Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 500, № 1, стр. 33-37

Морфология кристаллов, нарастающих на импактные алмазы Попигайской астроблемы (экспериментальные данные)

А. И. Чепуров 1*, Е. И. Жимулев 1, В. М. Сонин 1, А. А. Чепуров 1, З. А. Карпович 1, С. В. Горяйнов 1, В. П. Афанасьев 1, академик РАН Н. П. Похиленко 1

1 Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук
Новосибирск, Россия

* E-mail: chepurov@igm.nsc.ru

Поступила в редакцию 21.04.2021
После доработки 21.05.2021
Принята к публикации 23.05.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приводятся экспериментальные результаты по росту кубического алмаза на лонсдейлит-содержащих алмазах Попигайской астроблемы при 5.5 ГПа и 1450°С в системе Fe–Ni–C. Вследствие одновременного возникновения нескольких центров кристаллизации рост кубической формы углерода с алмазной структурой (алмаз) происходил в виде сростка. Вероятно, это обусловлено спецификой строения паракристаллов импактных алмазов из наноразмерных кристаллитов (10–100 нм) или полисинтетическим двойникованием, унаследованным от кристаллов графита при стрессовом воздействии сверхвысокого давления. Цвет наросших кристаллов алмаза желтый и является типичным для алмазов, выращенных в системе Fe–Ni–C. Преобладающая морфологическая форма выращенных кристаллов – октаэдр с дополнительными гранями куба, ромбододекаэдра, тетрагонтриоктаэдра.

Ключевые слова: алмаз, рост кристаллов, высокие давление и температура, Попигайская астроблема, импактиты

Изучение Попигайской астроблемы, открытой в 1971 г. В.Л. Масайтисом, представляет большой научный и практический интерес, поскольку она содержит огромные запасы алмазов с необычными свойствами. В импактных алмазах Попигайской  астроблемы кубическая фаза с 3С-структурой (пространственная группа Fd3m) и лонсдейлит с 2Н-структурой (пространственная группа Р63/mmc) находятся во взаимном срастании. При этом до сих пор остается открытым вопрос: что такое лонсдейлит в таких срастаниях?

На основании экспериментальных исследований при сверхвысоких давлениях предполагается образование лонсдейлита как самостоятельной фазы и в других объектах метеоритного происхождения [13]. С другой стороны, лонсдейлит, возможно, не является самостоятельной фазой, а представляет собой дефектную структуру кубического алмаза при твердофазовом превращении из графита при сверхвысоких давлениях за чрезвычайно короткое время (микросекунды) [4, 5].

Общепризнано, что образование лонсдейлит-содержащих импактных алмазов происходило в ходе катастрофического явления – масштабного взрыва на поверхности Земли в результате падения крупного метеорита. Импактное событие привело к трансформации кристаллов графита, содержавшихся в гнейсах – породах мишени, в алмазы, т.е. алмазы астроблемы являются параморфозами [8].

Изучение импактных алмазов Попигайской астроблемы проводили многие исследователи [4, 69]. Были изучены многие особенности алмазов, включая макро- и микроморфологию, внутреннее строение, изотопный состав, а также геохимические и петрологические особенности вмещающих пород, геологическое строение астроблемы. В частности, на некоторых импактных алмазах было обнаружено нарастание ограненных кристаллов кубической фазы в постимпактных условиях, что указывает на сохранение высокого давления в течение некоторого времени после прохождения фронта ударной волны [6]. В связи с этим возникают следующие вопросы. Может ли алмаз в условиях статических давлений нарастать на лонсдейлит-содержащие фрагменты импактных алмазов и, соответственно, могут ли эти фрагменты служить затравками для роста монокристаллов алмазов? Как это отражается на морфологии растущих кристаллов?

В настоящей публикации приводятся первые результаты экспериментов по росту алмаза на затравках – лонсдейлит-содержащих паракристаллах импактных алмазов Попигайской астроблемы.

Эксперименты проводили на многопуансонном аппарате высокого давления типа “разрезная сфера” (БАРС) в твердофазовой ячейке высокого давления (ЯВД) из спрессованных порошков ZrO2, MgO, CaO по методике, созданной в соответствии с государственным заданием ИГМ СО РАН [1012]. Точность определения температуры в кристаллизационном объеме внутри графитового нагревателя составляла ±25°С. В качестве реперов для калибровки давления в ячейке высокого давления использовали PbSe и Bi. Точность определения давления ±0.2 ГПа. В качестве затравочных кристаллов, на которые наращивали алмаз, использовали кристаллы импактных алмазов Попигайской астроблемы. Затравки (импактные алмазы) располагали таким образом, что рост алмаза происходил на пинакоидах паракристаллов, поскольку плоскость графита (0001), по которому сформировались параморфозы алмаза, соответствует плоскости (111) кубического алмаза [7].

