Диссертация: Кристаллизация алмаза в карбонатных расплавах минералогического значения (эксперимент при 5.5-84.0 ГПа)

Актуальность исследований Экспериментальные исследования кристаллизации алмаза в расплавах-растворах многокомпонентных карбонат-углеродных и карбонат-силикат-углеродных систем были мотивированы поисками решения проблемы генезиса алмаза (Литвин и др., 1997, 1998; Sato et al., 1999; Литвин, Жариков, 1999, 2000; Akaishi et al., 2000; Шацкий и др., 2002; Spivak, Litvin, 2004; Сокол и др., 2004; Пальянов и др., 2005; Litvin, 2007; Шушканова, Литвин, 2008; Bobrov, Litvin, 2011). Выбор граничных составов экспериментальных систем был ориентирован на получение алмазообразущих сред, сопоставимых с вероятными для мантийных условий. При этом важна роль аналитических данных минералогии первичных включений в алмазах с глубин 150 - 250 км верхней мантии (Meyer, Boyd, 1968; Соболев, 1974; Navon et al., 1988; Schrauder, Navon, 1994; Wang et al., 1996; Титков и др., 2006; Klein-BenDavid et al., 2006, 2007; Zedgenizov et al., 2004, 2007; Logvinova et al., 2008). По результатам физико-химического эксперимента природные материнские среды, общие для алмазов и первичных включений, обоснованы как полностью смесимые карбонат-силикат-углеродные расплавы. В итоге развита мантийно-карбонатитовая модель генезиса алмаза (Литвин, 2009, 2013). Для многокомпонентных карбонат-углеродных и карбонатсиликат-углеродных (карбонатитовых) ростовых расплавов, подобных природным, экспериментально установлена высокая эффективность нуклеации и массовой кристаллизации алмазов. Выяснилось, что процессы кристаллизации «карбонат-синтетических» (КС) и «металлсинтетических» (МС) алмазов кинетически соизмеримы. Известно, что рост МС-алмазов из пересыщенных растворов углерода в расплавах тяжелых металлов (Fe, Ni, Mn, Co и др.) используется в их промышленном производстве. По оценкам, «карбонат-синтетические» алмазы отличаются от МС-алмазов по кристалломорфологии, реальной примесной структуре и физическим свойствам (Литвин и др., 1998, 1999; Ширяев и др., 2005). Для них характерны однородное секториальное строение кристаллов («октаэдрические» пирамиды роста), отсутствие металлических включений и примесей, специфические особенности дефектной структуры и др. В случае промышленного производства КСалмазов прогнозируемы позитивные экологические последствия из-за сокращения технологического использования тяжелых металлов. Актуальное значение приобретают кинетические исследования кристаллизации алмаза в карбонатных и карбонатно-силикатных расплавах-растворах углерода, подобных материнским средам природных алмазов. Ожидаемые результаты важны для синтетической химии и технологии синтеза алмазных материалов (для механообработки, электроники и др.), а также генетической минералогии алмаза, так как раскрываются физико-химические детали его происхождения. Актуальной в физико-химическом эксперименте становится и проблема происхождения «сверхглубинных» алмазов, вынесенных кимберлитовыми магмами с глубин 400 – 660 км переходной зоны (ПЗ) и 660 – 800 км нижней мантии (НМ) (Harte, Harris, 1994; Stachel et al., 2000; Kaminsky et al., 2001, 2009; Wirth et al., 2009). Эти исследования осуществимы при экстремально высоких давлениях и температурах, присущих ПЗ и НМ (с нижними сейсмическими границами при ~13 и ~23 ГПа, соответственно). В проблеме материнских сред алмазов ПЗ и НМ первостепенен вопрос о стабильности карбонатных расплавов в соответствующих РТ - условиях. Симптоматично, что карбонатные минералы - характерные включения в «сверхглубинных» алмазах. Для данного исследования интересна и специфика кристаллизации алмаза в экстремальных статических режимах.
Цель и задачи работы Главная цель настоящей работы состоит в экспериментальном исследовании физико-химических условий и макрокинетики кристаллизации алмаза в расплавах-растворах карбонат-углеродных систем в широком интервале давлений и температур, а также изучении физических свойств новых алмазных материалов. Ею определяются следующие основные задачи работы: 1. Исследование макрокинетических характеристик кристаллизации алмаза в многокомпонентных карбонат-углеродных расплавах-растворах в зависимости от РТ - параметров. 2. Поисковые исследования условий и оптимальных режимов начальных стадий роста единичных кристаллов алмаза на затравке в карбонат-углеродных расплавах-растворах. 3. Изучение фазовых отношений при плавлении простых и многокомпонентных карбонатов в РТ - условиях переходной зоны и нижней мантии Земли. 4. Получение нанополикристаллического алмазного материала в процессе прямого превращения сферического стеклоуглерода (источник углерода) с участием карбонатных и других химических веществ. 5. Изучение кристалломорфологических, механических и физических свойств полученных алмазных материалов.
Фактический материал Экспериментальные физико-химические и макрокинетические исследования роста «карбонат-синтетического» алмаза выполнялись автором в течение 2008–2012 гг. в Институте экспериментальной минералогии РАН на тороидном аппарате высокого давления типа «наковальня с лункой». Осуществлено более 80 индивидуальных экспериментов при давлениях Р = 5,5 – 8,5 ГПа и температурах T = 1400 – 1800°C в многокомпонентных карбонат-углеродных системах. Экспериментальные исследования фазового состояния карбонатных систем как потенциально базовых компонентов алмазообразующих сред выполнялись в 2012 - 2014 гг. в Баварском Геоинституте (Байройт, Германия). Более 65 экспериментов было проведено на аппаратах высокого давления типа многопуансонный пресс (P = 9,0 – 23,0 ГПа и T = 700 – 2400°C) и на аппарате с алмазными наковальнями и лазерным нагревом (P = 0,01 – 84,0 ГПа и T = 25 – 3000°C). Сюда также входят эксперименты по изучению кристаллизации наноалмазных материалов. Исследование физических свойств полученных алмазных материалов проводилось с использованием методов сканирующей электронной спектроскопии и микрорентгеноспектрального анализа (ИЭМ РАН), Рамановской спектроскопии (Баварский Геоинститут), ИК спектроскопии (ЦНИГРИ), фото- и катодолюминесценции (ИОФ РАН и ИФЗ РАН).