现代测试技术在金刚石包裹体研究中的应用

应用现代测试技术研究金刚石中的包裹体可为探索金刚石成因和地幔岩石圈性质及演化等重大问题提供重要的依据.采用激光拉曼探针(LRM)分析技术可以获得包裹体分子振动和分子配位体结构的信息, 适用于研究金刚石中的固体及流体包裹体.用电子探针分析(EMPA)技术可以分析金刚石内包裹体的主元素类型和含量, 可根据分析数据计算其化学结构式和确定包裹体的名称.用激光剥蚀电感耦合等离子质谱分析(LA-ICPMS)技术可准确得到样品中的主要元素、微量元素等信息, 相对其它测试技术可获得更加完整的金刚石中包裹体的信息.对于不同的包裹体样品, 运用恰当的分析方法是成功获得重要信息的关键.     

辽宁金刚石中矿物包裹体标型特征及其意义

辽宁金刚石中矿物包裹体的化学成分和组合特征属于典型的橄榄岩型,具有重要标型意义的矿物包裹体主要有镁橄榄石、铬镁铝榴石、铬铁矿等。由单晶金刚石与微晶金刚石相互交替生长而构成的结构环带以及由成分复杂的壳源物质构成的成分环带,分别具有重要的成因意义,以EPMA、LRM及宝石显微镜为研究手段,从金刚石中矿物包裹体标型特征这一角度,揭示了辽宁部分金刚石的不平衡结晶作用过程具不连续性和多阶段性;金伯利岩岩浆在侵位过程中,其侵入速率曾发生过周期性变化,并发生再结晶而形成金刚石,进一步验证了辽宁大多数金刚石不属岩浆结晶产物而是地幔捕虏晶这一推论。     

铁基触媒合成工业金刚石中包裹体研究

借助穆斯堡尔谱的测试方法,对不同铁基粉末触媒合成的工业金刚石中的包裹体进行了检测,结果表明,纯Fe触媒合成的金刚石晶体中的包裹体为a—Fe和Fe3C;Fe90Ni10和Fe80Ni20合成的金刚石晶体中的包裹体主要以FeNi合金和Fe3C形式存在,同时随着触媒中的Fe含量的降低,包裹体Fe3C的相对含量随之降低。另外,对包裹体的形成机制进行了分析。通过对包裹体的成分和形成机制的研究,提出了有效减少金刚石中包裹体的方法。     

包裹体作用下的人造金刚石单晶的破裂

使用Diashape形貌分析系统,通过分析晶体的透光性和纯净度对人造金刚石所含包裹体的情况进行分级。选取包裹体含量中等的金刚石晶体,一部分在静压强度仪上施压致其开裂;另一部分通过高温煅烧致其开裂。使用超声波将已开裂晶体震开,通过分析断面形貌和成分,分析包裹体致金刚石晶体破裂失效的原因。试验发现,无论是受压,还是受热,金刚石的开裂面均平行于（111）晶面。包裹体与晶体的界面是应力集中的位置,也是裂纹源。晶体受压开裂是由于包裹体与晶体的弹性模量不同;而晶体受热之后的破裂失效,则是由于膨胀系数的不同所致。     

金刚石连聚晶成因的理论分析

金刚石连聚晶是生产过程中一种常见的现象，它的存在严重地影响了金刚石的质量。采用扫描电镜，观察了金刚石合成片中连聚晶的结构、部位；并结合研究包裹在金刚石生长表面外的金属膜外衣的结构，探讨了金刚石连聚晶的成因、类型及采取何种措施，来解决不同类型的方案。对提高金刚石的整体强度和高强度料的比例都有积极的意义。     

金刚石的拉曼压力测定法

金刚石及源区的温度和压力一般是用共存相矿物包裹体之间的化学平衡进行估计的. 另一新的金刚石压力计是根据橄榄石包裹体的内压力和周围应力来确定. 对钻石样品中的橄榄石包裹体进行拉曼光谱测定, 确定橄榄石包裹体的内压力pi. 根据钻石中包裹体的周围应力而确定的压力与包裹体的内应力值相似. 然后根据钻石中的氮含量和聚合状态确定金刚石在地幔的存留温度(t0). 根据这一温度以及钻石、橄榄石的膨胀系数可以计算出压力. 源区的压力(p0/GPa)与源区的温度(t0)及测定的包裹体的内压力的关系为: p0＝(3.25×10-4pi+3.285×10-3)t0+0.924 6pi+0.319. 根据拉曼压力测定和金刚石在地幔中存留温度的红外测定, 可以估计源区的压力. 这是一种采用金刚石中的包裹体进行的无损测定方法.＃ 杨梅珍译     

Ⅱa型宝石级金刚石大单晶研究最新进展

用合金触媒利用温度梯度法合成优质Ⅱa型宝石级金刚石。研究发现，在约5．4GPa和约1300℃的条件下，除氮剂的加入使合成金刚石的温度区间变窄及金刚石晶体生长过程中更易俘获包裹体而出现熔坑，从而影响晶体的生长速度。实验解决了组装的稳定性问题；并通过调整组装，在除氮剂合适的掺入量下，使合成优质金刚石的最大生长速度达到2．16mg／h。结果实验获得了4．3mm的优质Ⅱa型金刚石大单晶。红外测试分析表明该金刚石含氮量小于10^-7。     

