Этот многоликий алмаз

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геологический факультет

Кафедра общей геологии и геодинамики

РЕФЕРАТ

по теме

"Этот многоликий алмаз"

Новочеркасск 2011

Оглавление

Введение

1. Свойства алмаза

2. Образование алмазов

3. Добыча алмазов

4. Идентификация алмазов

5. Синтетические алмазы

Заключение

Литература

Введение

Драгоценные камни с давних времен были спутниками человека. Издавна человек стал замечать, что не все они похожи. Конечно, необработанный камень невзрачен, но часто их обрабатывает сама природа - при помощи ветра, песка, воды. Уже тогда человек стал делать украшения из натуральных камней. Правда, в давние времена человек мог обработать только мягкие минералы. Такие, как гагат, янтарь, кварц. Однако уже в середине 15 века ювелир бургундского герцога Людвиг ван Беркем впервые огранил алмаз, а в 17-м веке алмазы научились распиливать. Они и сейчас служат прекрасным материалом для изготовления бус, колец и прочей дорогой бижутерии. Но драгоценные камни - это не только красивый внешний вид. Камни олицетворяли собой мощь, красоту и силу. Поэтому люди наделяли их сверхъестественными свойствами. Многие камни становились предметом религиозного поклонения. Из красивых кристаллов вырезали фигурки богов, делали амулеты, хранили как талисманы. Люди верили, что камни способны оберегать своих владельцев от болезней и других всевозможных напастей. Вид камней, особенно их цвет, как полагают люди, влияет на характер, здоровье, а часто и судьбу человека. Драгоценные камни использовали и для приношений богам. Золотисто-желтые камни, например, преподносили богу здоровья, красные камни - богу войны; богине плодородия и любви предназначались зелёные камни. Также определённые камни вставляли в статуэтки, изображающие божества.

Несомненно, алмаз по праву считался самым популярным и дорогим драгоценным камнем в мире. Символом роскоши, богатства и великолепия уже давно стал ювелирно обработанный алмаз -- бриллиант. В истории человечества фигурировало множество алмазов, которые в силу своих больших размеров и неповторимой красоты привлекали к себе всеобщее внимание. Самые известные из них получили даже собственные имена.

1. Свойства алмаза

Этот удивительный минерал известен людям уже более 5000 лет. Описывая алмаз, десятки раз употребляют слово "самый" - самый твёрдый, самый блестящий, самый износостойкий, самый дорогой, самый редкий, самый теплопроводный… Название алмаз произошло от искажённого греческого адамас - неодолимый, несокрушимый.

Алмаз кристаллизуется в кубической сингонии. В тоже время в зависимости от способа компенсации магнитных моментов выделяют от двух до четырёх структурных разностей. Кроме того, симметрия структуры может изменяться от изоморфных примесей, входящих либо на место центрального атома углерода в тетраэдре, либо в его вершины, что приводит к гемиморфности структуры и снижению симметрии. Это сказывается на габитусе кристаллов в развитии лишь половины октаэдрических граней. Установлен также гексагональный политип алмаза - лонсдэлеит с вюртцитовой структурой.

Для алмаза характерны кривогранные формы октаэдроиды, додекаэдроиды, гексаэдроиды, тетраэдроиды, на гранях которых наблюдается параллельная, вальцеобразная или сноповидная штриховки, микрослоистость, пирамидальные и каплевидные холмики, ямки травления, дисковая и черепитчатая структуры. Иногда алмазы имеют каналы травления, покрываются тончайшими приповерхностными трещинами, создающими матовость при коррозии, несут следы механического износа. Внутреннее строение монокристаллов алмаза чаще зональное или волокнистое, устанавливается невооружённым глазом или специальными исследованиями. Распространены и пластически деформированные кристаллы. Детально изучая морфологию и внутреннее строение кристаллов алмаза, можно восстановить историю его образования.

Кроме монокристаллов, алмазы часто образуют закономерные и незакономерные сростки. Первые разделяются на двойники и параллельные сростки. Иногда встречаются двойники, образующие многолучевые звёзды. Незакономерные сростки весьма типичны для алмаза. Срастаться могут два-три индивида различной или одинаковой величины или множество индивидов, образующих различные поликристаллические агрегаты. Выделяют несколько их разновидностей: борт, баллас и карбонадо.

Борт - это мелкозернистые неправильной формы агрегаты беспорядочно ориентированных кристаллов, различимые невооружённым глазом или под микроскопом. Тёмная окраска объясняется присутствием графита. Выделения борта могут достигать нескольких сотен граммов. Борт встречается практически на всех месторождения алмазов. В технике бортом часто называют низкокачественные алмазы с большим числом трещин и включений, монокристаллы алмаза пониженного качества и агрегаты.

Разновидность алмазов карбонадо была обнаружена в 1813 году. Название получила от португальского "carbonados" - карбонатизированный. Карбонадо представляет собой скрытокристаллические образования из разупорядоченных индивидов алмазов размером 5-10 мкм, иногда в них присутствует аморфный углерод и графит. Форма образования неправильная, угловатая или округлая. Они непрозрачны, имеют тёмно-серый, чёрный, зелеоватый, серый или коричневый цвета, блестящую, эмалевидную, антрацитоподобную или матовую шлаковидную поверхность. Обычно их масса 0,1-1 карат, но встречаются и более крупные. Так, в 1825 году в Бразилии был найден камень массой 3167 карат. Карбонадо обладают очень большой прочностью, поэтому они используются для изготовления коронок, предназначенных для бурения особо твёрдых горных пород. Применяется карбонадо и для правящего инструмента. В Африке встречена разновидность карбонадо с магнитными свойствами, названная стюаритом. Его магнитные свойства обусловлены большим числом включений магнетита.

