КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 24-17-00032
НазваниеГенетическая информативность морфологии, реальной структуры и свойств алмаза (экспериментальные исследования)
Руководитель Пальянов Юрий Николаевич, Доктор геолого-минералогических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии и минералогии им. В.С.Соболева Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл
Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-205 - Минералы, их ассоциации и процессы минералообразования
Ключевые слова экспериментальная минералогия, высокие давления, алмаз, мантия, рост и морфология алмаза, реальная структура и свойства кристаллов алмаза, моделирование минералообразующих процессов, генезис алмаза, типоморфизм
Код ГРНТИ38.39.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на выявление закономерностей изменения характеристик и свойств алмаза в зависимости от условий роста, растворения и высокобарического отжига для обоснования новых индикаторов природных алмазообразующих процессов.
К настоящему времени накоплен огромный массив данных по детальным комплексным исследованиям природных алмазов, образовавшихся в различных геодинамических обстановках в широком диапазоне Р-Т-ƒО2-х параметров, который в большинстве своем пока не может быть генетически интерпретирован из-за отсутствия однозначно установленных связей в системе «условия-свойства». Учитывая невероятное разнообразие характеристик и свойств алмаза, свидетельствующих о его полигенности, представляется весьма актуальным проведение специальных экспериментальных исследований, направленных на обоснование новых индикаторов условий и эволюции процессов алмазообразования, мантийного отжига и частичного растворения в модельных средах при мантийных Р-Т параметрах.
Основная задача проекта заключается в экспериментальном выявлении новых конкретных закономерностей изменения морфологии, микроморфологии, формы и состава включений, зонально-секториального строения, типа, концентрации и характера распределения дефектно-примесных центров в зависимости от состава среды, динамики изменений условий, действия конкретных механизмов кристаллизации алмаза, а также условий растворения и высокобарического отжига. На базе экспериментально установленных закономерностей в системе «условия-свойства» будут обоснованы новые индикаторы алмазообразующих процессов и их эволюции. Масштабность и комплексность задач проекта определяется тем, что полученные результаты будут востребованы при реконструкции условий образования алмазов различного генезиса, включая кимберлитовый магматизм, ультрабарический метаморфизм, минералообразование в зонах субдукции, в сверхглубинных процессах, а также в метеоритах и импактных объектах. Следует подчеркнуть, что тематика проекта не ограничивается только проблемой генезиса алмаза, сопряженной с минералогией, петрологией и геохимией глубинных зон Земли, она также связана с обоснованием критериев поиска этого уникального минерала. При решении основной задачи проекта будут использованы в том числе ранее неизученные среды и реализованы новые условия и механизмы кристаллизации, что позволяет потенциально рассчитывать на получение алмазов с необычными свойствами, и, соответственно, на разработку патентоспособных методов синтеза функциональных кристаллов алмаза для высокотехнологических областей применения.
Научная новизна исследований, запланированных по проекту, определяется оригинальными задачами в области экспериментальной минералогии алмаза, направленными на выявление конкретных закономерностей в системе «условия-свойства» и обоснование новых индикаторов природных алмазообразующих процессов. В рамках проекта впервые будут проведены следующие экспериментальные исследования:
• Определение влияния углеводородов в металл-углеродных системах на кристаллизацию, свойства и характеристики алмазов.
• Моделирование условий кристаллизации алмаза в металл-углеродных расплавах за счет снижения температуры и в результате окисления растворителя.
• Изучение процессов взаимодействия карбонатов щелочноземельных металлов с углеводородами и водородом.
• Исследование характеристик и свойств алмазов, полученных в результате взаимодействия различных Ca, Mg, Fe-карбонатов с сульфидами и серой.
• Комплексные исследования по росту и отжигу алмаза, направленные на выяснение условий образования водородсодержащих центров (3107 см-1).
