Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Конституционные характеристики алмаза из месторождений Архангельской и Якутской алмазоносных провинций
ВАК РФ 25.00.05, Минералогия, кристаллография
Автореферат диссертации по теме "Конституционные характеристики алмаза из месторождений Архангельской и Якутской алмазоносных провинций"
На правах рукописи
00500964»
Криулина Галина Юрьевна
КОНСТИТУЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЛМАЗА ИЗ МЕСТОРОЖДЕНИЙ АРХАНГЕЛЬСКОЙ И ЯКУТСКОЙ АЛМАЗОНОСНЫХ ПРОВИНЦИЙ
Специальность 25.00.05 - минералогия, кристаллография
2 6 ЯНВ 2012
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
Москва 2012
005009649
Работа выполнена на кафедре минералогии геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова
Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор Гаранин Виктор Константинович
Официальны оппоненты:
доктор химических наук, профессор Литвин Юрий Андреевич
доктор геолого-минералогических наук, профессор Пирогов Борис Иванович
Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)
Защита состоится 17 февраля 2012 г. в 16.00 часов на заседании Диссертационного совета Д 501.002.06 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, корпус «А», геологический факультет, аудитория 415
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ.
Автореферат разослан 12 января 2012 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета
Д 501.002.06 '/^^ел^лг^ И.А.Киселева
доктор геол.-минер. наук
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследований
В пределах Архангельской и Якутской алмазоносных провинций известен широкий спектр кимберлитовых пород, отличающихся между собой петрохимическими и петрографо-минералогическими особенностями, но обладающих всеми главными типоморфными признаками кимберлитов. К настоящему времени благодаря работам (Афанасьев, 1988,2000; Богатиков и др., 1999, 2010; Гаранин и др., 1986, 1991, 2009; Соболев и др., 1983, 1986, 2009; Коптиль, Зинчук, 2001, 2003; Харькив и др., 1998; Mitchell 1986; Smith et al, 1986, 2000) сложился позитивный опыт предварительной оценки потенциальной алмазоносности объектов на ранней стадии проведения геолого-разведочных работ. Изучение соответствия реальной алмазоносности месторождений в Якутской (ЯАП) и Архангельской (ААП) алмазоносных провинциях показывает связь конституционных особенностей и физических свойств кристаллов алмаза с геологической позицией и вещественным составом кимберлитов. Установлена возможность использования полученных результатов в качестве типоморфных признаков физико-химических условий образования и сохранности кристаллов алмаза из различных генетических типов, как поисково-оценочных критериев, при идентификации коренных источников алмаза из россыпей, а также в криминалистической практике. Разработаны теоретические основы синтеза и облагораживания алмаза (Вине, 2009, 2010, 2011): идет промышленное выращивание алмаза в системе металл-углерод, актуально моделирование условий нуклеации и роста алмаза в многокомпонентных системах карбонат-силикатного и др. составов (Litvin, 2007; Бобров и др., 2011 и др.). Полученные экспериментальные результаты позволяют по-новому подойти к интерпретации природных закономерностей алмазообразования, наблюдаемых в разных месторождениях.
В связи с этим актуальным является проведение сравнительного анализа новых данных о характеристиках алмаза и вмещающих их кимберлитов как для совершенствования генетических моделей алмазообразования, так и для установления новых критериев при поиске и добыче алмазного сырья.
Цель работы. Выявление взаимосвязи типоморфных характеристик алмаза из месторождений ААП и ЯАП, сложенных кимберлитами различных петрохимических типов, с комплексом минералого-петрохимических особенностей трубок для оценки алмазоносности кимберлитов и прогнозирования качественных характеристик алмаза.
Основные задачи исследований:
1. Обобщение опубликованных данных о геологической позиции, внутреннем строении и вещественном составе кимберлитовых тел ААП и ЯАП.
2. Изучение внешней морфологии, внутреннего строения, содержания, соотношения и распределения структурно-примесных дефектов в кристаллах алмаза из промышленных месторождений ААП и ЯАП. Выявление типоморфных признаков алмаза, отражающих условия их образования и сохранности.
3. Выявление взаимосвязи между типоморфизмом алмаза и комплексом минералого-петрохимических данных по каждому геологическому объекту, с учетом петрохимического типа кимберлита: низкотитанистого (НТТ) и умеренно-титанистого (УТТ).
Фактический материал, методы и объем проводимых исследований
Работа выполнена на кафедре минералогии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Минералогические исследования проб алмазного сырья из месторождений
ААП и ЯАП проводились автором в 2005 - 2011 гг. в Лаборатории месторождения алмазов кафедры минералогии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, на кафедре геммологии РГГРУ им.С. Орджоникидзе и на базе Центра сортировки алмаза «Севералмаз». Инструментальные исследования алмаза осуществляли на базе геологического и физического факультетов МГУ им. М.В. Ломоносова, ВИМС, ИГЕМ.
Объектом исследований явились представительные пробы алмазов из кимберлитовых трубок ААП (Архангельская, им. Карпинского-1, Снегурочка, им. Гриба) и ЯАП (Ботуобинская, Нюрбинская, Интернациональная, Мир, Удачная, Юбилейная, Комсомольская). Особое внимание уделялось кристаллам алмаза из трубки Архангельская, т.к. она является наиболее перспективной для отработки из всех тел месторождения им. М.В. Ломоносова (промышленная добыча алмазного сырья ведется с 2006 г.). Выполнено минералогическое описание для ~10 тыс. кристаллов алмаза.
Для изучения конституционных особенностей алмаза: внешней морфологии и внутреннего строения, его химического и изотопного состава, спектроскопических и других физических свойств алмаза привлечены методы оптической и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), (в т.ч. в режиме цветной катодолюминесценции (ЦКЛ)), масс-спектроскопии и оптической спектроскопии в инфракрасной (ИКС), ультрафиолетовой (УФС) и видимой области, фотолюминесцентной спектроскопии (ФЛС, при возбуждении светом ксеноновой лампы в области длин волн 250-600 нм) и электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР).
Спектры ИК получены для 1500 кристаллов (от 50 до 200 спектров для алмазов из каждой трубки). Спектры ФЛ для 115 кристаллов. Изучено внутреннее строение более 500 кристаллов алмаза, в т.ч. с изготовлением пластин по плоскости (100) для 55 кристаллов из трубки Архангельская. Картины ЦКЛ получены для 95 кристаллов из трубок им. Карпинского-1, Снегурочка, им. Гриба, Архангельская. Характеристики по изотопному составу (813С) получены для 20 кристаллов. Разработан и заполнен электронный банк данных, который содержит результаты проведенных исследований, находящийся в Лаборатории месторождений алмаза. Научная новизна:
1. Получены новые данные о содержании и соотношении структурно-примесных дефектов и их распределении в октаэдрических и кубических секторах роста для кристаллов алмаза из трубки Архангельская.
2. Впервые установлено три генетических группы кристаллов для желтых и желто-оранжевых алмазов кубического габитуса из трубок месторождения им. М.В. Ломоносова, что вызывает необходимость уточнения их позиций в минералогической классификации Ю.Л. Орлова.
3. Проведено выделение морфогенетических групп алмаза, типоморфных для разно-ранговых объектов: трубка, месторождение, петрохимический тип кимберлита.
4. Впервые для месторождений ААП и ЯАП установлена приуроченность разных морфогенетических групп кристаллов алмаза к определенному петрохимическому типу кимберлитовых пород.
5. Выявлена корреляция между минералого-петрохимическими особенностями кимберлитов и конституционными характеристиками алмаза.
Практическая значимость
1. Расширен банк данных по минералогическим и спектроскопическим характеристикам алмаза из объектов ЯАП и ААП: трубки Интернациональная, Ботуобинская, Нюрбинская, Мир, Юбилейная, Удачная, Комсомольская, Архангельская, им. Карпинского-1, Снегурочка, им. Гриба, который может быть использован при поисках коренных источников алмаза.
2. Предложены критерии прогнозирования качественных характеристик алмазного сырья, на основе созданной группировки по совокупности минералого-петрохимических особенностей кимберлитов.
3. Установлены группы алмаза, обладающие наиболее высокими прочностными (твердость, прочность), технологическими (способность обрабатываться и обрабатывать) и геммологическими (окраска, ее распределение в камне, чистота) характеристиками, приуроченные к определенному петрохимическому типу кимберлитов.
4. Рекомендуется учитывать возможность различного внутреннего строения одинаковых по внешнему облику кристаллов и проводить дополнительное исследование для улучшения технологического процесса при обработке алмазов.
5. Уточнены критерии, методы и алгоритм криминалистической идентификации источников отдельных кристаллов и партий алмазного сырья на основе морфогенетических и спектроскопических признаков.
6. Материалы диссертации используются в учебном курсе «Минералогия месторождений алмаза» на кафедре минералогии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Результаты исследований в настоящее время используются в практике прогнозно-производственных работ в компаниях АК «АЛРОСА», ОАО «Севералмаз». Данная работа выполнялась по программе проектов кафедры минералогии Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова: по государственным заказам «Изучение возможности определения источника происхождения единичных алмазов» (контракт № 2008/346 от 21.04.2008 г.), «Изучение химико-генетических классификационных признаков из основных месторождений России и создание соответствующей базы данных» (контракт № 2011/306 от 3.06.2011) и госбюджетной теме «Дискретность природного алмазообразования -фундаментальная основа эволюционных процессов в мантии» (2010-2013 гг.).
Защищаемые положения
1. Визуально однородные желто-окрашенные кристаллы алмаза кубического габитуса из месторождения им. М.В. Ломоносова характеризуются различным внутренним строением, составом и распределением структурно-примесных дефектов, что обуславливает их подразделение на три морфогенетические группы: 1) кубы с однородным строением содержат дефекты в виде одиночных атомов азота и деформационные центры; 2) кристаллы с однородным внутренним строением азотными дефектами в А-и С- форме и дополнительными пиками в диапазонах 1374-1354 и 3310-2945 см''; 3) кубы с центральной зоной, образованной по тангенциальному или нормальному механизму роста, с различным распределением азота в С-, А-, В- формах.
