天然金刚石形成机制新探
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天然金刚石约半数以上有中心固相包裹体 ，其直径为几至几十微米 ，可以单个矿物出现 ，也可以几 个矿 物一 起 出现 。榴辉 岩 型金 刚石 的包裹 体有 镁铝 榴石 、铁 铝榴 石 、绿辉 石 、柯石英 、金红石 、刚玉 、 蓝晶石 、透长石 、 尖晶石 、硫化物 、含钾一 硅相或更复杂的硅酸盐熔体微包裹体 ；橄榄岩型金刚石的 铝一 包 裹体 有橄 榄石 、顽 火 辉石 、含 铬透 辉石 、铬镁 铝榴 石 、铬 尖 晶石 、镁钛 铁矿 、金 红 石 、锆石 、硫 化物 、 石 墨 、 自然 铁 、镍铬合 金 、方镁 石 、方铁 矿 、镍 纹石 、镍碳 铁 矿 、碳 硅 石 、磷 灰 石等 。
天然金 刚石 中痕 量成分 已发现 ５ ８种 ： 是天然 金 刚石 固有 的重 要成 分之 一 ， 氢 它在 金 刚石 品格 中的存 在 形式 有 品格氢 （ 原子替 代碳 原子 形成 ｃ Ｈ 键 ） 隙氢 （ 氢 — 、空 氢原 子与 氢分子 在 空隙 中 自陷 ） 心 氧 、键 （ 氢位 于 ｃ —ｃ键 中心 ） 、反键 心氢 （ 位 于 ｃ ｃ键 的反 向延长 线上 ，类 似 于空 隙 的位 置 ，所 不 同的是 氢 —
度 是水 晶 的 １００倍 。在室 温下金 刚 石能耐 强酸 、强碱 和各种 腐蚀 性气 体 。在 常压 空气 中加热 天然金 刚 ０ 石 在 ８０ ５ ％以下保持 不 变 ，人工合 成金 刚石在 ６５ ９ ℃时仍保 持不 变 。单质碳 是还 原剂 ， 还原能 力 随温度 其 升高 而提 升 ，在 １ ０ ℃它 可还原 Ｎｉ ０ ０ Ｏ、Ｃ Ｏ、Ｃ ２ ｕ ｕＯ、Ｆ Ｏ、Ｐ Ｏ 为对应 的金７ ；在 １ ０ ０ ｏ ７ ｅ ｂ 属 ９ ０ ５ ０Ｃ，它 ９ ｈ一 ４ ６０ ０～１ ２ ｃ ３ ６ ； ５
ＣＯ２ Ｍ ｇ＝２ ｇ ＋２ Ｍ Ｏ＋Ｃ ；
６） 四氯化 碳被 金属 钠还原 ：在高 压釜 中，以镍 钻锰 合金粉 为触 媒 ， 金属 钠还原 四氯 化碳制 得金 刚 用
百。
ＣＣ１＋４ ａ ４ Ｎ 镍钴锰合金粉
７０ ０
综 上所 述 ，形 成 与金刚 石有关 的单 质碳 的碳源 可 以是 固态 、气 态 、液态含 碳物 质 ，形 成途径 具有 多
其受到 ｃ —ｃ键的影响 ）显微流休包裹氢 （ 、 氢存在于显微流体包裹体 中 ）Ｊ金刚石体内氢浓度为（ ０ ～ 。 ５０ ３０ ６ ０） ×１～ ｔｍｉ，氢在 金 刚石 内呈 非均 匀性 分布 。 ０ａ ｏ ｃ … 金 刚石通 常含氮 ０１ （ ．％ 质量分 数 ） 右 ，可高达 ０２ ％，氮 使金 刚石 的颜 色 、晶体 得到 改善 ，增 强 左 ． ３ 其机械 强度 。氮在金 刚石 中的含量 也是 不均一 的 ，同一 粒金 刚石 的不 同部 位 其含氮 量呈 不规 则振荡 ，最 大相差 达 ５ ０倍 。这 反 映了金 刚石在 生长 过程 中环境 、条 件 的变化 ，以及 生长 期后 可能 受到 了改 造 。
２１ 年 ６ ０２ 月第 ３ 卷第 ２ ２ 期
四川地质学报
Ｖ １ ２ ｏ Ｊｎ． ０２ ｏ３ Ｎ ． ｕｅ，２ １ ． ２
天然金 刚石形成机 制新探
郑大 中 ，郑若峰
（ 成都综合岩矿测试 中心 ，成都 ６０８ ） １０ １
