Конституционные характеристики алмаза из месторождений Архангельской и Якутской алмазоносных провинций

Третье защищаемое положение.

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 умереннотитанистого 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.

Использование при оценке алмазоносности кимберлитовых пород типоморфизма алмаза дополняет оценку по другим критериям: особенностям химического состава минералов-индикаторов и составу оксидов микрокристаллической массы. В ходе настоящего исследования были выявлены признаки, позволяющие оценить продуктивность пород по свойствам алмаза.

В работе определены косвенные минералогические показатели, характеризующие алмазоносность трубок. В качестве положительных параметров рассмотрены особенности, отвечающие за потенциальную алмазоносность мантийных пород, тогда как в качестве отрицательных, приведены факторы, проявляющиеся в процессе продвижения кимберлитовой магмы к поверхности земли и негативно влияющие на изначально высокую алмазоносность.

В месторождениях Мир, Интернациональная алмазоносность связана с перидотитовым субстратом, в трубках Ботуобинская и Нюрбинская - с наличием продуктивного перидотитового и эклогитового субстрата, судя по значительной доле (20-30%) алмазов с включениями эклогитового парагенезиса (Специус, 2002; Зинчук, Коптиль, 2003). Фактическая алмазоносность трубок Удачная и Юбилейная понижена из-за вторичных эндогенных процессов (длительной эволюции магматического расплава), несмотря на высокую продуктивность исходного перидотитового и эклогитового мантийных источников (Зинчук, Коптиль, 2003; Гаранин и др., 2009). Схожие параметры (минералого-петрохимический состав и эволюционный тренд кристаллизации минералов в связующей массе кимберлитов) имеет трубка им. Гриба, в которой алмазоносные эклогиты не выявлены, возможно, по этой причине ее продуктивность значительно ниже. Трубка Комсомольская, характеризующаяся наименьшей глубиной формирования кимберлитовой магмы, длительным этапом становления трубки, судя по оксидной минерализации кимберлитовых пород, имеет низкую фактическую алмазоносность (Ваганов, 2005). Установлено сходство между трубками месторождения им. М.В. Ломоносова и телами Накынского поля по петро-геохимическому составу кимберлитов, содержанию и химическому составу минералов-индикаторов алмаза, которые связаны с температурными параметрами. Установлено существенное различие этих трубок по алмазоносности, содержанию и химическому составу оксидных минералов микрокристаллической массы и процессам, связанным с окислительным потенциалом и влиянием флюидов.

Экспериментальные данные (Синтез минералов, 2000) свидетельствуют о зависимости свойств синтетических алмазов от присутствия в системе титана, поэтому в работе были изучены типоморфные особенности алмаза из кимберлитов с различным содержанием TiO_2.

Минералогические особенности алмаза из кимберлитовых тел с низким и умеренным содержанием оксида титана:

- Минералогические разновидности по классификации Ю.Л. Орлова. В трубках кимберлитов НТТ доминируют алмазы I разновидности (77-88%, исключение трубка Интернациональная 98%). Типоморфной особенностью кристаллов алмаза Золотицкого поля является значительное распространение алмазов кубического габитуса II, III, присутствие IV, "кимберлитовой" V+VII разновидностей (рис. 7а). Типоморфным для трубок Накынского поля является наличие до 10% алмазов IV разновидности. Среди алмазов месторождения им. М.В. Ломоносова крупных размерно-весовых групп увеличивается содержание алмазов III, IV, V разновидностей, доля кристаллов II разновидности остается примерно постоянной. Среди алмазов Накынского поля с увеличением размерности также наблюдается увеличение частоты встречаемости алмазов IV разновидности и поликристаллических агрегатов VIII, при незначительно снижении роли алмазов I разновидности. В трубке Интернациональная наблюдается практически постоянное содержание во всех изученных размерно-весовых группах алмазов I (97-98%), VIII (1,3-2,2%) разновидности и единичных кристаллов III.

Во всех рассмотренных кимберлитовых трубках УТТ резко преобладают алмазы I разновидности по классификации Ю.Л. Орлова (до 95%), исключение - трубка Юбилейная, ее типоморфной особенностью является значительная доля алмазов IV разновидности (до 15% в крупных классах). В этой трубке отмечено наличие многозональных кристаллов с поликристаллическими и кубическими сегментами сходными по своим внешним и внутренним особенностям с подобными алмазами из трубки Архангельская. Для кимберлитов УТТ наличие алмазов II разновидности не характерно.

- В изученных кимберлитовых телах УТТ и НТТ при снижении продуктивности наблюдается увеличение разнообразия минералогических типов алмаза (рис. 7а).

