Происхождение алмазов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Происхождение

4.1. Гипотезы происхождения  природных алмазов.

Магматическая теория. Первые научно обоснованные предположения  о генезисе алмазов были высказаны  геологами, изучавшими африканские  кимберлитовые трубки ещё во второй половине XIX в. К этому времени  относятся высказывания о происхождении  алмазов в результате непосредственного  воздействия магмы на пласты угля. По мнению ученых, алмазы принесены на поверхность из глубинных очагов перидотитового слоя, находившихся на глубине порядка 150 км. В настоящее время большинство исследователей считают алмазы первичной составной частью кимберлитов, но расходятся во мнениях относительно места их образования.

По мнению исследователя  алмазоносных месторождений Африки Вильямса, на какой-то гипотетической неизвестной глубине существовал  резервуар расплавленной магмы, которая благодаря изменениям температуры  или давления уже начала кристаллизоваться  и в некоторых участках этого  резервуара превращаться в ультраосновные (перидотитовые, пироксенитовые и эклогитовые) породы. Кристаллизация и затвердевание ультраосновных пород, по его мнению, продолжались длительное время, в течение которого состав первоначальной магмы изменялся, пока она не приобрела состав кимберлитовой магмы. Вместе с другими кристаллами и минералами из первоначальной магмы на большой глубине выкристаллизовался и алмаз. Также в пользу магматической теории говорит тот факт, что в кристаллах алмазов можно встретить включения других минералов, что, в свою очередь, невозможно при образовании вне высоких температур и огромном давлении. Также в пользу данной теории говорит и тот факт, что алмазы срастаются, что опять же невозможно без высоких температур и огромного давления [7].

Большинство авторов придерживается мантийной гипотезы. Этому способствуют успехи в искусственном выращивании  алмазов при сверхвысоких давлениях  и температурах.

 

Несмотря на физическую обоснованность мантийной гипотезы и, якобы, экспериментальное  подтверждение её концепции в  установках синтеза алмазов при  сверхвысоких давлениях, существует ряд  фактов, которые не объясняются с  её позиций. Приведем некоторые из них.

  1. На срезах монокристаллов  алмаза под действием ультрафиолетовых  или рентгеновских лучей можно  увидеть картины роста алмазов,  аналогичные тем, что мы видим  на поперечном срезе стволов  деревьев. По их виду можно  судить о физических и химических  условиях, окружавших алмаз в  период его роста. Из этих  картин видно, что каждый кристалл  алмаза имеет индивидуальную  историю роста, изменяющуюся во  времени и отличающуюся от  истории роста других алмазов  того же месторождения. Этот  факт противоречит мантийной  гипотезе, по которой считается,  что алмазы росли в одинаковых  термо-баростатических условиях и, как следствие, должны иметь примерно одинаковую историю роста.

  2. Генетический и геометрический  центры одного кристалла алмаза  обычно пространственно не совпадают. Этот факт говорит о том, что кристаллы в процессе роста были неподвижными и обтекались каким-то потоком среды, создававшем асимметрию в скорости процесса роста разных граней кристалла. В условиях верхней мантии этого быть не может, так как магма представляет собой относительно вязкую расплавленную силикатную среду, при любых перемещениях увлекающую с собой находящиеся в ней включения.

   3. Массоспектрометрический  анализ алмазов показывает, что  в основном они состоят из  углерода мантийного происхождения  с «тяжёлым» изотопным составом. Однако встречаются также алмазы  с осадочным - «облегчённым» и  «сверхтяжёлым» изотопным составом  углерода. Наблюдаются даже значительные  вариации изотопного состава  внутри одного кристалла алмаза. Известно, что углерод с уменьшенной  и увеличенной, относительно мантийной,  концентрацией тяжелого изотопа  углерода образуется только вблизи  поверхности Земли за счёт  процессов химического фракционирования. В условиях верхней мантии  из-за высокой температуры этого  не происходит.

Нельзя считать также  доказательством мантийной гипотезы и тот факт, что большинство  алмазов имеет мантийный изотопный  состав углерода, так как вполне возможна ситуация, когда алмазы росли  в приповерхностных условиях Земли  из углерода или углеродсодержащих  газов в период их извержения из мантии или несколько позже этого  периода.

