Введение к работе
Экспериментальные исследования процессов кристаллизации алмаза стали возможны лишь в последние десятилетия. Однако, большая часть работ посвящена спонтанному фазообразованию алмаза. Для создания экспериментальной основы интерпретации минералопгческих данных по природному алмазу и разработки научно-методической базы выращивания монокристаллов алмаза необходимо всестороннее исследование процессов и механизмов роста алмаза в широком диапазоне условий кристаллизации. Это обуславливает актуальность проблемы роста кристаллов алмаза.
Цель исследований состояла в экспериментальном изучении закономерностей процессов роста кристаллов алмаза в широком диапазоне термодинамігческих, физико-химических и кинетических параметров, оценке применимости полученных результатов к природному алмазо-образованию и создании научных основ выращивания крупных высококачественных монокристаллов алмаза. Основные задачи исследований:
Разработка методик, обеспечивающих стабильное проведение экспериментов по росту кристаллов алмаза при высоких Р,Т- параметрах длительностью более 200 часов на беспрессовых многопуансон-ных аппаратах высокого давления.
Выявление закономерностей процессов кристаллизации алмаза и основных факторов, определяющих его кристаллогенез.
Выращивание монокристаллов алмаза высокого качества различных типов: lb, IaA, Па, lib (по физической классификации). Изучение их морфологии, внутреннего строения, особенностей реальной структуры и свойств в зависимости от условий кристаллизации.
Оценка применимости полученных экспериментальных данных по росту алмаза для решения проблем природного алмазообразования и экспериментального обоснования типоморфизма алмазов.
Решение этих задач стало возможным благодаря методігческим разработкам по стабилизации и расшіфеніпо диапазона параметров кристаллизации, а также применению комплекса минералогических методов исследования к такому объекту, как синтетический алмаз.
В результате решена проблема определения зависимости морфологии, особенностей реальной структуры и свойств кристаллов алмаза от условий их роста в широком диапазоне термодинамических, физико-химических и кинетических параметров.
Полученные результаты открывают новые перспективы для дальнейших исследований по росту алмаза в лабораторных условиях и имеют важное значение для анализа процессов природного алмазооб-разования. В практическом плане совокупность полученных данных представляет собой научно-методическую основу выращивания крупных высококачественных монокристаллов алмаза.
Фактический материал и методы исследования.
В основу работы положены результаты экспериментальных исследований по кристаллизации и минералогии алмаза, выполненные в период с 1978 по 1997 год. Автор непосредственно участвовал в разработке методик проведения экспериментов на аппаратах высокого давления «разрезной куб» и «разрезная сфера» (БАРС). Экспериментальная часть исследований включает более 2000 опытов в области давлений 50-70 кбар при температурах до 1800С, часть из которых связана с оптимизацией многопуансонных блоков, контейнеров высокого давления, схем кристаллизации, а также непосредственно посвящена разработке способов получения монокристаллов алмаза.
При изучении кристаллов алмаза применен комплекс различных методов, включающий оптическую и электронную микроскопию, гониометрию, рентгеновскую топографию в сочетании с избирательным травлением, оптическую спектроскопию, рентгенографический анализ и методы термобарогеохимии. Основная часть работ аналитического характера выполнена на базе лабораторий ОИГТМ СО РАН, а также в ИАЭ СО РАН и ВНИИСИМСе. Аттестация кристаллов проведена в Геммологическом институте Америки, часть аналитических работ - в Исследовательском центре ДТС (Мейденхед, Англия). При выполнении сравнительного анализа природных и синтетических алмазов рассмотрена морфология более 1000 природных алмазов из кимберлито-вых трубок Мир, Удачная и Айхал.
Основные защищаемые положения:
-
Формы и особенности механизмов роста кристаллов синтетического алмаза определяются совокупностью условий, среди которых основными, наряду с Р,Т параметрами, являются пересыщение, контролирующее морфологическую эволюцию в ряду: игольчатые -> изо-метричные (плоскогранные) -> скелетные -> (блочные) -» дендритные скелеты -» агрегативные кристаллы -» агрегаты, и адсорбционное влияние примеси, приводящее к трансформации кристаллов ряда {100}-{ 111}-{110} в антискелетные многогранники.
-
Возникновение ростовых дефектов синтетического алмаза характеризуется следующими закономерностями:
Двойники прорастания являются результатом трансформации двойников срастания и кристаллов с микродвойниками. Циклические двойники формируются при последовательном двойниковании.
