ГЕОЛОГИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, 2014, том 56, № 2, с. 160-168
УДК 549.211:548.4
ОБРАЗОВАНИЕ ВКЛЮЧЕНИЙ МЕТАСТАБИЛЬНОГО ГРАФИТА ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ АЛМАЗА В МОДЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
© 2014 г. Д. В. Нечаев, А. Ф. Хохряков***
*Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН 630090, Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 3 **Новосибирский государственный университет 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2 Поступила в редакцию 15.05.2013 г.
Исследованы включения метастабильного графита в алмазе, форстерите и ортопироксене, синтезированных в силикатно-карбонатно-флюидных и хлоридно-водных системах при давлениях 6.3—7.5 ГПа и температурах 1400—1600°C. Включения графита изучены с помощью оптической микроскопии и КР- спектроскопии. Установлено, что графит в алмазе и ликвидусных силикатных минералах представлен высокоупорядоченным графитом. В зависимости от параметров экспериментов включения графита имеют шестиугольную, неправильную полигональную и округлую форму. Проведено сопоставление формы включений с наличием метастабильного графита в продуктах экспериментов и с ранее полученной последовательностью кристаллизации фаз углерода. Обнаружено, что протогене-тические включения графита в алмазе имеют округлую форму, которая обусловлена растворением новообразованного графита. Полигональные включения графита являются сингенетическими и представлены метастабильным графитом, который кристаллизовался совместно с алмазом.
DOI: 10.7868/S001677701402004X
ВВЕДЕНИЕ
Морфологические особенности включений графита и характер их взаимоотношений с матрицей вмещающего минерала являются потенциальными индикаторами условий их образования. Согласно минералогическим (Harris, 1972; Bul-anova etal., 1998; Korsakov etal., 2010; Логвинова и др., 2011) и экспериментальным данным (Harris, Vance, 1972; Khokhryakov et al., 2009, Нечаев, Хохряков, 2013), включения графита в алмазе могут быть протогенетическими, сингенетическими или эпигенетическими. К протогенетическим включениям графита в природном алмазе относят включения, которые располагаются в центральной части кристаллов, имеют правильную шестиугольную форму и закономерно ориентированы относительно алмаза (Bulanova et al., 1998; Glinnemann et al, 2003). Предполагается, что центральные включения графита служили затравками при кристаллизации алмаза (Bulanova et al., 1998; Nasdala et al., 2005).
Графит часто встречается в составе полифазных микровключений в природном алмазе (Тит-ков и др., 2006; Логвинова и др., 2011). Считается, что микровключения являются сингенетическими и их состав отражает состав среды кристаллизации природного алмаза (Schrauder, Navon, 1994; Logvinova et al., 2008). Они особенно характерны
Адрес для переписки: Д.В. Нечаев. E-mail: nechaev@igm.nsc.ru
для кристаллов алмаза кубического габитуса (Зедге-низов и др., 2011), алмазов в оболочке (Israeli et al., 2001; Скузоватов и др., 2012) и иногда присутствуют в центральных зонах октаэдрических кристаллов (Логвинова и др., 2011). При большом количестве включений такие кристаллы алмаза приобретают темно-серый или черный цвет.
Эпигенетические включения графита обычно приурочены к трещинам вокруг минеральных и флюидных включений и всегда сопровождаются сильными напряжениями в окружающем алмазе (Harris, Vance, 1972; Khokhryakov et al., 2009). Экспериментальные исследования показали, что образование эпигенетических включений графита при атмосферном давлении происходит при температуре выше 900°С (Нечаев, Хохряков, 2013).
Кроме включений в алмазе, графит встречается в виде самостоятельных образований в ксенолитах эклогитов (Соболев, 1974; Robinson, 1979; Viljoen, 1995) и перидотитов (Pearson et al., 1994; Kaeser et al., 2007). Образование графитсодержа-щих минеральных ассоциаций относят к PT-па-раметрам термодинамической стабильности графита. В случае совместного нахождения в ксенолитах алмаза и графита предлагают более сложную историю формирования, включающую многократное изменение PT-параметров (Robinson, 1979). Таким образом, почти все гипотезы о происхождении как самостоятельных кристаллов графита, так и
Условия и результаты экспериментов по кристаллизации алмаза и графита
№ эксперимента Исходный состав системы (вес. %) P, ГПа T, °C t, час Фазы после эксперимента Кристаллизация полиморфов углерода
алмаз графит
1419О МБ^Ю4(45.6) + Ре^Ю4(5.1) + + МБСО3(13.3) + Н2О(4.5) 6.3 1400 40 Fo + OPx — +
1086А * КС1(20.1) + К2СО3(39.7) + + Н2О(40.2) + Ог 7.5 1500 15 KCl + K2CO3 + +
1054А * К2СО3(65) + Н2О(35) + Ог 7.5 1500 15 К2СОз + +
МН-1 №С1(74) + Н2О(26) + Ог 7.5 1600 40 NaCl + +
МЯН-2 ** Мб^Ю4(19) + Н2О(81) + Ог 7.5 1600 15 Ms + Co + -
ЯН-5 ** Si02(50) + Н2О(50) + Ог 7.5 1600 40 Co + -
СЯН-1 СаСО3(46) + МбСО3(33) + Si02(4) + + Н2С2О4 • 2Н2О(17) + Ог 7.5 1600 40 Do + Co + —
СЯН-2 Kimbeг1ite(81) + Н2С2О4 • 2Н2О(19) + + Ог 7.5 1600 40 Co + Ms + CPx + Do + —
Примечание. Ог — графит; Со — коэсит; Do — доломит; М8 — магнезит; Fo — форстерит; ОРх —ортопироксен; СРх — клино-пироксен; ЮтЬегШе — кимберлит из трубки Удачная, Якутия (КИокИгуакоу, Ра1'уапоу, 2007). * — согласно экспериментальным данным (Ра1уапоу вга1., 2007). ** — согласно экспериментальным данным (8око1, Ра1'уапоу, 2008).
