Введение к работе
Актуальность темы.
Происхождение включений минералообразующих растворов и расплавов в кристаллах минералов является одной из самых важных и интересных проблем как при решении фундаментальных задач реконструкции условий минералообразования, так и при разработке технологий искусственного получения бездефектных кристаллов.
Современные термобарогеохимические исследования строятся на определении физических и химических свойств вещества, законсервированного в виде включений в кристалле. На основании этих данных определяются такие параметры процессов минералообразования как температура, давление и состав среды (Калюжный, 1982, Ермаков, 1950, Реддер, 1984). Знание механизмов формирования самих включений может существенно расширить рамки задач, решаемых термобарогеохимиками, добавив такие параметры процессов, как оценка относительных скоростей роста и величин пересыщений. Все это позволяет определять закономерности изменения механизма роста кристаллов в природных и экспериментальных условиях. Данные для определения механизмов роста обычно получают, изучая микрорельеф граней и внутреннее строение кристаллов средствами микроскопии высокого разрешения (Леммлейн, 1957; Фекличев, 1966; Sunagava, Bennema 1988). Но микроморфология поверхностей природных кристаллов отражает особенности лишь заключительных стадий их роста, которые могли существенно отличаться от предыдущих. Тем не менее, используя информацию о механизмах образования включений, можно реконструировать условия кристаллизации на различных стадиях роста.
Вместе с тем, включения являются крайне нежелательным дефектом в кристаллах синтетических драгоценных камней (СДК), и знание механизмов н условий их образования может позволить усовершенствовать технологические процессы выращивания.
Знание закономерностей образования включений в природных и синтетических кристаллах, а также морфологических особенностей самих включений позволяет решать такую важную задач)' геммологии,
как определение происхождения драгоценных камней.
Цели и задачи исследования.
Целью данной работы является реконструкция механизмов и условий возникновения включений минералообразуїощеи среды в кристаллах синтетических минералов, используемых в качестве драгоценных камней (корунда, берилла, шпинели и хризоберилла) на основании данных по микроморфологии поверхностей роста кристаллов, морфологии включений и физико-химических свойств вещества включений, а также определение возможных механизмов их образования в природных кристаллах различного генезиса. Для осуществления поставленной цели автором решались следующие задачи:
-
Изучение микроморфологических особенностей граней кристаллов СДК, выращенных различными методами в различных условиях и выявление процессов роста, которые служили причиной образования на поверхностях кристаллов углублений (протовакуолей), необходимых для захвата микропорций минералообразующей среды.
-
Изучение морфологии включений растворов и затвердевших расплавов, и ее корреляции с соответствующими формами микрорельефа поверхности.
-
Изучение физических и химических особенностей включений, используя данные по температуре гомогенизации, давлению и составу вещества. Определение соответствия составов включений составу среды кристаллизации.
-
Сравнение морфологических особенностей включений в кристаллах СДК и природных кристаллах, образовавшихся из гидротермальных растворов и магматических расплавов.
-
Реконструкция механизмов и условий образования включений в СДК и возможных механизмов возникновения включений в природных кристаллах на основании анализа полученных данных.
-
Определение областей практического применения полученных результатов.
Объект исследования.
В качестве объекта исследования были выбраны кристаллы СДК
выращенные в ОИГГиМ СО РАЯ, КТИ Монокристаллов (КТИМ) СО РАН, СП «Тайрус» (Россия-Таиланд), а также зарубежными фирмами: Chatham Created Gems (США), J.O. Crystals (США), Biron Pte. Ltd (Австралия). Были изучены монокристаллы цветных разновидностей корунда (рубин и сапфир), выращенных из расплава и раствора в расплаве, шпинели и изумруда, выращенных из раствора в расплаве, изумруда и бесцветного берилла, выращенного из гидротермального раствора; хризоберилла (александрита), выращенного из расплава и раствора в расплаве. Общее количество кристаллов около 300. Кроме этого были использованы для работы кристаллы турмалина и кварца Малханского месторождения (Ц. Забайкалье), а также минералов из различных вулканических пород. Из природных и синтетических кристаллов были выбраны наиболее представительные и богатые включениями, из которых были изготовлены пластинки (около 100).
