WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ Евгений Алексеевич

ПЛАНАРНЫЕ ОПТИЧЕСКИ-АКТИВНЫЕ ЦЕНТРЫ АЛМАЗОВ КАК ИНДИКАТОРЫ УСЛОВИЙ АЛМАЗООБРАЗОВАНИЯ

Специальность 25. 00. 05 Минералогия, кристаллография

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2007

Работа выполнена в Якутском научно-исследовательском геологоразведочном предприятии (ЯНИГП) ЦНИГРИ акционерной компании “АЛРОСА” (ЗАО)

и Санкт-Петербургском государственном горном институте имени

Г.В. Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, доцент

Козлов А. В.

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Петровский В. А.

кандидат физико-математических наук, доцент

Матвеева О. П.

Ведущее предприятие:

Санкт-Петербургский государственный университет

Защита диссертации состоится 14 ноября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.224.04 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 4312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 12 октября 2007 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета, доцент ГУЛЬБИН Ю.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется необходимостью совершенствования минералогической интерпретации различных характеристик алмазов, выявляемых современными методами оптической спектроскопии и их использования при решении генетических и геолого-поисковых задач.

В алмазах наряду с наиболее известными точечными азотными дефектами кристаллической структуры А и В1, наблюдаются планарные дефекты В2. Согласно современным представлениям, дефекты В2 — это комплексы межузельных углеродных атомов в плоскостях (100) толщиной 1-2 атомных слоя с линейными размерами от нанометров до микрометров. Взаимодействие дефектов В2 и других оптически-активных центров может приводить к существенному тушению фотолюминесценции (ФЛ), количественное определение которого необходимо для интерпретации результатов исследования люминесценции. Анализ особенностей зарождения и роста центров В2 в объеме отдельных кристаллов необходим для получения дополнительной информации о термодинамических параметрах роста алмазов. Исследование и сопоставление характеристик дефектов В2 в кристаллах из различных месторождений расширяют набор параметров, характеризующих типоморфизм, условия образования алмазов, и поэтому является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы состоит в выявлении особенностей и закономерностей образования центров В2 в природных алмазах, как возможных индикаторов условий алмазообразования.

Основные задачи, которые решались для достижения поставленной цели:

1. Выявление в природных алмазах закономерностей объемного распределения центров В2, азотных дефектов А, В1 и их генетическая интерпретация.

2. Исследование взаимосвязи полос поглощения в диапазоне 1520 – 1560 см-1 с дефектами В2, А и В1.

3. Оценка влияния дефектов В2, А и В1 на тушение ФЛ центров N3.

4. Определение наиболее информативных параметров, получаемых методом инфракрасной спектроскопии, для сравнения алмазов из различных источников.

Объекты и методы исследования. Работа основана на данных исследований коллекций алмазов коренных и россыпных месторождений Якутской алмазоносной провинции (ЯАП), в получении и обработке которых автор принимал непосредственное участие при выполнении бюджетных и договорных работ в ЯНИГП ЦНИГРИ АК «АЛРОСА» в 1998-2005 г. Выводы сделаны по результатам исследования более 8300 алмазов кимберлитовых трубок Алакит-Мархинского (Сытыканская, Юбилейная, Комсомольская, Айхал), Далдынского (Удачная), Мирнинского (Мир, Интернациональная, Дачная, Амакинская, Таежная), Накынского (Ботуобинская) кимберлитовых полей и некоторых разновозрастных россыпей ЯАП. Для выявления региональных отличий проведено исследование коллекции алмазов провинции Жуина, Бразилия (137 образцов). Внутренние неоднородности алмазов исследованы в пластинках, выпиленных по плоскости (100) из октаэдрических кристаллов кимберлитовой трубки Мир. В работе применялись методы люминесцентной спектроскопии, спектроскопии поглощения в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, поляризационно-оптической микроскопии.

Научная новизна Проведено количественное определение тушения люминесценции азотно-вакансионных центров N3 азотными дефектами А и В1. Показано, что образование центров В2 является многоступенчатым процессом, поэтому концентрация межузельных атомов в этих центрах может быть в несколько раз меньше их общей концентрации в кристалле. Установлено, что среди возможных механизмов образования центров В2 доминирующим является процесс их формирования из межузельных атомов углерода, появляющихся при образовании дефектов В1. Предложено соотношение, позволяющее определять изменение температуры при росте алмазов в зависимости от концентрации дефектов В2 и концентрации примесного азота. Показана и обоснована возможность применения коэффициента поглощения и положения максимума полосы В2 для сравнения алмазов из различных источников.