макровключений графита в алмазе, основываются на том, что графит мог образоваться только в поле своей термодинамической стабильности до или после кристаллизации алмаза. Однако экспериментальные исследования последних лет по кристаллизации алмаза в неметаллических системах показали, что графит может кристаллизоваться и в поле термодинамической стабильности алмаза в широком интервале температур и давлений совместно с алмазом или без него (Уашаока вг а1, 2000, 2002; Ра1уапоу вга1, 2007, Ра1уапоу УШ., 8око1 А.О., 2009; Пальянов и др., 2010; БаЫеуа вга1, 2012; 8око1 вг а1, 2013). Экспериментально установлена последовательность кристаллизации фаз углерода с увеличением РТ-параметров (Сокол, Пальянов, 2004; Пальянов и др., 2005): нуклеация и рост ме-тастабильного графита ^ нуклеация и рост мета-стабильного графита + рост алмаза на затравочные кристаллы ^ нуклеация и рост кристаллов алмаза. Возможность кристаллизации графита в поле термодинамической стабильности алмаза экспериментально подтверждена обнаружением на алмазе индукционных поверхностей совместного роста этих фаз (Пальянов и др., 2000). Установлено также, что при повышении концентрации примесей, таких как азот или Н2О, в расплаве металлов кристаллизация алмаза в традиционных металл-углеродных расплавах сменяется кристаллизацией ме-тастабильного графита (Ра1уапоу вга1., 2010, 2012).
В настоящей работе проведены морфологические исследования включений метастабильного графита в алмазе и ликвидусных силикатных фа-
зах, полученных в силикатно-карбонатно-флюид-ных и хлоридно-водных системах при 6.3—7.5 ГПа и 1400—1600°С. Реконструированы условия их образования в модельных системах при мантийных РТ-параметрах. Полученные экспериментальные данные сопоставлены с существующими материалами по включениям графита в природных алмазах и других мантийных минералах.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Для исследования включений метастабильного графита в кристаллах алмаза и ликвидусных силикатных фазах были использованы результаты многочисленных экспериментов по моделированию природного алмазообразования, проведенных коллективом лаборатории экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса Института геологии и минералогии имени В.С. Соболева СО РАН. Из большой базы полученных данных отобраны эксперименты, в которых были выращены кристаллы алмаза, содержащие включения графита (таблица). Эксперименты были проведены на многопуансон-ном аппарате высокого давления "разрезная сфера" в силикатно-карбонатно-флюидных и хлорид-но-водных системах при 6.3—7.5 ГПа и 1400— 1600°С. Схема сборки ячейки высокого давления, порядок проведения экспериментов, а также калибровка температуры и давления были опубликованы в ряде более ранних работ (8око1, Ра1уапоу, 2008, Ра1уапоу вг а1, 2012, 8око1 вг а1, 2013). Особенности кристаллизации алмаза и фазовый состав продуктов опытов 1086А, 1054А, Ы8Н-2 и
Г
пучок лазера фокусировали с помощью линзы объектива Olympus LM Plan FLN 100х/0.80 (с рабочим расстоянием 0.2 мм и апертурой 0.80).
• •
А.
ь % *
(a)
w
С
4
Ч
к ' .А
40 мкм
Л
\
. 4е
(б)
• *
25 мкм
Фиг. 1. Включения графита в форстерите (а) и орто-пироксене (б) (эксп. 1419G).
SH-5 изучены в работах (Palyanov et al., 2007; Sokol, Pal'yanov, 2008). Фазовый состав полученных образцов в остальных экспериментах анализировали рентгенографически на дифрактометре ДРОН-3. Изучение включений графита в алмазе и ликвидусных силикатных минералах осуществляли на поляризационном микроскопе Olympus BX51. Исследование включений в кристаллах алмаза проводили через ростовую поверхность {111} граней, а из кристаллов форстерита и ортопирок-сена были изготовлены плоскопараллельные пластины толщиной 0.2—0.8 мм. Кристаллы метаста-бильного графита и агрегаты тонкодисперсного (закалочного) графита изучены с помощью растрового электронного микроскопа LEO 420. Идентификацию полиморфных модификаций углерода и определение их степени упорядоченности проводили методом спектроскопии комбинационного рассеивания света на многоканальном микроспектрометре Ramanor U1000 (Jobin Yvon), оснащенном ниодимовым лазером Millennia Pro2S на алюмоиттриевом гранате с длиной волны 532.5 нм и мощностью 2 Вт. Возбуждающий
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ
Условия и результаты проведенных экспериментов приведены в таблице. По наличию в продуктах опытов метастабильного графита и алмаза эксперименты разделены на три группы: (1) эксперименты без новообразованного алмаза; (2) эксперименты, в продуктах которых присутствовали алмаз и метастабильный графит; (3) эксперименты без метастабильного графита.
К первой группе относится эксперимент 14190, проведенный при минимальных РТ-параметрах (Р = 6.3 ГПа и Т = 1400°С). Роста на затравочных кристаллах и спонтанного образования алмаза не зафиксировано (таблица). Установлены только крупные ликвидусные кристаллы форстерита и ор-топироксена размером до 0.
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.