ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 9, с. 73-85
УДК 553.81:553.25
МОРФОЛОГИЧЕСКОЕ И СУБСТРУКТУРНОЕ СТРОЕНИЕ ПРИРОДНЫХ КАРБОНАДО
© 2004 г. В. Ä. Петровский1, И. Карфункель2, М. Мартине2, В. П. Лштоев1, Ю. В. Глухов1,
Ä. Е. Сухарев1, В. Н. Филиппов1, Л. О. Магазина3
1 Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар, Россия 2 Federal University of Minas Gerais, Belo Horizonte, Brazil 3 Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 26.06.2003 г.
Приводятся результаты морфологического и субструктурного изучения микрокристаллических алмазных агрегатов - карбонадо из бассейна р. Макаубас (Macaubas), Бразилия. Спектроскопическими методами установлено присутствие двух типов дефектов карбонадо: одиночные атомы азота и пары азот + вакансия. Данные ЭПР, люминесценции и анализа состава фазовых включений указывают на отсутствие длительной термической истории у изученных карбонадо и, возможно, их разное происхождение. В карбонадо выявлены микровключения графита, лонсдеилита, чаоита, циркона, рутила, гематита, выделения металлов a-Fe, W, Cu, Ag, Zn, Al, и их сплавов Fe-Zr, Fe-Cr, Fe-Ni, Fe-Zn, Fe-Cr-Ti, Fe-Cu-Zn, Ti-Cu-Zn, Cu-Zn-Ni, Fe-Zn, Cu-Zn-Pb, Cu-Zn. Установленные минералы и минеральные ассоциации авторы относят к разным периодам геологической "биографии" карбонадо. Приводятся данные по изотопному соотношению углерода в карбонадо, которые выявили гетерогенность в накоплении 513C.
ВВЕДЕНИЕ
Уникальные свойства алмаза (как монокристаллов, так и поликристаллических его разновидностей) делают исследование этого минерала интересным и важным для разных областей науки и техники. Решение вопроса о происхождении и условиях образования алмазов является одной из актуальных проблем наук о Земле. Важным источником информации об условиях формирования и среды кристаллизации поликристаллических алмазов является изучение их поверхности, дефектов и примесей. Объектом настоящего исследования стала одна из мелкозернистых разновидностей природных алмазов - карбонадо. Термин карбонадо (черный алмаз) введен в 1840 г. бразильскими добытчиками.
К настоящему времени наиболее обстоятельно проанализированы бразильские карбонадо из штата Баия (Bahia), примыкающего к штату Ми-нас Жерайс (Minas Gerais) [1-4]. Существуют и защищаются представления об импактном образовании карбонадо [5], о метаморфическом [6], о коровом происхождении [7] и о кимберлитовом его генезисе [1]. В работе [8] обращено внимание на то, что большинство выдвигаемых гипотез базируется на непредставительном фактическом материале, а общие заключения делаются по данным различных методов в приложении к различным образцам.
По специфическим особенностям - сложению из мельчайших многочисленных кристалликов и их беспорядочному расположению, морфологии зерен, большому содержанию примесей и включений, облегченному составу углерода - карбонадо еще недавно был отнесен к разновидности алмаза некимберлитового генезиса [9]. Однако в последние годы карбонадо и мелкозернистые агрегаты алмаза найдены в кимберлитовых трубках в Южной Африке [10] и Западной Якутии [11, 12, 13, 14]. Более того, рентгеновские исследования свидетельствуют в пользу постепенных переходов между карбонадо и другими углеродсодер-жащими образцами близкими типу баллас и мелкими, различной дефектности, монокристаллами алмаза [11].
Авторами ведутся исследования карбонадо из алмазной россыпи Бразильской провинции, связанной с докембрийскими формациями в штате Минас Жерайс. Геологический очерк данного проявления (ассоциация алмаз-карбонадо) представлен в нашей работе [15]. Представляется, что с помощью данных о составе минеральных примесей (включений) в карбонадо можно получить ответ о генезисе данных минеральных форм алмаза и, возможно, определение формационной принадлежности коренных источников. При этом важно принимать во внимание, что минералогия и геохимия карбонадо из бассейна р. Макаубас еще не изучались.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Изучение образцов карбонадо проводилось на сканирующем электронном микроскопе JSM-6400 с энергодисперсионной приставкой Link IsIs-300 в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН. Препараты очищались в ацетоне на ультразвуковом диспергаторе и напылялись углеродом. Для анализа выбирались плоские площадки, точность анализа контролировалась высокой суммой компонентов, повторяемостью анализа в разных точках объекта. Некоторые минеральные фазы идентифицированы по электронограммам на просвечивающем электронном микроскопе Tesla BS-500.
Рентгеноструктурные исследования карбонадо проведены дебаевским методом. Анализировались рефлексы линий рентгеновского излучения Ка и Кв в области углов отражения 26 = 10°-150°. Спектры комбинационного рассеяния (КР) регистрировались на лазерном раман-спектрометре T64000 (фирмы Jobin-Yvon, Франция).
Электронный парамагнитный резонанс образцов карбонадо изучен на серийном радиоспектрометре SE/X-2547 (RadioPAN, Польша) в X-частотном диапазоне с ВЧ модуляцией 100 кГц при комнатной температуре. В целях сопоставления интенсивностей сигналов спектры пересчитывались на стандартную навеску образца в 50 мг. Для обработки и интерпретации спектров применялось моделирование спектров порошковых препаратов с помощью специальной программы Д. Нетара (D. Netar) и Дж.Дж. Виллафранка (J.J. Villafranca) [16].
Фотолюминесценция у образцов карбонадо возбуждалась излучением в линии 365 нм ртутной лампы ДРШ-250, отфильтрованным монохрома-
тором ДМР-4. Запись спектра фотолюминесценции производилась с помощью монохроматора SPM-2, ФЭУ-106. Спектры были получены при температуре образцов, близкой к 80 К. Поправка на спектральную чувствительность прибора не производилась. Изучение рентгеностимулированной люминесценции карбонадо проведено на установке, собранной на основе монохроматора AAS-1 (Carl Zeiss, Jena), рентгеновского аппарата УРС-1.0 (трубка БСВ-2, Fe-антикатод, 50 кВ, 14 мА) и блока электронной регистрации. Спектральный диапазон - 230-800 нм, температура образцов - комнатная, спектры корректировались на спектральную чувствительность прибора.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Нами было изучено 5 образцов (MGC0-MGC4, табл. 1) карбонадо из аллювиальных отложений бассейна р. Макаубас (штат Минас Жерайс). Образцы имели как естественные, так и сколотые поверхности. По данным рентгеноструктурных исследований образцы представляют собой поликристаллический агрегат мелких (1-10 мкм), хаотически ориентированных кристаллитов алмаза. Алмазная фаза в карбонадо обусловливает характерные для кристаллов алмаза интенсивные рефлексы на дебаеграммах (111), (220), (311), (400), (331). Кроме них наблюдаются дополнительные слабые рефлексы от других минеральных фаз. Так в образце MGC0 идентифицирован графит, в остальных образцах плюмбогуммит, в образце MGC3 присутствует также чаоит (табл. 1). Рассчитанный по набору рефлексов параметр элементарной ячейки алмаза во всех случаях ока-
Таблица 1. Минеральные ассоциации включений в бразильских карбонадо
Образец
Самородные минералы, металлы и их сплавы
Оксиды
Минеральные фазы (включения)
РЗЭ; актиноиды
MGC0
MGC2
MGC4
Алмаз*, графит*, муассо-нит (?), Al, a-Fe, Cu, Ag, Fe-Zr(?), Fe-Cr, Fe-Cr-Ti, Ti-Cu-Zn, Cu-Zn-Pb, Fe-Cu-Zn, Cu-Zn
Алмаз*, графит*, муассо-нит (?), лонсдейлит***
Алмаз*, чаоит*, графит**, Fe-Ni, Fe, Zn, Fe-Zn, Cu-Zn-Ni, Zn-Fe
Алмаз*, графит*
TiÜ2,
Fe2Ü3
TiÜ2,
Fe2Ü3
TiÜ2,
Fe2Ü3
TiÜ2, Fe2Ü3
Барит, хлорид натрия, хлорид калия, кремниевая фаза (кварц(?)), гематит, рутил**, циркон, кальцит, магнетит, пирит, вюрцит, сфалерит, каолинит**, аргентит, галенит, алюмофосфат, перовскит, Бг-, У-, Се-фостфаты (флоренсит, ксенотим, монацит), торианит, полевой шпат.
Хлорид свинца, ксенотим, циркон, рутил**, гематит, пирит, плюмбогуммит*, каолинит**, галенит, аргентит, мошелансбергит (А§2Н^з)**, флоренсит, перовскит, углеродная фаза +
Фосфат, рутил**, циркон, брукит**, гематит, У-фосфат (ксенотим), каолинит, глауконит*.
Монацит, рутил, гематит, барит, алюмофосфат, плюмбогуммит*, каолинит, алюмосиликат.
La, Sc,Y, Ce, Nd, Pr; Th, U
La, Ce, Sc, Nd; Th
Y, Id, Dy, Ho, Er, Yb; Th
La, Ce, Pr, Nd, Sm; Th
* Данные рентгеноструктурных исследований (аналитик Г.Н. Каблис).
** Данные ПЭМ (аналитик М.В. Горбунов).
*** Данные КР (аналитик Л.А. Михалицын).
Таблица 2. Изотопный состав карбонадо и кристаллов алмаза
Образец МОС 0 МОС 5/2-1 МОС 6/2 МОС 6/3 МОС 6/5 МОБ 10/18 МОБ 11/19 МОБ 11/20
513С, %% РББ -27.7 -26.2 -2.6 -24.6 -26.6 -6.25 -26.99 -17.7
Примечание. Стандартное отклонение 813С - 0.5%е, ошибка 813С = ±0.4%%. Аналитик М.И. Кучер, МГГА. Масс -спектрометр МИ-1305.
зался примерно на 1% большим, чем в макрокри-сталлическом алмазе. Наибольшее его значение зарегистрировано в образце МОС2. Соответствующее понижение рентгеновской плотности кристаллитов алмаза из карбонадо можно объяснить высоким содержанием в кристаллической решетке дефектов типа вакансий и азота.
Имеющиеся литературные данные по алмазам демонстрируют широкие интервалы значений 513С: от -34.4 до + 2.4%е [17]. При этом важно отметить, что распределение носит отчетливо выраженный полимодальный характер. С известной долей условности, весь интервал распределения изотопных составов углерода можно разбить на два ранга. Первый (0-10 513С) включает в себя популяцию алмазов, главным образом, ультраосновного парагенезиса. Второму рангу (10-40 513С) соответствуют составы, частотно менее выраженные, но от этого не менее значимые. В числе соответствующих алмазов изобилуют индивиды с включениями эклогитового парагенезиса. Очевидно, что полимодальный характер распределения, ясно выраженный специализацией алмазов на заведомо разные парагенезисы минеральных включений, нельзя статистически выразить ни значениями среднего арифметического, ни дисперсией, пригодных для случаев нормального и логнор-мального распределений. Согласно полученным данным (табл. 2) для карбонадо характерны подобные алмазам диапазон варьирования изотопных характеристик и, по-видимому, также полимодальный тип их распределения. Внутри
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.