Балласы, дробеобразный борт, алмазы Кунца - под таким названием известны поликристаллические образования округлой, овальной или грушеобразной формы с радиально-лучистым строением кристаллитов размером 10-200 мкм. Диаметр агрегатов колеблется от нескольких миллиметров до 20 мм, реже более. Известны находки балласов массой до 75 карат. Балласы могут быть непрозрачными, полупрозрачными или просвечивающими, с сильным блеском или матовые, бесцветные, серые, чёрные или зеленоватые.

В настоящее время известна ещё одна разновидность поликристаллических образований алмаза ударно-взрывного происхождения. Такие алмазы приурочены к своеобразным кольцевым воронковидным структурам - астроблемам, которые получаются при ударе космического тела о земную кору. Возникшие при этом высокие температура и давление способствовали образованию алмазов. Размеры угловатых, неправильной формы агрегатов, как правило, 1-2 мм, размер кристаллитов - 20-40 мкм. Алмазы непрозрачные, чёрные, желтоватые или зеленоватые. Строение их слоистое или волокнистое. При рентгеновских исследованиях агрегатов, помимо алмаза, устанавливаются другие модификации углерода: графит, лонсдейлит и карбин.

Твёрдость алмаза - 10 (по шкале Мооса), самая высокая среди всех минералов; микротвёрдость (в МПа) - 93 157 - 98 648. Однако у алмаза наблюдается анизотропия твёрдости, выражающаяся в том, что на разных гранях и в различных направлениях твёрдость несколько отличается.

Наименее износоустойчивыми направлениями, по которым и обрабатывают алмаз, являются следующие: в плоской сетке куба - направления, параллельные сторонам кубических граней, в плоской сетке октаэдра - направления, соответствующие высотам треугольных граней. В свою очередь, твёрдость октаэдрических граней больше твёрдости ромбододекаэдрических, но ниже, чем кубических. Износостойкость алмазов колеблется в широких пределах, средняя её величина в несколько раз выше износостойкости широко известных абразивных материалов - карбида бора и кремния. Абразивная способность материала определяется отношением массы сошлифованного материала к массе израсходованного абразива. Если принять абразивную способность алмаза за единицу, то абразивная способность карбида бора составит 0,5-0,6, а карбида кремния - 0,2-0,3.

Теоретическая плотность алмаза 3,515 г/см³. Однако встречаются алмазы, у которых наблюдаются значительные отклонения от этой величины, что связано с наличием различных включений, трещин, пор, а также агрегативным строением. Наименьшую плотность имеют карбонадо (до 3,4 г/см³). Плотность балласов уменьшается от светлых разностей к тёмным. У монокристаллов с различимым невооружённым глазом зональным строением - "алмазов в оболочке" и графитизированных кристаллов плотность ниже среднего значения. Плотность прозрачных с зелёными пятнами пигментации или дымчато-коричневых алмазов несколько ниже, чем у бесцветных или жёлтых, но эти колебания выражаются в тысячных, реже сотых долях единиц плотности.

Алмаз имеет совершенную спайность по {III}, излом ровный, ступенчатый, раковистый. Модуль упругости алмаза равен 88 254 МПа, что объясняет деформацию алмаза при его воздействии на обрабатываемый материал. В связи с этим при алмазной обработке материалов удельное давление и температура должны быть в несколько раз ниже, чем при использовании других абразивов. Предел прочности на изгиб у алмаза 206-490 МПа, что в три-четыре раза меньше, чем у твёрдого сплава (1079-1471 МПа). Предел прочности алмазов при сжатии зависит от их формы и дефектности. В среднем он составляет 1961 МПа, что в два раза меньше предела прочности для твёрдых сплавов (3922-4903 МПа). Плотность на разрыв 7 746 740 МПа (теоретическая). Коэффициент сжатия алмаза и модуль сжимаемости в четыре раза меньше, чем у железа.

Алмаз состоит из углерода (96 - 99,8 %). В качестве примесей в нём установлены в различных количествах (от n_*10^-8 % до 0,3 %) более 25 элементов: H, B, N, O, Na, Mg, Al, Si, P, Ca, Sc, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Sr, Ba, Zr, TR, Pt, Au, Ag, Pb и другие.

Совершенно бесцветные алмазы довольно редки. Обычно у них наблюдается какой-либо оттенок. Встречаются интенсивно окрашенные алмазы жёлтого, оранжевого, зелёного, голубого, синего, розового, коричневого, молочно-белого, серого, чёрного цвета. Окраска алмазов связана с различными дефектно-примесными центрами в структуре кристаллов, а иногда - с включениями ряда минералов. Наиболее распространённая жёлтая окраска может иметь различное происхождение. Равномерная лимонно- или соломенно-жёлтая окраска прозрачных кристаллов октаэдрической или додекаэдрической формы обусловлена наличием дефектно-примесного центра N3 (интерпретируемого как донорно-акцепторная пара [N -Al] или три атома азота и вакансия), с которым связана система линий (головная 415 нм) в спектрах поглощениях. Жёлтая, янтарно-жёлтая окраска прозрачных кристаллов кубического габитуса и периферийной зоны "алмазов в оболочке" связана с одиночными атомами азота, изоморфно замещающими в структуре алмаза атомы углерода. В таких алмазах наблюдается поглощение с 550 нм. Зелёные пятна пигментации, окрашивающие поверхность кристаллов в зеленоватый или голубоватый цвет, появляются в результате природного радиоактивного облучения. При нагревании в процессе метаморфизма они становятся жёлтыми. Встречаются алмазы с синей и голубой окраской. Предполагается, что этот тип окраски обусловлен вхождением в структуру алмаза бора. Очень распространены дымчато-коричневые и реже розовато-сиреневые алмазы, окраска которых связана с дефектами на плоскостях скольжения. Молочно-белая окраска объясняется наличием мелкодисперсных включений граната во внешней части кристалла, а серая и чёрная - включениями графита.

Алмаз при обычных температурах химически инертен. Кислоты, даже самые сильные на него не действуют. При высоких температурах алмаз приобретает химическую активность. При температуре выше 450-500^о С (микропорошки) - 600-700^о С (кристаллы) алмаз может окисляться кислородом, CO₂, NO, водяным паром. При температурах 600-800^о С и выше кристаллы алмаза травятся в расплавах щелочей, кислородосодержащих солей и металлов.

Алмаз не смачивается водой, но прилипает к жировым смесям. Высокий показатель преломления (2,417) объясняет его яркий, алмазный блеск. Для лучей разного цвета показатель преломления неодинаков: для красного - 2,402; жёлтого - 2,417; зелёного - 2,427; фиолетового - 2,465. Таким образом, дисперсия показателя преломления алмаза - 0,063, что намного выше, чем у других минералов. Высокой дисперсией объясняется "игра" бриллиантов. Угол внутреннего отражения для алмаза при n= 2,42 составляет 24^о51^/.

Кристаллы алмаза оптически изотропны, однако довольно часто в них возникают упругие напряжения, приводящие к появлению аномального двупреломления. Узоры двупреломления могут быть различными: полосчатыми, соответствующими зональному строению кристаллов или связанными с плоскостями скольжения; радиально-лучистыми, вызванными дислокациями роста кристаллов; звёздо- и крестообразными, связанными с неравномерным распределением примесей; в виде изоклин, вызванных объёмными напряжениями в алмазе; в виде фантомов, обусловленных напряжениями, направленными в разные стороны; вызваны включениями посторонних минералов; напоминающими рисунок соломенных ковриков.

Под воздействием катодных, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей некоторые алмазы люминесцируют, что вызвано дефектами их структуры. Цвет люминесценции различен - от зелёного и жёлтого до голубого или синего. Алмазы с различным свечением имеют разные физико-механические свойства. Так при статическом однородном сжатии наибольшей прочностью отличаются несветящиеся алмазы, затем голубые, зелёные, жёлтые и розовые. Самая большая динамическая прочность у кристаллов с розовым свечением, ниже у кристаллов с зелёным, жёлтым и голубым свечением. Наименьшая прочность на удар у несветящихся алмазов. При испытании алмазов с различным свечением на истирание наибольшая износостойкость установлена у алмазов, светящихся зелёным цветом, ниже - у голубых, жёлтых алмазов, с розовым свечением и у несветящихся.

В 1934 году Р.Робертсон, Дж. Фокс, А. Мартин выяснили, что алмазы по физическим свойствам делятся на два типа. В 1959 году В. Кайзер и В. Бонд связали эти отличия с разным содержанием в них азота. В алмазах I типа оно достигает 0,25 %, в алмазах II типа не превышает 0,001 % . Алмазы I типа резко преобладают во всех месторождениях, однако в южноафриканских кимберлитовых трубках "Премьер", "Де Брис" и "Финч" много и алмазов II типа, а среди мелких кристаллов из трубки "Премьер" они составляют до 90 % от всей массы алмазов.

Алмазы I и II типа отличаются и по характеру поглощения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. Граница фундаментального поглощения в ультрафиолетовой области в алмазах II типа находится в пределах 220-225 нм, а в алмазах I типа - 300-320 нм.

В инфракрасных спектрах алмазов наблюдается двухфононное решётчатое поглощение в области 3-6 мкм, связанное с температурным колебанием атомов углерода в решётке алмаза. В алмазах, содержащих различные дефектно-примесные центры, установлены системы поглощения A, B₁, B₂ и C с соответствующими основными линиями (см^-1) - A - 1282, B₁ - 1175, B₂ - 1370, C - 1130.

Алмазы I и II типа отличаются и по своим электронным свойствам. При комнатной температуре алмазы являются диэлектриками, но среди алмазов II типа выделяется отдельный подтип IIb - алмазы, обладающие полупроводниковыми свойствами. При облучении ультрафиолетовыми лучами (210-300 нм) в алмазах появляется фотопроводимость, которая вдвое увеличивается при дополнительном одновременном облучении их инфракрасными лучами. При одинаковых условиях фотопроводимость алмазов II типа на порядок выше, чем I типа.

