1000万亿吨钻石，就埋在克拉通根，为什么没人敢开采？

麻省理工大学的科学家们在研究时发现，声波在地球深处传播的速度非常快，经过科学家的反复推测计算，发现地球深处的"克拉通根"可能由1%-2%的钻石组成，加起来预计有千万亿吨钻石！

然而却没有人敢对其进行开采，这是为什么？

钻石主要是由碳元素构成的单质晶体，其成分与我们平时见到的铅笔芯、煤的成分基本一样，但钻石却不常见，因为它需要在1100-1500 的高温及45-6Gpa的压强下形成，地球表面无法满足这样的条件，只有在地幔层才可以。

为此澳大利亚科学家还专门模仿了地幔层的高温高压条件，最后制作出了人工钻石，这也进一步证明了钻石是在地球地幔层形成的。

除此以外，科学家们发现小行星撞击地球产生的巨大能量也会形成钻石矿，其能量可以使碳改变形态成为金刚石，但它与我们用来装饰的金刚石有所不同，被称为"蓝丝黛尔石"。

地球内部的钻石是很难出现在地表的，但由于地球板块运动，地幔层的物质会随之上升来到地球表面，即使如此，大部分钻石通常也是被埋在土壤或岩石中，这时就需要专业的团队来进行开采。

而钻石开采一般需要投入大量的人力物力资源，因此开采公司会优先选择储量大，质量优的钻石矿进行开采，而后将开采出来的矿石运往工厂加工，工厂将含有钻石的原石挑选出来，最后再进行切割、打磨，投入销售市场。

科学家发现由含有1%-2%钻石组成的"克拉通根"位于地表以下160多千米的地方，它是一种非常古老而又坚硬的岩石。如果要对其进行开采，将花费巨大的成本，而"物以稀为贵"，钻石一旦变得随处可见，价格自然会降低，到时可能连开采的成本的都赚不回来。

最重要的是，目前的技术并不足以支持我们开采地球内部的钻石矿，前面我们提到钻石需要在高温高压下才能形成，也就是说地球内部的钻石矿全都处于高温高压的环境下，在这种环境下，金属都能被压成薄片，更别说人类了。

所以到目前为止，人类对于这种深埋在地下的钻石依旧是无可奈何，得不到的才是最好的，想要钻石白菜价，估计还得等个几十年。

什么是钻石？

钻石其实是很纯的碳元素，在极大的压力和高温下形成结晶体。在自然界中，这样的环境只存在于150到200公里的地表深处。火山爆发将被含有钻石“金伯利岩”和“钾镁煌斑岩”带到地球表面，这样钻石才能被采集。

哪里是主要的钻石来源？

纵贯历史，人们一直惊叹于钻石的美丽和神秘。18世纪以前，印度是世界上唯一的钻石来源国。19世纪下半叶，非洲发现了第一颗钻石，不久大量的钻石在这块土地上被发现。第一批钻石挖掘者们是分别用手工挖掘，但是随着矿井越来越深，大型的采矿公司应运而生。现在最重要的钻石供应国是：工业钻石主要来自澳大利亚和刚果，而宝石级的钻石则主要来自南非、澳大利亚、刚果、俄罗斯、纳米比亚和博茨瓦纳。

钻石是如何被开采的？

钻石的开采方式是不同的，主要是由钻石存在于地表之上的形式决定的。金伯利岩的开采包括露天开采和地下开采。通过侵蚀从金伯利岩脉石中脱离出来后，钻石晶体被河流带走。挖掘河床，然后对河里的淤泥进行过滤，这种技术被称为“冲积矿床开采”。“海里开采”指的是通过挖泥，对沙质的沿海底层进行开采。开采钻石既可以是大型的工业开采，也可以小范围的开采甚至是手工开采。钻石是很稀有的，通常处理250吨岩石、沙子和砂砾只能获得1克拉的钻石。世界每年的钻石产量大约为1亿克拉，但是其中只有20％具有宝石的品质。