2. Для кимберлитовых месторождений алмаза России выделены морфогенетические группы кристаллов алмаза, отличающиеся физико-химическими, термобарическими условиями и длительностью формирования. Для умеренно-титанистого типа кимберлитов (1,0<ТЮ2<2,5 мас.%) типичны безазотные, среднеазотные высокоагрегированные группы;
для низкотитанистого (ТЮ2<1,0 мас.%) - умеренноазотные, высокоазотные низкоагрегированные и высокоазотные умеренноагрегированные; для обоих типов кимберлитов характерны низкоазотные, среднеазотные низкоагрегированные. Выявленные закономерности определяют алмазоносность и качество алмазного сырья.
3. 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 умеренно-титанистого типа (•диапазон алмазоносности от высокой до убогой) преимущественно бесцветны, характеризуются октаэдрическим габитусом, почти полным отсутствием водорода и низким содержанием азота (N,„,<500 а!.ррт) 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.
Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Включает 192 страницы текста, 61 рисунок и 31 таблицу, а также список литературы из 165 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов.
Во введении сформулирована актуальность исследований, определены цели и задачи диссертационной работы, отмечена ее научная новизна и практическая значимость.
В главе 1 приведена краткая характеристика геологического строения Золотицкого и Черноозерского полей ААП и Мирнинского, Накынского, Алакит-Мархинского и Дапдынского полей ЯАП, с учетом новых данных по геологическим, структурным и тектоническим условиям локализации кимберлитовых тел на этих территориях.
В главе 2 собраны, проанализированы и дополнены сведения о петрохимических особенностях кимберлитов из рассматриваемых тел ААП и ЯАП. Проведен анализ по распределению алмазоносных объектов в различных классификационных схемах. Изучаемые объекты разделены по типу кимберлитов на низкотитанистые и умеренно-титанистые (Богатиков и др., 2010).
В главе 3 описаны фактический материал, методы и методика исследования, использованные в работе.
В главе 4 изложены результаты собственных исследований минералогии, внешней и внутренней морфологии и дефектно-примесного состава кристаллов алмаза из трубок кимберлитов НТТ и УТТ.
В главе 5 обобщены полученные автором результаты и литературные данные по физическим свойствам алмаза. Выделены группы алмаза, обладающие наиболее высокими прочностными, технологическими и геммологическими характеристиками.
В главе б. Проанализирована связь между морфогенетическими группами кристаллов алмаза и петрохимическими типами кимберлитовых трубок месторождений ААП и ЯАП.
В заключении сформулированы основные выводы по типоморфизму алмаза ААП и ЯАП и намечены направления дальнейших исследований.
Апробация работы
Материалы по теме диссертации опубликованы в 7 научных статьях, в т.ч. 3 в реферируемых журналах списка ВАК РФ и 12 тезисах.
Результаты работы доложены на Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (2005, 2011), Международной конференции «Молодым в Науках о Земле» (2006, 2008), Годичном собрании РМО (2010), Всероссийской конференции «Новые горизонты в изучении процессов магмо- и рудообразования» (2010), Международной научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых памяти А.П. Карпинского (2011), 10-th International Kimberlite Conference, Bangalore (2012).
Благодарности
С благодарностью вспоминаю доктора геолого-минералогических наук Галину Петровну Кудрявцеву, которая открыла для меня мир алмазов.
Диссертант выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю и наставнику профессору, доктору геолого-минералогических наук В.К. Гаранину за его руководство, помощь в осмыслении результатов, доверие и взаимопонимание. Искреннюю благодарность выражаю своему первому учителю и наставнику в области минералогии алмаза к.г.-м.н. профессору РГГРУ Ю.П. Солодовой.
За поддержку данной работы благодарю заведующего кафедрой минералогии, профессора, д.г.-м.н. Д.Г. Кощуга и главного научного сотрудника, профессора, д.г.-м.н. A.C. Марфунина. Благодарность выражается ведущему научному сотруднику лаборатории петрографии ИГЕМ РАН д.г.-м.н. А.Б. Макееву за сотрудничество. Отдельная благодарность доценту кафедры минералогия к.г.-м.н. О.В. Кононову за информативные консультации и беседы в области алмазной геологии. За ценные советы и замечания автор благодарен сотрудникам НИГП AK «AJIPOCA». Автор глубоко признателен к.г.-м.н. A.B. Бовкун., к.г.-м.н. К.В. Гаранину, к.ф.-м.н. П.В. Иванникову, к.ф.-м.н. Ю.А. Клюеву, к.ф.-м.н. A.M. Налетову, к.г.-м.н. Т.В. Посуховой, к.х.н. B.JI. Скворцовой, Е.А. Седовой, д.г.-м.н. A.A. Ульянову за полезные консультации, замечания и всестороннюю поддержку в процессе проведения научно-исследовательских работ и систематизации полученных результатов.
ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ
В области минералогии, петрологии и геохимии пород, слагающих алмазоносные тела, среди российских ученых в первую очередь необходимо отметить работы O.A. Богатикова (1999, 2004, 2007, 2010), В.К. Гаранина (1986, 1991, 2009); Г.П. Кудрявцевой (2005); В.А. Кононовой (1995,2005, 2006,2011); С.И. Костровицкого (2009); Н.П. Похиленко (1982,2001); А.Я. Ротмана (2005); Н.В. Соболева (1974, 1983); З.В. Специуса (1990, 2003, 2005), H.H. Зинчука (2008) и др.
Проведенные исследования показали, что промышленно алмазоносные кимберлиты ААП и ЯАП расположены в центральных частях кратонов, включая области протерозойской орогении, сопряженные с архейскими кратонами, т.е. территории ранней стабилизации (причем алмазоносность и возраст уменьшаются от центральных частей к периферии кратона). По петрогеохимическим показателям кимберлиты относятся к высоко и среднемагнезиальным породам щелочно-ультраосновного состава с низким и умеренным содержанием оксида титана. Они характеризуются хромшпинелевой и хромшпинелид-пикроильменитовой минерализацией микрокристаллической оксидной массы. Имеют позднедевонский возраст D}. Потенциальная алмазоносность кимберлитов коррелирует с их химическим составом, вариации обусловлены в первую очередь неоднородностью мантии и кимберлитовообразующих расплавов, которые существовали в регионе. На сохранность алмаза и на реальную алмазоносность влияют вторичные факторы, обуславливающие
перераспределение химических компонентов пород, к которым относятся все процессы фракционирования кимберлитового расплава при его восхождении с мантийных глубин.
Современные исследователи (Богатиков и др., 2010; Кононова, 2009, 2011; Костровицкий, 2009; Третьяченко, 2008; Гаранин и др., 2009; и др.) при выделении разновидностей кимберлитов отдают предпочтение индикаторной роли ТЮ2, т.к. его низкое содержание отражает высокое давление формирования кимберлитов (Василенко и др., 2005). Предложена общая классификация (Богатиков и др., 2007, 2010), в основе которой лежит разделение кимберлитов на три петрогеохимических типа, условно названных низкотитанистыми (ТЮ2<1,0 мас.%) (НТТ), умеренно-титанистыми (1,0<ТЮ2<2,5 мас.%) (УТТ) и высокотитанистыми (ТЮ2>2,5 мас.%).
Выбранные нами алмазоносные объекты относятся к кимберлитам НТТ и УТТ, т.к. породы этих типов слагают алмазоносные трубки рентабельные для отработки (т.е. месторождения) с продуктивностью от ураганной до низкой, а кимберлиты высокотитанистого типа формируют только убого- и неалмазоносные тела.
Для подробного сравнительного анализа кимберлитов НТТ выбраны наиболее типичные представители ААП: трубки месторождения им. М.В. Ломоносова и перспективная в качестве промышленного освоения трубка Снегурочка Золотицкого поля. Из объектов Якутии рассмотрены яркие представители кимберлитов НТТ: трубки Интернациональная, Ботуобинская и Нюрбинская. Кимберлиты УТТ представлены в ААП единственной среднеалмазоносной трубкой им. Гриба, но они широко распространены среди тел ЯАП. В данной работе рассмотрены классические высокоалмазоносные породы трубки Мир и Удачная; трубка Комсомольская с низким содержанием алмазов (но кристаллами хорошего качества) и трубка Юбилейная, являющаяся по некоторым параметрам промежуточной между низко и умеренно-титанистым типами кимберлитов.
Первое защищаемое положение. Визуально однородные желто-окрашенные кристаллы алмаза кубического габитуса из месторождения им. М.В. Ломоносова характеризуются различным внутренним строением, составом и распределением структурно-примесных дефектов, что обуславливает их подразделение на три морфогенетические группы: 1) кубы с однородным строением содержат дефекты в виде одиночных атомов азота и деформационные центры; 2) кристаллы с однородным внутренним строением азотными дефектами в А- и С- форме и дополнительными пиками в диапазонах 1374-1354 и 3310-2945 см'1; 3) кубы с центральной зоной, образованной по тангенциальному или нормальному механизму роста, с различным распределением азота в С-, А-, В- формах.
