PHYSICOCHEMICAL ASPECTS OF MACRO-, MICRO- AND NANO-SIZED DIAMOND FORMATION IN NATURE

С.К. Симаков

Abstract


Three main types of diamond formation in natural processes are known. The first one is the mantle type associated with kimberlites and corresponding to macro-size diamonds. Their dimensions are from 1 mm to several centimeters. The second one is the metamorphic type associated with metamorphic rocks and corresponding to micro-size diamonds. Their dimensions are from 1 to several hundreds microns. The third one is the interstellar type associated with meteorites and corresponding to nano-size diamonds. Their dimensions are less than 100 nm. In nature, diamonds can be formed within a wide range of pressures and temperatures corresponding to diamond stability as well as graphite stability. Their sizes increase with increases in pressure and temperature. The common feature of all diamond types is the presence of nitrogen. Introduction of nitrogen atoms to diamond structure leads to the stabilization of micro- and nano-sized diamonds in the field of graphite stability.

Keywords


diamond, nanodiamonds, kimberlites, meteorites, Earth mantle, fluids, organics.

References


Гаврилов Е.Я., Кулибакина И.Б., Старосельский В.И., Арефьев О.А. Изопренаны и изотопный состав углерода – геохимические показатели генетической природы нефтей // Геология нефти и газа. – 1990. – № 2. – С. 32–34.

Галимов Э.М. Вариации изотопного состава алмазов и их связь с условиями образования // Геохимия. – 1984. – № 8. – C. 1091– 1117.

Галимов Э.М. Изотопы углерода в нефтегазовой геологии. – М. : Недра, 1973. – 384 с.

Галимов Э.М., Прохоров В.С., Федосеев Д.В., Варнин В.П. Гетерогенные изотопные эффекты по углероду при синтезе графита и алмаза из газа // Геохимия. – 1973. – № 3. – С. 416–425.

Дубинчук В.Т., Коченов А.В., Пеньков В.Ф., Сидоренко Г.А., Успенский В.А. О новообразованиях в органическом веществе осадочных пород под воздействием радиоактивного излучения // Докл. АН СССР. – 1976. – Т. 231. – С. 973–976.

Ковалевский В.В. Природные карбиды в шунгитовых породах // ХХI съезд минералогического общества. Тезисы. – СПб., 2010.

Лаврова Л.Д., Печников В.А., Плешаков А.М., Надеждина Е.Д., Щуколюков Ю.А. Новый генетический тип алмазных месторождений. – М. : Научный мир, 1999. – 221 с.

Неручев С.Г., Рогозина Е.А. Геохимические основы прогноза нефтегазоносности. Курс лекций для молодых специалистов. – 2010. – 279 c.

Новгородова М.И., Юсупов Р.Г., Дмитриева М.Т. Кубический карбид кремния в срастании с графитом и алмазом из мумие // Докл. АН CCCP. – 1984. – T. 277. – C. 1222–1227.

Орлов Ю.Л. Минералогия алмаза. – М. : Наука, 1984. – 170 с. 262

Розен О.М., Зорин Ю.М., Заячковский А.А. Обнаружение алмаза в связи с эклогитами в докембрии Кокчетавского массива // Докл. АН СССР. – 1972. – Т. 203. – С. 674–676.

Руденко А.П., Кулакова И.И., Скворцова В.А. Химический синтез алмаза. Аспекты общей теории // Успехи химии. – 1993. – Т. 62. – С. 99–117.

Симаков С.К. Образование алмазов различной размерности в природных процессах // Доклады Академии наук. – 2014. (Принято к печати.)

Симаков С.К. Наноалмазы в нефти и её отходах: новый аспект утилизации // Биосфера. – 2012. – Т. 4. – С. 463–467.

Симаков С.К. Образование наноалмазов в природных процессах при низких Р–Т параметрах из флюидных систем // Доклады Академии наук. – 2011. – Т. 436. – С. 390–393.

