碳氢化合物存在。但是,这一反应不能称之为气成反应,因为这里所有的气体都溶在岩浆里,金刚石这一岩浆生成的矿物就是从这种岩浆中晶出的。

尽管金刚石在金伯利岩中的成因有各种各样的假说,但是随着人工合成金刚石问题的解决,大多数人都同意这种假说——以金刚石是在高温和超高压条件下晶出的概念为基础的假说。

3、近期有学者提出,地球板块边界可能有利于金刚石形成。俄罗斯科学院尤里·帕尔亚诺夫等模拟地壳深处运动实验,将地壳中常见的矿物质放入一个设定的空间,当空间内的气压若为大气压7.4万倍,温度高于1200℃时,有金刚石形成。实验显示,地球板块边界可能是金刚石形成的理想场所。一直以来,科学家认为金刚石形成于俯冲带,一个板块俯冲到另一个板块下方,下沉数百千米而进入地幔。

4、陨石坑中天然金刚石形成原因,有两种可能。一是原生的,二是后成的。原生是指,造成陨石坑的陨石,它自身就有金刚石,当它降落到地球上,就将金刚石从外太空带到地球上。后成是指,陨石撞击地球时,落地的地方有满足金刚石形成的四大要素:碳源、高温、超高压和孕育时间。

河流残积、坡积、冲积和海滨砂矿矿床中含有金刚石,它的形成很简单。一般来讲,在河流的上游或其支流的上游有金刚石源。这些金刚石源分布在河流上广漠中的某一处、几处或多处。这些金刚石,有的是地球形成或形成过程中产生的;有的是地球板块迁移时产生的;有的是岩浆喷发时产生的;有的是海陆变迁时产生的;河流上游有金刚石的古砂矿;有伴随陨石从外太空撒落下来的。总之,不管什么原因形成的金刚石矿源,它们经大自然的风化,雨水长年累月的冲刷,从岩矿和古砂矿中被剥离出来,混杂在泥砂里,当河水从上游向下游倾泻而下时,把伴有金刚石的泥砂,带到了河流的沿岸,带到了河流下游,带到了河流出海口的沙滩之中。

[1] 百度文库.Wenku.baidu.com.

[2] 百度百科.baike.baidu.com.

[3] 杨占兴.辽宁省政协委员会大会介绍[N].辽宁日报,2012年1月11日.

[4] 环球日报,2012年9月27日.

[5] 新华社通讯,2012年10月13日.

[6] 中国石材物联网.www.egian.net.

[7] 李翰编著.金刚石人工合成与应用[M].海天出版社,2013年8月.

[8] 吕智主编.中国超硬材料与制品50周年精选文集[C].浙江大学出版社,2014年9月.

[9] 超硬材料工程,2014年第26卷第二期.

[10] 美国全国广播公司,2014年9月10日.

[11] 深圳晚报,2010年9月2日.

[12] 中新网——中国新闻网www.chinanews.com.

The Past,the Present and the Future of Diamon

LI Han,GUO Qi-lei
(Shenzhen Yongcun Diamond Tools Co.,Ltd.Shenzhen,Guangdong 518104)

With the success of the diamond synthesis technology in 1950s,the diamond family was divided into two categories which are natural diamon and synthetic diamond respectively.The development history and the future of them has been comprehensively and systematically introduced in this article.

natural diamond;synthetic diamond;the past;the present;the future

TQ164

A

1673-1433(2014)06-0041-06

2014-11-21

李翰(1974-),工程师。深圳市永存金刚石工具有限公司总经理、总工程师。润邦慈善基金会常务执行董事;郭琪磊(1986-),工程师。深圳市永存金刚石工具有限公司开发部经理。