CC BY
25
© Лин Фанг, О.В. Кононов, 2012
УДК 549.211:548.4
Пин Фанг, О.В. Кононов
МОРФОЛОГИЯ И СПЕКТРОСКОПИЯ ОКТАЭДРИЧЕСКИХ КРИСТАППОВ АЛМАЗА ИЗ ТРУБКИ ЮБИЛЕЙНАЯ (ЯКУТИЯ)*
Проведено комплексное морфологическое и ИК-спекгроскопическое изучение специально огобранных плоскогранных и рельефных крисгаллов алмаза предсгав-ленных морфологическими разновидносгями голько окгаэдрического габитуса одного размерно-весового класса из кимберлиговых грубок Юбилейная, Удачная, Комсомольская и Мир (Якугия).
Ключевые слова: алмаз, гипоморфные признаки, зонально-секгориальные кри-сгаллы, окгаэдрический габигус.
Перспективы эффективного использования морфологии и спектроскопических свойств алмаза как важных типоморфных признаков в практике прогнозирования и поисков коренных источников, а также при оценке алмазного сырья, существенно расширились благодаря возросшим возможностям современной аналитической и спектроскопической аппаратуры нового поколения с использованием современных методов исследовании и компьютерных программ обработки и представления экспериментальных данных. Однако, несмотря на уже достигнутые достижения в этой области [1—6 и др.], остаются нерешенными некоторые проблемы генетической интерпретации морфологических и ИК-спектроско-пических данных. Нет полной ясности в вопросах происхождении округлых алмазов и наиболее распространенных плоскогранных с рельефными гранями кристаллов алмаза октаэдри-ческого облика, для которых не вполне исследованной оказалась связь с
содержанием азотных и других дефектов и не определены критерии формационной принадлежности [7, 8 и др.]. При оценке равновесной температуры по степени агрегации азота [3, 4, 8, 9, 11-14 и др.] не учитываются вариации содержания азота в разных типах дефектов в микро- и макрокристаллах, в пределах отдельных зонально-секториальных кристаллов и в зависимости от размера. Остается проблема повышения чувствительности, точности и локальности ИК спектроскопических исследовании, совершенствования методов обработки ИК спектров и расчета примеси азота и степени его агрегации в основных дефектах, способов представления экспериментальных и расчетных данных [13].
Нами предпринята попытка решения некоторых из этих проблем на основе комплексного морфологического и ИК-спектроскопического изучения специально отобранных плоскогранных и рельефных кристаллов алмаза представленных морфологи-
* Работа выполнена при финансовой поддержке государственного фонда постдокторантуры и специального фонда основных научно-исследовательских работ Китайского геологического университета (Пекин). 158
ческими разновидностями только ок-таэдрического габитуса одного размерно-весового класса -2 +1 из ким-берлитовых трубок Юбилейная, Удачная, Комсомольская и Мир (Якутия). В настоящей работе в качестве примера приведены результаты исследований 50 кристаллов из одной трубки Юбилейная с достаточно полной минералогической изученностью [10].
Методы исследований
В работе использованы методы морфологического визуально-микроскопического изучения, анализ объемных изображений кристаллов алмаза, полученных на сканирующем электронном микроскопе в совмещенном режиме вторичных электронов (ВЭ) и цветной катодной люминесценции (ЦКЛ). Данные о содержании азота в структурных дефектах алмаза получены на инфракрасном Фурье-спектрометре «ТермоМскоЫ IR200». Традиционные методики обработки ИК-спектров [3, 9, 11-14] ограничиваются в большинстве случаев расчетом содержания азота только в форме А-и В(В1)-дефектов, поскольку они обычно перекрывают полосы С-дефектов, а для полосы планарного В2(Р)-дефекта не найдено связи содержания азота с пиковой интенсивностью и коэффициентом поглощения.
В нашей работе были использованы новые, разработанные нами приемы обработки ИК-спектров расчета содержания азотных дефектов с разложением по компьютерным программам OMNIC и 0riginal7.0 на составляющие компоненты с выделением и расчетом площади полос А-, В1-, С- и В2-дефектов и их последующей нормировкой относительно интегральной площади полос собственного поглощения [3].
