地质与成因

几乎所有天然钻石都结晶于古老而稳定的大陆块体，即克拉通的深部根带，压力高于 4 GPa，温度为 950–1400 °C。GIA 把这一稳定区的顶界定在约 140 km，多数宝石级钻石生长于大致 150 至 250 km 之间。包裹体测年给出的年龄超过十亿年，有些接近 35 亿年。

钻石只借三种稀有的岩浆类型到达地表：金伯利岩、钾镁煌斑岩和煌斑岩。三者都由地幔深部的少量熔融形成，富含挥发分和镁，喷发很快，估计为每秒 4 至 20 m。金伯利岩岩浆可以在 200–300 km 深处生成。它以破裂方式向上推进，压力下降时气体从熔体中出溶，喷发形成由三部分组成的岩管：火山口，由破碎岩石构成、管壁倾角接近 82 度的岩筒，以及侵入型金伯利岩的根带。按照克利福德法则，含钻石的金伯利岩穿过克拉通中最古老的太古宙部分喷出。西澳大利亚的阿盖尔矿属钾镁煌斑岩型，在 2020 年关闭之前一直是粉色和褐色钻石的主要产地。即便是好矿石，品位也很低：美国地质调查局给出开采的金伯利岩品位为 0.1 至 0.6 ppm 钻石。

超深钻石形成于约 300–800 km，估计占全球开采钻石的 2%。其中包括贫氮的 CLIPPIR 型钻石和含硼的 IIb 型蓝色钻石。

侵蚀把宝石从寄主岩石中释放出来，河流、波浪和洋流再把它们搬运。宝石矿物硬度高、化学性质稳定，密度又大于石英砂，因此在水流变缓处聚集：砾石滩、壶穴、古河流阶地和海滩。这类富集体即砂矿；由河流沉积形成的砂矿称为冲积砂矿。有裂纹的晶体在搬运中往往破碎，因此砂矿中完好宝石的比例常高于其源岩。GIA 关于刚玉矿床的综述指出，变质环境中的砂矿，如斯里兰卡的拉特纳普勒和埃拉赫拉、马达加斯加的伊拉卡卡，产出品质最高的蓝宝石。

最大的钻石砂矿体系位于纳米比亚南部的大西洋沿岸。奥兰治河是把钻石从南部非洲内陆搬运到海岸的主要通道，向北的沿岸漂流又把它们散布到老河口以北 150 km 以上的海滩和海底。砾石粒度和钻石粒度都向北变小。2006 年一项针对这些矿床的研究认为，在当时南部非洲已采出的 1.3 亿克拉冲积钻石中，纳米比亚海岸占 55% 以上。如今海洋开采占主导：2020 年的一篇论文报告，一支七艘船的船队在水深最深 150 m 处作业，采出纳米比亚钻石产量的四分之三以上。

伟晶岩是由异常粗大、彼此交生的晶体组成的火成岩。多数含宝石的伟晶岩为花岗质。它们由冷却中的花岗质岩浆最后一部分富水残余结晶而成，这一残余富集了难以进入常见造岩矿物的不相容元素：锂、铍、硼、氟、磷、铷、铌、铯和钽。在这一阶段的低温条件下，新晶体成核比已有晶体生长更慢，因此少数晶体长得很大，而不是许多晶体都长不大。近年的研究表明，生长速率可达每天一米以上。

宝石晶体最常出现在岩体核部和中心带的开放或充填黏土的晶洞中，它们在那里向充满流体的空间自由生长。具有这类空腔的岩体称为晶洞伟晶岩，位于侵入到地壳浅部的深成岩体之内或附近。锂-铯-钽（LCT）族伟晶岩的数量远多于铌-钇-氟（NYF）族，是宝石级碧玺、绿柱石、锂辉石、托帕石和石榴石的重要产地。

著名的伟晶岩宝石矿区包括巴西的米纳斯吉拉斯州、马达加斯加、巴基斯坦的斯卡杜地区，以及美国加利福尼亚州的圣迭戈县，那里的 Oceanview 矿至今仍产紫锂辉石。伟晶岩产出过已知最大的一些晶体，据报道锂辉石和绿柱石的晶体长度可达 10 m 以上。

许多最珍贵的红宝石生长在大理岩中，这是石灰岩在高温高压下重结晶形成的变质岩。一条大理岩型矿床带横贯中亚和东南亚：阿富汗的杰格达列克，巴基斯坦的罕萨谷和南吉马利，尼泊尔的楚马尔和鲁伊尔，缅甸的抹谷和孟速，以及越南的陆安和归州。它们都位于因印度与亚洲碰撞而变形的地带，同位素测年给出中亚和东南亚矿床的年龄为渐新世至上新世，约 4000 万至 500 万年。

GIA 关于刚玉矿床的综述认为，这些大理岩中的红宝石生长于约 620–670 °C 和 2.6–3.3 kbar。晶体零散分布于岩石中，与金云母、白云母、方柱石、珍珠云母、尖晶石、榍石、黄铁矿和石墨共生，这也是同一批矿坑出产优质红色尖晶石的原因，抹谷尤为突出。缅甸的抹谷宝石带自公元 600 年前后就开始出产鸽血红红宝石。

并非每一处优质红宝石矿床都以大理岩为寄主。莫桑比克的蒙特普埃兹属角闪岩型矿床，赋存于变质的镁铁质和超镁铁质岩石中，其大部分产量来自附近的次生矿：由棱角状碎屑组成的坡积物，以及占比较小的浑圆冲积砾石。