Все выше перечисленные противоречия являются лишь частью большого числа  фактов, необъясняемых мантийной  гипотезой происхождения алмазов.

     Немагматическая теория. Немантийная теория предполагает образование алмазов в приповерхностных условиях Земли. В пользу немагматической теории говорит тот факт, что если бы алмазы, созданные при огромных давлениях и температурах, были бы подняты на поверхность, вследствие каких-либо причин то они, либо перекристаллизовались, либо взорвались в результате изменения температуры и уменьшения давления.

     Существуют  различные варианты этой гипотезы.

    В качестве  среды образования рассматриваются  расплавленная и затвердевшая  магма,возникающие газовые полости, солевые расплавы и водные растворы. В качестве источника углерода - термическая диссоциация углеродсодержащих газов и обратимые химические реакции.

 

     Метеоритная  гипотеза. Относительно недавно  алмазы были обнаружены вметаморфических породах, глубина образования которых не превышает нескольких километров. И это заставило задуматься: все ли алмазы - гости из больших глубин? Есть предположение, что алмазы могут возникать и в межзвёздном пространстве [7]. Как сообщили учёные Чикагского университета, микроскопические частицы алмазов, которые по возрасту оказались старше планет Солнечной системы и самого Солнца, были обнаружены на некоторых метеоритах.  По мнению чикагского физика Льюиса они образовались в атмосфере какой-то удалённой звезды и были выброшены в космос, когда звезда взорвалась. Правда, найденные алмазы настолько малы, что триллионы их легко можно разместить на булавочной головке .

     Встречаются  и более крупные алмазы, заключённые  в метеоритах. Так, в 1980 году  сотрудники Смитсонианского института в Вашингтоне спиливали один из металлических метеоритов, найденный в Антарктиде, но вдруг заметили, что пила перестала углубляться

в него, а потом сама быстро стала утончаться. Оказалось, что  внутри метеорита были алмазы. Сам  по себе этот факт не был новинкой. Но ранее считалось, что алмазы образуются в метеоритах при их ударе о  землю, когда резко повышаются давление и температура. Антарктическая находка  не испытала такого удара. Таким образом, теперь следует считать, что алмазы в метеоритах могут существовать ещё и до удара о землю, они  могут, например, образоваться в результате столкновения с астероидами

 

Флюидная гипотеза.

Обратимся к факту нахождения гигантских алмазов в кимберлитовых  трубках. Находка алмаза - супергиганта «Куллинан» (массой 621,2 г) на глубине 9 м от поверхности в бортовой части трубки сама по себе в состоянии противостоять всей сложной аргументации мантийной теории. И вот почему. Предположим, супергигант образовался в верхней мантии под давлением в сотню тысяч атмосфер и температуре несколько тысяч градусов Цельсия. А что должно происходить дальше?

     1. В случае  медленного подъёма алмаза к  земной поверхности падение давления  будет больше, чем падение температуры,  после некой критической величины (согласно условиям фазовой диаграммы  равновесия графит - алмаз) он  превратится в графит. В специальной  литературе это явление известно  как температурный барьер. До  сих пор никто не придумал, как в таких условиях можно  его преодолеть.

     2. В случае  быстрого подъема вступает в  действие другой барьер - литостатическое  давление. Алмаз находился до  подъёма в сверхсжатом состоянии, под давлением, предположим, 100000 атм. Если это давление резко снять, то от алмаза ничего не останется. Разлетится он на мельчайшие обломки.

Например, на Кольской сверхглубокой  существуют проблемы с подъёмом керна  с больших глубин. Взрываются они в керноподъёмнике, хотя глубины относительно небольшие - всего-то 8-10 км (около 2000 атмосфер) .

Гипотеза Тапперта. Исследователь Ральф Тапперт из университета провинции Альберта, Эдмонтон, Канада, опубликовал в одном из выпусков «GeologyMagazine» статью, в которой выдвигает гипотезу о том, что алмазы могут представлять собой останки морских животных, которые были преобразованы в земных недрах, на глубинах много больших, чем считалось раньше .

 

Геологи разделили алмазы на три поколения.