摘要 ：通过对金 刚石有关的单质碳 形成途 径及 其理化性质 、金 刚石单矿 物的杂质成 分及其 流体 包裹体 的挥 发 成分和矿物成分 、金刚石的主要共生伴生矿物、人 工合成金 刚石的方法、碳 源、条件 的研 讨 ，结合超 高压的 地质 背景 ，提 出形成天然金刚石的新机 制为 ：在地球深部 高温高压强还原环境 ，碳 氢化合物在 自然单质或金矿 物催化 下 ，热裂解 围原子碳 ，生成金 刚石晶核 并长大 ，此后 它随较快运移 的岩浆到达地球浅部 ，在 高压 下迅速 降 温赋 存 于母 岩 中，避 免 和 减 少 了金 刚石 的溶 蚀 、氧 化 和 石 墨 化 。 关键词 ：金 刚石 ；碳 氢化物 ；催化热裂解 ；高压快速 降温 中 图分 类 号 ：Ｐ ７ ５１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ： １０ — ９ ５（ ０ ２ ２ ０ ８— ５ ０６ ０９ ２ １ ）０ — １７ ０
不 同产地金刚石矿物流体包裹体挥发成分列于表 １ 。 金 刚石矿 物流体 包 裹体 挥发 成分 还有 多环 芳香 烃 ３６～ｍｇ ｇ ｒ １ ／ 、Ａ 、ＣＨ 和其它 烃类 、乙醇等 ，在 ３ ｋ ６ 个天然金刚石中测得乙醇的体积分类的平均值为 ０ ％。 ． ６
２３金 刚石 流体包 裹 体 的矿 物成 分 ．
如 以金 属镍 粉为催 化 剂 ，于 ５０～７０ ，即能将 甲烷 热裂 解成 纳米单 质碳 。 ０ ０℃
镍 粉
Ｃ — Ｈ４
ｃ ＋ Ｈ ２２ Ｔ；
２）碳氢 化 物聚合一 裂 解 ：金 刚烷 聚合 、裂解 ，即有单 质碳 生成 。
２ ｌ ６Ｃ Ｏ ２ ＋ Ｈ ；３ ２ ２ ｃ Ｏ ２２ Ｈ ｎ ６ ２ｃ Ｏ ＋ Ｈ Ｃｏ ＝ ２ Ｈ ０ ６ ２ Ｈ１ Ｔ ｃｏ ０ ６ Ｈ ＋ ９ ２ Ｈ＝ Ｔ； Ｃ０ ＝ ６ ｎ ２ Ｈ Ｔ； ３ 碳氢化物不完全氧化 ：在氧逸度较低 ， ） 游离氧供应不足时 ，甲烷 、乙炔等碳氢化物不完全氧化 也 能产 生单质 碳 。 ２ Ｈ＋ ２ ＋ ＯＴ ３ ２ ＋ ２ ； ２ ２ ２Ｏ＝ Ｃ ＋ ＯＴ Ｈ ＋ ２ ； Ｃ ４０＝ ０ Ｃ ＋ Ｈ Ｈ ０ Ｃ Ｈ＋ ２３ Ｃ ＋ ２ Ｈ ０ Ｃ ｆ ｆ ４） 一 氧化 碳歧 化 ：在高 温 、高压 条件 下 ，一 氧 化碳歧 化 生成单 质碳 和二 氧化 碳 。 ２Ｏ Ｃ Ｃ ２ Ｃ ＝ ＋ Ｏ ｆ； ５） 酸盐 热解一 还 原 ：在 常压环 境 ，镁 、钙 、铁 、锰 、锌 、铅 的碳 酸 盐热解 易 释 出 Ｃ ，而 在高温 碳 Ｏ２ 强还 原 环境 ，Ｃ ２ Ｏ 可被 氢 和 （ ）氢 化物 还原 成单 质碳 。 或
金 刚石 中痕 量杂 质成 分还 有 Ｓ 、Ａｌ ｉ ａ ｒ ａ ｉ 、Ｔ 、Ｃ 、Ｓ 、Ｂ 、Ｍｇ 、Ｋ、Ｂｅ ｅ ｏ 、Ｆ 、Ｃ 、Ｎｉ ｒ 、Ｃ 、Ｍｎ ｒ 、Ｚ 、 Ｐ 、Ｚ 、Ａｕ ｂ ｎ 、Ａｇ 、Ｐ 、Ｓ 、Ｏ、Ｈｅ ｒ 、Ｋ 、Ｎｅ 、Ａｒ 等 。
２２金 刚 石流体 包 裹体 的挥 成分 ．
要 意 义
１ 单质碳 的形成途径及理化性质
１ ． １单质碳 的形成途径 单质碳的形成途径较多 ， 仅对与生成金刚石可能有关的途径进行讨论 。 １ ）碳 氢化 物热 裂解 ：甲烷 加 热至 １００～１２０ ２ ０ ０ ￣缓慢 分解 为单 质碳 和氢 ，大 部分 可稳定 至 １５０Ｃ ０ ￣ 才热解 为 乙炔 和氢 ，乙炔 裂解 为单 质碳 和氢 。 ２ Ｈ — ！ ｃＨ ｆ ３ ２ ｃＨ ２ ＋ ２ ； Ｃ ４ ２ ＋ Ｈ ｔ； ２ ｃ』 Ｈ Ｔ
