При обточке один алмаз закрепляется на небольшом станке типа токарного, а другой - в ручной державке. Они слегка прижимаются друг к другу с таким расчетом, чтобы их взаимное трение приводило к скруглению ребер кристаллов в соответствии с двойной конической формой бриллианта. Алмазы, которые не подлежат огранке в бриллианты, обтачивают на диске, шаржированном алмазным порошком.
Шлифовать и пилить алмаз можно только алмазом же и только благодаря тому, что твердость алмаза на разных гранях кристалла и в различных направлениях неодинакова. Понадобилось провести весьма детальные исследования этих различий в твердости, чтобы использовать их при шлифовке и огранке алмаза. В соответствии со статистическим понятием вероятности алмазный порошок всегда должен содержать особо острые частицы, что позволяет пришлифовывать менее твердые грани кристалла алмаза. Минералы равной твердости не царапают и не шлифуют друг друга [24].
Техника шлифовки и огранки алмаза требует очень большого опыта. На быстро (со скоростью 2000-3000 об/мин) вращающемся стальном диске, шаржированном алмазной пастой (смесью алмазного порошка с маслом или олифой), алмаз, закрепленный в зажиме (который носит старинное голландское название «доп»), приобретает фасетную огранку.
Прежде нанесение всех фасет и установка каждого угла контролировались лишь на глаз, под лупой, без применения каких-либо измерительных приборов. Размер самых мелких из отшлифованных таким образом алмазов с полной бриллиантовой огранкой, имеющей 56 фасет и площадку, 2,5 мм (15 штук на карат). Потери массы при шлифовке и огранке составляют 50-60%.
При обработке «Куллинана» они достигли 65% [57]. На том же диске, только на другой дорожке, ещё покрытой рыхлой алмазной пылью, выполняется конечная операция - полировка бриллианта. Только после этого бриллиант начинает «играть» и может быть использован при изготовлении ювелирных изделий [64, 65].
1.5. Применение природных и искусственных алмазов.
Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных украшений. Ювелиры разделяют алмазы почти на тысячи сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты и равномерности окраски, наличия трещин, минеральных включений и некоторых других признаков [49, 68]. В конце ХХ века алмазы начинают применяться на производстве. В настоящее время экономический потенциал наиболее развитых государств в значительной мере связывается с использованием ими алмазов [8].
Какие же свойства алмаза определяют его широкое использование в самых различных областях народного хозяйства? В первую очередь, конечно, исключительная твердость, которая, если судить по скорости стирания, в 150 раз выше, чем у корунда, и в десятки раз лучше, чем у лучших сплавов, применяемых для изготавления резцов. Благодаря этому свойству алмаз применяется при бурении горных пород.
Впервые геологи стали использовать натуральные алмазы в бурении для колонковых долот приблизительно в 1910 г., при помощи таких долот делались кольцевые отверстия в породе, через которые извлекали керн - образцы породы для анализа. Впервые алмазные долота ввели для бурения нефтяных скважин в начале 1920 г., с тех пор они широко используются. Для долот используются природные алмазы не технического, а ювелирного качества, которые вытачивают до особого размера и придают правильную, округлую форму.
Исключительная твёрдость алмазов позволяет использовать их при механической обработке самых разнообразных материалов, для протягивания (волочения) тонкой проволоки, в качестве абразива и т.п. [57].
Более половины добычи технических алмазов идёт на изготовление специального инструмента для обрабатывающей промышленности. Применение алмазных резцов и свёрл на обработку цветных и черных металлов, твердых и сверхтвердых сплавов, стекла, каучука, пластмасс и других синтетических веществ даёт огромный экономический эффект по сравнению с использованием твердосплавного инструмента. Чрезвычайно важно, что при этом не только в десятки раз повышается производительность труда (при токарной обработке пластмасс даже в сотни раз!), но одновременно значительно улучшается качество продукции. Обработанные алмазным резцом поверхности не требуют шлифовки, на них практически отсутствуют микротрещины, в результате чего многократно увеличивается срок службы получаемых деталей.
Практически все современные отрасли промышленности, в первую очередь электротехническая, радиоэлектронная и приборостроительная, в огромных количествах используют тонкую проволоку, изготавливаемую из различных материалов. При этом предъявляются строгие требования к круговой форме и неизменности диаметра поперечного сечения проволоки при высокой чистоте поверхности. Такая проволока из твердых металлов и сплавов (вольфрама, хромоникелевой стали и др.) может быть изготовлена лишь с помощью алмазных фильер. Фильеры представляют собой пластинчатые алмазы с просверленными в них тончайшими отверстиями [3].
