Новая физическая характеристика кристалла

Установлено, что среда кристаллизации при росте или растворении кристаллов проявляет особые динамические характеристики, структурируется и поддерживает стационарные режимы процессов при стабильных внешних условиях. Естественно предположить, что некоторые динамические свойства должны проявляться не только у среды кристаллизации, но и у кристаллов. Хотя при переходе к равновесию динамические свойства исчезают, некоторые последствия такого процесса сохраняются, в частности в форме кристалла.

Проблема происхождения кривогранных кристаллов алмаза уральского (бразильского) типа широко известна в минералогии. Первое кристаллографическое описание с помощью многогранников формы округлых кристаллов россыпных алмазов уральского (бразильского) типа как форм растворения было сделано А. Е. Ферсманом (1955). Фундаментальные исследования И. И. Шафра-новского (1953) и А. А. Кухаренко (1955), выполненные в духе той же идеи, составили важный вклад в изучение округлых алмазов. В частности, ими адаптирован метод компликации плоских форм, слагающих криволинейную поверхность кристалла алмаза уральского типа.

Для объяснения генезиса криволинейных поверхностей кристаллов первично в неравновесных условиях растворения нами предложена новая кристаллофизическая характеристика, отражающая динамику процесса взаимодействия активной среды и кристалла, названная тензором устойчивости химических связей на поверхности кристалла. Очевидно, что в термодинамических неравновесных условиях концентрационное поле растворяющей среды, окружающее кристалл, через плотность потока диффузии определяет поток вещества, стекающий с кристалла. Связь между векторами потока диффузии в среде и нормального потока растворения с кристалла можно осуществить с помощью тензора устойчивости, который является полевым симметричным полярным тензором второго ранга с максимально шестью независимыми компонентами. Тензор реализуется только на поверхности кристалла. В безразмерных компонентах тензора устойчивости отражается различие в энергии связей между атомами, находящимися внутри кристалла и на поверхности, ориентированной определенным образом по отношению к кристаллической структуре. Форму кристалла можно

Обобщенная гномоническая проекция рефлексов пяти криволинейных простых форм растворения кристалла алмаза на фоне сетки Хилтона. Рефлексы отражают поверхности кристалла алмаза в пределах телесного угла 4п/6 стерадиан вокруг оси четвертого порядка. Насыщенным цветом выделены фундаментальные (базовые) поверхности: 1 — плоскость (октаэдр), 2, 3 — эллиптические цилиндр и конус, 4 — I типа, 5 — редко встречающийся эллипсоид II типа

отождествить с характеристической поверхностью тензора устойчивости, и, следовательно, криволинейные грани растворяющегося или растущего кристалла должны описываться поверхностями второго порядка.

Исследования морфологии округлых кристаллов алмаза Бразилии, Якутии и Урала, проведенные нами с помощью параболического гониометра, показали, что, действительно, поверхности второго порядка хорошо аппроксимируют форму кристалла. Встречаются четыре типа таких поверхностей: параллельные плоскости, эллиптический цилиндр, эллиптический конус и трехосный эллипсоид. Под воздействием симметрии структуры кристалла одна поверхность второго порядка размножается в несколько симметрично тождественных элементарных поверхностей. Смена типов поверхностей второго порядка и их параметры определяют стадию растворения. Наиболее часто встречающимся типом поверхности алмаза является эллипсоид, отражающий форму додекаэдроида алмаза уральского типа. Для описания морфологии такого кристалла, растворяющегося в изотропных условиях, достаточно знать группу внешней симметрии кристалла и три параметра, характеризующих элементарную криволинейную поверхность эллипсоида.

По формам кристаллов алмаза из коллекций Бразилии, Якутии и Урала проведен статистический анализ элементарных поверхностей. На алмазах из бразильской коллекции было установлено, что округлые поверхности кристаллов, добытых из россыпей различного возраста и с разной геологической обстановкой, в целом хорошо описываются логарифмически нормальным законом распределения всех обобщенных параметров эллипсоида. На основе статистических расчетов по модели этого закона распределения, выполненные по россыпным округлым алмазам уральского-бразильского типа из названных выше регионов, а также по округлым алмазам из трубки Интернациональной (Якутия), были составлены диаграммы формы алмазов. Так, в выборку 1 вошли 57 бразильских россыпных алмазов, группу 2 составили 103 кристалла из двух россыпей Якутии, выборка 3 объединяет 23 кристалла из двух месторождений Урала, в группу 4 вошли 16 округлых алмазов из кимберлитовых жил, секущих трубку Интернациональную (Якутия). Неболь шое по площади поле 2 россыпных алмазов Якутии, построенное по алмазам из двух россыпей, расположенных в 500 км друг от друга, указывает на сходные условия образования форм растворения. Небольшая площадь поля свидетельствует о том, что первичный процесс растворения алмазов из обеих россыпей характеризуется малыми коэффициентами вариации, что говорит о длительности и стационарности данного процесса, имеющего, вероятно, глобальный масштаб в Якутской алмазоносной провинции. Поле бразильских алмазов, наоборот, иллюстрирует широкие вариации

Диаграммы формы алмазов. Поля образованы математическим ожиданием и среднеквадратичным отклонением логарифмически нормальных распределений параметров формы алмазов, рассчитанных по гониометрических данным алмазов в совокупностях бразильских (1), якутских (2) и уральских (3) россыпных алмазов и жильных кристаллов из трубки Интернациональная (4)

форм кристаллов, добытых в двух соседних штатах, что может быть связано как с нестационарными условиями растворения, так и с разнообразием геологических обстановок при растворении кристаллов в различных источниках. При этом растворение якутских алмазов, очевидно, происходило в существенно иных условиях по сравнению с бразильскими, которые обрели другую округлую форму. Небольшая выборка уральских алмазов размещается на одной линии тренда между якутскими и бразильскими россыпными алмазами и компактна на диаграмме формы в той же мере, как совокупность якутских алмазов. Алмазы из кимберлитовых жил трубки Интернациональной выбиваются из общего тренда россыпных алмазов на обеих диаграммах. По ряду признаков рефлексы кимберлитовых алмазов обусловлены в основном последним завершающим этапом растворения регенерационного рельефа, который, в свою очередь, сформировался на округлых первичных формах растворения алма- за. В результате кривогранные кристаллы алмаза округлого облика из кимберлитовых жил приобрели сложную неровную поверхность иного типа, которая, возможно, образовалась в условиях термодинамической стабильности структуры графита.

Тензор устойчивости может быть применен и для роста кристалла, в первую очередь для нормального роста. Подобным тензором можно описать процесс наиболее распространенного в природе дислокационного роста грани. И, наконец, плоская грань равновесной формы кристалла может быть интерпретирована как предельный случай, к которому стремится характеристическая поверхность тензора устойчивости при движении системы кристалл—среда к термодинамическому равновесию.