Pages Navigation Menu

ISSN 2227-6017 (ONLINE), ISSN 2303-9868 (PRINT), DOI: 10.18454/IRJ.2227-6017
ПИ № ФС 77 - 51217, 18+

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.65.016

Скачать PDF ( ) Страницы: 181-183 Выпуск: № 11 (65) Часть 3 () Искать в Google Scholar
Цитировать

Цитировать

Электронная ссылка | Печатная ссылка

Скопируйте отформатированную библиографическую ссылку через буфер обмена или перейдите по одной из ссылок для импорта в Менеджер библиографий.
Жимулев Е. И. МЕТАЛЛ-СУЛЬФИДНО-СИЛИКАТНЫЙ РАСПЛАВ КАК ВОЗМОЖНЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ ПРИРОДНЫХ АЛМАЗОВ / Е. И. Жимулев, В. М. Сонин, В. В. Лин // Международный научно-исследовательский журнал. — 2017. — № 11 (65) Часть 3. — С. 181—183. — URL: https://research-journal.org/geology/metall-sulfidno-silikatnyj-rasplav-kak-vozmozhnyj-rastvoritel-prirodnyx-almazov/ (дата обращения: 22.01.2019. ). doi: 10.23670/IRJ.2017.65.016
Жимулев Е. И. МЕТАЛЛ-СУЛЬФИДНО-СИЛИКАТНЫЙ РАСПЛАВ КАК ВОЗМОЖНЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ ПРИРОДНЫХ АЛМАЗОВ / Е. И. Жимулев, В. М. Сонин, В. В. Лин // Международный научно-исследовательский журнал. — 2017. — № 11 (65) Часть 3. — С. 181—183. doi: 10.23670/IRJ.2017.65.016

Импортировать


МЕТАЛЛ-СУЛЬФИДНО-СИЛИКАТНЫЙ РАСПЛАВ КАК ВОЗМОЖНЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ ПРИРОДНЫХ АЛМАЗОВ

Жимулев Е.И.1, Сонин В.М.2, Лин В.В.3

1ORCID: 0000-0003-3100-7195, доктор геолого-минералогических наук, 2доктор геолого-минералогических наук, 3инженер, ИГМ СО РАН Новосибирск

Работа выполнена в рамках проекта НИР № 0330-2016-0012

МЕТАЛЛ-СУЛЬФИДНО-СИЛИКАТНЫЙ РАСПЛАВ КАК ВОЗМОЖНЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ ПРИРОДНЫХ АЛМАЗОВ

Аннотация

В настоящем исследовании впервые реализован процесс травления синтетических  кристаллов алмаза при  4 ГПа, и 1400ºС в модельном гетерогенном растворителе: серосодержащем расплаве железа с добавлением кимберлита (Fe – 81 мас.%, S – 14%, кимберлит – 5%).

Установлено, что в процессе растворения кристаллы алмаза трансформируются в кривогранные индивиды октаэдрического габитуса. Установлено, что роль силикатных добавок (5 мас.%) заключается в локальном экранировании поверхности алмазов с формированием бугорков травления.

Ключевые слова: синтетический алмаз; металл-сульфидно-силикатный расплав, скульптуры растворения.

Zhimulyev E.I.1, Sonin V.M.2, Lin V.V.3

1ORCID: 0000-0003-3100-7195, PhD in Geology and Mineralogy, 2PhD in Geology and Mineralogy, 3Engineer, V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk

The work was carried out within the framework of the research project No. 0330-2016-0012

METAL-SULFIDE-SILICATE MELT AS A POSSIBLE SOLVENT OF NATURAL DIAMONDS

Abstract

In the present study, the process of etching synthetic diamond crystals at 4 GPa and 1400 °C for a model heterogeneous solvent was first realized in a sulfur-containing iron melt with the addition of kimberlite (Fe – 81 wt%, S – 14%, kimberlite – 5%).

It is established that during the dissolution process, diamond crystals are transformed into the curved individuals of the octahedral habit. It has been established that the role of silicate additives (5 wt%) is in the local screening of the surface of diamonds with the formation of etching bumps.

Keywords: synthetic diamond, metal-sulfide-silicate melt, dissolution sculptures.