钻石是如何从原石转变成美丽的宝石的？

钻石的原石经过一系列的加工程序：劈、锯、以钻石彼此摩擦和抛光后，才可以获得最后的形状和光泽。

如何鉴定钻石的品质？

钻石的品质是从四个方面（4C）评定的：克拉、颜色、净度和切工。

什么是克拉？

钻石的重量以克拉来表示。1克拉等于五分之一克。“克拉”这个词来源于carob树的种子。这种种子名叫“carubis”，每粒的重量大约为02克。

为什么在钻石处理过程中技术是很重要的？

钻石在放大镜下可能是清澈和极白的，但是如果钻石的切面排列不协调，那么钻石将失去光泽和华彩。“安特卫普切工”这一标签是品质的标志，代表着世界上最好的切工。

世界上最著名的钻石是哪一个？

库里南一号：这个梨形的钻石重53020克拉，也被称为“非洲之星”，被镶嵌在英国国王的权杖上，现在被收藏在伦敦塔内。

柯伊诺尔：又被称为“光明之山”，是世界最古老的名钻，该钻石为椭圆形，重10893克拉。在印度被发现，现在是伦敦塔内王冠珠宝的一部分。

希望：这是一颗4450克拉，有着璀璨光芒的蓝色钻石。现在，这颗钻石陈列在华盛顿的史密斯绍里安学院里。这颗钻石因带来噩运而闻名。

做为世界钻石中心，安特卫普有着什么样的重要经济地位？

安特卫普位于欧洲的心脏，交通便利。而钻石中心位于中心火车站旁边的2平方英里的区域里。世界上超过50％的钻石，包括原石或抛光过的、工业钻石或宝石品质钻石经过安特卫普交易。

安特卫普钻石区有什么特别之处？

安特卫普的钻石贸易聚集在很小的一个区域里，在该区域里交易所和办公室比比皆是。天气晴朗的时候，钻石商人们来到街道上休息片刻和聊天，行人们可能会诧异于他们不同的人种、肤色和穿着。16世纪以来，犹太人就一直在安特卫普从事钻石贸易。传统的犹太人可以很容易被认出，因为他们都穿着同一式样的黑衣服和帽子，留着一样的胡须和发型。当然也有其他的犹太人，不过只有专业人士才能认出他们。安特卫普钻石世界里的另一大族群是印度人。开始，印度人专门从事便宜钻石的贸易，并获得了更多的较大钻石贸易的经验。但是便宜的小钻石和单一切割的钻石仍占据着印度人交易中的多数。除了犹太人和印度人外，还有来自欧洲国家和各大洲的人们，在安特卫普以钻石贸易为生。在安特卫普，人们讲着不同的语言和语调，但是只有一件事情是共通的，那就是钻石。安特卫普享誉世界的好客和容忍使得不同的种族文化、生活方式和宗教信仰融合在一起。

什么是钻石高层议会？

钻石高层议会(HRD）是为了促进钻石的贸易、产业和消费者的利益而成立的一个中心组织。

明亮式和钻石的区别？

这事实上是一个错误的问题，因为这两者是不可以比较的。明亮式只是一种“切工”，这意味着任何原石，例如玻璃或钻石，都可以切割成明亮式的形状（57个切面）。

、 开采

　　　挖掘钻石的过程是结合科技、经验、智慧、金钱及劳力得来，挖矿

　的方法是经由钻石生成的方式及所在地表拉置来决定，有的需要挖掘及

　爆破，有的钻矿则经由河床冲积到地表由人工筛选洗净磨碎。

2、琢磨及抛光

钻石原晶体　----→设计与画线----→　 分 割 -→

　　----→ 研磨和抛光 ------------------------------------→

3、一颗璀璨钻石就这样完成了！

　　　现在即将开始的是如何让一颗钻石成为一件美丽的钻饰，成为人们

　最佳的美丽伙伴！

在煤层中钻眼主要采用旋转式钻眼设备。

旋转式推进是指采煤工作面边采煤边旋转一定角度的推进方式。有些矿井由于受地质条件和技术的限制，很难加大综釆工作面的连续推进长度。因此采用了旋转式开采法。

煤层是植物遗体经复杂的生物化学作用、地质作用转变而成的层状固体可燃矿产。

目前我国有念世情人工合成钻石，提取碳元素培养出来的钻石，利用高温高压模仿地壳的环境。国内的实验室正在筹建中，技术精良的还是美国，俄罗斯等国家。在技术上国内确实面临着一定 的困难，用钱都不一定能够买到技术和设备，所以你可想而知一台钻石培养机器贵不贵。

早在18世纪的后期就已经证实了钻石和石墨都由碳元素组成，后来就开始了合成钻石的研究工作，经过较长时间的艰苦努力，于20世纪中叶才在实验室合成出人工钻石，初期的合成钻石仅仅是磨料级的。我国在20世纪60年代也合成出了磨料级钻石。