Симаков С.К. Физико-химические условия образования алмазоносных парагенезисов эклогитов в породах верхней мантии и земной коры. – М., 2003. – 190 с.

Симаков С.К., Дубинчук В.Т., Новиков М.П., Дроздова И.А. Образование алмаза из углеродсодержащего флюида при Р–Т параметрах, соответствующих земной коре // Доклады Академии наук. – 2008. – Т. 421. – C. 98–100.

Федосеев Д.В., Дерягин Б.В., Варшавская И.Г., Семенова-Тян-Шанская А.С. Кристаллизация алмаза. – М. : Наука, 1984. – 134 с.

Федосеев Д.В., Галимов Э.М., Варнин В.П., Прохоров В.С., Дерягин Б.В. Фракционирование изотопов углерода в процессе физико-химического синтеза алмаза // Доклады Академии наук. – 1971. – Т. 201. – С. 1149–1151.

Чайковский Э.Ф., Розенберг Г.Х. Фазовая диаграмма углерода и возможность по- лучения алмаза при низких давлениях // Доклады Академии наук. – 1984. – Т. 279. – С. 1372– 1375.

Шумилова Т.Г. Способ поисков алмазов некимберлитового типа // Патент РФ № 2087012. 1997.

Шумилова Т.Г. Минералогия самородного углерода. – Екатеринбург, 2003. – 315 с.

Япаскурт О.В. Аспекты теории постседиментационного литогенеза // Литосфера. – 2005. – № 3. – С. 3–30.

Akashi M., Kanda H., Yamaoka S. High pressure synthesis of diamond in the system of graphite-sulfate and graphite-hydroxide // Jap. J. Appl. Phys. – 1990. – Vol. 29. – P. L1172–1174.

Alexander C.M. O’D., Russell S.S., Arden J.W., Ash R.D., Grady M.M., Pillinger C.T. The origin of chondritic macromolecular organic matter: A carbon and nitrogen isotope study // Meteoritics Planet. Sci. – 1998. – Vol. 33. – P. 603–622.

Anders E.A., Zinner E. Interstellar grains in primitive meteorites: Diamond, silicon carbide, and graphite // Meteoritics. – 1993. – Vol. 28. – P. 490–514.

Antal M.J.Jr., Brittain A., DeAlmeida C., Ramayya S., Roy J.C. Heterolysis and homolysis in supercritical water // Amer. Chem. Soc. Symp. Ser. – 1987. – Vol. 329. – P. 77–86.

Arima M., Inoue M. High pressure experimental study on growth and resorption of diamond in kimberlite melt. VIth Intern. Kimb. Conf. Extended Abstracts. – Novosibirsk, 1995. – P. 8–10.

Badziag P., Verwoerd W.S., Ellis W.P., Greimer N.R. Nanometer-sized diamonds are more stable than graphite // Nature. – 1990. – Vol. 343. – P. 244–245.

Bauschlicher C.W., Liu Y.Jr., Ricca A., Mattioda A.L., Allamandola L.J. Electronic and vibration spectroscopy of diamondois and the interstellar infrared bands between 3.35 and 3.55 m // Astrophys. J. – 2007. – Vol. 671. – P. 458– 469.

Bundy F.R. The P-T Phase and relation diagram for C elemental carbon // J. Geophys. Res. – 1980. – Vol. 85. – P. 6930–6936.

Bundy F.R., Bovenkerk H.P., Strong H.M., Wentorf R.H.Jr. Diamond-graphite equilibrium line from growth and graphitization of diamond // J. Chem. Phys. – 1961. – Vol. 35. – P. 383–391.

Busigny V., Bebout G.E. Nitrogen in the silicate Earth: speciation and isotopic behavior during mineral-fluid interactions // Elements. – 2013. – Vol. 9. – P. 353–358.

Capelli M.A. Apparatus and method for synthesizing diamond in supercritical water: US Patent 5417953A, 1995.

Cartigny P. Stable isotopes and the origin of diamond // Elements. – 2005. – Vol. 1. – P. 79– 84.

Cartigny P., De Corte K., Shatsky V.S., Ader M., De Paepe P., Sobolev N.V., Javoy M. The origin and formation of metanorphic microdiamonds from the Kokchetav massif, Kazakhstan: a nitrogen and carbon isotopic study // Chem. Geol. – 2001. – Vol. 176. – P. 265– 281.

Dahl J.E., Liu S.G., Carlson R.M.K. Isolation and structure of higher diamondoids, nanometer-sized diamond molecules // Science. – 2003. – Vol. 299. – P. 96–99.

De Corte K., Cartigny P., Shatsky V.S., De Paepe P., Sobolev M.V., Jovay M. Characteristics of microdiamond from UHPM rocks of the Kokchetav massif (Kazakhstan) // Proc. 7th Intern. Kimberlite Conf. – 1999. – Vol. 1. – P. 174–182.

Dobrzhinetskaya L.F., Eide E.A., Larsen R.B., Sturt B.A., Tronnes R.G., Smith D.C., Taylor W.R., Posukhova T.V. Microdiamonds in high-grade metamorphic rocks of the Western Gneiss region, Norway // Geology. – 1995. – Vol. 23. – P. 597–600.

Gamarnik M.Y. Energetical preference of diamond nanoparticles // Phys. Rev. B: Condensed Matter. – 1996. – Vol. 54. – P. 2150–2156.

Gurney J.J., Helmstaedt H.H. Type IIa diamonds and their enhanced economic significance // Proc. 10th Intern. Kimb. Conf. – Bangalore, India, 2012. – Long Abstract No 123.

Haggerty S.E. Diamond in a multyconstrained model // Nature. – 1986. – Vol. 320. – P. 34–38.

Harris J.W. Diamond geology // Field J.E. (Ed.) The Properties of Natural and Synthetic Diamond. – London : Acad. Press, 1992. – P. 345–393.

Hirano S., Shimono K., Naka S. Diamond formation from glassy carbon under high pressure and temperature conditions // J. Mater. Sci. – 1982. – Vol. 17. – P. 1856–1862.

Hong S.M., Akashi M., Yamaoka S. Nucleation of diamond in the system of carbon and water under very high pressure and temperature // J. Cryst. Growth. – 1999. – Vol. 200. – P. 326–328.

Jiang Q., Li J.C., Wilde G. The size dependence of the diamond-graphite transition // J. Phys: Condensed Matter. – 2000. – Vol. 12. – P. 5623–5627.

Kirkley M.B., Gurney J.J., Otter, M.L., Hill S.J., Daniels L.R. The application of C isotope measurements to the identification of the sources of C in diamonds – a review // Appl. Geochem. – 1991. – Vol. 6. – P. 477–494.

Kouchi A., Nakano H., Kimura1 Y., Kaito C. Novel routes for diamond formation in interstellar ices and meteoritic parent bodies // Astrophys. J. – 2005. – Vol. 626. – P. L129–L132.

Kumar M.D.S., Akashi M., Yamaoka S. Formation of diamond from supercritical H2O + CO2 fluid at high pressure and temperature // J. Cryst. Growth. – 2000. – Vol. 213. – P. 326–328.

Larsen R.B., Eide E.A., Burke E.A.J. Evolution of metamorphic volatile during exhumation of microdiamond-bearing granulites in the Western Gneiss Region, Norway // Contrib. Mineral. Petrol. – 1988. – Vol. 133. – P. 106–121.

Lewis R.S., Ming T., Wacker J.F., Anders E., Steel E. Interstella diamonds in meteorites // Nature. – 1987. – Vol. 326. – Р. 160–162.

Manuella F.C. Can nanodiamonds grow in serpentinite-hosted hydrothermal systems? A theoretical modelling study // Mineral. Magaz. – 2013. – Vol. 77. – P. 3163–3174. 263

Moore A.E. Type II diamonds: Flamboyant Megacrysts? // South Afr. J. Geol. – 2009. – Vol. 112. – P. 23–38.

Nakano H., Kouchi A., Arakawa M., Kimura Y., Kaito C., Ohno H., Hondoh T. Alteration of interstellar organic materials in meteorites’ parent bodies: a novel route in diamond formation // Proc. Jap. Acad. Ser. B. – 2002. – Vol. 78. – P. 277–281.

Newton J., Bischoff A., Arden J.W. Geiger T., Pillinger C.T. Acfer 094, a uniquely primitive carbonaceous chondrite from the Sahara // Meteoritics. – 1995. – Vol. 30. – P. 47–56.

Okay A.I. Petrology of diamond and coesitbearing metamorphic terrain Dablie Shan, China // Eur. J. Mineral. – 1993. – Vol. 5. – P. 659–675.

Onodera A., Irie Y., Higashi K., Umemura J., Takenaka T. Graphitisation of amoprphous carbon at high pressures to 15 GPA // J. Appl. Phys. – 1991. – Vol. 64. – P. 2611–2614.

Pal’yanov Yu.N., Sokol A.G., Borzdov Yu.M., Khokhryakov A.F., Sobolev N.V. Diamond formation from mantle carbonate fluids // Nature. – 1999. – Vol. 400. – P. 417–418.

Pechnikov V.A., Kaminsky F.V. Diamond potential of metamorphic rocks in the Kokchetav Massif, northern Kazakhstan // Eur. J. Mineral. – 2008. – Vol. 20. – P. 395–413.

Russel S.S., Arden J., Pillinger T. A carbon and nitrogen isotope study of diamond from primitive chondrites // Meteor. Plan. Sci. – 1996. – Vol. 31. – P. 343–355.

Sato K. and Katsura T. Sulfur: a new solvent-catalyst for diamond synthesis under highpressure and high-temperature conditions // J. Cryst. Growth. – 2001. – Vol. 223. – P. 189– 194. 264

Schertl H.P., Sobolev N.V. The Kokchetav Massif, Kazakhstan: ‘‘Type locality’’ of diamond-bearing UHP metamorphic rocks // J. Asian Earth Sci. – 2013. – Vol. 63. – P. 5–38.

Shul’zenko A.A., Getman A.F. Verhafren zur synthese von diamanten // German Patent. № 2032103, 1971.

Simakov S.K. Metastable nanosized diamond formation from C-H-O fluid system // J. Mater. Res. – 2010a. – Vol. 25. – P. 2336–2340.

Simakov S.K. Perspectives of nanodiamond formation from the organic matter at low P-T parameters. Nature Precedings. – 2010b. – doi:10.1038/npre.2010.4924.1.

Simakov S.K. Garnet-clinopyroxene and clinopyroxene geothermobarometry of deep mantle and crust eclogites and peridotites // Lithos. – 2008. – Vol. 106. – P. 125–136.

Simakov S.K. Redox state of Earth’s upper mantle peridotites under the ancient cratons and its connection with diamond genesis // Geoch. Cosm. Acta. – 1998. – Vol. 62. – P. 1811–1820.

Sobolev N.V., Shatsky V.S. Diamond inclusions in garnets from metamorphic rocks; a new environment for diamond formation // Nature. – 1990. – Vol. 343. – P. 742–746.

Stachel T., Harris J.W. The origin of cratonic diamonds – Constraints from mineral inclusions // Ore Geol. Rev. – 2009. – Vol. 34. – P. 5–32.

Tielens A.G.G.M., Seab C.G., Hollenbach D.J., McKee C F. Shock processing of interstellar dust: Diamonds in the sky // Astroph. J. – 1987. – Vol. 319. – Р. L109–L113.

Wehley P.A., Tester J.W. Fundamental kinetics of methanol oxidation in supercritical water // Amer. Chem. Soc. Symp. Ser. – 1989. – Vol. 406. – P. 259–275.




DOI: http://dx.doi.org/10.24855/biosfera.v6i3.222

Refbacks

  • There are currently no refbacks.