Морфология природных алмазов из кимберлитов очень разнообразная, имеются находки индивидов иррегулярной формы с очень сложной морфологией. Особый интерес представляет механизм образования алмазов иррегулярной формы с такой сложной морфологией. Примером таких проявлений могут служить   псевдогемиморфные кристаллы, а так же поверхностные акцессории в виде дисковых скульптур и каверн [1, С.19]. Есть предположение, что  сложные иррегулярные формы алмазов могут формироваться при растворении в гетерогенной среде, например, в расплаве, состоящем их двух ликвирующих жидкостей с различной растворимостью углерода. В природных условиях такими жидкостями могут являться металл (сульфид) – силикатные расплавы [2, C. 707]. Как свидетельствуют  современные исследования, алмазы в глубоких горизонтах мантии могли кристаллизоваться в расплаве Fe-Ni-S в присутствие силикатных компонентов [3, C. 1404-1405].

Одним из методов познания является экспериментальное моделирование природных процессов. В настоящей работе представлены  результаты исследований,  полученных при растворении синтетических алмазов в железо-сульфид-силикатной системе при высоких Р-Т параметрах. Эксперименты проводили на беспрессовом многопуансонном аппарате типа “разрезная сфера” (БАРС), методика экспериментов достаточно детально приводится в работах[4, C. 206-207], [5, C. 416]. Параметры экспериментов: 4 ГПа, 1400ºС, длительность 1 час. Схема сборки ячейки высокого давления приведена на рис.1.  Для растворения использовали кристаллы алмаза октаэдрического габитуса, выращенные в системе Fe-Ni-C на затравку при высоких Р-Т параметрах [6, C. 240]. Вес синтетических кристаллов: 8.2 мг (кристалл №1) и 5.11 мг (№2) рис.2.

28-12-2017 14-55-08

Рис. 1 – Схема сборки ячейкм высокого давления (ЯВД)

1 – таблетка из MgO, 2 – втулка из MgO, 3 – смесь порошков железа, серы и кимбердита, 4 – кристалл алмаза, 5 – графитовый нагреватель, 6 – контейнер из тугоплавких оксидов

28-12-2017 14-57-05

Рис.2 – Исходный вид кристаллов алмаза (опитческие фотографии): а – кристалл №1, б – кристалл №2

 

В качестве основной среды для растворения алмазов применяли состав Fe – 80 масс.% (~70 ат.%); S – 20 масс.%. (~30 ат.%). К основному растворителю добавляли порошок кимберлита из трубок Нюрбинская и Удачная-Восточная (Якутия) с размером зерна менее 5 мкм. Химический состав образцов кимберлита (масс.%): SiO2 – 32.08 – трубка Нюрбинская (29.40 – трубка Удачная-Восточная), TiO2 – 0.47 (1.26), Al2O3 – 3.71 (2.34), FeO+Fe2O3 – 6.91 (9.21), MnO – 0.14 (0.15), MgO – 31.05 (32.00), CaO – 7.63 (8.78), Na2O – 0.47 (0.01), K2O – 1.74 (0.97), P2O5 – 0.31 (0.40), LOI – 16.18 (15.60), Сумма – 100.68 (100.12). Общий вес растворителя в опытах составлял 840 мг: Fe – 81 масс.%, S – 14%, кимберлит – 5%. Было проведено два опыта: с кристаллом №1 и кимберлитом из трубки Нюрбинская; и с кристаллом  № 2 и кимберлитом из трубки Удачная-Восточная.

Кристаллы алмаза в экспериментах испытали интенсивное растворение, о чем свидетельствуют значительные потери веса. Так, в опыте 1 кристалл №1 потерял 24%, После опыта 2- уменьшение веса кристалла составили следующие величины: №2 – 31%, СЭМ-фотографии алмазов после опытов представлены на рис. 3. Если на кристалле S-1 еще сохраняются плоские грани октаэдра, то на кристалле S-2 они проявлены в виде небольших реликтовых фрагментов, Таким образом, форма кристаллов алмаза при прогрессивном растворении в реализованных условиях трансформируется в октаэдроид. То есть кристаллы представляют собой кривогранные (округлые) индивиды, близкие к плоскогранной форме октаэдра.

 

28-12-2017 14-59-14

Рис.3 – СЭМ-микрофотографии кристаллов после опытов: а – кристалл №1, б – кристалл №2

 

В отличие от растворения в железо-сульфидной системе [7, C. 585], при котором характер поверхности растворения можно охарактеризовать как «кавернозно-бугорчатой», форма кристаллов из настоящего исследования осложнена присутствием специфических крупных бугорков и ямок травления (рис. 3). Специфические конусообразные бугорки на поверхности алмазов имеют также форму октаэдроида, как и сами кристаллы, причем с параллельной штриховкой у ребер. На вершинах этих бугорков травления часто присутствуют плоские возвышенности со сложными контурами. Мы полагаем, что вышеуказанные бугорки травления являются следствием гетерогенного строения расплава-растворителя, несмесимые компоненты которого имеют разную растворимость углерода. В наших экспериментах силикатные компоненты присутствовали в количестве всего 5 масс.%. Поэтому логично сделать вывод, что образование бугорков травления на алмазах происходило вследствие экранирования их поверхности каплями силикатного расплава.

В соответствие с моделью [3, C. 1404-1405] алмазы II типа по физической классификации кристаллизовались в переходной зоне мантии в карманах с расплавом Fe-Ni-S-C. Вместе с  углеродом,  имеющим субдукционное происхождение, погружающимся слэбом в мантию захватывалась и вода,  необходимая для частичного плавления пород и образования кимберлитов и лампроитов. Полагают, что основным источником H2O в погружающемся слэбе является серпентин [8, C. 356]. В тоже время серпентин разлагается с выделением H2O при высоком давлении уже при 700ºС. Поэтому, возможно, что в более глубокие горизонты мантии H2O транспортируется  в виде структурных примесей водорода и ОН-группы в номинально безводных минералах [9, C. 354].

Возможен и другой механизм привноса воды в глубинные горизонты мантии. Экспериментально установлено, что при разложении серпентина кристаллизуются оливин и ортопироксен с флюидными водными включениями, при этом содержание H2O достигает 2 масс.% по отношению к массе твердой фазы [10, C. 1277], [11, C. 317-318], и есть вероятность, что именно в виде включений в минералах H2O транспортируется в переходную зону мантии. Можно предположить, что поступление вещества с погружающимся слэбом вызывает не только частичное плавление пород, но и способствует проникновению расплавленных силикатов в металл-сульфидные карманы. При этом возникает недосыщение углерода в металл-сульфидных расплавах, и, как следствие, происходит растворение кристаллов алмаза. Именно среди алмазов II типа широко распространены иррегулярные алмазы, то есть индивиды со сложной морфологией кристаллов  [12, C. 770], [13, C. 25]. Кроме того, алмазы со сложной морфологией, дисковыми скульптурами и кавернами распространены в россыпных месторождениях с неопределенными или дискуссионными коренными источниками [14, С. 81].

Таким образом,  нами был экспериментально реализован процесс травления кристаллов алмаза при высоких Р-Т параметрах (4 ГПа, 1400ºС) в гетерогенном растворителе (серосодержащий расплав железа с добавлением природного кимберлита). Установлено, что в процессе растворения независимо от исходной формы кристаллы алмаза трансформируются в кривогранные индивиды октаэдрического габитуса. Роль силикатных добавок (5 масс.%) заключается в локальном экранировании поверхности алмазов с формированием бугорков травления, что придает кристаллам визуально сложную внешнюю морфологию.

Можно предположить, что морфологически сложная, иррегулярная форма природных алмазов обусловлена процессами растворения в мантии Земли в гетерогенных по составу средах. К наиболее вероятным таким средам относятся металл-сульфид-силикатные расплавы, обладающие несмесимостью компонентов с разными значениями растворимости углерода.

