丁 毅

DING Yi

河北地質(zhì)大學(xué) 地質(zhì)調(diào)查研究院，河北 石家莊 050031

Hebei GEO University,Shijiazhuang 050031,China

1 金剛石的概述

金剛石被過去修理瓷器的匠人俗稱為金剛鉆，切割并打磨做成的手飾又稱為鉆戒。金剛石與石墨都是由碳元素組成的礦物。金剛石的最大特點就是硬度高，是目前在地球上發(fā)現(xiàn)的所有天然存在的礦物中最堅硬的，摩氏硬度為10(Mohs hardness scale)，是莫氏硬度排在第九位的剛玉硬度的150倍，“A diamond is forever”(金剛石就是永遠(yuǎn))是愛情的代名詞。金剛石的晶型有八面體、菱形十二面體和六面立方體(圖1)，八面體猶如兩個金字塔底座相對而成(圖1A、C、D、E、F、I)。計量金剛石單位的是重量單位克拉(英語：carat,縮寫：ct.)，1ct.=200毫克。 許多大顆粒金剛石顯示出明顯的生長線，而且呈現(xiàn)多期生長的特點 (圖1C、D、G、H、I)。金剛石常含有雜質(zhì)元素，其中最重要的是N和B，還含有其它微量元素，正是因為這些微量元素成就了彩色金剛石的存在[1-5](圖1B、E、F、G，圖2I，圖4)。

2 金剛石的成因

金剛石之所以硬度大，是因為在金剛石晶體內(nèi)部每一個碳原子都與周圍的4個碳原子緊密結(jié)合，形成一種致密的三維結(jié)構(gòu)，這是金剛石在極為高壓的環(huán)境下，碳原子“被擠壓”而形成的一種礦物。根據(jù)金剛石中所含包裹體測算出金剛石的形成條件，壓力在4.5～6.0 Gpa (相當(dāng)于150～200 km的上地幔深度)，溫度為1 100～1 500℃[1，4]。

全世界95%以上的天然金剛石產(chǎn)在金伯利巖體中[6-8]，還有就是鉀鎂煌斑巖[9-12]和沖積型金剛石砂礦。另外，金剛石也寄存在基性和超基性侵入體中，包括輝綠巖和榴輝巖中，但是這些巖石都不具備經(jīng)濟的可開采性，而可開采的金伯利巖也只占全世界所發(fā)現(xiàn)的6 400座金伯利巖體的1%。金剛石在原生的金伯利巖和鉀鎂煌斑巖中以兩種方式存在：大顆粒晶體是在上地?；蛳碌貧ど疃仍缫呀Y(jié)晶并由巖漿攜帶到地表分離出來的，和微晶體存在金伯利巖的基質(zhì)中，前者形成時間長可見其生長紋(圖1C、D、G、H、I)，顯示其漫長的結(jié)晶生長期[1，4，6]，微粒金剛石則是在巖漿由上地幔至地表的上侵過程中冷卻形成的，前者多含上地幔礦物的包裹體，后者多為純凈不含礦物包裹體。金剛石是最古老的寶石，主要形成在33億年前和12—17億年這兩個時期，因此具有經(jīng)濟意義可被開采的金剛石礦多在古老地臺如太古代克拉通，而裹挾這些上地幔寶石的金伯利巖漿形成在從太古代到新生代的各個時代都有[6-7]。

圖1 天然金剛石Fig.1 Natural Diamonds

3 大顆粒金剛石

世界上大顆粒金剛石的發(fā)現(xiàn)都是新聞，不僅僅是其價值高，最重要的是所發(fā)現(xiàn)大顆粒金剛石的地點周圍區(qū)域都可視為尋找有經(jīng)濟價值金伯利巖體的靶區(qū)，而且大顆粒金剛石中含有巖漿源區(qū)的礦物包裹體，對研究上地幔特征具有重要意義。

金剛石的大小從3 106 ct.到小于0.5 ct.都有，從手掌大到肉眼不容易看見。當(dāng)然，金剛石越大越值錢。世界上最大顆粒金剛石產(chǎn)在南非的礦體中，命名為“庫里南”(圖3A)，手掌大小，3 106 ct.，當(dāng)時被英國皇家以15萬英鎊的價格收購(現(xiàn)在保守估價也要超過20億元人民幣)，后被破碎為9塊，其中最大的一塊(圖3B)加工成世界上唯一的最值錢的飾品(圖3C)，被鑲嵌在英國國王的權(quán)杖上，代表最高權(quán)力的象征。2016年，由加拿大Lucara金剛石公司在博茨瓦納的Karowe礦中發(fā)現(xiàn)了世界上第二大的金剛石，1 109ct.(圖2D)，2018年以相當(dāng)于3.6億元人民幣的價格賣給了Graff寶石商。圖3E為在博茨瓦納發(fā)現(xiàn)的813 ct.無色透明6 cm寬的金剛石，2006年拍賣價格為4.1億人民幣；圖3F為俄國的Alrosa公司在Nyurbinskoye礦中發(fā)現(xiàn)的214.65 ct.的金剛石；加拿大的Lucara公司在安哥拉的金剛石礦中發(fā)現(xiàn)的404 ct.的金剛石(圖3G)；圖3H為在2006年在萊索托境內(nèi)的Letseng礦發(fā)現(xiàn)的603 ct.的金剛石，因其透明程度不是太好，拍賣價格僅為0.84億元人民幣；圖3I為Petra Diamonds公司在坦桑尼亞其Williamson礦中發(fā)現(xiàn)的一顆23.16 ct.的粉色金剛石。