高温超高压法现又称为高温高压法（HTHP）。由于超高压设备和高温技术的限制，起初合成钻石进展较缓慢。直到1970年，美国GE公司才公布了第一颗宝石级合成钻石的诞生，之后几年各国一直在保密的情况下进行研究。进入90年代，合成钻石有了突破性进展，日本的住友公司、英国的戴比尔斯公司和美国的GE公司等相继公布了他们合成的宝石级钻石，引起了珠宝界的震惊。

关于合成钻石的方法，可分为静压法、动压法和气相外延生长法。大颗粒宝石级钻石主要是用高温超高压（HTHP）静压法中的晶种触媒法（包括压带法和BARS法）及最近多种媒体报道的化学气相沉淀法（CVD法）合成的，本节及第七节将分别予以重点介绍。

一、HTHP法合成钻石的原理

1石墨与钻石的转换

合成钻石就是人为地模拟天然钻石的形成条件，使非金刚石结构的碳转化为金刚石结构的碳。

钻石的晶体结构是1913年由WLBragy等测定出来的，钻石大部分呈立方结构而石墨则呈层状结构。金刚石的结构详见本书“钻石”一节，石墨结构如图（4-1-20）。

图4-1-20 石墨结构图

钻石中碳原子的2s、2px、2py、2pz四个轨道形成四个sp3杂化轨道，形成四面体配位，每个碳原子与周围的四个碳原子形成共价饱和键，键长0154nm。

石墨的碳原子分布在六角环上，每一个碳原子为相邻的三个碳原子所围绕，其间距为0142nm。相邻两层碳原子错位堆积，层间的间距为034nm，键力相对弱得多，所以石墨具一组极完全解理，可以滑移而分开。在高温高压下石墨可以转化为金刚石。

如图4-1-20所示，石墨的层间排列，间距为034nm，碳原子错位堆积；高压下Z轴方向中层间互相接近，由于碳原子错位堆积，1 ′、3 ′、5 ′向上运动，1、3、5、2 ′、4 ′、6 ′向下运动，从而石墨结构变为金刚石结构。

图4-1-21 碳的相图

2合成钻石的生长机制

长期以来，各国科学家都在努力寻找金刚石晶体生长的条件。图4-1-21是石墨－金刚石转换相图。由相图可知：固相区I为石墨区，Ⅱ为金刚石区，Ⅲ为金属碳区，还有液相区。在低压高温区，主要以石墨相存在，只有在较大的压力和较高的温度范围内，金刚石才是稳定的相。除气相法、外延生长法之外，金刚石晶体生长都在较高的压力范围内，触媒法可以使压力降低一些。

由相图4-1-21还可以看出，在相图上部，碳质原料在超高压高温下，碳原子集团经过压缩、切变、热振动，使非sp3杂化的原子轨道向sp3杂化转化，从而使金刚石成核生长。在低于上述压力下，在金刚石、石墨稳定区界线上，压力和温度不足以使碳原子达到金刚石结构。但如果利用熔剂－触媒的复合作用，仍可达到目的，因为这些熔剂的熔化温度相对低，并与碳共熔，使碳原子与熔剂相互扩散，形成二维、三维的间隙相，最终形成金刚石相。

现代的科技条件，很容易实现稳定可靠的技术装备和实验条件，因此，生长出宝石级钻石就成为可能。近几年，各国科学家进行了大量研究，就温度、压力、时间等实验条件和熔媒种类、碳质原料种类、杂质影响等各方面得出许多实验资料和经验，从而更加完善了合成钻石的生长理论。

二、HTHP法合成宝石级钻石的设备与合成工艺

（一）HTHP法合成钻石的设备

静压法合成钻石的设备大致可以分为四部分，即大吨位的液压机、合成钻石用高温高压容器（即模具）、加热系统和控制检测系统。

由于采取的是超高压设备，从技术上有许多难题，如材料的力学性能要高，加工精度高，压机能长时间保持压力稳定并可以升压和降压。这对压机油缸、密封、液机元件、机械加工精度等均提出了很高的要求，达到这些要求绝非易事，它与整个机械工业水平有关。

此外，对于压力容器的要求则更高。首先是材料问题，能承受高温下500×108Pa以上的压力的材质较少，且价格昂贵，高压下材料的性能有可能改变，甚至会自爆。目前，加热系统和测量系统已实现了自动化。