Часть работы была выполнена в рамках плана НИР Сибирского геммологического центра по проекту «Изучение влияний условий роста на образование дефектов в драгоценных камнях» (1995-1996 г.) и плана НИР лаборатории термобарогеохимии по проекту «Разработка и совершенствование теоретических, экспериментальных и методических основ термобарогеохимии как базы для качественных и количественных палеореконструкщш условий петрогенеза, рудообразования».
Кристаллы СДК для исследований были предоставлены руководством КТИМ и СП «Тайрус». Часть коллекции образцов Малханского месторождения была собрана автором во время полевых работ в 1995 г., остальные были предоставлены В.Е. Загорским (ИГ СО РАН, г. Иркутск). Кристаллы бериллов и изумрудов Малышевского месторождения переданы М.А. Поповым и B.C. Шацким. Материал по включениям в минералах из вулканических пород Камчатки взят с разрешения И.Т. Бакуменко. Использованы также отдельные материалы В.А. Симонова, СВ. Ковязина и В.В. Шарыгина по морфологии включений в природных кристаллах.
Лабораторные исследования включали микроскопическое изучение пластинок, термо- и криометрические исследования включений, а также определение химического состава кристаллов и включений на электронном микрозонде. Исследование поверхностей роста кристаллов производились методами фазового контраста на
микроскопе NU-2 и на сканирующем электронном микроскопе Jeol JSM-35. Большая часть исследований была проведена в ОИГТиМ СО РАН. Термобарогеохимические и микроморфологические исследования были проведены автором в лаборатории термобарогеохимии ИМП СО РАН, микрозондовые анализы выполнены Л.Н. Поспеловой, ультрамикрохимические анализы растворов включений проводились Н.А. Шутуровой и О.А. Козьменко. Кроме этого бьши проведены анализы растворов включений методом протонного ЯМР (В.И. Момотюк ИОХ СО РАН) и исследования составов изумрудов на ионном микрозонде (О. А. Козьменко ИФП СО РАН).
Основные защищаемые положения.
-
Морфология включений в секторах роста сингулярных граней и несингулярных регенерационных поверхностей (РП) изученных кристаллов определяются механизмами их роста.
-
Появление элементов микрорельефа граней, приводящих к возникновению вакуолей включений при выращивании кристаллов СДК, связано с локальным уменьшением величины пересыщения или переохлаждения и возникновением градиента концентрации перед фронтом роста и по его поверхности.
-
Имеющееся в ряде случаев несоответствие состава вещества включений в изученных кристаллах синтетических драгоценных камней составу среды минералообразования определяется способностью растущей грани адсорбировать примеси, концентрацией компонентов минерала-хозяина в среде и механизмом массопереноса.
-
Включения минералообразующей среды дают возможность оценивать не только температуру, давление и состав среды, но и такие параметры, как величина пересыщения в среде и относительные скорости роста граней на разных этапах кристаллизации.
Научная новизна.
— определены различия в механизмах образования включений при развитии сингулярных граней и несингулярных регенерационных поверхностей кристаллов;
показана универсальность механизмов образования включений для различных условий кристаллизации;
показана связь между кинетическими особенностями процессов роста кристаллов и морфологией включений.
показана возможность оценки таких параметров процессов роста как относительные скорости роста и величины пересыщений.
Апробация работы и публикации.
По теме диссертации опубликована 3 статьи и 2 тезисов, 2 статьи находятся в печати. Отдельные положения были доложены на 1 Уральском Геммологическом Съезде и на НТС КТИ Монокристаллов СО РАН.
Структура и объем работы.
