Импактные алмазы – новый вид высокотехнологичного сырья

В статье рассмотрены перспективы возобновления исследований импактных алмазов попигайского метеоритного кратера, прерванных в 1980-х годах.

Ключевые слова: импактные алмазы, высокотехнологичное сырье, Попигайский кратер

Импактные алмазы — новый вид высокотехнологичного сырья

Н.П. ПОХИЛЕНКО, академик РАН, директор. E-mail: director@igm.nsc.ru, В.П. АФАНАСЬЕВ, доктор геолого-минералогических наук, А.В. ТОЛСТОВ, доктор геолого-минералогических наук, Институт геологии и минералогии СО РАН им. В.С. Соболева, Новосибирск. E-mail: tols61@mail.ru, М.А. ЯГОЛЬНИЦЕР, кандидат экономических наук, Институт экономики и организации промышленного производства СО РАН, Новосибирск

Последние десятилетия ознаменовались выявлением ранее неизвестных в мировой практике генетических типов алмазосодержащих коренных пород. К их числу относятся и впервые установленные в начале 1970-х годов на севере Сибирской платформы импактиты, залегающие в пределах По-пигайской астроблемы (метеоритного кратера), на севере Красноярского края на границе с Якутией.

На планете Земля известно много астроблем, многие из них изучены, но единственный в мире Попигайский метеоритный кратер (диаметром около 100 км) является промышленным месторождением импактных алмазов. В других кратерах (Рис, Белиловская астроблема и ряд других) найдены аналогичные алмазы, но их количество таково, что они представляют собой чисто минералогический интерес. Наша страна - единственный обладатель гигантского месторождения импактных алмазов, а попигайские лонсдейлитсодержащие алмазы совершенно уникальны по свойствам.

Исторический экскурс

Импактные алмазы были обнаружены в пределах Попигай-ского метеоритного кратера в начале 1970-х годов сотрудниками ВСЕГЕИ под руководством профессора В.Л. Масайтиса. Масштабные поисково-разведочные работы на территории

ЭКО. - 2012. - №12

ПОХИЛЕНКО Н.П., АФАНАСЬЕВ В.П., ТОЛСТОВ А.В., ЯЕОЛЬНИЦЕР М.А.

кратера были проведены Полярной экспедицией Красноярского геологического территориального управления в 1970-1980-х годах. Было пробурено около 450 скважин глубиной до 1500 м, проведено массовое опробование пород кратера на алмазоносность, из крупных по объему проб были получены импактные алмазы для проведения технологических испытаний. От организаций АН СССР в разностороннем изучении Попигайской астроблемы в 1970-1990-е годы принимал участие сотрудник Института геологии и геофизики СО АН СССР (сейчас - Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, Новосибирск) С. Вишневский. Запасы по двум месторождениям - Ударное и Скальное, вместе занимающим не более 3% от площади кратера, были поставлены на баланс ГКЗ (7 и 140 млрд каратов, соответственно). Прогнозные ресурсы кратера в целом составляют многие триллионы каратов. Ресурсы импактных алмазов, содержащихся в коренных породах Попигайской структуры, более чем на порядок превышают таковые всех известных в мире алмазоносных провинций, здесь выявлены также и россыпи микро-поликристаллических алмазов.

Импактные алмазы образовались в результате столкновения крупного (около 7 км) метеорита с Землей. Со скоростью около 30 км/сек он врезался в кристаллические породы северо-восточной части Анабарского щита (арктическая часть северо-востока Красноярского края, рядом с северо-западной окраиной Республики Саха (Якутия), содержащие повышенные количества графита. При взрыве давления достигали 1,4 млн атмосфер, а температура - 4000оС. При этих параметрах, которые существовали около 1 секунды, зерна графита трансформировались в импактные алмазы.

Поисково-оценочные работы в 1970-1980-е годы показали отсутствие в его породах алмазов ювелирного качества. В связи с этим обстоятельством и крайней удаленностью объекта, сложной технологией обогащения пород, а также с решением руководства СССР о строительстве серии заводов по производству синтетических алмазов, работы на Попигай-ском кратере были остановлены. Полученные в те годы данные об особых технологических свойствах импактных алмазов, в частности, о значительно более высокой абразивной

способности (не путать с твердостью!) этого сырья в сравнении с синтетическими и кимберлитовыми техническими алмазами не были приняты во внимание. Тогда же были получены первые результаты сравнительных испытаний алмазного инструмента, изготовленного из импактных и синтетических алмазов, показавшие существенно более высокую эффективность инструментов на основе импактных алмазов. Этим определилось основное направление их технологического изучения.

