Алмаз

АЛМАЗ (тюрк. алмас, от греч. adamas — несокрушимый, непобедимый * а. diamond; н. Diamant; ф. diamant; и. diamante) — минерал, кристаллическая кубическая модификация самородного углерода.

Структура алмаза. Элементарная ячейка пространственной кристаллической решётки алмаза представляет собой гранецентрированный куб с 4 дополнительными атомами, расположенными внутри куба (рис.).

Размер ребра элементарной ячейки а₀ = 0,357 нм (при t = 25°С и Р = 1 атм). Кратчайшее расстояние между двумя соседними атомами С = 0,154 нм. Атомы углерода в структуре алмаза образуют прочные ковалентные связи, направленные под углом 109°28' относительно друг друга, благодаря чему алмаз — самое твёрдое из известных в природе веществ. В зонной структуре алмаза ширина запрещённой зоны для невертикальных переходов равна 5,5 эВ, для вертикальных — 7,3 эВ, ширина валентной зоны 20 эВ. Подвижность электронов mn = 0,18 м ²/В•с, дырок mr = 0,15 м²/В•с.

Морфология алмаза. Кристаллы алмаза имеют форму октаэдра, ромбододекаэдра, куба и тетраэдра с гладкими и пластинчато-ступенчатыми гранями или округлыми поверхностями, на которых развиты разнообразные акцессории. Характерны уплощённые, удлинённые и сложноискажённые кристаллы простой и комбинированной форм, двойники срастания и прорастания по шпинелевому закону, параллельные и произвольно ориентированные сростки. Разновидности алмаза представляют собой поликристаллические образования: борт — сростки многочисленных мелких огранённых кристаллов и зёрен неправильной формы, серого и чёрного цвета; баллас — сферолиты радиально-лучистого строения; карбонадо — скрытокристаллические, плотные, с эмалевидное поверхностью или шлакоподобные пористые образования, состоящие преимущественно из субмикроскопических (около 20 мкм) зёрен алмаза, тесно сросшихся друг с другом. Размер природных алмазов колеблется от микроскопических зёрен до весьма крупных кристаллов массой в сотни и тысячи карат (1 карат = 0,2 г). Масса добываемых алмазов обычно 0,1-1,0 карат; крупные кристаллы (свыше 100 карат) встречаются редко. В таблице приведены крупнейшие в мире алмазы, извлечённые из недр.

Химический состав. В алмазе присутствуют примеси Si, Al, Mg, Ca, Na, Ba, Mn, Fe, Cr, Ti, В номером. С помощью а-частиц радиоизотопных  Н, N, О, Ar и других элементов. Азот является главной примесью, оказывающей большое влияние на физические свойства алмаза. Кристаллы алмаза, непрозрачные к ультрафиолетовому излучению, называются алмазом I типа; все остальные относятся к типу II. Содержание азота в подавляющем большинстве кристаллов алмаза, относящихся к типу I, составляет около 0,25%. Реже встречаются безазотные алмазы, относящиеся к типу II, в которых примесь азота не превышает 0,001%. Азот изоморфно входит в структуру алмаза и образует самостоятельно или в совокупности со структурными дефектами (вакансиями, дислокациями) центры, ответственные за окраску, люминесценцию, поглощение в ультрафиолетовой, оптической, инфракрасной и микроволновой областях, характер рассеивания рентгеновских лучей и др.

Физические свойства. Алмазы могут быть бесцветными или с едва заметным цветовым оттенком, а также в различной степени ясно окрашенными в жёлтый, коричневый, розовато-лиловый, зелёный, голубой, синий, молочно-белый и серый (до чёрного) цвета. При облучении заряжёнными частицами алмаз приобретает зелёный или голубой цвет. Обратный процесс — превращение окрашенного алмаза в бесцветный — до сих пор не удалось провести. Для алмаза характерны сильный блеск, высокий показатель преломления (n = 2,417) и сильно выраженный эффект дисперсии (0,063), что обуславливает разноцветную игру света в бриллиантах. Как правило, в кристаллах алмаза проявляется аномальное двулучепреломление из-за напряжений, возникающих в связи со структурными дефектами и включениями. Кристаллы алмаза прозрачны, полупрозрачны или непрозрачны в зависимости от насыщенности микроскопическими включениями графита, других минералов и газово-жидких вакуолей. При освещении ультрафиолетовыми лучами значительная часть прозрачных и полупрозрачных кристаллов алмаза люминесцирует синим, голубым и реже жёлтым, жёлто-зелёным, оранжевым, розовым и красным цветами. Кристаллы алмаза (за редким исключением) люминесцируют под действием рентгеновских лучей. Свечение алмаза возбуждается катодными лучами и при бомбардировке быстрыми частицами. После снятия возбуждения часто наблюдается послесвечение различной длительности (фосфоресценция). В алмазе проявляется также электро-, трибе- и термолюминесценция.

Алмаз как самое твёрдое вещество в природе используется в разнообразных инструментах для распиловки, сверления и обработки всех других материалов. Относительная твёрдость по шкале Mоcca 10, максимальная абсолютная микротвёрдость, измеренная индентором на грани (111), 0,1 ТПа. Твёрдость алмаза на различных кристаллографических гранях не одинакова; наиболее твёрдой является октаэдрическая грань (111). Алмаз очень хрупок, обладает весьма совершенной спайностью по грани (111). Модуль Юнга 0,9 ТПа. Плотность прозрачных кристаллов алмаза 3515 кг/м³, полупрозрачных и непрозрачных — 3500 кг/м³, у некоторых австралийских алмазов — 3560 кг/м³; у борта и карбонадо из-за их пористости может снижаться до 3000 кг/м³. Чистая поверхность кристаллов алмаза обладает высокой гидрофобностью (краевой угол 104-105°). В природных алмазах, особенно в алмазах из россыпных месторождений, на поверхности образуются тончайшие плёнки, которые повышают её смачиваемость.

Алмаз — диэлектрик. Удельное сопротивление r у всех азотных кристаллов алмаза типа I равно 10¹²-10¹⁴ Ом•м. Среди безазотных алмазов типа II иногда встречаются кристаллы, у которых r ниже 10⁶ Ом•м, иногда до 10-10^-2. Такие алмазы обладают проводимостью r-типа и фотопроводимостью, причём при одинаковых условиях фототок в алмазе типа II на порядок больше фототока, возбуждаемого в алмазе типа I. Алмаз диамагнитен: магнитная восприимчивость, отнесённая к единице массы, составляет 1,57•10^-6 единиц СИ при 18°С. Алмаз стоек по отношению ко всем кислотам даже при высокой температуре. В расплавах щелочей KOH, NaOH и других веществ в присутствии О, OH, CO, CO₂, Н₂О происходит окислительное растворение алмаза. Ионы некоторых элементов (Ni, Co, Cr, Mg, Ca и др.) обладают каталитической активностью и ускоряют этот процесс. Алмаз обладает высокой теплопроводностью (особенно безазотные алмазы типа II). При комнатной температуре теплопроводность их в 5 раз выше Си, причём коэффициент теплопроводности уменьшается с увеличением температуры в интервале 100-400 К от 6 до 0,8 кДж/м•К. Полиморфный переход алмаза в графит при атмосферном давлении происходит при температуре 1885±5°С по всему объёму кристалла. Образование плёнок графита на поверхности граней (III) кристаллов алмаза под влиянием кислорода может происходить начиная с 650°С. На воздухе алмаз сгорает при температуре 850°С.

Распространённость и происхождение. Алмазы обнаружены в метеоритах, импактных породах, связанных с метеоритными кратерами (астроблемами), в Кимберлитах и находящихся в них небольшого размера ксенолитах глубинных мантийных пород передо-гитового и эклогитового составов, а также во вторичных источниках — различных по возрасту и генезису россыпях (аллювиальных, делювиальных, элювиальных, прибрежно-морских, пролювиальных и др.). По вопросам происхождения алмазов нет единого мнения. Некоторые учёные полагают, что алмазы кристаллизуются в самих кимберлитовых трубках при их становлении или в промежуточных очагах, возникающих на небольших (3-4 км) глубинах (субвулканические очаги). Другие считают, что алмазы образуются на большой глубине в родоначальном кимберлитовом расплаве и продолжают кристаллизоваться при подъёме его в верхнюю часть земной коры. Наиболее обоснованно развиваются представления о том, что алмазы генетически связаны с разнообразными перидотитовыми и эклогитовыми породами верхней мантии и выносятся из них вместе с другим ксеногенным материалом, находящимся в кимберлитах. Существуют и другие представления о генезисе алмаза (например, кристаллизация при низких давлениях с использованием углерода из метана глубинного происхождения и карбонатов вмещающих пород).

Месторождения алмазов. Промышленное значение имеют алмазоносные кимберлитовые породы и формирующиеся за счёт их размыва россыпные месторождения. Кимберлиты встречаются преимущественно на древних щитах и платформах; для них характерны главным образом тела трубчатой формы, а также жилы, лайки и сиплы. Размеры кимберлитовых трубок от одного до нескольких тысяч метров в поперечном сечении (например, трубка Мвадуи в Танзании с параметрами 1525х1068 м). На всех платформах известно свыше 1500 кимберлитовых тел, но промышленное содержание алмазы имеют лишь единичные. Алмазы распределены в кимберлитах крайне неравномерно. Промышленными считаются трубки с содержанием алмазов от 0,4 карат/ м³ и выше. В исключительных случаях, когда трубки содержат повышенный процент высококачественных алмазов, рентабельной может быть эксплуатация и с более низким содержанием, например 0,08-0,10 карат/м³ (Ягерсфонтейн в ЮАР). В кимберлитах преобладают кристаллы размером 0,5-4,0 мм (0,0025-1,0 карат). Весовая доля их обычно составляет 60-80% от всей массы извлекаемых алмазов. Запасы на отдельных месторождениях исчисляются десятками млн. карат. Наиболее крупные коренные месторождения алмазов разведаны в Заире, ЮАР, Ботсване, Танзании, Лесото, Анголе, Сьерра-Леоне и др.

Основная добыча алмазов ведётся из россыпей (80-85%) различных генетических типов, которые эксплуатируются при содержании 0,25-0,50 карат/м³. Среди россыпей выделяют элювиально-делювиальные (Заир, ЮАР, Гана, Берег Слоновой Кости), аллювиальные (Заир, Ангола, ЦАР, Сьерра-Леоне, Венесуэла и др.), прибрежно-морские и морские (Намакваленд в ЮАР, Намибия и Ангола). Прибрежно-морские и морские россыпи отличаются хорошей сортностью, относительно равномерным содержанием и высоким качеством алмазов. Запасы в крупных протяжённых россыпях исчисляются десятками млн. карат (например, в бассейне р. Бушимае, Заир, первоначальные запасы оцениваются в 109 карат). Главные месторождения алмазов находятся в Африке; кроме того, промышленные месторождения известны и разрабатываются в Южной Америке, Азии (Индия и Индонезия). Приблизительная оценка запасов алмазов в промышленно развитых капиталистических и развивающихся странах 1,2 млрд. карат, из которых на технические алмазы приходится около 75%. Основные запасы технических алмазов сосредоточены в Заире (около 1/2 всех зарубежных запасов алмазов), Ботсване, ЮАР, Гане. Основные ресурсы ювелирного сырья сосредоточены в ЮАР, Намибии, Анголе, Заире и Сьерра-Леоне (см. также Алмазная промышленность).

В CCCP известны как коренные, так и россыпные месторождения алмазов (например, в Западной Якутии, на Урале).

Добыча алмазов. Верхние горизонты кимберлитовых трубок разрабатываются открытым способом, нижние — подземным (вскрытие вертикальным стволом и квершлагами); разработка — с магазинированием кимберлитовой породы и выдачей её через рудоспуски на транспортные горизонты. Россыпные месторождения разрабатываются открытым способом с применением экскаваторов, скреперов или драг.

Обогащение. На россыпных месторождениях порода сначала промывается в гидровашгердах для удаления связующей глинистой массы и отделения крупного обломочного материала; выделенный, рыхлый материал разделяется на четыре класса: -16+8, -8+4, -4+2, -2+0,5 мм. Обогащение производится гравитационными методами (мокрая и воздушная отсадка, обогащение в тяжёлых суспензиях, в концентрационных чашах). Для извлечения мелких алмазов и алмазной крошки применяются плёночная и пенная флотация с предварительной очисткой поверхности. Реагенты: амины, аэрофлоты, жирные кислоты, керосин, крезиловая кислота. Для извлечения алмазов наибольшее распространение получил жировой процесс (для зёрен с крупностью 2-0,2 мм), основанный на избирательной способности алмазов прилипать к жировым поверхностям. В качестве жирового покрытия используют вазелин, нефть, автол и его смесь с парафином, олеиновую кислоту, нигрол и др. Наряду с жировым процессом применяют (для зёрен крупностью 3-0,1 мм) электростатическую сепарацию, основанную на различной проводимости минералов (алмаз — плохой проводник электричества). Используется рентгенолюминесцентный метод извлечения относительно крупных алмазов, основанный на способности кристаллов алмаза люминесцировать (рентгенолюминесцентные автоматы).

Применение. Алмазы разделяются на ювелирные и технические. Первые обладают высокой прозрачностью. Наиболее ценными являются алмазы бесцветные ("чистой воды") или с хорошей окраской. К техническим относятся все прочие добываемые алмазы вне зависимости от их качества и размеров. В CCCP сортировка алмазов производится по техническим условиям, которые дополняются по мере расширения областей применения алмазов. В зависимости от видов и назначения алмазное сырьё по качеству классифицируется на категории; в каждой категории выделяются группы и подгруппы, которые определяют размер, форму, конкретные условия назначения кристаллов алмазов. Около 25% добываемых в мире алмазов используется в ювелирной промышленности для изготовления бриллиантов.

Обладая исключительно высокой твёрдостью, алмазы незаменимы для изготовления различных инструментов и приборов (буровые коронки и долота, инденторы для измерения твёрдости материалов, волоки, иглы к профилометрам, профилографам, пантографам, свёрла, резцы, накладные камни к морским хронометрам, стеклорезы и т.д.). Алмазы широко используются для изготовления абразивных порошков и паст, для заправки алмазных пил. Алмазным инструментом обрабатываются некоторые металлы, полупроводниковые материалы, керамика, строительные железобетонные материалы, хрусталь и др. По совокупности ряда уникальных свойств алмазы могут быть использованы для создания электронных приборов, предназначенных для работы в сильных электрических полях, при высоких температурах, в условиях повышенного уровня радиации, в агрессивных химических средах. На основе алмазов созданы детекторы ядерных излучений, теплоотводы в электронных приборах, термисторы и транзисторы. Прозрачность алмазов для инфракрасного излучения и слабое поглощение рентгеновских лучей позволяют применять их в инфракрасных приёмниках, в камерах для исследования фазовых переходов при высоких температурах и давлениях.

Синтетические алмазы. В середине 50-х гг. началось освоение промышленного синтеза технических алмазов. Синтезируются в основном мелкие монокристаллы и более крупные поликристаллические образования типа балласа и карбонадо. Основные способы синтеза: статический — в системе металл — графит при высоких давлениях и температурах; динамический — полиморфный переход графита в алмазах при воздействии ударной волны; эпитаксиальный — наращивание алмазных плёнок на алмазные затравки из газообразных углеводородов при низких давлениях и температуре около 1000°С. Синтетические алмазы используются также, как природные технические. Общий объём производства синтетических алмазов значительно превышает объём добычи природных.