Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Минералогия и технологические свойства метаморфических алмазов

ВАК РФ 04.00.20, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Минералогия и технологические свойства метаморфических алмазов"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КОМИ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ

рГ5 ОН

На правах рукописи

Шумилова Татьяна Григорьевна

МИНЕРАЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАМОРФИЧЕСКИХ АЛМАЗОВ

Специальность 04.00.20 - минералогия, кристаллография

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минерапогических наук

Сыктывкар, 1995

Работа выполнена в Институте геологии Коми научного центра Уральского отделения Российской Академии наук.

Научный руководитель: академик, доктор геолого-

минералогических наук Н.П.Юшкин

Официальные оппоненты: доктор геолого-минерапогических наук,

Ведущая организация: А/О Орбита-Алмазинструмент, Сыктывкар

Защита состоится 16 февраля 1995 г. в 10.00 час. на заседании Диссертационного совета Д.200.21.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Институте геологии Коми научного центра Уральского отделения Российской Академии наук по адресу: 167610, Сыктывкар, ул.Первомайская, 54, ауд.218. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Коми научного центра.

Автореферат разослан 16 января 1995 г.

Ученый секретарь

профессор А.М.Асхабов кандидат геолого-минералогических наук А.И.Глазов

Диссертационного совета, доктор геолого-минер, наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Метаморфические алмазы являются новым перспективным источником технического алмазного сырья. В настоящее время известны четыре типа коренных проявлений алмаза: 1) алмазы мантийного происхождения (кимберлитовые, лампроитовые, в пикритах, базальтах, альпино-типных ультрабазитах); 2) ударного происхождения (импактные); 3) метаморфические; 4) "коллоидальные".

Алмазы первого и второго типов являются наиболее изученными. Информация о метаморфических алмазах в основном отражает особенности геологической обстановки такого типа алмазо-проявлений и дискуссию по поводу их происхождения. В настоящее время известны два алмазопроявления в породах высоких фаций метаморфизма - в Северном Казахстане и в Китае и одно, приуроченное к графитовым сланцам (Либерия). В литературе появились сообщения о находках алмазов однотипых кокчетавским на Сахалине, Алдане, Северо-Востоке России, в Прибайкалье.

Несмотря на довольно большое количество информации и почти тридцатилетнюю историю со времени обнаружения первых кристаллов метаморфических алмазов месторождения Кумды-Коль, минералогия и свойства этого типа алмазов пока изучены недостаточно, что связано прежде всего со сложностью объекта исследований. К наиболее изученным вопросам относятся морфология кристаллов, внутреннее строение на уровне блочности и зональности, ЭПР, примеси, изотопный состав, термостойкость. Причем, исследования проводились преимущественно для алмазов кубического габитуса, антискелетные кристаллы (гранные пучки) практически не исследованы. Остаются неопределенными отдельные вопросы минералогии метаморфических алмазов и свойства, влияющие на обогащение и использование данного алмазного сырья.

Кроме недостаточности информации научного плана проблема метаморфических алмазов связана с отсутствием промышленной технологии обогащения этого вида алмазного сырья.

В целом, проведение подобного рода исследований имеет большие перспективы вследствие постоянного расширения круга находок данного типа.

Основными задачами работы являлись:

1) Исследования минералогии и свойств метаморфических алмазов;

2) Технологические исследования чернового флотокон-центрата;

3) Исследование возможности раскрытия и обогащения метаморфических алмазов;

4) Выделение технологических свойств метаморфических алмазов.

Научная новизна. Проведены исследования наименее изученной разновидности метаморфических алмазов - антискелетных кристаллов. Установлено значительное несовершентсво структуры метаморфических алмазов этой разновидности на уровне кристаллической решетки и ее динамичность при воздействии рентгеновского облучения в нормальных условиях и термохимической обработке при атмосферном давлении. Установлено отсутствие полос поглощения антискелетных метаморфических алмазов (AMA) в ИК-области.

Установлены типоморфные признаки графита-спутника алмазов данного типа. Впервые в структуре алмазов и графита месторождения Кумды-Коль обнаружены дополнительные межплоскостные расстояния углеродных фаз - чаоита, а-карбина, р-карбина и др.

Практическая значимость. Проведены исследования нового типа алмазного сырья. Установлено значительное несовер-шенствоструктуры AMA , что может иметь огромное значение при выборе способа, режимов обогащения и областей применения этого типа алмазов.

Особенности взаимоотношений алмазов с другими углеродными фазами позволили предложить способ поисков алмазов не-кимберлитового типа, в том числе и метаморфических (Пол.реш. по заявке N 94011411 от 14.09.94).

