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金伯利岩——天然钻石的“搬运工”

 见青黄 2020-02-09

由于消费需求转疲弱,加上人工钻石激增,全球钻石产业自8月起就处于低迷边缘,而且过去几个月钻石批发商一直要求相关供应商下调钻石原矿现货价格

当被包装成浪漫化身的钻石,遇到科学进步也不得不服啊

金伯利岩与钻石

钻石是已知的最坚硬的天然物质,它发现于一种被称为金伯利岩的火成岩(火成岩或称岩浆岩,地质学专业术语,三大岩类的一种,是指岩浆冷却后,也就是地壳里喷出的岩浆,或者被融化的现存岩石成形的一种岩石)中

金伯利岩——天然钻石的“搬运工”

金伯利岩

和其他火成岩一样,金伯利岩是在地壳形成过程中,经过数千年的火山作用形成的,金伯利岩位于这些以前火山活动的圈层内,这些圈层通常位于延伸至地球内部深处的山脉附近

金伯利岩——天然钻石的“搬运工”

pipes:岩筒

金伯利岩内部有间歇性的钻石沉积,钻石是存在的几种矿物之一,然而,并不是所有的金伯利岩都含有钻石,其他经常与钻石一起发现的石头是云母、石榴石和锆石

云母

世界上金伯利岩的研究是与原生金刚石(钻石在化学和工业中称为金刚石)的找矿工作同步进行的,大约公元前 800 年,在印度安得垃邦境内几条河流及其支流的砂砾岩层中曾开采过砂矿 (次生)金刚石

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晶体结构

直到 1870年在南非才首次发现了含原生金刚石的杜突依斯潘 (Dutoispan) 金伯利岩岩筒

次年相继发现了金伯利 ( Kimberley ) 、的彼尔斯 ( DeBeers ) 、巴尔弗坦(Bultfontein)等著名的富含金刚石的岩筒(为发育在岩体中的一种构造,是后期同源岩浆向上涌动时在围岩中留下的通道),自此揭开了人类研究金伯利岩及原生金刚石矿床的重要历史阶段

金伯利岩——天然钻石的“搬运工”

出露含矿金伯利岩的克拉通,(克拉通:大陆地壳上长期稳定的构造单元),具有以下特征:

①发育有岩石圈根或加厚的岩石圈, 一般可深达 200 km 左右;

②这些克拉通稳定固结的时间早, 多数在太古代时期, 例如南非 Kaapvaal和 Zimbabwe 克拉通形成稳定于27 亿年前[ 1 ] , 我国华北克拉通稳定于 18 亿年前;

③岩石圈的地温低, 一般 < 40 mW /m 2 , 符合正常的地盾地温和低的地表热流值;

④岩石圈地幔的氧逸度偏低

由于金刚石稳定于高压和较低温的条件, 因此如果该地区岩石圈厚度不够大或氧逸度高, 其中的单质碳不能形成金刚石, 只能以石墨的状态保存, 如果构造运动频繁岩浆活动强烈, 则岩石圈地温增高, 也不利于金刚石在金伯利岩中的保存, 他们会转变为石墨或被燃烧形成 CO 2 逃逸

如此苛刻的构造环境, 是造成金伯利岩和金刚石分布十分稀少的主要原因

钻石如何开采

钻石要么是从地表下的金伯利岩筒中开采出来的,要么是从冲积物中开采出来的,当火山活动将金伯利岩和其他矿物从活动中心带到自然形成的灌溉系统时,就会发生冲积(河床)沉积

金伯利岩——天然钻石的“搬运工”

金伯利岩筒

这种钻石在离地球表面很近的地方被发现,在冲积矿开采中,首先需要从该地区清除大量的沙子,即使用大型机械刮刀将其移开,覆盖层下面是一个砾石床,用推土机把碎石铲起,成堆地放在一边

然后这堆石头被带到筛选工厂,在那里钻石被筛出来,在冲积采矿中,为了挖掘钻石矿床,有时需要到达砾石床下面的基岩--有时甚至在基岩下面

金伯利岩——天然钻石的“搬运工”

