矿物中国的金刚石

矿业在线 2018-12-05 12:12:20

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中国金刚石的勘探利用情况


中国发现或利用金刚石的时代,比宝石或黄金都迟得多。


较早的记载见《南史·西南夷传》,称:“天竺迦毗黎国,元嘉五年(428),国王月爱,遣使奉表献金刚指环,勒金环诸宝物”;“呵罗单国都矇婆州,元嘉七年遣使献金刚指环。”1970年,在南京栖霞山附近之象山东晋(317~420)尚书王彬家族7号墓中出土文物中,有镶嵌金刚石的银指环一件,属中亚、西亚的艺术风格,是迄今所知的国内最早饰有金刚石的饰物。考古资料与史书记载,大体上可以相互印证。


我国古代的金刚石大概确从西域传入,如《旧唐书·西戎》载:“天竺国有金刚,似紫石英,百炼不销,可以切玉。”《抱扑子》亦云:“扶南国出金刚,生水底石上,如钟乳状,体似紫石英,可以刻玉。”《齐东野语》有云:“玉人攻玉,以恒河之砂,以金刚钻镂之,其形如鼠矢,青黑色如石如铁。相传出西域及回纥高山顶上,鹰隼粘带食腹中,遣粪于河岸砂碛间。”


《玄中记》称:“大秦国出金刚,一名削玉刀。”《十洲记》提到“西海流砂有昆吾石,洽之作剑如铁,光明如水精,割玉如泥,此亦金刚之大者。”从这些记述中,不难看出,古人对金刚石的晶形、硬度、透明度、颜色等物理性状之表述,基本上是正确的。并提到印度产金刚石砂,也符合实际情况。

到明代,记载更多,如《明会典·朝贡》中提到永乐七年(1409)至天顺时期(1457~1464),西域向明朝廷进贡宝玉、宝石者达38个国家及番邦、边卫。

晋代时印度人称金刚石为“博日罗”,系坚硬的兵器之意。后来,翻译为汉文时,联想到“金刚”是坚硬的意思,于是就称金刚石了。

至于国人发现金刚石,据地方志记载,在明代时已在山东沂沐河流域找到过。清代道光年间 (1821~1850)湖南农民在沅水流域常德地区淘取砂金时,亦曾发现过金刚石。近代,黑龙江爱辉县的烟筒山也有发现。真正有意识地去找金刚石,还是解放以后的事。

从地质角度开发金刚石,始于1952年。当时,在湖南沅水流域发现具有经济价值的金刚石砂。60年代在山东沂蒙山区第一次找到金刚石的原生矿,70年代在辽南找到规模较大、质量较优的金刚石原生矿,到80年代,我国探明金刚石的储量已到达世界第10位。
 

在这几十年的勘探与找寻工作中,目前已发现较大的金刚石有:

1971年9月25日,在江苏新沂到宿迁的公路之旁,发现一颗重52.71克拉的金刚石。

1977年12月21日,在山东临沂芨山乡常林村,一位女农民魏振芳在田间翻地时,发现一颗重158.786克拉的金刚石,长36.3毫米,宽29.6毫米,高17.3毫米。呈淡黄色,透明状,这是我国现存的最大金刚石,命名为“常林钻石”。
 

1981年8月中旬,在山东郯城原生矿中发现一颗重124.27克拉的金刚石,其体积为长32毫米,宽31.5毫米,高15毫米。呈棕黄色,透明,是立方体与菱形十二面体的聚形,局部有小裂纹和较多的石墨包裹体,命名为“陈埠1号”。

1982年9月上旬和1983年5月,在“陈埠1号”的发现地又找到两颗,分别重96.94克拉和92.86克拉,该地距“常林钻石”出土处以西约4公里。可见此“常林钻石”可能是由此原生矿风化以后冲刷搬运到冲积层中埋藏的。
 

1983年11月14日,在山东蒙阴原生矿中发现一颗重119.01克拉的金刚石,仅次于“常林钻石”和“陈埠1号”,位居第三,称为“蒙山1号”。

所有这些金刚石发现以后,都很快就上交国家保管,并没有像国外那样各有坎坷的经历,也没有发生离奇变幻的故事。
 

过去,我国有无重大的金刚石发现的报道?有史可据的未曾见到,但在山东沂沐河一带,流传着1939年农民罗振邦曾在河边拣到一颗重218.57克拉的,其后的经历,无人知晓,现在何处?也无从可考,如果仍存在的话,它比“常林钻石”还大呢!