Динамичность структуры AMA позволяет совершенствовать их внутреннее строение (Пол.реш. по заявке N 94011417/26 от 14.09.94.).

Результаты работы могут представлять интерес в области минералогии и синтеза алмаза.

Результаты технологических исследований позволяют определить возможный экологически чистый способ раскрытия метаморфических алмазов в черновом флотоконцентрате.

Основные защищаемые положения:

1) Антискелетные метаморфические алмазы характеризуются значительным несовершенством структуры, которое выражается в аномально слабом развитии или пол-

ном отсутствии плоских сеток алмаза (220), (311), (400), (331) . наличии большого количества аморфной фазы и дополнительных межплоскостных расстояний других углеродных фаз.

2) Структура антискелетных метаморфических алмазов характеризуется динамичностью, которая проявляется в появлении и исчезновении плоских сеток алмаза и других углеродных фаз.

3) Типоморфными признаками графита-спутника метаморфических алмазов являются особенности его структуры и повышенная плотность.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на конференциях: "Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского сегмента", Сыктывкар, 1992 г.; "Геология и металлогения Приполярного Урала", Сыктывкар, 1993 г.; "Проблемы геологии Тимано-Североуральского сегмента литосферы", Сыктывкар, 1993 г, 1994 г.; "XII Коми республиканской молодежной научной конференции", Сыктывкар, 1994 г.; на двух минералогических семинарах Института геологии (Сыктывкар) в 1993-1994 гг.. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Фактический материал. Работа выполнена на примере метаморфических алмазов месторождения Кумды-Коль (Северный Казахстан). Фактический материал в виде чернового флотокон-центрата алмаз-силикат-графитового состава и методика термохимического разложения проб были любезно предоставлены Заяч-ковским A.A. (Кокчетавская ГРЭ). Исследования проводились на алмазах, извлеченных из флотоконцентрата методом термохимического разложения и выделенных вручную под бинокуляром. Основная часть алмазов в исследуемом материале (> 95%) представлена антискелетными кристаллами.

В целом было исследовано более 130 образцов алмазов и более 30 образцов графита.

Исследования AMA проведены .с помощью рентгенострук-турного анализа (дифрактометрия и дебаевский метод); электронной микроскопии сканирующего типа; лабораторного поляризационного агрегатного микроскопа "ПОЛАМ-213" с микропроцессором "ПОЛАМ-ЛМПР"; бинокулярного микроскопа МБС-10, 5 KALTLICHTSPEKTROSKOP (SYSTEM EICKHORST); спектры ЭПР исследовались на Se/x-2547; рентгенолюминесценция - на установке, собранной на базе атомно-абсорбционного монохроматора AAS-1.n рентгеновского аппарата УРС-1.0; ИКС - на приборе Specord М80.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения общим объемом 162 страницы, включает 10 таблиц и 54 рисунка, список литературы из 197 наименований.

Работа выполнена в Институте геологии КНЦ УрО РАН (г.Сыктывкар) в Отделе минералогии, лаборатории технологии минерального сырья.

Автор выражает глубокую благодарное^ и признательность за руководящую роль, консультации, поддержгу, всяческое содействие научному руководителю академику донору геол.-мин.наук. Н.П.Юшкину и заведующему лабораторией ti хнологии минералогического сырья канд. геол.-мин.наук. Б.А.Сстащенко (Институт геологии КНЦ УрО РАН).

Автор выражает большую благодарное™ за помощь и дружеское участие сотрудникам лаборатории минерального сырья: И.Н.Бурцеву, И.Х.Шумилову, Л.А.Януловой, Т.Н.Поповой, О.Б.Котовой, Г.С.Титовой, В.П.Давыдову, Г.Н.Лысюк, В.Д.Игнатьеву, В.В.Хлыбову, Э.Л.Безгачеву, З.П.Двойниковой, З.А.Сметаниной, С.В.Матвиенко, Л.Р.Ждановой, Ю.С.Симаковой; за помощь в проведении аналитических исследований сотрудникам Института геологии: Г.С.Титовой, Л.А.Януловой, Т.Н.Поповой, В.А.Ржаницину, В.Н.Филиппову, В.В.Келим, А.Ф.Кунцу, В.П.Лютоеву, Т.Н.Бушеневой, Л.Л.Ширяевой, З.П.Двойниковой, З.А.Сметаниной (Институт геологии КНЦ УрО РАН).

Автор весьма признателен докторам геол.-мин.наук

A.Б.Макееву, Л.В.Махлаеву, М.В.Фишману, канд. геол.-мин.наук

B.А.Черемных (Институт геологии КНЦ УрО РАН) за ценные замечания при обсуждении диссертации и консультации.

