Введение к работе
Актуальность темы. К настоящему времени накоплен огромный -фактический материал по минералогии алмаза. Большинство исследователей придерживаются мнения о глубинном происхождении кимберлитовых алмазов и их ксеногенности по отношению к кимберлиту. Однако проблема образования и роста кристаллов алмаза в мантии Земли является не решенной и весьма дискуссионной. Ведущую роль в решении этой сложной задачи играет изучение включений в природных алмазах, которые характеризуют условия минералообразования. Известно, что включения в природных алмазах представлены, в основном, силикатными и сульфидными минералами. Ряд находок включений самородного железа в природных алмазах в дополнение к силикатным, оксидным, сульфидным предполагает возможность кристаллизации алмаза из сложных по составу систем, содержащих свободные металлы. Экспериментальные данные по кристаллизации алмаза в металл-силикат-оксид-углеродных системах позволяют получить новые знания о возможностях кристаллизации алмазов. Эти данные позволяют решать важную задачу о механизме и условиях образования алмазов в природе.
Цель работы. Целью работы является изучение совместной кристаллизации алмаза и других фаз высокого давления в модельных системах металл-силикат-углерод и металл-оксид-углерод при высоких Р-Т параметрах, а также посткристаллизационных изменений включений в алмазах при высокобарическом отжиге.
Для осуществления поставленной цели автором решались следующие задачи:
-
Отработка методики и проведение экспериментов по синтезу алмаза при высоких Р-Т параметрах методом перекристаллизации в модельных системах металл-углеродный расплав — кристаллический оливин, металл-углеродный расплав — силикатный расплав и металл-углеродный расплав - NiO.
-
Изучение кристаллов искусственного алмаза.
-
Изучение состава и оценка железистости силикатных фаз (оливина, пироксена, граната), образующихся совместно с алмазом в опытах при высоких Р-Т параметрах.
-
Отработка методики и проведение экспериментов по баротермической обработке кристаллов алмаза.
-
Изучение поведения металлических включений в искусственных алмазах в процессе нагревания кристаллов при высоком давлении.
-
Определение областей практического применения полученных результатов.
Фактический материал и методы исследования
В основу работы положены результаты экспериментального исследования кристаллизации алмаза в металл-оксидно-углеродных и металл -силикатно- углеродных системах, а также данные по отжигу кристаллов алмаза с металлическими включениями при высоких Р-Т параметрах. Автор непосредственно участвовал в подготовке и проведении всех экспериментов. Всего было проведено более 150 экспериментов по синтезу алмаза и 17 по отжигу кристаллов алмаза при высоких Р-Т параметрах.
Исследование кристаллов алмаза и силикатных фаз проводили с использованием оптической (МБС-10, МБИ-15) и электронной (JSM-35) микроскопии, рентгенографии (ДРОН-1.5, УРС-55: камера Гондольфи), ИК-спектроскопии (Perkin-Elmer 325) и химического микрозондирования (JXA-5 А). Было изучено около 500 кристаллов алмаза размером от 0,1 мм до 5 мм. Из некоторых алмазов были изготовлены пластинки для более детального изучения внутреннего строения кристаллов. В ходе работы было снято и обработано около 30 рентгенограмм, 17 ИК-спектров, сделано более 120 анализов на микрозонде.
Основные защищаемые положения
1. Установлена возможность кристаллизации алмаза в системе Fe-
Ni-O-C при температурах 1400-1500С и давлениях 5-6 ГПа. Предельное
содержание МеО в системе, при котором продолжается кристаллизация
алмаза составляет от 30 до 50 вес.%. При этом совместно с алмазом в
системе образуются металлическая и оксидная фазы.
2. В гетерогенных системах металл-углеродный расплав-
кристаллический оливин-углерод и металл-углеродный расплав-
силикатный расплав-углерод происходит кристаллизация алмаза при
обычных Р-Т параметрах каталитического синтеза алмаза (5-6 ГПа, 1400-
1500С). При этом наблюдается совместная кристаллизация алмаза и
силикатных минералов повышенной магнезиальное. Экспериментально
продемонстрирован процесс консервации силикатных фаз в кристаллах
алмаза, что представляет модель захвата включений силикатов
природными алмазами при их кристаллизации в гетерогенной среде.
3. При высоких Р-Т параметрах происходит изменение формы,
переогранение и перемещение включений металла, находящихся в
кристаллах алмаза, причём скорость перемещения включений зависит от
температуры и температурного градиента. Генетическое значение этого
явления заключается в возможном «самоочищении» природных алмазов
от самородных металлов (Fe, Fe-Ni) в период длительного нахождения
алмазов в мантии Земли.
Научная новизна
-
Разработана методика проведения экспериментальных исследований по кристаллизации алмаза из металл-силикатно-углеродной и металл-оксидно-углеродной шихты при значительном содержании в ней силикатов и оксидов.
-
Разработана методика длительного (до 50 часов) отжига кристаллов алмаза при давлении 6,5-7,0 ГПа и температурах 2000-2200С.
-
Установлены максимально допустимые содержания силикатов и оксидов в металл-углерод-силикатной (оксидной) системах, при которых происходит кристаллизация алмаза при обычных Р-Т параметрах каталитического синтеза (5-6 ГПа, 1400-1500С).
-
Показано, что в системе металл-углеродный расплав — силикат совместно с алмазом происходит кристаллизация силикатных минералов: оливина и шпинели повышенной магнезиальное, граната (пироп-альмандина) и клинопироксена (омфацита) по составу близких к природным образцам.
-
Выращены монокристаллы алмаза, содержащие включения силикатных фаз - оливина, граната, пироксена и шпинели.
-
Экспериментально продемонстрирован процесс трансформации и перемещения металлических включений в алмазах при мантийных Р-Т параметрах, что свидетельствует о возможности «самоочищения» кристаллов алмаза от металлических включений в посткристаллизационный период.
Практическая значимость работы
1. Методические приёмы, использованные при разработке
конструкции реакционной ячейки аппарата высокого давления типа
«разрезная сфера» будут полезны для выращивания качественных
монокристаллов алмаза.
2. Результаты изучения состава силикатных фаз,
кристаллизовавшихся совместно с алмазом и захваченных алмазом в виде
включений, могут представлять интерес для совершенствования
критериев поиска алмазоносных пород.
3. Результаты изучения поведения металлических включений в
кристаллах алмаза при высоких Р-Т параметрах могут быть использованы
для разработки способов очистки синтетических алмазов от
металлических включений.
Апробация работы
По теме работы опубликовано 6 статей, 6 тезисов докладов, получено авторское свидетельство на изобретение. Материалы работы обсуждались на следующих конференциях:
1. 13-е Российское совещание по экспериментальной минералогии». Черноголовка, Россия, 1995.
-
5-я конференция «Драгоценные камни». Антверпен, Бельгия, 1995.
-
6-я Международная Кимберлитовая конференция. Новосибирск, Россия, 1995.
-
Конференция «Регулярность эволюции Земной коры». Санкт-Петербург, Россия, 1996.
-
Конференция РФФИ: «Науки о Земле на пороге XXI века. Новые идеи, подходы, решения». Москва, Россия, 1997.
6. 12-я Международная конференция по росту кристаллов.
Иерусалим, Израиль, 1998.
7. 4-я Международная конференция «Кристаллы: рост, свойства,
реальная структура, применение». Александров, Россия, 1999.
8. Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии,
петрологии и геохимии. Москва, Россия, 2000.
Структура и объем работы
