Образование, рост, растворение и регенерация криссталов

Кристаллы могут образовываться из жидких, газообразных и твердых фаз. Известны следующие способы образования кристал­лов: кристаллизация из растворов, примером могут служить мощные отложения солей на дне озер и периодически высыхающих заливов, залежи каменных солей в Донбассе, Соликамские месторождения калийных солей и др.:

кристаллизация из растворов происходит при охлаждении вещества до точки его затвердения — образование гранитов и других горных пород в результате застывания огненно-жидкого расплава — магмы;

кристаллизация из газообразного состояния происходит при резком понижении температуры и резком повышении давления. В природе из паров образуются снежинки, иней и морозные узоры на оконных стеклах;

кристаллизация из твердого состояния, примером может служить получение крупнокристаллических агрегатов или крупных монокристаллов металла из его тонкокристаллических агрегатов; зарождение кристаллов в результате переохлаждения или пересыщения кристаллизующейся среды при условии удаления из нее твердых частиц.

Более подробно зарождение, рост и растворение кристаллов рассмотрено ниже на примере алмаза.

С древних времен ученые старались объяснить происхождение этого удивительного минерала. Научно обоснованная гипотеза происхождения алмаза была разработана только после открытия коренных месторождений. Согласно этой гипотезе, образование кристаллов алмаза связано с кристаллизацией расплавленной магмы на больших глубинах при очень больших давлениях.

По предположению ученых, углерод растворялся в магме до полного ее насыщения. Количество углерода, растворенного в магме, зависело от состава последней и от ее температуры. При охлаждении магма уже не могла содержать прежнее количество углерода, и последний постепенно выделялся из нее в виде кристаллов чистого углерода — алмаза. Выделение углерода происходило по следующей формуле 2СО↔СО2+С, причем углекислота восстанавливалась под действием свободного водорода и выделяющихся из магмы углеводородов.

Кристаллизация алмазов происходила на ранней стадии развития кимберлитовой магмы. Обосновывая данную гипотезу, академик В.С. Соболев приводит следующие доводы:

наличие обломков кристаллов алмаза в кимберлитовой брекчии, особенно в тех случаях, когда обломки одного и того же кристалла находились в разных местах трубки;

присутствие в кристаллах алмаза включений минералов, которые должны были разрушиться в последние этапы движения кимберлитовой магмы к поверхности, но сохранились благодаря алмазной оболочке, защищавшей их от разрушения;

следы графитизации алмаза, которые показывают, что его кристаллизация происходила при температуре около 1200°С, т.е. до того, как кимберлитовая магма проникла в трубку, где температура была значительно ниже.

При этом кристаллы алмаза образовывались, свободно плавая в расплаве магмы, что и позволило им покрыться со всех сторон естественными гранями. На поверхности кристалла алмаза, нахо­дящегося в расплаве, происходило одновременно два процесса: процесс кристаллизации, т.е. отложение на гранях новых частиц, и процесс растворения. Эти два процесса при разных условиях присутствовали в большей или меньшей степени. Если больше ча­стиц откладывалось — кристалл рос, каждая его грань постепенно отодвигалась от центра параллельно самой себе, в направлении нормали — перпендикуляра, проведенного к грани из точки зарож­дения. Таким образом, скоростью роста некоторой грани называет­ся величина нормального к ее плоскости отрезка, на который дан­ная грань перемещается в единицу времени. Так как при росте кристалла его грани перемещаются параллельно самим себе, то углы между двумя любыми гранями остаются постоянными.

Неравномерность роста граней приводила к тому, что одни гра­ни кристалла увеличивались в размерах, а других постепенно за­растали. Если большее количество частиц переходило обратно в расплав, грани кристалла растворялись. Согласно закону раство­рения кристаллов, сначала исчезали вершины и ребра, грани обра­зовывали округлые поверхности, ребра становились кривыми, вер­шины притуплялись.

Самые ранние стадии растворения кристаллов алмаза характе­ризовались появлением на них фигур травления. Формы растворе­ния представляют интерес, так как они могут дать сведения об условиях образования кристаллов. При растворении особенно чет­ко выявляются дефекты строения кристаллов.

Выкристаллизовавшийся алмаз вместе с расплавленной магмой переживал все геологические процессы, которые она испытывала при движении к поверхности земли. Подъем магмы сопровождался грандиозными взрывами, давление магмы прорывало горные поро­ды. Освободившись от давления при выходе из глубин, магма за­стывала, выход закупоривался, в результате чего вновь повыша­лось давление, возникал новый взрыв — и так до самого выхода на поверхность. Этими взрывами объясняются формы коренных алмаз­ных месторождений в виде вертикальных труб, расширяющихся кверху.

Кроме вышеуказанной гипотезы генезиса алмаза высказан еще целый ряд гипотез, наиболее достоверной из которых является гипотеза Ю.А. Литвинова, который описал предполагаемый ход процесса кристаллизации алмаза в природных условиях:

образование глубинного магматического очага (углерод из твер­дого состояния переходит в раствор);

в растворе магмы повышается концентрация углерода, в резуль­тате чего происходит самопроизвольное образование центров кри­сталлизации и начинается рост образовавшихся кристаллов ал­маза;

за счет роста кристаллов алмаза концентрация углерода в растворе магмы падает и образование новых центров кристаллизации прекращается.

Однако наличие среды алмазов различных разновидностей кри­сталлов и зернистых агрегатов свидетельствует о более сложном этапе кристаллизации алмаза. На ранних стадиях, когда расплав достигает пересыщения углеродом, возникают обычные кристаллы алмаза. Изменение степени пересыщения расплава углеродом и ко­лебания температуры сказываются на морфологии кристаллов алмаза. При малых степенях пересыщения магматического расплава раствором углерода рост кристаллов замедляется и образуются плоскогранные острореберные октаэдрические кристаллы. При больших пересыщениях и быстром росте кристаллов возникают октаэдры со ступенчато-пластинчатым строением граней и разно­образные комбинационные формы.

Позднее основного количества кристаллов алмаза образуются зернистые агрегаты и другие разновидности. В самую позднюю ста­дию образуются алмазные оболочки с субмикроскопическими вклю­ениями, нарастающие как на обычные прозрачные кристаллы, так и на зернистые агрегаты.

Источник: В.И. Епифанов, А.Я. Песина, Л.В. Зыков «Технология обработки алмазов в бриллианты», Москва, 1976 г.

Образование, рост, растворение и регенерация криссталов
Пролистать наверх