- Наибольшим спектром окрасок и частотой встречаемости окрашенных камней среди алмазов ряда октаэдр-додекаэдроид характеризуются алмазы из кимберлитов НТТ. Преобладают кристаллы с желтой, серой, дымчато-коричневой окраской (рис. 7б), важно подчеркнуть, что встречаются индивиды интенсивных фантазийных окрасок: розово-фиолетовой, голубой, оранжевой (красно-коричневой), желтой. Доля бесцветных камней минимальна (менее 10%), суммарно с алмазами с незначительным оттенком составляет 20-25%, доминируют кристаллы с желтым (30-54%) оттенком различной интенсивности. В кимберлитах УТТ среди алмазов октаэдрического и додекаэдрического габитуса доминируют бесцветные и с незначительным оттенком (33-60%). Доля желто-окрашенных индивидов с видимым оттенком незначительна (9-19%). Отмечается значительное распространение окрашенных дымчато-коричневых камней (от 14% в трубке им. Гриба до 45% в трубке Удачная) с пластической деформацией по механизму скольжения дислокаций (Титков, 2010). В то время как для кимберлитов НТТ отмечается наличие редких розово-фиолетовых кристаллов, деформированных по механизму механического микродвойникования, связанного с высоким давлением при формировании кимберлитов (Минеева и др., 2009; Кононова и др., 2011).

- Соотношение плоскогранных, плоскогранно-кривогранных и кривогранных алмазов индивидуально для каждого месторождения. Кимберлиты НТТ ААП характеризуются преобладанием комбинационных и кривогранных форм, тогда как в ЯАП доминируют плоскогранные (трубка Интернациональная) формы алмаза и плоскогранные совместно с комбинационными (трубки Ботуобинская, Нюрбинская) (рис. 7в). Подчеркнем, что при увеличении размера алмазов в месторождении им. М.В. Ломоносова увеличивается доля кривогранных и комбинационных кристаллов, а среди изученных месторождений Якутии НТТ и УТТ наблюдается обратная тенденция - увеличение содержания октаэдрических кристаллов в крупных размерно-весовых группах.

Рис. 7. Частота встречаемости алмазов в трубках ААП и ЯАП: а) различных разновидностей по минералогической классификации Ю.Л. Орлова; б) с различной окраской; в) с различной кристалломорфологией. На диаграммы схематически нанесены данные по содержанию TiO2 в петрохимическом составе пород (Гаранин и др., 2009).

Алмазы из кимберлитов НТТ характеризуются полицентрическим характером развития граней и (редко) образованием скелетных октаэдров, рост таких кристаллов происходит при пересыщении среды кристаллизации углеводородами (Краснова, Петров, 1997, Зинчук, Коптиль, 2003), отмечается влияние эклогитовой составляющей. Постепенное увеличение пересыщения углеродом алмазообразующей среды определяет развитие гранной морфологии: от плоскогранных октаэдров с тангенциальным механизмом роста граней к октаэдрам со ступенчатостью и полицентрическим характером роста, при максимальных - формируются кубы с нормальным механизмом роста граней и "расщепленные" кристаллы. В ААП среди алмазов октаэдрического и додекаэдрического габитусов распространены кристаллы с послойным и смешанным характером роста, с частой зональностью и перемежением механизмов роста, что обусловлено ростом в нестабильных, пульсационно изменяющихся условиях, при большом термическом градиенте, способствующем формированию дефектной структуры, захвату большого количества примесей секторами роста куба, а в условиях постростового окислительного растворения алмазов быстрому преобразованию форм в додекаэдрические (VI, VII группы). Заметное увеличение твердости обнаружено в алмазах при переходе из зоны, не содержащей примесей, в зону с их высокой концентрацией (Бокий и др., 1986). Это кристаллы с наибольшей твердостью, но возможны технологические трудности при их обработке, связанные с переходами между разными секторами роста. В геммологической практике это некачественное сырье.

В кимберлитах УТТ алмазы характеризуются преобладанием плоскогранных и плоскогранно-кривогранных форм кристаллов (рис.7в). Рост их проходил в спокойных высокотемпературных условиях, что способствовало формированию кристаллов с однородным внутренним строением и послойным механизмом роста (послойное окислительное растворение происходит медленнее, чем у волокнистых структур). Присутствие умеренных концентраций титана в среде кристаллизации очень важно, т.к. титан способствует торможению процессов окисления алмаза (Синтез минералов, 2000). Все это способствует сохранности кристаллов, несмотря на более длительный посткристаллизационный отжиг в условиях повышенных температур, благодаря которому кристаллы из трубок Удачная, Юбилейная, Комсомольская отличаются повышенными прочностными свойствами

- Алмазы из трубок ААП и ЯАП различаются по содержанию микропримесей.

Для кимберлитов НТТ установлено повышенное количество кристаллов алмаза с расплав/флюидными включениями. В спектрах ИКС зафиксированы полосы, показывающие наличие примесей водорода и карбонатов, соответственно со средним и повышенным коэффициентами поглощения на 3107 и низкими на 1340 см^-1. Содержание примеси водорода в кристаллах связано с механизмом их роста (Блинова, 1987, Бескрованов, 2000). В кристаллах, сформировавшихся по тангенциальному механизму роста, водородные центры присутствуют в незначительных количествах, что типично для алмазов месторождений Якутии. Алмазы с волокнистым и секториальным внутренним строением распространены в месторождении им. М.В. Ломоносова и отличаются максимально высокими концентрациями водорода. Алмазы из кимберлитов УТТ характеризуются низкой концентрацией (или отсутствием) примеси водорода и наличием в ИК-спектре широкого пика с максимумом в районе 3440 см^-1, отвечающего примеси воды. По данным экспериментальных работ (Чепуров и др., 1983) в среде насыщенной парами воды формируются кристаллы с антискелетным характером роста граней. Среди изученных алмазов из трубок Мир, Удачная и Комсомольская кристаллы с комбинационными поверхностями псевдоромбододекаэдра встречаются гораздо чаще, чем в трубках Ботуобинская и Архангельская.

