第二章　自然元素与卤化物矿物

第一节　自然元素矿物

自然界的自然元素矿物约40种，约占地壳质量的0.1%，分布极不均匀。其中某些可富集成具有工业价值的矿床，如自然金、自然银、金刚石、石墨、自然硫等。自然元素矿物可分为自然金属矿物和自然非金属矿物。

构成此类矿物的金属元素主要是铂族元素Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt和Cu、Ag、Au等。其矿物呈典型的金属键。大多数矿物的原子呈最紧密堆积，结构型较简单，多数为立方最紧密堆积并具立方面心格子的铜型结构，如自然铜、自然金、自然铂、自然钯等。少数为六方最紧密堆积并具六方底心格子，如自然锇等。类质同象较为广泛。形态具等轴粒状和六方板状特点。物性上具有典型的金属性质，如不透明，金属光泽，硬度低，密度大，延展性强，热和电的良导体。铂族元素矿物多产于超基性岩、铜镍硫化物矿床和铬铁矿矿床中。而铜、银、金矿物多属热液成因，自然铜常见于硫化物矿床氧化带。

非金属元素主要是C和S。C的多种同质多象变体有金刚石、石墨和富勒烯。金刚石为典型的共价键，因而硬度高，光泽强，密度大，不导电，易导热。石墨为层状结构，层内呈共价键-金属键，层间为分子键，因而具{0001}完全解理，物性上具明显的异向性。S在自然界有三种同质多象变体，以α-硫最常见，由8个S原子以共价键连接成S8环状分子，环状分子间以分子键联结，故硬度低，熔点低，导热性也差。

自然金（gold）

Au

【晶体化学】　自然界纯金极少，常有Ag类质同象代替。可含少量Cu、Pd、Pt、Bi及Te、Se、Ir等元素。Au、Ag的晶体结构类型相同，原子半径和化学性质相近，故可形成自然金-自然银完全类质同象系列。含Ag＜5%者称自然金；5%～15%者称含银自然金；15%～50%者称银金矿；50%～85%者称金银矿；85%～95%者称含金自然银；＞95%者为自然银。

【结构形态】　等轴晶系，；a0=0.4078nm；Z=4。铜型结构。完好晶体少见。常依（111）成双晶。可见平行连生晶形。一般多呈不规则粒状，亦可见团块状、薄片状、鳞片状、网状、树枝状、纤维状、海绵状集合体。

自然金颗粒大小不一，一般外生作用形成的砂金颗粒较大，内生作用形成的山金颗粒较小。粒度较大者称块金，俗称狗头金。1873年美国加利福尼亚州发现的狗头金重达285kg，为世界之最。山金肉眼可见者称明金，粒径＞0.2mm；显微镜下可见者称显微金，粒径0.2mm～0.5μm；粒径＜0.5μm者称超显微金，只有在电子显微镜下方能看见。

【理化性能】　颜色和条痕均为金黄色；随含银量的增高颜色变浅，银金矿为淡黄至奶黄色；含铜时颜色变深而呈深黄色。强金属光泽。硬度2.2，维斯显微硬度50～55kg/mm3。相对密度15.6～18.3，纯金为19.32（20℃）。纯金熔点2064.43℃，沸点2807℃。延展性强，可抽成0.5mg/m的细丝，或压成厚度仅0.01μm的金箔；1g纯金可抽成直径4.34μm、长3.5km的细丝。具良导电、导热性能，电导率仅次于银和铜，热导率为银的74%。

显微镜下：金黄色。反射率R：47.0（绿），82.5（橙），86（红）。均质体。

化学性质稳定，不溶于酸和碱，只溶于王水。火烧后不变色，谓之真金不怕火炼。

【资源地质】　中国金矿床的主要成因类型有：岩浆热液型，如山东玲珑、焦家金矿，湖南水口山金矿；火山热液型，如吉林刺猬沟金矿，黑龙江团结沟金矿；变质热液型，如吉林夹皮沟金矿，河南小秦岭金矿；热水溶滤型，如陕西二台子金矿；风化壳型，如四川木里耳泽金矿，内蒙古金盘金矿；沉积型，如黑龙江桦南、吉林老头沟砂金矿。伴生金矿床主要赋存于Cu、Pb、Zn、Sb、Fe及黄铁矿等矿床中，常呈自然金、自然银与黄铁矿、黄铜矿、斑铜矿、毒砂等矿物共生。

金是国家重要的战略性资源，涉及经济金融安全。2015年世界黄金资源总量估计为10万吨，其中15%～20%为其他金属矿床中的共伴生资源。世界黄金储量5.6万吨，其中澳大利亚9100t，俄罗斯8000t，南非6000t，巴西和美国各3000t；中国黄金储量1900t，占世界的3.39%。2015年全球矿山黄金产量为3157.7t，中国产量450.1t，占世界的14.3%，金矿资源对外依存度达54.3%。

【鉴定特征】　颜色和条痕均为金黄色，富含银者为淡黄至乳白色。强金属光泽，密度大，富延展性。空气中不氧化，化学性质稳定。

【工业应用】　一般工业指标（DZ/T 0205—2002）：原生矿，边界品位Au 1～2g/t，最低工业品位Au 2.5～4.5g/t，矿床平均品位Au 4.5～5.5g/t；堆浸氧化矿，边界品位Au 0.5～1.0 g/t，最低工业品位Au 1.0～1.5g/t。

金主要用于装饰、货币和工业技术。由黄金制成的首饰和装饰品色泽夺目。其纯度用K（Karat）表示，纯金为24K（含金量100%），18K相当于24K中金占18份，其他金属占6份，其余依此类推。在国际金融市场上，黄金起着非常重要的调节作用，黄金储备是国家经济实力的标志之一。黄金的计量单位用盎司（Ounce），1盎司（oz）=31.103g。