中國清末《湖南桃源縣縣志》和《山東通志》上都有記載農(nóng)民撿拾金剛石[13]。中國發(fā)現(xiàn)大顆粒金剛石也有不少記錄：20世紀(jì)30年代在山東郯城縣李莊農(nóng)民撿拾的218.75 ct.，20世紀(jì)70年代在江蘇宿遷發(fā)現(xiàn)52.71 ct.和在山東臨沭縣的常林村附近發(fā)現(xiàn)158.786 ct.，80年代在山東陳埠金剛石砂礦中先后發(fā)現(xiàn)124.27 ct.、96.94 ct.和92.86 ct.，還在蒙陰礦中發(fā)現(xiàn)一顆重119.01ct.“蒙山一號”金剛石，2006年又在蒙陰礦中發(fā)現(xiàn)一顆101.469 ct.金剛石。湖南發(fā)現(xiàn)金剛石的地點可以用到處開花來形容，最大顆粒為70 ct.[13-14]。中國有常德的沅水、臨沂的陳埠等金剛石砂礦，然而砂礦本身要比原生礦的含礦差，土地和人工價格的上漲，使得這些砂礦早就關(guān)閉了。除了上述在湖南常德和山東臨沂有金剛石出土外，在內(nèi)蒙的固陽和赤峰、山西的北部、和貴州的東北部都有金剛石出土報道，這些地點連同遼寧的瓦房店和普蘭店市、山東臨沂、湖南的常德北部的石門縣、沅水流域、以及湘西都是中國金剛石礦的異常區(qū)。大顆粒的撿拾不僅是金剛石本身的價值，而且提供含金剛石母巖的重要信息。

圖2 世界上的一些大顆粒金剛石Fig.2 Large diamonds discovered in the world

4 金剛石的價格決定因素

1931年Shipley建立了美國寶石學(xué)院(Gemological Institute of America，簡稱GIA)，該寶石學(xué)院建立了金剛石的4Cs評價標(biāo)準(zhǔn)，重量(Carat)，顏色(Color)，清潔(Clarity)和切割形狀(Cut)[16](圖3)，具體地說，金剛石的價格取決于其重量、顏色、有無裂紋、有無包裹礦物和切割的形狀等因素。目前，GIA的10個分院、9個金剛石分級和鑒定中心、5個實驗室、和4個研究所遍布全球14個國家和地區(qū)，共培養(yǎng)了來自全世界各國的超過40萬名學(xué)生。

4.1 金剛石的重量

目前，透明度好的500 ct.以上的大顆粒金剛石的拍賣價格都超過億元人民幣。金剛石的價格隨著其大小的級別成階梯上升，越大的金剛石其價值的等級越高，其價格也越穩(wěn)定，換句話說，金剛石的價格是按照其顆粒大小分級的，顆粒越大其價格的檔次越高，比如：20 ct.的大顆粒的金剛石是不可以參照小顆粒的價格用簡單成法運算來得出其價格的，20 ct.的大顆粒的金剛石是要比小顆粒的金剛石的價格級別高幾十倍甚至上百倍，過百ct.的金剛石的價格相當(dāng)于20 ct.左右的金剛石數(shù)倍。圖3E是金剛石克拉和顆粒大小的對比圖，方便人們根據(jù)顆粒的大小直觀地判斷金剛石的克拉數(shù)。

