Возможные алмазообразующие среды Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»
Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Бутвина Валентина Григорьевна
В статье приводится обзор возможных алмазообразующих сред , используя известные экспериментальные данные из литературы.
Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Бутвина Валентина Григорьевна
Possible diamondiferous melts
The article presents the overview of possible diamondiferous melts, using experimental data from the literature.
Текст научной работы на тему «Возможные алмазообразующие среды»
POSSIBLE DIAMONDIFEROUS MELTS
Butvina Valentina Grigorievna, candidate of geologic-mineralogical sciences, scientific researcher, Institute of experimental mineralogy RAS, Chernogolovka, Moscow district, but-
Abstract. The article presents the overview of possible diamondiferous melts, using experimental data from the literature.
Keywords: diamondiferous melt, experimental data, silicate melt, carbonate melt, sulfide melt
ВОЗМОЖНЫЕ АЛМАЗООБРАЗУЮЩИЕ СРЕДЫ
Бутвина Валентина Григорьевна, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник, Институт экспериментальной минералогии РАН, butvina@iem.ac.ru
Аннотация. В статье приводится обзор возможных алмазообразующих сред, используя известные экспериментальные данные из литературы.
Ключевые слова: алмазообразующая среда, экспериментальные данные, силикатный расплав, карбонатный расплав, сульфидный расплав
Состав алмазообразующей среды может быть самым разнообразным, исходя из природных данных (Соболев, 1974; Буланова и др., 1982; Meyer, 1985; Гаранин и др., 1991; Schrauder, Navon, 1994 и др.). Тем не менее, только с помощью экспериментов можно утверждать, что расплав данного состава может быть материнской алмазообразующей средой.
Силикатные расплавы. В первую очередь можно предположить, что силикатные расплавы-растворы являются алмазообразо-вателями, но экспериментальным данные по кристаллизации алмаза в силикатных расплавах при высоких давлениях показывают, что чисто силикатные расплавы непродуктивны при формировании алмаза. Р.Х. Венторф (Wentorf, 1966) показал, что растворимость графита при 6.0 ГПа и 1400-16000С в расплавах водосодержащих силикатов составляет 1 мас. %. Он отнес эти расплавы к «графитпроду-цирующим» растворителям углерода, т.е. обнаружил, что в поле термодинамической стабильности алмаза в углерод-силикатных системах при наличии температурного градиента происходит перекристаллизация углерода в виде графита. А.И. Чепуров и В. М. Сонин (1987) попытались синтезировать алмаз в расплаве щелочного базальта при 5.0-5.5 ГПа и 1250-13500С. Независимо от температуры и продолжительности экспериментов в продуктах опытов
присутствовали кристаллы клинопироксена и граната (эклогитовая ассоциация). Как и в системе «сухой» силикат-углерод, так и в системе силикат-вода-углерод при Р-Т условиях стабильности алмазной фазы образовывался перекристаллизованный графит, но не алмаз независимо от характера источника углерода (графит или алмаз). Последующие эксперименты в системе углерод-силикат (Ari-ma et al, 1993; Борздов и др., 1999) показали, что в условии термодинамической стабильности алмаза кристаллизуется все же мета-стабильный графит, растворителем которого являются силикатные расплавы-растворы. Тем не менее, участие силикатов в генезисе алмазов совершенно очевидно: они являются частью мантийной среды, в которой протекают алмазообразующие процессы. Свидетельством тому служат первичные включения минералов двух главных парагенезисов алмазоносных пород - перидотитового и эклогитово-го (Соболев, 1974).