许多蓝色、绿色和黄色蓝宝石采自年轻碱性玄武岩区之上的土壤和砾石层。这类矿床自塔斯马尼亚经澳大利亚东部、东南亚和中国东部一直延伸到俄罗斯远东，在尼日利亚和喀麦隆、马达加斯加以及埃塞俄比亚的阿克苏姆也有开采。玄武岩并不是宝石的成因。这些蓝宝石是捕虏晶，即对搬运它们的熔岩而言属于外来的晶体，产于亚碱性橄榄玄武岩、高铝碱性玄武岩和碱玄岩的熔岩流与岩颈中，所处的地壳环境位于上升地幔柱之上并受到拉张。这些熔岩流风化之后，留下今天开采的冲积矿床，主要分布在新南威尔士州北部和昆士兰州中部。

这些蓝宝石具有可识别的化学特征。在 2007 年的一项研究中，J.-J. Peucat 等人指出，碱性玄武岩中的岩浆成因蓝色蓝宝石含铁 2000 至 11000 ppm，镓超过 140 ppm，镁一般低于 20 ppm，镓镁比高于 10。变质成因的蓝色蓝宝石，包括柬埔寨拜林的淡色宝石以及抹谷、斯里兰卡和伊拉卡卡的材料，含铁低于 3000 ppm，比值低于 10。实验室至今仍把这一界线作为证据之一。

美国蒙大拿州约戈峡谷的蓝宝石属于与此相关的岩浆成因情形，但其寄主岩是碱性煌斑岩而非玄武岩。

祖母绿需要铍，而铍富集于花岗岩和伟晶岩中；同时还需要铬或钒，它们富集于暗色的镁铁质、超镁铁质岩石和某些页岩中。多数矿床把两者带到一起：GIA 的综述认为，赋存于变质镁铁质和超镁铁质岩石中的类型约占世界产量的 70%，主要供应国为巴西、赞比亚和俄罗斯。

哥伦比亚东科迪勒拉山系的矿床是另一种成因，完全没有岩浆活动参与。祖母绿产于下白垩统黑色页岩中的脉体和角砾岩内。在 1994 年《自然》的一篇论文中，T. L. Ottaway 等人针对木佐矿指出，热液卤水把蒸发岩来源的硫酸盐带到有利的构造部位，硫酸盐在那里被化学还原；硫随后与页岩中的有机质反应，释放出其中封存的铬、钒和铍。GIA 认为这些盆地流体的温度为 300–330 °C，盐度最高相当于 40 wt.% NaCl，形成于大气降水和地层水与盐层及蒸发岩系相遇的深部。

这些矿山分为两组。西部带包括木佐、科斯克斯、佩尼亚斯布兰卡斯、库纳斯、拉皮塔和亚科皮；东部带包括加查拉、契沃尔和马卡纳尔三个矿区。

澳大利亚的贵欧泊矿区位于大自流盆地及其边缘，盆地的白垩系岩石沉积于一片浅的内陆海，即埃罗曼加海之中及其周边。南澳大利亚州的库伯佩迪和安达穆卡、新南威尔士州的白崖和闪电岭，以及昆士兰州的砾石欧泊矿区，都坐落在这些沉积物之上，欧泊主要采自其中的白垩系砂岩和黏土岩层。

欧泊如何形成至今仍有争论。GIA 对这些矿区的综述列出了风化说、微生物说和同构造说，较新的研究则指向一条穿过深度风化剖面移动的氧化还原锋面。形成时间同样存在争议。

各矿区的矿床形态不同。在闪电岭，黑欧泊以结核形式产于下白垩统芬奇黏土岩的白色黏土中；矿工称之为疙瘩石，矿体通常在地表以下不足 30 m。疙瘩石大部分是深灰色的无变彩欧泊，其中一部分为贵欧泊，正是这种深色底子使优质黑欧泊的变彩格外醒目。在昆士兰州，欧泊充填于上白垩统沙漠砂岩中的硅质铁石结核内，矿工称这些结核为睡莲叶或坚果。欧泊还交代过白垩纪的化石，从微体生物到恐龙骨骼都有。

有两种材料处在宝石学的边缘：一种真实存在，却几乎从未大到可以切磨；另一种的存在本身尚有争议。

碳硅石就是碳化硅。天然碳化硅非常稀少，只在全世界少数几个矿床中以微小晶体的形式被发现，通常小于 1.5 mm。已知最大的天然晶体产自以色列北部的基雄河，那里采到的材料从 2000 年前后的 0.1 至 1 mm，增至 2002 年的 2.2 mm、2009 年的 3.5 mm 和 2012 年的 4.1 mm。在这样的尺寸下，天然晶体无法琢磨刻面，因此首饰中使用的碳硅石都是实验室生长的。

六方金刚石又称朗斯代尔石，长期被广泛用作小行星撞击的标志，并被认为在石墨向金刚石转变的过程中起核心作用。尽管付出了长期努力，它从未被制备出来，也从未作为独立的纯物质得到描述。2014 年，Péter Németh 等人在《自然通讯》上报告，显示所谓朗斯代尔石特征的样品，其实是密布 {113} 双晶和 {111} 堆垛层错的立方金刚石，其中包括提供最初描述依据的代亚布罗峡谷陨石材料。他们认为这种矿物并不作为独立物质存在，依据它开展的工作需要重新核查。