优质金黄色工业金刚石的高温高压合成

在铁基触媒中引入添加剂,利用高温高压法,成功地合成了金黄色的工业金刚石。研究发现,随着添加剂含量的提高,合成金刚石的最低压力和某确定压力下的最低生长温度都呈增加趋势。另外,这种添加剂对金刚石的自发成核有一定的抑制作用,而且随其添加量的逐渐增加,这种抑制作用逐渐增强。在光学显微镜下进行观察,发现所合成的晶体呈完整的八面体形状,包裹体少,透明度高,优晶率达到80％以上。通过与无添加剂样品合成的金刚石进行对比,发现两种情况下所合成的晶体生长速度相近,晶体形貌相似,只是前者表面的凹坑呈三角形,而后者表面的凹坑呈圆形。     

金刚石颜色成因探讨

概述了能带理论,并阐述了关于金刚石致色的能带理论的解释及其致色机理。根据金刚石的色心类型,阐述了其致色的色心理论的解释,列举了氮中心的各个辐射损伤中心的呈色机理。同时,还介绍了金刚石呈色的其它原因。研究认为,金刚石颜色的成因主要由能带理论和色心致色理论来解释,其次,杂质金属离子、氢杂质、包裹体等也可使金刚石致色。     

巴西砂矿金刚石产地特征及比较研究

金刚石产地来源的确定是国际性难题,其中由于砂矿金刚石可能存在搬运过程的混合,其产地来源的确定更加具有争议性。巴西金刚石绝大部分来源于砂矿,从成矿地质背景、形貌和颜色、内部结构、矿物包裹体、微量元素、C同位素组成分布等六个要素总结分析了巴西金刚石研究的相关成果,为国际砂矿来源金刚石产地辨识提供参考。研究结果显示,巴西大部分矿区金刚石的特征与世界范围其它矿区的相似,以橄榄岩型为主,难以相互区分。但其中Juina地区和Machado河产地的金刚石具有独特的氮含量(无氮的Ⅱ型为主)和聚集状态,内部结构、矿物包裹体组合及温压环境特征均显示出深部地幔来源的特点,和巴西其它产地具有一定的区分度。与世界范围不同产地砂矿来源金刚石的基本特征对比显示,不同国家具体地区砂矿金刚石在上述不同要素的组合上存在一定的差异性,但总体上要借助现有资料进行产地来源的准确判断还非常困难,需要进行更深入细致的工作。     

俄罗斯的金刚石及其产业发展

2010年,俄罗斯毛坯金刚石的产量约占世界总产量的25%,并以强劲的增长势头不断改变着世界金刚石市场的供应格局。对近10年发表的有关俄罗斯金刚石的英文文献进行了编译整理,对雅库特、阿尔汉格尔斯克和乌拉尔产出金刚石的宝石矿物学特征进行了比较分析,结果显示,三个产区的金刚石在颜色、形貌、微量杂质元素、发光性、包裹体等方面有一定的差异,这些差异是否可以作为俄罗斯不同金刚石产地来源的标型特征还有待进一步验证。结合俄罗斯近5年来在世界金刚石市场上的表现,简要分析了俄罗斯金刚石对国际市场的影响及金刚石产业发展的情况。有关信息对了解世界金刚石供求关系及国际金伯利进程框架下金刚石产地来源的研究有一定的参考价值。     

高温高压下通过石墨直接转化合成的纯聚晶金刚石

用多砧压机在压力为12~25GPa、温度为1800℃~2500℃的条件下,通过石墨直接转化的方法已经合成出纯聚晶金刚石聚合体。这种聚晶金刚石是无色透明的,而且通过微束X-射线观察可确定它具有立方对称性。通过TEM观察可看出,样品是由10~20nm的金刚石单晶微粒构成的,通过拉曼光谱仪可以观察到,它的拉曼光谱中只有一条很弱的宽峰,其拉曼位移为~1331cm-1。压痕法硬度测试表明,这种聚晶金刚石的努普硬度最高可达到140GPa,这个硬度等于甚至高于天然金刚石和合成金刚石的硬度(60~130GPa),而约为含有粘接剂的聚晶金刚石的硬度(50~60GPa)的二倍。实验结果表明,天然聚晶金刚石可能是由包裹在寒冷的硬壳中的亚稳态石墨下沉到较热的区域,如地幔转化区域中上升的岩浆,而发生快速转化形成的。     

挪威西部片麻岩区高级变质岩中的微粒金刚石

从挪威西部片麻岩区的高级片麻岩中回收了3颗微粒金刚石。通过拉曼和红外光谱鉴定并测定这3颗微粒金刚石的特征,发现它们的结构中有H和N的替代杂质。通过对含金刚石岩石中的石榴石和石英矿物中的原生流体包裹体的研究,证明变质挥发分流体发生了演化,即从变质高峰期间还原的N_2-CO_2成分演化到退变质作用期间含N_2-CH_4±H_2O成分。地质、岩石和流体成分资料都表明微粒金刚石为变质成因;如果真是这样,那么微粒金刚石和片麻岩所记录的变质和流体条件可以用到其它高压区域变质带去研究微粒金刚石。     

(FeMn)_xAl_(1-x)-C体系金刚石的高温高压合成

利用F eM n-C体系以及添加剂A l,在国产六面顶压机上分别进行了合成金刚石单晶的实验,研究了在高温高压条件下(5.6~5.8 GPa,1400℃~1600℃)(F eM n)xA l(1-x)-C(0≤x≤1)体系金刚石生长特性。通过光学成像显微镜、扫描电镜(SEM)和显微红外光谱、穆斯堡尔谱等分别对合成后的金刚石晶体的颜色与形貌,含氮量以及内部杂质进行了测试分析。研究结果表明,(F eM n)xA l(1-x)-C体系可合成晶面完整的八面体金刚石晶体;无A l(x=1)添加时,合成晶体的生长速度较快,添加A l(x≠1)后,晶体生长速度明显变慢;无A l添加时,体系合成晶体的含氮量较高,而添加A l后,含氮量明显降低;无A l添加时,合成晶体内部的包裹体主要成分是F e3C和F e,添加A l以后,合成晶体内包裹体主要成分是F eA l合金。     

宝石之王——钻石

在自然界,有一种矿物叫做"金刚石"。大部分的金刚石是黑色不透明,或者是有很多裂纹包裹体,只有小部分金刚石透明若水,达到了作为宝石原料的要求,叫做宝石金刚石。经过琢磨加工的宝石金刚石,就是女性们梦寐以求的宝石之王——钻石。宝石金刚石之所以这样珍贵,是由于它不仅特别稀少,而且具备宝石所应有的一切条件。     

添加剂硼对合成细颗粒金刚石单晶的影响

实验在国产六面顶压机上利用高温高压方法,在铁基粉末触媒中添加硼粉,合成出了细颗粒金刚石单晶,找到了合成含硼细颗粒金刚石单晶的最佳添加比例。实验结果表明：随着硼添加量的增加,晶体的颜色逐渐加深,合成细颗粒金刚石单晶的最低压力点呈动态变化趋势。在铁基粉末触媒中添加硼粉,合成的金刚石单晶容易出现包裹体,且颗粒细化后依旧没有大的改善,原因与硼的电子结构有关。     

金刚石中的包体是揭示地球深处秘密的最佳途径

金刚石的商业价值随着其纯度和透明度的增加而增加,然而它们的科学价值则常常取决于其所含的矿物包体。据Daniels 等(1996)报道,在金刚石中发现了主要在富含粘土的变质沉积物中出现的十字石包体。他们认为由于金刚石只能形成于深度120km 或地球的更深处压力下,因此这是对一段时期以来地质学家根据同位素研究提出的推断确定无疑的验证,即大陆壳矿物再循环进入地幔。     

用温度梯度法生长优质Ⅱa型金刚石大单晶

利用温度梯度法在国产六面顶压机上合成优质Ⅱa型宝石级金刚石。除氮剂T i(Cu)的加入使合成金刚石的温度区间变窄且晶体生长更易俘获金属包裹体,通过采用稳定的组装、降低生长速度而获得了优质Ⅱa型金刚石大单晶。     

解读De Beers锯片金刚石磨粒标示图系

在已知应用条件下正确选用锯片金刚石磨粒乃是获得最佳效益的先决条件。为此，De Beers工业金刚石部根据广泛的试验室实验和确证的现场数据，制定出其锯片金刚石产品的标示图系，以便金刚石工具制造厂家能够选择最合适的锯片金刚石磨粒。不同的合成方法可合成出同样强度的金刚石，但其颗粒结构不同。金刚石的颗粒结构可用其粒度、形状、表面特征和内含夹杂物来表征。在同样工作条件下．不同合成方法生产出来的金刚石磨粒的磨损状况是不相同的。因而其磨损机理标示图也不相同。在De Beers锯片金刚石磨粒标示图系中列出了颗粒强度、颗粒结晶度和磨损机理标示图。应用De Beers锯片金刚石磨粒标示图系的关键在于对磨损机理标示图的透彻分析。     

浓缩法分析金刚石内的杂质元素

金刚石内的杂质是影响性能的主要因素之一,通过浓缩法(将金刚石放在马弗炉里充分燃烧后检测残余物)借助配有能谱(EDS)的扫描电镜(SEM)检测出金刚石里的杂质元素并观看了残余物的形貌。发现金刚石里包含F e、N i、C a、A l、S i、S、C l、K、N a、T i、M g等杂质;而且残余物中F e-N i合金有两种不同的形状,即片状和颗粒的聚集体。分析表明:金属杂质是更易渗透进金刚石里的,而且它们在两面顶合成的金刚石里以颗粒状杂质为主,并在金刚石里是分散排布的,由于在马弗炉里受高温作用而浓缩在一起。包裹体的存在破坏了晶格结构,影响了物理化学性能,应根据杂质的来源而尽量设法避免杂质的进入。