Карбонатные и карбрнатно-силикатные расплавы. Первые синтезы алмаза в карбонатных системах CaCO3-C, MgCO3-C, SrCO3-C были реализованы при 7,7 ГПа и 21500С (Akaishi et al., 1990). В работе Танигучи (Taniguchi et al., 1996) был синтезирован алмаз при более низких параметрах, но при этом карбонат не плавился, т.е. не участвовал в качестве растворителя углерода. Литвиным (Литвин, 1998; Литвин и др., 1997, 1999, 2001; Литвин, Жариков, 1999, 2000) был осуществлен синтез алмаза в системе K2O-Na2O-CaO-MgO-FeO-CO2-C при 7.0-9.0 ГПа и 1650-1800 0С. Известны успешные синтезы алмаза в карбонат-углеродном растворе-расплаве другого состава при более низких параметрах 5.7-7.0 ГПа и 1100-1800° (Пальянов и др., 1998; Сокол и др., 1998; Sokol et al., 2001; Pal’yanov et al., 1999, 2002A; Akaishi et al., 2000; Arima et al., 2002; Do-brzhinetskaya et al., 2004). Борздов и др. (1999) провели эксперименты по синтезу алмаза в карбонатно-силикатной системе, ими установлено, что синтез и рост алмаза на затравку осуществлялся за счет карбонатного расплава, так как силикатные фазы почти не взаимодействовали с алмазом и графитом. Таким образом, в последнее время карбонатно-силикатная (Pal’yanov et al., 2002B, Литвин и др., 2008, 2012; Литвин, 2009, 2013) или карбонатитовая модель химического состава материнской среды природных алмазов получила обстоятельную экспериментальную поддержку.
Хлоридные расплавы. Галоидные расплавы-растворы углерода были опробованы для синтеза алмазов в смесях углерода (графита) с LiCl, NaCl, KCl, RbCl, CsCl, NaF, NaBr и Nal при 6.0 ГПа и 16200С (Wang, Kanda, 1998). Спонтанной нуклеации алмаза не было во всех случаях, были получены лишь наросшие слои на алмазных
затравках. При этом KCl, RbCl и CsCl были в твердом состоянии в отличие от остальных галоидов. Полученные эффекты роста алмазов на затравках были объяснены наличием примесей кислорода в использованных солях, синтезом и последующим разложением окиси углерода с выделением элементарного углерода на поверхность затравки. Ю.А. Литвиным (2003) была осуществлена спонтанная кристаллизация и рост алмаза в расплавах системы KCl - углерод на затравочных алмазах при 7.0-8.0 ГПа и 1500-1700°С. Известны данные о синтезах алмаза в системе H2O - C (Akaishi, Yamaoka,
2000), в хлоридно-карбонатной системе (Bobrov, Litvin, 2008), поэтому не возникает сомнений, в эффективности расплавов-растворов углерода системы KCl - H2O - C, базовой системы рассолов флюидных микровключений, для алмазообразования.
Сульфидные расплавы. Синтезы алмаза были проведены в системе сера-углерод при 8.0-8.5 ГПа и 1600-1800°C (Sato & Katsura,
2001), а также при 7.0 ГПа и 1750-1850°C (Pal’yanov et al., 2001). Ряд исследователей (Wentorf, 1966; Arima et al., 1993) пытался осуществить синтез алмаза в углерод-сульфидных системах, получили отрицательный результат. А.И. Чепуров (1988) показал, что при 3.05.5 ГПа в равновесии с расплавом FeS (источником углерода был графит) алмаз не кристаллизуется, а в более сложной металл-сульфид-углеродной системе Fe-Ni-FeS-C алмазы начинают кристаллизоваться лишь в богатой металлом области (Me/S>1). Иначе говоря, был повторен известный металл-углеродный синтез в железном расплаве, содержащем примесь серы. В остальных случаях в области термодинамической стабильности алмаза кристаллизовался метастабильный графит. В результате экспериментаторами был сделан вывод о том, что с ростом содержания серы в металлических расплавах процессы алмазообразования затрудняются. Однако, несмотря на такой неутешительный вывод, сульфидную версию генезиса алмаза продолжали обсуждать (Bulanova, 1995; Spetsius, 1999), и ее экспериментальная оценка оставалась актуальной вплоть до 2001 года. В 2001 году были получены первые синтезы алмаза в сульфидных расплавах (Бутвина и др., 2001; Литвин и др., 2002; Литвин, Бутвина, 2004). Однако роль сульфидных расплавов в ал-мазообразовании оказалась незначительно, поскольку данные расплавы являются плохими растворителями углерода.