Перед опытами затравки исследовали с помощью КР-спектроскопии для определения содержания лонсдейлита (рис. 1, табл. 1). По соотношению интенсивности полос КР лонсдейлита и алмаза [13] установлено, что содержание лонсдейлита в образцах варьировало от 0 до 25 мас. %. Выделено 3 категории алмазных затравок по содержанию в них лонсдейлита: без лонсдейлита (а), с промежуточным (б) и с максимальным (в) для данных образцов содержанием лонсдейлита. На подложке из смеси ZrO и CsCl, расположенной в нижней части кристаллизационного объема, помещали 9 затравок. Сверху затравки покрывали кусочками Pt-фольги с целью защиты затравок от растворения. Выше располагали диск из Fe–Ni-сплава (36 мас. % Ni) и источник углерода – графит МГ ОСЧ (99.99 мас. % С). Всю сборку кристаллизационного объема размещали в капсуле из спрессованного порошка MgO.

Рис. 1.

КР-спектры трех образцов импактных алмазов (Попигайская астроблема) при УФ-возбуждении лазерной линией с длиной волны λ= 325 нм.

Таблица 1.

Данные КР-измерений трех образцов импактных алмазов (Попигайская астроблема). Длина волны УФ лазера λ= 325 нм

Параметр Образец-1 (w1) Образец-2 (w2) Образец-3 (w3)
Основная полоса КР (см–1) 1330.4 1325 1331.7
Ширина основной полосы (см–1) 65 56 10.8
Содержание лонсдейлита (мас. %) 25 ± 5 16 ± 5 0

Предварительно в калибровочных опытах определили время, необходимое для растворения Pt-фольги в металлическом расплаве в условиях эксперимента, – 1.5 ч. В опытах длительностью более 1.5 ч Pt полностью растворялась в Fe–Ni-расплаве, и на затравках отмечался рост алмаза. Было проведено два эксперимента при давлении 5.5 ГПа и температуре 1450°С продолжительностью 2.5 и 3 ч (без учета времени растворения защитного слоя из Pt-фольги).

После проведения опыта ЯВД извлекали из аппарата высокого давления и разбирали. Извлеченный образец представлял собой композит, состоящий из слоя синтезированного алмаза (в источнике углерода), слоя металла и подложки с наросшими на затравки кристаллами алмаза. Образцы растворяли в смеси кислот HCl и HNO3, выделенные алмазы очищали в окислительной смеси (раствор K2Cr2O7 в концентрированной H2SO4).

Затравки с наросшими кристаллами исследовали на оптическом (“Olympus” BX35) и сканирующем электронном микроскопах (СЭМ) MIRA LMU, а также на рентгеноспектральном микроанализаторе “JXA”-8100 в ЦКП ИГМ СО РАН. Спектры комбинационного рассеяния были записаны на спектрометре “Horiba Jobin Yvon” LabRam HR800 с 1024-многоканальным детектором CCD (Andor). Спектры КР возбуждались лазерным излучением UV линией 325 нм He-Cd-лазера и линией 532 нм неодимового лазера (Nd:Y3Al5O12) с мощностью излучения 5 мВт на образце.

В результате проведенных экспериментов на импактных алмазах Попигайской астроблемы установлен нарост кристаллов алмаза. По данным КР-спектроскопии при РТ-параметрах опытов лонсдейлит в затравочных кристаллах сохранился. Размер выросших индивидов алмаза зависит от времени: в опыте длительностью 1 ч (№ 4-4) размер кристаллов варьировал от 0.1 до 0.3 мм, в опыте длительностью 1.5 ч (№ 4-27) размер кристаллов находился в диапазоне от 0.2–0.5 мм. Средняя линейная скорость роста кристаллов кубического алмаза на затравочных кристаллах импактных алмазов составила 0.2 мм/час.

На рис. 2 показаны затравочные кристаллы импактного алмаза и наросшие на них кристаллы кубического алмаза. Цвет наросших кристаллов кубического алмаза желтый и является типичным для алмазов, выращенных в системе Fe–Ni–C. В целом морфология новообразованных кристаллов алмаза является обычной для данной системы. Преобладающая морфологическая форма – октаэдр с дополнительными гранями куба, ромбододекаэдра, тетрагонтриоктаэдра. Грани кристаллов новообразованного алмаза плоские и гладкие.

Рис. 2.

Кристаллы алмаза, наросшие на затравки импактных алмазов: (а) вид сверху; (б) вид со стороны затравки. Стрелками обозначены затравки импактных алмазов. СЭМ-изображения.

Отличием нарастающих кристаллов на импактном алмазе от роста на монокристальной затравке алмаза является то, что рост алмаза происходил из разных точек затравки. Как следствие, присутствовал многоглавый рост кристаллов. На одной затравке присутствовало 10–15 и более субиндивидов алмаза. Другим характерным отличием является присутствие двойников по шпинелевому закону среди наросших индивидов алмаза. Нарастание лонсдейлита на затравки импактных алмазов в условиях опытов не имело места.

