金刚石(钻石)及钻石饰品检测.doc

金刚石(钻石)及钻石饰品检测目录：1、金刚石的晶体构造及形态类型4、金刚石的物理化学性质及包体2、金刚石晶面熔蚀现象5、钻石饰品检测3、金刚石形成条件【内容提要】从金刚石的晶体构造和晶体形态类型，以及金刚石的物理、化学参数、晶体蚀象、包体成分、切工后的特征等，论述了金刚石的形成和金刚石（钻石）鉴定方法，例举了与金刚石（钻石）相似宝石的区分。1、金刚石的晶体构造及形态类型1.1金刚石晶体构造 金刚石属高级晶族矿物，对称型为3L44L366L29PC，按照对称型的特点分析，应有六面体(6)、八面体(8)、菱形十二面体(12)、三角三八面体(24)、四角三八面体(24)、四六面体(24)、六八面体(48)7种单形以及由单形构成的聚形出现，在金伯利岩中还出现了一种较低对称型为3L344L36P的六四面体(24)单形(图1)。 晶体构造按布拉维空间格子为两个立方面心格子的平行叠列体(图2)。晶体格架由四面体组成的立方面心结构，每个四面体中心与四顶角的碳原子以共价键紧密相连，由于共价键具饱和性和定向性，因此结合得十分坚硬、紧密。 金刚石晶体构造常数- 化学成分：C；晶系：等轴晶系；对称型3L44L366L29PC；空间群O7h=Fd3m Z=8；单位晶胞：a=3.56A6。 1.2金刚石晶体形态类型 金伯利岩、钾镁煌斑岩中金刚石晶体形态分为单晶、连晶两类，单晶约占60%。按晶体形态划分为平面晶体、曲面晶体、平面-曲面晶体。连晶约占40%，按晶体连生方式划分为双晶连晶、晶体连生。 1.2.1单晶 1.2.1.1平面晶体 平面晶体是一种未经熔蚀的晶体，根据布拉维法则：晶面应该是网密度较大的面网组成，因此金伯利岩、钾镁煌斑岩中金刚石的标准晶形是平面八面体，但由于岩浆物理、化学条件的改变，会出现(111)晶面生长不一致性，因而构成不同晶体形态。 平面晶体在岩筒中约占总含量70%，岩脉中约占总含量20%。 (1)平面八面体：是内成稳定阶段金刚石相、膨胀阶段金刚石相的基本结晶形态。金伯利岩中所保留的平面八面体金刚石，都是膨胀阶段金刚石相的结晶产物。 平面八面体由面平、棱直的八个面组成，晶体面角为1092814，和703146，晶面有三角形、四边形、五边形、六边形，内角为60或120，由于增长补充晶棱，使八面体晶形有18种形态，例举4种如图3。 阶梯状八面体是金刚石的生长形态，在平面八面体的(111)晶面上出现三角形阶梯状生长层，由于阶梯密集增多，(111)晶面逐渐缩小，阶梯逐步代替晶棱，形成假菱形十二面体(图4)。 阶梯状八面体金刚石大量形成于岩筒相膨胀阶段金刚石相中，占平面晶体的85%，这一现象说明了膨胀阶段金刚石相中存在金刚石继续生长的条件，但由于受到结晶时间的限制，晶体一般生长不大。阶梯状八面体的晶体特征是没有遭受岩浆浑圆化作用，但晶面仍有蚀象产生。 (2)六面体：是膨胀阶段金刚石相由于温度降低不利于八面体形成而产生，因此主要分布在岩脉相金伯利岩中。 人造金刚石六面体晶面呈平滑状，金伯利岩中晶面粗糙。 (3)平面八面体(阶梯状八面体)一六面体聚形：由于膨胀阶段金刚石相温度、压力的不稳定变化形成以六面体为主的聚形晶(图5)及以八面体为主的聚形晶(图6)。 1.2.1.2曲面晶体 曲面晶体是一种熔蚀状晶体，当金伯利岩岩浆由内成稳定阶段转入侵入阶段，在浑圆化作用下形成。