寻找金刚石

从上面讲述的诸多故事中,我们已经知道寻找金刚石与黄金一样,无非是两个地方:一是在河流、河岸的冲积泥沙中或山坡的碎石砂土中,也就是金刚石砂;二是在山上岩石的原生矿。当然,找寻与流水有关的金刚石砂,带有很大的偶然性,但它必然与上游山地上的原生金刚石矿有联系,并且一旦有发现,这些砂矿的颗粒都比较大,有的甚至是砾石,基本上属于宝石级的,其价格也很高。如果能找到原生的金刚石矿,那是最理想的,前途无量。小颗粒的数量较多,大颗粒的较少。作为地质队,一般都注意寻找原生的金刚石矿。

怎样才能发现原生的金刚石矿?

从山东蒙阴金刚石矿发现的经过,便可以窥见一斑。当地位于沂沐河流域,早在明代已经发现金刚石砂,解放前也找到过。1957年地质勘探队进山后,也就从金刚石砂入手,初步摸清流域内金刚石砂分布的范围。到 1960年,又在蒙阴一个小山沟内找到两颗不大的金刚石,终于揭开找寻原生金刚石矿的序幕。地质队员们分析了砂矿的地质条件,认为金刚石砂来源于蒙阴盆地的边缘地带。1965年,找矿人员又从蒙阴盆地南侧西段的河沟中发现了一些金刚石砂以及金刚石的“卫星矿物”——镁铝榴石。后者,预示金刚石原生矿就在不远的地方。于是,工程师们就在现场讨论如何进一步工作的部署。1965年8月24日,一个9人找矿小组终于在预测区内发现含金刚石的金伯利岩。要知道,南非的金刚石矿就是在这种岩石里挖到的。1966年,地质队邀请了一位 1964年曾参加过南非金伯利岩考察工作的地质学家到现场观察和讨论,强调利用镁铝榴石来寻找金刚石原生矿的重要方法,后来,确实找到了好几处含金刚石的金伯利岩筒和岩脉,并由它们组成三个矿带,为开采当地的原生金刚石矿取得重大成果。

利用“镁铝榴石”寻找金刚石矿,在国外也有不少故事:1935年,加拿大地质学家威廉森应邀到坦桑尼亚一家开发黄金与金刚石的公司担承地质工程师,他发现“镁铝榴石”与“钛铁矿”两种“卫星矿物”,认为有可能找到金刚石矿,可是公司的老板不肯出重金雇佣他。于1938年,他就离开了那里,来到马布基,在一位印度律师的资助下,雇佣几位非洲工人,独立开办起金刚石矿。1940年月3日,工人詹姆斯在卢本波镇西北的姆瓦6杜伊村发现一块钛铁矿,交给威廉森,他从中找出一颗重2克拉的金刚石。后来,又在那里找到一个特大的金刚石矿,并以自己的名字命名为“威廉森金刚石矿”,占地146公顷,储量达5000万克拉。到1942年,成立了“威廉森金刚石有限公司”,年产10万克拉,成为当时世界上最大的金刚石矿。

再一个例子,发生在西伯利亚。1940年地质学家索波列夫认为那里的地质条件与南非产金刚石的一样,但直到1948年,虽经两次搜索,均一无所获。到1949年,又去寻找,8月的一天,终于找到一颗小金刚石砂,继后,又找到21颗,这就坚定了索波列夫的信心。直到1953年,有人在一条小河流里发现“卫星矿物”——镁铝榴石,引起远在列宁格勒的两位女地质学家的兴趣,第二年,她俩自愿“东征”,根据“卫星矿物”的线索,终于在俄罗斯大地上首次发现雅库特地区的大金刚石矿,年产1200万克拉,使俄罗斯成为南非之后的第二个产金刚石的大国。

第三个例子,发生在澳大利亚,1979年7月,莫琳小姐在澳大利亚酉北部热带地区出产金伯利岩地带,根据溪流中砂砾石内含有丰富的镁铝榴石、镁钛铁矿、铬透辉石(金伯利岩的风化物),在其上游找到原生的金刚石矿,每年可产2500万克拉,可开采20年。在此以前,全世界出产金刚石为5000万克拉,其中2800万克拉来自非洲,1100万克拉来自前苏联,其余则是巴西、委内瑞拉、圭亚那、印度、印尼。此后,澳大利亚成为世界第二了。到1979年10月,莫琳·马格里奇分娩,小“尼古拉斯”出世了,公司为了纪念这个金刚石矿的重大发现,将公司所属的那个矿场命名为 “尼古拉斯矿场”。

从这些实例中都提到找寻金刚石原生矿必须从寻找金伯利岩人手,这是什么样的一种石头?为什么金刚石要生在这种石头里?