Список литературы / References

  1. Afanasiev V.P. Atlas of morphology of diamonds from Russian sources / V. P. Afanasiev, E.S. Yefimova, N.N. Zinchuk, V.I.  Koptil – Novosibirsk: SPC. UIGGM SB RAS,  2000. – 298 p.
  2. Kadik, A.A. Solution behavior of C-O-H volatiles in FeO-Na2O-SiO2-Al2O3 melts in equilibrium with liquid iron alloy amd graphite at 4 GPa and 1550ºC / A.A. Kadik, Yu.A. Koltashev, E.V. Kryukova, V.G. Plotnichenko, T.I. Tsekhonya, N.N. Kononkova, // Geochem. Inter. – 2014. – Vol.52. – № 9. – Р.707 – 725.
  3. Smith E.M. Large gem diamonds from metallic liquid in Earth’s deep mantle / E.M. Smith, S.B. Shirey, F. Nestola, E.S. Bullock, J. Wang,  S.H. Richardson,  W. Wang  // Science. – 2016. – Vol.35. – №6318. – P.1403 – 1405.
  4. Zhimulev E.I. Diamond crystallization in the Fe-Co-S-C and Fe-Ni-S-C systems and the role of sulfide-metal melts in the genesis of diamond / E.I. Zhimulev, A.I. Chepurov, E.F. Sinyakova, V.M. Sonin, A.А. Chepurov, N.P. Pokhilenko // Geochemistry International. – 2012. – Vol. 50. – №3. – P.205 –216.
  5. Zhimulev E.I. Effect of sulfur concentration on diamond crystallization in the Fe-C-S system at 5.3-5.5 GPa and 1300-1370ºC. / E.I. Zhimulev, V.M. Sonin, A.M. Mironov, A.I.Chepurov //  Geochemistry International. – 2016a. – Vol.54. – № 5. – P.415 – 422.
  6. Chepurov A.I. Experimental studies of diamond formation at high PT-parameters (supplement to the model for natural diamond formation). / A.I. Chepurov, I.I. Fedorov, V.M. Sonin // Geologiya i Geofizika. – 1998. – Vol. 39. – №2. – P.234 – 244.
  7. Zhimulev E.I. Fe-S melt as a likely solvent of diamond under mantle conditions. / E.I. Zhimulev, V.M. Sonin, V.P. Afanasiev, A.I. Chepurov, N.P. Pokhilenko // Doklady Earth Sciences. – 2016b. – Vol. 471. – №5. – P.583 – 585.
  8. Poli S. The transport of carbon and hydrogen in subducted oceanic crust: an experimental study to 5 GPa. / S. Poli, E. Franzolin, P. Fumagalli, A. Crotini. // Earth Planet. Sci. Lett. – 2009. – Vol.278. – P.350 – 360.
  9. Kohlstedt D.L. Solubility of water in the α, β and γ phases of (Mg,Fe)2SiO4./ D.L. Kohlstedt, H. Keppler, D.C. Rubie, //  Contr. Miner. Petrol. –1996. – Vol.123. – P.345 – 357.
  10. Chepurov A.I. Problem of water in the upper mantle: antigorite breakdown. / A.I. Chepurov, A.A. Tomilenko,  E.I. Zhimulev, V.M. Sonin, A.A. Chepurov,  N.V.  Surkov, S.V.  Kovyazin. // Doklady Earth Sciences. – 2010. –  Vol.434. – №1. – P.1275 – 1278.
  11. Chepurov A.I. The conservation of an aqueous fluid in inclusions in minerals and their interstices at high P-T parameters during the decomposition of antigorite. / A.I. Chepurov, A.A. Tomilenko, E.I. Zhimulev, V.M. Sonin, A.A. Chepurov,  S.V. Kivyazin, T.Yu. Timina, N.V. Surkov N.V.//  Rus. Geol. Geophys. – 2012. – Vol. 53. – P.305 – 320.
  12. Bowen D.C. On the unusual characteristics of diamonds from Letseng-la-Terae kimberlites, Lesotho / D.C. Bowen, R.D. Ferraris, C.E. Palmer, J.D.  Ward.  // Lithos. – 2009. – Vol. 112S. – P.767 – 774.
  13. Moore A.E. Type II diamonds: Flamboyant megacrysts? / A.E. Moore // S. Afr. J. Geol. – 2009. – Vol. 112. – P.23 – 38.
  14. Tappert R. Diamonds in Nature / R. Tappert, M.C. Tappert – A Guide to Rough Diamonds: Springer. – 142p.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.