圖3 金剛石的評價標(biāo)準(zhǔn)Fig.3 Evaluation standards of Diamonds

4.2 金剛石的顏色

粉色和藍色的金剛石極為稀少也最貴(圖4B、C、D、E、H)，而淺黃色的價值最低，但是透明度好大顆粒的黃色金剛石也賣出過好的價格(圖4A、4F)。所有加工出來的大顆粒金剛石(大于20 ct.)的彩色鉆戒拍賣價格都過億，2016年香港佳士得拍賣公司拍出了一枚粉色鉆戒(圖4B、4C)，居然高達4.8個億，創(chuàng)歷史高價。印度是世界上發(fā)現(xiàn)并開采金剛石最早的國家，圖4G鉆戒是世界上少有的280 ct.淺綠色金剛石加工的鉆戒，于1650年在印度南部的Kollur金剛石礦中被發(fā)現(xiàn)，名字是Great Mogul Diamond。深紅色金剛石在世界上是稀有的，目前世界上僅發(fā)現(xiàn)有三顆大于5 ct.，Sydney DeYoung (1897—1986年)在美國波士頓的跳蚤市場發(fā)現(xiàn)了一顆5.03 ct.深紅色的金剛石(圖4I)，后來他捐贈給了Smithsonian學(xué)院。金剛石的顏色的深淺隨著所含微量元素的多少而產(chǎn)生微妙的變化，GIA建立了標(biāo)準(zhǔn)的顏色色標(biāo)，因為澳大利亞的Argyle礦多產(chǎn)彩色金剛石，Argyle公司也創(chuàng)造出自己的色標(biāo)(圖3A、B)。

4.3 金剛石的清潔度和切割形狀

天然金剛石的內(nèi)部通常含有包裹體，包裹體通常是鎂鋁榴石、透輝石、鉻鐵礦、鈦鐵礦、橄欖石和氣泡構(gòu)成。 包裹體是研究上地幔溫度和壓力的探針，對科學(xué)界來說非常有價值的，但是對寶石界來說是負(fù)價值，包裹體越多清潔度就差。圖3C是寶石界遵守的評價金剛石純潔度的衡量尺度，由“F,IF”(在10倍鏡下看不見任何雜質(zhì))到I-2、I-3(肉眼清晰可見雜質(zhì))共11個級別。

金剛石的價格還受其形狀影響，原石的形狀適合哪種鉆戒的特定形狀也是一個重要因素，即以最小的切割去實現(xiàn)特定的鉆戒形狀，而被切割下來的金剛石邊料少。鉆戒傳統(tǒng)的特定形狀叫法也比較流行(圖3F),侯爵夫人形(marquise)、公主形(princess)、橢圓形(oval)、圓形(round)、心形(heart)、阿舍爾形(asscher)、祖母綠形(emerald)、輻射形(radiant)和梨形(pear)，其它定形還有：Radiant、Baguette、Trillion、Cushion。除了這些比較時髦的形狀外，普通的而且比較常見的金剛石切割見圖3D。

圖4 世界上一些名貴彩色鉆戒Fig.4 Some expensive and processed color diamonds in the world

5 金剛石的加工

由于金剛石的密度大和硬度高，因此適合于加工出來具有比其它寶石更多的而且堅固棱角的拋光面(facets)，因此也造就了鉆戒在任何的角度都有折射光和反射光，給人以光彩奪目的印象，這也是鉆戒為什么價值高的重要原因之一。一般來說，以1毫米為尺度，大于1 mm的都叫寶石級金剛石，隨著機械加工技術(shù)的日益改進，許多公司把寶石級的尺度降低為0.5 mm，如著名的EZ公司，能加工0.25～0.75 mm的金剛石，用于鉆戒上大顆粒鉆石周圍的鑲嵌的小顆粒鉆石，也用于制作手表中。EZ公司歷史長達50年，總部設(shè)在菲律賓，在紐約、香港、上海和比利時均設(shè)有機構(gòu)。在我國的廣州和深圳設(shè)有加工企業(yè)。從專業(yè)的買進金剛石、切割打磨、到最后銷售都有專業(yè)人員。工廠的加工機器都是特定制作的世界頂級的機器。值得一提的是1985年成立的印度“吉蘭(Kiran Gems)”家族鉆石加工企業(yè)，目前該企業(yè)已經(jīng)具有4萬名員工，具有評估、加工、市場營銷等一整套的運作體系；在印度還有上千家類似的加工鉆戒企業(yè)，其中50%的企業(yè)集中在印度孟買北部250 km的Surat鎮(zhèn)，整個印度鉆石加工業(yè)控制了世界上80%以上的金剛石加工。在中國，鉆戒的加工起步晚，目前在廣州和上海僅有一些小型的金剛石加工車間。

6 世界鉆戒市場

金剛石價格隨著年代的增長變得越來越有價值。如前面所述的世界之最的庫里南，由最初的相當(dāng)于人民幣133萬到現(xiàn)在的超過10億元人民幣，增長了750倍[15]。美國在近半個世紀(jì)始終是全球最大的鉆戒市場，據(jù)mining-technology.com網(wǎng)站統(tǒng)計，2015年全球鉆戒銷售額為790億美元，美國占49.4%，中國為12.7%，日本為6.3%，印度為3.8%。預(yù)測到2020年，中國和印度這兩個國家鉆戒的銷售量總和將占全球的50%。