Широкое распространение алмазов кубического габитуса является типоморфной особенностью кимберлитовых трубок месторождения им. М.В. Ломоносова (Кудрявцева и др, 2005), локализованного в пределах Золотицкого поля ААП, представленного кимберлитами низкотиганистого типа (Гаранин и др., 2008). Несмотря на то, что трубки Ботуобинская, Нюрбинская и Интернациональная относятся к НТТ кимберлитов, подобные алмазы кубического габитуса в них отсутствуют. Из промышленной пробы алмазов из трубки Архангельская были отобраны кристаллы, визуально диагностированные как кубы II разновидности по минералогической классификации Ю.Л. Орлова (1984), массой 0,04 - 0,40 кар. Это прозрачные визуально однородные желтые, оранжево-коричневые различной интенсивности окраски кубы с ровными или седловидными гранями с комбинационными поверхностями тетрагексаэдроида или додекаэдроида. Ранее нами были изучены алмазы с близкими характеристиками из трубки им. Карпинского-1.
В первую группу алмазов выделены кубы с ровными поверхностями граней или с комбинацией граней тетрагексаэдроида и куба. Окраска от желтой до оранжево-коричневой. В этих кристаллах высокое содержание азота в форме С-центра (до 275 at.ppm), А- и В-центры отсутствуют (рис. 1, табл. 1). По преобладанию С-дефекта эти алмазы относятся ко II разновидности по классификации Ю.Л. Орлова, но ФЛ голубая слабая, спектр содержит систему полос излучения N3 и полосы 350, 396, 570 нм.
В картинах ЦКЛ для кристаллов 1-ой группы характерны полосы, ориентированные параллельно (111) и красное свечение, связанное с наличием следов пластической деформации, регистрируемых в спектрах ЭПР по центрам N2, М2 (Макеев и др., 2011). Кристаллы имеют однородное волокнистое строение или являются оболочкой большой толщины для первичного зародыша кубической или октаэдрической формы. Изотопный состав углерода -4,9%о, т.е. в этих кубах значительна доля глубинного мантийного углерода (Галимов и др., 1994).
Ко второй группе относятся прозрачные желтые различной интенсивности окраски кубы с седловидными гранями (с крупными глубокими отрицательными тетрагональными ступенчатыми пирамидами), реже с дополнительными поверхностями тетрагексаэдроида. Кристаллы обладают синим свечением в лучах ЦКЛ, характеризуются волокнистым однородным внутренним строением (табл. 1). ФЛ-свечение яркое голубое, обусловленное наличием Ю-дефекта (415 нм), и слабым проявлением НЗ-дефекта в области 503-570 нм. Для них характерны азотные дефекты в А- и С- формах (300<Ы1о1<1000 а1.ррт), при значительном преобладании А-центров и отсутствии В и Р. Это типичные алмазы II разновидности по классификации Ю.Л. Орлова. В спектрах поглощения проявляются слабые полосы на частотах 1353, 1363, 1374 см"1 (полоса 1363 см"1 иногда встречается индивидуально). Полоса 1363 см"1 не идентична полосе Р, т. к. имеет меньшую ширину (Васильев и др., 2011), а система Р при низких коэффициентах поглощения располагается в диапазоне 1380-1370 см"1. В спектрах некоторых кубических кристаллов желтого цвета регистрируется набор узких полос на частотах 3310, 3188, 3144, 2945 см"1 (рис. 2), вероятно, эти полосы относятся к иной структурной модификации СН - связи. В большинстве кристаллов примесь водорода проявляется системой поглощения с полосой 3107 см"1, коэффициент поглощения не превышает 2,5 см"1. Наличие этих полос не только делает типоморфным спектр ИК-поглощения данных алмазов, но и позволяет идентифицировать кристаллы месторождения им. М.В. Ломоносова. В литературе (Орлов, 1984; Клюев и др.,
Рис. 1. Спектры оптической плотности алмазов с С дефектами (А94, разрешение 4 см"'), с дефектами А и С (1786-26-1, разрешение 1 см'1), с дефектами А, В и Р (А26, разрешение 1 см"1). На вставке увеличен диапазон 1300-1440 см"1. Расположение полос поглощения дефектов азота: С -1135, А - 1282, В -1175, Р- 1364-1370 см"1.
-]
600 1100 1600 2100 2600 3100 3600
волн обо е ч цело см"1
Талица 1. Характеристики алмаза кубического габитуса из трубки Архангельская
группа Фото кристалла Фото ЦКП Внутреннее строение Дзные ИКС, aL ррт ] Данные ФПС
Р,см-' Н,см-' Дополнительные пики, нм
1 А94А1791; 1785-2-6 гщ и весь объем 178 0 0 0 - ' 0 1Ь 49 N3 350,396,570
Оболочка, А186; А1786 МЛ л | Нет данных 49 N353
а !с 275 0 0 0 - 1 -4,9
1 гЧ.. ГМгОст. г-*- РРШ 4 т <5 ■ 1 £ 80 860 0 - - 1.6 41 44 N3.143 512,503-570
1С 87 726 0 - - 2,0
И '-со щ |1 о. £ си =г 0 1100 497 5 1378 4/27 -93 N3^3 313,319,347", 396400,420. 500,649.4714 488 650 671* 517,536,570 "только в кристалле с НЗ
ЛЗ 0 785 265 5 1378 4/19 -8,4
А2; 1786-27 ш ьс О. к X 0 754 212 4,7 1368 13 1аА+В -5.4 N3 482,517
а 0 1000 0 - - 13 -5,4
о» я 1 О. 1 0 950 130 0,6 1362 3 -7,1 N3 317,400,482,515
>5 о. 65 1200 221 - - 2,2 -5,3
< В о Многократная зональность 1 0 784 265 4 1378 1 1аА+В -8,4 N3 430,517,522
а X 63 1350 225 1 1362 2 "7,1
1986; ред. Квасков, 1997; Бескрованов, 2000) имеется информация о дополнительных пиках, выделяемых исследователями, в алмазах кубического габитуса из трубок Якутии. При этом выявленные в данной работе пики остаются уникальными. Вторая группа характеризуется самым тяжелым изотопным составом углерода в алмазе (813С центр/край = -4,1/-4,4%о).
Рис. 2. Спектры оптической плотности алмаза 1786-26-1 с набором узких полос в диапазоне колебаний группы СН, и обычный спектр поглощения в этом диапазоне, кристалл А26, разрешение 1 см'1.
3400 36Ю
еолноеэе Ч(спо сн
Третья группа - это кубические кристаллы с желтой, оранжево-коричневой окраской, прозрачные или полупрозрачные. Характерно сложное зональное строение. В центральной зоне имеется ядро октаэдрической или кубической формы, наличие которого определяется только с помощью ЦКЛ по разной интенсивности синего свечения (табл. 1). Внешняя зона этих кристаллов сформирована при нормальном или смешанном механизме роста. По данным ИКС все кристаллы 3-й группы высокоазотные: 900<Ntol<1750 at.ppm. В ядре присутствуют азотные дефекты в А-, B-форме. Отмечается закономерность распределения азотных дефектов в оболочке: кристаллы с кубическим зародышем содержат только А-дефект, алмазы с многократной прямолинейной зональностью по кубу имеют дефекты в А- и В- форме; а образцы с октаэдрическим ядром характеризуются центрами С, А, В. Треть кристаллов этой группы в ИК-спектре имеет полосу 1362-1378 см"'. На картинах ЦКЛ видно, что эти кристаллы сложены зонами различной геометрии и имеют затравку. В некоторых алмазах зоны с нормальным, тангенциальным и смешанным механизмом роста повторяются 2-3 раза. Сложность строения отражена и в ФЛ- спектрах, содержащих помимо основных (N3, S3, НЗ) полосы с максимумами 313, 347, 396, 411, 482, 500, 649, 671 нм. В спектре одного кристалла зафиксирован центр НЗ (503 нм), возникающий при радиационном облучении. Кристаллы 3-й группы, выделенной в данной работе, по спектрам ФЛ и ИК можно отнести к разновидности III по классификации Ю.Л. Орлова, а некоторые, по наличию октаэдрического ядра, к IV. Такие алмазы характеризуется, по-видимому, наиболее длительной мантийной эволюцией.
Наиболее легкий состав углерода (513С -9,8 %о) наблюдается в кубах с нормальным механизмом роста и прямолинейной зональностью по кубу в лучах ЦКЛ. В зональных кристаллах отмечена закономерность незначительного утяжеления изотопного состава углерода по направлению к краю (513С центр/край -7,1 / -5,4 %о и -9,8 / -8,4 %о).
По результатам исследования спектроскопии и внутреннего строения алмазов кубического габитуса можно сделать следующие выводы:
• Окраска оранжево-коричневых комбинационных кристаллов с гранями куба и тетрагескаэдроида обусловлена дефектами структуры: высокими концентрациями одиночных атомов азота и центрами пластической деформации.
• Доминирование смешанного механизма роста свидетельствует о высоких пересыщениях углеродом и углеводородами в среде алмазообразования, при температуре,
достаточной для образования секторов роста октаэдра. Тенденция кристалломорфологической эволюции (выклинивание последних и смена октаэдрических форм на кубические) свидетельствует о понижении температуры в процессе роста алмазов из месторождения им. М.В. Ломоносова, при этом установлено воздействие давления, которое приводит к пластической деформации кристаллов.
• Формирование внешне однотипных кубических кристаллов в трубке Архангельская свидетельствует о высоком пересыщении углеродом на последней стадии кристаллизации алмазного вещества и, исходя из данных по изотопному составу углерода, о едином мантийном источнике с изотопным составом углерода (-4,9 <613С< -9,8%о). Наблюдается незначительное утяжеление изотопного состава углерода в алмазе от центральной зоны к периферии.
• Визуально однотипные (по морфологии и окраске) кубические кристаллы имеют различное внутреннее строение, что не позволяет использовать для их разделения общепринятую минералогическую классификацию Ю.Л. Орлова (1984), составленную по данным изучения кристаллов алмаза Якутии.
• Важной особенностью некоторых зональных кристаллов кубического габитуса является наличие не только монокристального ядра, но и промежуточной поликристаллической пористой зоны, наличие которой выявлено при изучении их внутренней морфологии методами СЭМ, ЦКЛ, ЭПР. Это свидетельствует о резкой смене физико-химических условий и, возможно, перерывах в алмазообразовании.