金伯利岩是一种非常稀罕的弱碱性超基性岩,最先发现于非洲的金伯利而得名。它的主要成分有橄榄岩、铬透辉石和金云母。外表呈斑状、角砾状,故又称角砾云母橄榄岩。多呈黑色、墨绿色、深灰色,以绿色者较多。它来源于地壳深处的上地慢的岩浆,当岩浆沿着地壳管状通道上涌时,前面的凝结起来,堵住通道,后来的岩浆继续上涌,由于前面的堵塞,管道中的压力不断增高,岩浆中的碳成分,在高温高压之下,结晶成金刚石。当压力继续增大,后面的岩浆就冲出前面已经凝固起来的岩浆“盖”,形成爆破。如此多次压力的变化,多次的爆破,使金刚石晶体大致具有圆形的轮廓。

藏在地壳浅部的含金刚石的金伯利岩随着地壳运动、升降起伏,终于暴露到地面,风化以后,金刚石砂就随水流动而分布到山坡、河滩各地。未风化的,就埋藏在山上。所以,找到金伯利岩时,就有希望发现金刚石。

在我国境内,目前已知的金刚石矿床有三种类型:

一是原生矿,基本上都已开采,其中最有前途的是山东一辽宁的郯城一庐江深断裂带的东、西两侧40~70公里范围内,金伯利岩岩体呈岩筒和岩脉成群产出,呈带状展布,严格地受一定方向的小断裂和裂隙性构造控制,在蒙阴和辽南有三个含金刚石的岩带;其次是贵州的宜昌一都司深断裂带和近东西向的贵阳一芷江深断裂带的交接地区,已发现十几条金伯利岩带。

二是含金刚石的金伯利岩,我国境内已发现4万多平方米,垂直分布深达地下600米以上,但地表露头仅几千平方米,潜在的希望很大,此类岩石的金刚石含量一般为0.2~0.5克拉/每立方米,最高的3克拉/每立方米。

三是金刚石砂,主要分布于湖南的沅水流域,山东的沂沐河流域,辽南的复河流域。此种类型容易获取宝石级的金刚石。如沂沐河流域除发现特大的“常林钻石”外,自1981年以来,又发现124.27、96.94和92.86克拉的大颗金刚石。

其他如安徽、江苏、山西、河南、河北、吉林也都找到过金刚石,湖北大洪山、黔西、滇东、川西南、塔里木盆地等处,从地质背景看,都有可能发现金刚石,今后很值得注意。

从金刚石砂找到大金刚石矿的最著名的例子莫如博茨瓦纳了。它本来不产金刚石,1955年4月开始找寻,经过7年,却毫无结果。到1962年,一个部落在一条干涸的小河中找到三颗小金刚石,于是人们溯河而上,企图寻找大的金刚石原生矿,结果还是失望了。后来,地质学家杜托伊特到那里勘察,他认为几百万年前此处曾发生“隆起”的地壳运动,产生金刚石的地方应在偏西的古河道里,果然,在1967年4月,发现了大型的金刚石矿,其地表面积达112.5公顷,储量达10000万克拉,年产300万克拉。他山之石,可以攻玉,在研究我国金刚石矿床时,亦可借鉴。


金刚石宝贵之谜


金刚石由于其产量极少,色泽优美,质坚不变,被视为豪华富贵的饰物。英国国王、葡萄牙国王、俄国的叶卡德琳娜二世以及拿破仑都追求过名贵的钻石,前伊朗国王巴利维加冕时用的皇冠上,镶嵌有3800颗钻石呢!对他们来说,拥有大而多的金刚石还是权力的象征。其他拥有金刚石的人,也决非一般平民百姓,而是王公贵族,巨贾豪富。正因为如此,拥有金刚石便成为人们生活中的奢望追求;又正因为如此,再加上金刚石的特性,是最硬的矿物,任何钢铁鎚也砸不碎,所以科学家们又对金刚石的研究着了迷。


首先,想弄清楚金刚石的成分是什么?


据说,2000多年以前印度最先发现金刚石,当时有人认为它是由水、天、气、土、能5种基本“元素”组成。到公元5世纪,希腊发现金刚石,则认为由水、土、火、气4种“元素”组成。俄国的罗蒙诺索夫曾解释金刚石的硬度是“由紧密联系的质点组合而成的”。有些古代科学家因为说不清金刚石的成分,甚至异想天开提出,由“金刚土”构成。


1649年,意大利佛罗伦萨科学院的院士们为了研究红宝石和金刚石受热后的稳定程度,把两者同置于一个加热容器中燃烧,当“白炽化”时,红宝石毫无变化,而金刚石却不见了。但当时这些院士们说不出其究竟来。


1779年,又有几位意大利科学家由凸镜聚焦镜在太阳光下聚焦到金刚石上,不一会,化作一缕黑烟上天,留下一点黑灰。这件事,轰动了科学界,认为这是不可思议的发现,并引起各方的争论。


3年以后,法国的著名化学家拉瓦锡提出一篇研究报告说:“金刚石究竟是什么呢?我认为,要十分满意地回答这个问题是不可能的。也许,这个问题甚至永远无法回答出来。”这下子,名人的预言,使后来者望而却步。


过了25年以后,英国的钱南作了一次关键性的实验,他将一颗纯净的已知重量的金刚石放在一个充满氧气的金质密封筒中任其充分燃烧完毕,得到二氧化碳气体。据此,钱南果断地说:“金刚石是由碳组成的,只不过这种碳比煤炭 (或石墨)要纯净得多。”为了进一步证明,他又测定了CO中碳2的重量,不多不少,与原来金刚石的重量相等


后来,法国化学家摩尔沃又从钱南的实验中得到启发,将一颗金刚石通过实验手段转变成石墨。金刚石是碳组成的结论也就确切无疑了。


但由于近代仪器的精度逐步提高,现在测得任何最纯净的金刚石,也含有小量杂质,约在0.1%~4.8%之间。所谓杂质,通常有Si、Al、Ca、Mg、Mn、Na、Ba、B、Fe、Cr、Ti等,但这些杂质对金刚石的基本特性,诸如光泽、硬度都无关紧要,所以,任何金刚石都是值钱的。


平常作研磨之用的金刚砂,并非金刚石的砂,而是刚玉的砂,它也很坚硬,仅次于金刚石,所以可用于研磨。刚玉的主要成分是Al2O3,有时含有微量的Fe、Ti、Cr等。一般呈蓝色、黄灰色。含Fe者呈黑色,光泽较金刚石差些,与玻璃的光泽一致。结晶的形态也与金刚石不同,常呈腰鼓形。但如呈红色、蓝色者,则为红宝石、蓝宝石,也是名贵的装饰品,但价格逊于金刚石。


我国古书,如《齐东野语》、《本草纲目》中所说的金刚石,能雕琢玉器,实际上也是刚玉,并非金刚石。


金刚石除特别坚硬外,其他的物理性质尚有:纯净者应是无色透明,含杂质者则为蓝、黄、褐、黑诸色。标准的金刚光泽,再加上强烈的色散性,所以光华璀璨,令人爱不释手。特别是白天,经过自然光的长期照射以后,到了夜晚的月光底下,能发出蓝色的光芒,所以人们称它为“夜明珠”。其比重在3.50~3.52之间,在大多数溶剂中都不溶解。


工业上利用金刚石的特硬性质,用于钻头最为普遍。例如在地质用的钻头上,镶嵌上两排6~12颗 (每颗重3克拉就够了)金刚石,那末任何坚硬的岩石都能飞速地钻进去,比利用一般硬质合金的钻头可以大大提高工作效率。如镶嵌在车床的合金刀具上,锋利无比,用于高硬切割材料。


在金刚石上钻一小孔,能制成拉丝模,如钨通过它的小孔,可拉成又长又细的钨丝。凡电视机、收音机、电子计算机中所用的金属细丝,都是通过金刚石小孔拉成细丝的。


利用金刚石制作轴承,使用寿命更长,精密度也大大提高。所以高级仪器、机械的轴都利用金刚石制轴承,最为理想。


此外,在原子能工业上的高温半导体、国防工业上的红外光谱仪等尖端产品的原料都离不开金刚石。


由于金刚石在工业用途上十分广泛,而天然金刚石的产量非常少,自3000年前开始采掘淘洗,至今仅产330多吨。于是科学家设法制造人工产品,但是人造金刚石的颗粒极小,不及天然的大,工业上应用也受到一定程度的限制,作为名贵的首饰更不能代替,所以地质队找寻金刚石的任务并未结束。


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