Конституционные характеристики алмаза из месторождений Архангельской и Якутской алмазоносных провинций

Введение.

Актуальность исследований

В пределах Архангельской и Якутской алмазоносных провинций известен широкий спектр кимберлитовых пород, отличающихся между собой петрохимическими и петрографо-минералогическими особенностями, но обладающих всеми главными типоморфными признаками кимберлитов. К настоящему времени благодаря работам (Афанасьев, 1988, 2000; Богатиков и др., 1999, 2010; Гаранин и др., 1986, 1991, 2009; Соболев и др., 1983, 1986, 2009; Коптиль, Зинчук, 2001, 2003; Харькив и др., 1998; Mitchell 1986; Smith et al, 1986, 2000) сложился позитивный опыт предварительной оценки потенциальной алмазоносности объектов на ранней стадии проведения геолого-разведочных работ. Изучение соответствия реальной алмазоносности месторождений в Якутской (ЯАП) и Архангельской (ААП) алмазоносных провинциях показывает связь конституционных особенностей и физических свойств кристаллов алмаза с геологической позицией и вещественным составом кимберлитов. Установлена возможность использования полученных результатов в качестве типоморфных признаков физико-химических условий образования и сохранности кристаллов алмаза из различных генетических типов, как поисково-оценочных критериев, при идентификации коренных источников алмаза из россыпей, а также в криминалистической практике. Разработаны теоретические основы синтеза и облагораживания алмаза (Винс, 2009, 2010, 2011): идет промышленное выращивание алмаза в системе металл-углерод, актуально моделирование условий нуклеации и роста алмаза в многокомпонентных системах карбонат-силикатного и др. составов (Litvin, 2007; Бобров и др., 2011 и др.). Полученные экспериментальные результаты позволяют по-новому подойти к интерпретации природных закономерностей алмазообразования, наблюдаемых в разных месторождениях.

В связи с этим актуальным является проведение сравнительного анализа новых данных о характеристиках алмаза и вмещающих их кимберлитов как для совершенствования генетических моделей алмазообразования, так и для установления новых критериев при поиске и добыче алмазного сырья.

Цель работы. Выявление взаимосвязи типоморфных характеристик алмаза из месторождений ААП и ЯАП, сложенных кимберлитами различных петрохимических типов, с комплексом минералого-петрохимических особенностей трубок для оценки алмазоносности кимберлитов и прогнозирования качественных характеристик алмаза.

Основные задачи исследований:
1. Обобщение опубликованных данных о геологической позиции, внутреннем строении и вещественном составе кимберлитовых тел ААП и ЯАП.
2. Изучение внешней морфологии, внутреннего строения, содержания, соотношения и распределения структурно-примесных дефектов в кристаллах алмаза из промышленных месторождений ААП и ЯАП. Выявление типоморфных признаков алмаза, отражающих условия их образования и сохранности.
3. Выявление взаимосвязи между типоморфизмом алмаза и комплексом минералого-петрохимических данных по каждому геологическому объекту, с учетом петрохимического типа кимберлита: низкотитанистого (НТТ) и умеренно-титанистого (УТТ).

Фактический материал, методы и объем проводимых исследований

Работа выполнена на кафедре минералогии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Минералогические исследования проб алмазного сырья из месторождений ААП и ЯАП проводились автором в 2005 - 2011 гг. в Лаборатории месторождения алмазов кафедры минералогии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, на кафедре геммологии РГГРУ им.С. Орджоникидзе и на базе Центра сортировки алмаза "Севералмаз". Инструментальные исследования алмаза осуществляли на базе геологического и физического факультетов МГУ им. М.В. Ломоносова, ВИМС, ИГЕМ.

Объектом исследований явились представительные пробы алмазов из кимберлитовых трубок ААП (Архангельская, им. Карпинского-1, Снегурочка, им. Гриба) и ЯАП (Ботуобинская, Нюрбинская, Интернациональная, Мир, Удачная, Юбилейная, Комсомольская). Особое внимание уделялось кристаллам алмаза из трубки Архангельская, т.к. она является наиболее перспективной для отработки из всех тел месторождения им. М.В. Ломоносова (промышленная добыча алмазного сырья ведется с 2006 г.). Выполнено минералогическое описание для ~10 тыс. кристаллов алмаза.

Для изучения конституционных особенностей алмаза: внешней морфологии и внутреннего строения, его химического и изотопного состава, спектроскопических и других физических свойств алмаза привлечены методы оптической и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), (в т.ч. в режиме цветной катодолюминесценции (ЦКЛ)), масс-спектроскопии и оптической спектроскопии в инфракрасной (ИКС), ультрафиолетовой (УФС) и видимой области, фотолюминесцентной спектроскопии (ФЛС, при возбуждении светом ксеноновой лампы в области длин волн 250-600 нм) и электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР).

Спектры ИК получены для 1500 кристаллов (от 50 до 200 спектров для алмазов из каждой трубки). Спектры ФЛ для 115 кристаллов. Изучено внутреннее строение более 500 кристаллов алмаза, в т.ч. с изготовлением пластин по плоскости (100) для 55 кристаллов из трубки Архангельская. Картины ЦКЛ получены для 95 кристаллов из трубок им. Карпинского-1, Снегурочка, им. Гриба, Архангельская. Характеристики по изотопному составу (δ¹³С) получены для 20 кристаллов. Разработан и заполнен электронный банк данных, который содержит результаты проведенных исследований, находящийся в Лаборатории месторождений алмаза.

Научная новизна:
1. Получены новые данные о содержании и соотношении структурно-примесных дефектов и их распределении в октаэдрических и кубических секторах роста для кристаллов алмаза из трубки Архангельская.
2. Впервые установлено три генетических группы кристаллов для желтых и желто-оранжевых алмазов кубического габитуса из трубок месторождения им. М.В. Ломоносова, что вызывает необходимость уточнения их позиций в минералогической классификации Ю.Л. Орлова.
3. Проведено выделение морфогенетических групп алмаза, типоморфных для разно-ранговых объектов: трубка, месторождение, петрохимический тип кимберлита.
4. Впервые для месторождений ААП и ЯАП установлена приуроченность разных морфогенетических групп кристаллов алмаза к определенному петрохимическому типу кимберлитовых пород.
5. Выявлена корреляция между минералого-петрохимическими особенностями кимберлитов и конституционными характеристиками алмаза.

Практическая значимость

1. Расширен банк данных по минералогическим и спектроскопическим характеристикам алмаза из объектов ЯАП и ААП: трубки Интернациональная, Ботуобинская, Нюрбинская, Мир, Юбилейная, Удачная, Комсомольская, Архангельская, им. Карпинского-1, Снегурочка, им. Гриба, который может быть использован при поисках коренных источников алмаза.

2. Предложены критерии прогнозирования качественных характеристик алмазного сырья, на основе созданной группировки по совокупности минералого-петрохимических особенностей кимберлитов.

3. Установлены группы алмаза, обладающие наиболее высокими прочностными (твердость, прочность), технологическими (способность обрабатываться и обрабатывать) и геммологическими (окраска, ее распределение в камне, чистота) характеристиками, приуроченные к определенному петрохимическому типу кимберлитов.

4. Рекомендуется учитывать возможность различного внутреннего строения одинаковых по внешнему облику кристаллов и проводить дополнительное исследование для улучшения технологического процесса при обработке алмазов.

5. Уточнены критерии, методы и алгоритм криминалистической идентификации источников отдельных кристаллов и партий алмазного сырья на основе морфогенетических и спектроскопических признаков.

6. Материалы диссертации используются в учебном курсе "Минералогия месторождений алмаза" на кафедре минералогии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Результаты исследований в настоящее время используются в практике прогнозно-производственных работ в компаниях АК "АЛРОСА", ОАО "Севералмаз". Данная работа выполнялась по программе проектов кафедры минералогии Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова: по государственным заказам "Изучение возможности определения источника происхождения единичных алмазов" (контракт N 2008/346 от 21.04.2008 г.), "Изучение химико-генетических классификационных признаков из основных месторождений России и создание соответствующей базы данных" (контракт N 2011/306 от 3.06.2011) и госбюджетной теме "Дискретность природного алмазообразования - фундаментальная основа эволюционных процессов в мантии" (2010-2013 гг.).

Защищаемые положения

1. Визуально однородные желто-окрашенные кристаллы алмаза кубического габитуса из месторождения им. М.В. Ломоносова характеризуются различным внутренним строением, составом и распределением структурно-примесных дефектов, что обуславливает их подразделение на три морфогенетические группы: 1) кубы c однородным строением содержат дефекты в виде одиночных атомов азота и деформационные центры; 2) кристаллы с однородным внутренним строением азотными дефектами в А- и С- форме и дополнительными пиками в диапазонах 1374-1354 и 3310-2945 см^-1; 3) кубы с центральной зоной, образованной по тангенциальному или нормальному механизму роста, с различным распределением азота в С-, А-, В- формах.

2. Для кимберлитовых месторождений алмаза России выделены морфогенетические группы кристаллов алмаза, отличающиеся физико-химическими, термобарическими условиями и длительностью формирования. Для умеренно-титанистого типа кимберлитов (1,02<2,5 мас.%) типичны безазотные, среднеазотные высокоагрегированные группы; для низкотитанистого (TiO2<1,0 мас.%) - умеренноазотные, высокоазотные низкоагрегированные и высокоазотные умеренноагрегированные; для обоих типов кимберлитов характерны низкоазотные, среднеазотные низкоагрегированные. Выявленные закономерности определяют алмазоносность и качество алмазного сырья.

3. Умеренное содержание титана в алмазообразующей среде оказывает положительное влияние на качество алмаза, снижая его способность обогащаться азотом и уменьшая пересыщение среды углеродом. Алмазы из кимберлитов умеренно-титанистого типа (диапазон алмазоносности от высокой до убогой) преимущественно бесцветны, характеризуются октаэдрическим габитусом, почти полным отсутствием водорода и низким содержанием азота (Ntot<500 at.ppm) с высокой долей в В-форме (25-80%), что соответствует условиям длительного высокотемпературного отжига. Алмазы из кимберлитов низкотитанистого типа, (диапазон алмазоносности от ураганновысокой до убогой), наоборот, имеют относительно пониженное качество, что обусловлено более низкотемпературными условиями образования и краткостью отжига.

Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Включает 192 страницы текста, 61 рисунок и 31 таблицу, а также список литературы из 165 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов.

Во введении сформулирована актуальность исследований, определены цели и задачи диссертационной работы, отмечена ее научная новизна и практическая значимость.

В главе 1 приведена краткая характеристика геологического строения Золотицкого и Черноозерского полей ААП и Мирнинского, Накынского, Алакит-Мархинского и Далдынского полей ЯАП, с учетом новых данных по геологическим, структурным и тектоническим условиям локализации кимберлитовых тел на этих территориях.

В главе 2 собраны, проанализированы и дополнены сведения о петрохимических особенностях кимберлитов из рассматриваемых тел ААП и ЯАП. Проведен анализ по распределению алмазоносных объектов в различных классификационных схемах. Изучаемые объекты разделены по типу кимберлитов на низкотитанистые и умеренно-титанистые (Богатиков и др., 2010).

В главе 3 описаны фактический материал, методы и методика исследования, использованные в работе.

В главе 4 изложены результаты собственных исследований минералогии, внешней и внутренней морфологии и дефектно-примесного состава кристаллов алмаза из трубок кимберлитов НТТ и УТТ.

В главе 5 обобщены полученные автором результаты и литературные данные по физическим свойствам алмаза. Выделены группы алмаза, обладающие наиболее высокими прочностными, технологическими и геммологическими характеристиками.

В главе 6. Проанализирована связь между морфогенетическими группами кристаллов алмаза и петрохимическими типами кимберлитовых трубок месторождений ААП и ЯАП.

В заключении сформулированы основные выводы по типоморфизму алмаза ААП и ЯАП и намечены направления дальнейших исследований.

Апробация работы

Материалы по теме диссертации опубликованы в 7 научных статьях, в т.ч. 3 в реферируемых журналах списка ВАК РФ и 12 тезисах.

Результаты работы доложены на Международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (2005, 2011), Международной конференции "Молодым в Науках о Земле" (2006, 2008), Годичном собрании РМО (2010), Всероссийской конференции "Новые горизонты в изучении процессов магмо- и рудообразования" (2010), Международной научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых памяти А.П. Карпинского (2011), 10-th International Kimberlite Conference, Bangalore (2012).

Благодарности

С благодарностью вспоминаю доктора геолого-минералогических наук Галину Петровну Кудрявцеву, которая открыла для меня мир алмазов.

Диссертант выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю и наставнику профессору, доктору геолого-минералогических наук В.К. Гаранину за его руководство, помощь в осмыслении результатов, доверие и взаимопонимание. Искреннюю благодарность выражаю своему первому учителю и наставнику в области минералогии алмаза к.г.-м.н. профессору РГГРУ Ю.П. Солодовой.

За поддержку данной работы благодарю заведующего кафедрой минералогии, профессора, д.г.-м.н. Д.Г. Кощуга и главного научного сотрудника, профессора, д.г.-м.н. А.С. Марфунина. Благодарность выражается ведущему научному сотруднику лаборатории петрографии ИГЕМ РАН д.г.-м.н. А.Б. Макееву за сотрудничество. Отдельная благодарность доценту кафедры минералогия к.г.-м.н. О.В. Кононову за информативные консультации и беседы в области алмазной геологии. За ценные советы и замечания автор благодарен сотрудникам НИГП АК "АЛРОСА". Автор глубоко признателен к.г.-м.н. А.В. Бовкун., к.г.-м.н. К.В. Гаранину, к.ф.-м.н. П.В. Иванникову, к.ф.-м.н. Ю.А. Клюеву, к.ф.-м.н. А.М. Налетову, к.г.-м.н. Т.В. Посуховой, к.х.н. В.Л. Скворцовой, Е.А. Седовой, д.г.-м.н. А.А. Ульянову за полезные консультации, замечания и всестороннюю поддержку в процессе проведения научно-исследовательских работ и систематизации полученных результатов.