• Результаты нашего исследования подтверждают, что сложно-зональные и пластически деформированные кубы месторождения им. М.В. Ломоносова являются уникальными образцами среди алмазов из кимберлитовых тел, такие индивиды не описаны среди алмазов из разрабатываемых трубок Якутии.
Второе защищаемое положение Для кимберлитовых месторождений алмаза России выделены морфогенетические группы кристаллов алмаза, отличающиеся физико-химическими, термобарическими условиями и длительностью формирования. Для умеренно-титанистого типа кимберлитов (1,0<ТЮ2<2,5 мас.%) типичны безазотные, среднеазотные высокоагрегированные группы; для низкотитанистого (ТЮг< 1,0 мас.% ) -умеренноазотные, высокоазотные низкоагрегированные и высокоазотные умеренноагрегированные; для обоих типов кимберлитов характерны низкоазотные, среднеазотные низкоагрегированные. Выявленные закономерности определяют алмазоносность и качество алмазного сырья.
Минералогические характеристики и структурные дефекты в алмазах являются объектом изучения многих исследователей (Аргунов, 2005; Бескрованов, 2000; Бокий и др, 1986; Соболев, 1978; Хачатрян, 2003, 2008, 2010; Клюев, Налетов, 2008; Evans, 1992; Taylor, Milledge, 1995 и др.) уже более полувека. Установлено более 50 видов. В данной работе внимание уделено азотным дефектам в виде А, В- центров, плейтелетс и водороду, как наиболее изученным и являющимися показателями температурных и химических условий образования и эволюции алмаза.
На основе огромного фактического материала (Бескрованов, Специус, 1991, Бескрованов, 2000, Палажченко, 2008; Хачатрян, 2008, 2010) по изучению распределений примеси азота в алмазах с включениями различного парагенезиса, в том числе из мантийных ксенолитов, появилась возможность идентифицировать кристаллы, сформировавшиеся в
мантийном субстрате определенного состава. Концентрация примеси азота в алмазах ультраосновного типа обычно не превышает 500 at. ppm с модой 100-200 at. ррш (Хачатрян и др., 2008). Алмазы эклогитового парагенезиса характеризуются «более размытым» бимодальным распределением азота (от 0 до 1500 at. ррш), с максимумами 0-100 at. ррш и 300-600 at. ррш. В настоящей работе проведен анализ содержания дефектно-примесных центров в алмазах из кимберлитов НТТ и УТТ (Богатиков и др., 2010).
Разработанная автором настоящей работы классификация, представлена для алмазов IaAB типа по физической классификации (Бокий и др, 1986) из месторождений ААП и ЯАП, она не противоречит ранее предложенным схемам типизации алмазов по содержанию азотных дефектов, но отличается от предыдущих (Хачатрян, 2008, 2010; Копчиков, 2009) более дробным распределением групп, в которых определены интервалы не только для средних модальных значений, но и для всего ореола распределения. Выделение групп установлено эмпирически и подтверждено кластерным анализом с учетом минералогических особенностей алмаза в соответствии с петрохимическими типами кимберлитов.
Алмазы из изученных нами месторождений разделяются на 7 морфогенетических групп, это проиллюстрировано на диаграмме соотношения концентрации суммарного азота и доли азота агрегированного в B-форму (рис. 3, табл. 2.). В кимберлитах НТТ безазотные алмазы типа II по физической классификации (Бокий и др., 1986) редки, их количество не превышает 3% как в трубках ААП, так и в Якутии. В кимберлитах УТТ количество безазотных кристаллов немного выше (до 8%).
I группа алмаза условно определена нами как «безазотная», в нее выделены кристаллы с суммарным содержанием азота не более 100 at.ppm (20 < %Nb < 55, Р< 4 см'1 и Н < 1см"1). Такие алмазы наиболее характерны для плоскогранных алмазов ультраосновного парагенезиса трубок Удачная, Юбилейная, распространены в трубке Мир и им. Гриба. Посткристаллизационный отжиг данной группы кристаллов происходил в диапазоне 1150 -1200°С (Taylor et al, 1995). Преимущественно это бесцветные или со слабым оттенком октаэдрические кристаллы. Алмаз этой группы не характерен для месторождения им. М.В. Ломоносова и других трубок НТТ.
Кристаллы алмаза II группы (низкоазотные), представляющей ультраосновной парагенезис, типичные для всех кимберлитов мира (Хачатрян, 2010), объединяют кристаллы с высокими геммологическими показателями, октаэдрического, додекаэдрического и комбинационного габитуса. Для них типичны низкие содержания азота (N(ot<500 at. ppm) широкий диапазон степени агрегации в B-форму (%Nb~13-58), средние значения для водорода и плейтелетс Н<3 см"1, Р<5 см"1. Такие алмазы распространены в кимберлитах НТТ и УТТ. Значительно их содержание в трубке Архангельская; встречаются в трубках Снегурочка (где они содержат чуть больше водорода Н=2,5, по сравнению 0,4-0,7 см"1 для других изученных трубок) и Ботуобинская (для которой, как и для всех трубок Якутии, характерно отсутствие или минимальное содержание водорода). Группа является главной в кимберлитовых трубках УТТ (им. Гриба, Комсомольская, Юбилейная, Удачная). По литературным данным (Зинчук, Коптиль, 2003; Палажченко, 2006, 2008; Хачатрян, 2010) в перечисленных трубках преобладают кристаллы алмаза с включениями минералов ультраосновного парагенезиса, но имеются и кристаллы с эклогитовым парагенезисом включений. Отметим оптимальное соотношение дефектов, благодаря которому кристаллы из трубок Удачная, Юбилейная, Комсомольская отличаются повышенными прочностными свойствами.
III группа (умеренноазотные алмазы) не многочисленна и установлена только среди бесцветных и с серым оттенком кристаллов комбинационного и додекаэдрического габитуса из трубок Архангельская и Снегурочка По данным (Копчиков, 2009) аналогичные индивиды отмечаются в трубках Кольцовская и Первомайская Золотицкого поля. Среди кристаллов алмаза из месторождений ЯАП данная группа не установлена.
Таблица 2. Концентрации дефектно-примесных центров азота, плейтелетс и водорода в алмазах из кимберлитовых тел НТТ и УТТ
Тип кимберлита Название трубки Кол-во образцов Концентрация азота, at.ppm %NB Водород, см"1 Плейтелетс, см'1
Na NB NM
Низкотитанистый Интернациональная 200 493 12-1066 167 16-474 660 30-1414 26 6-96 0.6 0-8 3 0- 14
Ботуобинская 158 315 9-1149 116 18-449 405 67-1598 24 4-61 1.1 0-15 3 0.1-19
Архангельская 220 524 2-1534 210 2-1775 735 19-2700 29 2.5-97 3.8 0-23 4.9 0-35
им. Карпинского-1 44 1010 0 - 2200 250 0-990 1350 17 - 2720 18 0-60 1.6 0-7.6 _2.5 0-19
Снегурочка 55 370 25- 1236 234 4-584 604 54-1612 40 3-74 4.2 0-21 9.8 0-28
Умеренно-титанистый Мир 81 _424_ 8-1288 177 16-696 562 22-1700 31 8-95 0.9 0-9 _3 0-17
Удачная 159 94 0-464 337 7-1100 431 16-2305 59 9-96 2 0-33 10 0-44
Юбилейная 591 262 0-970 200 0-1150 400 0-1600 41 7-96 1.1 0-15 8 0-32
Им. Гриба 116 482 0-2309 286 0-1857 743 0-2840 35 0-65 0.8 0-5.5 8.5 0-33
Комсомольская 92 265 8-851 322 0-1586 588 130-1916 34 21-87 0.6 0-8 5 0-12
Кристаллы IV группы (среднеазотные низкоагрегированные) характеризуются повышенным содержанием азота (400<МЮ(<1500 а1.ррш, 10<%ЫВ<40 (в среднем 23-25%), и низкими содержаниями водорода ( Н~0,5 см'1) и плейтелетс (Р~ 3,5 см"1). Эта группа алмазов доминирует в трубках, сложенных кимберлитами НТТ (Архангельская, Интернациональная, Ботуобинская), и встречается в трубках УТТ (им. Гриба, Мир и частично Комсомольская). Преобладают кристаллы с желтым оттенком различной интенсивности. Внешний облик алмазов характеризуются сохранением октаэдрического габитуса, часто с полицентрическим характером роста и отсутствием следов травления. Исходя из полученных данных (рис. 3), можно предположить, что отжиг алмазов высокоалмазоносных тел был непродолжительным в малом интервале температур от 1050 до 1100°С. По данным (Гаранин и др., 2009) магматические алмазоносные очаги трубок Ботуобинская, Интернациональная и Мир самые глубинные, и подъем кимберлитовой магмы был наиболее стремительным, эти условия, возможно, способствовали сохранению октаэдрического облика и малой степени агрегации дефектов в В и Р. Тангенциальный механизм роста, послойно-зональное внутреннее строение, и минимум водорода свидетельствуют о росте алмазов в спокойных условиях.
В нижних границах этой группы расположены алмазы со следами пластической деформации. Связующим звеном при переходе от среднеазотных к высокоазотным
кристаллам (на диаграмме (рис. 3) верхняя область IV группы) являются алмазы IV разновидности по классификации Ю.Л. Орлова: прозрачные и просвечивающие октаэдры и комбинационные формы кристаллов доминируют в трубке Ботуобинская и кубы и додекаэдроиды непрозрачные в трубке Архангельская.