Широкое применение в промышленности находят и алмазные порошки. Их получают путем дробления низкосортных природных алмазов, а также изготавливают на специальных предприятиях по производству синтетических алмазов [4, 37].
Алмазные порошки находят применение на гранильных фабриках, где все самоцветы, и в том числе алмазы, подвергаются огранке и шлифовке, благодаря чему невзрачные до этого камни становятся таинственно светящимися или ослепительно сверкающими драгоценностями, к неповторимой красоте которых никто не останется равнодушным.
Алмазные порошки используются в дисковых алмазных пилах, мелкоалмазных буровых коронках, специальных напильниках и в качестве абразива. Только с применением алмазных порошков удалось создать уникальные свёрла, которые обеспечивают получение глубоких тонких отверстий в твёрдых и хрупких материалах.
В алмазе под действием заряженной частицы происходит световая вспышка и возникает импульс тока. Эти свойства позволяют использовать алмазы в качестве детекторов ядерного излучения. Свечение алмазов и возникновение импульсов электрического тока при облучении позволяет применять их в счётчиках быстрых частиц. Алмаз в качестве такого счётчика обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с газовыми и другими кристаллическими приборами.
В России после открытия якутских месторождений была создана алмазодобывающая промышленность [8]. В значительных масштабах у нас производятся и синтетические алмазы. В настоящее время они находят всё большее применение в разных отраслях хозяйства [4, 37].
Синтезированные алмазы не являются аналогами природных [37]. Это означает, что в лабораторных условиях ещё не разработан способ синтеза алмазов аналогичный тому, который реализуется в природе.
Синтез искусственных алмазов был впервые осуществлен в 1953 г. в Швеции и США, и в 1959 г. в СССР. Однако получаемые в те времена кристаллы алмаза могли быть использованы лишь в качестве абразивного материала, поскольку размеры отдельных кристаллов не превышали 0,8 мм и имели невысокую механическую прочность. Синтез крупных монокристаллов алмаза, который был реализован много позднее, сопряжен с большими сложностями технического и экономического характера. В этом отношении наиболее перспективной для технического применения является шаровидная (диаметром 6-7 мм) лучисто-радиальная форма алмаза или баллас, которая обладает прочностью даже более высокой, чем монокристаллы алмаза и наиболее проста в получении [4, 37]. Вследствие этого основные усилия научного коллектива были направлены на синтез этой модификации, которая и была в 1963 г. впервые в мире получена на кафедре физики и химии высоких давлений.
Испытание синтетических балласов в буровой технике показало их высокую эффективность при проходке скважин в разнообразных грунтах, но особенно широко синтетический баллас применяется сейчас для изготовления волок в производстве проволоки.
Наряду с отработкой методов синтеза алмазов проводятся исследования физико-химических свойств получаемых веществ и изучение механизма их синтеза. Последняя проблема представляет наибольший научный интерес.
В настоящее время существует три основных варианта рассмотрения механизма образования алмаза - наиболее простой, описывающий кристаллизацию алмаза из расплава графита в РТ области стабильности алмаза (> 100 кбар ~ 2000єС) и два дискуссионных варианта - кристаллизация алмаза из раствора графита в металле - «катализаторе» и фазовый переход графита в алмаз в твёрдой фазе в присутствии металлов - «катализаторов». Оба последних процесса протекают в более мягких условиях (40-60 кбар, 1400-1600єС) по сравнению с «прямым» фазовым переходом. Исследования механизма алмазообразования по дискуссионным вариантам, проведенные на кафедре, показали их равновероятность. Реализация на практике того или иного механизма будет определяться природой углеродсодержащего сырья (например, его склонностью к графитизации), или природой металла катализатора, например, способностью к карбидообразованию и устойчивостью карбидных форм в РТ области синтеза алмаза или какими-либо другими причинами.
Первые оценки условий превращения графита в алмаз, сделанные О.И. Лейпунским (1948), показали, что такой переход возможен при давлении Р= 6 ГПа и температуре Т=2300єК. В настоящее время алмазы синтезируются с применением различных технологий, определяемых фазовой диаграммой углерода в координатах давление - температура (Р-Т) в области термодинамической устойчивости алмаза при Р>4ГПа, T>1270єК; в метастабильных для алмаза условиях при Р от 1 до 100 ГПа и Т от 870 до 1070єК. В первом случае синтез происходит в конденсированной фазе (давления либо статические, либо динамические). Во втором случае образование алмазов происходит в результате конденсации углерода из газовой фазы [74].
Таким образом, благодаря уникальным свойствам, и, прежде всего, необычайной твёрдости и устойчивости к изнашиванию, природные и искусственные алмазы находят широкое применение в современных технологиях и механизмах. Но наиболее известным и популярным остаётся использование природных алмазов для изготовления бриллиантов и ювелирных украшений. Алмазы по-прежнему остаются наиболее покупаемыми ювелирными камнями. В последние годы Россия удерживает рекордные позиции по добыче алмазов (Приложение 5). Только в 2006 г. Россия экспортировала алмазов на сумму 1,7 млрд. долларов, из них 78% - в страны Евросоюза [69].
Сейчас уже хорошо известно, что алмаз представляет собой модификацию углерода высокого давления. Технические алмазы сейчас получают при огромных давлениях (40-60 тысяч атмосфер) и температурах, т.е. при условиях, близких к природному процессу формирования алмазов с точки зрения мантийной теории происхождения алмазов.
Однако, в ходе исследования нам удалось выяснить, что мантийная теория не является основной в научных взглядах на проблему происхождения алмазов. Более того, описаны факты и процессы, которые противоречат основным положениям этой теории. На сегодняшний день не существует ни одной гипотезы, которая бы в полной мере и научно достоверно описала процесс природного образования алмазов.
В то же время, все физико-химические свойства алмазов подробно изучены и описаны в научной литературе. Уникальные свойства алмазов позволяют использовать эти минералы в различных отраслях хозяйства. Самые чистые и крупные алмазы имеют большую ювелирную ценность.
2. Ресурсы и добыча алмазов.
2.1. Из истории открытия алмазных месторождений.
История находок алмазных месторождений очерчивает небольшие территории, расположенные в пределах древних докембрийских платформ. Своими алмазными месторождениями в разные годы были известны Индия (Голконда), Южная Африка, Бразилия, Австралия, Якутия и север европейской части России.
Когда именно начали добывать алмазы в Голконде - точно неизвестно. Первая в истории алмазная лихорадка имела колоссальные масштабы, правда, находилась под жёстким контролем местных правителей. К XVI в. индийские месторождения, разрабатываемые около 2 тыс. лет, истощились. В Индии были найдены крупные алмазы, получившие мировую известность - «Шах», «Кохинур», «Регент», «Орлов», «Дерианур», «Санси», «Хоуп», «Флорентиец», «Зелёный Дрезденский» [14, 29].
Второй после Индии страной, где были открыты месторождения алмазов, стала в XVIII в. Бразилия, находившаяся тогда под властью португальских колонизаторов. В местах находок первых камней велась активная разведка, а в 1730 г. богатый алмазоносный район Серру-ду-Фриу был объявлен собственностью португальской королевы. По соседству старатели основали поселение, в дальнейшем известное как Диамантино (Алмазное). За пользование алмазоносной землёй была введена высокая арендная плата, добыча камней облагалась налогом. В 1772 г. все бразильские месторождения объявили государственными. В 1822 г., когда страна обрела независимость, алмазные копи и рудники отдали в руки частных владельцев [29].
Открытие бразильских месторождений развенчало миф об уникальности индийских алмазов и побудило учёных заняться геологическими поисками в других странах. Например, известный естествоиспытатель Александр фон Гумбольдт в 1829 г. предпринял путешествие по Уралу и Алтаю. Он был уверен, что сумеет найти в России алмазы, так как, по его мнению, золото- и платиноносные россыпи Урала имели большое геологическое сходство с бразильскими. Хотя ему не удалось осуществить свои планы, 3 алмаза на Урале всё же были найдены в том же году. В следующем году на Урале обнаружили ещё 26 камней, которые вместе весили всего чуть более 14 каратов. Однако открытие крупных уральских месторождений алмазов так и не состоялось.
Как ни старались учёные умы предсказать возможные места залегания алмазов, новые крупные месторождения открывались всё так же случайно. Не стала исключением и Южная Африка. В 1867 г. некто Джон О'Релли, торговец и охотник, во время очередного путешествия обнаружил алмаз весом в 22,5 карата. Вскоре было открыто самое богатое алмазами место на Земле - в долине р. Оранжевой. Затем был обнаружен знаменитый алмаз «Звезда Южной Африки» весом 83,5 карата, по чистоте и блеску не уступавшая индийским камням. Находки следовали одна за другой.
В 1869 г. партии старателей отправились по унылым степям к р. Вааль, впадающей в Оранжевую. Алмазы находили среди гальки, выброшенной волнами на берег. Вскоре на открытой равнине, находящейся на значительном расстоянии от реки, были открыты кимберлитовые алмазоносные трубки - основной коренной источник алмазов на Земле. Своё название они получили за характерную форму и по наименованию одной из копей в местечке Кимберли. Название другой копи - «Олд-де-Бирс» - тоже стало знаменитым: сейчас имя «Де Бирс» носит международная корпорация, контролирующая практически всю мировую добычу алмазов [13]. Но в 60-70-х гг. XIX в. монополии ещё не существовало, и строго соблюдались английские колониальные законы и права, одним из которых было право частной собственности. Независимые старатели столбили участки или перекупали их, внося правительству ничтожную арендную плату (2,5 доллара в месяц за участок) [29, 47].
В те времена рабочая шахта напоминала большой колодец, стенки которого, как паутиной, были опутаны бесчисленными белыми нитями - отполированными от постоянного использования железными тросами. По ним со дна копи поднимали наверх вёдра с глиной. После её разборки или промывки добытые алмазы тут же сбывали скупщикам. По мере углубления шахт, особенно когда они превышали 25-метровую отметку, часто случались затопления и обвалы, что сильно усложняло дальнейшую работу. А некоторые участки на несколько месяцев становились вообще недоступными.
Общий доход с приисков был колоссальным, и это пробудило интерес в финансовых кругах. Наступало время крупных объединений. В 1880 г. два британца, Сесил Роде и Чарлз Радд, скупили участки старателей вблизи фермы Де Бирс и основали компанию «De Beers Mining Company» (Горнорудная компания «Де Бирс»). К 1888 г. основные алмазные копи Южной Африки, дававшие 90% мировой добычи, были скуплены Родсом на деньги финансового дома Ротшильдов и объединены. В 1929 г. директором «Де Бирс» стал энергичный предприниматель Эрнст Оппенгеймер. Ему удалось упрочить положение «Де Бирс» как алмазной монополии и стать настоящим «алмазным королём» От него компания перешла к сыновьям, а затем и к внукам. «Де Бирс» всегда была первой там, где открывались новые богатые месторождения алмазов, под чьим бы экономическим и юридическим контролем они ни находились [13].
Поиски новых месторождений алмазов в XX в. проводили профессиональные геологи. В 1949 г. были открыты промышленные россыпи алмазов, а в 1954 г. - первая алмазоносная кимберлитовая трубка «Зарница» в Якутии [1, 44, 63]. «Де Бирс» начала контролировать якутские месторождения с 1959 г., когда заключила с советским правительством первое соглашение о поставке алмазов. Якутские кимберлитовые трубки отличаются весьма высоким содержанием алмазов в руде и большой долей ювелирных (высококачественных) кристаллов. Благодаря им Россия занимает одно из ведущих мест в мировой добыче алмазов [18, 27].
На основе геологического прогноза в 1978 г. в Австралии на базе открытых в XIX в. алмазных россыпей были обнаружены богатые коренные месторождения - алмазосодержащие лампроитовые трубки. Эта находка имела огромное значение для экономики страны [29].
В истории поисков, открытия и разработки месторождений алмазов в России можно выделить два основных периода. Первый охватывает весь XIX и начало XX в. В то время старатели искали преимущественно алмазоносные россыпи и полагались при этом не на научные знания, а на собственный опыт или просто на удачу [1]. (В Индии, Бразилии и в других регионах самые ранние находки алмазов также связаны с россыпями.)
Первый алмаз на территории России был обнаружен 5 июля 1829 г. на золотых приисках, расположенных вблизи Бизертского завода в Пермской области. Однако планомерные поиски этого драгоценного камня в нашей стране начались только в 1937 г. К сожалению, итогом широкомасштабных работ, проведённых на Среднем Урале, стало открытие лишь небольших, очень бедных алмазоносных россыпей. Поиски пришлось прекратить.
Второй этап начался в первой половине XX в., и в основе его лежал совершенно иной подход - научный прогноз. Использование нового метода принесло блестящие результаты: в 1954-1955 гг. была открыта одна из крупнейших в мире Якутская алмазоносная провинция, а спустя 20 лет - Архангельская провинция, масштабы которой, возможно, превзойдут в будущем все известные в мире алмазоносные территории [2, 11, 16].
В 40-е гг. перед геологической службой страны стояла задача найти богатые месторождения алмазов. В те годы в Советском Союзе ещё не были известны коренные месторождения алмазов, учёные провели сравнительный анализ геологических особенностей алмазоносных районов Южной Африки с близкими по строению областями СССР.
Геологи установили, что наибольшее сходство с Южной Африкой имеет территория Сибирской платформы между реками Енисеем и Леной. Тогда же на севере этого района были обнаружены горные породы, которые по составу и строению очень напоминают алмазоносные кимберлиты Южной Африки. Прежде в юго-западной части Сибирской платформы, на территории Енисейского кряжа, случались единичные находки алмазов, например в бассейне р. Большой Пит в 1898 г. Однако обнаружить здесь алмазы вторично удалось только в 1937 г. Всё свидетельствовало о том, что более перспективными могут оказаться районы, расположенные севернее и северо-восточнее Енисейского кряжа.
