ГЕОЛОГИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, 2009, том 51, № 3, с. 261-271
УДК 509.211
СТРУКТУРНЫЕ ДЕФЕКТЫ В ПРИРОДНЫХ ПЛАСТИЧЕСКИ ДЕФОРМИРОВАННЫХ АЛМАЗАХ ПО ДАННЫМ ЭПР-СПЕКТРОСКОПИИ
© 2009 г. Р. М. Минеева, С. В. Титков, А. В. Сперанский
Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017, Москва Ж-17, Старомонетный пер., 35 Поступила в редакцию 05.08.2008 г.
Структурные дефекты, образующиеся при естественной пластической деформации в природных кристаллах алмаза, были изучены методом ЭПР-спектроскопии. Были записаны спектры коричневых, розово-коричневых, черно-коричневых, розово-фиолетовых и серых пластически деформированных алмазов типа !а из месторождений Якутии и Урала. Анализ данных ЭПР-спектроскопии позволил выявить разнообразные деформационные центры в структуре природных алмазов и показать, что под воздействием эпигенетических механических нагрузок происходила трансформация примесных азотных центров. В ходе этого процесса имело место разрушение распространенных А-центров, состоящих из двух изоморфных атомов азота в соседних структурных позициях, с образованием целой серии разнообразных азотсодержащих центров - N1, N4, W7, M2, M3. Характерными особенностями таких центров, связанными с механизмом их формирования, является анизотропия пространственного распределения и положительный заряд. Кроме того, во всех пластически деформированных алмазах образовывались центры N2 (предположительно, деформационные дислокации, декорированные азотом) и в некоторых - W10 и W35 (модели окончательно не выяснены). Было установлено, что алмазы с различными типами деформационных окрасок содержат характерные ассоциации данных деформационных центров. Выявленное разнообразие ассоциаций деформационных центров свидетельствует о заметных вариациях условий дезинтеграции глубинных пород, транспортировки алмазов к поверхности Земли и формирования кимберли-товых месторождений. В зависимости от условий механического нагружения пластическая деформация кристаллов алмаза происходила либо по механизму скольжения дислокаций, либо по механизму механического двойникования. Характеристические признаки пластической деформации по механизму скольжения дислокаций - это существенное преобладание центров N2 над другими деформационными центрами и присутствие высокоспиновых центров - W10 и W35. Признаки реже встречающейся пластической деформации по механизму механического двойникования - это необычная локализация центров М2 и, в некоторых случаях, центров N1 в микродвойниковых ламелях.
В работе также обобщены многочисленные данные о моделях деформационных центров в структуре природных алмазов, в том числе о структуре впервые наблюдавшихся в изученной коллекции центров М2 и М3.
ВВЕДЕНИЕ
Пластически деформированные кристаллы алмаза широко распространены на всех известных к настоящему времени кимберлитовых и лампроито-вых месторождениях. Экспериментально было установлено, что алмаз, являющийся хрупким веществом при обычных условиях, при температурах выше 1200°С переходит в пластичное состояние (^Шз, Wilks, 1991). В природных условиях пластическая деформация алмаза, очевидно, происходила под воздействием механических нагрузок, возникающих в процессе дезинтеграции глубинных пород и транспортировки алмазов к поверхности Земли кимбер-литовыми и лампроитовыми магмами (Орлов, 1984; Wilks, Wilks, 1991). Содержание пластически деформированных кристаллов в различных кимберлитовых и лампроитовых трубках колеблется в широких
Адрес для переписки: С.В.Титков. E-mail: titkov@igem.ru
пределах и является важной характеристикой конкретного месторождения. Возникающая при этом деформационная коричневая окраска существенно снижает ценность алмазов, а редкие розовая и фиолетовая окраски, наоборот, значительно ее повышают. В оптических спектрах поглощения коричневых алмазов наблюдается непрерывное поглощение, интенсивность которого монотонно возрастает от красного до синего края видимого спектра (Орлов, 1984; Wilks, Wilks, 1991; Collins, 2001). Хотя природа этого поглощения является в настоящее время предметом активных дискуссий, многие авторы считают, что оно обусловлено деформационным центром N2 (Щербакова и др., 1975). Розово-фиолетовая окраска алмазов обусловлена присутствием в их спектрах поглощения полосы с максимумом в области 550 нм, которая связана, по-видимому, с деформационным центром М2 (Titkov et al, 2008).
В результате пластической деформации в кристаллах алмаза образуются различные деформационные линейные и объемные дефекты: дислокации разных типов и конфигураций с плотностью 1051012 линий/cM2, плоскости скольжения по {111}, ра-зориентированные микроблоки (Lang, 1979; Wilks, Wilks, 1991; Титков и др., 1991), микродвойниковые ламели с плоскостью двойникования по {111} (Mineeva et al., 2007). При этом возникают и разнообразные точечные дефекты структуры, одним из наиболее эффективных методов изучения которых является электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Состав и строение многочисленных деформационных дефектов, наблюдаемых в природных пластически деформированных алмазах с помощью ЭПР, были предметом длительного обсуждения с начала 60-х годов XX в. В последние десятилетия был достигнут значительный прогресс в выяснении моделей этих дефектов, в значительной степени благодаря применению двойного электронно-ядерного резонанса (ДЭЯР) (Baker, Newton, 1995). Однако эти прецизионные физические исследования проводились лишь на нескольких модельных кристаллах, происхождение которых не было известно.