金刚石(110)晶面面网密度大则先熔蚀，这是由于面网密度大的晶面，一定是面网间距大容易受到破坏的缘故，(111) 晶面具更大的面网密度，但由于受到(111)面的双层面网结构的控制，第一层面网保护了第二层面网，因此(111)晶面又是金刚石在熔蚀作用中最稳定的面网。 在熔蚀作用过程中，晶棱、顶角与岩浆作用大于晶面，因此熔蚀程度大于晶面，其中顶角由于只有二个键与晶体联结，岩浆熔蚀程度大于由三个键与晶体联结的晶棱。 八面体与六面体金刚石代表了两种不同形成条件，因此由平面八面体变为曲面晶体，首先是熔蚀为曲面四六面体，由于早期八面体形态上的差异，熔蚀后形成的曲面晶体是不一致的。 曲面晶体的外形特点是晶棱成外突的弧形曲线，晶面为外凸的弧形曲面，曲线与曲面相交变成弧形。 曲面晶体是金伯利岩、钾镁煌斑岩中具有重要工业价值的金刚石晶体，大量的宝石级金刚石加工、切割都来源于曲面晶体，它具有颗粒大、质量大，品质佳等优点。 曲面晶体金刚石在岩筒相中占总含量的30%，岩脉相中占总含量约80%。 (1)曲面菱形十二面体：在金刚石曲面晶体中占绝大部分，但等轴状的曲面菱形十二面体却十分罕见，出现的晶形大都沿某一晶轴压扁状的变形晶(图7)和歪晶，这是由于岩浆内压力作用的结果。 (2)曲面六八面体：具八面体结晶习性的曲面四六面体，系八面体向菱形十二面体，熔蚀过渡形，因此菱形十二面体晶棱明显，六八面体晶棱有一弧形弯曲(图8)。 (3)曲面六四面体：具四面体结晶习性的曲面六四面体，认为是四面体结晶习性的八面体熔蚀变化形成，具有明显十二面体晶棱，六四面体晶棱是弯曲的(图9)。 (4)曲面四六面体：具六面体结晶习性的曲面四六面体，具有明显的菱形十二面体和六面体晶棱(图10)。 (5)曲面八面体：由于晶棱、晶面都成弯曲的孤形，顶角钝化，外形浑圆状(图11)。 1.2.1.3平面-曲面晶体 包含了两种不同形成条件。一种是由于平面晶体的局部熔蚀产生的聚形品；另一种是在新的条件下，沿早世代曲面晶体的晶轴继续局部生长的异形晶，它们具有同一性的全部对称要素，代表了两个世代的结晶特征。 当八面体熔蚀成具有六面体的结晶习性的四六面体过程中，由于(110)晶面、晶棱、顶角熔蚀程度的差异，形成平面八面体-曲面菱形十二面体(图12)、平面八面体-曲面六八面体(图13)、平面八面体-曲面六四面体(图14)、平面八面体-曲面四六面体(图15)、平面八面体-六面体-曲面四六面体(图16)、平面八面体-六面体-曲面菱形十二面体(图17)、六面体-曲面四六面体(图18)、六面体-曲面菱形十二面体(图19)等八种聚形晶。金伯利岩中平面八面体-曲面菱形十二面体占平面-曲面晶体的绝大部分。 异形晶在金伯利岩中绝大部分是由曲面菱形十二面体与平面八面体(阶梯状八面体)组成(图20)。 1.2.2连晶 1.2.2.1双晶连晶 金刚石的(111)晶面是唯一的双晶面，双晶轴垂直于(111)晶面，双晶接合面平行于(111)晶面，属尖晶石双晶律。 按双晶类型分以下5种： (1)接触双晶连晶：由两个金刚石单晶以简单的尖晶石双晶律结合，这种双晶的晶形多为沿双晶轴成扁平的板状晶形(图21)，另一种为两组八面体尖晶石双晶律，依(111)晶面接合形成六角星状晶体(图22)。 (2)聚片双晶连晶：由两个以上金刚石单晶组成，(111)双晶接合面互相平行(图23)。 (3)环状双晶连晶：由35个金刚石单晶组成，(111)双晶接合面不平行形成环状(图24)。