什么是拉曼光谱？

拉曼散射的光谱。1928年CV拉曼实验发现，当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化，这一现象称为拉曼散射，同年稍后在苏联和法国也被观察到。在透明介质的散射光谱中，频率与入射光频率υ0相同的成分称为瑞利散射；频率对称分布在υ0两侧的谱线或谱带υ0±υ1即为拉曼光谱，其中频率较小的成分υ0－υ1又称为斯托克斯线，频率较大的成分υ0＋υ1又称为反斯托克斯线。靠近瑞利散射线两侧的谱线称为小拉曼光谱；远离瑞利线的两侧出现的谱线称为大拉曼光谱。瑞利散射线的强度只有入射光强度的10-3，拉曼光谱强度大约只有瑞利线的10-3。小拉曼光谱与分子的转动能级有关， 大拉曼光谱与分子振动-转动能级有关。拉曼光谱的理论解释是，入射光子与分子发生非弹性散射，分子吸收频率为υ0的光子，发射υ0－υ1的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（斯托克斯线）；分子吸收频率为υ0的光子，发射υ0＋υ1的光子，同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯线 )。分子能级的跃迁仅涉及转动能级，发射的是小拉曼光谱；涉及到振动-转动能级，发射的是大拉曼光谱。与分子红外光谱不同，极性分子和非极性分子都能产生拉曼光谱。激光器的问世，提供了优质高强度单色光，有力推动了拉曼散射的研究及其应用。拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。

天然钻石：是世界上公认的最珍贵的宝石，矿物名称是金刚石。在矿物学上属于金刚石族。

人工钻石：分合成钻石、优化处理钻石。 

人工钻石与天然钻石的区分方法：

1、人工钻石的鉴别方法

（1）合成钻石

［1］高温高压合成钻石

颜色：以**、桔**、褐色为主，价格很有竞争力；而蓝色和近无色等颜色，由于技术难度大，成本高而极难见到。

内部显微特征：可见细小的铁或镍铁合金触媒金属包体。部分合成钻石具磁性，可见不规则状颜色分带、沙漏形色带等。

净度：以P、SI级为主，个别可达VS级甚至VVS级。

吸收光谱：缺失415nm吸收线。

异常双折射：很弱，干涉色变化不明显。

紫外荧光特性：长波紫外线下荧光呈惰性，在短波紫外光下发光性有明显分带现象，为无至中的淡**、橙**、绿**不均匀的荧光，局部可有磷光。

［2］CVD合成钻石

颜色：多为暗褐色和浅褐色，也可以生长近无色和蓝色的产品，但非常困难。

内部显微特征：可见不规则深色包体和点状包体。可有平等的生长色带。

异常双折射：有强烈的异常消光，不同方向上的消光也有所不同。

紫外荧光特性：长短波紫外线下，有弱的橘**荧光。

（2）优化处理钻石

［1］颜色优化处理

①传统颜色优化处理：

古老的处理方法是在钻石表面涂上薄薄一层带蓝色的、折射率很高的物质，这样可使钻石颜色提高1－2个级别，更有甚者在钻石表面涂上墨水、油彩、指甲油等，以便提高钻石颜色的级别，也有的在钻戒底托上加上金属箔。这些方法很原始，也极容易鉴别。

②辐照改色钻石及其鉴定：

辐照改色是物理改色法，只用适用于有色而且颜色不好的钻石。

颜色分布特征：色带分布位置及形状与琢形形状及辐照方向有关。当来自回旋加速器的亚原子粒子，从亭部方向对圆多面型钻石进行轰击时，透过台面可看到辐照形成的颜色呈伞状围绕亭部分布，在这种情况下，阶梯形琢形的钻石仅能显示出靠近底尖的长方形色带。当轰击来自钻石的冠部时，则琢型钻石的腰棱处将显示一深色色环。当轰击来自钻石琢形侧面时，则琢型靠近轰击源一侧颜色明显加深。

吸收光谱：有595nm或H1b和H1c线的出现。

导电性：辐照形成的蓝色钻石不具导电性。 

③GE钻石

又称为高温高压修复型钻石，处理后的颜色大都在D到G的范围内，但稍具雾状外观，带褐或灰色调而不是**调。高倍放大下可见内部纹理，常见羽毛状裂隙，并伴有反光，裂隙常出露到钻石表面、部分愈合的裂隙、解理以及形状异常的包体。这种钻石鉴定起来比较困难，通用电气公司曾承诺由他们处理的钻石在腰棱表面用激光刻上“GE　POL”或“Bellataire”字样。

④Nova钻石

一种新的颜色优化处理方法，又称为高温高压增强型或诺瓦钻石（Nova）。该钻石发生强的塑性变形，异常消光强烈，显示强黄绿色荧光并伴有白垩状荧光。这些钻石刻有Nova钻石的标识，并附有唯一的序号和证书。