Алмаз характеризуется очень высокой теплопроводностью. Она не одинакова при различной температуре. В интервале температур 20-1200 К теплопроводность алмаза выше теплопроводности меди. Линейное расширение алмазов при температуре 0-1400^о С составляет 0,58 %, коэффициент теплового расширения при 25^о С равен 1,3_*10^-6, а при 1400^о С - 7_*10^-6.

Физические свойства алмазов (цвет, твёрдость, электропроводность) изменяются при их облучении: цвет становится синим, сине-зелёным, а при увеличении времени облучения - тёмно-зелёным и чёрным. Изменения в структуре алмазов приводят и к изменению механических свойств. На 20-30 % увеличивается статистическая прочность, однако динамическая прочность уменьшается.

В зависимости от свойств алмазы делят на ювелирные и технические. К ювелирным относят прозрачные алмазы (бесцветные или с нацветом) с небольшим количеством дефектов. К техническим алмазам в зависимости от назначения предъявляются соответствующие требования. Технические алмазы низкого сорта и поликристаллические их разновидности обязательно проходят предварительную обработку с целью разделения их по форме и размерам, а также для выделения алмазов с более высокими значениями прочности. При этом алмазы дробят, овализируют, полируют, а также подвергают термической обработке и металлизации.

2. Образование алмазов

Данные по условиям образования алмаза в основном получены при изучении алмазов кимберлитов. Было установлено:

1. Процесс роста алмаза характеризовался, с одной стороны возможностью равномерного питания кристалла (хорошо огранённые кристаллы), с другой - сменой, иногда многократной, роста и растворения (скульптуры растворения).

2. Кристаллы алмаза обнаружены не только в кимберлитах, но и в содержащихся в них эклогитовых ксенолитах, то есть материале, возникшем в условиях верхней мантии Земли.

3. Повсеместное развитие по кимберлиту серпентинов, обилие карбонатов, повышенное содержание H₂O и карбонатов в алмазах с оболочкой свидетельствуют о высоком содержании летучих (H₂O, CO₂ и др.) в магме, из которой выделялся алмаз.

4. Концентрация летучих веществ менялась в сторону увеличения, что фиксируется в частности, появлением азотосодержащего алмаза I типа после выделения без азотного алмаза II типа.

5. В алмазах установлены включения других минералов и их срастаний. Включения иногда имеют огранку отрицательных кристаллов, что, очевидно, связано с их выделением между бугорками роста кристаллов алмаза. В других случаях минералы-узники имеют собственную или комбинированную огранку.

6. Минералы включений отличаются от всех известных минералов других ассоциаций, в том числе и находящихся в кимберлитах. Так клинопироксены содержат до 34 мол. % Na Cr Si₂ O₆, хромит - более 80 мол. % Fe Cr₂O₄, оливин - 0,04-0,08 вес. % Cr₂O₃, магнезиальный гранат 6-16 вес. % Cr₂ O₃ при низком содержании CaO (0,6-3,5 %) и низкой железистости (11-15 %), ильменит практически не содержит Fe³⁺. Хромовые включения в алмазе по составу сопоставимы с хромитом паласситов и силикатных включений в железных метеоритах.

7. Термодинамические расчёты, синтез алмаза, снятие напряжений вокруг минералов-узников и расчёт давления их образования по упругим свойствам свидетельствует, что алмаз образовался под давлением около 500 тгс/см², то есть на глубине около 150 км, при температуре выше 1200^о С.

Всё это позволяет придти к выводу, что основная масса алмаза выделялась из жидкой ультраосновной магмы, богатой летучими компонентами, в условиях верхней мантии Земли. С больших глубин алмаз был вынесен взрывными процессами. Это позволило сохраниться его кристаллам в метастабильном состоянии, хотя часть их начала растворяться, а другие - графитизироваться. Процесс был многократным, изменялись условия и в мантии. Поэтому частичное растворение алмаза могло сменяться его ростом не один раз.

Возраст алмазов, по данным некоторых исследований, может быть от 100 миллионов до 2,5 миллиардов лет.

Известны метеоритные алмазы, внеземного, возможно -- досолнечного, происхождения. Алмазы также образуются при ударном метаморфизме при падении крупных метеоритов. Кроме этого, алмазы были найдены в кровлевых породах в ассоциациях метаморфизма сверхвысоких давлений, например в Кумдыкульском месторождении алмазов на Кокчетавском массиве в Казахстане.

И импактные, и метаморфические алмазы иногда образуют весьма масштабные месторождения, с большими запасами и высокой концентрацией. Но в этих типах месторождений алмазы мелки настолько, что не имеют промышленной ценности.

3. Добыча алмазов

До XVIII века Индия была главным поставщиком алмазов. Их начали добывать здесь уже во II тысячелетии до нашей эры. Основной район добычи расположен в бассейнах рек Кришна, Пеннер и Годавари. Алмазы приурочены к песчаникам, конгломератам, пескам и галечникам. После открытия богатых россыпей алмазов в Бразилии Индия утрачивает главенствующую роль в поставке алмазов. С увеличением добычи алмазов в Бразилии цены на них на мировом рынке упали. Для стабилизации цен правительство Португалии ввело высокие пошлины на экспорт алмазов из своей колонии Бразилии и установило высокую арендную плату на алмазоносные участки. Добыча алмазов была объявлена собственностью короля. В результате добыча снизилась, а цены стабилизировались. В 1822 году Бразилия стала независимым государством, и частным лицам было разрешено разрабатывать месторождения. Это позволило расширить добычу и открыть новые алмазоносные площади. В настоящее время добыча алмазов в этой стране составляет около 350-400 тыс. карат в год. Качество бразильских алмазов высокое. Размер мелких камней - до 1 карата, средних - 1-3 карата, более крупных - свыше 3 карат.

