- 1. Полосчатый узор двупреломления, отражающий зональное строение
- 2. Полосчатый узор двупреломления, связанный с плоскостями скольжения.
- 3. Радиально-лучистые и полигональные узоры двупреломления, связанные с дислокациями роста
- 4. Звездообразные узоры двупреломления, обусловленные неравномерным распределением примесей
- 5. Крестообразные узоры двупреломления, отражающие распределение по объему кристаллов субмикроскопических включений
- 6. Узор двупреломления в виде изоклин, вызванных объемными напряжениями
- 7 . Узоры двупреломления в виде фантомов
- 9. Узоры двупреломления, связанные с фигурами удара
- 10. Узоры двупреломления в алмазах типа
- Рис. 10. Поляризационный микроскоп.
- Рис. 11. Схема прохождения световых лучей
Лекция 14 аномальное двупреломление в кристаллах алмаза
 Скачать 0.64 Mb.
|
|
ЛЕКЦИЯ 14 АНОМАЛЬНОЕ ДВУПРЕЛОМЛЕНИЕ В КРИСТАЛЛАХ АЛМАЗА Алмаз является оптически изотропным минералом и не дает двойного преломления. При просмотре кристалла алмаза, свободного от напряжений, в поляризованном свете кристалл будет казаться темным. Но если какой-либо участок в кристалле имеет напряженное состояние, то при прохождении света через этот участок наблюдается картина, аналогическая двупреломлению (рис.1.а). При обнаружении типичного для двупреломления эффекта можно с уверенностью сказать, что этот кристалл содержит какое-то включение (даже если оно не было обнаружено с помощью обычного микроскопа). Основными причинами двупреломления алмаза являются зонально-секториальное распределение примесей и действия внешних динамических нагрузок. Сколы граней, ребер и вершин дают картину локальных напряжений. При наличии в кристаллах алмаза включений картина двупреломления носит сложный характер, в случае наличия сколов получается сочетание нескольких картин двупреломления. Первые описания характера двупреломления в кристаллах алмаза появились в конце XIX в. в работах Д.Браунса, А. Малляра и В.Крукса (1897). Браунс отмечал, что им наблюдался узор двупреломления в виде полос, ориентированных параллельно ребрам октаэдра. Он сделал вывод, что двупреломление в алмазах вызвано неравномерно распределяющимися внутренними напряжениями, которые, по его мнению, возникают в результате закалки кристаллов. В подтверждение этого он указывал на двупреломление в стеклах, подвергнутых закалке. Малляр высказал предложение, что напряжения в алмазах появляются в связи с полиморфным превращением. Позднее эта точка зрения была развита Г.Фриделем (1924). Он наблюдал внезапное изменение картины двупреломления при t=1885*С и на основании этого сделал вывод, что внутренние напряжения появляются в алмазах в связи с резким изменением объема во время перехода при этой температуре одной структурной модификации в другую. Дж.Сэттон (1928) и А. Ф. Вильямс (1932) считали, что внутренние напряжения обусловлены главным образом включениями посторонних минералов. А. А. Кухаренко (1955), объясняя возникновение напряжений в кристаллах алмаза, писал: «Внутреннее напряжение в алмазе является остаточным и унаследована от тех колоссальных давлений которые господствовали в породе в момент кристаллизации алмаза. В период своего образования алмаз находился в равновесии с термодинамическими условиями среды и, несомненно, был изотропным. Резкое уменьшение давления при перемещении кристаллов в верхние слои земной коры и обусловило возникновение в алмазе внутреннего напряжения, равнодействующая которого направлена от центра кристалла к его поверхности. Однако само по себе равномерное напряжение не вызывает анизотропии. Причиной, вызвавшей неравномерность напряжения, могли явиться включения, которые вследствие различия в сжимаемости вещества включения и алмаза являлись своего рода «барьерами», около которых возникли более интенсивные напряжения, проявляющиеся в анизотропии. Однако этот момент отвечает только некоторым частным случаям (например, акцентации двупреломления близ включения) и не может объяснить все своеобразие анизотропии алмаза. Возникновения сильной анизотропии и характерной полосчатости двупреломляющих полей обусловливается, по-видимому, полиморфным превращением алмаза как следствием той же общей причины – изменения физико-химических условий. В результате полиморфизма возникают микродвойниковые структуры, являющиеся типичными псевдоморфозами превращения». Таким образом А. А. Кухаренко присоединился к мнению Г. Фриделя и А. Малляра и развил их представления. А. Р. Ланг (1967), описывая аномальное двупреломление в алмазах, отметил, что появление напряжений в кристаллах алмаза обусловлено разного рода дефектами: дислокациями, изменением параметров решетки, включениями, внутренними трещинами, нарушениями, вызванными пластической деформацией. При просмотре кристаллов алмазов в поляризационном микроскопе при скрещенных николях наблюдаются очень разнообразные картины, которые принято называть узорами двупреломления. Характер узоров двупреломления описывался многими исследователями (Lindley, 1937; Raman, Rendal, 1944; Ramachandran, 1946; Кухаренко, 1955; Slawson, Denning, 1955; Бартошинский, Гневушев, 1958; Denning, 1961; Tolansky, 1966; Seal, 1966; Lang, 1967). Наиболее детально проявление двупреломления в кристаллах алмазов показано в специально посвященной этому вопросу работе А. В. Варшавского (1968). Изучение этого явления проводилось на пластинах, вырезанных в определенной ориентации, а также на целых кристаллах, что позволяло видеть общую картину двупреломления по всему их объему. Из всех работ предыдущих исследователей и полученных нами материалов можно сделать заключение, что аномальное двупреломление в кристаллах алмаза вызывается внутренними напряжениями, происхождение которых различно. Разнообразие узоров двупреломления обусловливается отличием внутреннего строения кристаллов, неодинаковым распределением в них дислокаций, включений, разного рода дефектов, связанных с пластической деформацией и механическими ударами. 1. Полосчатый узор двупреломления, отражающий зональное строение кристаллов. Кристаллы алмаза типа I часто имеют зональное строение по октаэдру. В этих кристаллах наблюдается полосчатый узор двупреломления. Наиболее отчетливо он виден в пластинках (шлифах), выпиленных через центральную часть кристаллов (рис.1). Часто зонально-пластинчатое строение в алмазах типа I проявляется только во внешних участках кристалла, и в этих случаях полосчатый узор виден только у края пластин.  Рис.1. Полосчатый узор двупреломления, отражающий зональное строение кристалла. Зоны в виде разной толщины полос выделяются более или менее четко из-за неодинаковой силы двупреломления в каждой из них. А. Р. Ланг (1967) считает, что в зонах и на их границах возникают различной величины напряжения из-за вариаций параметров решетки от примесей, содержание которых в разных зонах неодинаково. Полосчатые узоры двупреломления, отражающие зональное строение кристаллов алмаза, описаны в ряде работ (Lindley, 1937; Raman, Rendal, 1944; Ramachandran, 1946; Denning, 1961; Орлов, Афанасьева, 1964; Lang, 1967; Варшавский,1968). 2. Полосчатый узор двупреломления, связанный с плоскостями скольжения. Пластическая деформация в кристаллах алмаза происходит путем скольжения по плоскостям (111). В плоскостях скольжения возникают разного рода дефекты, которые создают напряжения, обусловливающие двупреломление (рис.2).  Рис. 2. Полосчатый узор двупреломления связанный с плоскостями скольжения. По сравнению со всеми другими случаями двупреломление у плоскостей скольжения проявляется наиболее отчетливо. В кристаллах, претерпевших пластическую деформацию, наблюдаются высокие интерференционные окраски. Если в кристалле имеются единичные плоскости скольжения, то хорошо видно, что яркая интерференционная окраска приурочена только к ним, и они четко выделяются на общем сером фоне. В алмазах, окрашенных в дымчато-коричневые и розово-фиолетовые цвета, всегда развито несколько систем плоскостей скольжения, пересекающихся друг с другом, поэтому в них высокие интерференционные окраски видны по всему объему. 