Рис. 3. Концентрации азота для кристалл-лов алмаза типа IaAB ЯАП и ААП, с использованием данных W.P. Taylor (1995). Расчетный возраст алмаза - 3 млрд. лет. Нанесены морфогенетические группы алмаза ААП и ЯАП:
I - безазотные,
II - низкоазотные,
III - умерепноазотные,
IV - средиеазотные низкоагрегированные,
V - среднеазотные высокоагрегированные,
VI - высокоазотные низкоагрегированные,
VII - высокоазотные умеренноагрегированные. Выделены группы алмаза: 1 - характерные для НТТ и УТТ, 2 - типичные для УТТ, 3 -типичные для НТТ.
V группа кристаллов алмаза (среднеазотная высокоагрегированная) характерна только для многофазных трубок со сложной эволюцией, сложенных УТТ кимберлитом: Удачная, Юбилейная, Комсомольская. В этих трубках присутствуют алмазы с различным содержанием азота в форме А- и В- центров, при высокой доле B-центров (200< Ntot<1500 at.ppm, 60<%Nb<90 (в среднем 65%), с высокими для ЯАП содержаниями водорода (Н ср.знач=2,5 см"1) и плейтелетс (Р~ 18 см"1).
Преимущественно однородное внутреннее строение алмаза из трубок Удачная и Комсомольская, говорит о его росте в достаточно спокойных (равновесных) условиях, длительном высокотемпературном посткристаллизационном отжиге, определившим трансформацию значительной доли азота в B-форму (Taylor et al, 1995), распространение кривогранных форм и скульптур «локального» растворения.
Во всех трубках Золотицкого поля доминируют алмазы VI группы (высокоазотные низкоагрегированные), предположительно эклогитового парагенезиса (Хачатрян, 2010). Снижение температуры (высокий температурный градиент) и сохранение высоко пересыщенных углеводородами условий при алмазообразовании в трубках месторождения им. М.В. Ломоносова способствовало формированию кубических кристаллов с нормальным и смешанным механизмами роста, реже встречаются додекаэдроиды и тетрагексаэдроиды. Скорость роста таких кристаллов максимальна, при этом высок и захват примесей: высокие концентрации азотных дефектов (Nt01800-1500 at.ppm) и водорода (Н>1 см"1), при отсутствии или низком содержании В (%NB от 0 до 30%) и плейтелетс (Р<5 см"1). Важно подчеркнуть, что кристаллы данной группы весьма высокоазотные и не характерны для других кимберлитовых трубок мира.
1 I - 42 |. .■■■■ ...:|3
Специфические кристаллы из трубок Архангельская и Снегурочка додекаэдрического (реже октаэдрического) габитуса с серой окраской выделены в VII группу (высокоазотные умеренноагрегированные), они не имеют аналогов среди алмазов из других трубок. Большое количество включений, примесей и дефектов обусловлено структурой данных кристаллов: самые высокие содержания азота, водорода и плейтелетс (1000< Nlot<3000 at. ppm, %NB- 2565, P - 12-32см"', 0,6<H<22 см"1). Наблюдается закономерность: с увеличением содержания и размера плейтелетс, уменьшается содержание примеси водорода. Визуально эти алмазы можно отнести к V разновидности по классификации Ю.Л. Орлова, но при изучении внутреннего строения среди макроскопически однотипных индивидов выявлены зонально-секториальные и послойно-зональные кристаллы с различным изотопным составом углерода (613С от -10 до -25%о). Рост индивидов данной группы, возможно, связан не только с максимальными пересыщениями в алмазообразующей среде, но и динамическими процессами, сопровождающимися резким изменением РТ - параметров, способствовавшим с одной стороны частичной графитизации поверхности кристаллов, с другой - возникновению планарных дефектов, микроблочности и сильной трещиноватости.
Эпигенетический процесс эволюции алмаза проявляется в трансформации структурных дефектов, изменении кристапломорфологии и иногда окраски; в данной работе установлено, что эти процессы взаимосвязаны, но могут быть и обособлены.
Установлено, что степень агрегации азота (В, Р) определяется температурным режимом и длительностью отжига кристаллов в процессах роста и постростовой эволюции. Модель образования плейтелетс обсуждалась в работах (Ваганов, 1996; Хачатрян, 2008; Богуш и др., 2008): зарождение макродефектов в начальный период, рост дефектов без увеличения их количества при значительном снижении пересыщения и перераспределение по размерам на заключительном этапе. Эмпирические данные позволили установить, что соотношение показателя концентрации и положения полосы максимума является индивидуальным для кристаллов алмаза из трубок различных месторождений (Васильев, 2007). В данной работе учтены только результаты ИКС по кристаллам I разновидности по классификации Ю.Л. Орлова, т.к. они доминируют во всех трубках, разнообразны по минералогическим, физическим и структурным характеристикам и, следовательно, наиболее полно характеризуют месторождение. Кристаллы алмаза из кимберлитов НТТ и УТТ обособлены в два поля на диаграмме (рис. 4). Результаты исследований, совместно с данными петрологического изучения пород, позволяют косвенно оценить температуру роста кристаллов алмаза (рис. 4) и посткристаллизационного отжига (рис. 3).
В месторождении им. М.В. Ломоносова (НТТ), по-видимому, среда алмазообразования была наиболее насыщена углеродом, азотом и водородом, что провело к формированию алмазов III, VI и VII групп. По термодинамическим параметрам условия алмазообразования кристаллов I разновидности по классификации Ю.Л. Орлова схожи с таковыми для алмазов из кимберлитов НТТ Якутии (рис. 4; на рис. 3 группы II, IV). Установлена корреляция между длительностью нахождения алмаза в высокотемпературных мантийных условиях и степенью трансформации дефектов в В-форму и плейтелетс. Алмаз этих тел претерпел непродолжительный отжиг, и, судя по модельным возрастам, формирование кимберлитовых источников трубок НТТ наиболее раннее 1,0-1,4 млрд. лет (рис.5; Кононова и др., 2011). Стремительный подъем кимберлитовой магмы трубок Интернациональная, Ботуобинская, Нюрбинская способствовал сохранению окгаэдрической формы кристаллов.
аР, см'1
и 1 ю 9 8 -7 -6 5 4 3 2
УТТ
%в,
Ио^Т
НТТ
ОБотуобинская а Архангельская а Снегурочка Жим. Гриба в Мир
• Юбилейная
# Удачная
о Комсомольская
64
Рис. 4. Расположение выборок алмаза I разновидности по классификации Ю.Л. Орлова трубок ААП и ЯАП в координатах коэффициент поглощения (йр) - положение максимума полосы поглощения Р (г>р). Размер фигуративных точек ♦ Интернациональная пропорционален алмазоносности
^1300),СМ-' тРУбок-
Длительный подъем кимберлитовой магмы в районе Золотицкого поля, после обогащения алмазсодержащими породами, способствовал преобразованию форм алмаза в додекаэдрические.
При рассмотрении особенностей кристаллизации минералов связующей массы кимберлитов, было выявлено, что наиболее широкий тренд химических составов шпинелидов от хромита до магнетитов имеет отрицательную корреляцию с алмазоносностью пород (рис. 5, 6). Такие тренды характерны для трубок месторождения им. М.В. Ломоносова
лето
Флюидный метасоматоз
Расплавный (высокотемпературный) метасоматоз
■ обогащение источников ж эволюция кимберлитовой магмы
область стабильного состояния « формирование (возраст) трубки
Рис. 5. Схематическое изображение временной эволюции кимберлитового расплава под трубками, с использованием данных (Гаранин и др., 2009; Кононова и др., 2011).
Рис. 6. Соотношение содержания алмаза в трубках (в условных единицах, по данным АК «АЛРОСА») и концентрации ТЮ2 в петрохимическом составе пород (Гаранин и др., 2009).
и трубки Юбилейная, при этом морфология поверхности алмазов из трубок Золотицкого поля свидетельствует о более сильном окислении кристаллов, обусловленном их сложным внутренним строением. Кристаллы II, IV групп распространены в кимберлитах 2-х типов.
15
Для трубок Удачная, Комсомольская, им. Гриба главной является II группа алмаза (IV второстепенная), а для трубок Архангельская, Снегурочка, Ботуобинская, Интернациональная, Мир основной является IV, а второстепенной - И.
Характеристики кристаллов из кимберлитов УТТ указывают на существенное отличие. Повышенные концентрации плейтелетс свидетельствуют о том, что алмаз из трубок Юбилейная, Удачная и Комсомольская формировался при большей температуре, чем кристаллы высокоалмазоносных трубок. Такой вывод подтвержден изучением химического состава хромитов (увеличение содержания Сг20з до 66 мае. %) во включениях в алмазах (ЭоЬоку е1 а1., 2008). Повышенное значение %ЫВ указывает на длительное пребывание в условиях постростового отжига. На диаграмме (рис. 4) алмазы из трубки Юбилейная занимают промежуточную позицию, как отмечалось ранее, ее породы имеют характеристики, смежные с обоими типами кимберлитов.
Изученные кристаллы алмаза I разновидности из трубки Снегурочка, исходя из этой диаграммы, образовались при максимальных температурах, возможно, такое отклонение связано с ограниченностью выборки, тем не менее, эти алмазы уникальны по многим параметрам.
По результатам изучения минералогии и дефектно-примесного состава алмаза можно сделать несколько основных выводов:
• Алмазы из месторождений каждого петрохимического типа, несмотря на широкие вариации валового содержания азота, характеризуются близкими значениями степени агрегации азота в В-форме и плейтелетс (рис. 3,4).
• Можно предположить, что трансформация дефектов (в В и Р) происходит при высоких температурах и, по-видимому, сопровождается окислительным растворением алмаза, находящегося в материнских породах, до формирования кимберлитового источника.
• Октаэдрический облик кристаллов и низкая степень агрегации азота в В- форму предполагает кристаллизацию алмаза в спокойных условиях и быстрый подъем кимберлитовой магмы при формировании из трубок НТТ Якутии.