В 1851 году были найдены россыпи алмазов в Австралии, вначале в штате Новый Южный Уэльс, а затем в штатах Квинсленд и Виктория. В 1975-1978 годах здесь открыты богатые коренные месторождения - кимберлитовые трубки. Здесь же были обнаружены богатые месторождения алмазов нового типа, связанные с лампроитами.

В Южной Африке алмазы обнаружены в 1867 году. Существует легенда об их открытии. На берегу реки Оранжевой дети нашли несколько красивых, ярко блестевших на солнце камешков. Камни были подарены фермеру Шалк Ван-Никерку, который начал вести поиски алмазов среди местных жителей. Вскоре, обычный пастух, которого звали Боуи, увидел на земле красивый камень и принес его показать Шалк Ван-Найкерку. Фермер быстро сориентировался в предварительной стоимости камня и выменял его у пастуха за 500 баранов, 10 быков и лошадь. Алмаз вскоре был огранен "каплей" и продан на аукционе за 552 тысячи долларов. Этот камень стал вторым алмазом, найденным в Южной Африке, при этом более крупным -- его натуральный вес составил 83.5 карата.

Первоначально алмазы находили только в россыпях и практически всегда случайно. Высказывались догадки о коренных источниках этого минерала, но его систематическими и целенаправленными поисками никто не занимался. Лишь после открытия первых алмазов в речных отложениях Южной Африки старатели неожиданно наткнулись на их скопления вдали от рек. Они не подозревали, что имеют дело с коренными залежами алмазоносной породы и называли их просто "сухими алмазными копями" в отличие от "мокрых копей", расположенных в руслах рек. Первая "сухая копь" была обнаружена в 1870 году и названа Ягерсфонтейн. В том же году и следующем были найдены и другие копи, в том числе Колесбергская копь, или Нью Раш, переименованная в 1873 году в Кимберли.

В 1897 году коренные месторождения алмазов обнаружены в Трансваале, в 1903 году в Зимбабве, в 1907 году - в Анголе и Заире, а затем - в Танзании, Лесото, Сьерра-Леоне, Ботсване, Гане. Добыча алмазов в Африке стала ведущей отраслью горной промышленности.

В России первый алмаз найден в 1829 году на Урале на Крестовоздвиженском золотом прииске. Четырнадцатилетний Павел Попов, промывая золото, нашёл крупный кристалл алмаза. Вскоре были выявлены россыпи у деревни Северной и села Промысел, в Гороблагодатском округе.

Первый алмаз на Сибирской платформе найден в 1948 году С.Н.Соколовым. В 1949 году разведочная партия Г.Х. Файнштейна выявила в Якутии россыпи промышленного значения. Коренные месторождения в Якутии открыты геологом Л.А. Попугаевой и рабочим Ф.А.Белкиным, которые 21 августа 1954 года обнаружили трубку, названную "Зарницей". В 1955 году Е.Н. Елагина и Ю.Хабардин открыли трубку "Мир". В дальнейшем были найдены и другие трубки.

К настоящему времени алмазы найдены на всех континентах Земли, в том числе и в Антарктиде, где обнаружены осколки железного метеорита с алмазами. Возраст природных алмазов, согласно оценкам, насчитывает более 100 млн. лет.

Существует особенность размещения коренных месторождений алмазов -- их приуроченность к труднодоступным необжитым территориям. Если с этих позиций рассмотреть местоположение практически всех известных ныне алмазоносных кимберлитовых и лампроитовых трубок, то получается следующая картина. Первые алмазоносные кимберлитовые трубки в Южной Африке были открыты в ее центральной части, где до 70-х годов 19-го века лишь отдельные буры-колонисты пытались осваивать африканский буш под сельскохозяйственные угодья. Никаких солидных поселений в этих районах в то время не было. Города Кимберли и Йоханнесбург возникли позже: первый после начала освоения алмазных месторождений, второй -- вблизи крупнейшего золоторудного. В Лесото природа спрятала кимберлиты высоко в горах, куда можно добраться лишь пешком или на лошадях. Алмазоносные кимберлиты этой страны называют самыми высокогорными в мире. Кимберлитовые трубки Ботсваны (Орапа и Джваненг) -- крупнейшие в мире -- размещаются в безводной знойной пустыне Калахари, где они к тому же покрыты многометровой толщей песков. То же самое относится и к алмазным месторождениям других африканских стран -- Танзании, Гвинеи, Анголы, Сьерра-Леоне, Мали и др.

Немногочисленные выходы алмазоносных кимберлитов Индии локализованы в пределах пустынной территории шт. Мадхья-Прадеш и других штатов. Даже в такой перенаселенной стране, как Китай, и то алмазоносные кимберлиты располагаются в относительно необжитых местах.