7 人造金剛石

過去的20年，世界上較大的地質(zhì)找礦勘探公司踏遍了全球每個角落，沒有大的發(fā)現(xiàn)。在過去的10年中，世界天然金剛石產(chǎn)量在1.3億ct.上下徘徊(資料來源：statista.com)。世界鉆戒市場的需求卻促進了人造金剛石企業(yè)的發(fā)展。人類研究人造金剛石(synthetic，artificial，cultured，cultivated diamond)有上百年的歷史，在高溫高壓下使碳原子轉(zhuǎn)化為人造金剛石的理論是1946年由諾貝爾獎獲得者Percy Williams Bridgeman提出的。美國GE公司于1955年用此理論制出人造金剛石[16]。

目前成熟的方法是高溫高壓(high pressure and high temperature，縮寫是HPHT)和化學(xué)蒸發(fā)沉淀(chemical vapor deposition，縮寫是CVD)兩種方法[17-23]。人造金剛石廣泛用于研磨和切割工具，像石油勘探與礦山開采、機床機械與汽車制造、軌道交通、核電、高壓線開關(guān)等等需要高硬度材料的地方。采用HPHT技術(shù)國外用的是“兩面頂壓機”，中國在1965年設(shè)計制造具有較大的優(yōu)勢的六面頂壓機，這些也都與優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)合金頂錘、粉末觸媒和間接加熱工藝(合稱粉狀工藝)的工業(yè)化密不可分。大型合成壓機是合成金剛石的核心設(shè)備，它要創(chuàng)造一個高溫(>1 400℃)、高壓(>5GPa)的合成腔體，在體內(nèi)使碳原子形成穩(wěn)定的金剛石晶體。

中國是全球最大的金剛石單晶生產(chǎn)大國，2015年產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的91%。中南鉆石、豫金剛石、黃河旋風(fēng)這三家中國人造金剛石企業(yè)的產(chǎn)品主要集中在顆粒較小的工業(yè)用金剛石的中低端市場，而人造金剛石的高端市場主要被元素六公司(Element Six，De Beers公司的子公司)、美國合銳公司(Hyperion)、韓國日進公司(Iljin)等外資企業(yè)所壟斷。面對金剛石工業(yè)市場的需求下滑而寶石級金剛石的市場較旺的情況，中國這三家企業(yè)已經(jīng)投入巨資進入高端彩色金剛石單晶制造領(lǐng)域。

隨著生產(chǎn)人造金剛石的工藝不斷改善，開始能生產(chǎn)出大顆粒(10 ct.)和有色金剛石，這對寶石業(yè)是個極大的挑戰(zhàn)和不小的沖擊。區(qū)分天然和人造金剛石是一個難題，天然大顆粒金剛石或多或少含有礦物包裹體和生長線，以及微弱的和均勻的熒光；而人造金剛石不含包裹體和有較強的熒光，天然金剛石是長時間形成的而人造金剛石是在短時間形成的，因此天然金剛石在熒光、顏色的均勻、生長紋路平整上都比人造金剛石好得多[24-26]。GIA的專家坦誠說：普通的寶石鑒定專業(yè)人員是很難區(qū)分天然和人造金剛石的。在人造金剛石對寶石業(yè)發(fā)起巨大的沖擊的同時，以GIA為首的寶石業(yè)在鑒別人造金剛石的技術(shù)上(FTIR，F(xiàn)ourier-transform infrared spectroscopy；中文：傅立葉變換紅外光譜)也在日臻完善[27]。

8 結(jié)語

金剛石的高硬度和稀缺性使其成為世界上最貴的礦物。大顆粒和彩色金剛石的價值達到天價而且所發(fā)現(xiàn)的地點提供原生礦地點的重要信息。與世界水平相比，在中國發(fā)現(xiàn)金剛石礦我們落后了，中國生產(chǎn)金剛石在世界上是最大的，占世界產(chǎn)量的90%以上。制造是工藝是工匠精神但這僅僅是生產(chǎn)技術(shù)不是科學(xué)不是理解，要想長久地發(fā)展一個企業(yè)必須有科學(xué)有科研有理解，金剛石制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)在科學(xué)的研發(fā)上再擁有自己的核心技術(shù)，在擁有自己的知識產(chǎn)權(quán)上投入資金。國際寶石協(xié)會聯(lián)合在抵制人造金剛石進入寶石市場制定了許多措施，但是人造金剛石的走私混入寶石市場的活動非常猖狂，不斷地沖擊鉆戒市場，蓄意夸張的和造謠中傷的微博傳播，這些都是對寶石界和地質(zhì)界的挑戰(zhàn)。