Практическая значимость Использование полученных результатов позволит:
более полно проводить описание, сравнение и интерпретацию исследований алмазов методами инфракрасной спектроскопии и лазерной томографии, с учетом различных этапов преобразования дефектов кристаллической структуры;
определять изменение температуры в процессе роста алмазов;
расширить возможности идентификации источника алмазов для целей алмазопоисковой геологии, геммологии, криминалистики.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на: V и IХ международном научном симпозиуме по проблемам геологии и освоения недр (Томск, 2000, 2004), VII школе-семинаре «ФЛ и сопутствующие явления» (Иркутск, 2002), научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования, поисков и изучения месторождений полезных ископаемых на пороге 21 века» (Мирный, 2003), международном симпозиуме «Eurostrincold-2004» (Якутск, 2004), на международных конференциях: «Аморфные и микрокристаллические полупроводники - IV» (Санкт-Петербург, 2004), «Алмазы-50» (Санкт-Петербург, 2004), «Новые идеи в науках о земле - VII» (Москва, 2005), «SА symposium on diamond geology - II» (Бразилия, 2005), "Спектроскопия и кристаллохимия минералов" (Екатеринбург, 2007), "Solid and bulk diamond defects - XII" (Бельгия, 2007), 30-й Международной геммологической конференции (Москва, 2007).

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. В первой главе приведен обзор исследований природы и трансформации основных дефектов кристаллической структуры в алмазе и использования их характеристик в алмазопосковых работах. Во второй главе дается описание применяемых в работе методов исследования и предварительной обработки данных. В третьей главе приводятся результаты исследования тушения ФЛ алмазов. В четвертой главе на основе анализа спектров поглощения показана многостадийность образования центров В2. В пятой главе содержатся результаты исследования зональности в природных алмазах и их интерпретация. В шестой главе проведено сравнение выборок алмазов из различных месторождений. Содержание диссертации отражено в 21 публикации. Работа, общим объемом 157 страниц, содержит 6 таблиц, 82 рисунка, ссылки на 219 литературных источников.

Благодарности Автор искренне признателен Н.Н.Зинчуку, обеспечившему возможность проведения исследований. Автор выражает благодарность А.Я.Ротману, А.В.Герасимчуку, Е.И.Борису, В.И.Коптилю за поддержку и полезные замечания, В.Ивануху за предоставленную коллекцию бразильских алмазов. Особую благодарность автор выражает В.П.Миронову за привлечение к теме исследования и подготовку коллекции алмазных пластинок, И.Н.Богуш за постоянное сотрудничество, И.В.Макарскому за сотрудничество на первых этапах работы. Автор выражает благодарность В.И.Иванову-Омскому за полезные консультации и А.В.Козлову за научное руководство работой.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

1. Выход люминесценции центра N3 в алмазах определяется концентрацией дефектов А и В1 и не зависит от концентрации центров В2. Зональность алмазов, проявляемая в фотолюминесценции может обуславливаться как изменением концентрации центров люминесценции, так и изменением концентрации дефектов А и В1, тушащих люминесценцию.

Азот – единственный элемент, регистрируемый в алмазах в концентрации до 0,5 ат.% как примесь замещения (Kaiser, Bond, 1959; Bibby, 1982). Большая его часть содержится в дефектах кристаллической структуры С, А и В1, состоящих соответственно из одного, двух атомов, и, предположительно, четырех замещающих атомов азота и вакансии. Образование дефектов В1 сопровождается появлением межузельных углеродных атомов I составляющих структурную основу дефектов В2: 2N2(А) N4V(В1) + I; nI In(B2). Эти дефекты влияют на многие физические характеристики алмазов и приводят, в частности, к тушению внутрицентровой люминесценции дефектов N3, структурная модель которых включает три азотных атома и вакансию.