Включения флюида, оксидов и силикатов в кристаллах синтетического алмаза образуются в результате диффузии и сегрегации примесей в расплаве металлов. При росте алмаза имеет место эффект избирательного захвата включений.
Планарные и линейные дефекты в монокристаллах алмаза зарождаются в зонах регенерации, контакта с подложкой, вблизи включений и контролируются, главным образом, скоростью роста.
-
Основными факторами, определяющими в ростовых процессах преимущественное образование А-центров в алмазе, наряду с температурой, являются скорость роста и концентрация азота в среде кристаллизации.
-
В процессах природного алмазообразования могут иметь место следующие из установленных закономерностей:
эффект избирательного захвата включений;
ростовая модель образования А-центров в алмазе;
корреляция устойчивости октаэдрических форм роста с концентрацией азота, блокирующим действием примеси и скоростью роста.
Научная новизна работы определяется следующими результатами, полученными впервые на момент их публикации:
-
На основе экспериментального изучения процессов реального кристаллообразования показано, что морфологическая эволюция кристаллов алмаза в значительной степени зависит от величины пересыщения. Существенную роль в кристаллогенезе алмаза играет химизм среды кристаллизации. В частности, добавки Н20 в ростовую систему в области низких пересыщений приводят к торможению роста граней {100} и {110} и формированию антискелетных многогранников (Пальянов, Хохряков, 1982; Пальянов и др., 1983, 1985; Pal'yanov et.al., 1995 a,d).
-
В результате исследования двойников на начальных стадиях их роста предложены и обоснованы механизмы образования двойников прорастания алмаза, заключающиеся в трансформации двойников срастания и кристаллов с микродвойниками (Пальянов и др., 1982,1983, 1985).
-
Исходя из результатов изучения включений тэнита, вюстита, алмаза, шпинели, граната, пироксена и флюида, образующихся в алмазе при его росте в металл-углеродных системах, обоснован эффект избирательного захвата включений (Осоргин и др., 1987; Пальянов и др., 1994; Pal'yanov et.al., 1994; Doroshev et.al., 1995; Tomilenko et.al., 1995).
-
Впервые в отечественной практике выращены крупные качественные монокристаллы синтетического алмаза типа lb, ІаА, На, lib и проведено исследование особенностей их реальной структуры и
свойств (Пальянов и др., 1990; Pal'vanov et.al., 1991, 1995 a,b; Shigley et.al.. 1993; Antsigin et.al., 1995; Лаптев и др., 1996).
5. Основываясь на установленных корреляциях между соотношением А и С центров в алмазе от скорости роста и концентрации азота в среде кристаллизации, экспериментально обоснована «ростовая» модель образования азотных центров в форме А-дефектов в алмазе (Pal'vanov et.al., 1995 b,c; Анцыгинидр., 1995; 1996).
Практическое значение работы.
Основной практический результат заключается в создании научных основ выращивания крупных высококачественных монокристаллов алмаза (до 2,5 карат), реализованный впервые в мировой практике на беспрессовой аппаратуре высоких давлений БАРС, разработанной в Сибирском Отделении РАН (Пальянов и др.,1990; Pal'yanov et.al., 1991, 1995 a,b).
Ряд установленных закономерностей процессов реального кристаллообразования алмаза может быть использован для построения и корректировки моделей природного алмазообразования и обоснования тнпоморфизма алмаза на экспериментальной основе.
Апробация работы.
Основные результаты работы обсуждались на конференциях, совещаниях и семинарах разного уровня: VIII, IX и XI Международных конференциях по росту кристаллов (Йорк, 1986; Сендай, 1989; Гаага, 1995), XI и XV Международных конференциях по высоким давлениям (AIRAPT) (Киев, 1987; Варшава, 1995), VI Международной кимберли-товой конференции (Новосибирск, 1995), I и II Международных семинарах «Алмазные пленки» (Улан-Удэ, 1991; Минск, 1994), Съезде Международной минералогической ассоциации (Пиза, 1994), X Европейской кристаллографической конференции (Вроцлав, 1986), VIII Международном симпозиуме «Взаимодействие вода-порода» (Владивосток, 1995), Международном геммологическом совещании (Антверпен, 1995), а также на Всесоюзных, Всероссийских и республиканских семинарах, конференциях и совещаниях, на семинарах Алмазной исследовательской лаборатории Де Бирс, Англо-американской геологической лаборатории (Иоханесбург, ЮАР, 1994), Исследовательском Центре ДТС (Мейденхед, Англия, 1994).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 69 работ, включая 10 авторских свидетельств и патентов. Основных работ - 36.
Структура и объем работы.