В особенно неблагоприятных климатических и географических условиях сосредоточены алмазоносные кимберлиты в северном полушарии. Якутия -- территория вечной мерзлоты, Архангельск -- заболоченная тайга, низкие температуры зимой. Алмазные месторождения Канады находятся на севере Американского континента, в местности, где отсутствовали населенные пункты и какая-либо инфраструктура. К тому же там 75% кимберлитовых тел располагаются под озерами.

Россыпные месторождения алмазов образуются в основном за счет размыва коренных кимберлитовых трубок. Россыпи размещаются возле коренных месторождений в пределах кимберлитовых районов и полей или возникают на удалении от этих районов в благоприятных для россыпеобразования геолого-структурных условиях, создавая самостоятельные алмазоносные россыпные районы и поля. При этом изменяется морфология кристаллов, происходит их дифференциация по крупности и пр. Ввиду того, что алмаз обладает особой абразивной стойкостью, он может переноситься на большие расстояния от коренного источника, иногда на тысячи километров (например, прибрежно-морские россыпи Юго-Западной Африки). Если рассматривать всю совокупность находящихся в коренном источнике по абразивной стойкости кристаллы и их сростки, то при транспортировке их неустойчивая часть разрушается. Поэтому алмазы из россыпей, даже расположенных вблизи от коренного источника, по качеству превосходят алмазы из кимберлитов этой трубки. В процессе даже недалекого переноса уничтожается часть сростков, камней с различными дефектами, что приводит к возрастанию доли ювелирных алмазов.

4. Идентификация алмазов

В ювелирной практике для имитации алмазов издавна использовали различные прозрачные, бесцветные минералы - циркон, корунд, фенакит, топаз, гошенит, горный хрусталь или окрашенные - демантоид, титанит, сфалерит, шеелит и ряд других. В настоящее время для имитации алмаза применяются новые синтетические материалы - фианит, гадолиний-галлиевый и иттрий-алюминиевый гранаты, рутил, титанат стронция (фабулит), ниобат лития, шпинель, корунд (лейкосапфир) и некоторые другие. Широко использовались долгое время как имитации бриллиантов "свинцовые стёкла", а также дублеты и триплеты, но сейчас применение их упало в связи с получением довольно дешёвых имитаций из синтетических материалов. Значительная разница в стоимости бриллиантов и их имитаций делает вопрос правильной диагностики очень важным.

Имитации алмаза можно разделить на две группы. К первой группе относятся имитации с высоким показателем преломления (выше 1,8, то есть их нельзя замерить на рефрактометре) и дисперсией, а такж с сильным алмазным блеском (синтетический рутил, титанат стронция, сфалерит, ниобат лития, фианит, ГГГ, ИАГ, титанит, демантоид). Ко второй - имитации с довольно низким показателями преломления (ниже 1,8, то есть их можно замерить на рефрактометре), дисперсией и стеклянным блеском. Наиболее близки к алмазам по показателям преломления и дисперсии из минералов циркон и титанит, а из синтетических материалов - фианит и ГГГ.

Ряд диагностических приборов основан на определении отражательной способности (блеска), находящейся в связи со светопреломлением веществ по формуле Френеля [ (n - 1)² / (n+1)] 100. Рефлектометры У.У. Ханнемана предназначены специально для отличия алмаза от его высокопреломляющих имитаций. Рефлектограф "Gemprint" позволяет отличить алмаз от имитации по картинам отражения света гранями камней с различным внутренним строением и типом огранки.

При правильной огранке алмаза весь свет, падающий на него через коронку, полностью отражается от граней павильона, и при просмотре бриллианта на свет видна только одна светящаяся точка вколете. Из-за полного внутреннего отражения нельзя ничего увидеть через бриллиант. На различии критического угла у алмаза и имитаций основаны тесты "световой шпиль" и "световая передача". Высокий показатель преломления алмаза при просмотре его через площадку создаёт иллюзию значительно меньшей толщины камня, чем это на самом деле.

При диагностике бриллиантов широко используется определение оптического характера с помощью полярископа. Оптически анизотропны синтетический рутил, ниобат лития, титанит, циркон, шеелит, лейкосапфир, фенакит, топаз, берилл, горный хрусталь. Причём двупреломление у некоторых из этих имитаций столь высоко (рутил, ниобат лития, циркон, титанит), что можно наблюдать удвоение рёбер нижних граней камня при просмотре его через площадку с помощью лупы или микроскопа. Алмаз - оптически изотропный минерал, однако довольно часто в нём наблюдается аномальное двупреломление, которое однако есть и у некоторых его имитаций (ИАГ, синтетической шпинели).

Основное отличие алмаза от имитаций - его непревзойдённая твёрдость. Это свойство определяет характерное только для бриллиантов наличие идеально плоских граней и острых рёбер на стыке граней. На ряде имитаций рёбра обычно слегка "заваленные" и присутствует вертикальная штриховка на рундисте.

Весьма важное свойство при диагностике алмазов - их плотность. Из наиболее распространённых имитаций близкую к нему плотность имеют только топаз, шпинель и, в некоторых случаях, титанит и сфалерит. Плотность остальных имитаций либо значительно выше плотности алмаза (рутил, титанат стронция, ниобат лития, ГГГ, циркон, шеелит, демантоид, ИАГ, корунд), либо ниже (фенакит, берилл, кварц). Плотность стекла колеблется в зависимости от содержания в нём свинца, у наиболее часто применяемого в качестве имитации бриллианта свинцового стекла она равна 3,74 г/см³. В связи с этим отличить алмазы, не закреплённые в изделия, от их имитаций весьма просто с помощью разбавленной жидкости Клеричи. Различие плотности алмаза и его имитаций приводит к тому, что при одном и том же размере масса бриллианта и имитаций будет различна, что помогает диагностике. Например, масса огранённого бриллиантовой огранкой камня одного и того же размера будет равна: алмаза - 1, титаната стронция - 1,45, ИАГ - 1,30, фианита -1,60.

