ГЕОХИМИЯ, 2007, № 4, с. 450-455
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АЛМАЗОВ С СИЛИКАТНЫМИ
РАСПЛАВАМИ В СРЕДЕ ВОДОРОДА
© 2007 г. В. М. Сонин, Е. И. Жимулев, В. П. Афанасьев, И. И. Федоров, А. И. Чепуров
Институт геологии и минералогии СО РАН 630090 Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3 e-mail: sonin@uiggm.nsc.ru Поступила в редакцию 13.02.2006 г.
Кристаллы алмаза из разных коренных источников обладают определенными наборами типо-морфных особенностей, определяемых как условиями роста (физические, структурные, состав микропримесей и т.д.), так и постростовыми изменениями, которые наиболее ярко выражены в морфологических изменениях кристаллов (формы растворения) [1]. Убедительным доказательством возникновения тех или иных макро- и микроморфологических особенностей кристаллов в результате растворения является искусственное воспроизведение их аналогов [2, 3]. Наиболее дискуссионным долгое время оставался вопрос о генезисе округлых алмазов, которые впоследствии были получены при травлении исходно плоскогранных кристаллов в силикатном расплаве при высоком давлении в присутствии водно-углекислого флюида [4, 5]. В настоящее время актуальными становятся задачи не только воспроизведения природных форм и скульптур на кристаллах алмаза в процессах травления, но и определение граничных физико-химических условий их проявления.
По современным представлениям, алмазы из основных коренных источников - кимберлитов (лампроитов) - кристаллизовались в мантии. Мантия Земли неоднородна по окислительно-восстановительному потенциалу и флюидному режиму. При достаточно высоких значениях фу-гитивности кислорода состав флюида соответствует преобладанию Н20 и С02 и условиям устойчивости карбонатных фаз, но имеются данные о существовании в мантии областей с низкой фугитивностью кислорода и соответственно с преобладанием Н2 и СН4 во флюиде, что соответствует условиям устойчивости свободного углерода [6-11]. Генерация магм может происходить как в условиях существования водород-метанового, так и водно-углекислого флюида, что, вероятно, должно сказываться на постростовых изменениях кристаллов алмаза при их транспортировке в верхние горизонты литосферы. Вместе с тем устойчивость и особенности травления алмазов в
силикатных расплавах в присутствии флюида водород-метанового состава не изучались, хотя известно, что до температуры, по крайней мере, 1300°С водород не взаимодействует с алмазом в отсутствие катализаторов - переходных металлов (элементов с недостроенной ^оболочкой) в свободном состоянии [12, 13]. Имеются данные, что взаимодействие алмаза с расплавами карбонатов и гидроокисей щелочных металлов в атмосфере водорода отсутствует [14].
Травление алмазов в силикатных расплавах, в первом приближении, может быть смоделировано при атмосферном давлении. Настоящее сообщение посвящено результатам экспериментальных исследований взаимодействия кристаллов алмаза с силикатными расплавами в среде водорода с целью оценки возможности проявления процессов травления алмазов в естественных системах в восстановительных условиях.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Эксперименты выполнены в специально изготовленной микротермокамере с внутренним нагревом, водяным охлаждением и окном для визуального наблюдения по методике, опубликованной раннее [15]. Нагреватель изготовлен из молибденовой проволоки. Микротермокамера снабжена '-Яе термопарой. Точность измерения температуры составляла ±5°С. Образец помещался на керамической подставке в центре нагреваемого объема. Наблюдение за процессом осуществляли с помощью бинокулярного микроскопа МБС-9.
Исследование проводили с природными и синтетическими кристаллами алмаза октаэдрическо-го габитуса весом 10-20 мг. Синтетические алмазы выращены при параметрах термодинамической стабильности методом перекристаллизации в системе Бе-№-С по методике, изложенной в монографии [16].
В качестве травителей алмаза использовали расплав природного базальтового стекла состава
(вес %): SiO2-47.0; TiO2-2.20; Al2O3-16.3; Fe2O3-3.79; FeO-8.12; MnO-O.15; CaO-6.4; MgO-4.55; Na2O-5.69; K2O-5.0 и искусственный расплав состава: Na2O-20; B2O3-40; SiO2-40. Последний состав приготовлен сплавлением из предварительно просушенных реактивов марок о. с. ч (SiO2, Na2CO3) и ч. д. a (B2O3).
С целью устранения проблемы ампулы для образцов, поскольку эксперименты проводили в резко восстановительных условиях, частички силикатного стекла помещали непосредственно на грань кристалла алмаза. В процессе опытов силикатное стекло расплавлялось и находилось на кристаллах в виде капель. Визуальное наблюдение позволяло непосредственно оценивать степень взаимодействия алмаза с силикатным расплавом. Эксперименты проведены в проточных условиях: водород, который получали с помощью генератора СГС-2, поступал в термокамеру с скоростью 3 л/час. Для получения влажного водорода его пропускали перед микротермокамерой через дистиллированную воду при комнатной температуре (парциальное давление водяного пара -.3 х 10-2 кПа).
Опыты проведены при 1100°С, длительностью до 60 мин, но через каждые 10-15 мин образцы закаливали для детального изучения при большом увеличении на микроскопе МБС-15. Кристаллы алмаза изучали также с помощью сканирующего электронного микроскопа LEO 1430VP с энергодисперсионной приставкой EDX "OXFORD" в режиме Back scattering.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В случае использования искусственного безжелезистого силикатного стекла, приготовленного сплавлением компонентов на воздухе, при подъеме температуры в течение 15 мин в атмосфере сухого водорода под каплей расплава по всей площади контакта с алмазом появлялись многочисленные мелкие газовые пузыри. После выхода на заданную температуру пузыри укрупнялись и лопались. Образование пузырей происходило, вероятно, вследствие присутствия в силикатном стекле воздуха, захваченного расплавом в процессе приготовления исходных стекол. В течение опытов наблюдали одновременно 1-3 газовых пузыря с временем существования до 5 мин. В повторных нагреваниях кристалла алмаза с силикатным корольком, переплавленным в атмосфере водорода, газовые пузыри в силикатном расплаве не образовывались.
После экспериментов (1 час) изменения веса и морфологии поверхности кристаллов не зафиксировано. Грани оставались блестящими как под силикатным расплавом, так и на площади, сво-
бодной от него, то есть следов травления алмаза не обнаружено. Поверхность силикатного королька, посредством которой капля контактировала с гранью кристалла, также оставалась ровной и блестящей с отпечатками неровностей и микроморфологических скульптур, присутствовавших на грани до опытов.
В среде влажного водорода результаты экспериментов абсолютно аналогичны предыдущей серии. Таким образом, силикатный расплав состава Na2O-B2O3-SiO2 не взаимодействует с алмазом и в присутствии влажного водорода.
В системе базальт-водород получены принципиально отличные от предыдущих серий экспериментов результаты, что обусловлено присутствием железа в составе силикатного расплава. Железо в атмосфере водорода восстанавливается из расплава до свободного состояния. На поверхности силикатных корольков оно присутствовало в виде пластинчатых выделений шестиугольной формы и мельчайших частичек, сгруппированных в "конвективные струи". Под относительно крупными (десятые доли миллиметра и более) каплями силикатного расплава на гранях кристаллов алмаза формировались каверны неправильной формы. Глубина каверн зависела от длительности опытов.
Энергодисперсионные спектры частичек силикатного стекла доказывают имевшую место в процессе опытов дифференциацию состава силикатного расплава, восстановление и сегрегацию железа. На рис. 1 в качестве примера представлено изображение среза "королька" базальтового стекла, застывшего непосредственно на грани кристалла алмаза после десятиминутного эксперимента, и энергодисперсионные спектры различных его участков. Светлые участки на срезе "королька" соответствуют выделениям железа. То есть, дифференциация базальтового расплава под воздействием водорода происходит уже в первые минуты опытов, что более наглядно видно на рис. 2.
В случаях нанесения базальта на поверхность алмаза в виде более мелких частиц (порошка) зафиксировано образование плоскодонных ямок травления сложной конфигурации. Интересно, что отдельно расположенные ямки травления имели часто треугольную форму, с контурами, обратно параллельными контурам октаэдриче-ских граней (рис. 3). Некоторые ямки травления приобретали треугольную форму со срезанными углами или шестиугольную форму. В каждой ямке присутствовал шарик застывшего силикатного расплава. Наблюдалось соответствие размеров шариков с линейными размерами ямок травления: чем больше ямка, тем крупнее находящийся в ней силикатный шарик. Кроме того, размеры и
* 1 . л* ■
л
2
' я
3Spectrum 3
н - 200 мкм 11 1
Fe
Fe
Fe
Ш
0 2 4 Би11 Scale 848 cts
10 кеУ
Са о А1
Т1 Mg Fe
Na
и«
81
К°а
Fe
Fe
024 Би11 Sca1e 683 Сз
Fe Mg
81
8 10 keV
3Spectrum 3
Fe
И
024 Би11 Sca1e 448 Сз
10 keУ
1
6
2
о
С
6
8
6
8
Рис. 1. Изображение и энергодисперсионные спектры пришлифованного королька базальта, сплавленного на грани алмаза в среде водорода при 1100°С в течение 10 минут.
глубина ямок травления зависели и от длительности экспериментов. Например, на одном кристалле в одном цикле после 15 мин линейные размеры и глубина ямок достигали соответственно 0.04 и 0.2 мм, а после 60 мин - 0.08 и 0.42 мм.
Несмотря на внешнее сходство, образующиеся в данных условиях ямки травления имеют некоторые отличия от тригонов, известных на природных алмазах: во-первых, они все плоскодонные, а на природных алмазах даже на одном кристалле обычно присутствуют ямки разных типов (пирамидальные, пирамидальные с усеченной вершиной); линейные контуры с увеличением размера нарушаются; дно ямок только в первом приближении плоское, но, как правило, состоит из нескольких фрагментов с извилистыми границами.
Таким образом, травление алмазов железосодержащим силикатным расплавом обусловлено взаимодействием с железом, восстанавливающемся из расплава в среде водород
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.