Алмаз и графит: свойства, значение, происхождение
29
Содержание
Введение
1. Полиморфные модификации углерода: алмаз и графит
1.1.Общая характеристика алмаза
1.2. Общая характеристика графита
2. Промышленные типы месторождений гранита и алмаза
3. Природные и технологические типы алмазосодержащих и графитовых руд
4. Разработка месторождений гранита и алмаза
5. Области применения гранита и алмаза
Заключение
Список используемой литературы.
Введение
Алмазная промышленность нашей страны находится в стадии развития, внедрения новых технологий обработки минералов.
Найденные месторождения алмазов вскрываются лишь процессами эрозии. Для разведчика это означает, что существует множество «слепых» месторождений, не выходящих на поверхность. Об их присутствии можно узнать по обнаруженным локальным магнитным аномалиям, верхняя кромка которых располагается на глубине в сотни, а если повезет - то в десятки метров. (А. Портнов).
Исходя из вышесказанного, я могу судить о перспективности развития алмазной промышленности. Именно поэтому я выбрала тему - «Алмаз и графит: свойства, происхождение и значение».
В своей работе я попыталась проанализировать связь между графитом и алмазом. Для этого сравнила эти вещества с нескольких точек зрения. Я рассмотрела общую характеристику данных минералов, промышленные типы их месторождений, природные и технические типы, разработку месторождений, области применения, значение данных минералов.
Несмотря на то, что графит и алмаз полярные по своим свойствам, они являются полиморфными модификациями одного и того же химического элемента -- углерода. Полиморфные модификации, или полиморфы -- это вещества, которые имеют одинаковый химический состав, но различную кристаллическую структуру. С началом синтеза искусственных алмазов резко возрос интерес к исследованию и поискам полиморфных модификаций углерода. В настоящее время, кроме алмаза и графита, достоверно установленными можно считать лонсдейлит и чаотит. Первый во всех случаях был найден только в тесном взаимопрорастании с алмазом и поэтому называется еще гексагональным алмазом, а второй встречается в виде пластинок, чередующихся с графитом, но расположенных перпендикулярно его плоскости.
1. Полиморфные модификации углерода: алмаз и графит
Единственный минералообразующий элемент алмаза и графита -- это углерод. Углерод (С) -- химический элемент IV группы периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, атомный номер - 6, относительная атомная масса -- 12,011(1). Углерод устойчив в кислотах и щелочах, окисляется только дихроматом калия или натрия, хлористым железом или алюминием. Углерод имеет два стабильных изотопа С(99,89%) и С(0,11%). Данные изотопного состава углерода показывают, что он бывает разного происхождения: биогенного, небиогенного и метеоритного. Многообразие соединений углерода, объясняющееся способностью его атомов соединяться друг с другом и атомами других элементов различными способами, обусловливает особое положение углерода среди других элементов.
1.1 Общая характеристика алмаза
При слове «алмаз» сразу же вспоминаются тайные истории, повествующие о поисках сокровищ. Когда-то люди, охотившиеся за алмазами, и не подозревали, что предметом их страсти является кристаллический углерод, который образует сажу, копоть и уголь. Впервые это доказал Лавуазье. Он поставил опыт по сжиганию алмаза, используя собранную специально для этой цели зажигательную машину. Оказалось, алмаз сгорает на воздухе при температуре около 850-1000*С, не оставляя твердого остатка, как и обычный уголь, а в струе чистого кислорода сгорает при температуре 720-800*С. При нагревании до 2000-3000*С без доступа кислорода он переходит в графит (это объясняется тем, что гомеополярные связи между атомами углерода в алмазе очень прочны, что обусловливает очень высокую температуру плавления.
Алмаз -- бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света.
Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp3-гибридизации. В возбужденном состоянии происходит распаривание валентных электронов в атомах углерода и образование четырёх неспаренных электронов.
Каждый атом углерода в алмазе окружен четырьмя другими, расположенными от него в направлении от центра в вершинах тетраэдра.
Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм.
Прочность всех связей одинакова.
Весь кристалл представляет собой единый трехмерный каркас.
При 20*С плотность алмаза составляет 3,1515 гр/см. Этим объясняется его исключительная твердость, которая по граням различна и уменьшается в последовательности: октаэдр -- ромбододекаэдр -- куб. В то же время алмаз обладает совершенной спайностью (по октаэдру), а предел прочности на изгиб и сжатие у него ниже, чем у других материалов, поэтому алмаз хрупок, при резком ударе раскалывается и при дроблении сравнительно легко превращается в порошок. Алмаз обладает максимальной жесткостью. Сочетание этих двух свойств позволяет использовать его для абразивных и других инструментов, работающих при значительном удельном давлении.