Дополнительными диагностическими свойствами могут служить спайность, люминесценция, поглощение в ультрафиолетовой и видимой областях, теплопроводность, смачиваемость жирами. Для определения некоторых из них сконструированы специальные приборы. Так на свойстве алмаза смачиваться жирами основан "Алмазный карандаш" ("Gem Diamond Pen"), снабжённый фетровым концом и заправленный специальными чернилами, которые оставляют сплошную черту на поверхности алмаза и пунктирную - на большинстве имитаций с высоким показателем преломления.

Надёжный метод идентификации алмазов - пропускание рентгеновских лучей. Алмаз, в отличие от большинства минералов, синтетических камней и стёкол, прозрачен в рентгеновских лучах.

При диагностике алмазов следует учитывать и включения, различаемые в наиболее высококачественных бриллиантах только при значительном увеличении. Их состав связан с глубинным происхождением алмаза и является очень характерным. Для сингенетических включений характерны оливин, пироп, в том числе с высоким содержанием кноррингитовой молекулы Mg₃Cr₂[SiO₄]₃, хромшпинелид, хромит, алмаз (более ранний), энстатит, диопсид, хромдиопсид, коэсит, пирротин, пентландит, рутил, ильменит, циркон и некоторые другие. Эпигенетические включения представлены гётитом, серпентином, графитом, гематитом, селлаитом, каолинитом, санидином и некоторыми другими. Встречаются иногда также включения, происхождение которых не совсем ясно. Например: мусковит, флогопит, биотит, кварц, магнетит, кианит. Однако наличие этих включений, особенно сингенетических, не встречаемых больше почти ни в одном ювелирном камне и поэтому помогающих при идентификации алмаза, отрицательно влияет на его стоимость. В связи с этим неоднократно предпринимались попытки удалить их каким-либо методом. В настоящее время практикуется уничтожение включений сжиганием их лучами лазера с последующей обработкой канала кислотой. Наличие такого канала, так же может служить диагностическим признаком алмаза.

5. Синтетические алмаз

В 1694 году итальянские учёные Дж. Аверани и К.А. Тарджони при попытке сплавить несколько мелких алмазов в один крупный обнаружили, что при сильном нагревании алмаз сгорает, как уголь. В 1772 году Антуан Лавуазье установил, что при сгорании алмаза образуется диоксид углерода. В 1814 году Гемфри Дэви и Майкл Фарадей окончательно доказали, что алмаз является химическим родственником угля и графита.

Открытие натолкнуло учёных на мысль о возможности искусственного создания алмаза. Первая попытка синтеза алмаза была предпринята в 1823 году основателем Харьковского университета Василием Каразиным, который при сухой перегонке древесины при сильном нагреве получил твёрдые кристаллы неизвестного вещества. В 1893 году профессор К. Д. Хрущов при быстром охлаждении расплавленного серебра, насыщенного углеродом, также получил кристаллы, царапавшие стекло и корунд. Его опыт был успешно повторён Анри Муассаном, заменившим серебро на железо. Позже было установлено, что в этих опытах синтезировался не алмаз, а карбид кремния (муассанимт), который имеет очень близкие к алмазу свойства.

В 1879 году шотландский химик Джеймс Хэнней обнаружил, что при взаимодействии щелочных металлов с органическими соединениями происходит выделение углерода в виде чешуек графита и предположил, что при проведении подобных реакций в условиях высокого давления углерод может кристаллизоваться в форме алмаза. После ряда экспериментов, в которых смесь парафина, костяного масла и лития длительное время выдерживалась в запаянной нагретой до красного каления стальной трубе, ему удалось получить несколько кристаллов, которые после независимого исследования были признаны алмазами. В научном мире его открытие не было признано, так как считалось, что алмаз не может образовываться при столь низких давлениях и температурах. Повторное исследование образцов Хэннея, проведённое в 1943 году с применением рентгеновского анализа, подтвердило, что полученные кристаллы являются алмазами. Однако профессор К. Лонсдейл, проводившая анализ, вновь заявила, что эксперименты Хэннея являются мистификацией. В феврале 1953 года группе физиков шведской энергетической компании ASEAпри проведении одного из опытов по синтезу алмаза из графита удалось получить первые в мире искусственные алмазы. Давление составляло 80*10⁸ МПа, температура 2500^оС, выдержка во времени 2 минуты. В декабре 1954 года учёные фирмы "Дженерал Электрик К^о" создали искусственные алмазы размером около 0,8 мм. После этого синтез алмазов был организован в Бельгии, Великобритании, Японии.

В 1961 году Институтом физики высоких давлений АН УССР была отработана промышленная технология синтеза алмазов. Процесс осуществляется при температуре 1800-2500^о С и давлении более 50*10² МПа в присутствии катализаторов - хрома, никеля, железа, марганца, платины, кобальта и других металлов. Впоследствии было установлено, что алмазы образуются при кристаллизации углерода из его раствора в расплаве металла-катализатора.

