收稿日期:2002207216 修回日期:2002211220 作者简介:杨明星,男,1967年生,博士,副教授,主要从事珠宝检测和金刚石内部特征研究。
湖南金刚石的褐斑特征及其意义杨明星1 高 岩2(中国地质大学珠宝学院,湖北武汉,430074;21国家珠宝玉石质量监督检验中心,北京,100013)摘 要:湖南省是我国3个主要金刚石产地之一,所产金刚石的表面有大量的褐色斑点。
其褐斑的颜色有黄色、黄褐色、褐色、黑色等,主要分布在金刚石的溶蚀面上,与金刚石的类型无关。
在阴极发光仪下,褐斑区不发光,边部呈均匀的黄绿色。
拉曼光谱显示:褐斑中心区存在大量的空位,本征峰峰位漂移,由褐斑中心向外,峰值逐渐增大,半高宽逐渐减小。
褐色主要由自然界放射性粒子的辐照造成。
从褐斑的特点来看,湖南金刚石在形成砂矿后可能经过热变质作用,现代河流砂矿只是对原砂矿进行再次改造。
关键词:金刚石;褐色;斑点;辐照;湖南省中图分类号:P 571 文献标识码:A 文章编号:10082214X (2002)0420015205 湖南沅江和辽宁复县、山东蒙阴都是我国金刚石的重要产地,其中辽宁和山东两地的金刚石主要为原生矿,而湖南金刚石则为砂矿,且以Ib 型较多、表面褐色斑点多为特点[1～2]。
1999年3月,美国通用电气公司(GE )宣布,采用高温、高压处理能将褐色金刚石变成白色,颜色等级达95～100色,顿时掀起金刚石褐色成因及其优化处理的研究热潮。
尤其对金刚石的褐色成因问题的认识分歧较大,有杂质成因、塑性变形和辐照成因等解释[3～9]。
本文通过对湖南金刚石褐色斑点的研究,认为辐照是金刚石产生褐色的原因之一,并可以通过加热的方式予以优化。
1 湖南金刚石褐斑的特点湖南金刚石主要产自沅江,重要产地有常德、桃源和怀化等地。
金刚石晶形完整的占86%,单晶体占96%以上,主要为十二面体、八面体、六面体和类八～十二面体。
普遍经过了较强烈的溶蚀作用,晶棱圆滑,多为曲面晶体。
金刚石的表面溶蚀形貌较为丰富,有三角形凹坑、六边形凹坑、线性溶蚀丘及溶蚀孔道等。
湖南金刚石表面的色斑主要为褐色斑和绿色斑。
不同产地,有色斑的金刚石所占比例不同,从19%至35%(颗粒比)不等。
褐斑的大小一般为10～200Λm ,有些相邻褐斑连成片;厚度均匀,为20～60Λm ;色斑的颜色变化较大,从淡黄色→黄色→黄褐色→褐色→黑色变化;有的斑点明显,有些则较模糊。
褐斑的宿主金刚石的颜色有黄色、白色、褐色等,主要为IaA 和IaAB 型,也有IaB 、Ib +Ia 和 a 型;从褐斑在金刚石表面分布的部位来看,在八面体和十二面体的面上、棱上均有出现,而且边界自然,不受晶体表面的形貌特征影响。
有褐斑分布的晶面,绝大多数溶蚀纹清晰,只有少数样品例外。
第4卷 第4期2002年 12月宝石和宝石学杂志Journal of Gem s and Gemmo logyV o l .4N o.4D ec . 20022 实验测试对绿斑金刚石的绿斑的颜色稳定性进行了加热实验,对金刚石的褐斑进行了阴极发光、拉曼光谱特征分析。
211 加热实验对绿斑金刚石进行加热实验发现,在空气中550℃,恒温1h ,绿斑色调略有变化,色调带黄色,但仍以绿色为主;升温至580℃,恒温1h ,变化不明显;再升温到600℃时,恒温30m in ,绿色全部变成褐色;在惰性气氛中,升温至1000℃,恒温2h ,褐色开始变浅。
在加工金刚石的过程中也碰到同样的现象,样品H 4302在研磨之前为均匀绿色,在磨盘上抛磨到金刚石红热时,绿色很快转变成褐色;样品H 9301在抛磨后褐色色调明显变浅。
212 阴极发光在成都理工学院采用LB Y 21型阴极发光仪测试,在8～915kV ,011～012mA 时,宿主金刚石矿物一般发蓝色荧光。
受辐照较深的褐斑不发荧光,而受辐照较浅区,主要发黄绿色荧光,这一黄绿色荧光层厚约20～60Λm ,厚度一般较均匀,这表明这些金刚石在遭受辐照后基本没有再受明显的磨蚀作用;有些样品的黄绿色荧光层不均一,这表明样品可能受到了不均匀磨蚀作用。
这与对样品表面磨蚀特征的分析结论一致。
湖南金刚石褐斑的CL 特征与Kaneko 研究澳大利亚A rgyle 矿所获得的实验资料一致[10]。
213 拉曼光谱特征金刚石由于成分单一、结构对称性高,在拉曼光谱中本征峰仅有1332c m -1这一由金刚石的C -C 键引起的单峰。
样品H 9305受辐射较深,表层颜色为深褐色。
将样品磨成片,对近黑色的表皮逐点自表面向内部测试,结果见表1。
样品H 9305的本征峰变化很明显,受辐照严重的外皮(辐照损伤中心),晶格变化明显,本征峰由1332c m -1向低波数1314c m -1方向漂移,峰形变宽缓,半高宽明显加大,由外皮(中心)向内部,峰位和半高宽逐步向正常情况过渡,伴生峰的强度也逐步减弱至消失。
