Морфология и спектроскопические свойства октаэдрических кристаллов алмаза из месторождений Якутской алмазоносной провинции (на примере трубок Мир, Удачная, Юбилейная и Комсомольская)

Введение.

Актуальность

Типоморфные особенности морфологии кристаллов алмаза, его спектроскопических и других физических свойств, наряду с данными изотопного анализа и изучения химического состава минеральных включений традиционно используются в качестве критериев типизации месторождений, при проведении прогнозных исследований и в практике геологоразведочных работ (К.П.Аргунов, В.П.Афанасьев, З.В.Бартошинский, В.В.Бескрованов, Ю.М.Биленко, Г.К.Блинова, Н.А.Бобков, И.Н.Богуш, Г.П.Буланова, В.И.Ваганов, А.В.Варшавский, В.Г.Васильев, Э.М.Галимов, В.К.Гаранин, Ю.С.Геншафт, М.А.Гневушев, Ю.А.Дуденков, Н.Н.Зинчук, Ф.В.Каминский, В.Н.Квасница, Ю.А.Клюев, В.И.Коптиль, А.А.Кухаренко, Ю.Л.Орлов, Ю.Н.Пальянов, М.И.Самойлович, Е.В.Соболев, Н.В.Соболев, Ю.П.Солодова, З.В.Специус, С.В.Титков, Г.К.Хачатрян, О.Е.Шестакова и многие другие). Основные результаты этих исследований обобщены в монографиях (Орлов,1963, 1973; Бокий и др., 1976; Природные , 1999; Г.П.Буланова, 1993; Квасница и др., 1999; Бескрованов, 2000; Зинчук, Коптиль,2003 и др.).

На основе детального изучением анатомии кристаллов алмаза установлены общие закономерности морфологической эволюции кристаллов алмаза, обусловленные дискретно-прерывистым характером многоэтапного роста и взаимосвязи морфологии с содержанием основных азотных дефектов и степенью агрегации азота (Бескрованов, 2000; Kamisky, Chaschatryan,2003; Bulanova et. al., 2003, Васильев,2007, Гаранин и др,, 2007, С.В.Титков и др., 2004 и др.). Экспериментально установлена взаимозависимость основных габитусных типов кристаллов алмаза и спектроскопических свойств с температурой и давлением синтеза и облагораживания (Самойлович и др, 1976; Винс и др., 2003 и др.). Морфологические особенности кристаллов алмаза экспериментально изучены при моделировании условий роста и растворения алмаза, имитирующих природные расплавы (Пальянов и др., 1985; Литвин и др. 2004; Хохряков, 2004; Сонин, 2005 и др.). При проведении массовых исследований кристаллов алмаза ЯАП особенно эффективным оказался метод ИК-спектроскопии, на основе которого были установлены основные закономерности распределения в отдельных алмазоносных трубках, полях, районах кристаллов алмаза с различным содержанием азотных дефектов и водорода, позволяющих оценивать равновесную температуру и их образования (Ю.М.Биленко, Г.К.Блинова, И.Н.Богуш, Г.П.Буланова, Ф.В.Каминский, Ю.А.Клюев, Е.В.Соболев, Г.К.Хачатрян, J. Harris, S.Boyd, G.Devies, T.Evans, I.Kiflawi, A.Mainwood, M.Mendelssohn, H.Milledge, G.Woods и др.)

Однако, несмотря на уже достигнутые достижения в области типоморфизма алмаза, остаются нерешенными некоторые теоретические и методические проблемы генетической интерпретации морфологических и ИК-спектроскопических данных. Для наиболее распространенных в кимберлитовых трубках октаэдрических кристаллов алмаза недостаточно изучена взаимосвязь особенностей внешней и внутренней морфологии с содержанием основных азотных дефектов, не определены критерии их формационной принадлежности и условий образования. Необходимость количественной оценки этих связей предполагает повышение точности расчетов при обработке спектроскопических данных. Остается дискуссионным вопрос о природе морфологических особенностей октаэдрических кристаллов алмаза с дитригональными формами октаэдрических граней, переходных к округлым формам.

Цели работы.

Настоящая работа нацелена на изучение взаимосвязи особенностей внешней и внутренней морфологии октаэдрических кристаллов алмаза с содержанием азотных дефектов и с равновесной температурой их образования и преобразования в связи с возможностью использования полученных данных в качестве типоморфных особенностей и поисковых признаков в локальном прогнозе коренных источников алмаза.

Задачи работы.

Для достижения этих целей были поставлены следующие задачи по изучению морфологических особенностей и спектроскопических свойств октаэдрических кристаллов алмаза из четырех трубок АЯП (Мир, Удачная, Юбилейная, Комсомольская):

1. визуально-микроскопическое описание, гониометрическое и электронно-микроскопическое изучение морфологических особенностей октаэдрических кристаллов алмаза;

2. изучение распределения по цвету и интенсивности люминесценции с ультрафиолетовым, катодным и лазерным возбуждением на поверхности и срезах кристаллов алмаза;

3. ИК спектроскопическое изучение морфологических групп кристаллов алмаза и разработка приемов компьютерной обработки ИК-спектров;

4. изучение частоты встречаемости кристаллов алмаза октаэдрического облика, отличающихся по содержанию основных азотных дефектов и степени агрегации азота;

5. оценка температурных условий образования октаэдрических кристаллов алмаза

Фактический материал, методы исследований и личный вклад автора.

В основу работы положены мелкие кристаллы алмаза размерно-весового класса -2+1, отобранные из коллекции общей массой 500 карат, представляющей срез добычи в сентябре 2002 года на месторождениях Мир, Удачная, Юбилейная и Комсомольская (ЯАП). Автором просмотрена под бинокулярным микроскопом вся коллекция, из которой была предварительно отобрана партия общей массой 330 карат, состоящая из 757 кристаллов октаэдрического облика с плоскими гранями и рельефными формами, из которой затем было выбрано около 290 кристаллов, наиболее пригодных для ИК-спектроскопических исследований. Из 65 предварительно изученных кристаллов были сделаны распилы для исследований внутренней морфологии. Самостоятельно проведено визуально-микроскопическое морфологическое описание около 320 кристаллов. Для всех кристаллов цифровой камерой Nicon 4500 под бинокулярным микроскопом сделано свыше 300 микрофотографий.

Гониометрические исследования типовых кристаллов алмаза проведены самостоятельно под руководством к.г-м.н. Г.И.Дороховой на кафедре кристаллографии и кристаллохимии. Электронно-микроскопическое изучение некоторых из этих кристаллов выполнено в институте Кристаллографии РАН под руководством к.г-м.н Е.В.Копорулиной. На кафедре электронной микроскопии Физического факультета МГУ под руководством к.ф.н. П.В.Иванникова на сканирующем электронном микроскопе с приставкой для цветной катодолюминесценции (ЦКЛ), получено более 700 изображений кристаллов при увеличениях от 70 до 1600х. В оптической лаборатории ВИМСа под руководством н.с. В.А.Рассулова сделано 24 спектров фотолюминесценции и получено 80 микрофотографий и 80 микрофотографий люминесцирующих кристаллов при возбуждении длинноволновым УФ светом.

ИК спектроскопическое изучение алмаза было выполнено на кафедре органической химии Химического факультета МГУ под руководством к.х.н. Б.Н.Тарасевича на спектрофотометре для 191 кристаллов, обработка спектроскопических данных проведена автором по самостоятельно разработанному алгоритму в сотрудничестве к.х.н. кхн Б.Н.Тарасевичем, с асп.Р.С.Серовым и с консультациями д.г-м.н. Д.Г.Кощуга, к.ф.н. В.Г.Винса, к.г-м.н.С.В.Вяткина.

Достоверность результатов исследований подтверждается представительностью образцов, объемом аналитического материала и использованием различных инструментальных методов исследований. При обработке результатов исследований, построении диаграмм, гистограмм и рисунков автором были использованы стандартные компьютерные программы.

Научная новизна

1. Впервые проведено сравнительное комплексное детальное изучение морфологических и спектроскопических характеристик кристаллов алмаза октаэдрического облика, относящихся к преобладающей во многих кимберлитовых трубках 1-ой морфологической разновидности по классификации Ю.Л.Орлова из представительной коллекции, отобранной из партии алмазного сырья размерно-весового класса -2+1 общей массой 500 карат из среза добычи на месторождениях трубок Мир, Удачная, Юбилейная и Комсомольская (ЯАП).

2. Впервые для кристаллов алмаза октаэдрического облика предложена морфологическая систематика с подразделением на морфологическую группу острореберных плоскогранных октаэдров и две морфологические группы (серии) кристаллов с тригональными (О-Т) и дитригональными (О-DТ) ступенчато-слоистыми формами октаэдрических граней. В каждой морфологической серии выделены морфологические ряды кристаллов промежуточных форм с комбинационными гранями псевдоромбододекаэдра, псевдогексаоктаэдра и псевдотетрагексаэдра, переходных к округлым додекаэдроидам, октаэдроидам и гексаэдроидам, соответственно. Впервые установлено распределение октаэдрических кристаллов выделенных морфологических групп в трубках. Мир, Удачная, Юбилейная и Комсомольская.

3. Получены новые гониометрические и электронно-микроскопические данные о деталях внешней и внутренней морфологии октаэдрических кристаллов алмаза, цвете и интенсивности катодо- и фотолюминесценции и на поверхности и на срезах кристаллов, свидетельствующие о ростовой природе октаэдрических граней кристаллов как О-Т, так и О-DТ серии. и спектроскопические данные по ИК спектрам о распределении азотных дефектов.

4. Усовершенствован алгоритм компьютерной обработки спектров ИК поглощения кристаллов алмаза с разложением на составляющие полосы и предложены новые приемы статистической обработки данных с упрощенной и экспрессной процедурой определения суммарного содержания азота, относительного содержания всех основных азотных дефектов и с расчетом содержания в них азота.

5. Впервые установлена взаимосвязь между морфологией и дефектностью октаэдрических кристаллов алмаза, которая подчеркивается в целом относительно низким средним содержанием азота в кристаллах О-Т серии и более высоким - в кристаллах О-DТ серии, более высокой степенью агрегации азота в В-формах в кристаллах острореберных плоскогранных октаэдров и О-Т серий по сравнению с кристаллами О-DТ серии из каждой кимберлитовой трубки

6. Впервые для кристаллов алмаза О-Т и О-DТ серий из трубок Мир, Удачная, Юбилейная и Комсомольская определены различные градиенты равновесной температуры образования в различных условиях.. Для разных трубок установлены индивидуальные по величине и направлению тренды изменчивости равновесной температуры, в зависимости от суммарного содержания и степени агрегации азота в В-форме.

Практическое значение

Комплекс разработанных методов морфологических и спектроскопических исследований, опыт и результаты изучения октаэдрических кристаллов алмаза трубок Мир, Удачная, Юбилейная и Комсомольская могут быть использованы при паспортизации кимберлитовых трубок и в практике локального прогноза при проведении поисково-разведочных работ.

Материалы диссертации используются в спецкурсе <Физика и геммология алмаза>, переданы для экспозиции <Люминесценция минералов> в Музее землеведения МГУ имени М.В.Ломоносова.

Защищаемые положения.

1. Предложена новая систематика кристаллов алмаза октаэдрического облика I разновидности (по Ю.Л.Орлову) с подразделением на группу плоскогранных октаэдров и две группы кристаллов, образующих морфологическую О-Т серию кристаллов с тригональными и морфологическую О-DT серию кристаллов с дитригональными ступенчато-слоистыми формами октаэдрических граней. В каждой серии выделены морфологические ряды кристаллов промежуточных форм переходных к округлым додекаэдроидам и октаэдроидам, соответственно. Ростовая природа октаэдрических граней кристаллов как О-Т, так и О-DT серий подтверждается результатами гониометрических, электронно-микроскопических и спектроскопических исследований.

2. Предложен алгоритм компьютерной обработки спектров ИК поглощения кристаллов алмаза с разложением на составляющие полосы и усовершенствованы приемы статистической обработки данных с упрощенной и экспрессной процедурой определения суммарного содержания азота и содержания всех основных азотных дефектов.

3. Впервые для кристаллов алмаза О-Т и О-DТ серий из трубок Мир, Удачная, Юбилейная и Комсомольская определены градиенты равновесной температуры от 1100 до 1200^oС и вероятной глубины образования в пределах 190-200 км. Для разных трубок установлены индивидуальные по величине и направлению тренды изменчивости равновесной температуры и степени агрегации азота.

Публикации и апробация работы

По теме диссертации опубликовано две статьи и 7 тезисов докладов, представленных на 30-й международной геммологической конференции (2007), на сессии Российского минералогического общества (2007), на международных конференциях Ломоносов-2006, 2007 и 2008, на конференции <Наука-молодым(2008)>, на конференции по электронной микроскопии (2008).

Благодарности.

Автор выражает благодарность всем упомянутым лицам за помощь в проведении исследований, сотрудничество и плодотворные дискуссии, д.г-м.н. В.К.Гаранину, Д.Г.Кощугу, Н.И.Леонюку, А.А.Ульянову за ценные советы и поддержку, также за помощь при подготовке части материала к исследованиям А.Н.Ноздрякову, за добрые советы и помощь при обсуждении, редактировании и оформлении диссертационной работы и подготовке ее к защите д.г-м.н. И.А.Киселевой, к.г-м.н. С.К.Ряховской, к.г-м.н. М.Ф.Вигасиной и другим сотрудникам кафедры минералогии, к.х.н. Б.Н..Тарасевичу и к.ф-м.н. П.В.Иванникову и своим товарищам, заведующему кафедрой чл.-корр. РАН профессору А.С.Марфунину за внимание и поддержку, к.г-м.н. О.В Кононову за общее руководство, постановку цели и задач работы, предоставление материалов, всестороннюю помощь на всех стадиях исследований.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения три главы и заключения общим объемом 130 стр., содержит 60 рисунков, и 15 таблиц, а также приложение с экспериментальными данными в виде спектров, таблиц и атласа с микрофотографиями и электронно-микроскопическими изображениями кристаллов алмаза в ВЭ и ЦКЛ режиме. Список литературы включает 80 наименований.