Целью настоящей работы было исследование распространенности, ассоциаций и механизма образования структурных точечных дефектов в природных алмазах с различными типами деформационных окрасок из конкретных месторождений с помощью ЭПР. В ней приведены новые данные и обобщены ранее опубликованные результаты изучения представительной коллекции природных пластически деформированных алмазов из отечественных месторождений Якутии и Урала. В статье также проанализированы многочисленные литературные данные по моделям деформационных дефектов.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Было изучено около 300 пластически деформированных кристаллов алмаза массой 0.1-3.0 карата из кимберлитов Якутии и из россыпей Урала. Наиболее детально деформационные дефекты, включая анализ угловых зависимостей их спектров, были изучены в имеющихся в нашем распоряжении более крупных якутских кристаллах, не привязанных к определенным трубкам. Затем были исследованы более мелкие пластически деформированные алмазы, для которых были известны конкретные источники - кимберлитовые трубки Интернациональная, Дачная (Мирнинское кимберлитовое поле), Юбилейная, Айхал, Комсомольская (Алакит-Мархин-ское поле), Удачная (Далдынское поле) и Нюрбин-ская (Накынское поле) (Минеева и др., 2006; Минее-ва и др., 2007). Изученные алмазы были окрашены в коричневый, черно-коричневый, розово-коричневый, серый и бледный розово-фиолетовый цвета. Отдельно была изучена уникальная коллекция до-
статочно интенсивно окрашенных розово-фиолетовых кристаллов алмаза, специально отобранных из кимберлитовой трубки Интернациональная (Mineeva et al., 2007; Titkov et al., 2008). Окраска розово-фиолетовых кристаллов была строго приурочена к ла-мелям по {111}, которые как было показано нами ранее (Mineeva et al, 2007), являются механическими микродвойниками. Окраска коричневых алмазов часто была сконцентрирована вдоль плоскостей скольжения по {111}, хотя встречались и равномерно окрашенные кристаллы и кристаллы, у которых более интенсивно были окрашены отдельные области (как правило, у вершин). Кристаллы из якутских месторождений представляли собой в различной степени искаженные октаэдры, псевдоромбододекаэдры, образованные в результате растворения или антискилетного развития октаэдров, и комбинационные формы. На их поверхностях наблюдалась параллельная и сноповидная штриховки, микроблочная, каплевидная и другие типы скульптур. На октаэдрических поверхностях некоторых кристаллов находились цепочки тригонов травления, расположенные вдоль плоскостей {111}. Для всех розово-фиолетовых кристаллов была характерна параллельная штриховка при очень незначительном развитии сноповидной штриховки. Это свидетельствует о том, что они почти не испытали воздействия процессов эпигенетического растворения (Орлов, 1984).
Кристаллы из россыпей Урала с неустановленным источником представляли собой искаженные округлые псевдоромбододекаэдры с гранными швами, образованные в процессе эпигенетического растворения. Для них были характерны почти гладкие поверхности. Они были равномерно окрашены в коричневый и розово-коричневый цвета.
В поляризованном свете у всех пластически деформированных кристаллов наблюдались характерные картины аномального двупреломления с микроблочным узором и объемными напряжениями, у некоторых - линиями скольжения, механическими микродвойниками. У большинства изученных алмазов также наблюдались признаки хрупких деформаций - трещины по спайности по {111} и объемные незакономерные трещины, а на поверхности некоторых кристаллов - значительные сколы. Часть таких дефектов может иметь техногенное происхождение.
По физической классификации алмазов (Орлов, 1984; Wilks and Wilks, 1991) изученные кристаллы, как свидетельствуют данные ИК-спектроскопии, относятся к типу Ia, т.е. содержат азотные дефекты А, В и плейтлетсы, причем в большинстве образцов дефекты А преобладают (т.е. кристаллы относятся к типу IaA).
Используемый в настоящей работе метод ЭПР-спектроскопии, как известно, позволяет непосредственно идентифицировать атомы, образующие парамагнитный центр (структурный дефект, содер-
жащий неспаренные электроны), и их взаимное расположение в структуре (Бершов и др., 1985). Спектры ЭПР регистрировались на спектрометре "Varian E-115" (Varian, USA) при комнатной температуре. Частота приложенного СВЧ-излучения составляла 9.3 ГГц (Х-диапазон), частоты модуляции -100 и 25 кГц. Напряженность магнитного поля при записи спектров изменялась в диапазоне 0-0.8 Тл. Измерения величины магнитного поля осуществлялись с помощью гауссметра "E-500 NM
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.