Установленная нами функциональная связь между общим содержа-
нием азота в алмазе N3 а ррт), рассчитанным по традиционной методике [8] и коэффициентом нормировки КБ суммарной площади полос, связанных с А-, В1-, С- и В2-дефектами, N3=911.11*Кз а ррт) с высоким коэффициентом корреляции (Я2 = 0.9925), явилась основой дальнейших расчетов содержания азота в каждом дефекте. в следующей последовательности:
1) определение по второй производной позиции максимумов полос поглощения в ИК-спектрах и их разложение на составляющие полосы;
2) расчет индивидуальной площади для каждой полосы Бв1, Бс и БВ2 и интегральной площади всех этих полос Б^/ и их нормировка относительно интегральной площади полос собственного {решеточного) поглощения Б0 с расчетом коэффициентов нормировки интегральной площади КБ =Б^?/Б0, а также индивидуальных полос КВА = Ба / Бо, К5В1 = Бв1/ Бо и КвС = Бс / Бо;
3) расчет с использованием упомянутой выше функции NБ =1818.3*КБ сначала суммарного содержания азота NБ а ррт) по коэффициентам нормировки КБ , а затем по аналогии индивидуальных полос Ка = Ба/Б0, Кв1 = Бв1/Б0 и КС = Бс/Б0; за счет сокращения статистической погрешности и ошибок, связанных с измерением пиковой интенсивности перекрывающихся полос поглощения, точность расчетов увеличивается;
4) расчет содержания азота в А-, В1-,и С- дефектах в последовательности: а) нормировка коэффициентов поглощения ц1282, ц1175 и ц1135 головных полос каждого дефекта от соответствующих коэффициентов нормировки КА, Кв1 и Кс с расчетом нормированных коэффициентов поглощения Ц'1282 =ЩКва), ц'1175 ={3(К5в1) и ц'1135 =^6(К5С); Ь) сотавить фукцианные
2.9 млрд. лет, определенному по Не-Оэ датированию сульфидных включений в кристаллах алмаза из трубки Удачная [11]. Процедура упрощается, если использовать диаграмму Тейлора [12] с координатами «суммарное содержа-
Рис. 1. Типичные плоскогранные октаэдры (а) и р< ние азота ^ ~ степень аг-сталлы с тригональными (б) и дитригональными (в) регации £%» и изотермами формами граней. ЦКП в СЭМ, х 80 через 50 С в интервале
1100 — 1300°С.
3. Результаты исследований
3.1. Морфологические разновидности, серии и ряды кристаллов алмаза. Отобранные для исследований кристаллы алмаза представлены почти идеальными плоскогранными октаэдрическими кристаллами с острыми иногда слегка закругленными ребрами и вершинами и рельефными кристаллами с тригональными и дитригональными слоисто-ступенчатыми формами граней (рис. 1).
Большинство плоскогранных окта-эдрических кристаллов обнаруживает голубую ЦКЛ с равномерным, пятнистым или закономерным распределением по оттенкам и интенсивности на гранях, ребрах и вершинах. Более разнообразная по цвету и интенсивности люминесценция (ЦКЛ) приурочено к граням, ребрам и вершинам рельефных кристаллов, зонам роста в ступенчатых слоях. На срезах кристаллов параллельно (001) по цвету и интенсивности КЛ в центральной части иногда обнаруживаются небольшие зародыши с кубическими пирамидами роста, а в остальной части и на периферии как ламинарная, так и ступенчато-слоистая зональность роста граней октаэдра.
Рельефные кристаллы выстраиваются в О-Т и О-ЭТ морфологические
связи между коэффициентов нормировки интегральной площади КБ =БМ/Б0, и индивидуальных полос КзА = Бд / Бо, К5в1 = Бвг/ Бо и К$с = Бе / Б0 , т.е. Кд =12(Кв), Кв1 =(4(Кб) и Кс ={5(КБ); б) расчет концентрации азота в дефектах по эмпирическим уравнениям: Мд = 16.05*ц'1282 , N81 = 21.5Б*ц'П75 и N0 = 25*ц'цз5 & ррт)^; в) расчет суммарного содержания азота в А-, В1- и С-дефектах М = + N31 + N0 а ррт); Расчет степени агрегации азота в В-форме выражается в % относительно суммарного содержания азота в А- и В-формах.