• Кристаллы алмаза из кимберлитов НТТ месторождения им. М.В Ломоносова характеризуются преобладанием кривогранных форм и низкой степенью агрегации азота, что коррелирует с данными об эволюции состава шпинелидов, и связано с постепенным увеличением окислительного потенциала при длительном подъеме кимберлитовой магмы к поверхности на стадиях предшествующих формированию кимберлитовых трубок. В результате мелкие кристаллы полностью растворились, а крупные приобрели додекаэдрическую форму, при температуре, недостаточной для агрегации азотных дефектов.
• Алмазы из трубок кимберлитов УТТ отличаются более высокой степенью агрегации азота в В-форму, большим размером плейтелетс, что соответствует высокотемпературным условиям формирования и длительного отжига алмазов, с постепенным развитием кривогранных поверхностей.
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 габитусам, почти полным отсутствием водорода и низким содержанием азота (N,„,<500 а1ррт.) 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 ТЮ2.
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 И, 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. 76), 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 2025%, 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.
Содержание,%
•чиюйег
Бесцветная и с незначительным нацветом
АС М У Г Ю Желтая а Дымчато-коричневая Серая Голубовато-зеленая Лилово-коричневая
Ш, масс. %
I
К1 А Плоскогранные
С М У Г ■ Плоскограно-кривогранные
Ю К Кривогранные
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ: ТЮг — нетданных
И-Интернациональная, Б-Ботуобинская, Н-Нюрбинская, К1-Каргинского-1, А-Архангельская С-Снегурочка, М-Мир, У-Удачная, Г-им. Гриба, Ю-Юбилейная, К-Комсомольская
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 ТЮ2 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 ЯАПразличаются 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"', 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<Ыия<3000 а1.ррш). 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<Ы,о1< 260 аГррт и далее резко снижается до средних значений 70 ГПа. Доля азота в В-форме понижена (в среднем Ыв<30%), отмечены низкие коэффициенты поглощения плейтелетс (2<РСрВДЯ.<5 см"1, исключение составляют алмазы из трубки Снегурочка Рсрсдн=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 °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 (N^<500 а1.ррш.). Алмазы претерпели более длительный посткристаллизационный отжиг, и вследствие этого большинство индивидов имеют большую долю азота в В-форме (50<ЫВ<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:
• Введение азота в среду кристаллизации снижает зависимость числа центров кристаллизации от давления: происходит увеличение количества центров кристаллизации и размера зародышей. Можно предположить, что низкое содержание титана в алмазообразующей среде способствует зарождению множества кристаллов и их повышенной гранулометрии, и определяет потенциальную ураганную алмазоносность трубок НТТ (трубки Интернациональная, Ботуобинская, Нюрбинская). Трубки Золотицкого поля содержат алмаз 2-х главных генераций, характерно преобладание среди крупных алмазов додекэдроидов, что предполагает при растворении потерю массы кристалла более чем на 50% от первоначальной октаэдрической формы (Хохряков, 2000).
• Кимберлиты УТТ образуют месторождения с высокой и низкой алмазоносностью, ураганноалмазоносные для них не характерны.
• Низкое содержание титана в алмазообразующей среде создает благоприятные условия для вхождения азота в структуру алмаза. Высокое содержание азота в среде приводит к снижению качества (и технических, и геммологических характеристик) кристаллов.
• Умеренное содержание титана в алмазообразующей среде оказывает положительное влияние на качество алмаза, понижая способность алмаза обогащаться азотом и уменьшая пересыщение углеродом.
• В алмазообразующих средах с повышенным содержанием ТЮг процесс окислительного растворения алмаза происходил менее интенсивно, чем у кристаллов с повышенными концентрациями азота из кимберлитов НТТ.
Заключение и выводы.
Результаты проведенного сравнительного изучения характеристик алмаза и вмещающих их кимберлитов из месторождений ААП и ЯАП позволили установить приуроченность выделенных семи морфогенетических групп алмаза к определенному петрохимическому типу кимберлитовых пород, уточнить представления об условиях и факторах алмазообразования, на этой основе предложить новые критерии поисков, оценки продуктивности кимберлитов и прогноза качества алмазного сырья. Выявлены группы алмаза, обладающие наиболее высокими прочностными, технологическими и геммологическими характеристиками.
Выделены морфогенетические группы алмазов кубического габитуса характерные только для месторождений ААП, которые необходимо учитывать при построении генетических моделей алмазообразования.
Установлено, что для кристаллов алмаза из кимберлитов НТТ характерны широкий диапазон концентраций азота с низкой степенью агрегации и соответствующими вариациями интенсивности желтой окраски, зонально-секториапьное строение с нормальным и тангенциальным механизмами роста. Со снижением алмазоносности трубок наблюдается увеличение разнообразия окрасок, минералогических разновидностей и доли высокоазотных алмазов, кристаллов со сложным внутренним строением. Алмазы из кимберлитов УТТ образовались преимущественно при послойном росте для них типичны пониженные концентрации азота, бесцветные или с незначительным желтым нацветом октаэдрические кристаллы с повышенными прочностными характеристиками.
Показана связь общего содержания азота в алмазе с насыщенностью среды углеродом и присутствием титана, а степень его агрегации со временем формирования кимберлитового источника.
Установлено, что наиболее древний расчетный возраст обогащения кимберлитов перидотитами и эклогитами коррелирует с низкой продолжительностью высокотемпературного посткристаллизационного отжига алмаза, при котором возможна трансформация дефектов, и, следовательно, низкая степень агрегации азотных дефектов. Поэтому для всех тел с наиболее древним возрастом обогащения характерно преобладание алмазов определенных морфогенетических групп в зависимости от типа кимберлитовых пород: безазотных и низкоазотных для трубок УТТ (I и II групп, соответственно) и среднеазотных и высокоазотных для тел НТТ (IV и У1-УП групп, соответственно).
Показано, что фактическая алмазоносность кимберлитов зависит от времени аддитивного воздействия расплавного и флюидного метасоматоза, что проявляется в матрице кимберлитовых пород по разнообразию и протяженности трендов шпинелидов и развитию реакционных минералов, в алмазе - по степени агрегации азота и распространенности кривогранных форм. Для высокоалмазоносных трубок характерны короткие кристаллизационные тренды эволюции шпинелидов и наличие плоскогранных и плоскогранно-кривогранных алмазов с низкой степенью агрегации азота. Для низкоалмазоносных тел определяющими являются протяженные кристаллизационные тренды шпинелидов и доминирование кривогранных кристаллов с умеренной и высокой степенью агрегации азота.
Основные публикации по теме диссертации
1. Криулина Г.Ю., Гаранин В.К., Ротман А.Я., Ковальчук О.Е. Особенности алмаза из промышленных месторождений России//Вестник Московского университета, сер. геология, 2011. №3. С. 23-34.
2. Макеев А.Б., Криулина Г.Ю., Лютоев В.П., Иванников П.В. Особенности кубоидов алмаза из трубки Архангельской//Вестник Института геологии Коми НЦ УрО РАН,. 2011. №3. С. 2-6.
3. Макеев А.Б., Криулина Г.Ю. Металлические пленки на поверхности и в объеме кристаллов алмаза Архангельской и Якутской алмазоносных провинций. ЗРМО,№1. 2012. С. 101-114.
4. Криулина Г.Ю., Гаранин В.К., Васильев Е.А., Кязимов В.О., Матвеева О.П., Иванников П.В. Новые данные по строению алмазов кубического габитуса месторождения им.М.В. Ломоносова // Вестник Московского университета, сер. геология, 2012 (в печати).
5. Макеев А.Б., Криулина Г.Ю. Металлические пленки и включения на поверхности и в объеме кристаллов алмаза - класс реальных парагенетических минералов-спутников // Вестник Ин-та геологии Коми НЦ УрО РАН, 2011. № 6. С. 12-16
6. Веричев Е.М., Вержак В.В., Посухова Т.В., Палажченко О.В., Криулина Г.Ю., Кудрявцева Г.П., Гаранин В.К., Хачатрян Г.К. Минералогия алмаза из месторождений Архангельской кимберлитовой
провинции // Геология алмазов - настоящее и будущее (геологи к 50-летию г. Мирный и алмазодобывающей промышленности России). Изд-во ВГУ: Воронеж. 2005. С. 965-981.
7. Криулина Г.Ю., Кудрявцева Г.П. Минералогия алмазов из тр. Карпинского-1 месторождения им. М.В. Ломоносова и трубки им. В. Гриба месторождения им. В. Гриба. Материалы VII Междун. конф. «Новые идеи в науках о Земле». М.: 2005. Изд-во Университет книжный дом. Т.2. С. 211-216.
8. Криулина ГЛО. Сравнение морфологии архангельских алмазов и алмазов Урала и Тимана // Тез. докл. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о Земле», М., 2006. С. 244.
9. Ермакова Е.С., Криулина Г.Ю., Гасанов М.Д. Исследование алмазов Малоботуобинского и Далдыно-Алакитского кимберлитовых районов методом инфракрасной спектроскопии // Тез. конф. «Молодые - наукам о Земле», 2008. С. 201.
10. Кязимов В.О., Криулина Г.Ю. Сравнение алмазов различной кристалломорфологии из трубки Удачная// Тез. конф. Ломоносов - 2010, публикация на CD-диске.
11. Криулина Г. Ю., Васильев Е. А., Гаранин В. К. Сравнение округлых и плоскогранных алмазов из некоторых месторождений Якутии// Сборник материалов XI съезда РМО: «Современная минералогия от теории к практике». Санкт-Петербург, 2010. С.204-206.
12. Васильев Е. А., Гаранин В. К., Криулина Г. Ю. Внутреннее строение крупного кристалла алмаза в оболочке из кимберлитовой трубки «Юбилейная» // Сборник материалов XI съезда РМО: «Современная минералогия от теории к практике». Санкт-Петербург, 2010. С. 155-157.