Автор выражает большую благодарность за консультации В.В.Келим, В.И.Ракину, В.А.Петровскому, Д.Н.Литошко, Ю.А.Ткачеву, В.П.Лютоеву, А.А.Иевлеву, В.И.Чередову, Т.П.Майоровой, В.Л.Андреичеву, М.Б.Тарбаеву, М.Ю.Сокерину, Ю.В.Глухову (Институт геологии КНЦ УрО РАН), В.И.Ваганову, Е.Д.Надеждиной, Л.Д.Лавровой, М.А.Петровой (ЦНИГРИ).

Особую благодарность за продолжительную совместную плодотворную деятельность автор выражает Л.А.Януловой (Институт геологии КНЦ УрО РАН).

Автор выражает глубокую признательность А.А.Заячковскому за предоставление материала для исследований, технологии термохимического разложения проб, за пользование фондовыми материалами по технологическим исследованиям чернового флото-

концентрата и В.Т.Рагулиной за консультации по диагностике метаморфических алмазов (Кокчетавская ГРЭ).

ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РЕГИОНА И МЕСТОРОЖДЕНИЯ КУМДЫ-КОЛЬ

Дается краткое геологическое описание района (Харламов М.Г. и др., 1993 г.) и месторождения Кумды-Коль и близлежащих алмазопроявлений (Екимова Т.Е. и др., 1992). Приведено описание тектонической и метасоматической обстановки на месторождении и особенности распределения алмазов в пределах рудной зоны (Екимова Т.Е. и др., 1992; Печников В.А. и др., 1993).

ГЛАВА 2. МИНЕРАЛОГИЯ МЕТАМОРФИЧЕСКИХ АЛМАЗОВ

Установлено, что подавляющее большинство кристаллов алмазов в исследованном черновом флотоконцентрате представлено 13-й гранной разновидностью октаэдра, которая по классификации Надеждиной Е.Д.( 1990 г.) относится к типу скелетных кристаллов (гранные пучки или антискелетные кристаллы). Эта форма выделений метаморфических алмазов является одной из наиболее типичных и наименее изученных среди алмазов данного типа.

Приводятся результаты исследований антискелетных метаморфических алмазов (AMA): гранулометрического состава, оптические свойства, структура, ЭПР, фотолюминесценция, рентгено-люминесценция, спектры в ИК-области, описываются взаимоотношения с другими углеродными фазами.

Установлено, что большинство зерен AMA имеют размеры 10-40 мкм (в среднем 26 мкм).

Преобладает зеленая и зелено-голубая окраска алмазов данной разновидности, густота и оттенки которой могут изменяться при термохимическом воздействии. Рентгеноструктурные данные для алмазов разной интенсивности окраски имеют существенные различия.

AMA характеризуются анизотропностью, которая проявляется в лимонно-желтых цветах двупреломления. Описываются пигментные пятна, приуроченные к алмазам данной разновидности, приводятся результаты рентгеноструктурных исследований пигментированных алмазов.

Установлено, что AMA характеризуются значительным несовершенством структуры на уровне кристаллической решетки

(рис.1). Приведены рентгенограммы метаморфических алмазов данной разновидности для образцов, выделенных термохимическим и ручным способами1

В целом, структура AMA характеризуется аномально высоко преобладающим развитием плоской сетки (111) и отсутствием или аномально слабым развитием плоских сеток алмаза (220), (311), (400), (331). Такая структура имеет максимальную упорядоченность в направлении (111) с периодичностью 2,05 Á, причем в пределах плоскости (111) расположение атомов является неупорядоченным или почти неупорядоченным. Таким образом, AMA характеризуются слоистым строением. Кроме того, для алмазов этой разновидности свойственно наличие дополнительных межплоскостных расстояний, характерных чаоигу и другим углеродным фазам, а также значительное количество аморфной составляющей.

Фото- и рентгенолюминесценция AMA при проведении настоящих исследований обнаружена не была. Установлено, что алмазы данной разновидности показывают отсутствие полос поглощения в ИК-области, не "проявляя при этом характерных рефлексов ни собственно алмаза, ни примесей.

Спектры ЭПР показали наличие значительного количества азота в структуре AMA 8-1019 сп/г, которое сопоставимо с таковым для кристаллов преимущественно кубического габитуса (Надеждина Е.Д. и др., 1993 г.).

