Типоморфные признаки синтетических алмазов и возможные пути техногенного заражения природных объектов
Проблема широкого распространения использования синтетических алмазов в качестве абразивного материала, появления на рынке ювелирных сортов синтетических алмазов. Основные типоморфные признаки наиболее широко распространенных марок синтетических алмазов.
| Рубрика | Геология, гидрология и геодезия |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.04.2019 |
| Размер файла | 40,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Уральского отделения Российской Академии Наук
Типоморфные признаки синтетических алмазов и возможные пути техногенного заражения природных объектов
Шумилова Т.Г.
Сыктывкар, Россия
Аннотация
Широкое распространение использования синтетических алмазов в качестве абразивного материала и появление на рынке ювелирных сортов синтетических алмазов является серьезной проблемой сегодняшнего дня ввиду реальной возможности изменения ценовой политики на алмазном рынке и риска заражения природных объектов при поисках новых коренных месторождений алмазов. В данной работе рассматриваются основные типоморфные признаки наиболее широко распространенных марок синтетических алмазов и предлагаются критерии, позволяющие выявить достоверность находок коренных алмазов известных и новых генетических типов и исключить возможность нецелесообразного расходования средств на изучение и разведку недостоверных объектов.
Ключевые слова: синтетические алмазы, природные алмазы, типоморфизм, техногенное заражение, критерии достоверности природных алмазов.
Widespread use of synthetic diamonds as an abrasive material and the appearance of synthetic diamonds on the market of jewelry is currently a serious problem as there is a possibility of changing the pricing policy on the diamond market and the risk of contamination of natural objects when looking for new primary diamond deposits. This paper discusses the main typo-morphic features of the most widespread brands of synthetic diamonds and proposes criteria to identify the authenticity of primary diamonds of known and new genetic types and eliminate the possibility of inappropriate expenditure of funds for the study and exploration of unreliable objects.
Keywords: synthetic diamonds, natural diamonds, typo-morphism, man-made contamination, criteria for the reliability of natural diamonds.
Основное содержание работы
Алмаз является одним из особенных минеральных видов, как минерал с физическими свойствами, определяющими его как один из царствующих в ювелирном деле и уникальный для обширного спектра технических приложений. Достаточно малые содержания алмаза в природе определяют его как минерал супер-акцессорного класса, имеющий высокую себестоимость и малые, реально возможные, объемы производства, не обеспечивающие всей потребности человечества за счет исключительно природных источников. Данное обстоятельство, начиная с середины XX века, привело к стремительному развитию индустрии производства искусственных алмазов, первоначально мелких алмазов технических марок, затем и крупных кристаллов ювелирного качества.
Алмазный рынок и области использования алмазного сырья в технических приложениях постоянно расширяются, что требует постоянного развития технологий производства для получения алмазов с заданными свойствами, повышающими эффективность их использования в высокотехнологичных отраслях, связанных как с электроникой и разного рода оптическими приложениями, так и большими объемами абразивного материала, все чаще используемого в больших объемах в строительных технологиях и геологоразведочных работах. Годовое потребление алмазов в мире составляет порядка 5 млрд карат [1], не много не мало, но синтез алмаза в настоящее время достигает порядка 1000 тонн. Сегодня любой желающий может приобрести через интернет желаемую марку алмазов любой крупности.
Выше перечисленные обстоятельства обуславливают и проблему появления синтетики на рынке ювелирных синтетических алмазов [1], что может вносить существенный сдвиг ценовой политики и желание подмены природных кристаллов продуктами синтеза, имеющих себестоимость на 30-70% ниже природных.
Особое значение в техническом секторе придается производству алмазсодержащего инструмента для геологоразведочных работ, в которых требование к износостойкости алмазного бурового инструмента во многом определяет себестоимость бурения и, следовательно, работ в целом. В связи с развитием технологий производства синтетических алмазов и алмазсодержащего инструмента типоморфизм синтетических алмазов существенно расширяется, что необходимо учитывать при сравнении с природными алмазами с целью исключения всевозможных факторов заражения природных объектов при их исследовании.