Металлические расплавы и диаграмма состояния углерода. Теоретический прогноз условий получения искусственного алмаза сделан О.И.Лейпунским (1939). Реализовать предложенный путь удалось лишь в 1953г., когда Х. Лиандер, К.Лильбланд,
Е.Лундбланд и Г.Валлин синтезировали алмаз в системе Fe-C. В дальнейшем были опробованы для получения алмаза сотни углеродсодержащих составов. Установлено, что при самых низких P-T параметрах 5.0-6.0 ГПа и 1300-1400 0С алмаз образуется только в системе с переходными металлами (Wentorf, Bovenkerk, 1961; Че-пуров и др., 1997). В других средах для синтеза алмаза необходимы значительно более высокие температуры и давления. В настоящее время диаграмма состояния углерода достаточно хорошо изучена. Для решения вопросов, связанных с генезисом и искусственным получением алмаза, большое значение представляет точное определение линии фазового равновесия графит-алмаз. Результаты экспериментальных исследований по определению линии равновесия графит-алмаз представлены в работах (Bundy et al., 1961; Strong, Chrenko, 1971; C.Kennedy, J.Kennedy, 1976). Несмотря на единый принцип определения равновесия (перекристаллизация графита и алмаза в металлических расплавах при изменении параметров температуры и давления), результаты различаются.
Таким образом, исходя из экспериментальных данных, наиболее низкие термодинамические параметры осуществляются при кристаллизации алмаза из расплавов переходных металлов. В природных условиях захват переходных металлов алмазами при их росте происходит крайне редко, в единичных случаях. Из этого следует, что состав материнской среды для нуклеации алмазов не мог быть в основном расплавом переходных металлов, истинный же химизм алмазообразующей среды необходимо искать среди других составов. Выяснение соотношений между силикатными, карбонатными и сульфидными компонентами (как самыми распространенными включениями и спутниками алмаза) при алмазообразовании имеет ключевое значение в раскрытии непростых физикохимических условий генезиса алмаза и алмазоносных пород. Решающими являются экспериментальные исследования при высоких давлениях и температурах.
1. Борздов Ю.М., Сокол А.Г., Пальянов Ю.Н., Калинин А. А., Соболев Н.В. Исследование кристаллизации алмаза в щелочных силикатных, карбонатных и карбонат - силикатных расплавах // ДАН. 1999. Т. 366. № 4. C. 530 - 533.
2. Буланова Г.П., Шестакова О.Е., Лескова Н.В. Включения сульфидов в якутских алмазах // Зап. ВМО. 1982. Вып. 5. С. 557-562. Akaishi M., Yamaoka S. // J.Cryst.Growth. 2000. V. 209. P. 999-1003.
3. Бутвина В.Г., Литвин Ю.А., Бобров А.В., Специус З.В. Синтезы алмаза в сульфидных расплавах эклогит-сульфид-карбонатной системы при P = 6-8 ГПа / Тез. докл. XIV Рос. совещ. по экспер. минералогии. Черного ловка, 2001. С. 34.
4. включений в карбонатно-силикатных материнских расплавах (экспериментальное
5. Гаранин В.К., Кудрявцева Г.П., Марфунин А.С., Михайличенко О. А. Включения в алмазе и алмазоносные породы. Под ред. Марфунина А.С. - Москва: Изд-во МГУ, 1991. 240с.
6. исследование) // Минералогический журнал. 2013, No2. С. 5-23.
7. Литвин Ю.А. Горячие точки мантии и эксперимент до 10 ГПа: щелочные реакции, карбонатизация литосферы, новые алмазообразующие системы // Геология и геофизика. 1998. Т. 39. №12. С. 1772-1779.
8. Литвин Ю.А. Физико-химические условия сингенезиса алмаза и гетерогенных
9. Литвин Ю.А. Щелочно-хлоридные компоненты в процессах роста алмаза в условиях мантии и высокобарного эксперимента // ДАН. 2003. Т. 389. № 3. С. 1-5.
10. Литвин Ю.А. Экспериментальные исследования физико-химических условий
11. Литвин Ю.А., Алдушин К.А., Жариков В.А. Синтез алмаза при 8.5 -9.5 ГПа в системе K2Ca(CO3)2 - Na2Ca(CO3)2, отвечающей составам флюидно - карбонатитовых включений в алмазах из кимберлитов // ДАН. 1999. Т. 367. № 4. С. 529-532.
12. Литвин Ю.А., Бутвина В.Г. Алмазообразующие среды в системе экло-гит-карбонатит-сульфид-углерод по данным экспериментов при 6.08.5 ГПа // Петрология. 2004. Т.12. № 4. C.426-438.
13. Литвин Ю.А., Бутвина В.Г., Бобров А.В., Жариков В.А. Первые синтезы алмаза в сульфид-углеродных системах // ДАН. 2002. Т. 382. № 1. С. 106-109.
14. Литвин Ю.А., Васильев П.Г., Бобров А.В., Окоемова В.Ю., Кузюра А.В. Материнские среды природных алмазов и первичных минеральных включений в них по данным физико-химического эксперимента // Геохимия. 2012, No9. С. 811-847.
15. Литвин Ю.А., Джонс А.П., Берд А.Д. и др. Кристаллизация алмаза и сингенетических минералов в расплавах алмазоносных карбонатитов Чагатая, Узбекистан // ДАН. 2001. Т. 381. № 4. С. 528-531.
16. Литвин Ю.А., Жариков В.А. Первичные флюидно - карбонатитовые включения в алмазе, моделируемые системой K2O - Na2O - CaO -MgO - FeO - CO2, как среда алмазообразования в эксперименте при 7
- 9 ГПа // ДАН. 1999. Т. 367. № 3. С. 397-401.
17. Литвин Ю.А., Жариков В. А. Экспериментальное моделирование генезиса алмаза: кристаллизация алмаза в многокомпонентных карбонатно
- силикатных расплавах при 5 - 7 ГПа и 1200 - 1570 оС // ДАН. 2000. Т. 372. № 6. С. 808-811.
18. Литвин Ю.А., Литвин В.Ю., Кадик А. А. Особенности кристаллизации алмаза в
19. Литвин Ю.А., Чудиновских Л.Т., Жариков В.А. Кристаллизация алмаза и графита в мантийных щелочно - карбонатных расплавах в эксперименте при 7 - 11 ГПа // ДАН. 1997. Т. 355. № 5. С. 668-670.
20. Литвин Ю.А., Шушканова А.В., Жариков В. А. Несмесимость суль-фид-силикатных расплавов мантии: роль в сингенезисе алмаза и включений (опыты при 7.0 ГПа) // ДАН. 2005. Т. 402. № 5. С. 656-660.
21. образования алмаза в мантийном веществе // Геология и геофизика. 2009. Т.50, No 12. С.1530-1546.
22. Пальянов Ю.Н., Сокол А.Г., Борздов Ю.М., Хохряков А.Ф., Соболев Н.В. Кристаллизация алмаза в системах CaCO3-C, MgCO3-C и CaMg(CO3)2-C // ДАН. 1998. Т. 363. №8. С.1156-1159.
23. расплавах в мантийных силикат-карбонатных-углеродных систем по данным
24. Соболев Н.В. Глубинные включения в кимберлитах и проблема состава верхней мантии. Новосибирск: Наука, 1974. 264с. (Перевод: Sobolev N.V. The Deep-Seated Inclusions in Kimberlites and the Problem of the Composition of the Upper Mantle. American Geophysical Union: Washington, 1977. 304 p).
25. Сокол А.Г., Пальянов Ю.Н., Борздов Ю.М. и др. Кристаллизация алмаза в расплаве K2CO3 // ДАН. 1998. Т.361. № 3. С. 388-391.
26. Чепуров А.И. О роли сульфидных расплавов в процессе природного алмазообразования // Геология и геофизика. 1988. №8. C. 119-124.