金伯利岩钻石的地下开采也需要移动大量的岩石和其他材料,以便挖掘宝石,但规模要比冲积开采大得多,而与开采黄金或其他物质不同,工程师无法事先确定一个地区是否有大量的钻石

分段崩落法是从金伯利岩矿床中开采钻石最常用的方法,这种方法可以获得最高的产量,因此是最具成本效益的

金伯利岩——天然钻石的“搬运工”

首先,挖掘一个大的垂直洞,通常直径533米,标高大约每12米放置一次,沿着这些水平是水平隧道,称为刮板巷道

在巷道中,每隔3米左右就有小的倾斜锥形开口,这些开口大约是四英尺乘四英尺,当水平切片在锥体上方切割时—通常高度约为1.8米—金伯利岩开始断裂并落入锥体和刮刀巷道中,然后将材料推上卡车,卡车在地下穿过矿区,将收集到的金伯利岩带到破碎设备

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在地下采矿设施的破碎作业中,大块金伯利岩被分解成更容易运输的小块,在最初的破碎之后,金伯利岩通过格筛条,如果被压碎的块没有通过格筛条,说明它们仍然太大,尺寸不过关,就会被送回进一步压碎

金伯利岩——天然钻石的“搬运工”

金伯利岩——天然钻石的“搬运工”

然后将破碎的金伯利岩带到地表以上进行进一步加工,当没有发现更多的金伯利岩进入锥体时,该区域将耗尽,工作将移到较低的水平

真正的钻石必须与周围的岩石分开,破碎是第一步,但这是在一个初步的形式,以免损坏潜在的宝石内部,接下来,使用基于重力的装置,从尾矿或填充岩中对含有称为精矿的钻石部分进行分类

金伯利岩——天然钻石的“搬运工”

开采出来的天然金刚石晶体

最常用的分离方法之一是19世纪70年代在南非开发的一种洗涤锅,将分解的金伯利岩和水混合放入锅中,混合物的粘度是一个关键因素,因为较轻的颗粒会上升到顶部,而钻石和其他重矿物会下降到底部

另一种分离钻石的方法是使用介质分离器,将加水到压碎的浓缩物和尾矿中,然后添加密度较大的硅铁粉末,目前有三种介质分离器使用最多,第一种是锥形罐,内有锥形搅拌元件,搅拌器在罐的四周移动,但留有足够的空间,使较轻的尾砂上升到顶部,较重的部分下沉到底部

在提升轮式介质分离器中,一个轮子被混合物填满一半并在里面搅动,从底部提起重颗粒,将它们与混合物的其余部分分离

第三种介质分离器称为水力旋流器,它是一个旋转的大缸,通过离心力,较重的、富含钻石的颗粒被分离出来

金伯利岩——天然钻石的“搬运工”

经过这种初步的分离,浓缩物转移到一个润滑区,这是19世纪末南非钻石制造业的另一项创新

金伯利岩——天然钻石的“搬运工”

将金伯利岩和金刚石混合物与水混合,放置在润滑带或工作台上,这个装置通常是倾斜和振动的,这种方法的前提是新挖掘的钻石遇水后不会变湿,相反,它们会粘在油脂上

金伯利岩——天然钻石的“搬运工”

然后,水带走剩余的非钻石颗粒,接着将含钻石的浓缩物从工作台上扫下来,煮沸以除去油脂的痕迹,在一种新的方法中,X射线技术被用来确定哪种精矿是金刚石,哪种是流出物

开采出来的钻石接下来就是进行精加工应用在各行各业和个人消费者

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钻石的切割方法

钻石的应用

由于金刚石的硬度极高且导热性极高,用于砂纸、钻探、研磨工具之上,可以用来切削和刻画其他物质,以及大型集成电路等散热板上

然而,自从1955年GE通过高温高压获得人造金刚石的技术后,科学家会利用高温高压制成金刚石微粒,而现在的细小颗粒的合成钻石已经较同级天然钻石便宜,所以天然钻石的工业价值已经完全消失;目前天然钻石的主要用途已经仅限于首饰与观赏

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