На правах рукописи
Самосоров Георгий Германович
ТИПОМОРФНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АЛМАЗОВ
ИЗ КИМБЕРЛИТОВЫХ ТРУБОК КОМСОМОЛЬСКАЯ И УДАЧНАЯ
ЯКУТСКОЙ АЛМАЗОНОСНОЙ ПРОВИНЦИИ
Специальность 25.00.05 – минералогия, кристаллография
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
Москва - 2007
Работа выполнена в Российском государственном геологоразведочном университете им. С. Орджоникидзе (РГГРУ) и Институте криминалистики ФСБ РФ
Научный руководитель: кандидат геолого-минералогических наук, профессор Солодова Юлия Петровна (РГГРУ)
Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор Пирогов Борис Иванович (РГГРУ) доктор геолого-минералогических наук Гаранин Виктор Константинович (МГУ им. М.В. Ломоносова)
Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт природных и синтетических алмазов и инструмента (ОАО ВНИИАЛМАЗ)
Защита состоится « 24 » мая 2007 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 216.005.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М. Федоровского (ФГУП ВИМС) МПР России по адресу: 119017 Москва, Старомонетный пер., д. 31.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ВИМС.
Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.
Автореферат разослан «» апреля 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат геолого-минералогических наук Т.Н. Шурига
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Сырьевой сектор играет определяющую роль в российской экономике. Важным компонентом минерально-сырьевой базы нашей страны является алмазодобывающая промышленность. Большая часть разведанных запасов и прогнозных ресурсов алмазов России сосредоточена на территории Якутской алмазоносной провинции (ЯАП).
Трубка Удачная является наиболее крупным, давно эксплуатируемым и высокоэффективным месторождением ЯАП, которое обеспечивает до 50% объемов добычи отечественных алмазов. Запасы трубки, пригодные для отработки открытым способом, близятся к истощению. На 2010-2011 гг.
намечен ввод в эксплуатацию ее подземного рудника. Трубка Комсомольская, напротив, относится к числу новых объектов алмазоносности – ее промышленные запасы вовлечены в эксплуатацию в 2002 г. Систематическое изучение алмазов из объемов промышленной отработки данной трубки ранее никогда не проводилось. Поэтому такие исследования являются актуальными, представляют научный и практический интерес.
Капитальные исследования алмазов из трубки Удачная проводились несколько десятилетий назад. В этой связи возникает вопрос о возможном изменении содержания алмазов с определенными свойствами по мере увеличения глубины отработки месторождения. Кроме того, развитие науки и техники дает возможность перейти на качественно новый микро- и наноуровень исследования минералов. Так, изучение микронных и субмикронных включений в алмазах позволяет получать новые данные об условиях кристаллизации алмазов на больших глубинах Земли и уникальную информацию о глубинных геологических процессах в целом. Такие включения служат типоморфным признаком алмазов конкретного месторождения, указывают на его генезис. Они являются объектами изучения наноминералогии и их исследование – важнейшая задача минералогии алмаза.
Результаты изучения типоморфных особенностей алмазов используются для прогнозирования, поисков и оценки алмазных месторождений, типизации и идентификации ореолов рассеяния, совершенствования технологических схем добычи, обогащения, обработки и других аспектов генетической и прикладной минералогии. Это определяет значимость данных исследований для восполнения минерально-сырьевой базы алмазов, а также решения многих научных и практических задач.
Важной проблемой в этом ряду является установление локального источника происхождения (месторождения) алмазов. Такая задача встает, например, в криминалистической практике при расследовании уголовных дел о хищении, незаконном обороте и контрабанде алмазов. Решение данного вопроса необходимо для установления связей преступников, путей транспортировки похищенного и устранения условий, допускающих действия по незаконному обороту алмазов. Важным аспектом проблемы становится участие нашей страны в Кимберлийском процессе, целью которого является ликвидация источников финансирования региональных вооруженных конфликтов и террористических организаций.
Исследования алмазов в рамках судебных экспертиз имеют ряд особенностей. Они должны проводиться на строго научной и практической основе, объективно, с использованием современных достижений науки и техники, всесторонне и в полном объеме. Заключение эксперта должно основываться на положениях, дающих возможность проверить обоснованность и достоверность сделанных выводов на базе общепринятых научных и практических данных. Важной особенностью является необходимость применения преимущественно неразрушающих методов анализа. Основными сложностями в решении вопросов криминалистического исследования алмазов сегодня являются: отсутствие научно-обоснованной, апробированной и аттестованной методики определения месторождения алмазов, а также разработанного на ее основе систематизированного банка данных по типоморфизму алмазов из различных месторождений.
Цель работы – сравнительное изучение алмазов из кимберлитовых трубок Комсомольская и Удачная для выявления их типоморфных особенностей и разработки научно-методических основ комплексного криминалистического исследования алмазов с целью определения их месторождения. Данные исследования должны основываться на использовании современных технических средств и методик, недеструктивных методов определения типоморфных особенностей алмазов, обеспечивающих полноту и всесторонность исследований.
В этой связи необходимо решить следующие основные задачи: на основе анализа литературного материала определить необходимую совокупность типоморфных особенностей (признаков и свойств) алмазов, которые возможно установить неразрушающими методами анализа; изучить данные признаки и свойства на примере алмазов из разных месторождений, расположенных в пределах одного алмазоносного района применительно к классам крупности и комплексно охарактеризовать выделенные типоморфные параметры выборок алмазов; выявить дифференцирующие критерии для алмазов из месторождений, изучение которых позволяет решить задачу определения источника алмазов; определить минимальную выборку алмазов, изучение которой позволяет сделать вывод о ее происхождении; провести изучение внутренней наноминералогии отдельных алмазов.
Объектами исследования в работе являлись представительные пробы алмазов из кимберлитовых трубок Комсомольская и Удачная ЯАП. Чтобы получить спектр алмазов, вовлекаемых в гражданский оборот и являющихся объектами исследования в рамках судебных экспертиз, впервые проведено изучение алмазов из объемов промышленной добычи. С целью выявления тенденций в изменении кристалломорфологических и других минералогических свойств алмазов по мере изменения их размерности, также впервые исследования проводили применительно к преобладающим в пробах классам крупности алмазного сырья.
Предмет исследования – получение данных о типоморфных особенностях алмазов из месторождений кимберлитовых трубок Комсомольская и Удачная ЯАП для решения поставленных задач.
Для выполнения работы использовали следующие методы исследования алмазов: минералогический и кристалломорфологический анализы, изучение люминесценции в ультрафиолетовых (УФ) лучах, спектроскопия в инфракрасном (ИК) диапазоне, спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), Рамановская спектроскопия комбинационного рассеяния (КР), аналитическая электронная микроскопия (АЭМ), представляющая собой комбинацию просвечивающей электронной микроскопии (АПЭМ) и сканирующей электронной микроскопии (АСЭМ) с рентгеноспектральным микроанализом (РСМА), нейтронно-активационный анализ (НАА).
Минералогические исследования проб алмазного сырья проводили на базе АК «Алроса». Инструментальные исследования отдельных алмазов осуществляли на аналитической базе Института криминалистики ФСБ РФ, РГГРУ, ИГЕМ, ИНЭОС.
Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем.
1. Применен принципиально новый методический подход к исследованию типоморфных особенностей алмазов с учетом непостоянства их свойств в пределах одного рудного поля и месторождения. Фактический материал получен в результате исследования алмазов по классам крупности, в то время как геолого-минералогические исследования всегда заключались в изучении валовых совокупностей нешихтованного материала.
2. На основе применения комплекса прецизионных методов анализа (аналитическая электронная микроскопия, рентгеноспектральный микроанализ, спектроскопия комбинационного рассеяния и электронного парамагнитного резонанса) впервые установлены содержания дефектно-примесных центров и микровключений в алмазах из трубок Комсомольская и Удачная.
3. Впервые применены выводы по изучению типоморфных особенностей алмазов (кристалломорфология, цвет, фотолюминесценция, микровключения, химический состав и т.д.) применительно к решению криминалистических задач. Определен минимальный объем признаков и условий, необходимых для решения вопроса установления источника происхождения алмазов. Выделены криминалистически значимые дифференцирующие критерии месторождений.
Показана их информативность.
Практическая значимость работы.
Впервые из алмазного сырья трубок Комсомольская и Удачная ЯАП из объемов современной промышленной добычи (2003-2005 гг.) получены среднестатистические характеристики совокупности алмазов, вовлекаемых в гражданский оборот. Полученные данные о типоморфных особенностях алмазов из кимберлитовых трубок Комсомольская и Удачная могут быть использованы для решения научно-практических задач в области геологии и минералогии, в частности при проведении геолого-поисковых работ на алмазы.
Выявленные типоморфные особенности алмазов позволили обоснованно подойти к определению их региональной принадлежности. Это дало основание использовать полученные результаты в качестве научно-методического подхода к решению вопросов криминалистического исследования алмазов.
Данные подходы применяются в Институте криминалистики ФСБ РФ и РГГРУ им. С. Орджоникидзе при проведении исследований по определению региональной принадлежности алмазов. Положения работы использованы в ряде НИОКР, проводимых в рамках Государственного оборонного заказа.
Защищаемые положения.
1. Впервые на представительной пробе алмазного сырья из объемов промышленной добычи с применением комплексного подхода к оценке типоморфизма алмазов на основе их недеструктивной идентификации, выявлены особенности алмазов (размер, морфология, характер поверхности кристаллов, соотношение минералогических разновидностей, цвет, фотолюминесценция, содержание и распределение структурных и примесных центров, состав включений) из трубок Комсомольская и Удачная. Данные особенности являются типоморфными для алмазов изученных месторождений.
Содержания алмазов с определенным набором признаков и свойств колеблются в границах месторождений в зависимости от размерности сырья.
2. Применение современных прецизионных физико-химических методов анализа позволило выявить особенности морфологии, элементного состава и форм нахождения тонкодисперсных (микронных и субмикронных) включений, а также содержания химических элементов-микропримесей в отдельных алмазах из трубок Комсомольская и Удачная. Совокупность данных признаков является специфичной для алмазов каждого из названных месторождений.
3. Разработана методология комплексного криминалистического исследования необработанных алмазов с целью определения их месторождения. Установлена совокупность типоморфных особенностей алмазов, позволяющая выделить дифференцирующие критерии месторождений по их выявлению. Определена минимальная выборка алмазов, изучение которой позволяет сделать вывод об источнике ее происхождения.
Апробация работы. Основные результаты и положения работы доложены и обсуждены на следующих форумах и конференциях: VI, VII и VIII Международных конференциях «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 2003, 2005 и 2007 гг.); годичной сессии московского отделения Российского минералогического общества (Москва, 2005 г.); научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые – наукам о земле»
(Москва, 2006 г.); научной конференции Геммологического института Америки (GIA) и 4-ом Международном геммологическом симпозиуме, которые проходили в г. Сан-Диего (Калифорния, США, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано пятнадцать работ, в том числе семь статей в научных журналах и сборниках.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основной части, заключения и библиографического списка использованной литературы, который включает 161 наименование (в том числе 16 на иностранных языках). Общий объем диссертации составляет страницу, 48 рисунков и 19 таблиц.
Благодарности. Данные исследования проходили под внимательным руководством заведующей кафедрой геммологии РГГРУ, профессора Ю.П.
Солодовой. В процессе выполнения работ неоценимую помощь оказали сотрудники кафедры М.Д. Гасанов, Е.А. Седова, Л.А. Фокина, Е.С. Ермакова, П.С. Трофимов. Автор выражает глубокую благодарность всем лицам, которые оказывали содействие на различных этапах постановки работы и выполнения исследований, а также в процессе обсуждения результатов: С.П.
Бокайло, П.Л. Владимирову, А.И. Горшкову, Н.Г. Зудину, Ю.А. Клюеву, К.К.
Курбатову, И.Н. Лукьянчикову, Л.О. Магазиной, Р.М. Минеевой, А.М.
Налетову, А.В. Сивцову, М.Д. Смолину, А.В. Сперанскому, С.В. Титкову, Д.С.
Хамраевой и другим. Автор искренне признателен руководству АК «Алроса»
(ЗАО) и ее структурных подразделений – ЦСА (г. Мирный) и ЕСО (г. Москва) – за понимание важности цели работы, а также содействие в ее выполнении.
Состояние проблемы по изучению типоморфизма алмазов и геологии Проведено обобщение литературных данных, относящихся к предмету настоящего исследования. Рассмотрены возможности применения современных аналитических методов для изучения элементного микропримесного состава и внутренней наноминералогии алмазов.
Результаты многолетних исследований свидетельствуют, что алмазы из разных источников характеризуются определенным набором признаков и свойств, обусловленных различиями в условиях образования. Процессы природного алмазообразования определяются термодинамическими и геохимическими параметрами кристаллообразующей среды, особенности которой отражаются на внешней морфологии кристаллов, определяют кристалломорфологические и физико-химические характеристики алмазов.
Кимберлитовые трубки Комсомольская (Алакит-Мархинское поле) и Удачная (Далдынское поле) локализуются в пределах Далдыно-Алакитского алмазоносного района Центрально-Сибирской субпровинции ЯАП.
Имеющиеся литературные данные не позволяют выделить четкие критерии различения алмазов из этих месторождений. Мало сведений о спектроскопических исследованиях алмазов, отсутствуют данные о содержании и распределении в них парамагнитных центров, элементном микропримесном составе и наноминералогии алмазов. Основная часть исследований проводилась на алмазах из геологоразведочных проб. Они не отражают всего спектра количественных характеристик алмазов, вовлекаемых в гражданский оборот и являющихся объектами криминалистических исследований. Кроме того, данные исследования проводились на основе различных методических подходов, что не позволяет однозначно сопоставлять полученные результаты.
Для исследований отбирали пробы алмазов из каждого месторождения в количестве, пропорциональном объему исходной выборки. Разделение алмазов на минералогические разновидности проводили в соответствии с классификацией Ю.Л. Орлова. Затем их подразделяли на три морфологические группы: плоскогранные, плоскогранно-кривогранные и кривогранные.
Дальнейшее разделение кристаллов на типы осуществляли в соответствии с индивидуальными морфологическими особенностями камней. Закономерные сростки кристаллов (шпинелевые двойники и параллельные сростки) выделяли в каждой из морфологических групп, незакономерные сростки – внутри морфологического типа кристаллов. По степени сохранности различали кристаллы со сколами (сколото менее 1/3 кристалла), обломки (сколото до 2/ кристалла) и бесформенные обломки. Среди сколовых поверхностей выделяли природные (протомагматические, механические) и техногенные сколы.
Желтые и коричневые алмазы являются наиболее распространенными в обеих трубках, поэтому их подразделяли на подгруппы по интенсивности окраски. Желтые: с незначительным оттенком; со слабым оттенком; с видимым оттенком; окрашенные; интенсивно окрашенные. Коричневые (дымчато-коричневые): светлоокрашенные; среднеокрашенные; дымчатокоричневые; темно-коричневые.
Изучение включений в алмазах визуально-оптическими методами проводили с использованием микроскопа MZ-12 фирмы Leica при различных увеличениях и способах подсветки. Для возбуждения фотолюминесценции (ФЛ) в алмазах использовали азотный лазер ИЛГИ с длиной волны 337 нм. С учетом влияния различных центров люминесценции (примесей и дефектов в кристаллической структуре алмаза) различали следующие цвета ФЛ: синеголубой, розово-сиреневый, зеленый, желтый, оранжевый, белесый, а также зональный тип распределения ФЛ.
Измерения в ИК области и регистрацию спектров производили на Фурье спектрометре модели Vector 22 фирмы Bruker с использованием программного обеспечения фирмы Bruker. Для исследований отбирали алмазы I разновидности, так как они являются преобладающими в обеих трубках и обладают достаточной прозрачностью.
Спектры ЭПР алмазов регистрировали на спектрометрах Varian E-115 и РЭ-1306 в Х-диапазоне (9 ГГц) на частотах модуляции 100 и 25 кГц при комнатной температуре. Использовали общепринятую международную систему обозначения центров [Ammerlaan, 1990; Loubser and van Wyk, 1978;
Bershov et al., 1995; Минеева и др., 1996].
Измерения спектров КР для каждого образца проводили на приборах Т64000 и LabRam фирмы Jobin-Yvon, снабжённых микроскопом, телевизионной камерой и охлаждаемыми CCD детекторами. Для возбуждения использовали линии 514,5 нм Ar+ лазера и 632,8 нм He-Ne лазера. В зависимости от требуемого пространственного разрешения для регистрации спектров КР в микроскопе использовали объективы 10х, 20х, 50х, 100х.
Исследования методами АСЭМ проводили на растровом электронном микроскопе CamScan Maxim 2040S фирмы "CamScan Electron Optics Ltd", оснащенном энергодисперсионным анализатором ISIS 300 фирмы "Oxford Instruments". Ускоряющее напряжение – 20 кВ. Исследования методом АПЭМ осуществляли на просвечивающем электронном микроскопе JEM-100C фирмы "Jeol", оснащенном энергодисперсионным анализатором Kevex-5100.
Оба анализатора позволяют определять химические элементы от бериллия до урана. Оценку их содержания в микрочастицах проводили с помощью программ полуколичественного анализа, входящих в состав программного обеспечения соответствующих анализаторов.
Для НАА использовали нейтроны ядерного реактора типа ВВР-СМ.
Гамма-спектры облученных образцов измеряли с помощью Ge/Li-детектора и многоканального анализатора импульсов.
Защищаемое положение №1.
Впервые на представительной пробе алмазного сырья из объемов промышленной добычи с применением комплексного подхода к оценке типоморфизма алмазов на основе их недеструктивной идентификации выявлены особенности алмазов (размер, морфология, характер поверхности кристаллов, соотношение минералогических разновидностей, цвет, фотолюминесценция, содержание и распределение структурных и примесных центров, состав включений) из трубок Комсомольская и Удачная. Данные особенности являются типоморфными для алмазов изученных месторождений. Содержания алмазов с определенным набором признаков и свойств колеблются в границах месторождений в зависимости от размерности сырья.
Типоморфные особенности алмазов из трубки Комсомольская.
Изучено 5880 алмазов из размерно-весовых групп -11+9 (1881 шт.), грейнера (2014 шт.) и 4-6 грейнеров (1985 шт.). Выявлены алмазы I, IV, V, VIII и IX минералогических разновидностей. Алмазы I разновидности резко преобладают (94,5-95,0%). Следом по распространенности идут агрегаты VIIIIX разновидностей (4,0-4,8%).
Среди алмазов I разновидности заметно преобладают кривогранные кристаллы (45,2-49,3%), представленные, в основном, додекаэдроидами «якутского» типа. Далее по распространенности следуют плоскограннокривогранные (24,7-39,3%) и плоскогранные кристаллы (9,7-14,2%). С увеличением размера сырья закономерно уменьшается доля плоскогранных камней и увеличивается содержание плоскогранно-кривогранных и кривогранных индивидов. Многие кристаллы во всех размерностях имеют неправильное строение с необычными наростами, скульптурами. Содержание различных сростков в пробах составляет 12,7-18,3%. Из них незакономерные сростки составляют 1,2-6,7%. В самой мелкой изученной группе их количество резко возрастает. На долю шпинелевых двойников приходится 11,5-13,8%.
«