由于金刚石晶体面角为703146，或1092814，因此环状双晶连晶的极限是六连晶，在六连晶中由于五个晶体面角所占的位置，使剩余的只有72110，形成金刚石发育不完全现象，在金伯利岩中常以五连晶出现。 (4)球形聚合连晶：由于八面体的每条补充晶棱都可以构成环状双晶的双晶轴，当这种环状双晶在空间无限的发展聚合，形成球状连晶，这种特殊的连晶称为红晶石，球形聚合连品在其表面具三角形、五角形、六边形环。 (5)穿插双晶连晶：两个金刚石单晶互相穿插，双晶接合面不规则状(图25)，这种双晶连生多出现在六面体晶形中。 1.2.2.2晶体连生 金刚石晶体聚集在一起，但不是以双晶结合方式连生，与结晶轴的关系分为下列3种连生方式。 (1)平行连生晶：金刚石的结晶轴互相平行排列，因此内部构造是连贯的(图26)。 (2)交叉连生晶：金刚石的结晶轴互相交叉分布，因此内部构造是不一致的(图27)。 (3)平行-交叉连生晶：由平行连生及交叉连生的聚合金刚石连生体组成。2、金刚石晶面熔蚀现象 金刚石在金伯利岩岩浆的浑圆化作用下，使晶体上布满了各种形态的蚀象，与此同时与金刚石伴生的镁铝榴石、镁橄榄石、铬尖晶石等同样产生了蚀象。 浑圆化作用包含了熔蚀作用，尤其是内成稳定阶段金刚石相中的金刚石，晶面蚀象严重，膨胀阶段金刚石相中的金刚石，由于熔蚀作用较短，蚀象一般不明显。 复杂的金刚石蚀象，在晶体的分布有一定规律，它反映了晶体构造特征，三方生长层(阶梯状)是生长态，复三方生长层认为是熔蚀态，蚀象按形态分为11种(图28)。 2.1倒三角凹坑蚀象 在平面-曲面晶体的八面体(111)晶面上，与(111)三角形晶面构成反向平行。由于熔蚀程度不同，三角形大小不等，小的成显微状，大的占据一定晶面，三角形的锐角在不断熔蚀作用下形成四边形、五边形、六边形。凹坑深浅不一，浅的凹坑平缓状，深的为三角锥状，在三角形凹坑中，还可出现阶梯状。三角形凹坑在晶面上分布有的十分密集，也有稀疏状零星散布于晶面上。在三角形凹坑底部，还可出现更小的三角凹坑蚀象分布。三角形凹坑蚀象与晶体均造关系为三边一底与八面体面网平行。 2.2四角凹坑蚀象 在平面-曲面晶体的六面体(100)晶面上，它与六面体晶面外形差45，四角凹坑大小不等，小的成显微状，大的占据一定晶面，凹坑深浅不一，有的成四角锥状，在四角凹坑中可出现阶梯状，在同一晶面中可出现几组大小四角凹坑蚀象分布。四角凹坑蚀象与晶体构造关系为四边一底与八面体、六面体面网平行。 2.3蛀穴状蚀象 在阶梯状发育的似菱形十二面体及平面一曲面晶体中。蛀穴外形成规则的圆形凹坑及不规则港湾状，蛀穴凹坑深度不一，有的似水果被虫咬似的，部分蛀穴深入晶体内部，在边部及底部常有其它蚀象分布。 2.4麻点状蚀象 在曲面晶体上，由大小一致的麻点状熔蚀凹坑密集分布，凹坑一般不深。 2.5圆板状蚀象 在曲面晶体上有多层状圆板凸出台面或凹形圆板，在圆板状蚀象上还可出现其它形状的蚀象。 2.6块状蚀象 在曲面晶体上由不规则的凹形及凸形块段组成。 2.7束状晕线 一组密集的线状突起分布在曲面晶体上，在面缝合线或六面体晶棱处褶曲。 2.8滑线 在平面-曲面晶体及曲面晶体中，金刚石处于塑性体时沿八面体面网间距的滑动产生塑性变形，滑线是由于熔蚀作用使塑性变形在晶面上反映。八面体(111)晶面上可见三组方向滑线，平行于八面体晶棱(110)面及(111)面。平面晶体滑线不明显或较细微，曲面晶体则十分明显，外形成一种雕刻线状。滑线常伴有倒三角形凹坑蚀象，倒三角蚀象往往形成链状，滑线可切穿(111)面进入曲面晶体，再进入另一晶面(111)。