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

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, КХА. 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, ПСХачатрян, 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; Капшку, С11азсЬа1гуап, 2003; Ви1апоуа е^ а1., 2003, Васильев, 2007, Гаранин и др&bdquo- 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; Вине 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 (КХМ.Биленко, Г. КБлинова, И. Н. Богуш, ГЛ. Буланова, Ф. В. Каминский, Ю. А. Клюев, Е. В. Соболев, Г. К. Хачатрян, .Шашв, З. ВоусЗ, G. Devies, Т. Еуапэ, 1. Клйау1, А. Мат\чэос1, М. МепсЫззоЪп,.

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-спекгроскопических 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 ЛЯП (Мир, Удачная, Юбилейная, Комсомольская):

I. 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-спекгров;

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-спекгроскопических 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 «Thermo Nicolet» 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. ДГ. 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. Защищаемые положения.

1. Предложена новая систематика морфологии кристаллов алмаза октаэдрического облика I разновидности (по Ю. ЛОрлову) с подразделением на группу плоскогранных октаэдров и две группы кристаллов, образующих морфологическую О-Т серию кристаллов с тригональными и морфологическую СМУТ серию кристаллов с дитригональными ступенчато-слоистыми формами окгаэдрических граней. В каждой серии выделены морфологические ряды кристаллов промежуточных форм переходных к округлым додекаэдроидам и окгаэдроидам, соответственно. Ростовая природа окгаэдрических граней кристаллов как О-Т, так и О-ОТ 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-ЭТ серий из трубок Мир, Удачная, Юбилейная и Комсомольская определены градиенты равновесной температуры от 1100 до 1200 °C 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.

Благодарности.

Автор выражает благодарность всем упомянутым лицам за помощь в проведении исследований, сотрудничество и плодотворные дискуссии, д.г.-м.н.

B.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.

C.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.

Выводы.

Впервые проведено комплексное сравнительное морфологическое и спектроскопическое изучение кристаллов алмаза, представленных фракцией -2+1 общей массой 500 карат алмазного сырья из 4-х основных промышленных месторождений ЯАП (трубки Мир, Удачная, Юбилейная и Комсомольская). Полученные новые экспериментальные данные явились основой новых методических разработок и решения актуальных методических, генетических и прикладных проблем типоморфизма алмаза.

1. Разработана морфологическая систематика серий остро реберных рельефных кристаллов алмаза октаэдрического облика с характерными тригональными или дитригональными формами ступенчато-слоистого тангенциального роста.

2. Установлены электронно-микроскопические и люминесцентные критерии ростовой природы ступенчато-слоистого строения октаэдрических граней кристаллов как О-Т, так и О-БТ серии.

3. Впервые для морфогенетических серий рельефных кристаллов октаэдрического облика установлена связь морфологических особенностей с содержанием азотных дефектов.

4. Разработан алгоритм компьютерной обработки ИК спектров с разложением на составляющие полосы поглощения и расчетом концентрации азота во всех основных структурных дефектах кристаллов алмаза октаэдрического облика.

5. Показана возможность сравнительной экспрессной оценки соотношения содержания основных структурных дефектов по коэффициентам нормировки соответствующих полос поглощения в ИК-спектрах.

6. Рассмотрены условия образования тригональных и дитригональных серий рельефных кристаллов октаэдрического габитуса. Установлена генетическая связь морфологии, содержания азота в дефектах кристаллов октаэдрического габитуса и температуры их образования. Определены температурные градиенты образования кристаллов алмаза морфогенетических групп из трубок Мир, Удачная, Юбилейная., Комсомольская.

7. Комплекс разработанных методов морфологических и спектроскопических исследований, опыт и результаты изучения октаэдрических кристаллов алмаза 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 в банк данных и для экспозиции «Люминесценция минералов» в Музее землеведения МГУ имени М. В Ломоносова.