2钻石3-4章(类型及颜色成因)-39

4、钻石类型的总结
钻石的许多物理性质与其所含的杂 质元素N（氮）和B（硼）有密切的联系， 并依此划分出不同的钻石类型，可总结 如下：
表1 钻石按特性分类表
特性 Ⅰ型 Ⅰa 含氮量 高， 0.25-0.1% Ⅰb 较少， 0.1-0.01% Ⅱ型 Ⅱa 极少， < 0.01% Ⅱb 几乎不含N， 而含B
第三章 钻石的类型及颜色成因
一、钻石的类型和特征
按用途可分为工业钻石和宝石级钻
石两大类。
按特性目前分为:Ⅰ型和Ⅱ型，
再细分为:Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa和Ⅱb型。
见表1
一、钻石的类型和特征
1、Ⅰ型与Ⅱ型钻石
基于对钻石光谱的吸收和透射性能的研究，将钻石 划分为Ⅰ型和Ⅱ型两大类，这两类的钻石在对紫外光的透 光性能和红外光谱的吸收特征上有着明显的区别。
以各种氮原子团为主的钻石称为Ⅰa型，以孤氮型式 为主的钻石称为Ⅰb 型。（Ⅰ型含相当明显的氮，在 0.10%左右）。 天然的Ⅰ b型钻石很少，仅占Ⅰ型钻石总数的0.1％ 左右，但是合成钻石，如不经特殊处理，绝大部分属于 Ⅰ b型。
（2）双原子氮（A集合体）
当孤N迁移遇到另一个孤N，两个孤N就会 形成比孤N更稳定的双原子团的形成,这对两个 N代替晶格中两个相邻的碳原子，并形成缔合 体稳定下来，这种型式被称为A集合体。 A集合体能导致在蓝光区478nm的弱吸收 和红外光1282cm-1吸收。这类钻石称为ⅠaA 型。
二、钻石颜色成因讨论
（2）辐照致色作用 辐照致色机理:
因自然或人工的高能离子对钻石的轰击作用，可以 置换碳原子及其电子，使原子发生位移，形成空位或填 隙，钻石结构遭到破坏，因而产生色心，该色心对可见 光进行选择性吸收，而使钻石呈现颜色。
用来辐照钻石的辐照源有 : 高能电子、中子、r射 线，a射线等， 被辐照处理的钻石常见的色心有：GR1心、H3心和 H4心。 GR1损伤 为一结构空位，典型吸收峰741nm， H3心 为A集合体 + 空位，即形成氮 - 空位 - 氮 (NvN)缺陷,特征吸收为503nm, H4心 为B1集合体 + 空位，特征吸收峰为496nm， H3和H4色心通常是在辐照后经加热处理形成的， 处理温度约600—900℃。天然钻石中常缺失H4色心或 H4色心不明显。


氮致色机理: 晶格中的杂质氮因核外层有5个电子，比碳多 一个，当占据碳晶格位置时，其中的4个被共价 键所约束，而多余的一个电子受的约束力较小， 只需较小的能量就能脱离氮原子，当该电子吸 收可见光范围内某波段光的能量时，即可摆脱 氮原子而发生跃迁，这一吸收而使许多钻石显 黄色调，如上所述，不同的中心，其吸收的波 段有差异。
这类钻石也属于ⅠaB，或称为ⅠaB2。
钻石中片晶氮吸收和B集合体吸收常同时存在。
3、Ⅱ a和Ⅱb型钻石
天然的不含氮的Ⅱ型钻石也相当的稀少， 在所开采出的钻石中仅占2％左右， 在Ⅱ型钻石中，有少量钻石具有更为特殊 的性质，如短波紫外光下具有蓝色或红色磷光、 较高的电导率（半导体），具有这些性质的Ⅱ 型钻石可被进一步划分成Ⅱb亚型。Ⅱb型的钻 石大约仅占Ⅱ型钻石的0.1％，所有蓝色的钻 石都属于Ⅱb型钻石。

橄榄岩是主要由橄榄石和斜方辉石组成的 中粗粒岩石，另含有少量的单斜辉石和镁铝榴 石，因不同矿物含量的变化，橄榄岩又可分为 纯橄榄岩，二辉橄榄岩、方辉橄榄岩等类型。

榴辉岩主要由石榴石（铁镁铝榴石）和单 斜辉石组成的粗粒岩石，可含少量的蓝晶石、 金红石、硫化物及柯石英等矿物。钻石的形成 与上地幔的这两类岩石密切相关。
决定辐照 - 加热处理钻石的最终颜色的因素: ①钻石类型、②初始颜色、③处理工艺、④高能离子 能量和剂量，⑤处理时间等。