Проблема, связанная с возможностью заражения природных объектов техническими синтетическими алмазами при их геологическом изучении, является давней и наиболее острой для геологов. Случайно обнаруженные непрофильными специалистами алмазы в нетрадиционных объектах могут выдаваться за природные, что часто несет за собой риск недостоверных открытий. При этом надо отметить, что, принимая во внимание многообразие механизмов кристаллизации алмаза [2], вероятность обнаружения принципиально новых коренных алмазоносных геологических объектов действительно существует, и здесь вопрос заключается в качестве находок и необходимости полного исключения возможности случайного или намеренного заражения исследуемых проб. Особой тщательности проверки на достоверность природного генезиса требуют обнаруженные алмазы, имеющие типоморфные признаки синтетических продуктов, и тем более несущие целый комплекс таких особенностей. Этому вопросу, прежде всего, должны уделять особое внимание сами авторы находок еще до их обнародования, а при опубликовании необходимо приводить убедительные фактурные данные, доказывающие достоверность обнаружения новых алмазоносных объектов.
Типоморфные признаки синтетических алмазов
В настоящее время основными методами массового производства технических алмазов являются технологии высокобарного высокотемпературного синтеза в расплаве металлов (HPHT), синтез из газовой фазы (CVD) и детонационный синтез наноалмазов (ДНА).
Здесь мы затрагиваем проблему возможности заражения природных объектов широко используемыми техническими алмазами по HPHT технологии, имеющими более широкое распространение и огромные объемы использования. Данные алмазы получают диффузионным механизмом из графита в расплаве металлов в области стабильности алмаза. Синтез алмаза в таких условиях производится, как правило, при температуре около 1400-1700°С и давлении порядка 50-70 кБар.
Наиболее важными типоморфными признаками синтетических алмазов абразивных марок HPHT типа являются:
1) преобладающий куб-октаэдрический габитус кристаллов; но следует иметь ввиду, что в товарных продуктах также широко используется алмазная крошка;
2) преобладающая зелено-желтая окраска (допускается при этом серая окраска, почти бесцветные и черные кристаллы);
3) преобладание монокристаллов с явными признаками диффузионного роста;
4) включения и примеси основных металлов расплава - Fe, Ni, Mn, Co. Однако, следует отметить, что в последнее время производители выпускают все больше марок алмазов с минимальным количеством включений для инструментов с требованием к длительной продолжительности использования. Такие марки характеризуются отсутствием видимых включений.
5) примесь парамагнитных одиночных атомов азота в структуре алмаза;
синтетический алмаз типоморфный признак
6) легкий изотопный состав углерода, соответствующий использованному графитовому прекурсору;
7) широчайший спектр примесей различных элементов, используемых конкретными производителями для регулирования качества производимых алмазов.
Последний пункт из выше указанных требует особого внимания, так как марки и сорта алмазов разных производителей могут существенно отличаться друг от друга именно по элементам-примесям в зависимости от желаемого качества синтезируемых кристаллов. В частности, металлы и металлоиды - Ti, AI, Si, Mg, Са, Sr, As, Zr, и др. добавляются в шихту для нейтрализации кислорода путем образования с ним соединений [3], а также других элементов, в частности Au и Pd, например, для придания нитевидной формы кристаллам алмазов. Добавленные в систему Mg, Ca, Sr, переходят в карбиды и могут связывать часть азота в цианиды, тем самым уменьшая концентрацию примесного азота в алмазе.
Известен целый ряд других элементов промоутеров, позволяющих регулировать качество синтезируемых алмазов, включая их прочностные характеристики, морфологию и крупность кристаллов.
Экспериментально было показано, что "в искусственные алмазы могут быть введены практически все элементы, которые встречаются в виде примесей в природных алмазах" [3, С.125]; "…последовательно применяя методы синтеза и перекристаллизации, легирование ростовой системы, отжиг при высокой температуре, травление и т.д., можно получить аналоги практически любого типа природных алмазов" [3, С.163]. При использовании отжига искусственных алмазов в технологическом процессе получают кристаллы, которые практически не отличаются от природных [4].
Загрязнение технических алмазов при эксплуатации
Кроме описанных выше типоморфных признаков, связанных непосредственно с процессом синтеза алмазов, загрязнение их разными компонентами может происходить и в ходе их модифицирования для разных приложений, производства алмазсодержащего инструмента и эксплуатации. Рассмотрим некоторые из наиболее очевидных факторов.
При производстве синтетических продуктов также широко используется напыление разными металлами для лучшей связки с металлической матрицей алмазного инструмента.
Непосредственно буровой алмазный инструмент, как правило, состоит из двух технологических частей - стального корпуса и алмазосодержащей матрицы, последняя предназначена для передачи нагрузки дополнительного механического разрушения горной породы. При производстве алмазного абразивного инструмента чаще всего используются сплавы на основе латуни, но с целью повышения эффективности его использования и увеличения срока службы сменных частей камнерезного оборудования могут быть использованы разнообразные специальные твердосплавные матрицы, содержащие соответствующие легирующие добавки. Используются порошковые технологии с формированием алмазсодержащей матрицы посредством пропитки или горячего прессования, известные еще с 70-х годов XX века [5]. Технологически эффективными являются матрицы WC-Ti-Co состава, содержащие наночастицы SiO2, и WC-Ti-Cu система [6, 7]. При формовании и прессовании твердосплавных порошковых смесей используются растворы пластификаторов - каучука, полиэтиленгликоля, поливинилацетата, парафина, стеарата цинка и др. [6]. Для равномерного распределения связующей массы суспензия обрабатывается ультразвуком. Органические вещества пластификатора на последующих стадиях процесса претерпевают разложение, испарение и удаление образовавшихся паров, в то же время наночастицы оседают на поверхности зёрен твердосплавного порошка, заполняя образовавшиеся поры и полости. Для обеспечения большей связки используются также латунь, медно-никелевые сплавы, смеси WC, Sn, Ni, Cu. Перед установкой в пресс-форму корпуса инструмента с целью прочного соединения с алмазоносной матрицей его обрабатывают флюсом, состоящим из хлористого цинка, хлористого олова и хлорной меди [8]. Непосредственно при эксплуатации в скважинах используются многокомпонентные буровые растворы, содержащие в частности утяжелители на основе мела, барита и гематита, пенообразователи (сульфанол, лигносульфанат) и другие.
Таким образом, при эксплуатации алмазного инструмента, алмазы, содержащиеся в матрице, могут быть загрязнены с поверхности широким спектром веществ, как из бурового инструмента, так и бурового раствора, а также продуктов их взаимодействия при высокой температуре трения, в том числе со шламовыми продуктами истираемой горной породы.
Возможные причины и способы заражения
Анализируя возможные причины и способы заражения, следует учитывать комплексность технологий получения, обработки и эксплуатации алмазов. Следует обратить особое внимание на корректность поисков, многообразие и возможность комплексного характера загрязнения самих алмазов, вызывающего сложность выявления продуктов заражения. Особым случаем заражения является возможность случайного или намеренного вброса синтетических алмазов в исследуемый материал на всех стадиях - от опробования, хранения, перевозок и пробоподготовки до конечного исследования.
Чаще всего геологи при доказательстве природного происхождения находок алмазов уповают на необычные минеральные включения, не учитывая современное состояние области лабораторного и промышленного синтеза алмазов и алмазообразующего инструмента.
Нами проведен анализ обширной известной научной литературы по экспериментальному моделированию природного алмазообразования и сведений специфике различных промышленных марок синтетических алмазов, имеющихся на современном рынке, в частности от таких производителей и торговых компаний как Changsha Xinye Industrial Co., Ltd, Ceratonia, Scio Diamond Technology Corporation, Alibaba и др., а также ряд патентованных технологий [3-8 и многие другие]. Здесь мы кратко формулируем возможные источники различных включений внутри кристаллов и на их поверхности за счет загрязнения синтетических HPHT алмазов в процессе синтеза, извлечения из спеков, получения и эксплуатации алмазного инструмента и их комбинации:
1) в синтетических алмазах HPHT технологий могут быть использованы практически любые металлы и металлоиды, которые могут быть в качестве включений внутри алмазов и в виде реликтовых примазок на поверхности;
2) состав включений в алмазе также определяется степенью чистоты стартового графита. В случае использования природного графита его зольная часть (SiO2, Al2O3, многочисленные естественные примеси в виде широкого перечня металлов и TR) непременно попадает в состав системы синтеза. Изотопия графитового прекурсора определяет, в том числе, и значение изотопного состава углерода в алмазном продукте;
3) существует возможность образования новых соединений элементов примесей между собой в ходе кристаллизации в системе синтеза, при химическом извлечении алмазов и при очистке продуктов синтеза;
4) нельзя исключить возможное совместное нахождение на поверхности алмазов ростовых примесей и реликтов камнерезного инструмента, продуктов их взаимодействия с химическими реагентами обогащения и буровых растворов, а также взаимодействия с минеральными веществами разрушаемой горной породы при возможном совместном нахождении выше перечисленных источников загрязнения в исследуемом алмазе. Примеси внутри алмазов и на поверхности могут быть представлены как металлическими частицами и сплавами, так и карбидами, оксидами, боратами, сульфатами, карбонатами, сульфидами, алюмосиликатами, органическими соединениями и т.д.
Для исключения возможности заражения природных объектов синтетическими алмазами необходимо исключить следующие факторы:
1) наличие комплекса наиболее характерных типоморфных признаков технических алмазов, широко распространенных в использовании (случаи выявления целого комплекса таких признаков несут наибольшую опасность заражения).
2) хорошая сортировка алмазов по гранулометрическому составу (синтетические марки алмазов абразивного ряда, как правило, характеризуются в первую очередь определенным преобладающим классом крупности);
3) отсутствие детальных сведений о проведенном опробовании и геологической привязки;
4) использование алмазсодержащего инструмента на всех стадиях работ - опробование, пробоподготовка, извлечение, подготовка к аналитическим работам (в том числе, алмазы бурового инструмента в случае бурения с использованием алмазного бурения, использование алмазных порошков и паст при пробоподготовке, случайное заражение синтетическими алмазами при наличии их в камнерезном цехе; SiC из твердосплавных частей измельчительного оборудования). В случае же применения алмазсодержащего инструмента следует произвести детальный сравнительный анализ алмазов из инструмента и алмазов находки с целью исключения возможности совпадения их типоморфных признаков.
Обсуждение
Также необходимо отметить важность серьезного отношения к появляющимся сообщениям о находках новых алмазных объектов, особо часто появляющихся в последние годы. Перечислим некоторые из них - вулканогенно-эруптивные алмазы вулкана Толбачик на Камчатке [9], [10], [11], алмазы офиолитов Китая и Полярного Урала [12], [13], [14]), алмазы флюидизатов Енисейского кряжа [15]. Данные находки, представляемые в качестве 3-х новых разных генетических типов алмазов, характеризуются аналогичными типоморфными признаками алмазов, в полной мере соответствующими HPHT синтетическим алмазам и, очевидно, являются результатом заражения. Небольшие отличия, приводимые в данных публикациях, связанные с примесным составом и включениями, объясняются выше описанными факторами. По меньшей мере, данные находки нельзя считать достоверно установленными.
Для корректного выявления новых генетических типов алмазов необходимо наличие существенных специфических типоморфных признаков нового объекта. Для этого необходимо сравнить алмазы находки со всеми известными типами искусственных алмазов и продемонстрировать соответствующие доказательства отличия. Особые случаи достоверности могут быть связаны с находками алмазов в породе “in situ” на свежих сколах и внутри породы, без признаков возможного механического внедрения.
Признание открытия нового алмазоносного объекта возможно только после воспроизведения находки путем опробования и изучения алмазов с участием независимых профильных специалистов на всех этапах, при условии приоритета открытия за авторами находки, с соблюдением всех мер предосторожности для полного исключения возможности заражения, в том числе путями, описанными выше.
Заключение
В данной работе рассмотрена проблема заражения широко распространенными марками HPHT синтетических алмазов и предложены критерии, позволяющие избежать ошибки при обнаружении природных источников алмазов вследствие различных возможностей техногенного заражения.
Принимая во внимание выше указанные меры предосторожности, следует также помнить и о различных вариантах возможного заражения природными алмазами, а также синтетическими алмазами, полученными с применением CVD технологий, детонационного синтеза и других менее распространенных методов синтеза алмаза.
В случае техногенного источника с использованием алмазсодержащих инструментов и материалов на основе синтетических HPHT алмазов, выявление заражения, как правило, не составляет большой сложности, но требует привлечения специалистов, являющихся экспертами в соответствующей области, имеющими понимание, как природных алмазов, так и многообразия искусственных алмазов.
Наиболее трудными при установлении фактов заражения могут быть случаи намеренного вброса алмазов с целью привлечения внимания к геологическим объектам, получения финансирования, повышения цитируемости публикаций и т.д. В этом случае алмазы могут быть представлены любыми разновидностями, включая природные кристаллы, и могут быть внедрены на любом этапе - от опробования до аналитических работ, включая все стадии пробоподготовки, а также хранения каменного материала и готовых образцов для исследований.
Область исследования и производства алмазов настолько широка, а количество публикаций и патентов настолько велико, что, к сожалению, даже среди алмазников встречается недостаточно полное одновременное понимание существующего многообразия и природных, и техногенных алмазов. Поэтому, находки алмазов в нетрадиционных природных объектах, которые не прошли проверки на их достоверность, включая воспроизводимость находок, независимыми экспертами-алмазниками, не должны быть поспешно распиаренными, поскольку это несет за собой последствия необоснованных финансовых затрат на весьма затратные поисковые и геологоразведочные работы и дискриминацию самой науки.
Список литературы
1. Шумилова Т.Г. Алмаз в природе и промышленном синтезе. Современные достижения и перспективы / Т.Г. Шумилова // Материалы XVI Геологического Съезда РК "Геология и минеральные ресурсы Европейского Северо-Востока России". - Сыктывкар: ИГ Коми НЦ УрО РАН, 2014. - Т.2. - С.355-358.
2. Шумилова Т.Г. Минералогия самородного углерода / Т.Г. Шумилова. - Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2003. - 318 с.
3. Чепуров А.И. Экспериментальное моделирование процессов алмазообразования / А.И. Чепуров, И.И. Федоров, В.М. Сонин; науч. ред.А.И. Чепуров, А.Г. Кирдяшкин. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1997. - 196 с.
4. Бокий Г.Б. Природные и синтетические алмазы / Г.Б. Бокий, Г.Н. Безруков, Ю.А. Клюев и др. - М.: Наука, 1986. - 221 с.
5. Бакуль В.Н. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента: учебное пособие / В.Н. Бакуль. - М.: Машиностроение, 1975. - 269 с.
6. Шарин П.П. Новый метод приготовления твердосплавной шихты с упорядоченными наночастицами для изготовления матриц алмазных инструментов / П.П. Шарин // Вестник СВФУ. - 2016. - №1 (51). - С.78-87.
7. Исонкин А.М. Влияние металлизации алмазов на структурообразование и прочность композиционного материала WC-Co-Cu / А.М. Исонкин, А.М. Дуда, Н.Н. Белявина и др. // Науковi працi ДонНТУю. Серiя "Гiрничо-геологiчна". - 2013. - № 2 (19). - С.146-154.
8. АС СССР №1469746 В 24, В 22. Способ изготовления алмазного инструмента и металлическая связка для алмазного инструмента / Р.И. Эльбаева, Л.А. Никишкина. Опубл.1.12.1988.
9. Аникин Л.П. Находка алмаза в лавах Толбачинского извержения 2012-2013 гг. / Л.П. Аникин, А.В. Сокоренко, А.А. Овсянников и др. // Материалы конференции, посвящённой Дню вулканолога "Вулканизм и связанные с ним процессы". - Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2013. - C. 20-23.
10. Карпов Г.А. Алмазы и сопутствующие минералы в продуктах трещинного Толбачинского извержения 2012-2013 гг. / Г.А. Карпов, В.И. Силаев, Л.П. Аникин и др. // Вулканология и сейсмология. - 2014. - № 6. - С.3-20.
11. Силаев В.И. Алмазы в продуктах трещинного Толбачинского извержения 2012-2013 гг., Камчатка / В.И. Силаев, Г.А. Карпов, В.И. Ракин и др. // Вестник Пермского университета. Геология. - 2015. - Вып.1 (26). - С.6-22.
12. Xiong F. Diamonds and other exotic minerals recovered from peridotites of the Dangqiong ophiolite, Western Yarlung-Zangbo Suture Zone, Tibet / F. Xiong, J. Yang, P. T. Robinson et al. // Geologica Sinica (English editing). - 2016. - V.90. - № 2. - P.425-239.
13. Yang J. S. Diamonds in Ophiolites / J. S. Yang, P. T. Robinson, Y. Dilek // ELEMENTS. - 2014. - V.10. - P.127-130.
14. Yang J. Diamonds, native elements and metal alloys from chromitites of the Ray-Iz ophiolite of the Polar Urals / J. Yang, F. Meng, X. Xu et al. // Gondwana Research. - 2015. - Vol.27 (2). - P.459-485.
15. Силаев В.И. Туффизитовые алмазы на Енисейском кряже / В.И. Силаев, И.А. Кузьмин, В.М. Колямкин и др. // Вестник Пермского университета. Геология. - Т.16. - № 4. - С.304-329.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Люминесценция как один из весьма важных в практическом отношении свойств алмазов. Особенности свечения алмазов под действием ультрафиолетовых и рентгеновских лучей. Виды люминесценции, их отличительные особенности и значение, условия возникновения.
реферат [11,2 K], добавлен 05.01.2011Гипотезы происхождения природных алмазов, их свойства и применение. Алмазоносные провинции мира. Мантийная гипотеза. Немагматическая теория. Метеоритная гипотеза. Флюидная гипотеза. Диатремы, кимберлитовые трубки. Форма кристаллов. Синтез балласов.
дипломная работа [75,9 K], добавлен 12.06.2008Описание автоматизированной системы обогащения алмазосодержащей руды. Структурная схема сепаратора алмазов, программное обеспечение. Подбор элементов и расчет надежности. Практическое освоение методики оптимизации логических схем и оценки их надежности.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 24.12.2013История, направления и этапы процесса поиска алмазов по всему миру. Систематические работы по изучению алмазоносности обширной территории Сибири, выданные работы по данной тематике. Открытие Зарницы, трубки Айхал, Мирнинского алмазоносного поля.
реферат [838,3 K], добавлен 18.04.2012Анализ особенностей образования сапфиров в природе. Изучение физико-оптических свойств, месторождений и главных стран-экспортеров этого драгоценного камня. Методы выращивания синтетических корундов. Сравнение стоимости природных и синтетических сапфиров.
контрольная работа [67,5 K], добавлен 13.10.2012Методы установления подлинности бриллианта. Физические основы комбинационного рассеяния света. Элементарное описание комбинационных оптических процессов. Спектроскопия комбинационного рассеивания света. Особенности рассеивания света в природных алмазах.
дипломная работа [3,4 M], добавлен 19.03.2012История обнаружения первых россыпей алмазов, их магические свойства. Ознакомление с легендами о нахождении знаменитых бриллиантов Индии "Кох-и-Нор", "Регент", "Шах". Особенности огранки драгоценных камней Бразилии, Южной Африки, Венесуэлы и Калимантаны.
реферат [5,6 M], добавлен 05.11.2010Описание свойств алмаза и его кристаллизация в кубической сингонии. Изучение морфологии и внутреннего строения кристаллов для восстановления истории их образования. Идентификация и диагностика алмазов, методы их добычи. Создание синтетического минерала.
реферат [41,0 K], добавлен 11.10.2011Общие сведения о районе месторождения, особенности геологического строения трубки. Морфология кимберлитовых тел "Юбилейная" и "Отторженец". Алмазоносность и подсчет объемов руды месторождения, его вскрытие и подготовка, проведение буровзрывных работ.
отчет по практике [913,0 K], добавлен 09.01.2015Структура кристаллов. Применение алмаза с древних времен до наших дней. Происхождение алмаза. Обработка алмазов. Самые крупные, известные и ценные алмазы. Атомная структура, правильное, симметричное, закономерное расположение атомов.
реферат [111,9 K], добавлен 14.06.2003