Синтез алмаза проводится в камере типа "чечевица" объёмом несколько кубических сантиметров. Нагревание осуществляется индукционным методом или прямым пропусканием электрического тока. При сближении пуасонов реакционная смесь графита с никелем (а также со слоистым пирофиллитом) сжимается, и давление в камере превышает 50*10² МПа. В результате происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решётки графита в кубическую структуру алмаза. Размер кристаллов алмаза зависит от времени синтеза. При времени реакции 3 минуты образуются кристаллы массой около 10 мг, а 30 минут - 70 мг. Наиболее прочные кристаллы размером до 0,5-0,8 мм; физико-механические свойства более крупных кристаллов хуже.

В 1961 году появились первые публикации фирмы "Du Pont" о реализации идей получения алмаза путём прямого фазового перехода из графита. Синтез производился с использованием энергии взрыва, или непосредственно из продуктов взрыва некоторых взрывчатых веществ, с отрицательным кислородным балансом, особенно удобен для получения алмазов тротил. Это наиболее дешёвый способ получения алмазов, однако, "взрывные алмазы" очень маленькие и пригодны лишь для абразивов и напылений.

В 1963 году В.Ж. Эверсолом (США) был запатентован способ выращивания алмазов из перенасыщенной углеводородом газовой фазы (метана, ацетилена или других углеводородов) при давлении ниже 10*10² МПа. Образующаяся избыточная поверхностная энергия на границе графит-воздух способствуют формированию зародышей алмазов.

Современные способы получения алмазов используют газовую среду, состоящую из 95 % водорода и 5 % углесодержащего газа (пропана), а также высокочастотную плазму, сконцентрированную на подложке, где образуется сам алмаз. Температура газа от 700--850 °C при давлении в тридцать раз меньше атмосферного. В зависимости от технологии синтеза, скорость роста алмазов от 7 до 180 мкм/час на подложке.

В 1970 году был разработан метод получения крупных синтетических кристаллов алмазов ювелирного качества на затравках в виде пластин. Однако стоимость выращивания таких алмазов гораздо выше, чем добыча природных.

В настоящее время выпускаются синтетические алмазы следующих видов: АСО - алмазы обычной прочности, АСР - алмазы повышенной прочности, АСВ - алмазы высокой прочности, АСК и АСС - алмазы монокристаллические.

Размер алмазов первых трёх видов 0,04-0,63 мм. Кроме того выпускаются несколько марок микропорошков с размером зёрен 1-60 мкм. Размер зёрен монокристаллических алмазов АСК и АСС до 1 мм.

Выпускаются также поликристаллические алмазы типа карбонадо, балласы, а также ряд синтетических сверхтвёрдых материалов, приближающихся по физическим свойствам к природным.

алмаз кристалл минерал синтетический

Заключение

Благодаря своим уникальным свойствам этот минерал прочно завоевал свое место в различных сферах деятельности человека. Алмазные лезвия скальпелей имеют сверхтонкие края, что уменьшает ширину разрезов, это очень важное свойство для современной хирургии. Плюс такие лезвия остаются острыми гораздо дольше, чем стальные. Алмазы также применяются в лазерных устройствах для прижигания разрезов и ран. Алмаз состоят из углерода, и по этой причине он является идеальным материалом для использования в наших телах, так как не вызывает в организме иммунной реакции. Ученые в настоящий момент разрабатывают алмазные имплантаты, которые будут контролировать здоровье пациента или смогут взять на себя роль недееспособных тканей. Также ученые мечтают о крошечных машинах из алмазов, который в один прекрасный день позволят ускорить лечение и диагностику пациентов. Кристалл алмаза может позволить нескольким сигналам на разных частотах пройти одновременно по кабелю. Это дает возможность использовать его в области телекоммуникаций. Кроме того алмаз способен выдерживать высокое напряжение и изменение температуры. Тепло проходит через алмаз гораздо быстрее, чем через медь. Это делает его применение полезным в местах, где много тепла генерируется на небольшом пространстве. Микроэлектронные устройства один из таких примеров. Алмазные окна обеспечивают защиту в некоторых научных экспериментах, например в испытаниях с использованием кислот или расплавленной пластмассы. Алмазные окна также очень прозрачны, что позволяет следить за состоянием вещества, применяя инфракрасные измерительные приборы. Алмазное бурение - это наиболее эффективный и экономичный способ бурения горных пород. Алмаз прочно занял место в промышленности, не одно современное производство не обходится без алмазных инструментов: сверл, фрез, резцов, шлифовальных кругов, стеклорезов.

Литература

1. Даусон Д. Кимберлиты и ксенолиты в них. М.: Мир, 1983.

2. Милашев В.А. Алмаз. Легенды и действительность. Л.: Недра, 1981.

3. Милашев В.А. Трубки взрыва. Л.: Недра, 1984.

4. Орлов Ю.Л. Минералогия алмаза. М., Наука, 1974.

5. Епифанов В.И. и др. Технология обработки алмазов бриллианты. М., Высшая школа, 1971.

6. Трофимов В.С. Геология месторождений природных алмазов. М.: Недра, 1980.

Размещено на Allbest.ru