单纯的辐射处理，常使钻石产生蓝色、蓝绿色、 绿色、暗绿色，处理时间过长则变为黑色，再通过加 热处理后，Ⅰa型钻石呈黄色、桔黄色，Ⅰb型钻石呈 粉红，紫红色或褐色，Ⅱ a型钻石为褐色。
3、Ⅱ a和Ⅱb型钻石
进一步的研究发现，尽管Ⅱb型钻石Al（铝） 的含量（几十ppm）远比B（硼）的含量（小于 1ppm）高，但是导致钻石具有半导体、磷光和 蓝色体色的原因是硼，而不是铝。同时，不含氮 也是钻石能具有这些性质的重要原因。 大多数的Ⅱ型钻石属于Ⅱa型。Ⅱa型钻石 具有相当的宝石学意义，目前所发现的许多大钻， 都属于Ⅱa型的钻石。而且Ⅱ a型钻石具有非常 白的颜色，但也可因其它的致色原因而具有体色。

钻石中孤氮对可见光的吸收具503nm、637 nm吸收峰，即吸收可见光中的部分红光和蓝绿光， 使钻石呈黄色。

孤氮浓度对颜色深浅及色调有影响，当孤氮 浓度为5一10ppm时呈浅黄，50一l00ppm时为金 黄，达到150ppm时，为绿黄，300一400ppm时， 为黄绿、绿色。 在合成钻石中除孤氮外，还含有Ni，会造成 494nm和658．5nm及1332cm-吸收，可使钻石产 生绿色色调。因此，对孤N和Ni的确定亦有助于对 合成钻石的鉴别。
3、寄主岩石类型
迄今发现的钻石产生的两种寄主岩石是金伯 利岩和钾镁煌斑岩。
钻石的形成年代远早于这两种岩石，如南非 的芬什（Finsch）矿中钻石的形成年龄为3300Ma， 博茨瓦纳的奥拉帕（Oropa）矿中钻石年龄为 990Ma，而其寄主岩金伯利岩岩筒侵位时间均 100Ma，说明钻石是以捕虏体的形式存在于该两 类岩石中。即原生的深部的金伯利岩岩浆或钾镁 煌斑岩岩浆在上升过程中穿过含钻石的橄榄岩区 或榴辉岩区而将钻石携带至地球表层。


N2及N3中心能分别吸收蓝光及近紫外光波长， 其中N3以415.5nm吸收峰为特征，另外还有 423nm、435nm、465nm和475nm吸收峰。这种 选择性吸收使钻石呈 黄色。 当N3中心的浓度越大，颜色越深，N3 中心是 A中心向B中心转变过程中产生的，可理解为二者 之间的过度状态．并且与A中心浓度正相关。 同时N3中心吸收紫外光能量,使钻石产生蓝色 和蓝白色荧光。
（1）晶格杂质元素致色作用

钻石中杂质元素氮、硼对其物理性质特别 是颜色有重要影响，氮至少有五种型式存在于 钻石晶格中，即孤氮、A集合体，N3色心， B1 集合体或B2集合体（片晶氮），其中 B1集合体，B2集合体仅在红外区有吸收， 可见光区无吸收，不影响钻石的颜色。


孤氮，A集合体和N3色心是钻石呈现不同 程度黄色的重要原因。
（4）B集合体;
（5）片晶氮
（1）孤氮（Ⅰb ）
氮在晶格中以单原子型式出现，取代一个碳原子位 置，并被其它的碳原子包围。
孤氮具有1130cm-1（波数）的红外吸收。
一般认为，钻石生长时，氮即以这种型式替代C，从而进入钻 石的晶格。如果钻石继续在较高的温度下，孤N可通过扩散作用在 晶格中迁移，而形成各种原子团的形式。


（4）包裹体致色作用
目前，因含有大量包裹体而使钻石呈现颜色有黑 色和橙红或褐红色两种:

① 当钻石中含有无数的暗色不透明矿物包裹体时， 呈黑 色，当用强的透射光检查该钻石时，可以观察到这 些包裹体，并且钻石显深灰色。
②后期次生包裹体存在于钻石的裂隙中， 当钻石裂 隙发育，并充填有这些带颜色的包裹体时，使钻石呈褐 红色或橙红色，这种钻石亦称为‘‘氧化”钻石。

天然褐色钻石具503nm强吸收峰，537nm、 512nm、494nm处可有弱吸收线。 所有天然粉红色和紫红色钻石在563nm处有 一宽吸收带，Ⅱ a型粉红色钻石有396nm和 390nm的吸收峰。Argyle矿产出的粉红色和紫红 色除563nm吸收宽带外，还有503nm和415nm 的吸收峰。 大量检测结果表明，钻石存在颜色从粉红、红 紫向褐色的连续变化，并均有塑性变形的特征。
少量(人工合 成的大部分)
少量
二、钻石颜色成因讨论

理想情况下，晶格完整的纯净钻石在可见光范 围内没有选择性吸收，表现为无色，仅在红外和紫 外部分区间有吸收。而自然产生的纯净无色的钻石 十分稀少，绝大部分钻石均具有某种颜色，深浅不 一。