［2］净度处理

①激光打孔

传统激光打孔处理：钻石表面留下永久性的激光孔眼，而且因充填物质硬度永远不可能与钻石相同，往往会形成难以观察的凹坑。

KM内部破裂法：这种次生裂隙看起来与天然裂隙相似，但这种方法处理不好就容易使钻石破裂。

KM内部缝合法：表面可见蜈蚣状包体，呈不自然弯曲的裂隙，在垂直包体两侧伸出很多裂隙；在激光处理的连续裂隙中有未被完全处理掉的零星黑色残留物。

②裂隙充填

闪光效应：有明显闪光效应，暗域下常见闪光颜色是橙**、紫红色、粉色，其次为粉橙色。亮域下常见闪光颜色是蓝绿色，绿色、绿**和**。同一裂隙的不同部位可表现出不同的闪光颜色，充填裂隙的闪光颜色可随样品的转动而变化。

流动构造：裂隙内常保留充填物充填过程中的流动构造。

捕获气泡：看上去像一组指纹状包体，也可能很小，而呈亮点。

絮状结构：充填物质过厚时可产生一种絮状结构，有时这种絮状结构又可演变成一种网状结构，很容易发现。

微小裂隙：在一些充填裂隙中，发现有白色近于平行的细线，可能是裂隙中的微小裂隙。这一特征很微弱，仅在光纤灯的强光照明下才能观察到。

充填物颜色：充填物比较厚时，能见到浅棕色至棕**或橙**充填物的颜色。这种充填物的体色在充填的空洞和激光孔中才能观察到。

不完全充填：通常极细窄，看上去像细白的划痕或暗域下的擦痕，可能是钻石蒸洗时部分充填物被去除造成的。

表面残余：部分充填物残留于钻石表面。

［3］钻石膜

多晶体，表面有有粒状结构；用拉曼光谱测定，优质DF钻石膜，特征峰在33300px-1附近，半高宽；质量差的DF钻石膜，特征峰频移大，强度减弱，甚至在37500px-1附近出现一个宽峰。

［4］拼合钻石

由钻石（作为顶层）与廉价的水晶或人造无色蓝宝石等（作为底层）粘合而成，粘合技术非常高，可将其镶嵌在首饰上将粘合隐藏起来，使人不容易发现。这种宝石台面上放置一个小针尖，就会看到两个反射像，一个来自台面，另一个来自接合面，而天然钻石不会出现这种现象。仔细观察，无论什么方向，天然钻石都因其反光闪烁，不可能被看穿，而钻石拼合就不同，因为其下部分是折射率低的矿物，拼合石的反光能力差，有时光还可透过。

2、天然钻石的鉴别方法（这里介绍肉眼鉴别方法）

（1）毛坯鉴定：

［1］光泽：金刚光泽，“亮晶晶”的外表。

［2］外观形态和表面特征：常见晶体形态是八面体、菱形十二面体及二者的聚形，在无色透明矿物中具有这几种晶形的矿物为数较少。另外，还有一个特征是钻石的晶石花纹，不同晶面具有不同特征的生长纹，如八面体晶面常见三角形生长纹，三角形的尖端指向八面体的晶棱；立方体晶面常具正方形或长方形生长纹，与立方体平面呈45度夹角；菱形十二面体晶面则常见平行于长对角线方向的凹槽等。

［3］密度：天然钻石352g/cm3。

（2）抛光后鉴定：

［1］线条实验：样品台面向下放在一张有线条的纸上，如果是钻石则看不到纸上的线条。

［2］倾斜实验：将样品中台面向上，置于黑色背景中，从垂直于台面方向开始观察，将观察者处向外倾斜，观察台面离观察者最远的区域，如果出现一个暗窗，则说明该样品不是钻石。

［3］亲油性实验：用油性笔在天然钻石表面划过时可留下清晰而连续的线条；相反，划过钻石仿制品表面时，墨水常用聚成一个个小液滴，不能出现连续的线条。

［4］托水性实验：充分清洗样品，将小水滴点在样品上，如果水滴能在样品的表面保持很长时间，则说明该样品为钻石。

了解全球碳循环为科学家提供了有关地球可居住性的重要线索。这就是为什么与金星相比，地球有温和稳定的气候和低二氧化碳的大气层。例如，金星处于失控的温室状态，表面温度高，二氧化碳大气层厚。地球和金星的一个主要区别是地球上存在活跃的板块构造，这使得我们地球的环境在太阳系内独一无二。但是大气层、海洋和地壳只是故事的一部分。地幔占地球体积的75%，其潜在的碳储量可能超过所有其他储层总和。碳是有机生命的重要组成部分之一，被俯冲带进地球内部，在那里它极大地降低了固体地幔的熔点，在浅层地幔中形成了碳化熔体(富含碳的熔融岩石)，为地表火山提供燃料。

