Конституционные характеристики алмаза из месторождений Архангельской и Якутской алмазоносных провинций

Второе защищаемое положение.

Для кимберлитовых месторождений алмаза России выделены морфогенетические группы кристаллов алмаза, отличающиеся физико-химическими, термобарическими условиями и длительностью формирования. Для умеренно-титанистого типа кимберлитов (1,0 < TiO₂ < 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.

Минералогические характеристики и структурные дефекты в алмазах являются объектом изучения многих исследователей (Аргунов, 2005; Бескрованов, 2000; Бокий и др, 1986; Соболев, 1978; Хачатрян, 2003, 2008, 2010; Клюев, Налетов, 2008; Evans, 1992; Taylor, Milledge, 1995 и др.) уже более полувека. Установлено более 50 видов. В данной работе внимание уделено азотным дефектам в виде А, В- центров, плейтелетс и водороду, как наиболее изученным и являющимися показателями температурных и химических условий образования и эволюции алмаза.

На основе огромного фактического материала (Бескрованов, Специус, 1991, Бескрованов, 2000, Палажченко, 2008; Хачатрян, 2008, 2010) по изучению распределений примеси азота в алмазах с включениями различного парагенезиса, в том числе из мантийных ксенолитов, появилась возможность идентифицировать кристаллы, сформировавшиеся в мантийном субстрате определенного состава. Концентрация примеси азота в алмазах ультраосновного типа обычно не превышает 500 at. ppm с модой 100-200 at. ppm (Хачатрян и др., 2008). Алмазы эклогитового парагенезиса характеризуются "более размытым" бимодальным распределением азота (от 0 до 1500 at. ppm), с максимумами 0-100 at. ppm и 300-600 at. рpm. В настоящей работе проведен анализ содержания дефектно-примесных центров в алмазах из кимберлитов НТТ и УТТ (Богатиков и др., 2010).

Разработанная автором настоящей работы классификация, представлена для алмазов IаАВ типа по физической классификации (Бокий и др, 1986) из месторождений ААП и ЯАП, она не противоречит ранее предложенным схемам типизации алмазов по содержанию азотных дефектов, но отличается от предыдущих (Хачатрян, 2008, 2010; Копчиков, 2009) более дробным распределением групп, в которых определены интервалы не только для средних модальных значений, но и для всего ореола распределения. Выделение групп установлено эмпирически и подтверждено кластерным анализом с учетом минералогических особенностей алмаза в соответствии с петрохимическими типами кимберлитов.

Алмазы из изученных нами месторождений разделяются на 7 морфогенетических групп, это проиллюстрировано на диаграмме соотношения концентрации суммарного азота и доли азота агрегированного в В-форму (рис. 3, табл. 2.). В кимберлитах НТТ безазотные алмазы типа II по физической классификации (Бокий и др., 1986) редки, их количество не превышает 3% как в трубках ААП, так и в Якутии. В кимберлитах УТТ количество безазотных кристаллов немного выше (до 8%).

I группа алмаза условно определена нами как "безазотная", в нее выделены кристаллы с суммарным содержанием азота не более 100 at.ppm (20 ≤ %NВ ≤ 55, Р ≤ 4 см^-1 и Н ≤ 1см^-1). Такие алмазы наиболее характерны для плоскогранных алмазов ультраосновного парагенезиса трубок Удачная, Юбилейная, распространены в трубке Мир и им. Гриба. Посткристаллизационный отжиг данной группы кристаллов происходил в диапазоне 1150 - 1200^oС (Taylor et al, 1995). Преимущественно это бесцветные или со слабым оттенком октаэдрические кристаллы. Алмаз этой группы не характерен для месторождения им. М.В. Ломоносова и других трубок НТТ.

