Выращивание, структурно-морфологические характеристики и основные свойства монокристаллов топаза и ассоциирующих с ним слюд тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.05, кандидат геолого-минералогических наук Балицкий, Сергей Дмитриевич

• Балицкий, Сергей Дмитриевич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2008

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выращивание, структурно-морфологические характеристики и основные свойства монокристаллов топаза и ассоциирующих с ним слюд»

Актуальность темы.4

Цель и основные задачи исследований.5

Научная новизна работы.б

I I

Практическое значение работы.7

Защищаемые положения.:.7

Фактический материал и методы исследований.9

Апробация работы и публикации.10

Структура и объем работы.11

Благодарности.11

Заключение диссертации по теме «Минералогия, кристаллография», Балицкий, Сергей Дмитриевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено следующее.

Топаз, являющийся одним из распространенных минералов в природе и одним из наиболее популярных драгоценных камней, в отличие от многих драгоценных камней, до сих пор не производится в искусственных условиях. Между тем, помимо использования в ювелирной промышленности, некоторые его синтетические аналоги, например, содержащие до нескольких и более процентов хрома, могли бы найти применение в новых лазерных устройствах. Однако до настоящего времени не существует промышленной технологии выращивания подобных кристаллов. В рамках данного исследования была предпринята попытка разработки воспроизводимого метода выращивания монокристаллов топаза на затравку, которая могла бы явиться основой для создания такой технологии. Предварительное ознакомление с опубликованными данными позволило наметить пути решения этой проблемы и выбрать условия, необходимые для выращивания топаза. Прежде всего, был проведен цикл экспериментов, позволивший установить особенности переноса кремнезема и глинозема - основных минералообразующих компонентов топаза — в гидротермальных растворах различного состава и кислотности-щелочности. Полученные экспериментальные данные однозначно доказали, что кремнезем и глинозем в условиях прямого температурного перепада обладают одновременной высокой подвижностью только при растворении кварца, корунда и топаза (и, вероятно, других алюмосиликатов) в кислых водно-фторидных растворах. Глинозем в таких растворах, независимо от плотности их плотности, всегда переносится из менее горячей (верхней) зоны в более горячую (нижнюю) зону, а направление переноса кремнезема в растворах того же состава неоднозначно и определяется их плотностью. В низкоплотных растворах перенос обеих компонентов совпадает и направлен из менее высокотемпературной зоны в более высокотемпературную зону, а при повышении плотности раствора (р > 0,33-0,37 г/см3 при температурах 650-780°С) направление переноса кремнезема претерпевает инверсию, в то время как перенос глинозема остается неизменным. Причиной одновременного пространственно разобщенного и пространственно совмещенного растворения и роста кристаллов кварца и топаза является различие или совпадение знаков их температурного коэффициента растворимости (ТКР) в кислых фторидных растворах. Результаты этих исследований явились основой для разработки воспроизводимого метода выращивания монокристаллов топаза на затравку. Выяснилось, что наиболее благоприятными для выращивания монокристаллов топаза являются кислые фторидныс растворы, образующиеся при гидролизе фторида алюминия в интервале температур 500-750°С и давлений 30-180 МПа при обязательном избытке в растворе кремнезема. Из многочисленных возможных вариантов размещения затравки и шихты в таких растворах наиболее оптимальным представляется рост топаза в зоне с относительно более высокой температурой, т. е. при размещении затравки в нижней части автоклава, а кварц-топазовой шихты - в верхней. В указанных условиях в лабораторных автоклавах емкостью 50 и 280 мл выращивались кристаллы топаза весом от 5 до 20 г. Структурно-морфологические характеристики и основные свойства выращенного и природного топаза, включая типы радиационных окрасок, оказались практически не различимыми. Вместе с тем, было установлено, что в топазах и сопутствующих им кристаллах кварца, выращенных в присутствии тяжелой воды, наблюдается смещение полос поглощения в ИК-спектрах в интервале 3300-3750 см"1, связанных с ОН-группами, на полосы в интервале 2500-2700 см"1, обусловленные присутствием OD-rpynn.

Особое внимание в работе было уделено выяснению условий образования лепидолита - одного из наиболее часто встречающихся минералов в парагенезисе с топазом. Эксперименты показали, что. например, при температурах 600-650°С и давлении порядка 100 МПа - ТР-параметрах кристаллизации топаза в пегматитах -образование лепидолита может осуществляться в гидротермальных растворах в широком диапазоне кислотности-щелочности (рН 2-11). В зависимости от рН растворов и соотношений в них ли гит и фтора формируются парагенезисы лепидолита с различными минералами. Лепидолш-топаз-кварцевый парагенезис возникает в кислых фторсодержащих растворах с отношением Ы/Р<0,2 - условиях близких к росту топаза в проведенных опытах. В кислых до слабощелочных растворах с соотношением 0,2<1л/Р<0,4 лепидолит кристаллизуется в ассоциациях с микроклином и эвкриптитом, а при соотношении 0,4<1л/Р<0,8 образуются литиевые и фторсодержащие алюмосиликаты, такие, как эвкриптит, иеталит, сподумен и др.

Как уже отмечалось выше, разработанный метод выращивания топаза на затравку может явиться основой для создания технологии получения его монокристаллов, включая хромсодержащую разновидность. Помимо этого, из результатов исследовании следует, что из бесцветного выращенного топаза могут быть получены практически всс его радиационно окрашенные разновидности, а за счет замещения ОН-групп и НР-комплексов ОС-группами и ЭР-комплексами может представиться возможность изготовления новых устройств с окнами для пропускания ИК-излучения в области ЗГ 00-3750 см"1. Причем это относится не только к выращенному топазу, но и кварцу.

И, наконец, экспериментальные данные по условиям синтеза лепидолита могут быть использованы при изучении условий образования редкометальных литиевых пегматитов, являющихся источником добычи целого ряда редких элементов (Та, ЫЬ, XV, Бп и др.), а также сырьем для производства стекла, керамики и многочисленных химических соединений на основе лития.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Балицкий, Сергей Дмитриевич, 2008 год

1. Bailey S.W. Appendix 2: X-ray identification of mica polytypes. 1984 M. S. A. Short Course on Micas, 10 p.

2. Bailey S.W. Classification and structures of micas. Reviews in Mineralogy. 1984, a. Micas,tvol. 13. 210 p.

3. Bailey S.W. Crystal chemistry of the true micas. Reviews in Mineralogy. 1984, b. Micas, vol. 13,

4. Balitsky V.S., Balitskaya L.V. Experimental study of coincident- and opposite-directed simultaneous transfer of silica and alumina in supercritical aqueous-fluoride fluids // High Pressure Research. 2001. V. 20. P. 325 331.

5. Balitsky V.S., Balitskaya L.V., Lu Т., Shigley J. Experimental study of the simultaneous dissolution and growth of quartz and topaz // Journal of Crystal Growth. 2002. V. 237 239. P.833 - 836.

6. Baumer A., Carubo R. et Turco. G. Replacements isomorphiques par synthises hydrotermales dans silicates fluores: topaze et zunyte // Chem. geol. 1973 V. 12, №. 4. P. 257 -269.

7. Brown P. E., Brown R. D., Chambers A. D. and Soper N. J. Fractionation and assimilation in the Borgtinderne syenite, East Greenland// Contributions to Mineralogy and Petrology, Volume 67, Number 1 / August, 1978.

8. Brown P., Essene E.J., Peacor D.R. The mineralogy and petrology of manganese-rich rocks from St. Marcel, Piedmont, Italy// Contributions to Mineralogy and Petrology, Volume 67, Number 3 / October, 1978.

9. C. A. Londos, A. Vassilikou-Dova, G. Georgiou, L. Fytros, Infrared Studies of Natural Topaz, Physica Status Solidi (a) v. 133 #2, p 473-479, 1992

10. Cerny P., Burt D. M. Paragenesis, crystallochemical characteristics and geochemical evolution of micas in granite pegmatites. Reviews in Mineralogy. 1984. Micas. Vol. 13. 324 P

11. Cerny P. et al. Short course in granitic pegmatites in science and industry. May 1982. Winnipeg. 49 p.

12. Charoy B., Noronhha F. Rare-element (Li-rich) granitic and pegmatitic plutons: a primary or superimposed signature?. Revista Brasileira de Geociencias. 1999. Vol. 29 (1). P. 3-8.

13. Chaudhry M.N., Howie RALithium-aluminum micas from the Meldon aplite, Devonshire, England. Mineral Mag. 1973. 39:289-296

14. Foster M.D. Interpretation of the composition of trioctahedral micas. United States Geological Survey Professional Paper. 354-B (1960). P. 11-49.I

15. Foster, H.D. 1960. Interpretation of the composition of lithium micas. Geol. Surv. Prof. Paper, SA354E, P. 115-146.

16. Franzini M. and Sartori F. Crystal data on 1M and 2M2 lepidolites //Contributions to Mineralogy and Petrology, Volume 23, Number 3 / September, 1969

17. Guggenheim Stephen, Cation ordering in lepidolite Univ. 111. at Chic., Dep. Geol. Sci., Chicago, IL, United States, American Mineralogist; December 1981; v. 66; no. 11-12; p. 1221-1232

18. Hoover, D. B. "Topaz", Butterworth-Heinemann Gem Books, 1992, pp 31-42

19. Hoover, D. B. "Topaz", Butterworth-Heinemann Gem Books, 1992, pp 101-111

20. Hoover, D. B. "Topaz", Butterworth-Heinemann Gem Books, 1992, profile xii

21. Kats A. "Hydrogen in alpha quartz". 1962. Philips research reports 17, p. 1-31, 133-195, 201-279

22. Levillain, C. 1980 Etude statistique des variations de la teneur en OH et F dans les micas. TMPM Tschermaks Mineralogische und Petrographischc Mitteilungen, 27, 209-223.

23. Levinson, A.A. 1953. Studies in the mica group; relationship between polymorphysm and composition in the muscovite-lepidolite system. American Mineralogist, Vol. 38, p. 88-107.

24. London D. The application of experimental petrology to the genesis and crystallization of granitic pegmatites. The Canadian Mineralogist. 1992. Vol. 30. P. 499-540,

25. London D., Burt D. M. Chemical models for lithium aluminosilicates stabilities in pegmatites and granites. American Mineralogist. 1982, a. Vol. 67. P. 494-509,

26. London D., Burt D. M. Lithium aluminosilicate occurences in pegmatites and the lithium aluminosilicate phase diagram. American Mineralogist. 1982, b. Vol. 67. P. 483-493,.

27. Michel-Levy, Albert et Wyart Jean. Reproduction ertificielle sous pression elevee de la cassiterite, de la topaze, du corindon, de la cryolie et de la chiolite // C. R. Acad. Sci. Paris. 1947. V. 224, Janv - Juin. P. 166 - 168.

28. Munoz J. L. F-OH and Cl-OH exchange in micas with applications to hydrothermal ore deposits. Reviews in Mineralogy. 1984. Micas. Vol. 13. 245 p.

29. Munoz J. L. Hydrothermal stability relations of synthetic lepidolite. The American Mineralogist, 1971. Vol. 56. P. 2069-2087.

30. Munoz J. L. Physical properties of synthetic lepidolites. The American Mineralogist, 1968. Vol. 53. P. 1490-1512.

31. Norton, J. J., Page, L. R., and Brobst, D. A. (1962) Geology of the Hugo pegmatite Keystone, South Dakota. United States Geological Survey Professional Paper 297 B

32. Pesquera A., Torres-Ruiz J., Gil-Crespo P., Velilla N. Chemistry and genetic implications of tourmaline and Li-F-Cs micas from the Valdeflores area (Caceres, Spain). American Mineralogist. 1999. Vol. 84. P. 55-69.

33. Ribbe, P. H. and Gibbs, G. V. "The crystal structure of topaz and its relation to physical properties" Amer. mineral. 1971, vol. 56, N 1-2, p. 24-30

34. Rieder M. et al.: Nomenclature of the micas. Mineralogical Magazine, 1999.Vol. 63(2). P. 267-279.

35. Rinaldi R, Cerny P, Ferguson R.B. The Tanco pegmatite at Bernic Lake, Manitoba. VI. Lithium-rubidium-cesium micas. Can Mineral 1972. 11. P. 690-707

36. Robert J. L., Beny J. M., Beny C., Volfinger M. Characterization of lepidolites by raman and infrared spectrometries. I. Relationships between OH stretching wavenumbers and composition. Canadian Mineralogist. 1989. Vol. 27. P. 225-235.

37. Robert J. L., Beny J. M., Delia Ventura G., Hardy M. Fluorine in micas: crystal-chemical control of the OII-F distribution between trioctahedral sites. European Journal of Mineralogy, 1993. Vol. 5. P. 7-18,

38. Rosenberg P. E. "Compositional variations in synthetic topaz". Amer. mineral. 1972, vol. 57, N 1-2, p. 169-187

39. Ross M, Takeda Ii, Wones DR (1966) Mica polytypes: systematic description and identification. Science 151:191-193

40. Sartori F (1976) The crystal structure of a 1M lepidolite. Tscher Mineral Petrol Mitt 23: 6575

41. Sartori F., Franzini M., Merlino S. Crystal structure of a 2M2 lepidolite. Acta Cryst. 1973, B 29. P. 573-578.

42. Shigley, J. "A study of the morphology and crystal structure of topaz", Geology 261, 1977, pp 11-21

43. Singleton J. F. and Hartley N. E. W. Light element profiling using nuclear reaction analysis on tapered corrosion sections Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Volume 48, Numbers 1-2 / March, 1979.

44. Stackhouse S., Coveney P.V. Study of thermally treated lithium montmorillonite by Ab initio methods. Journal of Physical Chemistry. 2002. Vol. 106, № 48. P. 12470-12477,

45. Stevens R. E. New analyses of lepidolites and their interpretation. The American Mineralogist. 1938. Vol. 23. P. 607 628,

46. Stewart, D.B. 1978. Petrogenesis of lithium-rich pegmatites. Amer. Mineral., 636 p. 970-980.

47. Swanson TH, Bailey S.W. Redetermination of the lepidolite-2M 1 structure. Clay and Clay Minerals. 1981. № 29. P. 81-90.

48. Takeda H., Donnay J. D. H. Trictahedral one-layer micas. Ill Crystal structure of a synthetic lithium fluormica. Acta Cryst. 1966. Vol. 20. P. 638-646.

49. Wunder В., Rubie D., Ross С. II et al. "Synthesis, stability and properties of Al2Si04(0H)2: a fully hydrated analogue of topaz" Amer. mineral. 1993, vol. 78, N 3/4, p. 285-297

50. Балицкий B.C. Экспериментальное изучение процессов хрусталеобразования. М. Недра. 1978. 144 с.

51. Балицкий B.C., Лисицына Е.Е. Синтетические аналоги и имитации природных драгоценных камней//Москва. "Недра". 1981. С. 160.

52. Балицкий С. Д. «Выращивание монокристаллов топаза, его структурно-морфологические характеристики и некоторые свойства». Курсовая работа. М. МГУ, геол. ф-т, 2002 (кафедра кристаллографии и кристаллохимии)

53. Балицкий С. Д. «Природный и синтетический топаз: условия образования, основные структурно-морфологические характеристики и свойства». Бакалаврская работа. М. МГУ, геол. ф-т, 2003 (кафедра кристаллографии и кристаллохимии)

54. Возняк Д. К., К условиям образования топаза и сингенетичных ему минералов в пегматитах Волыни. Тезисы к докл. III Всес. совещания по минералогической термобарии и геохимии глубинных минералообразующих растворов, М., 1968, С. 4849.

55. Годовиков А. А. «Минералогия», Москва, «Недра», 1983, стр. 267-308

56. Годовиков А. А. «Минералогия», Москва, «Недра», 1983, стр. 602-604

57. Долгов Ю. А., Макагон В. М., Соболев В. С. Жидкие включения в дистене изметаморфичесикх пород и пегматитов Мамского района (Сев.-Восточное Забайкалье).- Докл. АН СССР, т 175, № 2, 1967, с 444-447

58. Долгов Ю. А., О вероятной сепарации газовой смеси в процессе адиабатического расширения минералообразующих систем. В сб.: Минералогическая термометрия и барометрия, т. 1, «Наука», 1968, с. 354-357

59. Долгов Ю. А., Шугурова Н. А. Исследования состава индивидуальных газовых включений . Материалы по генетической и экспериментальной минералогии, т. 4, Новосибирск, 1966, с. 173-181

60. Ермаков Н. П. Исследования минералообразующих растворов, Изд. Харьковского, гос. университета, 1950, с 460

61. Ермаков Н. П. Состояние и деятельность флюидов в пегматитах камерного типа. В кн.: Минералогия и генезис пегматитов, М., Наука, 1965, с 140-160

62. Захарченко А. И. Пегматитообразующие расплаво-растворы (по их включениям в минералах гранито-камерных пегматитов). — Тезисы докладов IV регионального совещания по термобарохимии процессов минералообразования. Ростов-на-Дону, 1971. С. 192-194.

63. Калюжный В. А. К изучению состава минералов-«узников» многофазовых включений. Мин сб. Львовского геол. общества, № 12, 1958, с 116-128

64. Калюжный В. А., Возняк Д. К., Термодинамическая и геохимическая характеристика минералообразующих растворов пегматитов занорышевого типа (по жидким включениям в минерале). Мин сб. Львовского геол. общества, № 20, вып. 1. 1967, с 49-68

65. Калюжный В. А., Ляхов Ю. В., Гринькив 3. С., Ковалишин 3. И., Возняк Д. К. О возрастных взаимоотношениях и составе жидких включений в кварце пегматитов Волыни. Труды ВНИИСИМС, 1966, т. IX, с. 112-120.

66. Лодиз Р. и Паркер Р. Рост монокристаллов // Москва. Мир. 1974. С. 540.

67. Материалы сайта http://www.gmsindustrial.com.au

68. Материалы сайта http://www.webmineral.com

69. Наумко И.М., Калюжный В.А. Генетические особенности топаза из зоны выщелачивания и перекристаллизации занорышевых пегматитов Волыни // Минералогический журнал. 1981. Т. 3. No 3. С. 52 61

70. Наумов В.Б., Коваленко В.И., Иванова Г.Ф., Владыкин Н.В. Генезис топазов по данным изучения микровключений // Геохимия. 1977. №3. С. 323 331.

71. Наумов Г.Б., Рыженко Б.Н., Ходаковский И.Л. Справочник термодинамических величин. М.: Атомиздат. 1971. 240 с.

72. Платонов А. Н., Таран М. Н., Балицкий В. С. «Природа окраски самоцветов», М., Недра, 1984

73. Рёддер Э. Флюидные включения в минералах, т. 2 // Москва. «Мир». 1987 сс .

74. Самойлович Л.А. Зависимость между давлением, температурой и плотностью водных солевых растворов. М.: ВНИИСИМС, 1969. 48 с.

75. Шаповалов Ю.Б. Минеральные равновесия в системе КгО-АЬОз-БЮг-НгО при Т=300-600°С и Р=1000 бар. Очерки физико-химической петрологии. М. Наука. 1988. Т. 15. С.160.167.