Показывается тесная связь антискелетных метаморфических алмазов с графитом - на уровне синтаксиальных срастаний. Установлены типоморфные признаки графита-спутника метаморфических алмазов. Структура графита характеризуется аномально высоким развитием плоской сетки (0002) и недостаточным развитием остальных, вплоть до полного отсутствия. Во всех исследованных образцах графита было обнаружено межплоскостное расстояние, характерное чаоиту, а также значительное количество аморфной фазы. Установлена повышенная плотность графита -2.3-2.45 г/см3.

Автор приходит к выводу о схожести условий образования AMA и графита.

1 При проведении исследований структуры AMA подобраны усло-

вия рентгеноструктурного анализа, обеспечивающие наименьшее

разрушение внутреннего строения образцов (см. гл. 4), образцы разориентированны.

а

'•о о

см'

о

В

Рис.1. Дифрактограммы алмазов: а) табличная (по данным Михеева В.И., 1957); антискелетных метаморфических алмазов б) с полным отсутствием рефлексов плоских сеток (220), (331), (400), в) со слабыми рефлексами плоских сеток (220) и (311).

Рассматривается дискуссионный вопрос о происхождении метаморфических алмазов.

ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧЕРНОВОГО ФЛОТОКОНЦЕНТРАТА

Приводятся результаты исследования минерального состава чернового флотоконцентрата; его гранулометрический состав; распределение алмазов по гранулометрическим, в магнитной и немагнитной фракциях; показано соотношение количества алмазов в моно- и биминеральных фракциях.

Из проведенных исследований следует, что большая часть алмазов в черновом флотоконцентрате является нераскрытой и содержится преимущественно в графите.

Автор приходит к выводу, что для дальнейшего обогащения чернового флотоконцентрата необходимо произвести дораскрытие алмазов. До сих пор это возможно было осуществлять только термохимическим способом. Автором проведен ряд экспериментальных исследований в этом направлении. Использовались физические, химические методы дораскрытия и их комбинации: закаливание, кавитация, окисление, закаливание/кавитация, окисление/кавитация. Наиболее эффективным, экологически чистым и перспективным способом раскрытия AMA во флотоконцентрате по результатам исследований является способ закаливания, основанный на различии температурного коэффициента линейного расширения алмаза и графита. Использование этого метода позволило увеличить число раскрытых зерен алмазов в 7 раз для фракции +0.05 мм и в 4.7 раза для фракции -0.05 мм.

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАМОРФИЧЕСКИХ АЛМАЗОВ

Выделен ряд технологических свойств метаморфических алмазов, которые необходимо исследовать, чтобы иметь наиболее полное представление о качестве данного алмазного сырья. Указывается, что ряд важных технологических свойств алмазов данной разновидности (твердость, теплопроводность, диэлектрические свойства, физико-химические свойства поверхности) необходимо исследовать в динамике в соответствии, с изменениями структуры. В ходе настоящих исследований было установлено явление динамичности структуры исследуемой разновидности

алмазов под влиянием внешних воздействий. В качестве внешних факторов, вызывающих значительные изменения внутреннего строения алмазов установлены - рентгеновское облучение и термохимическое воздействие.

Автором приводятся рентгенограммы образцов, показывается, что при последовательном исследовании одного и того же образца рентгеноструктурным методом происходят значительные изменения (например, табл.), которые были зафиксированы в нормальных условиях. Динамичность структуры проявляется в появлении и исчезновении плоских сеток алмаза и других углеродных фаз, изменении относительной интенсивности рефлексов.

Показывается, что термохимическое воздействие может оказывать значительное влияние на метаморфические алмазы. Демонстрируется, что в зависимости от продолжительности термохимического воздействия (1(1)) наблюдается значительное изменение рентгеноструктурных данных (величины межплоскостных расстояний - с!/п и относительной интенсивности рефлексов - I ) для исследуемых образцов. В качестве примера в автореферате приведены изменения для плоских сеток алмаза (111) и (220) (рис.2). Общий анализ изменений для плоских сеток алмаза (111), (220), (311), (400) и (331) показывает периодический характер процесса, что проявляется в попеременном появлении и исчезновении плоских сеток алмаза, изменении величины межплоскостных расстояний и относительной интенсивности рефлексов.

В связи с этим, автор приходит к выводу, что в случае исследования свойств метаморфических алмазов, извлеченных термохимическим способом, следует учитывать динамичность структуры и податливость метаморфических алмазов термохимическому воздействию.