Кристаллы алмаза II группы (низкоазотные), представляющей ультраосновной парагенезис, типичные для всех кимберлитов мира (Хачатрян, 2010), объединяют кристаллы с высокими геммологическими показателями, октаэдрического, додекаэдрического и комбинационного габитуса. Для них типичны низкие содержания азота (Ntot<500 at. рpm) широкий диапазон степени агрегации в В-форму (%NВ~13-58), средние значения для водорода и плейтелетс Н<3 см^-1, P<5 см^-1. Такие алмазы распространены в кимберлитах НТТ и УТТ. Значительно их содержание в трубке Архангельская; встречаются в трубках Снегурочка (где они содержат чуть больше водорода Н=2,5, по сравнению 0,4-0,7 см^-1 для других изученных трубок) и Ботуобинская (для которой, как и для всех трубок Якутии, характерно отсутствие или минимальное содержание водорода). Группа является главной в кимберлитовых трубках УТТ (им. Гриба, Комсомольская, Юбилейная, Удачная). По литературным данным (Зинчук, Коптиль, 2003; Палажченко, 2006, 2008; Хачатрян, 2010) в перечисленных трубках преобладают кристаллы алмаза с включениями минералов ультраосновного парагенезиса, но имеются и кристаллы с эклогитовым парагенезисом включений. Отметим оптимальное соотношение дефектов, благодаря которому кристаллы из трубок Удачная, Юбилейная, Комсомольская отличаются повышенными прочностными свойствами.

III группа (умеренноазотные алмазы) не многочисленна и установлена только среди бесцветных и с серым оттенком кристаллов комбинационного и додекаэдрического габитуса из трубок Архангельская и Снегурочка. По данным (Копчиков, 2009) аналогичные индивиды отмечаются в трубках Кольцовская и Первомайская Золотицкого поля. Среди кристаллов алмаза из месторождений ЯАП данная группа не установлена.

Таблица 2. Концентрации дефектно-примесных центров азота, плейтелетс и водорода в алмазах из кимберлитовых тел НТТ и УТТ

Кристаллы IV группы (среднеазотные низкоагрегированные) характеризуются повышенным содержанием азота (400-1) и плейтелетс (Р~ 3,5 см^-1). Эта группа алмазов доминирует в трубках, сложенных кимберлитами НТТ (Архангельская, Интернациональная, Ботуобинская), и встречается в трубках УТТ (им. Гриба, Мир и частично Комсомольская). Преобладают кристаллы с желтым оттенком различной интенсивности. Внешний облик алмазов характеризуются сохранением октаэдрического габитуса, часто с полицентрическим характером роста и отсутствием следов травления. Исходя из полученных данных (рис. 3), можно предположить, что отжиг алмазов высокоалмазоносных тел был непродолжительным в малом интервале температур от 1050 до 1100^oС. По данным (Гаранин и др., 2009) магматические алмазоносные очаги трубок Ботуобинская, Интернациональная и Мир самые глубинные, и подъем кимберлитовой магмы был наиболее стремительным, эти условия, возможно, способствовали сохранению октаэдрического облика и малой степени агрегации дефектов в В и Р. Тангенциальный механизм роста, послойно-зональное внутреннее строение, и минимум водорода свидетельствуют о росте алмазов в спокойных условиях.

В нижних границах этой группы расположены алмазы со следами пластической деформации. Связующим звеном при переходе от среднеазотных к высокоазотным кристаллам (на диаграмме (рис. 3) верхняя область IV группы) являются алмазы IV разновидности по классификации Ю.Л. Орлова: прозрачные и просвечивающие октаэдры и комбинационные формы кристаллов доминируют в трубке Ботуобинская и кубы и додекаэдроиды непрозрачные в трубке Архангельская.

Рис. 3. Концентрации азота для кристалл-лов алмаза типа IаАВ ЯАП и ААП, с использованием данных W.P. Taylor (1995). Расчетный возраст алмаза - 3 млрд. лет. Нанесены морфогенетические группы алмаза ААП и ЯАП: I - безазотные, II - низкоазотные, III - умеренноазотные, IV - среднеазотные низкоагрегированные, V - среднеазотные высокоагрегированные, VI - высокоазотные низкоагрегированные, VII - высокоазотные умеренноагрегированные. Выделены группы алмаза: 1 - характерные для НТТ и УТТ, 2 - типичные для УТТ, 3 - типичные для НТТ.