- Дефектно-примесный состав алмаза также различен. Для кимберлитов НТТ типично наличие высокоазотных кристаллов (50 < Ntot < 3000 at.ppm). Высокие концентрации азота в структуре алмаза предполагают значительные его содержания в алмазообразующей среде. Среди всех изученных коллекций преобладают алмазы с дефектно-примесными центрами в А-форме, для всех трубок, кроме Интернациональная, характерно их бимодальное распределение. Повышенные концентрации дефектно-примесных центров азота и водорода сказываются на качестве кристаллов: алмаз с высоким содержанием азота в структуре обладает повышенной твердостью; его прочность возрастает до 100 ГПа при концентрации 80 < Ntot < 260 at.ppm и далее резко снижается до средних значений 70 ГПа. Доля азота в В-форме понижена (в среднем NB ≤ 30%), отмечены низкие коэффициенты поглощения плейтелетс (2 < Р_средн. < 5 см^-1, исключение составляют алмазы из трубки Снегурочка Рсредн = 8,5 см^-1) при сдвиге положения максимума полосы поглощения ИК-спектра в коротковолновую область, что по данным И.Н. Богуш (2009), свидетельствует о непродолжительности посткристализационного отжига в магматическом субстрате, при температурах (Тейлор, 1995) необходимых для трансформации дефектов азота (более 900 ^o С). В то же время невысокие коэффициенты поглощения полосы 1364-1370 см^-1 говорят об относительно пониженных температурах формирования кристаллов алмаза. Так как типоморфной особенностью алмазов этих тел в ЯАП является резкое преобладание октаэдрических кристаллов, тогда как в трубках ААП доминируют кривогранные алмазы, следовательно можно сделать вывод, что окисление алмаза происходило при относительно невысоких температурах (когда агрегация азота из А- в В-форму была невозможна). Видимо, высокая скорость окисления алмаза обусловлена его дефектной структурой (волокнистое, секториальное строение) и обогащением продвигающейся колонны кимберлитовой магмы водными флюидами при метасоматозе (Кононова и др., 2011) и постепенным увеличением фугитивности кислорода при длительной эволюции алмазсодержащего субстрата, о чем свидетельствует протяженный тренд кристаллизации шпинелидов в связующей массе кимберлитов (Гаранин и др., 2009), а также недостатком в среде титана (Бокий и др., 1986), препятствующего взаимодействию углерода с кимберлитовой магмой.

Месторождения, сложенные кимберлитами УТТ, характеризуются преобладанием низкоазотных кристаллов алмаза (Ntot < 500 at.ppm.). Алмазы претерпели более длительный посткристаллизационный отжиг, и вследствие этого большинство индивидов имеют большую долю азота в В-форме (50 < NB < 95%). Более высокое содержание плейтелетс (Рсредн. 5-10 см^-1) и расположение его максимума в ИК-спектре ~1364 см^-1 свидетельствует о формировании алмазов в условиях повышенной температуры и более длительном высокотемпературном отжиге, по сравнению с кристаллами из кимберлитов НТТ. Установлено, что сохранность габитуса алмаза в трубках УТТ выше, чем у кристаллов из тел НТТ кимберлитов (рис.7в), несмотря на длительное нахождение в условиях высокотемпературного мантийного метасоматоза (рис. 5), отразившегося на кристаллах алмаза в трансформации азотных дефектов (А→В) и частичном округлении форм.

Анализ литературных данных по синтезу алмаза с заданными характеристиками в металл-углеродной системе (Синтез минералов, 2000) и установленные в данной работе закономерности позволяют сделать вывод о важной роли титана в природном алмазообразовании. Автором данной работы рассмотрен ряд вопросов, связанных с ростом алмаза при участии металлов (Макеев, Криулина, 2011). Экспериментально установлено, что титан обладает высокой адгезией к углероду и образует с ним прочные химические соединения. Азот способен легко входить в структуру алмаза, его примесь способствует увеличению абсолютного пересыщения углеродом, что приводит к возрастанию скорости роста алмаза и нарушению совершенства его структуры (Синтез минералов, 2000). Введение в систему металлического титана способствует резкому падению растворимости азота, что приводит к существенному уменьшению абсолютного пересыщения системы углеродом, и, следовательно, снижению скорости роста кристаллов алмаза и резкому падению концентрации примеси азота в структуре кристаллов.

Результат выявления типоморфных характеристик алмаза из месторождений ААП и ЯАП, их сопоставление с петрохимическими особенностями кимберлитов, и данными по синтезу позволил предложить следующие корреляции: