Физико-химические условия образования алмазоносных парагенезисов эклогитов

Глава 5. Экспериментальное изучение процессов образования фуллереноподобного углерода из флюидной фазы при Р-Т параметрах, соответствующих природному минералообразованию

В настоящее время в различных геологических объектах обнаружены редкие кубические фазы углерода - фуллерены, известные ранее лишь как продукты синтеза. Они установлены в шунгитах (Buseck et al., 1992), углях, карбонатно- глинистых морских осадках (Heymann et al., 1994), хондритах (Buseck and Hua, 1993) и звездной пыли (Krato et al., 1989). Известно, что фуллерены и фуллереноподобные структуры обладают исключительной потенциальной способностью к переносу многих редких элементов в виде газообразных комплексов. Предполагается их активное участие в формировании месторождений алмазов и редкометальных карбонатитов (Винокуров и др., 1997), поскольку образование алмаза из фуллеренов происходит значительно легче, чем из графита (Вуль и др., 2001; Dresselhaus et al., 1996). В последнее время вопрос изучения процессов образования свободного углерода (графита, алмаза и фуллеренов) в условиях земной коры становится опять актуальным в связи с открытием месторождений алмаза в метаморфических комплексах, а также находками других кубических форм углерода - фуллеренов в месторождениях шунгитов (Buseck et al., 1992). Фуллерены и фуллереноподобные структуры синтезируются в основном при температурах порядка 3000-5000^оС (Dresselhaus et al., 1996). Такие высокие температуры синтеза, казалось бы, ограничивают возможности их появления в природном минералообразовании. С другой стороны, в большинстве случаев фуллерены в природе отмечены в ассоциации с графитом, который образовался при температурах, соответствующих амфиболитовой или гранулитовой фациям метаморфизма. В связи с возникшей проблемой неясности механизмов образования фуллеренов в природе (Buseck, 2002) нами были проведены опыты по синтезу свободного углерода при 700-750^о С и 5 кбар из флюидной фазы.

Процесс образования свободного углерода из метана изучался при температуре 700-750^o C и давлении 500 МПа в восстановительных условиях. Источником метана являлся полипропилен. В исходном веществе содержались также добавки кровяной соли, при нагревании разлагающейся на комплексы C-N. Эксперименты проводились на установках высокого гидротермального давления (Иванов и др., 1977) в Институте экспериментальной минералогии РАН. Конструкция электрической печи внешнего нагрева позволяла создать в реакторе почти безградиентную (2-3^o C) зону длиной 50 мм, куда и помещалась ампула с исходным веществом. Учитывая, что сосуды высокого давления генерируют летучесть кислорода, близкую к создаваемой буферной смесью никель-бунзенит, использовалась методика двойных ампул, чтобы обеспечить летучесть кислорода на уровне буферной смеси железо-вюстит - вюстит-магнетит. Длительность опытов составляла 5-7 суток.

Продукты синтеза были обработаны в концентрированной HСl для удаления возможных металлических фаз и окислов железа, а затем изучены методом рентгеновской дифракции на дифрактометре D-500 (Сименс). Данные по отражениям были получены с использованием CuK излучения (Ni-фильтр), съемка велась в диапазоне углов 2 = 20-60^o с шагом 0.02^o, время экспозиции 12". Этим методом в продуктах синтеза были диагностированы нанографит и раватит (С₁₄Н₁₀). Затем продукты синтеза просматривались на просвечивающем электронном микроскопе JEM-100S (JEOL, Japan) при увеличении 20000 - 100 000. Методом микродифракции в образцах были диагностированы пластинки графита. В небольших количествах были обнаружены фуллереноподобные многослойные образования, диаметром от 200 до 800 A^o. Диаметр внутренней полости или канала в этих структурах колебался от 20 до 60 A^o. Аналогичные по внешнему виду короткие замкнутые многослойные углеродные нанотрубки образуются в условиях вакуумного разряда (Т около 5000°К) при синтезе фуллеренов.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что образование фуллеренов и фуллереноподобных структур углерода в породах земной коры и верхней мантии связано с процессами их образования из восстановленных углеводородных флюидов. Исходя из этого, возможно предположить их участие в процессах алмазообразования верхней мантии, поскольку из экспериментальных работ известно, что образование алмаза из фуллеренов происходит значительно легче, чем из графита. Эти результаты представляют собой также научно-методическую основу для разработки новых технологий по получению углеродных нанотрубок и фуллереноподобных образований.