V группа кристаллов алмаза (среднеазотная высокоагрегированная) характерна только для многофазных трубок со сложной эволюцией, сложенных УТТ кимберлитом: Удачная, Юбилейная, Комсомольская. В этих трубках присутствуют алмазы с различным содержанием азота в форме А- и В- центров, при высокой доле В-центров (200< Ntot<1500 at.ppm, 60 < %NB < 90 (в среднем 65%), с высокими для ЯАП содержаниями водорода (Н ср.знач.=2,5 см^-1) и плейтелетс (Р~ 18 см^-1).

Преимущественно однородное внутреннее строение алмаза из трубок Удачная и Комсомольская, говорит о его росте в достаточно спокойных (равновесных) условиях, длительном высокотемпературном посткристаллизационном отжиге, определившим трансформацию значительной доли азота в В-форму (Taylor et al, 1995), распространение кривогранных форм и скульптур "локального" растворения.

Во всех трубках Золотицкого поля доминируют алмазы VI группы (высокоазотные низкоагрегированные), предположительно эклогитового парагенезиса (Хачатрян, 2010). Снижение температуры (высокий температурный градиент) и сохранение высоко пересыщенных углеводородами условий при алмазообразовании в трубках месторождения им. М.В. Ломоносова способствовало формированию кубических кристаллов с нормальным и смешанным механизмами роста, реже встречаются додекаэдроиды и тетрагексаэдроиды. Скорость роста таких кристаллов максимальна, при этом высок и захват примесей: высокие концентрации азотных дефектов (Ntot 800-1500 at.ppm) и водорода (Н > 1 см^-1), при отсутствии или низком содержании В (%NВ от 0 до 30%) и плейтелетс (Р < 5 см^-1). Важно подчеркнуть, что кристаллы данной группы весьма высокоазотные и не характерны для других кимберлитовых трубок мира.

Специфические кристаллы из трубок Архангельская и Снегурочка додекаэдрического (реже октаэдрического) габитуса с серой окраской выделены в VII группу (высокоазотные умеренноагрегированные), они не имеют аналогов среди алмазов из других трубок. Большое количество включений, примесей и дефектов обусловлено структурой данных кристаллов: самые высокие содержания азота, водорода и плейтелетс (1000 < Ntot < 3000 at. ppm, %NB - 25-65, Р - 12-32 см^-1, 0,6 < Н < 22 см^-1). Наблюдается закономерность: с увеличением содержания и размера плейтелетс, уменьшается содержание примеси водорода. Визуально эти алмазы можно отнести к V разновидности по классификации Ю.Л. Орлова, но при изучении внутреннего строения среди макроскопически однотипных индивидов выявлены зонально-секториальные и послойно-зональные кристаллы с различным изотопным составом углерода (δ¹³C от -10 до -25 ). Рост индивидов данной группы, возможно, связан не только с максимальными пересыщениями в алмазообразующей среде, но и динамическими процессами, сопровождающимися резким изменением РТ - параметров, способствовавшим с одной стороны частичной графитизации поверхности кристаллов, с другой - возникновению планарных дефектов, микроблочности и сильной трещиноватости.

Эпигенетический процесс эволюции алмаза проявляется в трансформации структурных дефектов, изменении кристалломорфологии и иногда окраски; в данной работе установлено, что эти процессы взаимосвязаны, но могут быть и обособлены.

Установлено, что степень агрегации азота (В, Р) определяется температурным режимом и длительностью отжига кристаллов в процессах роста и постростовой эволюции. Модель образования плейтелетс обсуждалась в работах (Ваганов, 1996; Хачатрян, 2008; Богуш и др., 2008): зарождение макродефектов в начальный период, рост дефектов без увеличения их количества при значительном снижении пересыщения и перераспределение по размерам на заключительном этапе. Эмпирические данные позволили установить, что соотношение показателя концентрации и положения полосы максимума является индивидуальным для кристаллов алмаза из трубок различных месторождений (Васильев, 2007). В данной работе учтены только результаты ИКС по кристаллам I разновидности по классификации Ю.Л. Орлова, т.к. они доминируют во всех трубках, разнообразны по минералогическим, физическим и структурным характеристикам и, следовательно, наиболее полно характеризуют месторождение. Кристаллы алмаза из кимберлитов НТТ и УТТ обособлены в два поля на диаграмме (рис. 4). Результаты исследований, совместно с данными петрологического изучения пород, позволяют косвенно оценить температуру роста кристаллов алмаза (рис. 4) и посткристаллизационного отжига (рис. 3).