钻石具有三个颜色系列: ①黄色系列，包括无色、浅黄至黄色钻石； ②褐色系列，包括不同强度的褐色钻石； ③彩色系列包括粉红、紫红、金黄、蓝色、绿色等。 另外，还有一种黑色钻石，这些不同的颜色其致色 原因与四个方面因素有关：a．晶格杂质元素； b．辐照损伤；c．塑性变形；d．包裹体。
硼致色机理: 杂质硼的存在是钻石产生蓝色的重要原 因。当B代替碳原子时，因硼的外层电子为 3个，比碳少一个，不能满足4个原子的成 键要求，因而在其共价键中产生一个“空 位”，该空位可以被邻近其它原子中的电 子运动所充填，同样，电子运动导致可见 光中近红光部分被吸收，使钻石呈浅蓝、 蓝色。另外B在红外区2460cm-1、2790cm1亦有强烈吸收。
（3）三原子氮（N3中心）-Ⅰa 型
在钻石的晶格由，如果3个N原子相邻，则形成所谓 的N3色心，这三个氮原子取代三个相邻的C原子，组成 三角型的原子团，并在三角型原子团的中央产生一个结 构空位。 N3色心导致在紫光区的吸收，是钻石产生黄色体色 的主要原因。这类钻石称为Ⅰa 型。 因为N3色心可视为A集合体到B集合体的过渡类型。 并且具有N3色心的钻石中通常也都有A集合体和B集合 体出现。

第四章 钻石成因、产状及产地
一、钻石的成因、产状
1、碳的来源
钻石中碳的同位素组成研究表明，上地幔中形成 钻石的碳的来源有两种： 幔源碳及构造运动带至地幔的壳源碳。碳在上地幔的 高温、高压状态下结晶成钻石。
2、形成条件和环境
钻石中包裹体研究表明：橄榄岩型（P型） 钻石形成温度为900一1300℃,压力为4.56×109pa，相当于地球150一200km的深度，榴 辉岩型（E型）钻石形成温度略高，其来源深度更 大，部分E型钻石来源深度超过300公里。 钻石形成于上地幔的两种主要岩石类型中,即 橄榄岩和榴辉岩。
Ⅰ型钻石含有相当明显的氮，通常在0.10％ 左右，
Ⅱ型钻石实际上不含氮或含极微量的氮，在 它的红外光谱中没有氮的吸收峰出现。
一、钻石的类型和特征
2、Ⅰ型钻石中氮的型式 N以五种不同的型式存在于钻石的晶格中： （1）孤氮 （Ⅰb）; （2）双原子氮（A集合体）; （3）三原子氮（N3中心）;
（4）B集合体 4 — 9个氮原子占据晶格中相邻碳原 子位置，并伴随有一个结构空位，在红外 光区产生1175cm-1的吸收，称该集合体为 B1集合体，这类钻石属ⅠaB型。
（5）、片晶氮
当钻石的氮含量超过0.10％时，通常会导致片晶氮 的产生。 所谓的片晶氮是几个原子厚的扁平层，沿（100） 向排列，被周围C原子所包围,两者之间的结构关系尚不 清楚，在电子显微镜下可直接观察到这种“片晶”，其 红外吸收峰约为1370cm-1，准确的红外吸收峰位取决于 片晶氮的大小，片晶氮愈大，波数愈小。
Ⅰ型钻石对波长小于330nm以下的紫外光有强烈的吸 收，实际上不透光，并对波长为7800nm （1282cm-1）、 8300nm、9100nm的红外光产生吸收。 Ⅱ型钻石则能透过波长短至220nm的紫外光，而且在 上述红外光区无明显的吸收带。
此外，这两种类型的钻石还有其他方面物理 性质的差异，导致钻石具有不同类型的根本原因， 是钻石中杂质元素氮的含量。

自然界中，天然的a-粒子的辐射作用使部分钻石 晶体表层呈绿色，其颜色厚度约几十微米，经抛磨后， 表面薄层颜色即消失。因此，抛光成品的钻石中，自 然辐照致色的钻石非常罕见。绝大部分绿色或蓝色钻 石为人工辐照致色。
（3） 塑性变形的致色作用

目前，大多数研究实例说明，褐色钻石、粉 红色和紫红色与塑性变形相关。因绝大部分钻石 来源于大于150Km的上地幔中，在这种高温高压 的上地幔环境中或在钻石被岩浆捕掳向上运移过 程中，要发生不同程度的塑性变形，产生晶格滑 移或位错，形成点缺陷或结构缺陷，这种缺陷不 仅可提高钻石中氮的聚集速率，还能使钻石产生 不同的颜色，具体的缺陷类型和致色机理仍有待 进一步研究。因塑性变形的不均匀性常使钻石的 颜色不均匀。
红外吸收 颜色
7000-10000nm强吸收 白~黄，变化多 常呈琥珀黄
7000-10000nm不吸收 白，偶见粉色 常呈蓝色
导热性 导电性 可见光吸收 萤光
好 不导电 415nm强
好
极好 不导电
好 半导体

415nm弱
415nm极弱 不发光 强度大，黄、 红 少量，罕见
强度小，蓝~浅蓝居多
占比例
天然钻石的 98%