Для оценки равновесной температуры образования кристаллов алмаза по данным ИКС использована методика [12-14 ], опробованная также в [4,8,9,11,12 и др. ]. В ее основу положена зависимость степени агрегации азота N£/N3 от равновесной температуры Т, константы Больцмана к, энергии активации Е, коэффициентов диффузии О и длительности диффузионных процессов агрегации t, достаточной для достижения равновесия. При стандартных значениях к, Е, О возможен расчет Т при известном значении возраста t или для определения возраста t, если известна равновесная температура Т. Для алмаза из кимберлитовых трубок Якутии в этих расчетах принимается возраст t ~ 3 млрд. лет, близкий к значению
Рис. 2. Морфологические серии и ряды кристаллов октаэдрического габитуса с переходными формами граней комбинационного роста.-О-Т тригоноктаэдрическая серия кристаллов и ряды с комбинационными формами граней «псевдоромбододекаэдра»; О-ЦТ дитригоноктаэдриче-ская серия и ряды с комбинационными формами граней «псевдотетрагексаэдра»
серии с тригональными и дитриго-нальными формами рельефа, соответственно. В каждой серии выделяются ряды последовательного усложнения рельефа в зависимости от высоты и числа ступенек (рис. 2).
3.2. Содержание и распределение азота в дефектах.
Результаты ИК-спектроскопичес-кого определения содержания азота в кристаллах из трубки Юбилейная представлены в виде гистограммы (рис.3, а), которой отчетливо выражено бимодальное распределение коэффициента нормировки К3, пропорционального суммарному содержания азота N и N4. К популяции с низким содержанием азота (в интервале от 0 до 0.3 значений К3) относится большинство плоскогранных и рельефных кристаллов с триго-нальными ступенчато-слоистыми
формами. большая часть кристаллов с
дитригональными ступенчато-слоистыми формами относится к популяции кристаллов с высоким содержанием азота. Еще более контрастно выражено бимодальное распределение азота, связанного с А-дефектами (рис. 3, б). Аналогичная бимодальная группировка обнаруживается и в отношении распределения В1-, С- и В2- дефектах в кристаллах как из трубки Юбилейной, так и из других трубок. Соотношение содержания азота в различных дефектах изменяется в изученных сериях кристаллов в достаточно широких пределах и для каждой серии независимо в соответствии с равновесной температурой кристаллизации или отжига.
Расчетные значения равновесной температуры, оцененные примере кристаллов из трубки Юбилейная по степени агрегации азота (Ы~В%), рассчитанные по традиционной методике, нанесенные на диаграмму Тейлора (рис. 4.), соответствующие низкотемпературной популяции кристаллов преимущественно О-ЭТ серии, отмеченные синим шестиугольниками и высокотемпературной популяции О-Т серии, показанные красными треугольниками обнаруживают отчетливо выражены тренды для каждой морфологической серии: популяция О-ЭТ серии показана центрами кружков синего цвета, а популяции О-Т серии - красного цвета; размером кружков показано относительно содержание В2-дефектов. Морфологическая специфика кристаллов О-ЭТ серии определяется с одной стороны высоким содержанием азота, а с другой — относительно низкой степенью агрегации и равновесной температуры.
Юбилейная
Юбилеи на я
0,0 0,2 0.4 0,6 0,8 1,0 1,2 1.4 К.