Рис. 4. Расположение выборок алмаза I разновидности по классификации Ю.Л. Орлова трубок ААП и ЯАП в координатах коэффициент поглощения (α'Р) - положение максимума полосы поглощения Р (νР). Размер фигуративных точек пропорционален алмазоносности трубок.

В месторождении им. М.В. Ломоносова (НТТ), по-видимому, среда алмазообразования была наиболее насыщена углеродом, азотом и водородом, что провело к формированию алмазов III, VI и VII групп. По термодинамическим параметрам условия алмазообразования кристаллов I разновидности по классификации Ю.Л. Орлова схожи с таковыми для алмазов из кимберлитов НТТ Якутии (рис. 4; на рис. 3 группы II, IV). Установлена корреляция между длительностью нахождения алмаза в высокотемпературных мантийных условиях и степенью трансформации дефектов в В-форму и плейтелетс. Алмаз этих тел претерпел непродолжительный отжиг, и, судя по модельным возрастам, формирование кимберлитовых источников трубок НТТ наиболее раннее 1,0-1,4 млрд. лет (рис.5; Кононова и др., 2011). Стремительный подъем кимберлитовой магмы трубок Интернациональная, Ботуобинская, Нюрбинская способствовал сохранению октаэдрической формы кристаллов.

Длительный подъем кимберлитовой магмы в районе Золотицкого поля, после обогащения алмазсодержащими породами, способствовал преобразованию форм алмаза в додекаэдрические.

При рассмотрении особенностей кристаллизации минералов связующей массы кимберлитов, было выявлено, что наиболее широкий тренд химических составов шпинелидов от хромита до магнетитов имеет отрицательную корреляцию с алмазоносностью пород (рис. 5, 6). Такие тренды характерны для трубок месторождения им. М.В. Ломоносова и трубки Юбилейная, при этом морфология поверхности алмазов из трубок Золотицкого поля свидетельствует о более сильном окислении кристаллов, обусловленном их сложным внутренним строением. Кристаллы II, IV групп распространены в кимберлитах 2-х типов. Для трубок Удачная, Комсомольская, им. Гриба главной является II группа алмаза (IV второстепенная), а для трубок Архангельская, Снегурочка, Ботуобинская, Интернациональная, Мир основной является IV, а второстепенной - II.

Рис. 5. Схематическое изображение временной эволюции кимберлитового расплава под трубками, с использованием данных (Гаранин и др., 2009; Кононова и др., 2011).

Рис. 6. Соотношение содержания алмаза в трубках (в условных единицах, по данным АК "АЛРОСА") и концентрации TiO2 в петрохимическом составе пород (Гаранин и др., 2009).

Характеристики кристаллов из кимберлитов УТТ указывают на существенное отличие. Повышенные концентрации плейтелетс свидетельствуют о том, что алмаз из трубок Юбилейная, Удачная и Комсомольская формировался при большей температуре, чем кристаллы высокоалмазоносных трубок. Такой вывод подтвержден изучением химического состава хромитов (увеличение содержания Cr₂O₃ до 66 мас. %) во включениях в алмазах (Sobolev et al., 2008). Повышенное значение %NB указывает на длительное пребывание в условиях постростового отжига. На диаграмме (рис. 4) алмазы из трубки Юбилейная занимают промежуточную позицию, как отмечалось ранее, ее породы имеют характеристики, смежные с обоими типами кимберлитов.

Изученные кристаллы алмаза I разновидности из трубки Снегурочка, исходя из этой диаграммы, образовались при максимальных температурах, возможно, такое отклонение связано с ограниченностью выборки, тем не менее, эти алмазы уникальны по многим параметрам.

По результатам изучения минералогии и дефектно-примесного состава алмаза можно сделать несколько основных выводов: