Устойчивость и синтез турмалина в гидротермальных растворах

Глава 1. Анализ современного состояния исследований.

1.1. Минералы группы турмалина

Турмалин является сложным боросиликатом с обобщенной кристаллохимической формулой: XY₃Z₆T₆O₁₈(BO₃)₃V₃W, где X = Na+, Ca²⁺, K+,  -вакансия; Y = Mg²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Cr³⁺, Li⁺, V³⁺,(Ti⁴⁺) и др.; Z = Al³⁺, Fe³⁺, Cr³⁺, V³⁺, (Fe²⁺) и др.; T = Si⁴⁺, Al³⁺, (B³⁺); B = B,  -вакансия; V = OH^-, O^2-; W =OH^-, O^2-, F^- (Hawthorne, Henry, 1999), кристаллизуется в дитригонально-пирамидальном виде симметрии тригональной сингонии (R3m).

1.2. Изучение минеральных равновесий и устойчивости турмалина

В настоящее время изучены равновесия турмалина с биотитом и кордиеритом (Wolf et. al. 1997), а также с альбитом (Lynch, 1997). Г.П. Зарайским (Зарайский, 1989) путем прямого моделирования метасоматической зональности были получены диффузионные колонки турмалинизации в температурном интервале 300-600^oС, давлении 150 МПа и различных вариациях состава воздействующего бор-хлоридного раствора. Определены поля устойчивости турмалина (шерла и дравита) как функции концентрации Na₂O и B₂O₃ при его синтезе из составляющих оксидов в воде при температуре 400-450^oС и давлении 100 MПa (Smith, 1950). Исследовано влияние щелочных и кислых борсодержащих растворов на амфиболит при давлении 200 МПа и температурах 475-600^oС. Турмалин в ассоциации с данбуритом удалось получить при концентрациях 17-60 мас.% борной кислоты. В щелочных растворах турмалин неустойчив при концентрациях В₂O₃ от 8 до 37 мас.% (Morgan, London, 1989). Рядом исследователей теоретически оценены соотношения полей устойчивости турмалина и ассоциирующих с ним минералами в условиях природных систем (Говоров, 1977; Пономарева и др., 2004) на физико-химических диаграммах в координатах активностей Na⁺, K⁺ и pH. Однако эти диаграммы не отражают влияние бора на соотношение полей устойчивости турмалина и ассоциирующих с ним минералов.

1.3. Синтез и выращивание турмалина на затравку

Предшествующие работы показали, что турмалин кристаллизуется в широком интервале температур (400-800^oС) и давлений (70-800 MПa), с использованием стекол турмалинового состава (Frondel, 1947; Smith, 1949; Роббинс, 1963; Wodara, Schreyer, 2001), смеси оксидов входящих в состав турмалина (Michel-Levy, 1953; Taylor, Terrel, 1967; Tomisaka, 1968; Воскресенская. 1973, 1975; Ekambaram, 1985; Rosenberg et al, 1986; Лебедев, Каргальцев, 1988; Vorbach, 1989; Taran et al, 1993; Goerne, Franz, 2000; Goerne et al, 2001; Marler et al, 2002; London, Ertl, 2006), а также за счет минералов и пород, содержащих оксиды кремния и алюминия (Frondel, 1957; Воскресенская, Барсукова, 1968; Зарайский, 1989; Morgan, London, 1989; Fuchs et al, 1998; Goerne, Franz, 1999; Kahlenberg, Velickov, 2000). Размеры кристаллов турмалина, полученных в перечисленных выше работах, не превышают 1 мм.

В 60-90 годах прошлого столетия была показана возможность монокристаллического роста турмалина на затравку (Емельянова, 1960; Воскресенская и др., 1965, 1968, 1973; Каргальцев, 1984; Лебедев и др., 1988; Goerne et al., 1999). И.Е. Воскресенской был разработан метод выращивания цветных (Fe, Mg, Co, Ni, Mn, Cr и др.) разновидностей турмалина при температурах 700-750^oC и давлении 200-800 МПа. Наибольший нарост (до 3 мм) на затравку наблюдался у Со-турмалина. Особенностями этого метода являются очень высокие Р-Т параметры и высококонцентрированные растворы, требующие использования дорогостоящего оборудования и материалов.

Из обзора следует, что, несмотря на многочисленные ранее проведенные исследования, до сих пор не установлены такие важные характеристики турмалина как его устойчивость и растворимость в гидротермальных растворах различного состава в широком интервале температур и давлений и не разработаны надежные и воспроизводимые методы выращивания его монокристаллов на затравку. Это во многом связано с кристаллохимическими особенностями турмалина и широким проявлением в нем изо- и гетеровалентного изоморфизма.