2015年世界黄金的消费量为4124t，其中珠宝首饰占52.5%，其余用于电子工业、牙医业、其他工业及装饰、金币制造业和黄金储备。中国黄金消费量985.9t，占世界的23.9%，较之2014年消费量增长3.7%。

金具有高导电、导热性能和极好的延展性和稳定性，因而在电子工业用途广泛。宇航技术要求稳定性很高的无线电、电子元件，而黄金正具有这种性能，如用于高级真空管的涂料，特种精密电子仪器中的拉丝导线，计算机、电视机中作涂金集成电路等。黄金还用于核反应堆的衬料。在航天、航空工业中，金则用于喷气发动机和火箭发动机的涂金防热罩或热隔护板等。

自然铜（copper）

Cu

【晶体化学】　原生自然铜常含少量Fe、Ag、Au、Hg、Bi、Sb、V、Ge等元素；Fe在2.5%以下，Ag多呈自然银包裹物，Au固溶量可达2%～3%。次生自然铜较纯净。

【结构形态】　等轴晶系，；a0=0.361nm；Z=4。立方最紧密堆积，构成按立方面心排列的铜型结构（图1-2-1）。完好晶体少见。双晶面依（111），简单接触双晶普遍，亦有穿插双晶。集合体常呈不规则树枝状、片状或扭曲的铜丝状、纤维状等。

【资源地质】　是还原条件下地质作用的产物，形成于原生热液矿床；也见于含铜硫化物矿床氧化带下部，常与赤铁矿、孔雀石、辉铜矿等伴生，由铜硫化物还原而成：

CuFeS2（黄铜矿）+4O2CuSO4+FeSO4　　

2CuSO4+2FeSO4+H2OCu2O（赤铜矿）+Fe2（SO4）3+H2SO4　　

Cu2O+H2SO4CuSO4+H2O+Cu（自然铜）　　

自然铜有时亦交代沙砾岩的胶结物，出现于含铜砂岩中。在氧化条件下不稳定，常转变为铜的氧化物和碳酸盐，如赤铜矿（Cu2O）、黑铜矿（CuO）、孔雀石、蓝铜矿等。

【理化性能】　铜红色，表面常出现棕黑色氧化被膜。条痕铜红色。金属光泽。不透明。无解理。硬度2.5～3。相对密度8.4～8.95。具延展性，良导电性、导热性。

显微镜下：玫瑰色，铜红色。反射率R：61（绿），83（橙），89（红）。

【鉴定特征】　铜红色，表面氧化膜棕黑色，密度大，延展性强。常与孔雀石、蓝铜矿伴生。

【工业应用】　大量富集时可作为铜矿石。铜是一种紫红色金属，延性、导热性、导电性良好，熔点1083.4℃±0.2℃，沸点2567℃。易与Zn、Pb、Ni、Al、Ti熔成合金。这些性能使铜及其合金广泛用于电器、车辆、船舶工业和民用器具等。如铜用以制作电线、电缆、电机设备，黄铜（铜锌合金）制造枪弹和炮弹，锌白铜（掺锌而含Ni＜50%的铜镍合金）制造航空仪的弹性元件，锡青铜（铜锡合金）制造轴承、轴套等。铜化合物在农业上用作杀虫剂和除草剂。铜还是制造防腐油漆的主要成分。

金刚石（diamond）

C

【晶体化学】　常含有N、B及Si、Al、Mg、Mn、Ti、Cr等微量杂质，多以包裹体形式存在。其中N和B是最重要的杂质元素，其含量和存在形式直接影响光、电、热等物理性能，因而是金刚石分类的基本依据。

金刚石据其含氮量划分为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型含氮量＞1024原子/m3，对波长＜330nm的紫外辐射及7～10μm的红外辐射吸收强烈；Ⅱ型含氮量＜0.001%或＜1024原子/m3，透过紫外辐射至225nm，且对7～10μm的红外辐射不吸收。在此基础上可进而将其划分为Ⅰa（ⅠaA、ⅠaB）、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb及混合型等。这种分类较好地反映了金刚石的成分、结构、性质以及工业用途的差异。

Ⅰa型　含氮较多（0.1%～0.23%），约占天然金刚石总量的98%。其中ⅠaA型：所含氮以双原子氮为主，还有其他聚合形式的氮，个别还含有单原子氮，其特征是出现由双原子氮所引起的1282cm-1红外谱带、紫外＞270nm的次吸收边及N5-N8系。ⅠaB型：所含氮为多原子氮、片晶氮和三原子氮，以前者为主，也含有数量不等的双原子氮，但无单原子氮。其特征为由多原子氮所引起的个别1175cm-1和由片晶引起的1370cm-1红外吸收，紫外N9系、N3系及260～280nm的线系。ⅠaB也是较常见的金刚石类型。

Ⅰb型　含氮量较少，且主要是单原子氮。氮代碳出现一个未成对电子，定域旋转于氮-碳之间，因而产生顺磁共振效应。故此型的特征是顺磁共振谱单氮讯号，红外1130cm-1带，以及紫外＞400nm的吸收边。常呈琥珀黄色，机械强度大于Ⅰa型。天然金刚石中Ⅰb型约占1%。我国湖南金刚石砂矿中Ⅰb型近2%。合成金刚石多属Ⅰb型。

Ⅱa型　含氮极少（N＜0.001%）。N以自由状态存在。具良导热性。其特征是红外光谱1400～1100cm-1范围内几乎无吸收和紫外光谱＜230nm的基吸收边。国外天然Ⅱa型金刚石相当少，约为2%；但我国Ⅱa型金刚石较多，其中贵州最多（约70%）、山东次之（约20%）、辽宁最少（约3%）。

Ⅱb型　几乎不含氮，含微量B杂质（受主心），故为p型半导体。其特征是电阻率较低（102～108Ω·cm）。红外光谱在1400～1100cm-1范围内几乎无吸收，但出现2800cm-1处硼的吸收带。晶体常呈天蓝色。天然Ⅱb型金刚石罕见，约占0.1%。

混合型　单个金刚石晶体内氮的分布不均匀，两种以上类型分区共存，且在形貌图像上可见两者分区分布。我国辽宁和贵州发现少数混合型金刚石。

【结构形态】　等轴晶系，-Fd3m；a0=0.35595nm；Z=8。立方面心晶胞。碳原子除占据晶胞角顶和面心外，将立方体平分为8个小立方体，在相间排列的小立方体的中心存在碳原子，呈四面体配位。每个碳原子以sp3外层电子构型与相邻的四个碳原子形成共价键（图1-2-2）。C—C键长0.1542nm，C—C—C键角109°28'16″。

1967年在美国亚利桑那州的巴林杰（Barringer）陨石坑中的魔谷（canyon diablo）陨石和印度阿萨姆邦的阿帕拉（Goalpara）陨石中发现六方晶格金刚石（又称蓝丝黛尔石，lonsdaleite），纤锌矿型结构，；a0=0.252nm，c0=0.412nm；Z=4。金刚石与六方金刚石的结构可与ZnS的3C和2H型结构对比。

六八面体晶类，Oh-m3m（3L44L36L29PC）。常呈单晶。常见单形：八面体o{111}，菱形十二面体d{110}，立方体a{100}及其聚形（图1-2-3）。少数聚形中见四六面体和六八面体。有时由于熔蚀作用，晶面晶棱弯曲，致使晶体呈浑圆状，晶面上出现蚀象。双晶依（111）最普遍，可成接触双晶、星状穿插双晶或轮式双晶。单晶粒径由＜1mm到数毫米，少数呈大颗粒出现。质量＞1ct（1ct=0.2g）的钻石成品属大钻，如世界著名的钻石“库利南”“高贵无比”“莱索托布朗”，质量都在600ct以上。1977年12月在山东省临沭县发现我国迄今最大的一颗金刚石“常林钻石”，呈淡黄色，透明，质量158.7860ct。

晶体形态、完整性及颗粒大小在决定其使用范围和价值方面有重要意义。

【理化性能】　纯净者无色透明，可因含杂质或结构缺陷而呈色。如黄色可由含Ti2+和Fe3+引起，或由结构中的缺陷中心造成。Ⅰb型金刚石含顺磁性单原子氮，常呈琥珀黄色，但此种氮含量更高时会出现绿色。Ⅱb型金刚石含硼，使晶体常具蓝色或天蓝色。玫瑰色和烟色系结构呈色。灰色和黑色则可能由结构缺陷或含深色包裹体（石墨）所致。

金刚光泽，可因晶面受侵蚀而光泽暗淡。色散性强，折射率随波长改变明显：396.9nm，N=2.4653；486.1nm，N=2.4354；656.3nm，N=2.4103；762.8nm，N=2.4024。均质体，但常呈异常双折射，可能由结构缺陷造成的内应力所引起。色散0.057（0.044）。

金刚石置日光下曝晒后，在暗处发淡青蓝色磷光；在紫外光下发天蓝色、紫色、绿色荧光或不发光；X射线下发蓝色荧光，极少数不发光；阴极射线下发蓝色或绿色光。Ⅱb型金刚石在波长365nm的光照射下不发光，但用短波紫外线（253.7nm）照射后显示浅蓝色、有时呈红色磷光。

力学性质　金刚石是最硬的天然物质，研磨硬度117000，是石英硬度（100）的1170倍，刚玉硬度（833）的140倍。杂质会对硬度产生影响，如含铬使金刚石硬度降低，韧性增大；含氮则金刚石硬度较高而脆性增大。硬度具有明显的各向异性，八面体晶面{111}＞菱形十二面体晶面{110}＞四角三八面体晶面{211}；同一晶面不同方向上硬度也不同。在（100）面上，对角线［011］、［01］方向的硬度大于平行正四方形边［001］、［010］方向的硬度；在（110）面上，［01］方向的硬度远大于［001］方向的硬度；在（111）面上各方向硬度相近，但指向立方对角线方向的硬度仍大于相反方向的硬度。

金刚石具有极强的抗磨性，摩擦系数小，其抗磨能力为刚玉的90倍。金刚石虽然坚硬，但显脆性，在冲击作用下易破碎。

金刚石具{111}中等解理，{110}、{221}不完全解理。因其结构中{111}面网内键的相对密度最大，为4.619/a2，面网间键的相对密度最小，为2.309/a2；{110}面网内键的相对密度为2.828/a2，仅次于{111}面网，面网间相对密度为2.828/a2，仅高于{111}。其他面网间键的相对密度远远超过其面网内的相对密度，因而不易产生平行其面网的解理，而产生不规则的贝壳状断口。Ⅱ型金刚石的解理面通常较Ⅰ型平滑。

金刚石具有特殊的弹性，用X射线衍射强度和超声波速测得的弹性模量值（单位：1011Pa）：C11=9.5～11.0；C12=1.25～3.9；C14=4.4～5.96；K=1/3（C11+2C12）=4.42～5.9。体积压缩系数为（0.16～0.18）×10-6cm2/kg，体积压缩模量（5.63～6.3）×1011Pa。少数金刚石可发生塑性变形，系沿{111}面产生滑移所致。