Юбилейная
200 4оа еао впо юоо 1200
нд
Рис. 3. Бимодальное распределение коэффициента нормировки К8 ~ N8 (а) и КзА ~ N4 в октаэд-рических кристаллах алмаза из трубки Юбилей-нал (а) (б)
Для части кристаллов О-Т серии из трубки Юбилейная характерны пологие ветви трендов вдоль изотермы около 1155 °С. В пределах этой высокотемпературной части тренда кристаллы алмаза выстраиваются по степени агрегации азота в В1(В)-форме независимо от принадлежности к О-Т или О-ЭТ серии и от содержания суммарного азота. Это предполагает существование на глубине около 190 км маломощного пояса стабильных условий образования алмаза с относительно низким содержанием азота. Возможно, он соответствует образованию кристаллов на стадии медленной кристаллизации расплавов. Значительный разброс значений степени агрегации азота в В1(В)-форме и содержания планарных В2(Р)-дефектов обусловлен вероятно кинетическими факторами. Тренды трубки Юбилейной явно отличаются отсутствием изотермической ветви. Кристаллы ОТ серии образуют тренд с самым зна-
чительным по величине градиентом равновесной температуры (1110-1180 оС) и большей степенью агрегации азота (50 %В1) по сравнению с О-ЭТ серией, уменьшающейся с понижением температуры. Кристаллы О-ЭТ серии отличаются от кристаллов О-Т серии меньшими значениями градиента равновесной температуры (1080-1150 оС), степень агрегации азота около 35 % почти не меняется. В низкотемпературной области тренды по степени агрегации азота в В-формах сближаются.
Можно предполагать, что значительная, но различная для кристаллов алмаза О-Т и О-ЭТ серии величина градиента равновесной температуры определяется конкретным интервалам глубин образования алмаза, которые характеризуются менее стабильными условиями в неоднородном по составу мантийном субстрате, являющегося источником алмаза каждой кимберлитовой трубке.
Таким образом, полученные данные свидетельствуют об образовании всех изученных октаэдрических кристаллов алмаза в широком интервале равновесной температуры, ограниченной глубиной в пределах 180-200 км.
4. Обсуждение результатов исследования
Полная морфологическая аналогия рельефных форм кристаллов О-Т и О-ЭТ серии свидетельствует о сходном механизме их образования в процессе кристаллизации. Плоскогранные формы октаэдрических кристаллов отражают равновесные условия равномерной и медленной кристаллизации по механизму послойного тангенциального роста октаэдрических граней. Сме-
а
ИВ I 100'N„/{N,+N„3 ИВ -
а Ь
Рис. 4. Температурные градиенты рельефных октаэдрических кристаллов алмаза трнгональной (красное) и дитригональной (синее) серий на диаграмме Тейлора; размер кружков - содержание В2-дефекта (а). Треугольники и шестиугольник -данные, рассчитанные по традиционной методике(Ь)
на плоскогранных форм кристаллов рельефными формами граней с их вырождением, сопровождающаяся ростом содержания азота в дефектах и прослеживающаяся в каждой серии, обусловлена возросшей (возрасший) прерывисто (нареч) изменяющейся скоростью(5) роста октаэдрических граней на заключительной стадии кристаллизации. Морфологические особенности кристаллов О-Т и О-ЭТ серий, функционально связанные с содержанием азота в дефектах, отражают различные условия их образования.
Можно полагать, учитывая известные данные о минеральных включениях и изотопном составе аналогичных кристаллов, отмеченные в литературном обзоре, что октаэдрические кристаллы алмаза О-ЭТ серии с дитригональными формами роста октаэдрических граней генетически связаны с эклогитовым субстратом, а кристаллы О-Т серии с триго-нальными формами роста октаэдриче-ских граней - с перидотитовым субстратом. Значит, что установленные для кристаллов алмаза вариации значений равновесной температуры вдоль трендов отражают эволюцию геотермического
градиента под влиянием восходящих преимущественно азот-углеводородных и равновесных с ними углекислых флюидов. В соответствии с данными [5] кристаллизация алмаза происходила много-стадий но на фронте выплавки из мантийного субстрата и последующего развития расплава сначала эклогитового субстрата, а затем и перидотитового субстрата. Дальнейшие процессы дифференциации ультраосновной магмы сопровождались образованием кимберли-товых магматических масс с унаследованной алмазоносностью эклогитов и перидотитов. Очевидно, различные формы травления поверхности и их растворения кристаллов алмаза относятся к более поздним событиям, связанными с эксплозивным этапом магматизма и формированием кимберлитовых трубок. Для более уверенного решения этого вопроса требуется для кристаллов каждой морфологической серии изучение изотопного состава и минеральных включений.