博科园-科学科普：碳酸盐岩矿物也可能被运送到地球更深处，到达下地幔，但接下来会发生什么还不确定。回答这个问题充满了挑战——地球深处的条件是极端的，来自地幔的样本是罕见的，解决方案是在实验室中使用复杂的技术重新创造这些条件。现在，布里斯托尔大学的一个实验地球科学家小组已经做到了这一点。他们的研究结果发表在《地球与行星科学快报》上，揭示了碳酸盐矿物通过海洋地壳俯冲(地球的一个构造板块从另一个板块滑落到另一个板块之下)进入地幔后会发生什么变化的新线索。他们的发现揭示了碳酸盐在1000千米以下的深度俯冲障碍，在那里，碳酸盐与海洋地壳中的二氧化硅发生反应，形成钻石。

这些钻石在地质时间尺度上储存在地球深处。地球科学学院的James Drewitt博士解释说：碳酸盐矿物是否能够通过地球的下地幔保持稳定，如果不能，那么需要什么样的压力/温度变化来激发矿物与它们的反应？这些都是我们想要找到答案的问题——而得到这些答案的唯一方法就是重现地球内部情况。德威特博士和团队使用激光加热的钻石砧细胞，将人造碳酸盐岩置于与深部地球环境相当的高压和温度下，温度最高可达2000摄氏度和90 GPa(约90万大气压)。发现碳酸盐在1000 - 1300千米深处保持稳定，几乎是岩心的一半。在这些条件下，碳酸盐与周围的二氧化硅发生反应，形成一种被称为bridgmanite的矿物，它构成了地球的大部分地幔。

这个反应释放的碳以固体二氧化碳形式存在。当周围炽热的地幔最终加热俯冲板块时，这些固体二氧化碳分解成超深钻石。Drewitt博士补充说：最终，超深钻石可能会通过上升流的地幔羽流回到地表，这一过程可能代表了我们在地表发现的 超深钻石的来源 之一，它为我们 提供了有关地球深层构成的唯一直接证据 。这是令人兴奋的，因为人类所能钻出的最深深度约为12公里，不到地壳深度的一半。与地幔的巨大规模相比，这简直是小巫见大巫。地幔接近3000公里。研究小组使用一个钻石砧细胞来产生与在这些深度发现的压力相当的压力，在显微镜下将样品装入一个压力室，压力室是从一个金属垫片钻出来的，然后在宝石质量和切割钻石砧之间进行压缩。

这些样品的晶体结构随后在牛津郡的英国同步加速器工厂用x射线衍射分析。Drewitt博士现在计划将这些高压和高温实验以及先进的计算机模拟技术应用到其他矿物和材料上，除了碳之外，还有潜在几大洋价值的水被输送到地幔深处，当这些水被释放出来时，将导致地球上地幔和下地幔的融化。然而，我们无法充分测试或理解这些富含水的熔融岩石动态行为的现有模型，因为我们不知道它们的组成或物理性质。目前正在进行极端条件下的实验和先进计算机模拟将有助于解决这些问题。

本研究使用激光加热金刚石砧细胞(LHDAC)实验在fe - mg - sio2 - co2 (FMSC)和cao - mg - sio2 - co2 (CMSC)系统在较低的地幔压力下，旨在测试脱碳和金刚石形成反应。Sub-solidus相关系基于合成实验报告的压力范围∼35到90 GPa，1600 - 2200 K的温度。由碳酸盐和二氧化硅混合物组成的三元体组成，使脱碳反应产生非三元相(如bridgmanite, Ca-perovskite, diamond, CO2-V)，并用同步x射线衍射和微拉曼光谱识别反应产物的外观。发现碳酸盐阶段这两个系统与硅反应形成bridgmanite±Ca-perovskite +二氧化碳压力的范围∼40到70 GPa和1600到1900 K存在脱二氧化碳反应。

研究结果表明，脱二氧化碳反应形成一种难以逾越的障碍俯冲碳酸盐，海洋地壳在地幔深度大于∼1500公里。还鉴定了碳酸盐和CO2-V离解反应，它们形成了钻石和氧气。根据所观察到的脱碳反应，研究人员预测，大洋地壳中碳酸盐俯冲到下地幔深部的最终命运是以难熔金刚石形式沿板块地热在下地幔最深处形成，并沿地幔地热贯穿下地幔。由亚固态脱碳在海洋地壳中行成的金刚石是难处理、不流动的，可以长时间地储存在地幔底部，有可能以与地幔深部羽流有关的OIB岩浆形式返回地表。

博科园-科学科普｜研究/来自: 布里斯托大学

参考期刊文献:《地球与行星科学快报》

DOI: 101016/jepsl201901041

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