Показатель преломления (2,42) и дисперсия (0,063) алмаза намного превышают аналогичные свойства других прозрачных минералов, что в сочетании с максимальной твердостью обусловливает его качество как драгоценного камня.
В алмазах обнаружены примеси азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, железа, меди и других, обычно в тысячных долях процента.
Алмаз чрезвычайно стоек к кислотам и щелочам, не смачивается водой, но обладает способностью прилипать к некоторым жировым смесям.
Алмазы в природе встречаются как в виде хорошо выраженных отдельных кристаллов, так и поликристаллических агрегатов. Правильно образованные кристаллы имеют вид многогранников с плоскими гранями: октаэдр, ромбододекаэдр, куб и комбинации этих форм. Очень часто на гранях алмазов имеются многочисленные ступени роста и растворения; если они неразличимы глазом, грани кажутся искривленными, сферическими, в форме октаэдроида, гексаэдроида, кубоида и их комбинаций. Различная форма кристаллов обусловлена их внутренним строением, наличием и характером распределения дефектов, а также физико-химическим взаимодействием с окружающей кристалл средой.
Среди поликристаллических образований выделяются -- баллас, карбонадо и борт.
Баллас -- это сферолитовые образования с радиально-лучистым строением. Карбонадо -- скрытокристаллические агрегаты с размером отдельных кристаллов 0,5-50 мкм. Борт -- яснозернистые агрегаты. Балласы и особенно карбонадо имеют самую высокую твердость из всех видов алмазов.
Рис.1 Строение кристаллической решетки алмаза.
Рис.2 Строение кристаллической решетки алмаза.
1.2 Общая характеристика графита
Графит -- серо-черное кристаллическое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь, по твердости уступает даже бумаге.
Структура графита слоистая, внутри слоя атомы связаны смешанными ионно-ковалентными связями, а между слоями -- существенно металлическими связями.
Атомы углерода в кристаллах графита находятся в sp2-гибридизации. Углы между направлениями связей равны 120*. В результате образуется сетка, состоящая из правильных шестиугольников.
При нагревании без доступа воздуха графит не претерпевает никакого изменения до 3700 *С. При указанной температуре он выгоняется, не плавясь.
Кристаллы графита -- это, как правило, тонкие пластинки.
В связи с низкой твердостью и весьма совершенной спайностью графит легко оставляет след на бумаге, жирный на ощупь. Эти свойства графита обусловлены слабыми связями между атомными слоями. Прочностные характеристики этих связей характеризуют низкая удельная теплоемкость графита и его высокая температура плавления. Благодаря этому, графит обладает чрезвычайно высокой огнеупорностью. Кроме того, он хорошо проводит электричество и тепло, устойчив при воздействии многих кислот и других химических реагентов, легко смешивается с другими веществами, отличается малым коэффициентом трения, высокой смазывающей и кроющей способностью. Все это привело к уникальному сочетанию в одном минерале важных свойств. Поэтому графит широко используется в промышленности.
Содержание углерода в минеральном агрегате и структура графита являются главными признаками, определяющими качество. Графитом часто называют материал, который, как правило, не является не только монокристаллическим, но и мономинеральным. В основном имеют в виду агрегатные формы графитового вещества, графитовые и графитсодержащие породы и продукты обогащения. В них, кроме графита, всегда присутствуют примеси (силикаты, кварц, пирит и др.). Свойства таких графитовых материалов зависят не только от содержания графитового углерода, но и от величины, формы и взаимных отношений кристаллов графита т.е. от текстурно-структурных признаков используемого материала. Поэтому для оценки свойств графитовых материалов необходимо учитывать как особенности кристаллической структуры графита, так и текстурно-структурные особенности других их составляющих.
Рис.3. Строение кристаллической решетки графита.
Рис.4. Вкрапленники графита в кальците.
2. Промышленные типы месторождений алмаза и графита
Месторождения алмазов подразделяются на россыпные и коренные, среди которых выделяются типы и подтипы, различающиеся по условиям залегания, формам рудных тел, концентрациям, качеству и запасам алмазов, условиям добычи и обогащения.
Коренные месторождения алмазов кимберлитового типа во всем мире являются основными объектами эксплуатации. Из них добывается около 80% природных алмазов. По запасам алмазов и размерам они разделяются на уникальные, крупные, средние и мелкие. С наибольшей рентабельностью отрабатываются верхние горизонты выходящих на дневную поверхность уникальных и крупных месторождений. В них сосредоточены основные запасы и прогнозные ресурсы алмазов отдельных алмазоносных кимберлитовых полей. Кимберлиты - это «вулканические жерла», заполненные брекчией. Брекчия состоит из обломков и ксенолитов, окружающих и осевших сверху пород, из обломков пород, вынесенных с глубин 45-90 км и более. Цементом является вулканический материал, туфы щелочно-ультроосновного состава, так называемые кимберлиты и лампроиты. Кимберлитовые трубки располагаются на платформах, лампроитовые - в их складчатом обрамлении. Время образования трубок разное - от архея до кайнозоя, а возраст алмазов, даже самых молодых из них, составляет около 2-3 млрд. лет. Образование трубок связано с прорывом вверх по узким каналам под большим давлением, на глубине свыше 80 км, при температуре около 1000*щелочно-ультроосновных расплавов. Большинство хорошо изученных кимберлитовых тел имеет сложное строение; в наиболее упрощенном случае в строении трубки участвуют две основные разновидности пород, образовавшихся в ходе двух последовательных фаз внедрения: брекчия (1-й этап) и массивный «крупнопорфировый» кимберлит (2-й этап). В строении некоторых кимберлитовых трубок выявлены также кимберлитовые дайки и жилы, связанные с трубками. Обнаружены слепые тела, образованные порциями кимберлитовой магмы, не доходившими до дневной поверхности. Месторождения, связанные с дайками и жилами кимберлитов, как правило, относятся к категории мелких, реже средних по запасам алмазов Во многих случаях прорыв вверх достигал палео-поверхности, но многие трубки взрыва могут быть «слепыми» и до сих пор не вскрыты эрозией, т.е. залегают где-то на глубине. Но и на поверхности Земли есть места, где возникают давления вполне достаточные для образования алмаза. Это места удара метеоритов, где алмаз встречается не только в Земле, но и в ряде самих метеоритов.
Скорость движения прорывающейся магмы, вероятно, могла быть очень большой, около 800 км/ч, магма отрывала и выносила вверх обломки разного состава. Если в них содержались алмазы, трубка становилась алмазоносной. Сами же алмазы являются наиболее стабильной полиморфной модификацией углерода в глубинных зонах Земли. (А.В. Уханов.)
Рис. 5. Строение кимберлитовой трубки.
Лампроитовый тип месторождений алмазов открыт сравнительно недавно (1976 г.) в Западной Австралии, где эксплуатируется крупное месторождение Аргайл. По своему строению лампроитовые месторождения в целом аналогичны кимберлитовым. Судя по данным разведки месторождения Аргайл, трубки лампроитов несколько быстрее выклиниваются на глубину, где они переходят в дайки. Система отработки этих месторождений и технология обогащения такие же, как и на кимберлитовых объектах.
Кимберлит-лампроитовый тип представлен месторождением алмазов в Архангельской области, где содержание минералов-индикаторов существенно ниже, чем в «классических» кимберлитах, подавляющее большинство алмазов представлено кривогранными формами.
Кольцевые импактные структуры размером от первых до сотни км связаны со сверхмощными взрывными процессам, источник которых имел, по мнению разных исследователей, либо внеземной (падение крупных небесных тел), либо эндогенный характер. В России разведано одно месторождение этого типа -- Попигайское на восточном склоне Анабарского кристаллического массива. По запасам руды и содержанием алмазов месторождение превышает в сотни раз самые крупные в кимберлитах. Однако алмазы в импактных месторождениях заключены в крепкие плотные эффузивного облика породы и представлены исключительно техническими сортами с примесью лонсдейлита (полиморфная модификация углерода, встречается в виде пластинок, чередующихся с графитом, но расположенных перпендикулярно его плоскости).
Метаморфогенный тип также представлен пока одним месторождением на территории Казахстана, где алмазы установлены в биотитовых гнейсах, биотит-кварцевых, гранат-пироксеновых и пироксен-карбонатных породах. По запасам и содержанию алмазов оно в десятки раз превышает самые крупные высокоалмазоносные кимберлитовые трубки. Алмазы имеют крайне мелкий размер кристаллов, а ювелирных и высококачественных технических сортов пока не обнаружено.
Россыпные месторождения алмаза представлены пятью основными типами.
Аллювиальные россыпи (речных долин) являются ведущими по масштабу добычи алмазов из россыпей. Крупные месторождения редки и образуются обычно за счет размыва нескольких коренных источников или промежуточных коллекторов площадного типа. Аллювиальные россыпи имеют двухчленное строение: верхняя пойменная фация аллювия представлена весьма слабоалмазоносными гравийно-песчано-глинистыми и илистыми отложениями («торф»), нижняя русловая фация сложена продуктивными грубообломочными галечниками («пески»).
Россыпи делювиально-пролювиального типа формируются на склонах и в логах возле коренных источников и относятся к мелким и средним по масштабу.
Прибрежно-морские россыпи подразделяются на подводные, пляжевые и береговые террасы. Зона таких россыпей в юго-западной Африке простираются на многие сотни км при ширине от 5 до 20 км.
Россыпи остальных промышленных типов существенной роли в добыче алмазов не играют.
Россыпные месторождения различных типов по глубине залегания подразделяются на мелкозалегающие и глубокозалегающие. По степени удаленности от коренного источника выделяются россыпи ближнего и дальнего сноса; первые формируются вблизи от коренного источника, вторые -- на удалении десятков км в благоприятных геолого-структурных условиях.
Промышленные типы месторождений графита.
Графит образовался из органических соединений в результате метаморфизации осадочных пород.
Среди месторождений графита выделяются по геологической обстановке их нахождения четыре группы промышленных типов месторождений.
По величине запасов месторождения графита подразделяют (млн. т) на: крупные -- больше 1, средние -- 0,5-1, мелкие -- до 0,5.
Наиболее широко распространенными и более крупными по своим запасам являются месторождения тайгинского, мадагаскарского, ногинского, мексиканского типов.
Графитовые месторождения цейлонского, ботогольского типов менее распространены, реже имеют крупные запасы, но отличаются высоким содержанием графита в руде и более ценными качествами.
3. Природные и технологические типы алмазосодержащих руд
Природные типы руд - алмазоносные кимберлиты и алмазоносные лампроиты, которые подразделяют исходя из соотношений собственно кимберлита и ксеногенного материала и струкрурно-текстурных особенностей, на алмазоносные массивные кимберлиты, кимберлитовые брекчии, туфобрекчии, ксенотуфобрекчии, туфы и туфогенно-осадочные породы.
Единая технологическая классификация алмазосодержащих руд отсутствует. При технико-экономической типизации руд выделяют два основных технологических типа: брекчии с содержанием глинистой составляющей менее 20% и брекчии с содержанием глинистой составляющей более 20%. При обработке этих руд отличаются как технологические схемы, так и себестоимость отработки.
В целом, как показывает практика, технологическая классификация руд разрабатывается в каждом конкретном случае самостоятельно в ходе разведки и последующей эксплуатации месторождения. Нередко, когда кимберлитовое тело сложено породами разных фаз внедрения, четко отличающимися структурно-текстурными признаками и уровнем алмазоносности, природные типы руд практически совпадают с технологическими. Главный фактор - содержание алмазов. Так, в трубке Дальняя (Саха-Якутия) два выделяемых здесь природных типа - кимберлитовые брекчии и массивные кимберлиты - различаются по уровню алмазоносности на порядок и являются одновременно технологическими типами. Однако, например, в ходе эксплуатации трубки «Мир», выделено шесть технологических типов руд, отличающихся нюансами структуры и алмазоносности, тогда как фаз внедрения было только две.
Технологические типы алмазоносных песков выделяют, исходя из их валунистости, глинистости, промывитости и т.д.
Природные и технологические типы графитовых руд.
Типизация графитовых руд проводится по текстурно-структурным признакам. Графиты делятся на явно - и скрытокристаллические. Среди явнокристаллических выделяют плотнокристаллические и чешуйчатые разновидности. Плотнокристаллические графиты подразделяют на крупнокристаллические со средним размером кристаллов более 50 мкм и мелкокристаллические.
По величине чешуек, их диаметру, чешуйчатые графиты длятся на крупночешуйчатые (100-500 мкм) и мелкочешуйчатые (1-100 мкм).
Скрытокристаллические графиты сложены кристаллами, имеющими величину менее 1 мкм. Выделяют плотные и тонкодисперсные или распыленные разности. В последних кристаллики графита рассеяны во вмещающей породе. В плотных разностях кристаллики графита составляют основную массу графитовой породы. Промышленное значение имеют только плотные разности скрытокристаллического графита.
По уровню содержания углерода природный графит слагает шесть товарных групп (%):
- кристаллический кусковой - 92-95;
Страницы: 1, 2