27. Чепуров А.И., Сонин В.М. Кристаллизация углерода в силикатных системах при высоком давлении // Геология и геофизика. 1987. № 10. С.78-82.
28. Чепуров А.И., Фёдоров И.И., Сонин В.М. Экспериментальное моделирование процессов алмазообразования. Новосибирск: НИЦ ОИГГМ СО РАН, 1997. 196с.
29. Чепуров А.И., Фёдоров И.И., Сонин В.М. Экспериментальное моделирование процессов алмазообразования. Новосибирск: НИЦ ОИГГМ СО РАН, 1997. 196с.
30. экспериментов при 7,0-8,5 ГПа // Геохимия. 2008, No 6. С. 1-24.
31. Akaishi M., Kanda H., Yamaoka S. Synthesis of diamond from graphite-carbonate systems under very high temperature and pressure // J.Cryst. Growth. 1990. V. 104. P. 578-581.
32. Akaishi M., Yamaoka S. // J.Cryst.Growth. 2000. V. 209. P. 999-1003.
33. Arima M., Kozai Y., Akaishi M. Diamond nucleation and growth byreduction of carbonate melts under high-pressure and high-temperature conditions // Geology. 2002. V. 30. P. 691-694.
34. Arima N., Nakayama K., Akaishi M. et al. Crystallization of diamond from a silicate melt of kimberlite composition in high-pressure and high-temperature experiments // Geology. 1993. V. 21. P. 968.
35. Bobrov A.V, Litvin Yu.A. Melting relations and diamond synthesis in alkaline peridotite (eclogite)-carbonate-carbon melts at 7.0-8.5 GPa - car bon-atite model of diamond genesis / 33rd Intern. Geol. Congress. Abstracts. Oslo, Norway. 2008. MPI07409L (CD-ROM).
36. Bulanova G.P. The formation of diamond // J. Geochem. Explor. 1995. V. 53. P. 1-23.
37. Dobrzhinetskaya L.F., Renfro A.P., Green H. W. Synthesis of skeletal diamonds: Implications for microdiamond formation in orogenic belts // Geology. 2004. V. 32. P. 869-872.
38. Kennedy C.S., Kennedy G.C. The equilibrium boundary between graphite and diamond // J. Geophys. Res. 1976. V. 81. № 14. P. 2467-2470.
39. Meyer H.O.A. Genesis of diamond: a mantle saga // Amer. Miner. 1985. V. 70. P. 344-355.
40. Pal’yanov Yu., Borzdov Yu., Kupriyanov I., Gusev V., Khokhryakov A., Sokol A. High-pressura synthesis and characterization of diamond from a sulfur-carbon system // Diamond and Related Materials. 2001. V. 10. P. 2145-2152.
41. Pal’yanov Yu.N., Sokol A.G., Borzdov Yu.M., Khokhryakov A.F. Fluid-bearing alkaline carbonate melts as the medium for the formation of diamonds in the Earth’s mantle: an experimental study // Lithos. 2002A. V.60. P. 145-159.
42. Pal’yanov Yu.N., Sokol A.G., Borzdov Yu.M., Khokhryakov A.F., Shatsky A.F., Sobolev N.V. The diamond growth from LiCO3, Na2CO3, K2CO3 and Cs2CO3 solvent-catalyst at P=7GPa and T=1700-17500C // Diamond and Related Materials.1999. V. 8. №6. P. 1118-1124.
43. Pal’yanov Yu.N., Sokol A.G., Borzdov Yu.M., Khokhryakov A.F., Sobolev N.V. Diamond formation through carbonate-silicate interaction // Amer. Mineral. 2002B. V. 87. N 7. P. 1009-1013.
44. Sato K., Katsura T. Sulfur: a new solvent-catalyst for diamond synthesis under high-pressure and high-temperature conditions // Journal of Crystal Growth. 2001. V. 223. № 1-2. P. 189-194.
45. Schrauder M., Navon O. Hydrous and carbonatitic mantle fluids in fibrous diamonds from Jwaneng, Botswana // Geochim. et cosmochim. Acta. 1994. V. 58. № 2. P. 761-771.