Для исследования влияния дефектов А, В1 и В2 на интенсивность люминесценции центров N3 был отобран сорок один кристалл размером от 2 до 4 мм с однородным внутренним строением при наблюдении люминесценции в стереомикроскопе. Концентрации азота в форме дефектов А и В1 (соответственно СN(А) и СN(В1)) определяли по спектрам поглощения в ИК диапазоне (Boyd et al., 1994, 1995), измеренным на ИК-Фурье спектрометре ФСМ-1201. Выделение эталонных систем поглощения и измерение коэффициентов двухфононного поглощения на специально отобранных гладкогранных кристаллах уплощенной формы позволило определить коэффициенты для пересчета спектров оптической плотности с целью компенсации отражения, рассеяния и определения эффективной толщины образца. Расчет концентраций азота проводили с использованием оригинальной программы (Макарский и др., 2001), разработанной на основании полученных результатов и позволяющей проводить нормировку спектров по двухфононному поглощению. Спектры ФЛ с линией комбинационного рассеяния (КР) регистрировали при комнатной температуре на двойном призменном монохроматоре ДМР-4 при возбуждении азотным лазером ЛГИ 505. Спектры поглощения в видимом диапазоне регистрировали на спектральном вычислительном комплексе с монохроматором МДР-41. С целью количественного определения интенсивности ФЛ системы N3 (IN3) в качестве меры мощности возбуждающего излучения для компенсации влияния размеров, формы и ориентации образца на интенсивность ФЛ использовали интенсивность линии КР (IКР), проявляющейся в спектрах ФЛ.

Отношение нормированной интенсивности ФЛ к коэффициенту поглощения бесфононной линии 415,2 нм (N3), пропорциональной концентрации центров N3, считали пропорциональным выходу люминесценции VN3: VN3 ~ IN3/(IКР·N3). Результаты экспериментов, аппроксимируемые экспоненциальной зависимостью, приведенные на рисунке 1, подтверждают тушащее действие примесного азота (Crossfield et al., 1974; Соболев, Юрьева, 1990) и позволяют определить тушение количественно. При построении индивидуальных зависимостей выхода люминесценции от концентраций азота в форме А и В1 разброс точек увеличивается, отношение концентраций дефектов А к В1 и А к В2 (Плотникова, 1990) не влияет на выход люминесценции.

Рис. 1. Зависимость выхода люминесценции VN3 от концентрации азота в форме дефектов А и В1. – кристаллы, в которых нормированная интенсивность люминесценции пропорциональна концентрации центров люминесценции, - кристаллы с пониженной интенсивностью люминесценции. Сплошная линия – экспоненциальная аппроксимация.

Приведенные материалы показывают, что интенсивность люминесценции центров N3 в образцах с одинаковой их концентрацией определяется содержанием дефектов А и В1 и не зависит от наличия центров В2. Поэтому интенсивность люминесценции определяется не только концентрацией центров люминесценции, но в основном общей концентрацией азота, приводящего к существенному ослаблению интенсивности ФЛ, что необходимо учитывать при интерпретации исследований алмазов.

2. Зарождение дефектов В2 происходит на первых этапах отжига алмазов, их количество определяется температурой отжига, концентрацией примесного азота и слабо изменяется при дальнейших воздействиях. По данным исследования распределения зональности алмазов методом ИК спектроскопии возможно определение изменения температуры при росте кристаллов.

В спектрах поглощения алмазов с системами А, В1 и В2 часто регистрируются слабые (коэффициент поглощения а1 см-1) полосы с максимумами около 1550 и 1526 см-1 (Sutherland et al., 1954; Woods, 1986), далее для краткости обозначаемые Е и F. Эти полосы поглощения не регистрируются в спектрах, если отсутствует поглощение В2, и в спектрах, соответствующих образцам с максимальным соотношением интегрального коэффициента поглощения полосы В2 (КВ2) к СN(В1).

Для детального анализа было отобрано 37 спектров с полосами поглощения E и F различной интенсивности. Для более точного определения положения максимума, высоты пиков и интегрального коэффициента поглощения полосы аппроксимировались распределением Лоренца. С учетом различия в сечении поглощения на один межузельный атом углерода в центрах В2 и центрах, вызывающих полосы поглощения Е и F, получена количественная зависимость между суммой интегральных коэффициентов поглощения полос E и F (КE и КF соответственно) и интегрального коэффициента поглощения полосы В2 от концентрации азота в В1 центрах. Определенное по полученным результатам сечение поглощения для центров В2 соответствует литературным данным (Woods, 1986).

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»