金刚石的相对密度为3.47～3.50，无色透明者相对密度为3.52，带色金刚石的密度较高，而灰色或黑色（含石墨）金刚石的密度较低。

电学性质　Ⅰ型和Ⅱa型金刚石为绝缘体，室温下电阻率为1014～15Ω·cm。Ⅱb型因含硼而电阻率低，为p型半导体。用波长210～300nm的紫外线照射金刚石时，会有光电流产生。用红外和紫外线同时照射时，其光电导将增加近两倍。相同条件下，Ⅱ型比Ⅰ型金刚石的电流大若干数量级。

热学性质　金刚石具有很高的热导率，且热导率与其含氮量有关。若300K下其热导率为铜的3倍，则其含氮量必＜300μg/g。Ⅰa型的含氮量多高于此值，故不宜作散热元件。Ⅰb型及Ⅱ型含氮量低，均具有很高的热导率，适于作散热元件。金刚石的热导率随温度而异，室温下Ⅰb型和Ⅱ型的热导率为铜的4～5倍。

高温下金刚石可燃，燃点在空气中为850～1000℃，在纯氧中为720～800℃。燃点和金刚石与空气的接触面及增温率有关，一般小颗粒比大颗粒易燃。在绝氧不加压的真空条件下，金刚石加热至1800～1900℃可转变为石墨。金刚石的热膨胀系数很小，且随温度的变化明显，如-38.8℃时为0，0℃时为5.6×10-7，30℃时为9.97×10-7，50℃时为12.86×10-7。

表面性质　表面具有亲油性和疏水性。金刚石由非极性的碳原子所组成，对水的H+和OH-不产生吸附作用，即水对金刚石不产生极化作用，故金刚石具疏水性。天然金刚石亦有疏油亲水者，主要原因是：（1）表面覆盖有氧化薄膜或硅酸盐矿物薄膜，表面键性改变而变为亲水；（2）微量元素的混入，使晶体内部构造或表面键性发生改变；（3）受射线作用、地质应力作用、酸碱长期腐蚀、杂质机械混入和包裹体的影响等。

化学稳定性　金刚石对任何酸都是稳定的，甚至在高温下，酸对金刚石也不显示任何作用。但在碱、含氧盐类和金属熔体中，金刚石很容易受侵蚀。

【资源地质】　主要产于金伯利岩、钾镁煌斑岩中，通常呈岩管、岩墙和岩脉产出，橄榄石、金云母、镁铝榴石、铬透辉石、镁钛铁矿、镁铬铁矿、铬尖晶石、钙钛矿与金刚石成典型矿物组合。血红色镁铝榴石和镁钛铁矿是含矿金伯利岩的标型矿物。外生条件下，金刚石原生矿床经风化、搬运可形成砂矿。近年来，在我国西藏罗布莎、内蒙古贺根山、新疆萨尔托海和俄罗斯北部蛇绿岩套产豆荚状高铬、高铝两类铬铁岩中，发现普遍产出金刚石，与碳硅石、钙铬榴石、镁铝榴石、镁橄榄石等超高压矿物相共生（Huang et al，2015；Tian et al，2015）。

对全球2837颗金刚石中包裹体矿物的统计，产自橄榄岩、榴辉岩、二辉岩中的金刚石分别占65%、33%和2%；依据被包裹石榴子石的成分，又可将橄榄岩（peridotite）分为方辉橄榄岩（harzburgite）、二辉橄榄岩（lherzolite）和单辉橄榄岩（wehrlite），三者各占56%、8%和0.7%。对包裹体矿物组合的稳压计算表明，产于方辉橄榄岩中的金刚石，约90%形成于固相线以下条件；而产于榴辉岩（eclogite）和二辉橄榄岩中的金刚石，则生成于存在熔体相，或存在强还原CHO流体的条件，后者导致固相线温度上升，或只出现于约5GPa和1050℃以下的温压条件。微量元素地球化学表明，产于方辉橄榄岩、二辉橄榄岩中的金刚石分别形成于固相线以下和以上温度条件，且金刚石生成后经历了缓慢热释放导致的约60～180℃的降温，或者如在南非金伯利地区，由于岩石圈地幔可能的伸展上升，致使金刚石的生成与保存发生在类似或甚至小幅上升温度下。包裹体矿物稳压计算表明，橄榄岩相金刚石形成于140～190km、1040～1250℃温区（岩石圈地幔的金刚石稳定区110～205km），而榴辉岩相金刚石则形成于155～200km、1060～1340℃温区。

金刚石沉淀（precipitation）是由于CHO流体的等化学（不与围岩发生氧交换）冷却，或其沿地温梯度的等化学上升所致。尤其是对于接近最大水含量的流体成分，上述两种情形都与碳素（CH4，CO2或C）溶解度的各自减小相关，从而导致在橄榄岩和榴辉岩中，金刚石分别在EMOD缓冲剂（顽辉石+菱镁矿=橄榄石+金刚石/石墨）和DCDD平衡（白云石+柯石英=透辉石+金刚石）以下的还原流体相中生成（Stachel et al，2015）。最新研究表明，Kullinan等地所产大粒金刚石，系结晶于深部地幔的还原性金属液相中，其中含有Fe-Ni-C-S熔体的固态包裹体，并伴有甲烷±H流体薄层，有些还含有镁铁榴石或早先的钙硅矿（calcium silicate perovskite）包裹体（Smith et al，2017）。

全球现有35个国家或地区发现了金刚石资源，主要集中在南非、俄罗斯、博茨瓦纳、民主刚果和澳大利亚等国。世界闻名的金刚石产地是南非金伯利。据SNL金属和矿业公司对全球191个金刚石矿床的统计，世界金刚石目前探明储量超过45亿克拉，排在前4位的国家是俄罗斯、博茨瓦纳、加拿大和南非，占世界总储量的67.6%。中国金刚石资源贫乏，其中山东、辽宁两省查明的金刚石资源量分别占全国的48.5%和48.2%，主要有山东沂沭河、辽南复州河、湘南沅水河砂矿床。

【鉴定特征】　晶体浑圆，强金刚光泽，极高硬度，具发光性等。

【工业应用】　一般工业指标：岩脉型矿，边界品位20～40mg/m3，工业品位30～60mg/m3；最小回收颗粒直径0.2mm，坑道进尺每米毫克值30～60mg/m。岩管型矿，边界品位10～20mg/m3，工业品位15～30mg/m3；最小回收颗粒直径0.2mm。砂矿，边界品位1.5mg/m3，工业品位2mg/m3，可采厚度0.2～0.6m。

金刚石按用途分为宝石级和工业级两个系列。2015年世界金刚石产量为1.253亿克拉，其中工业级0.540亿克拉，宝石级0.713亿克拉。主要生产国有俄罗斯、博茨瓦纳、民主刚果、澳大利亚、南非、安哥拉、纳米比亚、津巴布韦等。

目前生产的天然金刚石中，约55%为宝石级，用于制作珠宝首饰；其余约45%为工业级，主要用于切割、钻探、研磨和抛光等工业用途。工业金刚石的利用中，天然金刚石仅占1%，合成金刚石约占99%。2015年世界合成金刚石产量估计约70亿克拉，主要生产国有中国（＞40亿克拉）、白俄罗斯、爱尔兰、日本、俄罗斯、南非、瑞典和美国等。

宝石级金刚石　加工后称为钻石，是最名贵的宝石和传统的贵重饰品。世界金刚石总产量不足20%用于首饰收藏，但其价值约为工业金刚石的5倍。金刚石以其最大硬度、透明、无色纯净或浅彩色、高折射率和强色散导致的光亮、五颜六色、闪烁夺目而居宝石之首。评价金刚石宝石的主要依据是“4C”标准，即净度（clarity）、颜色（color）、克拉重量（carat weight）和切工（cut）。

净度是指无瑕疵（包裹体、裂隙、双晶、蚀痕、裂纹等）的程度。以10倍放大镜观察，分为完全洁净（无瑕）、内部洁净（极微瑕）、极轻微瑕疵（微瑕、一花）、很轻微瑕疵（小瑕、二花）、轻微瑕疵（一级瑕、三花）和不洁净级（二级瑕、三级瑕、大花）。

颜色是评价金刚石的重要标准。宝石金刚石的颜色限于无色、近于无色、微黄、淡浅黄及浅黄五种，粉红、蓝色和绿色为稀有珍品，近年来国际上已将黑色金刚石作为高档宝石。其他颜色的金刚石均不属于宝石级。

宝石级金刚石最小不得小于0.1ct。世界上迄今发现＞400ct的大钻石只有40余颗。

钻石的切工也极重要，合理精确的切磨能使光线充分折射和反射，显示出夺目光彩，称之为“火彩”。

工业级金刚石　包括不适于作宝石的粗粒、不纯金刚石、金刚砂、金刚粉等，主要是利用其高硬度、高强度。国际市场工业级金刚石的消费结构为：建筑业60%～65%，制造商和能源公司15%～20%，高技术15%～25%。

Ⅰ型金刚石　占天然金刚石的98%，人工合成金刚石又以Ⅰb型最多，故Ⅰ型金刚石是最常见的普通金刚石。主要应用领域如下。

（1）拉丝模　主要用于电气和精密仪表工业，拉制灯丝、电线、电缆丝、金属丝等。对于拉制高质量的金属丝、硬金属丝和小于1mm的细金属丝，金刚石拉丝模是理想工具。主要优点：使用寿命长，其耐用度为硬质合金拉丝模的200～250倍；拉制的金属丝精度高，光滑均匀（差值＜1～2μm），大大提高了金属丝的性能和使用寿命；拉丝速度快，效率高。用作拉丝模的金刚石晶体，要求无色或浅色、透明、无包裹体、无裂纹、晶体完整，大小为0.1～0.25ct。由于钻孔技术的进步，目前甚至可用0.04～0.05ct的金刚石。

（2）刀具　金刚石车刀广泛用于机械加工各种合金、超硬合金、陶瓷及其他非金属等。其优点是精度高，加工器件的光洁度高，并能大大提高工效。车刀用金刚石要求晶体完整、无裂纹、无包裹体，大小为0.7～3ct。用于刻划精密仪器、刻度和雕刻用的金刚石刻刀，要长形晶体，一端无裂纹和包裹体，大小为0.1～0.55ct。

（3）砂轮刀　主要用于修整砂轮的工作表面。要求每个金刚石晶体至少有三个棱角，顶角处不允许有裂纹和包裹体，大小为0.3～3ct。

（4）测量仪　主要用于硬度计压头、表面光洁度测量仪测头等。要求金刚石晶形完整，无裂纹，无包裹体，大小为0.1～0.3ct。

（5）钻头　用于制造钻头的金刚石消耗量占工业金刚石的15%～20%。主要用于地质、水文、煤炭钻探和石油、天然气的勘探等。钻头用金刚石要求无裂纹，大小为1～100ct。

（6）制造玻璃刀、金刚石笔、轴承等。

不能满足以上用途的金刚石微粒、金刚石粉均可用作磨料，用于制造金刚石砂轮、磨头、研磨油石、研磨膏、砂布、砂纸等。

Ⅱ型金刚石　主要用于尖端工业和高新技术领域。

Ⅱa型金刚石具有固体最高的热传导性能。主要用于固体微波器件及固体激光器件的散热片。Ⅱa型金刚石也是优良的红外线穿透材料，在空间技术中用于人造卫星、宇宙飞船和远程导弹上的红外激光器的窗口材料。

Ⅱb型金刚石具有良好的半导体性能，具有禁带宽、迁移率高、耐高温和优良的热耗散性能。用它制成的金刚石整流器，具有体积小、功率大、耐高温等优点；制成的三极管可在600℃高温下工作；在金刚石中掺入痕量其他元素制成的半导体金刚石电阻温度计，电阻精度与温度成正比变化，测量范围在氧化气氛中为-168～450℃，在非氧化气氛中为-198～650℃。

在极端条件下使用的机电器件、元件和切削刀具，则主要采用化学气相沉积法制备的薄膜金刚石。利用金刚石的化学稳定性、高杨氏模量和极大的压阻效应，可制备适用于高温、高辐射及恶劣环境的压力传感器（莘海维等，2000）。金刚石薄膜对紫外光具有高灵敏度和开关特性，可制备紫外光探测器（肖金龙，2001）。

石墨（graphite）

C

【晶体化学】　自然界产出纯石墨很少，常含SiO2、Al2O3、FeO、MgO、CaO、P2O5、CuO、H2O、沥青及黏土等杂质，可达10%～20%。

【结构形态】　层状结构。碳原子组成六方网层（图1-2-4）。根据层的叠置层序和重复周期分为两种类型：ABAB两层周期的2H型，；a0=0.2462nm，c0=0.670nm；Z=4。ABCABC三层周期的3R型，；a0=0.246nm，c0=1.006nm；Z=6。层内原子间距0.142nm，层间距0.335nm。层内原子作六方环状排列，碳原子为三配位，碳原子的外层构型为s2p2，杂化作sp2。每个碳原子以一个s电子和两个p电子与其周围的三个碳原子形成共价键，而另一个具有活动性的p电子则形成离域大π键，从而使晶体具有一定的金属性。层内极强的结合、层间大间距及弱键构成了石墨结构的主要特点，决定了石墨的特殊性能。

六方板状晶形。底面常具三角形条纹。一般呈鳞片状或致密块状、土状。

【理化性能】　铁黑至钢灰色。条痕光亮黑色。金属光泽，隐晶集合体呈土状者光泽暗淡。不透明。解理{0001}完全。硬度1～2。相对密度2.1～2.3。具滑腻感，良导电性。

偏光镜下：极薄片能透光，浅绿灰色。一轴晶（-），折射率约1.93～2.07。

耐高温性　石墨是碳的高温变体，是目前已知的最耐高温的天然矿物，熔点高达3850℃，4500℃才气化。在超高温电弧下加热10s，质量损失仅0.8%，而刚玉为6.9%～13.7%，极耐高温的金属为12.9%。2500℃时石墨的强度反而比室温时提高一倍。

导电、导热性能　电导率约为一般非金属的100倍，碳素钢的2倍，铝的3～3.5倍。若将其制成定向石墨，其顺向导电性约为反向导电性的1000倍，故可制成各种半导体材料和高温导电材料。石墨的导热性能超过钢、铁、铝，且具有异常导热性，即导热率随温度的升高而降低，在极高温度下则趋于绝热。

化学稳定性　常温下具良好的化学稳定性，不受任何强酸、强碱和有机溶剂的腐蚀。但在氧化剂（如高氯酸HClO4）作用下能被氧化。在空气中500℃开始氧化，700℃时水蒸气可对其产生侵蚀，900℃时CO2也能对其产生侵蚀作用。热稳定性良好，膨胀系数小（1.2×10-6/℃），高温下能经受温度剧变而不破坏，且其体积变化不大。

润滑性和可加工性　具良好的润滑性能，其摩擦系数在润滑介质中小于0.1。鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。可展成0.2μm的透光透气薄片，高强度石墨甚至连金刚石刀具都难以加工。

吸热性和散热性　具良好的吸热性能，可吸收（2.96～9.211）×107J/kg热量，而金属材料吸热量为4.061×107J/kg；石墨的散热性能与金属相当。

涂敷性　石墨可涂抹固体形成薄膜，当其颗粒小至5～10μm时黏附力更强。

在原子核反应堆中，石墨具有良好的中子减速性能。

【资源地质】　形成于高温下的还原作用。分布最广的石墨变质矿床，多产于强烈变质岩层中，如片麻岩、片岩、石灰岩等，由碳质沉积物或煤层受区域变质或岩浆侵入作用而形成。我国湖南某石墨矿产于花岗岩体外接触带的变质岩系中，借煤系变质而成。石墨亦可产于某些火成岩中，碳常来自含碳围岩，也见于伟晶岩脉。近年来在新疆奇台黄羊山发现我国首个超大型岩浆热液型晶质石墨矿床。

格陵兰东南部古元古界榴辉岩中产热液型鳞片石墨，片径1～6mm。榴辉岩峰期矿物组合的变质温度为640～830℃，压力2.2～2.5GPa；退变质作用在约1870～1820Ma形成高压角闪岩相。榴辉岩地体退变质过程中，约600℃的高温流体携带碳源（CO2+CH4），在作为流体通道的剪切带发生石墨矿化，生成石英+黑云母+铁闪石+浅闪石+韭闪石+钾长石+榍石的热液蚀变矿物组合（Rosing-Schow et al，2017）。

全球石墨资源丰富，推测资源量超过8亿吨。2015年世界石墨储量增至2.30亿吨（矿物），其中土耳其9000万吨，巴西7200万吨，中国5500万吨，印度800万吨。2015年中国石墨查明资源储量超过2亿吨，晶质石墨主要分布于黑龙江、山东、内蒙古、山西和四川。其中黑龙江箩北县云山石墨矿床居中国第1位，世界前3位。隐晶质石墨主要产于内蒙古、湖南和吉林等9省区。2015年中国石墨产量85万吨，占世界总产量的67.5%。其中晶质石墨产量60万吨，微晶石墨产量约25万吨。目前，中国球形石墨产能已然过剩，非洲莫桑比克、坦桑尼亚、马达加斯加几个石墨矿将陆续投产，故短期内全球石墨原料将会供大于需。

石墨亦可由石油焦在电炉中于2600～3000℃下合成，但仅限于在缺乏天然石墨资源的美国、加拿大、日本及西欧生产。

【鉴定特征】　铁黑色，条痕黑色，一组完全解理，硬度小，染手。与辉钼矿相似，但辉钼矿具更强的金属光泽，密度稍大。在涂釉瓷板上，辉钼矿的条痕色黑中带绿，而石墨条痕不带绿色。

【工业应用】　根据结晶程度分为：晶质石墨，呈鳞片状或块状，晶体＞1μm，肉眼或显微镜下可辨其晶形；隐晶质石墨，晶体细小，显微镜下亦难辨其晶形，又称无定形石墨或土状石墨。一般工业指标（DZ/T 0207—2002）：晶质石墨风化矿，边界品位固定碳2%～3%，工业品位固定碳2.5%～3.5%；原生矿，边界品位固定碳2.5%～3.5%，工业品位固定碳3%～8%；隐晶质石墨矿，边界品位固定碳≥55%，工业品位固定碳≥65%。

鳞片状石墨　经加工提纯可提高其含碳量。根据固定碳含量，分为高纯石墨（固定碳99.9%～99.99%，代号LC）、高碳石墨（94.0%～99.0%，LG）、中碳石墨（80.0%～93.0%，LZ）、低碳石墨（50.0%～79.0%，LD）。各级石墨的牌号依次由代号、粒度和固定碳的含量组成。如LC55-9999指高纯石墨，粒度50目，含固定碳99.99%。

隐晶质石墨　根据其粒度分为无定形石墨粉和石墨粒。石墨粉分为0.149mm、0.074mm、0.044mm三个粒级，用阿拉伯数字作代号；石墨粒分为粗（6～13mm）、中（0.6～6mm）、细（0.149～0.6mm），分别用拼音字母C、Z、X为代号；特性代号为W，有含铁量要求者代号用WT。牌号依次由石墨特性代号、固定碳含量、粒级代号组成。如W80-1指无定形石墨粉，含固定碳80%，粒度0.149mm，筛上物不大于10%；W78-Z指无定形石墨粒，含固定碳78%，粒度0.6～6mm。

利用天然石墨耐高温、导电、传热、润滑和密封等优异物理性质，可制备各种石墨功能材料，如耐火材料、导电材料、导热材料、高温润滑剂、导电油墨、密封材料、抗静电橡胶和塑料、汽油防爆剂、高压电缆保护层、防腐蚀材料和防辐射材料等，广泛应用于冶金、化工、机械、核工业、电子、航空航天和国防等行业。目前，天然石墨应用较多的主要是膨胀石墨、氟化石墨及石墨烯三类制品。在新兴产业石墨制品领域，今后应重点关注锂电池、燃料电池、计算机芯片、显示器及手机触摸屏、刹车片、工业钻石、汽油添加剂等（饶娟等，2017）。

近年来石墨烯制备及应用技术发展迅速，不同质量的石墨烯产品已能小规模生产，石墨烯电子墨水、石墨烯防腐涂料、石墨烯复合橡胶轮胎相继实现量产。鳞片石墨可用于制备石墨烯微片，石墨烯应用领域将不断扩展，但其大规模商业应用尚需时日。

近期石墨的主要应用市场是耐火材料、铸造和润滑工业，占消费量约75%，新能源汽车、电子信息、核工业等高科技行业，石墨消费量占25%。

冶金工业　是石墨的最大消费领域。主要用于石墨坩埚、铸造模具和耐火砖，也用作炼钢的增碳剂。其中前两者各约占石墨总产量的1/3。生产石墨坩埚需用大鳞片石墨，传统应用品级为100目、含碳量90%。石墨在坩埚中的含量达45%。碳化硅石墨坩埚只需30%的石墨，含碳80%的鳞片石墨即可达到要求，鳞片的粒级亦可降低。石墨坩埚用来炼钢、熔炼有色金属和合金，有耐高温、使用寿命长等优点。利用石墨的涂敷性、耐火性、润滑性和化学稳定性，作为铸模涂料，可使铸模耐高温、耐腐蚀、模面光滑、铸件易脱模。在高温电炉和高炉的耐火材料中加入石墨，可明显提高其抗热冲击性和抗腐蚀性。

机械工业　石墨润滑剂可以耐-200～2000℃的温度和极高的滑动速度。水剂胶体润滑剂用于难熔金属钨、钼的拉丝与压延；油剂胶体润滑剂用于制造玻璃皿和航空、轮船等高速运转机械的润滑；纺织、食品机械由于不能使用液体润滑，往往采用石墨粉。

电气工业　石墨主要用于制作电极、电刷、电池及电影机、探照灯发光用的电碳棒、焊接发热用的炭精棒、电炉用碳管等。

其他用途　化学工业中利用石墨具抗酸、碱和有机溶剂腐蚀的性能，制造管件、阀门和衬砌材料；轻工业中用石墨作玻璃、造纸的抛光剂，油漆、油墨、橡胶、塑料的填料；金属防腐涂料；密封材料；火箭发动机喷嘴；人造金刚石原料；制造电视显像管的涂层材料石墨乳的原料；制造铅笔笔芯和干电池电极的原料；石墨纤维复合材料的原料等。