实现HTHP法的设备方案较多，有六面顶、四面顶、两面顶。下面以两面顶年轮式为例介绍一下设备原理（见图4-1-22）。1为油压机机架，可以整体铸造，对于小于1000吨位的压机可以采用铸件，如果吨位较大，可以用缠绕式机架，即机架由钢丝或钢带缠绕而成；2为高压容器，是合成金刚石的关键部分，对它的材质、加工精度、形状设计都有严格的要求；3为油缸，内部活塞靠高压油上下移动，使模具压紧，这和其他类型油压机原理类似。

年轮式高压模具如图4-1-23所示。

图4-1-22 主压机示意图

图4-1-23年轮式高压模具

图4-1-23中1为压缸，它是由硬质合金做成的，一般为W、Co、C合金，w（Co）=15%;2为压砧，也是硬质合金，一般w（Co）=6%;3为耐热含金钢环；由压缸和压砧组成一个舱体4，是合成金刚石的室。年轮式高压模具也可用钢丝缠绕而成，以使应力分布更合理，从而提高模具的使用寿命。合成金刚石所采用的生长舱有各种结构，简单的生长舱结构如图4-1-24所示。

图4-1-24中，1为叶蜡石，是理想的固体传压介质和绝缘介质，由于它含结晶水，影响金刚石的合成，目前大部分是用烧过的叶蜡石粉末再压制成型，不仅降低成本，提高了材料利用率，而且满足了合成工艺的要求。叶蜡石是合成金刚石工艺中的关键性辅助材料，其作用是：传压、保温、绝缘、密封。

图4-1-24 金刚石生长舱

图4-1-24中，2为石墨片，合成金刚石就是使石墨结构的碳转化为金刚石结构的碳，因此，碳质材料是关键材料。从理论上讲，各种形式的碳均可以转化为金刚石，但研究表明，不同的碳质材料对生长金刚石的数量、质量和颗粒大小均有相当大的影响，石墨转化为金刚石的自由能较低，因此使用较广泛。现在国内常用的石墨材料为GAI（原SK-2），它是采用熟石油焦粉、沥青焦粉和鳞片石墨为原料，并外加熔化沥青作结合剂加工而成的。

碳质材料是影响合成金刚石质量和产量的重要因素之一，为了获得较好的金刚石，对石墨有如下要求：①石墨有一定的气孔率，这样可以增加反应面积；②在合成金刚石的碳质素中，含少量Ni、Fe、Na、Co等元素是必要的，因为这些元素在合成过程中可以促进碳原子的活化，破坏原生的结构，为金刚石长大创造条件；③对石墨的结晶化程度也有要求，晶体的多少和排列对金刚石的转化都有作用，石墨化程度高，从动力学观点来看，转化为金刚石相对容易。

图4-1-24中，3为金属合金，即触媒片，根据碳的相图，石墨转化为金刚石时要125×1010Pb的压力和2700℃以上的温度，为了使合成温度有所降低，用加入合金的办法，使碳在熔化的合金的作用下，以类似于熔盐法生长晶体的过程生长。在研究过程中，采用了各种金属做试验，现在大部分用Ni、Mn、Co、Fe的合金，甚至有专门用于合成金刚石的合金片，如Ni95Co5、Ni65Mn35、Fe73Co27等。研究表明，Ni、Mn、Co、Fe、Cr等元素或由它们组成的二元、三元、多元合金，是合成金刚石基本的、有成效的触媒合金，若掺入微量Cu、Nb、Mg、B、Al等，不仅可改变金刚石成核与生长的条件，而且还可以生长出不同的金刚石。

晶体生长舱有各种形式的排列和组合，图4-1-25为一种大颗粒金刚石生长室的结构。把原料如图装进生长舱（即压缸）内，起动压机，把两个压头压紧密封，并通电加热。用这种加压、加温方式，可以生长出大于1mm的金刚石，但单次产量不高。

图4-1-25 大颗粒金刚石生长舱

关于高温加热系统，在静压法中有直接加热和间接加热两种，直接加热是通过反应材料本身发热，间接加热是通过套在外面的石墨管（与缸体绝缘）加热。

（二）HTHP法合成宝石级钻石的工艺过程

最常见的合成宝石级钻石的方法是压带法和BARS法。

1、压带法合成钻石工艺

1955年通用电器公司（GE）宣布利用压带（belt）装置首次成功生产出合成钻石，直至1970年通用电器公司采用晶种触媒法经过七天的生长获得了大于5mm、重约1ct的钻石单晶，其生长舱如图4-1-26所示。