13. Криулина Г.Ю., Кязимов В.О. Генетическая минералогия средне- и высокоазотных алмазов из кимберлитов НТТ // Тез. докл. Междун. научно-практической конф. аспирантов и молодых ученых памяти им. Карпинского, 2011 (на CD-диске).
14. Криулина Г.Ю., Макеев А.Б., Трубкин Н.В., Гаранин В.К. Минералогические особенности кристаллов алмаза из кимберлитовой трубки Архангельская // Матер, совещ. «Новые горизонты в изучении процессов магмо- и рудообразования» М.: ИГЕМ РАН, 2010. С. 426-427.
15. Васильев Е. А., Криулина Г. Ю., Гаранин В.К. Природа и генетическое значение слабых полос в спектрах ИК-поглощения алмазов // Доклады X Междун. конф. «Новые идеи в науках о Земле», РГГРУ.М.: Экстра-Принт, 2011. Т.1. С. 148.
16. Криулина Г.Ю. Генетическая минералогия алмаза из кимберлитов низкотитанистого типа // Доклады X. Междун. конф. «Новые идеи в науках о Земле», РГГРУ, М.: Экстра-Принт, 2011. Т. 1. С. 117.
17. Криулина Г.Ю., Васильев Е.А., Гаранин В.К. Структурные дефекты в алмазах Архангельской и Якутской алмазоносных провинций // Сборник публикаций по результатам III и IV ежегодных научных чтений им. Г.П. Кудрявцевой. М.: Изд. Институт прикладной минералоги, 2010. С. 93-103.
18. Копчиков М.Б., Криулина Г.Ю. Поисково-прогнозные и оценочные критерии месторождений алмаза Европейской части России // Сборник публикаций по результатам III и IV ежегодных научных чтений им. Г.П. Кудрявцевой. М.: Изд. Институт прикладной минералоги, 2010. С. 85-93.
19. Kriulina G.Y., Kyazimov V.O. New data on the structure of the cubic habit diamonds from the M.V. Lomonosov diamonds deposit (Archangelsk diamondiferous province, Russia) // Abstract of 10-th IKC (abstract- 133). 2012. Bangalore, India.
20. Garanin V.K., KriulinaG.Y., Vasiliev E.A., Garanin K.V. Diamonds structural characteristics from different petrochemical types of kimberlites // Abstract of 10-th IKC (abstract - 146) . 2012. Bangalore, India.
Подписано в печать: 09.01.12
Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 150 экз. Заказ № 7032 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Проспект Вернадского д.39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru
Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Криулина, Галина Юрьевна, Москва
61 12-4/53
Работа выполнена на кафедре минералогии Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова
На правах рукописи
Криулина Галина Юрьевна
КОНСТИТУЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЛМАЗА ИЗ МЕСТОРОЖДЕНИЙ АРХАНГЕЛЬСКОЙ И ЯКУТСКОЙ АЛМАЗОНОСНЫХ ПРОВИНЦИЙ
Специальность 25.00.05 - минералогия, кристаллография
Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
Научный руководитель:
доктор геолого-минералогических наук,
профессор Гаранин Виктор Константинович
Москва 2012
Оглавление
23
Введение 4 Глава 1. Краткая геологическая характеристика алмазоносных
кимберлитов Архангельской и Якутской провинций Ю
1.1. Геолого-структурная и тектоническая позиция месторождений алмаза Архангельской алмазоносной провинции 11
1.1.1. Золотицкое поле (месторождение им. М.В. Ломоносова) 14
1.1.2. Черноозерское поле (месторождение им. В. П. Гриба) 20
1.1.3. Возрастные аспекты алмазоносного кимберлитового магматизма 21
1.2. Геолого-структурная и тектоническая позиция месторождений алмаза Якутской алмазоносной провинции
1.2.1. Мирнинское кимберлитовое поле 26
1.2.2. Накынское поле 28
1.2.3. Алакит-Мархинское поле 3 0
1.2.4. Далдынское поле 33
1.2.5. Возрастные аспекты алмазоносного кимберлитового магматизма 34
1.3. Общие закономерности и особенности размещения алмазоносных кимберлитов Архангельской и Якутской алмазоносных провинций 36
Глава 2. Минеральный состав и алмазоносность кимберлитовых тел
Архангельской и Якутской алмазоносных провинций 40
2.1. Вмещающие породы 41
2.2. Мантийные ксенолиты 43
2.3. Минералы-спутники алмаза 47
2.4. Классификация кимберлитовых пород по петрохимическим типам 63
2.5. Классификация кимберлитовых пород по составу микрокристаллических оксидов основной кимберлитов массы 68
2.6. Минералогические факторы, определяющие фактическую алмазоносность кимберлитового тела 75
Глава 3. Объекты, методика и методы исследований 78
3.1.Объекты исследования 78
3.2. Методы и методика проведения исследований 79
Глава 4. Типоморфные особенности алмаза из месторождений Архангельской
и Якутской алмазоносных провинций 85
4.1. Минералогия алмаза 8 5
4.1.1. Алмаз из месторождений кимберлитов низкотитанистого типа 85
4.1.2. Алмаз из месторождений кимберлитов умеренно-титанистого типа 113
4.2. Особенности внутреннего строения и дефектно-примесного состава алмаза 120
4.2.1. Фотолюминесценция 121
4.2.2. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) 125
4.2.3. Спектроскопия в инфракрасном диапазоне длин волн 127
4.2.4. Механические свойства алмаза 139
4.3. Конституционные характеристики алмаза кубического габитуса из месторождения им. М.В. Ломоносова 143
Глава 5. Генетические и практические аспекты интерпретации полученных 152 результатов
5.1. Морфогенетические группы алмаза из месторождений Архангельской и 152 Якутской алмазоносных провинций
5.2. Конституционные характеристики и общие закономерности формирования 162 алмазов из кимберлитов низкотитанистого и умеренно-титанистого типов
Глава 6. Морфогенетические характеристики алмаза, минералогические и петрохимические особенности кимберлитов: анализ корреляционных связей и 170 алмазоносности
182
Заключение
184
Список цитируемой литературы
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
В пределах Архангельской и Якутской алмазоносных провинций известен широкий спектр кимберлитовых пород, отличающихся между собой петрохимическими и петрографо-минералогическими особенностями, но обладающих всеми главными типоморфными признаками кимберлитов. К настоящему времени благодаря работам (Афанасьев, 2000, 2011; Богатиков и др., 1999; Гаранин и др., 1986, 1991, 2009; Соболев и др., 1983, 1986, 2009; Коптиль, Зинчук, 2001, 2003; Харькив и др., 1998; Mitchell 1986; Smith et al, 1985, 2000) сложился позитивный опыт предварительной оценки потенциальной алмазоносности объектов на ранней стадии проведения геологоразведочных работ. Изучение соответствия реальной продуктивности (алмазоносности) промышленных месторождений в Якутской (ЯАП) и Архангельской (ААП) алмазоносных провинциях показывает связь конституционных особенностей и физических свойств кристаллов алмаза с геологической позицией и вещественным составом кимберлитов. Установлена возможность использования полученных результатов в качестве типоморфных признаков физико-химических условий образования и сохранности кристаллов алмаза из различных генетических типов, как поисково-оценочных критериев, при идентификации коренных источников алмаза из россыпей, а также в криминалистической практике. Разработаны теоретические основы синтеза и облагораживания алмаза (Вине, 2009, 2010, 2011): идет промышленное выращивание алмаза в системе металл-углерод, актуально моделирование условий нуклеации и роста алмаза в многокомпонентных системах карбонат-силикатного и др. составов (Litvin, 2007; Бобров и др., 2011 и др.). Полученные экспериментальные результаты позволяют по-новому подойти к интерпретации природных закономерностей алмазообразования, наблюдаемых в разных месторождениях.
В связи с этим актуальным является проведение сравнительного анализа новых данных о характеристиках алмаза и вмещающих их кимберлитов как для совершенствования генетических моделей алмазообразования, так и для установления новых критериев при поиске и добыче алмазного сырья.
Цель работы. Выявление взаимосвязи типоморфных характеристик алмаза из месторождений ААП и ЯАП, сложенных кимберлитами различных петрохимических типов, с комплексом минералого-петрохимических особенностей трубок для оценки алмазоносности кимберлитов и прогнозирования качественных характеристик алмаза.
Основные задачи исследований:
1. Обобщение опубликованных данных о геологической позиции, внутреннем строении и вещественном составе кимберлитовых тел ААП и ЯАП.
2. Изучение внешней морфологии, внутреннего строения, содержания, соотношения и распределения структурно-примесных дефектов в кристаллах алмаза из промышленных месторождений ААП и ЯАП. Выявление типоморфных признаков алмаза, отражающих условия их образования и сохранности.
3. Выявление взаимосвязи между типоморфизмом алмаза и комплексом минералого-петрохимических данных по каждому геологическому объекту, с учетом петрохимического типа кимберлита: низкотитанистого (НТТ) и умеренно-титанистого (УТТ).
Фактический материал, методы и объем проводимых исследований
Работа выполнена на кафедре минералогии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Минералогические исследования проб алмазного сырья из месторождений ААП и ЯАП проводились автором в Лаборатории месторождения алмазов кафедры минералогии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, на кафедре геммологии РГГРУ им.С. Орджоникидзе и на базе ЦСА «Севералмаз». Инструментальные исследования алмаза осуществляли на базе геологического и физического факультетов МГУ им. М.В. Ломоносова, ВИМС, ИГЕМ.