Таким образом, морфология выросших кристаллов кубической фазы в целом аналогична для алмазов, выращиваемых в системе Fe–Ni–C при высоком давлении. Образование двойников в друзовом агрегате алмаза может быть вызвано не только двойниковой структурой лонсдейлит-содержащих алмазов [5, 14], но и быть следствием взаимного влияния при росте в друзовом агрегате [15].

ВЫВОДЫ

В проведенных экспериментах при давлении 5.5 ГПа, температуре 1450°С продолжительностью 2.5 и 3 ч на лонсдейлит-содержащих алмазах Попигайской астроблемы кристаллизовался алмаз. Рост кубической фазы алмаза в виде сростка является следствием одновременного возникновения нескольких центров кристаллизации, что обусловлено спецификой строения паракристаллов импактных алмазов из наноразмерных кристаллитов (10–100 нм) или полисинтетическим двойникованием, унаследованным от кристаллов графита при стрессовом воздействии сверхвысокого давления [6, 7, 14]. Вероятно, что процесс нарастания кубической фазы углерода на импактных алмазах возможен в природных условиях на этапе снижения сверхкритических РТ-параметров после импактного события.

Список литературы

  1. Bundy F.P., Kasper J.S. Hexagonal Diamond – A New Form of Carbon // Journal of Chemical Physics. 1967. V. 46 (9). P. 3437–3446.

  2. Frondel C., Marvin U.B. Lonsdaleite, a Hexagonal Polymorph of Diamond // Nature. 1967. V. 214. P. 587–589.

  3. Shiell T.B., McCulloch D.G., Bradby J.E., Haberl B., Roehler R., McKenzie D.R. Nanocrystalline Hexagonal Diamond Formed from Glassy Carbon // Scientific Reports. 2016. V. 6. P. 37232. https://doi.org/10.1038/srep37232

  4. Сохор М.И., Футергендлер С.И. Рентгенографическое исследование образования кубический алмаз–лонсдейлит // Кристаллография. 1974. Т. 19 (4). С. 758–762.

  5. Nemeth P., Garvie L.A.J., Aoki T., Dubrovinskaia N., Dubrovinsky L., Buseck P.R. Lonsdaleite is Faulted and Twinned Cubic Diamond and Does Not Exist as a Discrete Material // Nature Communications. 2014. V. 20. P. 55447. https://doi.org/10.1038/ncomms6447

  6. Вальтер А.А., Еременко Г.К., Квасница В.Н., Полканов Ю.А. Ударно-метаморфогенные минералы углерода. Киев: Наукова думка, 1992. 172с.

  7. Квасница В.Н., Зинчук Н.Н., Коптиль В.И. Типоморфизм микрокристаллов алмаза. М.: ООО “Недра-Бизнесцентр”, 1999, 224 с.

  8. Masaitis V.L. Impact Diamonds of the Popigai Astrobleme: Main Properties and Practical Use // Geology of Ore Deposits. 2013. V. 55 (8). P. 607–612. https://doi.org/10.1134/S1075701513080084

  9. Afanasiev V., Gromilov S., Sonin V., Zhimulev E., Chepurov A. Graphite in Rocks of the Popigai Impact Crater: Residual or Retrograde? // Turkish Journal of Earth Sciences. 2019. V. 28. P. 470–477. https://doi.org/10.3906/yer-1808-6

  10. Чепуров А.И., Жимулев Е.И., Агафонов Л.В., Со-нин В.М., Чепуров А.А., Томиленко А.А. Устойчивость ромбического и моноклинного пироксенов, оливина и граната в кимберлитовой магме // Геология и геофизика. 2013. Т. 54 (4). С. 533–544.

  11. Жимулев Е.И., Сонин В.М., Миронов А.М., Чепуров А.И. Влияние содержания серы на кристаллизацию алмаза в системе Fe-C-S при 5.3–5.5 ГПа и 1300–1370°С // Геохимия. 2016. Т. 54 (5). С. 439–446.

  12. Chepurov A., Sonin V., Dereppe J-M., Zhimulev E., Chepurov A. How Do Diamonds Grow in Metal Melt Together with Silicate Minerals? An Experimental Study of Diamond Morphology // European Journal of Mineralogy. 2020. V. 32. P. 41–55. https://doi.org/10.5194/ejm-32-41-2020

  13. Goryainov S.V., Likhacheva A.Y., Rashchenko S.V., Shu-kin A.S., Afanas’ev V.P., Pokhilenko N.P. Raman Identification of Lonsdeilite in Popigai Impactites // Journal of Raman Spectroscopy. 2014. V. 45. P. 305–313.

  14. Kvasnytsya V., Wirth R. Micromorphology and Internal Structure of Apographitic Impact Diamonds: SEM and TEM Study // Diamond and Related Materials. 2013. V. 32. P. 7–16. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2012.11.010

  15. Chepurov A.I., Sonin V.M., Fedorov A.I. Formation on Growth Twins on Mutual Contact of Diamond Crystals // Crystal Research and Technology. 2000. V. 35 (8). P. 921–926.

Дополнительные материалы отсутствуют.