高压和高温在钻石形成中的作用

高压和高温在钻石形成中的作用

钻石以其非凡的硬度和美丽而闻名，因此在珠宝和工业应用中都具有很高的价值。天然钻石的形成是一个迷人的过程，发生在地幔深处，涉及高压和高温的特定条件。了解这些条件有助于解释为什么钻石相对稀有，并阐明钻石形成所涉及的地质过程。

钻石形成的条件

高压力

• 压力要求：钻石在 4.5 至 6 千兆帕斯卡 (GPa) 的压力下形成，这大约是大气压力的 45,000 至 60,000 倍。这些压力通常位于地球表面以下 140 至 190 公里的深度。
• 压力的作用：高压至关重要，因为它迫使碳原子形成紧凑的四面体晶体结构，这是钻石的特征。在较低的压力下，碳原子形成石墨，表面条件下更稳定的碳同素异形体。

高温度

• 温度要求：温度范围钻石形成温度在 900°C 至 1,300°C 之间。这些温度是必要的，以提供碳原子重新排列成金刚石晶格所需的能量。
• 温度的作用：足够的热量可使碳原子克服能量障碍并重新排列成紧密结合的金刚石结构。如果温度不够，原子的动能就会太低，无法实现这种转变。

钻石形成的地质环境

钻石永恒揭示地球发展的新见解 | NSF | 图片来源： Zina Deretsky，美国国家科学基金会

地幔条件

• 深度：钻石形成所需的条件通常位于地球地幔 140 至 190 公里的深度。这些深度对应于钻石的稳定场，压力和温度条件在此适当相交。
• 碳源：地幔中钻石形成所需的碳可能来自俯冲的海洋板块，它将碳酸盐引入地幔，也可能来自地幔本身的原始碳源。

金伯利岩和煌斑岩烟斗

• 运输至地面：钻石通过被称为金伯利岩和煌斑岩的火山管被带到地表。这些火山管由源自地幔的深源火山喷发形成，并迅速将钻石和其他地幔物质运送到地表。
• 喷发特征：这些岩浆的快速上升对于保存钻石至关重要。缓慢的运输会使钻石变回石墨或因压力和温度的变化而溶解。

合成钻石的形成

高压高温 (HPHT) 法

• 流程：HPHT 法通过对碳源施加高压（5-6 GPa）和高温（1,300-1,600°C）来复制天然钻石的形成条件，通常使用金属催化剂来促进这一过程。
• 应用：随着合成钻石质量的提高，HPHT 钻石越来越多地用于工业应用（切割、研磨、钻孔）并且越来越多地用于珠宝。

化学气相沉积（CVD）法

• 流程：CVD 涉及产生含碳气体（如甲烷）的等离子体，然后以受控方式将碳原子沉积到基材上。虽然此方法在较低压力下运行，但仍需要高温（700-1,200°C）。
• 应用：CVD 可以生产高纯度钻石并生成适用于各种技术应用的钻石薄膜和涂层。

结语

钻石的形成证明了地球内部发生的动态和强大过程。钻石形成所需的高压和高温特定条件说明了地质力量的微妙平衡。合成钻石生产的进步继续为这些自然过程提供见解，同时扩大了钻石在工业和商业领域的可用性和应用。