В этот же период бурно развивалась промышленность по синтезу алмазов и уже были достигнуты большие успехи, стоимость синтетических алмазов была невысокой. Поэтому ВНИИАлмаз - куратор работ по изучению Попигайского кратера, а также технологических свойств его алмазов, в 1985 г. поставил на них крест в пользу строительства заводов по изготовлению синтетических алмазов. Все материалы изучения Попигайского кратера, как геологические, так и технологические и минералогические, под грифом «секретно» в 1985 г. были сданы в фонды. Ведомственные интересы решили судьбу дальнейшего изучения попигайских алмазов.

Но остались специалисты, которые сохранили знания о свойствах импактных алмазов, и после снятия грифа секретности у них появилась возможность возобновить их изучение. В распоряжении Института геологии и минералогии СО РАН оказалось небольшое количество импактных алмазов, достаточное для продолжения минералогических исследований. Но для проведения технологических испытаний, конечно, необходимо большее количество сырья.

Современный этап

С 2010 г. специалисты Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН начали новый этап изучения физических характеристик импактных алмазов с применением новейших методик. В первую очередь они обратились к коллегам из Института сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины (Киев) с просьбой провести оценку абразивной способности образцов из Попигайского кратера строго по техническим условиям методики стандарта ДСТУ 3292-95 «Порошки алмазные синтетические».

По результатам проведенных испытаний в экспертном заключении Института сверхтвердых материалов им. В.Н. Баку-ля от 8 июля 2011 г. констатируется, что: «...абразивная способность предоставленных образцов в среднем в два раза выше, чем у аналогичных по зернистости синтетических и природных алмазов.». Одна только эта характеристика делает весьма перспективным использование импактных алмазов в инструментальной промышленности, бурении глубоких скважин, камнерезной, автомобильной и ряде других современных отраслей промышленности.

Специалисты из исследовательского центра крупнейшей буровой компании Baker Hughes (США) утверждали, что если абразивная способность этого нового вида сырья будет хотя бы на 20% выше, чем у синтетических алмазов, это даст огромные прибыли в буровой и инструментальной промышленности. Учитывая полученные результаты, становится очевидной необходимость продолжить изучение технологических характеристик импактных алмазов в полном объеме с целью поисков новых направлений их использования в современных отраслях промышленности.

Таким образом, полностью подтвердились исследования предшественников в отношении абразивной способности импактных алмазов. Этот результат имеет не только научное значение, так как, во-первых, позволяет также доверять и другим исследованиям 35-летней давности, во-вторых, дает основание утверждать, что это действительно совершенно уникальный материал с массой иных, еще не изученных необычных свойств, и другого такого в природе нет. Необходимо изучать его и пытаться использовать в современных технологиях, тем более что запасы его практически неограниченны.

Еще раз подчеркнем, что импактные алмазы принадлежат к новому, ранее неизвестному типу технического алмазного сырья, опыт промышленного освоения месторождений которого, так же как и индустриального использования, пока отсутствует.

Импактные алмазы относятся к техническому сверхтвердому абразивному сырью и отличаются от обычных природных ювелирных и технических алмазов по составу и строению. Зерна импактных алмазов состоят из тончайшей смеси

кристаллов двух полиморфных модификаций углерода - кубического алмаза и гексагональной фазы - лонсдейлита. Им-пактные алмазы представляют собой наноразмерный композит - агрегат мельчайших зерен размером от первых нанометров до первых десятков нанометров; возможно, с этими структурными особенностями связаны его уникальные абразивные свойства.

В целом прогноз использования импактных алмазов опирается на потенциальную возможность замещения ими синтетических и природных технических алмазов в тех же технологиях. Импактные алмазы дают огромные перспективы в использовании их в кольцевых сверлах, которые имитируют буровые колонки и превосходят по производительности аналогичный инструмент из обычных алмазов примерно вдвое. У спеков импактных алмазов абразивная способность в 15 раз выше, чем у спеков лучших образцов природных алмазов.

Другая не менее важная экономическая задача - прогнозирование объемов возможного потребления импактных алмазов, которые могли бы замещать синтетические и природные. Конечно, пока, в том числе по причинам низкой изученности свойств импактных алмазов и сфер их применения, невозможны даже укрупненные расчеты объема их потребления в мире, поэтому приведем данные по производству технических алмазов.

В 2008 г. технические алмазы производились в 32 странах мира. Общий мировой объем их производства оценивался в размере около 4,62 млрд каратов, а их суммарная стоимость - от 1,65 до 2 млрд долл. Объем производства природных технических алмазов в мире в 2008 г. составлял свыше 71,8 млн каратов. Лидируют Демократическая Республика Конго, Австралия и Россия. Эти три страны дали более 72% мирового объема производства технических алмазов.

Объем производства синтетических технических алмазов в мире превышал 4,55 млрд каратов. Китай - лидер по их производству; его расчетные объемы - 4 млрд каратов, за ним следуют США, Россия, Ирландия и ЮАР. Основным потребителем синтетических и природных технических алмазов являются США.

Рынок природных и синтетических технических алмазов на сегодня оценивается в 4-5 млрд долл.

Необходимые меры, условия и возможные перспективы

К сожалению, уровень проведенных и проводимых в настоящее время исследований импактных алмазов недостаточен. Структура этих алмазов, смесь в них разных углеродных фаз обещает совершенно необычные минералогические свойства, из которых будут следовать и новые технологические направления применения. В частности, у импактных алмазов очень высокоразвитая поверхность, это делает их привлекательными в сфере катализа с учетом полной химической инертности этого вещества. Абсолютно не изучена сфера применения импактных алмазов в электронике и в ряде других высокотехнологичных направлений производства.

Что нужно для того, чтобы возобновить начатые в конце 1970-х и прекращенные во второй половине 1980-х годов исследования импактных алмазов? Сейчас в Сибирском отделении РАН, в частности, в Институте геологии и минералогии СО РАН, имеются современные исследовательские технологии, позволяющие существенно расширить возможности изучения свойств лонсдейлитов.

Эти работы в Сибирском отделении РАН последовательно проводятся, реализуется исследовательская программа по изучению импактных алмазов. Но, к сожалению, масштабы работ по данной программе значительно отстают от потребностей перехода от научно-исследовательского этапа к про-ектно-оценочному. К тому же пока нет и представительного объема проб для проведения необходимых минералогических и технологических исследований.

Сибирским научно-исследовательским организациям, в частности, в Новосибирске, предстоит создать технологическую платформу по добыче импактных алмазов и производству целой линейки продуктов - от полуфабрикатов до изделий с заданными свойствами. Основной задачей является проведение комплексных исследований по данной проблеме, включающих такую последовательность этапов.

1. Отработка эффективных технологий добычи и обогащения алмазов из импактитов Попигайской астроблемы - нового перспективного сырья, из которого с помощью новых

технологий могут быть получены разнообразные конечные продукты.

2. Проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию продукции для инструментальной промышленности, автомобиле- и авиастроения, космических и военных технологий, а также по получению на их основе высококачественных спеков различной морфологии и размерности.

3. Создание промышленных технологий и производств для получения изделий из природных и синтетических алмазов:

• производство микронаноразмерных порошков алмаза узких гранулометрических фракций и высокой степени очистки для использования в высокотехнологичных отраслях промышленности, ювелирной отрасли, медицине и т.д.;

• выращивание высокочистых, моноизотопных, полупровод-

никовых, легированных, сверхпроводящих крупных (до 1520 каратов) монокристаллов алмаза с контролируемым содержанием примесей и совершенной кристаллической структурой с использованием природных наноалмаза и на-нографита в качестве источника для применения в электронной и других высокотехнологичных отраслях;

• синтез композиционных материалов на основе импактных,

кимберлитовых и синтетических наноразмерных алмазов с высокими механическими и теплоотводящими свойствами для использования в качестве теплоотводов в электронике, в качестве конструкционных материалов, инструмента для механической обработки труднообрабатываемых материалов и добычи полезных ископаемых;

• производство отрезного, шлифовального, бурового и иного

инструмента с рекордными свойствами для использования в обработке различных сверхтвердых материалов, алмазов, в строительстве, бурении, ювелирной промышленности, камнеобработке и др.