5. Заключение и выводы
В результате проведенных исследований установлено, что кристаллы ок-таэдрического облика со ступенчато-слоистыми тригональными и дитриго-
нальными формами образуются по механизму тангенциального прерывисто-ускоренного роста на поздней стадии формирования их внешнего облика, а различные формы травления и частичного растворения связаны с заключительной стадией, связанной непосредственно с кимберлитовым магматизмом.
Выявленные тренды изменения равновесной температуры отражают эволюцию геотермических градиентов в процессе роста и термического отжига кристаллов алмаза.
Принадлежность октаэдрических кристаллов алмаза О-Т и О-ЭТ серии
1. Chachatiyan G.K., Kaminsky F.V. Characteristics of nitrogen and other impurities in diamond, as revealed by infrared absorbtion data[J]. The Canadien Mineralogist. 2001. Vol.39. 1733-1745.
2. Evans, T., Harris J.W. Nitrogen aggregation, inclusion equilibration temperatures and the age of diamonds[J]. // In: Perth, 1986 (Blackwell Scientific Publication, Carlton, Victoria, Australia 1989). - Vol.2. 1001-1006
3. Lin Fang, O. V. Kononov, et al. Development of a Technique for IR Spectroscopic Determination of Nitrogen Content and Aggregation Degree in Diamond Crystals[J] Moscow University Geology Bulletin, 2008, No. 63, 281-284.
4. Taylor W.R., Jaques L.A., Ridd M. Nitrogen-defect aggregation characteristics Australian diamonds: Time-temperature constraints on the source regions of pipe and alluvial dia-monds[J]. Amer. Miner. -1990. — Vol.75. 1290-1310
5. Mendelssohn M.J., Milledge H.J. Geologically significant information from ruthine analysis on mid-infrared spectra of diamonds[J] Intern. Geol. Rev. 1995. Vol. 37. 95-110.
6. Бартошинский З.Б. Минералогическая классификация природных алмазов[М]. Минер. журн. 1983, т.5, №5, 84-93.
7. Бескрованов Б. Б. Онтогения алма-за[М]. Новосибирск. 2000.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
к определенному тренду равновесной температуры можно рассматривать в качестве обобщенного типо-морфного признака, который может служить одним из критериев их генетической идентификации, формаци-онной принадлежности, использоваться при паспортизации алмазоносных трубок и в качестве поискового признака при проведении геолого-разведочных работ.
Авторы выражают благодарность всем упомянутым лицам за помощь в проведении исследований и сотрудничество к.х.н. Б.Н.Тарасевичу и к.г-мин. н. P.C. Серову.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
8. Бокий Г.Б., Безруков Г.Н., Клюев Ю.А., Налетов A.M. Природные и синтетические алмазы[М]. М.: Наука, 1986.
9. Васильев Е.А., Софронеев С.Б. Зональность в алмазах кимберлитовой трубки Мир: данные ИК-Фурье спектроскопии[Л]. Зап. Российского минерал. общ-ва. 2007.Часть CXXXVI.№ 1. 90 -101.
10. Зинчук Н.Н., Коптиль В.И. Типо-морфизм алмаза Сибирской платформы[М]. М: Изд. Недра, 1999
11. Квасница В.Н., Зинчук Н.Н., Коп-тиль В.И. Типоморфизм микрокристаллов алмаза[М]. М.: Изд. Недра 1999.
12. Орлов Ю.Л. Морфология алмаза[М]. М.: Изд. АН СССР, 1963.
13. Хачатрян Г.К. Усовершенствованная методика оценки концентрации азота в алмазе и нн практическое применение[Л]. Геолог. аспекты минерально-сырьевой базы АК «Алроса»: современное состояние, перспективы, решения: Мирный. 2003. 319 - 322.
14. Хачатрян Г.К. Типоморфизм алмазов Якутии по данным ИК-спектроскопии[Л]. Геолог. аспекты минерально-сырьевой базы АК «Алроса»: современное состояние, перспективы, решения: Мирный. 2003. .322- .
15. Зинчук Н.Н., Коптиль В.И. Минералогия алмазов трубки Юбилейная[Л] Геология рудных месторождений, 2004, том. 46, №2, 158-174. Н2Е
Лин Фанг — Китайского геологического университета (Пекин), e-mail: linfang@cugb.edu.cn, Кононов О.Б. — Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.
