钻石:来自地下喷发

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  钻石,众所皆知,做成饰品悬在胸前、戴在手指上,让人亮眼,然而,钻石从何而来却鲜为人知……
  
  钻石直到19世纪中叶还是一种被笼罩在谜里的矿物。在大约4200种矿物中,为什么钻石是最硬的?它究竟出自哪里,构造又是怎样的呢?本文将带你走进钻石天地。
  人类与钻石的交往历史悠久。远在公元1世纪,在罗马史书上就出现了它的名字。当时的钻石与其说是宝石装饰品,还不如说是利用其硬度用作雕刻的工具。其后随着切削技术的进步,钻石也体现了它作为宝石装饰品的价值。15世纪前后,人们开始采用微细的金刚石粉磨光钻石的手法加工钻石饰品,巴黎、伦敦或安特卫普等欧洲城市钻石加工业蔚然成风。
  作为宝石饰品,钻石价值被提高的另一前提是对钻石的科学研究起步较晚,而起步晚的原因之一是没有发现钻石矿。在古代,钻石混杂在印度或巴西等河流的砂石中间,很少被发现,故采集量极少。那些高品质的钻石非常昂贵,只有王公贵族才能享用。因此,钻石被用作研究在当时几乎是不可能的。
  19世纪钻石研究进入了历史转换期。1866年,生活在南非农场的艾拉斯莫斯·贾可布在奥兰治河捡到一块21.25克拉(宝石计量单位,1克拉=0.2克)未经加工过的钻石,当人们知道在南非能够采集到钻石后,几千名探矿者便蜂拥般地来到奥兰治河边。1870年伯纳特兄弟两人在金伯利近郊最终发现了钻石矿。这一发现具有重大意义,通过研究矿山的地质,人们终于知道钻石是在什么样的环境和条件下生成的。
  1999年,美国麻省大学的地球科学家史蒂芬·哈卡迪博士调查了世界各地的许多矿山,并收集包括钻石岩浆的年代。哈卡迪说,过去至少有七个时期含有钻石的岩浆断断续续地在世界各地喷出。其中含钻石最多的岩浆喷出是在非洲、南美等四个大陆,时间是在8000~12000万年前,这恰恰是恐龙全盛时期的中生代白垩纪。
  
  指示矿物的发现
  伯纳特兄弟发现了金伯利矿山,应该说是一个了不起的发现。
  它判明钻石是太古的岩浆凝固的火山岩,而且这个火山岩除了钻石外还包含石榴石或橄榄石矿物。因此,可以这样说,在搜寻过程中如果能搜寻到石榴石或橄榄石等矿物,那么找到钻石矿的可能性就大了。我们把与钻石共生的矿物称之为“指示矿物”。至于从何时起确立用“指示矿物”寻找钻石矿的方法还说不准。有文献称,20世纪70年代美国史密索尼恩研究所地球化学家约翰·加尼博士仔细研究了石榴石与钻石的关系,并发表学术论文。但又有一说,早在50年代德·比亚斯公司的地质学家已经采用“指示矿物”在世界各地勘探钻石矿了。
  
  地球上最硬的物质
  说到钻石,有一个不可或缺的特性是它的“硬度”。现已知道,如果将所有矿物中不同的两种物质搅合在一起,那么它肯定会造成其中一个被划伤,而其中不会被划伤的最硬的矿物,便是钻石。
  事实上,18世纪后半叶才查明钻石是由什么材料构成的。18世纪70年代到90年代,法国化学家安特卫尼·拉博阿杰门做了一个在氧气中的钻石燃烧实验,并成功捕捉到钻石燃烧产生二氧化碳气体的现象。通过这个实验,查明了钻石是由碳物质构成的。
  但是,钻石含碳并不是坚硬的理由。例如铅笔使用的石墨也是由碳构成的,但石墨却是比人的指甲还柔软的矿物。两者的差异到底是什么呢?
  1913年,英国物理学家威廉·布拉格父子找到了答案。小布拉格通过χ射线观察,结果发现钻石内部各碳原子紧密地与邻近的4个碳原子形成共价键立方晶系。这样的状态在其他矿物里是看不到的。况且其密度是每立方厘米3.5克,相当于石墨的1.5倍。正是这个致密的结构成就了钻石的高硬度。
  
  以碳或太古的浮游生物为原料
  碳是司空见惯的元素。动植物自不必说,就连空气中也存在。当然,我们身体中也有碳原子,人体物质中的18%都是由碳构成的。
  实际上,尽管碳是常见元素之一,但它在地球内部的蕴藏量并不多。地球内部的化学组成是以太阳的光谱分析或落到地球上的陨石等来进行推测的。根据这样的分析,镁、硅、氧、铁这四种元素在地球上所占比例近95%,加上铝、钾等,占整个质量的99%,而剩下的1%才是包含碳在内的其他所有元素。
  再者,越是重元素越有集中靠近地球中心的倾向。像碳那样比较轻的元素则集中在地表附近,地下几乎不存在。专家认为:“46亿年前,从地球诞生时起,地球内部只有一点点碳,而它们却是构成许多钻石的原材料。”
  另一方面,通过同位素分析,查明极少部分钻石材料是有机物的碳。即数亿年到几十亿年前,沉积在海底的动植物浮游生物的尸骸(有机物)借着板块运动有可能从俯冲带钻入地球内部,它们历尽沧桑,久而久之,便成为钻石。
  总之,地球中碳的含量是极微量的,或许这个极微量与钻石的稀少有关亦未可知。
  
  钻石在地下150至250千米处诞生
  钻石是在地球内部何处构成的呢?这个疑问与其硬度有密切关系。众所周知,地球内部越深则压力和温度越高。例如深30千米附近的温度是数百摄氏度,压力超过1万个大气压,如果深100千米,则变为温度1000℃、3万个大气压。
  因此,自19世纪起,人们就开始将与钻石同样的由碳构成的矿物石墨放在高温、高压的条件下进行人工合成钻石的实验。1880年,苏格兰的矿物学家詹姆斯·哈尼利用化学药品反应所产生的热与压力的方法合成钻石;19世纪90年代,法国化学家费尔南多·费德利克·姆瓦桑(获1909年诺贝尔化学奖)等人用溶解碳的铁骤冷的方法尝试合成钻石。上述实验中,由于哈尼的这一做法不能构成结晶,而姆瓦桑的实验因有杂物混入,结果均以失败告终。
  20世纪50年代,瑞典的ASEA公司与美国的通用公司相继开发出了稳定加高压增热的装置,成功地取得人工合成钻石。据说那时使用的是54000大气压的超高压和1400℃的超高温。而且通过这些实验数据,查明了钻石的出生地。
  所谓“5万个大气压的超高压”,即相当于150千米的地下深处。这样我们清楚了钻石大都是在地下150~250千米的地幔内形成的。但是并非地幔内的碳皆可变成钻石,这是因为地下的碳很少,仅以碳原子的形式存在。由于这些碳原子是与构成地幔矿物中的其他元素结合在一起,所以单凭深度并不能形成钻石。专家认为:除了深度外,还须加上碳单独存在的特殊条件才能诞生钻石。当然,这一特殊条件是否属实仍是正在研究的课题,眼下还不完全清楚。
  
  煤或陨石中也有钻石
  在巴西等无岩浆的地方,我们将从煤中提取的黑钻石称为“黑金刚石”。它是由纳米尺寸的微小钻石集在一起的,平均重量是1克拉,最大的是230克拉。那么,这种奇妙的钻石是怎样构成的呢?
  专家发现,黑金刚石含有高浓度的核分裂氙。它是通过铀分裂形成的,所以考虑黑金刚石的生长本质与铀有关。原来铀在煤中具有浓缩的倾向。煤中的铀可分裂释放能量,这个能量将使煤的碳原子结晶成钻石。因此不一定需要地球深处的高压力,黑金刚石也可以在近地表处形成。
  此外,在陨石中也存在钻石。钻石的大小随陨石种类的不同而不同。我们知道,铬陨石是数微米级的,铁陨石是数毫米级的,其颜色与黑金刚石一样也是黑的。关于它的成因有各种说法。一种说法是铁陨石中比较大的钻石,或许是通过陨石碰撞地球时的高温、高压瞬间构成的。另外,铬陨石的钻石有可能是在宇宙间形成的。究竟陨石中的钻石是如何形成的,至今还无法得到证实,但人们更倾向于铬陨石由碰撞产生钻石的说法。
  
  超音速岩浆喷涌
  既然钻石生成在地球的深处,那么我们又是怎么知道的呢?这还得从金伯利岩浆说起。所谓“金伯利岩”是指在特定区域被确认的某种具有金刚石原生矿性质的火山岩。金伯利这个名字是以最早发现该种火山岩的地名命名的。所谓“火山岩”是指岩浆冷却凝固的岩石。很多钻石矿就存于这种火山岩之中。
  1872年,德国矿物学家埃尔米·科恩确认金伯利岩是从地球深处涌出的岩浆,并且知道除钻石外还有许多仅在高压状态诞生的矿物。据此可以考虑金伯利岩浆是发生在地下深处,并在地壳薄弱之处向上喷涌,形成所谓的“钻石导管”。钻石可以说被金伯利岩浆随带着喷涌到近地表。通常岩浆流得相当慢,但是金伯利岩浆在强大力量的推挤下以极快的速度,甚至以超音速的速度向上喷射。
  如果不是超音速的喷射又将如何呢?若压力缓慢或温度过低,碳原子间的结合变弱,原子的配置发生变化,在那种情形下钻石就有可能变成石墨了。
  
  小贴士
  
  评定钻石的四项指标
  多少年来,钻石一直被世人视为珍宝。但是,虽说同样是钻石,它们之间的价格却相差甚远,从1克拉几百美元到几万美元不等。钻石的好坏是通过钻石的质量、切削、色泽、透明度四项指标的评估来决定的。
  
  重量
  钻石的重量对其价格的确定十分重要。普通钻石重量一般为0.2~0.4克拉,达1克拉的不多,100克拉的更属罕见。难怪克拉数越大其价格也越高。例如英国女王王冠上的一颗“库希努尔”钻石,重达108.93克拉,当时价值4万英镑。这颗钻石是14世纪初在印度古城朱而肯达郊区被发现的,原属于印度的一个土王所有,其后不知辗转了多少人之手,不少帝王为擢取这颗钻石而丧命。直到1849年被两名英国军官在旁遮普首府的一堆珠宝中发现,并作为礼物献给了英国维多利亚女王。不久,女王让人把这颗钻石进行加工,将原重186克拉切削成现在的重量。1911年玛丽女王将这颗钻石镶嵌在王冠上,现在这颗钻石作为英女王权利的象征已是无价之宝了。
  
  切削
  俗话说“玉不琢不成器”,钻石也同样,只有经过正确比例的切削,才能使钻石潜藏的光彩显露出来。但这需要高超的技术和丰富的经验,因为每块钻石都有裂面,就像木材有木纹一样,除非很精准地断定这些裂面部位,否则一刀下去,稍有不慎就会使一块无价的钻石变成一堆碎片。现镶嵌在英国王笏上最大的一颗名为“非洲之星”的蛋形钻石,重达530.2克拉,据说在切削加工过程中还有一段趣闻。
  它是由当今世界上最大的一块叫作“卡里南”的原石切削而成的。这块如拳头般大小的钻石重达3106克拉。英王请来了阿姆斯特丹的著名匠人阿歇尔加工。阿歇尔接到这块钻石后进行了长时间的仔细观察和琢磨,并精心制定了一个周密的加工方案。
  有一天,他用一把特制的钳子把这块大钻石紧紧地钳住,然后将劈刀放进他预先在钻石上磨出的不到1厘米的磨槽里。助手们在一旁屏息静气地观看着。只见他用一把有一定重量的锤子敲了一下劈刀,随后“啪”的一声劈刀断了,阿歇尔的脸上顿时渗出颗颗冷汗。在紧张得仿佛马上就要爆炸的气氛中,他又换了第二把劈刀,敏捷地敲了一下,这次钻石完全按预想裂为两半。就在钻石裂开的一瞬间,紧张过度的阿歇尔也晕倒在地。
  
  色泽
  装饰用的钻石看上去几乎是无色透明的,实际上是略带一点颜色的,不同的颜色决定了钻石的品级。在无色透明中略带一点浅蓝色的最为名贵,无色透明次之,以下依次为黄色、深绿色、玫瑰色、蓝色和红色。
  
  透明度
  我们知道,钻石是由碳元素物质构成的,由于在结晶过程中某些天然矿物的混入,致使几乎所有的钻石都有一定的内含物,内含物的多少决定其透明度的高低。通常,检查透明度用的是10倍放大镜乃至显微镜,然后评定级别。
  顺便指出,通常人们把包括钻石在内的宝石鉴别与鉴定混为一谈。事实上,它们各有不同的含义。鉴别是使用科学装置识别宝石是天然的还是人工合成的。而确定宝石的价值称鉴定。以钻石而言,一块名贵的钻石之所以昂贵,除其颜色上乘、重量大、透明无杂质外,还需要能工巧匠的精心切削和琢磨。专业人员通过上述四项评估后用书面的形式开出鉴定证书。
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