当滑线在曲面晶体中时，三角锥小丘的一个棱和滑线方向一致，其余两个棱构成杉针状外形。 2.9叠瓦状蚀象 在曲面晶体、平面-曲面晶体中，由三角锥小丘互相叠加而成，常沿滑线分布。三角锥小丘进一步熔蚀成乳滴状小丘。 2.10熔蚀沟 在平面-曲面晶体、曲面晶体的破裂纹上，晶面交线、晶棱、解理、双晶面、交叉连生缝合线等金刚石结构薄弱环节上，常出现一种槽形熔蚀沟。 2.11毛玻璃蚀象 为一种轻度、均匀、密集质点状熔蚀凹坑，晶面呈粗糙云雾状，金刚石成乳白色，透明度降低。 3、金刚石形成条件 3.1碳源 形成金刚石的碳源认为有三种方式：金伯利岩、钾镁煌斑岩岩浆中的原生碳；捕俘围岩中的有机碳；地壳中碳酸盐岩中的碳。愈来愈多的资料证实金刚石碳主要来源于岩浆中的原生碳。 岩浆中都含有一定数量的原生游离碳，如金伯利岩浆中含碳量为1.9%4.3%，超基性岩浆中含碳量为0.06%0.10%，玄武岩浆中含碳量为0.02%0.04%，因此金伯利岩中含金刚石量由原生碳提供是足够的。 金刚石碳同位素C12/C13，其比值与金伯利岩浆中原生碳C12/C13比值是近似的，前者为89.63，后者为89.00。 3.2温度、压力、时间 金刚石为高温、高压矿物，其中压力因素是主要的。人工合成金刚石实验证明压力、温度、时间是决定金刚石品级的重要因素，触媒剂具有一定的促进作用。 据实验资料，对金伯利岩主要矿物在压力，温度变化状态下稳定平衡图解说明，最适宜于金刚石结晶的压力条件为(5000070000)105pa，温度为12001800，金伯利岩岩浆在内成稳定阶段推论岩浆深度在150km左右是相适应的。 从金刚石-石墨平衡曲线分析，要使金刚石处于稳定状态保留下来，必须是压力降低而温度作适应性的转变，如果温度不变，压力迅速下降，金刚石则全部转化为石墨。 岩浆内提供金刚石结晶时间的长短，影响金刚石结晶颗度大小，在金伯利岩中金刚石品粒大小相差悬殊，这说明结晶单位的差异。 3.3构造封闭系统 金伯利岩浆要保持一定的压力、温度和一个良好的还原环境，在地质构造上必须是一封闭的、压(扭)性系统组成的上升通道。 地壳盖层是阻止金伯利岩浆膨胀阶段挥发组分向地表散失的重要条件，但盖层的厚薄又是决定金伯利岩中金刚石形成多少的因素之一。盖层较厚时金伯利岩浆内压力不能冲破围岩的阻力(上覆岩层的重力、岩石破裂临界压力)，得到充分的膨胀，形成较大的岩体和形成大量第二世代金刚石，盖层较薄时又易使金伯利岩浆冲出地表形成喷出相岩石玻璃镁橄岩。 3.4金刚石形成相 金伯利岩浆演化过程中物理、化学条件变化证实：内成稳定阶段、侵入膨胀阶段具备金刚石的形成相条件。 3.4.1内成稳定金刚石相 金刚石在内成稳定阶段中由于压力、温度作用使岩浆结晶作用处于十分稳定状态，充足的原生碳、充分的结晶时间、金刚石晶芽大量生长，并成长为较大的平面八面体金刚石，这时岩浆基性程度很高，Ti元素尚为分散状态，由Ti所产生的制约金刚石生成的触媒，作用，还不能阻止金刚石的生长。 岩浆转为侵入阶段后，金刚石完全处于熔蚀状态，第一世代平面八面体金刚石向浑圆状曲面菱形十二面体转化，因此在金伯利岩中曲面晶体及平面一曲面晶体代表了内成稳定金刚石相特征。 