图4-1-26 合成宝石级钻石生长舱（a）和改进后的生长舱（b）

图4-1-26所示的生长舱分上下两部分，作为碳源的金刚石粉放在压腔中心区，两端放置籽晶，触媒金属（铁或镍）放在碳源与籽晶之间，利用碳管的电阻加热（用碳管的不同厚度或用其他热材料放在不同部位也可改变温度梯度），在舱内保持一定的温度梯度，中心碳源区温度最高，端部结晶生长区的温度最低。当加热到1700℃时，金属触媒熔融，中心碳源区的金刚石粉就不断溶解到金属触媒中变成游离碳原子。起初，碳的密度比金属小，因此籽晶有从底部晶床向舱体中心区（籽晶被溶解）或从中心区向上端晶床上浮的倾向，约1h后达到平衡。顶部晶床含有许多细小的金刚石晶体，而在底部晶床上剩下少量的金刚石晶核，由于碳在金属中已达到饱和，所以金刚石晶核不再继续溶解，金属熔融体中的碳开始了缓慢的扩散过程。由于舱体内温度中心区高、两端低，所以中心区溶解的碳原子多于端部，并向端部进行扩散，从而沉积在金刚石晶核上。这个过程不断进行，直到中心区的细金刚石粉用完为止。若能使舱体中部与端部的温度梯度保持在30℃/cm时，晶体就能稳定地生长成宝石级大小的金刚石。又由于底部晶床晶核少，故能获得大的宝石级金刚石。

实验证明只要保持温度为1370℃、压力为60×109Pa，生长一周即可获得5mm大小（约lct）的宝石级金刚石。若在舱体中加入适当的微量元素，可改善金刚石的性能，使金刚石着色，如加入氮，可使金刚石晶体显**；加入硼，呈蓝色，并具有半导体的性质。

2“BARS”法合成钻石工艺

1990年俄罗斯公布了他们用BARS系统生长合成钻石的成果，BARS的意思是分裂球无压装置。近年来，美国Gemesis公司的技术人员在俄罗斯技术的基础上改进，设计了一个新的BARS“分离体”的装置。该装置合成舱体（大约有25cm厚）中的压力是从一个连续的碳化钢压砧复合施压而获得的。内舱设置6个压砧，这些压砧位于立方体的面部，围绕着合成舱体；外舱设置8个压砧，它们位于八面体的面部，围绕着内舱。整个排列好的多压砧部件被放在两个钢铸的半球中（这两个铰接的半球就称为“分离体”，可以作为压砧和合成舱体的通道），有两个大钢铗把这些部件连接在一起，见图4-1-27。这种“BARS”装置采用石墨管来加热合成舱体。

图4-1-27 改进的“BARS”法合成钻石装置

经过改进的设备具有使用寿命较长、生产率高、操作较为简单、更容易维护等特点。重要的是，它的操作十分安全，在操作过程中高压容器泄漏而导致危险的机率也很小。除了纯度、浓度和晶体的初始生长外，商业化宝石级合成钻石生长的关键是要小心谨慎地通过电脑控制整个晶体生长过程的温度和压力，以保证持续稳定的生长环境。另一个技术创新就是铸造半球可以开合，便于进行样品的装卸。

使用这种改进的设备，生长35ct的合成钻石晶体大约需要80h。合成钻石中**的浓度及晶体的外形、对称性、透明度，均可以控制在一定的范围内。该装置曾用实验的方法在一个舱体内生长出多个晶体，晶体生长的周期为36h。但是，由于容积所限，这些晶体生长得很小。倘若舱体内生长4个晶体，则每个晶体只有06ct大小；如果舱体内生长8个晶体，则每个晶体只有035ct。

“BARS”法合成钻石的工艺条件为：

1）压力　50～65GPa（相当于5万～65万大气压）。

2）温度　1350～1800℃。

3）触媒　各种过渡金属（如Fe、Ni、Co等）。

4）种晶　天然钻石或合成钻石。

5）碳源　石墨粉或金刚石粉。

种晶的定位决定了生长晶体的晶形。在合成舱体的顶端（亦称“热端”，放置碳源）和底端（亦称“冷端”，放置晶种）存在着很小但却很重要的温差。该温差为钻石晶体的生长提供了动力，因此，这项技术也被称为“温度梯度”法。在高温高压的条件下，原料区的石墨粉迅速在热端熔融于金属熔剂中。在温度梯度的推动下，热区碳原子通过熔剂，向舱体冷端扩散，最终沉积在籽晶上，结晶成为单晶体。