表1 样品H 9305的拉曼光谱峰值T ab le 1 R am an peak values of diamond H 9305c m -1位置点位本征峰峰位半高宽伴生峰峰位外皮(中心)内部11314182914240165513162914148814213231217147101631141636141493141464191444163132711101386016511416331014961114481341328127168781634111496171440145132819616431613291231789671329123126498132916318984 测试条件:R enishaw 1000,氩离子光源;狭缝宽度为1215Λm ;由高岩测试。
・61・ 宝石和宝石学杂志 2002年图1 样品H9305由外皮向内部拉曼光谱的变化特征F ig.1 V ariati on of R am an spectra of samp le H9305from the ri m to cen ter3 讨论311 色斑成因H arris和V ance认为[11,12],绿色不是金刚石的真正体色,一般绿色位于表层仅有20Λm厚,它是在金伯利岩或钾镁煌斑岩上部的氧化带中由Α粒子辐照损伤造成的。
放射性物质是溶于地下水后才对金刚石产生影响的。
最典型的例子是南非的F in sch矿,最初约有20%的金刚石有绿色调,但开采到100～130m以下未氧化的金伯利岩时,带绿色调金刚石的比例突然降到了2%。
莱索托的L etsing2la2terai矿的金伯利岩没有氧化层,没有发现绿色调的金刚石。
V ance[12]认为,砂矿条件和沉积环境更易造成金刚石绿色斑点的形成。
由于绿色转变成褐色需600℃的温度条件,因此,同时具有褐色和绿色两种颜色的金刚石可能是其受辐照的同时发生了其他热事件(如变质),其后又遭受了辐照。
根据本次实验的结果分析,湖南金刚石也有同样的特点,受辐照形成绿色,再遇到一定温度的热环境又转变成褐色。
不同的是,湖南金刚石中有绿色调的比例很大,黄绿色、绿色达27%～40%,而有斑点的占19%～35%,且斑点清晰,边界明显。
笔者认为,由于水溶液的流动性,地下水中放射性物质容易使金刚石表面形成整体均匀的绿色,而不易形成斑点;在沉积环境如沉积岩中,金刚石与辐照源(含U,T h的矿物)之间位置相对固定,容易形成清晰的深色斑,因而湖南金刚石可能是在沉积条件下遭受辐照。
褐色与绿色色斑的同时存在表明,湖南金刚石经历过辐照→加热→辐照的过程。
312 褐斑特征拉曼光谱显示,褐斑中心与褐斑外围相比,金刚石的本征峰峰位明显向低波数值方向漂移,半高宽明显加大,并新增了伴生峰,这表明褐斑中心金刚石的结构特征发生了某些变化。
B raun stein和Guo L iang等认为,褐斑中心出现了非晶质化现象,加热后有石墨化现象发生。
(1978)[13]认为,这是大量空位的形成・71・第4期 杨明星等:湖南金刚石的褐斑特征及其意义 所致。
根据褐斑中心向边部拉曼光谱谱峰的渐变特征分析,褐斑中心区(点1,2)可能由于遭受Α粒子的轰击,产生了大量空位,使SP3键变形、变大,拉曼峰位相应地向低波数值漂移,变形程度的不一致性使谱峰的半高宽变大;向正常区过渡(点3～6)时,有一个逐步恢复过程,峰位回归,半高宽减小;在斑的边部,由于被轰击的C原子大量成为空隙原子,C—C键被挤压,使特征峰的半高宽值小于正常值(点7),斑区以外(点8)则回归正常。
313 褐斑与纹蚀的关系金刚石晶体在遭受溶蚀和磨蚀时都会使晶体圆滑化,但两者之间还是有明显的差异。
溶蚀作用发生时,受晶体内部结构的影响,溶蚀面上会留下溶蚀纹;磨蚀作用发生时,晶体被磨圆,晶面光滑,只有在不同部位的硬度出现明显差异时,才会有高低不平且圆滑的丘或脊。
大多数湖南金刚石表面的溶蚀纹清晰,磨蚀程度很低,表明金刚石被搬运的距离较小,距离原生矿较近。
少数样品如H9301,为沿L3压扁的菱形十二面体,晶棱圆滑,表面有不规则的丘,金刚石为IaA型,白色,表面有密集的褐黄色斑。
在显微镜下仔细观察可发现,突出的丘与褐斑有密切关系,丘中心为较深的褐色,边部变浅为黄色,丘下面即为白色。
晶体表面光滑,有明显的磨蚀痕迹,且褐斑区呈突出的丘状,高出白色区。
也就是说,样品表面受到较强烈的磨蚀作用,而褐斑区抗磨蚀的能力较白色区强,被磨蚀的厚度要小于白色区。
在阴极发光图案中,一般受辐照的样品的黄绿光荧光层厚度比较均匀,而H9301的黄绿色荧光层厚度不均一,褐斑区的表层厚,白色区的表层薄,这也说明褐斑区受磨损少,而白色区受磨损多。
这表明,金刚石H9301在遭受辐照后,再次经风化作用进入河流,经过了一段较长距离的搬运,样品距离原矿区较远。
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