3.4.2膨胀金刚石相 据金伯利岩矿物实验数据认为，膨胀阶段的温度为10001500，瞬时膨胀所产生的压力达50000105pa以上，为第二世代金刚石晶芽形成创造了条件，这一阶段形成的金刚石仍为平面八面体，由于结晶时间较短，岩浆碳源的相对减少，金刚石晶体不能得到充分生长；另一方面由于岩浆酸性程度显著增高，Ti元素的的富集和O元素接合力增大，制约着金刚石的生长，因此金刚石晶粒一般都在1mm以下，但金刚石具生长态，以阶梯状八面体为主，这种晶体特征代表了膨胀金刚石相特征。 在膨胀金刚石相中还有少量异形金刚石晶体形成，说明在内成稳定金刚石相中形成的曲面菱形十二面体金刚石细粒进入膨胀金刚石相后，以此作晶种继续沿结晶轴再生长，形成再生增长的阶梯状八面体为主的曲面菱形十二面体异形晶。 3.5岩筒相金刚石与岩脉相 金刚石岩筒相与岩脉相金伯利岩中金刚石的晶体形态是不一致的，岩筒相中出现大量平面八面体，阶梯状八面体金刚石，但岩脉相中则显著减少，这一特点也说明岩脉相没有经历强烈的膨胀阶段，这与岩脉产出状态是吻合的。 具有工业品级、宝石晶级的金刚石均为曲面晶体或平面-曲面晶体，这类金刚石无疑来源于内成稳定金刚石相，金伯利岩浆的运移是将这类金刚石从上地幔搬运到地壳的浅部，同时起着熔蚀作用、浑圆化作用。膨胀金刚石相虽能形成大量金刚石，但由于粒度十分细小，因此不可能提供宝石级的加工原料。 在金伯利岩浆的运移过程中，EoJI奥尔洛夫将金伯利岩中金刚石全部归于熔蚀论，而0.M安舍列斯则将金刚石全归于生长论，笔者认为金刚石在岩浆运移中形成生长相-熔蚀相-生长相这一变化过程，与岩浆的演化过程是一致的。 从部分金刚石的晶粒大小、形态类型、岩石产出状态的数理统计中可以说明岩脉相、岩筒相中金刚石特征。岩筒相、岩脉相大粒宝石级的金刚石都是曲面晶体，细粒级的都是平面八面体和阶梯状八面体。4、金刚石的物理化学性质及包体 金刚石和钻石属同一物质而又具某些差异。金刚石是矿物名称，钻石是宝石学名称，它们两者的物理、化学性质是同一的，钻石作为一种饰品又增加了切工因素和规范内容，在金刚石、钻石饰品的检测过程中就要针对这些特点采用相应的方法。4.1金刚石物理化学性质 (1)化学成分：C。常含有Cr、Mn、Ti、Mg、Al、Ca、Si、N、B等。 (2)颜色：常见的为浅黄色、浅黄褐色、浅黄绿色、褐色，无色(浅黄白、白、优白)占有一定数量，玫瑰色、粉红色、浅蓝色、绿色、黑色、茶色十分稀少。 (3)透明度：无色及浅色金刚石均成透明状，在无色中的白、优白金刚石测定透过率达95%以上，深色金刚石及具毛玻璃蚀象的透明度减弱呈现半透明状，当金刚石中包体含量增加亦影响透明度。 (4)硬度：摩氏硬度10，新摩氏硬度15，显微硬度10000kg/mm2，显微硬度比石英高1000倍，比刚玉高150倍。金刚石硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。 (5)密度：金刚石密度与金刚石晶体中的包含物密切相关，无色透明质纯的金刚石密度为3.52g/cm3，当具有包含物时密度为3.443.53g/cm3。 (6)偏光性：绝大多数金刚石在偏光下显示非均性，金刚石属等轴晶系矿物，理论上应为均质性，但由金刚石形成于压力变化的地质体中，由于应力作用使金刚石晶体内结构产生局部错位，因而显示不均匀的非均质性，表现在消光上的不一致性，干涉色很低的一级灰色，极少数还可测得一轴晶干涉图像。 (7)折射率(N)：2.4493(436m)、2.4354(486m)、2.4237(546m)、2.4176(589m)、2.4103(656m)。 (8)反射率(R)：油浸下5.308%，空气中17.29%。 (9)亲油疏水性：金刚石是一种亲油疏水性矿物，在晶体表面擦上油质后可见晕色，在晶面上滴上油珠立即扩散，而滴上水珠则不扩散，因此在选矿中利用油选可将金刚石分离出来。 (10)电磁性：金刚石为无磁性重部分矿物(p2.9)因此在选矿中不能采用电磁选(中磁性、弱磁性)方法。 (11)导电性：绝大多数金刚石是电介质，电阻率：5104.cm，型及型(a)金刚石为绝缘体，比电阻1016.cm，I型(H b)金刚石为P型半导体，比电阻10103.cm，温度上升到600或下降到-150时，电阻提高。 (12)刚度、强度：金刚石具有极大的弹性模量，是自然界最高的磨削材料，弹性模量达90000kg/mm。摩擦系数小，有极高的抗磨能力，因此在金刚石选矿中利用这一特性，采用球磨机、锥形磨矿机来分离金刚石。但金刚石极脆，不能承受正向的外力撞击。 (13)熔点：金刚石熔点达4000，在空气中燃烧温度为8501000，在纯氧中720800燃烧，金刚石发出浅蓝色火焰，并转化成二氧化碳。 (14)发光性：在X射线下金刚石产生天蓝色、浅绿色荧光，在长波、短波紫外线下产生浅黄、天蓝荧光，但有相当一部分不发光。有的在日光下曝晒后发浅蓝色磷光。阴极射线下显蓝、绿荧光。 (15)光泽：属标准金刚光泽，由于熔蚀作用及毛玻璃蚀象等可出现油脂光泽或光泽减弱。 (16)色散：金刚石色散为0.044。在自然光的照射下，具备一定的入射角度在钻石表面产生分解的光谱色，俗称火彩(影响钻石火彩强弱还与体色、净度、刻面角度等有关)。 (17)热导性：金刚石热导性好，热导率高达669.892009.66W/(m)，其中型(a)金刚石热导性极好，在液氮温度下为铜的2.5倍，在室温下为铜的5倍。 (18)热膨胀：热膨胀系数小。 (19)解理：|111|中等，|110|不完全。 (20)断口：见壳状。 (21)化学稳定性：化学性质非常稳定，在酸、碱中均不分解，在熔融的硝酸钠、硝酸钾、碳酸钠中溶解。 4.2金刚石晶体内的包体 金刚石晶体内的包体是以固态矿物相产出，包体成分以石墨为主，并有镁铝榴石、铬透辉石、镁橄榄石、钛铁矿。尚未发现气态、液态包体。5、钻石饰品检测 5.1钻石及饰品检测要点 钻石饰品检测分两步进行，首先确定该饰品嵌镶的宝石是否为金刚石矿物，第二步按GB/T16554一1996钻石分级，中关于未嵌镶钻石、嵌镶钻石的品质分级规则，确定净度、色级、质量、切工等级。 测定金刚石、未嵌镶钻石、嵌镶钻石方法因受一些因素制约，在参数确定中必须确定典型参数。金刚石为一单矿物，测试方法按矿物鉴定程序，测定所有参数。未嵌镶钻石测定因切工因素，自然状态下的金刚石某些特征改变，但切工后又给予钻石增加新的特征现象。嵌镶钻石由于受托架的影响，有许多参数不能测定，但只要熟悉金刚石鉴定，因地制宜地测定重要参数，仍能准确定性。 5.2钻石及钻石相似宝石的区分 钻石及其与钻石外观相似的宝石主要有水晶、合成立方氧化锆、合成碳化硅、人造钇铝榴石、人造钆镓榴石、人造钛酸锶、蓝宝石、锆石、托帕石、铅玻璃等，主要特征列入表1。 表1钻石及钻石相似宝石特征表名称主要特征钻石均质性(局部显非均质性)，拆射率N2.4237.反射率R17.29%(空气中)、5.31%(油浸中)，密度3.52g/cm3，色散0.044，金刚光泽，摩氏硬度10，短波紫外线下无色-天蓝色、浅黄绿色萤光、亲油性，刻面间相交之棱呈“刀口”状，强热导性。水晶非均质性，一轴晶正光性，拆射率No1.5442、Ne1.5533，反射