• Определение специфических морфологических особенностей растворения (резорбции) алмазов в модельных твердофазных матрицах при значениях ƒО2, соответствующих области стабильности карбонатов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Проведена серия из десяти экспериментов по кристаллизации алмаза в системе Fe-Ni-С-антрацен с содержанием С14Н10 от 0 до 2,69 мас. %. В эксперименте без добавок и при содержании антрацена ≤0,72 мас. % рост алмаза осуществлялся исключительно на затравках. При добавке С14Н10, равной 0,9 мас. %, в зоне роста установлен друзовый агрегат алмаза. При содержаниях антрацена 1,17 и 1,61 мас. % получены мелкие спонтанные кристаллы алмаза и метастабильный графит, а источник углерода трансформировался в алмаз лишь частично. Дальнейшее увеличение содержания антрацена до значений 2,00 и 2,69 мас. % привело к полному прекращению кристаллизации алмаза. Установлено, что увеличение содержания антрацена приводит к уменьшению степени трансформации графита в алмаз со 100% до нуля. Таким образом, проведённая серия экспериментов однозначно доказывает ингибирующее влияние примеси антрацена на кристаллизацию алмаза.
2. Детальное исследование кристаллов алмаза, полученных в системе Fe-Ni-C-антрацен с различным содержанием С14Н10, позволило выявить закономерности изменения их морфологии и микроморфологии. При содержании антрацена в интервале 0-0,72 мас. % алмаз кристаллизовался только на затравках в форме октаэдров. Установлено, что с увеличением концентрации антрацена существенно возрастает количество включений. Методом спектроскопии комбинационного рассеяния в кристаллах алмаза зафиксированы графит, метан и водород. Практически во всех ИК спектрах присутствуют пики в области С-Н колебаний (2800-3020 см-1). При содержании антрацена 1,17 и 1,61 мас. % установлены кристаллы алмаза в форме октаэдров, ромбододекаэдров, кубов, антискелетных кристаллов и их сростков, а также октаэдрические и додекаэдрические дендриты. Таким образом, в серии экспериментов установлено, что добавки антрацена в системе Fe-Ni-C приводят к существенным изменениям морфологии и микроморфологии кристаллов, увеличению содержания включений, снижению содержания в алмазах азотных дефектно-примесных центров.
3. Определено влияние скорости снижения температуры и состава системы на специфику кристаллизации алмаза. В системе Fe-Ni-C в большинстве экспериментов реализованы рост алмаза на затравочных кристаллах и спонтанная кристаллизация алмаза. Скорости снижения температуры изменяли в широком диапазоне значений от 450 до 3,3 градусов в час. В системе Fe-C установлены карбид железа Fe3C, закалочный эвтектический агрегат (Fe+Fe3C) и спонтанные кристаллы алмаза. Диапазон скоростей снижения температуры изменяли от 62,5 град/час до 7,8 град/час. Для кристаллов алмаза характерна октаэдрическая морфология, с незначительно развитыми гранями тетрагонтриоктаэдра, и следы растворения.
4. Проведены экспериментальные исследования в системах Fe,Ca,Mg-карбонат-сера и Ca,Mg-карбонат-сера (6,3 ГПа, 1450-1550 °С, 20 ч.). В системе Fe,Ca,Mg-карбонат-сера рост алмаза реализуется в результате редокс взаимодействия Fe,Ca,Mg-карбонатного и сульфидного расплавов; при повышении железистости системы (от 0,44 до 0,86) морфология затравочных кристаллов алмаза изменяется от кубооктаэдрической до октаэдрической. Установлено, что расплавы Ca,Mg-карбонатов с растворенной серой (2,0-5,2 мас.% S) являются средой кристаллизации алмаза (стабильная форма роста – кубооктаэдр). Экспериментально продемонстрировано, что сера снижает температуру плавления карбонатов и обеспечивает кристаллизацию алмаза и графита в расплавах карбонатов щелочноземельных и переходных металлов в условиях «горячих» зон субдукции.