Объектом исследований явились представительные пробы алмазов из кимберлитовых трубок ААП (Архангельская, им. Карпинского-1, Снегурочка, им. Гриба) и ЯАП (Ботуобинская, Нюрбинская, Интернациональная, Мир, Удачная, Юбилейная, Комсомольская). Особое внимание уделялось кристаллам алмаза из трубки Архангельская, т.к. она является наиболее перспективной для отработки из всех тел месторождения им. М.В. Ломоносова (промышленная добыча алмазного сырья ведется с 2006 г.). Выполнено минералогическое описание для -10 тыс. кристаллов алмаза.
Для изучения конституции, внешней морфологии и внутреннего строения алмаза, особенностей его химического и изотопного состава, спектроскопических и других физических свойств алмаза перивлечены методы оптической и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), в том числе в режиме цветной катодолюминесценции (ЦКЛ), масс-спектроскопии и оптической спектроскопии в инфракрасной (ИКС), ультрафиолетовой (УФС) и видимой области, фотолюминесцентной спектроскопии (ФЛС, при возбуждении светом ксеноновой лампы в области длин волн 250-600 нм), и электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР).
Спектры ИК получены для 1500 кристаллов (от 50 до 200 спектров для алмазов из каждой трубки). Спектры ФЛ для 115 кристаллов. Изучено внутреннее строение более 500 кристаллов алмаза, в т.ч. с изготовлением пластин по плоскости (100) для 55 кристаллов из трубки Архангельская. Картины ЦКЛ получены для 95 кристаллов из трубок им. Карпинского-1, Снегурочка, им. Гриба, Архангельская. Характеристики по изотопному составу (813С) получены для 20 кристаллов. Разработан и заполнен электронный банк данных, который содержит результаты проведенных исследований, находящийся в Лаборатории месторождений алмаза. Научная новизна:
1. Получены новые данные о содержании и соотношении структурно-примесных дефектов и их распределении в октаэдрических и кубических секторах роста для кристаллов алмаза из трубки Архангельская.
2. Впервые установлено три генетических группы кристаллов для желтых и желто-оранжевых алмазов кубического габитуса из трубок месторождения им. М.В. Ломоносова, что вызывает необходимость уточнения их позиций в минералогической классификации Ю.Л. Орлова.
3. Проведено выделение морфогенетических групп алмаза, типоморфных для разно-ранговых объектов: трубка, месторождение, петрохимический тип кимберлита.
4. Впервые для месторождений ААП и ЯАП установлена приуроченность разных морфогенетических групп кристаллов алмаза к определенному петрохимическому типу кимберлитовых пород.
5. Выявлена корреляция между минералого-петрохимическими особенностями кимберлитов и конституционными характеристиками алмаза.
Практическая значимость
1. Расширен банк данных по минералогическим и спектроскопическим характеристикам алмаза из объектов ЯАП и ААП: трубки Интернациональная, Ботуобинская, Нюрбинская, Мир, Юбилейная, Удачная, Комсомольская, Архангельская, им. Карпинского-1, Снегурочка, им. Гриба, который может быть использован при поисках коренных источников алмаза.
2. Предложены критерии прогнозирования качественных характеристик алмазного сырья, на основе созданной группировки по совокупности минералого-петрохимических особенностей кимберлитов.
3. Установлены группы алмаза, обладающие наиболее высокими прочностными (твердость, прочность), технологическими (способность обрабатываться и обрабатывать)
и геммологическими (окраска, ее распределение в камне, чистота) характеристиками, приуроченные к определенному петрохимическому типу кимберлитов.
4. Рекомендуется учитывать возможность различного внутреннего строения одинаковых по внешнему облику кристаллов, их дополнительное исследование для улучшения технологического процесса при обработке алмазов.
5. Уточнены критерии, методы и алгоритм криминалистической идентификации источников отдельных кристаллов и партий алмазного сырья на основе морфогенетических и спектроскопических признаков.
6. Материалы диссертации используются в учебном курсе «Минералогия месторождений алмаза» на кафедре минералогии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Результаты исследований в настоящее время используются в практике прогнозно-производственных работ в компаниях АК «АЛРОСА», ОАО «Севералмаз». Данная работа выполнялась по программе проектов кафедры минералогии Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова: по государственным заказам «Изучение возможности определения источника происхождения единичных алмазов» (контракт № 2008/346 от 21.04.2008 г.), «Изучение химико-генетических классификационных признаков из основных месторождений России и создание соответствующей базы данных» (контракт № 2011/306 от 3.06.2011) и госбюджетной теме «Дискретность природного алмазообразования - фундаментальная основа эволюционных процессов в мантии» (20102013 гг.).
Защищаемые положения
1. Визуально однородные желто-окрашенные кристаллы алмаза кубического габитуса из месторождения им. М.В. Ломоносова характеризуются различным внутренним строением, составом и распределением структурно-примесных дефектов, что обуславливает их подразделение на три морфогенетические группы: 1) кубы с однородным строением, содержат дефекты в виде одиночных атомов азота и деформационные центры; 2) кристаллы с однородным внутренним строением дефектами в А- и С- форме и дополнительными пиками в диапазонах 1374-1354 и 33102945 см'1; 3) кубы с центральной зоной, образованной по тангенциальному или нормальному механизму роста, с различным распределением азота в С-, А-, В- формах.
2. Для кимберлитовых месторождений алмаза России выделены морфогенетические группы кристаллов алмаза, отличающиеся физико-химическими, термобарическими условиями и длительностью формирования. Для умеренно-титанистого типа кимберлитов (1,0<ТЮ2<2,5 мас.%) типичны безазотные, среднеазотные
7
высокоагрегированные группы; для низкотитанистого (ТЮг<1,0 мас.% ) - типичны умеренноазотные, высокоазотные низкоагрегированные и высокоазотные умеренноагрегированные; для обоих типов кимберлитов характерны низкоазотные, среднеазотные низкоагрегированные. Выявленные закономерности определяют алмазоносностъ и качество алмазного сырья.
3. 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 умеренно-титанистого 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 (2580%), что соответствует условиям длительного высокотемпературного отжига. Алмазы из кимберлитов низкотитанистого типа, (диапазон алмазоносности от ураганно-высокой до убогой), наоборот, имеют относительно пониженное качество, что обусловлено более низкотемпературными условиями образования и краткостью отжига.
Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Включает 192 страницы текста, 61 рисунок и 31 таблицу, а также список литературы из 165 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов.
Апробация работы
Материалы по теме диссертации опубликованы в 7 научных статьях, в т.ч. 3 в реферируемых журналах списка ВАК РФ и 11 тезисах.
Результаты работы доложены на Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (2005,2011), Международной конференции «Молодым в Науках о Земле» (2006, 2008), Годичном собрании РМО (2010), Всероссийской конференции «Новые горизонты в изучении процессов магмо- и рудообразования» (2010), Международной научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых памяти А. П. Карпинского (2011), 10-th International Kimberlite Conference, Bangalore (2012).
Благодарности
С благодарностью вспоминаю доктора геолого-минералогических наук Галину Петровну Кудрявцеву, которая открыла для меня мир алмазов.
Диссертант выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю и наставнику профессору, доктору геолого-минералогических наук В.К. Гаранину за его
руководство, помощь в осмыслении результатов, доверие и взаимопонимание.
8
Искреннюю благодарность выражаю своему первому учителю и наставнику в области минералогии алмаза к.г.-м.н. профессору РГГРУ Ю.П. Солодовой.
За поддержку данной работы благодарю заведующего кафедрой минералогии, профессора, д.г.-м.н. Д.Г. Кощуга и главного научного сотрудника, профессора, д.г.-м.н. A.C. Марфунина. Благодарность выражается ведущему научному сотруднику лаборатории петрографии ИГЕМ РАН д.г.-м.н. А.Б. Макееву за сотрудничество. Отдельная благодарность доценту кафедры минералогия к.г.-м.н. О.В. Кононову за информативные консультации и беседы в области алмазной геологии. За ценные советы и замечания автор благодарен сотрудникам НИГП AK «АЛРОСА». Автор глубоко признателен к.г.-м.н. A.B. Бовкун., к.г.-м.н. К.В. Гаранину, к.ф.-м.н. П.В. Иванникову, к.ф.-м.н. Ю.А. Клюеву, к.ф.-м.н. A.M. Налетову, д.г.-м.н. A.A. Ульянову, к.г.-м.н. Т.В. Посуховой, к.х.н. B.JL Скворцовой, Е.А. Седовой за полезные консультации, замечания и всестороннюю поддержку в процессе проведения научно-исследовательских работ и систематизации полученных результатов.
Глава 1. КРАТКАЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АЛМАЗОНОСНЫХ КИМБЕРЛИТОВ АРХАНГЕЛЬСКОЙ И ЯКУТСКОЙ ПРОВИНЦИЙ
В данной главе рассмотрены особенности геологического строения промышленно алмазоносных тел ААП: трубки месторождения им. М.В. Ломоносова, а также забалансовая трубка Снегурочка и месторождение им. В. Гриба. Среди промышленно алмазоносных тел ЯАП выбраны для сравнения трубки Мир и Интернациональная, Ботуобинская и Нюрбинская, Удачная, Юбилейная и Комсомольская.
Архангельская алмазоносная провинция (ААП) расположена на севере Европейской части России, занимая большую часть территории Архангельской области. В самом начале 80-х гг. было открыто месторождение алмаза им. М.В. Ломон
-
Криулина, Галина Юрьевна
-
кандидата геолого-минералогических наук
-
Москва, 2012
-
ВАК 25.00.05
- Алмаз из месторождений Архангельской алмазоносной провинции
- Алмазоносность россыпей северо-востока Сибирской платформы и перспективы поисков их коренных источников
- Типоморфные особенности алмаза Архангельской алмазоносной провинции
- Геологическое строение, минеральный состав и условия образования щелочно-ультраосновных пород Кепинской площади
- Геологические условия образования и разведка месторождения алмазов им. В.Гриба