高碳石墨（高纯度，高密度）作为核反应堆的减速剂、防核辐射外壳，以及人造卫星、火箭、飞机、潜艇、火药等方面均得到应用，是国防和核能工业的重要材料。

利用石墨的良导热、导电性及层状结构特点，可制备石墨/聚乙烯导电复合材料、插层石墨导电涂料（宋义虎等，2000）。插层石墨可用于制备石墨/环氧树脂导热复合材料、石墨颗粒增韧氧化硅陶瓷基复合材料（井新利等，2000；贾德昌，2000）。膨胀石墨可作为重油、生物体液的吸附剂（康飞宇等，2003），或有机聚合物的阻燃剂（蔡晓霞等，2008）。

采用原位制备氢氧化铝与可膨胀石墨协同阻燃作用，可显著提高聚氨酯泡沫保温材料的阻燃性能，实现高阻燃聚氨酯泡沫材料的功能化和性能优化，在建筑防火、保温节能、工业节能等领域具有广阔的应用前景（王万金，2015）。

自然硫（sulfur）

S

同质多象变体：斜方晶系α-S、单斜晶系β-S和γ-S。自然条件下α-S稳定。α-S与β-S的转变温度为95.6℃。γ-S在常温下极不稳定，易转变为α-S（又称斜方硫）。

【晶体化学】　化学成分S8。火山成因者常含少量As、Te、Tl；其他成因者则含黏土、有机质、沥青等混入物。

【结构形态】　斜方晶系，；a0=1.0437nm，b0=1.2845nm，c0=2.4369nm；Z=16。α-S为分子结构，S原子以共价键结合成环状S8分子。单位晶胞由16个S8分子组成，彼此以分子键相联结。集合体常呈致密块状、条带状、粉末状、钟乳状等。

【理化性质】　黄或棕黄色，因含杂质而呈红、绿、灰色调或黑色（含有机质）。金刚或油脂光泽。解理{001}、{110}、{111}不完全，贝壳状断口，硬度1～2，相对密度2.05。弱导电、导热性，熔点112.8℃，易燃（270℃）。不溶于水、盐酸和硫酸，但溶于二硫化碳、苯、三氯甲烷、苛性碱中，在硝酸和王水中被氧化成硫酸。

【资源地质】　火山喷气型　由硫蒸气直接升华或硫化物矿床与高温水蒸气作用生成H2S，经不完全氧化或与二氧化硫反应而生成自然硫：

2H2S+O22S+2H2O　　

2H2S+SO23S+2H2O　　

沉积型　在封闭条件下，硫酸盐类经菌解作用生成自然硫，或硫酸盐的水溶液在煤系地层中经还原生成大量H2S，在弱氧化条件下经物理化学作用而沉积自然硫。矿床常产于石灰岩、泥灰岩、白云岩、粉砂岩、砂岩等与大量有机质成互层的岩石内。

风化型　黄铁矿等硫化物或硫酸盐氧化分解而成，化学反应为：

FeS2（黄铁矿）FeSO4Fe2［SO4］3　　

Fe2［SO4］3+FeS23FeSO4+2S（自然硫）　　

赋存于沉积岩和火山岩中的硫，与天然气、石油、油砂、金属硫化物矿床共伴生，估计这部分资源总量约50亿吨。石膏和无水石膏中的硫资源量更大，另有6000亿吨硫赋存于煤、油页岩和富有机质页岩中。中国硫资源主要包括硫铁矿13.11亿吨（矿石）、有色金属伴生硫0.96亿吨（硫）和自然硫78.59万吨（硫）。

【鉴定特征】　黄色，油脂光泽，硬度小，性脆，有硫臭味，易燃，光焰呈蓝紫色。

【工业应用】　主要用于制造硫酸，占消费总量的85%以上，其中1/2以上用于生产硫酸镁、磷酸铵、过磷酸钙等化学肥料，其余用于化学制品，如合成洗涤剂、合成树脂、染料、药品、石油催化剂、钛白及其他颜料、合成橡胶、炸药等。石油和钢铁工业也需要少量硫酸。非酸类的应用包括用于纸张、人造丝、医药、染料、玻璃等行业。

2015年世界硫总产量7534万吨，其中从酸性天然气处理回收硫占29%，达2370万吨，炼油业回收硫2820万吨，油砂处理提炼硫240万吨。中国利用国内资源生产硫1590万吨（100%硫），占世界总产量的21.1%。其中以硫铁矿制硫酸约657万吨硫，占国内总产量的41.3%，油气、煤化工回收硫黄553万吨硫，占34.8%，有色金属冶炼回收烟气制硫酸380万吨硫，占23.9%。2015年中国硫酸产量9673万吨。目前中国是唯一以硫铁矿为主要硫资源的国家，硫铁矿来源硫占世界硫总产量的9%。

2015年世界硫视消费量7530万吨，其中化肥消费硫酸占总消费量的61.7%。中国硫酸生产方法较多，包括硫铁矿制酸、硫黄制酸和冶炼烟气制酸。2015年中国硫的消费量估计为3455万吨，硫铁矿视消费量1970万吨，硫酸视消费量9770万吨；硫黄进口量1193万吨，硫酸进口量117.1万吨，主要来自中东、俄罗斯及东亚地区。美国的硫供给和终端用途见图1-2-5。

自然硫可制成具高压缩强度和绝缘性能的泡沫硫；掺入各种材料中以提高材料强度，改善材料的耐水性、耐磨性；制成硫—沥青路面材料，使路面在低温下保持柔韧，高温下保持坚硬；制成硫混凝土，机械性能好，耐腐蚀，抗冻融循环性破坏。

药用自然硫名硫黄，别名石硫黄、硫黄、黄牙、黄硵砂。功效：杀虫止氧；助阳益火。成药制剂：三黄珍珠膏，朝阳丸，喘舒片，复方硫黄乳膏。