3. Радиально-лучистые и полигональные узоры двупреломления, связанные с дислокациями роста. Как было показано при описании дефектов в структурах кристаллов алмаза, в некоторых из них развиты линейные дислокации, идущие из центра кристалла к поверхности граней в виде пучков лучей, расходящихся из одной точки в разные стороны. Этого типа дислокации обусловливают характерный радиально-лучистый узор двупреломления (рис.3).  Рис.3. Радиально-лучистый узор двупреломления. Иногда дислокации развиты в пределах какой-либо одной из пирамид роста граней (111). В этом случае наблюдается узор двупреломления в виде одного пучка лучей (рис.3). При рассмотрении кристалла со стороны грани, к которой направлен такой пучок дислокационных линий, у ее поверхности виден сложный полигональный узор двупреломления. Связь такого вида узоров двупреломления с линейными дислокациями роста, идущими в виде радиально-лучистых линий к поверхности граней кристалла, хорошо показана в работе А.Р. Ланга (1967). 4. Звездообразные узоры двупреломления, обусловленные неравномерным распределением примесей. В некоторых алмазах наблюдается узоры двупреломления, похожие на более или менее правильные звездообразные фигуры. Узоры этого вида выявляют пирамиды  Рис.4. Узор двупреломления в виде одного пучка лучей.  Рис.5. Звездообразные узоры двупреломления, отражающие распределение по объему кристаллов субмикроскопических включений. роста граней (100). Пирамиды роста, развиваясь из центра кристалла, постепенно расширяются и затем снова сужаются, образуя объемные шестилучевые звездообразные фигуры (рис.4). Формы этих фигур могут быть изменены (рис.5), характер их зависит от истории развития кристалла. Аналогичные фигуры наблюдаются в синтетических алмазах, причем установлено, что грани (111) и (100) по-разному активны к захвату тех или иных примесей, в связи с чем пирамиды роста, более насыщенные примесями, выделяются в узорах двупреломления. 5. Крестообразные узоры двупреломления, отражающие распределение по объему кристаллов субмикроскопических включений. В некоторых алмазах в поляризованном свете при скрещенных николях наблюдается просветление в центральной части кристалла. Просветленная зона напоминает по своей форме сложную крестообразную фигуру. Сиил (1965), изучая строение алмазов путем травления поверхности выпиленных из них пластин, выявил, что в некоторых кристаллах в центре обнаруживается крестообразные структурные узоры. Позднее он установил, что в центре кристалла находятся субмикроскопические включения, вызывающие напряжения (Seal, 1966) и связанное с ними двупреломление. Таким образом, появление объемных крестообразных фигур двупреломления в некоторых кристаллах связано с эпигенетическим образованием субмикроскопических включений, которые выделяются в алмазах в результате фазового распада уже после их кристаллизации. Такие включения, названные преципитатами, впервые были описаны в алмазе Шахом и Лангом (1963). 6. Узор двупреломления в виде изоклин, вызванных объемными напряжениями. Интерференционные фигуры в виде изоклин, очевидно, имеются во всех алмазах, но они могут маскироваться другими узорами двупреломления и сильно искажаться. Изоклины иногда сходятся в крест и расходятся в виде ясно выраженных дуг. Этого вида узоры двупреломления детально описаны З.Б.Бартошинским и М.А.Гневушевым (1958), а также А.В.Варшавским (1968). В некоторых кристаллах наблюдаются петлевидные (пятнистые) узоры анизотропии, как бы возникающие в результате сопряжения многочисленных изоклин, каждая из которых проявляется только в какой-то части кристалла (рис.6). Природа объемных напряжений, обусловливающих эти узоры двупреломления, объясняется по-разному. Так, А.А.Кухаренко (1955) считает, что они возникают внутри кристалла в результате резкого падения внешнего давления в среде после выноса алмазов с глубины, где внутреннее давление в кристалле было уравновешено с большим внешним давлением.  Рис.6. Петлевидные узоры анизотропии. А.В.Варшавский (1968) полагает, что в подавляющем большинстве случаев объемные напряжения представляют собой суммарную величину (совокупность) напряжений, вызванных зональным распределением примесей. Возникновение узоров двупреломления, создаваемых изоклинами, можно наблюдать на тех участках кристалла, где имеются следы механического удара, например у разбитых ребер и вершин. На этих участках сохраняются остаточные напряжения, возникающие после ударов в процессе механического дробления породы. 7  . Узоры двупреломления в виде фантомов. Внутри некоторых алмазов при скрещенных николях наблюдаются темные «фантомы» октаэдрической (рис.7), округлой, эллипсовидной и неправильной формы. Темные, т.е. изотропные, зоны в кристаллах могут появиться в случае, если в них существуют значительные напряжения, направленные в разные стороны. Например, в одном из октаэдрических кристаллов пришлифованными вершинами нами было установлено, что центральная часть кристалла испытывает сжатие, а внешняя – растяжение. Переходная зона между этими двумя участками, в которой напряжения практически равны нулю, изотропна и имеет характер фантома. Естественно, что «внешние формы» таких фантомов могут быть разнообразными.Рис.7. Узоры двупреломления в виде фантомов. А.В.Варшавским (1968) детально описаны фантомы, отражающие зональное строение кристаллов. Как уже указывалось, в алмазах типа I наблюдается зональное неравномерное распределение примеси азота. Вхождение азота, образующего дефекты в решетке алмаза, изменяет его параметры, поэтому в зонах с разным содержанием примеси азота возникают неодинаковые напряжения. В связи с этим в поляризованном свете обнаруживается зональное строение большинства алмазов типа I. При существенной разнице в двупреломлении отдельных зон в пластинках наблюдается полосчатый узор двупреломления, а в целых кристаллах могут появляться единичные или концентрически вписанные один в другой фантомы. 8. Узоры двупреломления, обусловленные включениями посторонних минералов. Узоры двупреломления, связанные с включениями посторонних минералов в алмазе, описаны многими исследователями. Они проявляются локально вокруг включений в виде темных и светлых пятен, часто образующих характерную крестообразную фигуру (рис.9 а, б, в).    (а) (б) (в) Рис.9. Узоры двупреломления, обусловленные включениями посторонних минералов. 9. Узоры двупреломления, связанные с фигурами удара. При большом увеличении на октаэдрических гранях кристаллов алмазов при скрещенных николях нередко бывают видны микроскопические крестообразные фигурки двупреломления, подобные наблюдаемым у включений. В этих местах всегда находятся повреждения в виде микроскопических трещинок. Морфология этих трещинок и характер связанных с ними фигурок двупреломления детально проиллюстрированы А.В.Варшавским (1968). Отметим, однако, что его мнение о возникновении их непосредственно в очаге кристаллизации при соударении алмазов с другими минералами нам кажется маловероятным. Эти удары могли иметь место во время механического дробления породы, при гравитационном обогащении в отсадочных машинах, при переносе кристаллов в аллювиальном потоке и т.п. 10. Узоры двупреломления в алмазах типа II. В алмазах типа II не обнаруживается зонального строения по октаэдру. При травлении поверхности пластин, вырезанных из этих алмазов, наблюдается ровно протравленное гомогенное поле, поэтому в них не проявляется полосчатого узора двупреломления, связанного с зональным строением по (111). В некоторых пластинах, выпиленных из алмазов типа II, наблюдается характерный для них узор двупреломления (рис.10), напоминающий микроклиновую решетку. Этот узор иногда называют «татами», так как он напоминает рисунок плетения японских соломенных ковриков, носящих это название. А.Р.Ланг (1967) полагает, что такого вида узор двупреломления обусловлен пластической деформацией; им установлено, что полосы узора «татами» секут зоны роста кристалла и направление их совпадает с направлением линий скольжения. Изучение кристаллов алмаза под микроскопом несколько затрудняется в связи с его высоким показателем преломления, поэтому исследование ведется с помощью поляризационного микроскопа. Поляризационный микроскоп (рис.10) отличается от обычного наличием поляризационной системы из двух призм Николя-поляризатора (нижнего николя) и анализатора (верхнего николя). Поляризатор предназначен для поляризации света, анализатор - для анализа явлений, происходящих при прохождении поляризованного света через исследуемое кристаллическое веществ. Призма Николя, или николь, изготовлена из прозрачного кристалла исландского шпата CаCО3, распиленного по диагонали и склеенного с помощью специальной смолы (канадского бальзама), показатель преломления которой N=1,54 (рис.11).  Рис. 10. Поляризационный микроскоп. 1 – оправа поляризатора, 2 – столик, 3 – окуляры, 4 – барашек для включения конденсатора, 5 – тубус, 6 – тубусодержатель, 7 – маховички грубой подачи, 8 – фонарь, 9 – ручка регулирования накала лампы, 10 – трансформатор, 11 – барабанчики микромеханизма, 12 – компенсационные пластинки, 13 – основание, 14 – объективы. Параллельный световой пучок, поступающий снизу в призму Николя, разделяется в ней в результате двупреломления на два поляризованных пучка, распространяющихся с различными скоростями. При этом показатель одного из пучков примерно равен показателю преломления канадского бальзама, поэтому свет беспрепятственно проходит через него. Показатель преломления второго пучка значительно выше; он претерпевает полное внутреннее отражение и отбрасывается к з  ачерненной оправке николя, где поглощается. Таким образом, из николя выходит лишь один поляризованный пучок света.Рис. 11. Схема прохождения световых лучей: а – через призму Николя, б – через поляризатор – кристалл – анализатор. Поляризатор и анализатор расположены в микроскопе таким образом, что плоскость световых колебаний, проходящих через анализатор, всегда находится под углом 90* к плоскости колебаний, прошедших через поляризатор, поэтому световые колебания, поступающие из нижнего николя-поляризатора, верхним николем-анализатором будут уничтожаться и поле зрения окажется полностью затемненным. Поляризованный свет, входящий в кристалл, может распадаться на две полностью поляризованные волны: обыкновенную и необыкновенную. Обыкновенная волна распространяется по всем направлениям внутри кристалла с одинаковой скоростью и характеризуется постоянным показателем преломления. Необыкновенная волна меняет фазовую скорость, проходя участки кристалла, отличающиеся физическими свойствами, и характеризуется поэтому различными показателями преломления. Для характеристики берется значения показателя преломления необыкновенной волны, минимально отличающееся от показателя преломления обыкновенной волны (вместо волн можно вести речь об обыкновенном и необыкновенном световых лучах). Выходя из кристалла, обыкновенный и необыкновенный лучи приобретают разность хода, величина которой определяет цвет интерференционной картины и порядок окраски. Характерной оптической константной кристалла является величина наибольшего двупреломления, или сила двупреломления (ng-np) где ng – наибольший показатель преломления; np-наименьший показатель преломления. Сила двупреломления (ng-np) связана линейной зависимостью с разностью хода лучей и толщиной пластины исследуемого кристалла: R=d (ng-np), где R-разность хода лучей; d-толщина пластины. Таким образом, алмаз является оптически изотропным минералом, но в них практически всегда обнаруживается двупреломление. Основными причинами оптической анизотропии алмаза являются: 1) зонально–секториальное распределение примеси; 2) действие внешних динамических нагрузок; 3) пластические деформации: сколы граней, ребер и вершин; 4) различные твердые включения. Напряженное состояние кристалла алмаза нужно учитывать при обработке алмаза в бриллиант. К примеру, напряжение очень сильно влияет на операцию распиливания алмазов. 80% камней с сильным напряжением при распиливании дают трещину, что ведет за собой понижение валютной эффективности. Литература
|