有些 金属 和非 金属 单质会 与单 质碳生
成碳 化物 ， Ｆ Ｃ、 Ｃ、 ａ ２ Ｃ Ｃ、 如 ｅ Ｍｎ Ｃ Ｃ 、 ｒ
６ ４ ¨ ３ ６ ７ ７ ４ ３
９
９
ＷＣ、ＴＣ、ＳＣ 等 。这些 对研 究不 寻 ｉ ｉ 常地 幔矿 物群 的成 因具有 重要 价值 。
Ｏ一 ４ ＂ ｍ ５ Ｊ ６ ２ ５ 盯
产 以相互转 化 。 隔绝空气 常压 条件 下 ， 刚石加 热到 １ ０ ￣ 在 金 ０Ｃ即变 成石 墨 ；而南 南 南 、 刚 巴 巴 美 存 在 的 ０ 在高压 刚 果 两 西 围 美 美 荚 美 地 非 非 非 果高温 和触媒 困 国 同 围 中 中 困 圈
条 件下 ，石 墨 、富勒烯 、无 定形碳 可熔 解 、结 晶变 成金 刚石 。
样性 ，其形成条件具差异性 ；须具备一定压力 、 温度和强还原环境 ；镍 、钴 、锰 、铬等金属 、 合金为触 媒 可大 大 降低形成 单质 碳 的温度 、压力 和显 著提 高其形 成效率 。
１ ． 质碳 的理化性 质 ２单 单 质碳 的熔 点 为 ３５ ０ ，沸 点为 ４８ ７ 。其 同素异 形体 有金 刚石 、石墨 、无定 形碳 、笼状 富勒烯 ， ５ ％ ２ 如 Ｃｏ ７、Ｃｏ ２ 、Ｃ４ 等 。有 的单 质碳 的微 晶具 有纳 米结构 ，其 同位 素异形 体在 一定 条件下 可 ６、Ｃ ｏ ８、Ｃ４ ０ ５ ０ Ｊ
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
２ 金刚石的杂质和包裹体成分
金 刚石 中痕量 杂质 成分 是造成 金 刚石瑰 丽多 彩 的重 要原 因之 一 ，它们
１ ４０ ２ ３８ ４８ ．
对 研 究 金 刚石 碳 的 来 源 及 其 迁 移 形
成 ，成 矿 时的环境 、条件 ，成矿 过程
和演化 方 向均有 重要 意义 。
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２１ ０ ２年 ６月第 ３ ２卷第 ２期
四川 地 质学报
Ｖ １ ２ Ｎ ． Ｊｎ ． ０ ２ ｏ． ｏ ｕ ｅ，２ １ ３ ２
金 刚石 常含 痕量 硼 、硼进入 金 刚石 点 阵 中 ，使金 刚石 的热 稳定 性 、力学 性 能大为 改善 ，抗 氧化性 能 提 高 ，它可呈 硼 氢化 物 ，硼氮 化物 进入 金 刚石 ，也 可随含 硼触 媒剂 进入 金 刚石 。
ＭＣ ３Ｍ０ Ｃ ２ ０＝ ＋ Ｏ ； 式 中 Ｍ＝ ，Ｃ ，Ｆ ，Ｍｎ ｎ ｂ Ｍｇ ａ ｅ ，Ｚ ，Ｐ 。
收稿 日期 ：２１ －１ 一 ９ ０ Ｏ １ Ｏ 作者 简介 ：郑大 中 （ ９ ７ ，男 ， 四川 资 中人 ，教 授 级高 工 ，主要 从事 分析 测试 和地 球化 学研 究 １ ３一）
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天 然金 刚石形 成机 制新探 Ｃ ２２ ２Ｃ ２ ２ Ｃ ２２ Ｈ ＝ Ｃ ２ ２ ＋ Ｈ Ｏ； Ｏ ＋ Ｈ ＝ ＋ Ｈ Ｏ； Ｏ ＋ Ｃ ４３ ＋ Ｈ ２ ２ ｆ
Ｃ ｚ 能被 强还 原性金 属还 原生成 单质 碳 ，如在 高温下 金属镁 将 它还原 成单质 碳 。 Ｏ还
表 １ 金刚石矿物流体包裹体挥发成分 （ ｏ ） ｏ ％ ｔ１