Эти же особенности алМазов данного типа могут оказывать значительное влияние на выбор способов и режимов обогащения и областей применения. При исследовании структуры необходимо учитывать, что рентгеновское воздействие является разрушающим для данных алмазов, поэтому требует меньшего времени экспозиции при проведении рентгеноструктурного анализа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований автором сделаны следующие выводы:

Таблица

ИЗМЕНЕНИЯ В СТРУКТУРЕ АЛМАЗОВ, обр. К

Табличные Исследование стр>тст>ры

значения первоначальное повторное

Индекс I, (1/п, I, С1/П, Ингер I, с1/п, Интер

плоской балл А балл А претац балл А претац

сетки ия ия

МПР МПР

2 2.44 Гк

2 2.30 ?

3 2.12 г

1 1.441 7

2 1.386 ч

2 1.327 7

220 8 1.26 8 1.266 а 1 1.262 а

311 7 1.07 5 1.075 а 10 1.075 а

111 10 2.05 10 2.06 а 10 2.06 а

1 1.679 г

400 4 0.885 3 0.8949 а

331 6 0.813 4 0.8206 а

2 0.8078 ?

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ: МПР - межплоскостное расстояние; а - алмаз; г - графит гексогональный; гк - графит кубический; ч - чаоит; ? - неопределенная фаза.

1 .Установлено значительное несовершенство структуры антискелетных метаморфических алмазов, которое выражается в аномально слабом развитии или полном отсутствии плоских сеток алмаза (220), (311), (400), (331); наличием дополнительных плоских сеток других углеродных фаз, значительным количеством аморфной фазы. Структура алмазов данной разновидности характеризуется значительной динамичностью под воздействием рентгеновского облучения и термохимической обработки. Динамичность структуры выражается в появлении и исчезновении в образцах плоских сеток алмаза и других углеродных фаз.

2.Установлено, что сопутствующий метаморфическим алмазам графит может быть использован в качестве минерала-спутника при поисках алмазов кумдыкольского типа, поскольку обладает свойственными ему типоморфными признаками. Графит

3,

БАЛЛ

4М 210

гя5

200 О №

А / А \ / ' ^

' V /

V

/

/

/ \ / / » I

О I 2 3 5 6 ?

■т ■ ■ ' >

в э /«),

уел ед.

Э,

бцлд

<зо

126- —

Г

ч

г-

\

■л / \ /

. < .—-у.

/

0-1 1

, \ /

1 ' /

О 1 2 3 4 5 6 7

9 /«), усл. ей

(О

Рис.2. Изменение рентгеноструктурных параметров в зависимости от продолжительности термохимического воздействия: а) для плоской сетки (111); б) для плоской сетки (220), условные обозначения:

--•---величина межплоскостного расстояния

-----табличная величина межплоскостного рас-

2

стояния

—--относительная интенсивность рефлекса

--- табличная относительная интенсивность рефлекса

2 Михеев В.И., 1957

характеризуется особенностями структуры близкими к таковым для алмазов данного типа. А именно: аномально высоко преобладающим направлением упорядоченности (0002) и слабой упорядоченностью в других направлениях; наличием значительного количества аморфной фазы; присутствием дополнительных межплоскостных расстояний, характерных чаоиту. Кроме того, графит имеет повышенную плотность.

3.Установлено значительное влияние термохимического воздействия на внутреннее строение антискелетных метаморфических алмазов, установлен периодический характер происходящих изменений. Это затрудняет использование термохимического разложения чернового флотоконцентрата в практических целях.

4. Установленные в данной работе особенности антискелетных метаморфических алмазов подтверждают гипотезу образования алмазов месторождения Кумды-Коль при сравнительно низких значениях температуры и давления в метастабильной области существования алмаза в весьма неравновесных условиях и что они являются продуктом метасоматического процесса.

5.Черновой флотоконцентрат алмаз-силикат-графитового состава является сложным для дальнейшей технологической переработки, необходимо дораскрытие метаморфических алмазов. Установлено, что наиболее эффективным для дораскрытия алмазов в черновом флотоконцентрате является способ закаливания, основанный на контрастности температурного коэффициента линейного расширения алмаза и графита. При использовании этого способа в процессе экспериментальных исследований автором была достигнута наибольшая раскрываемоть метаморфических алмазов.

Список опубликованных работ по теме диссертации.

1. Шумилова Т.Г., Котова О.Б. Способ выделения метаморфических алмазов из флотоконцентрата // Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского сегмента: Мат.конф,- Сыктывкар, 1992.- С.78-79.

2. Шумилова Т.Г. Некоторые особенности морфологии мета-морфогенных алмазов // Геология и металлогения Приполярного Урала: Мат. конф. - Сыктывкар, 1993,- С.60.

3. Шумилова Т.Г., Янулова Л.А. Структурные особенности разноокрашенных метаморфогенных алмазов // Проблемы геоло-