5. В рамках задачи выяснения условий, определяющих вхождение водорода в решетку алмаза и образование водородсодержащих центров 3107 см-1, проведены работы по получению кристаллов алмаза в металл-углеродных системах с добавками различных N- и H-содержащих соединений, отжигу кристаллов при высоких Р-Т параметрах и их изучению методами оптической спектроскопии. Эксперименты по отжигу проведены при Р=7,5 ГПа и Т=2200-2300 °С. Установлено три типа кристаллов, в структуре которых образовались центры 3107 см-1. К ним относятся: (1) кристаллы с элементами полицентрического роста, полученные в системе «металл-антрацен-углерод»; (2) кристаллы кубического габитуса из экспериментов в режиме снижения температуры; (3) кристаллы, полученные в системе Ni-Fe-C с добавками Fe3N. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности вхождения водорода в алмаз при его росте в металл-углеродных системах.
6. Проведены экспериментальные исследования по высокобарическому отжигу алмаза в твёрдофазной матрице из оксида магния при фугитивности кислорода, соответствующей области стабильности карбонатов (буфер магнетит/вюстит) при Р=6,3 ГПа, Т=1100-1400°С. Установлено, что при данных параметрах реакция карбонатизации периклаза реализуется при Т>1200°С в присутствии межзернового С-О-Н флюида. Морфология кристаллов алмаза, частично растворённых межзерновым С-О-Н флюидом является типоморфной для растворения/резорбции алмаза во всех водосодержащих системах. Показано, что в открытой системе при содержании Н2О в диапазоне 0,5-0,8 мас. % алмаз подвергается значительной и продолжительной резорбции, что связано с поступлением новых порций воды, образующейся при восстановлении материала буферной капсулы. Таким образом, отсутствие алмаза или убогая алмазоносность потенциально алмазоносных кимберлитовых трубок может быть обусловлена окислительным метасоматозом в мантийных областях заложения трубок.
Публикации
1. Пальянов Ю.Н., Борздов Ю.М., Куприянов И.Н., Нечаев Д.В., Новоселов И.Д. Влияние метаново-водородного флюида на кристаллизацию алмаза в восстановительных условиях мантии Сборник материалов научной конференции «XIX РОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МИНЕРАЛОГИИ», посвященное 90-летию Первого совещания по экспериментальной минералогии и петрографии и проводимого в рамках 300-летия Российской академии наук, 23-26 сентября 2024 г., Черноголовка, с. 40 (год публикации - 2024)
2. Фурман О.В., Баталева Ю.В., Борздов Ю.М., Пальянов Ю.Н. Экспериментальное моделирование фазообразования при взаимодействии сидерита и анкерита с сульфидами и серой при Р,Т-параметрах литосферной мантии Сборник материалов научной конференции «XIX РОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МИНЕРАЛОГИИ», посвященное 90-летию Первого совещания по экспериментальной минералогии и петрографии и проводимого в рамках 300-летия Российской академии наук, 23-26 сентября 2024 г., Черноголовка, с.65 (год публикации - 2024)
3. Хохряков А.Ф., Борздов Ю.М., Нечаев Д.В., Пальянов Ю.Н. Резорбция алмаза межзерновым окисленным СОН флюидом Сборник материалов научной конференции «XIX РОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МИНЕРАЛОГИИ», посвященное 90-летию Первого совещания по экспериментальной минералогии и петрографии и проводимого в рамках 300-летия Российской академии наук, 23-26 сентября 2024 г., Черноголовка, с.66 (год публикации - 2024)
4. Пальянов Ю.Н., Борздов Ю.М., Куприянов И.Н., Хохряков А.Ф. Условия кристаллизации алмаза с индикаторными и функциональными центрами Сборник материалов научной конференции «XIX РОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МИНЕРАЛОГИИ», посвященное 90-летию Первого совещания по экспериментальной минералогии и петрографии и проводимого в рамках 300-летия Российской академии наук, 23-26 сентября 2024 г., Черноголовка, с. 41 (год публикации - 2024)
5. Новоселов И.Д., Пальянов Ю.Н. Влияние состава флюида на кристаллизацию алмаза и графита в системе силикат-H2O-CO2-углерод при P,T-параметрах литосферной мантии Сборник материалов научной конференции «XIX РОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МИНЕРАЛОГИИ», посвященное 90-летию Первого совещания по экспериментальной минералогии и петрографии и проводимого в рамках 300-летия Российской академии наук, 23-26 сентября 2024 г., Черноголовка, с.38 (год публикации - 2024)