Первое сформировалось примерно 3,3 млрд. лет назад. Эти камни из старейших горных пород - свидетели  геологического детства Земли. Все  они - из Южной Африки.

Второе поколение увидело  свет чуть позже - примерно 2,9 млрд. лет  назад. Их россыпи обнаружены уже  в различных регионах. Условия  их формирования немного отличаются. Анализ примесей в этих алмазах даёт основания полагать, что они сформировались внутри горных пород, которые первоначально  были дном древнего мелкого моря. Каким- то образом они были погружены  на большие глубины, где отложения  углерода, возможно, живых организмов, при нагревании и давлении превратились в залежи алмазов.

Третье поколение камней появилось примерно 1,2 млрд. лет назад.

Известны и самые молодые - им около 100 млн. лет, однако их мало и  их происхождение труднообъяснимо.

Геологи полагают, что эра  крупных алмазов закончилась, и  Земля больше не формирует драгоценные  камни. Возможно, тогда планета была горячее, или состав геологических  пород был несколько иным. Каковы бы ни были условия, они явно изменились. Алмазы - это признак геологической  молодости Земли.

Таким образом, проблема происхождения  и связанная с ней проблема возраста алмазов остаётся актуальной для современной геологической  науки, но одно не вызывает споров - алмазы - это уникальные минералы.

 

4.2. Алмазы кимберлитов  и лампроитов

Кимберлиты - особый тип магматических  горных пород. Впервые они привлекли  внимание ученых в 1887 году, когда геолог Льюис, приехавший на недавно открытые алмазоносные прииски Южной Африки, назвал так породы, содержащие алмазы и выполняющие округлую депрессию, имеющую форму воронки. Последующие  исследования показали, что эти породы интересны не только из-за промышленной ценности. Оказалось, что корни кимберлитовых  тел уходят далеко в глубь Земли и благодаря особому геологическому положению кимберлиты выносят на поверхность обломки глубинных пород, слагающих земные недра, недоступные для прямых наблюдений. Следует отметить, что, несмотря на все достижения научно-технического прогресса в XX веке, человек так и не смог создать приборы, позволяющие заглянуть в глубь нашей планеты. О том, чем сложена Земля на больших глубинах, мы можем судить только по косвенным геофизическим данным, так как даже самые глубокие шахты не опускаются ниже первых километров, а самая глубокая Кольская сверхглубокая скважина достигла отметки 12 262 м. В этих условиях все предположения о строении земных недр оставались бы на уровне гипотез, если бы природа не помогла геологам и не предоставила уникальной возможности изучать глубинные горные породы, обломки которых встречаются в кимберлитах и называются мантийными ксенолитами [4].

Чтобы понять, почему именно кимберлиты имеют большое практическое и научное значение, нужно подробнее  рассмотреть особенности строения кимберлитовых тел и закономерности их размещения на земном шаре. В настоящее  время кимберлиты найдены на всех континентах . Наиболее известны алмазоносные кимберлиты Африки. На этом континенте разведано несколько крупных кимберлитовых провинций: Южно-Африканская, Западно-Африканская, Танзанийская, Намибийская, Ангольская. Три кимберлитовые провинции известны в Азии: Якутская, северо-восточная Китайская и Индийская. Кимберлиты установлены также в Северо-Западной Австралии, США (Сомерсет, Колорадо-Вайоминг), Канаде, Бразилии и Европе (Архангельская и Приазовская провинции). Кимберлиты имеют различный возраст (от 70 до 1200 млн лет), но большинство из них приурочено к особым геологическим структурам - древним платформам или кратонам. В строении всех древних кратонов геологи выделяют два этажа: нижний - складчатый фундамент, сложенный древними (архейскими) породами с возрастом более 1,5 млрд лет, и верхний - осадочный чехол, сложенный более молодыми пологозалегающими породами. Кимберлитовые тела прорывают оба типа пород и выносят их обломки на поверхность .

Подобие, наблюдающееся в  составе обломков, найденных в  кимберлитах, и в составе пород, извлеченных при бурении скважин, позволяет с большой долей  уверенности полагать, что и другие обломки пород, встреченные в  кимберлитах, являются фрагментами  еще более глубоких зон земной коры.

Как установлено в результате разработки алмазных месторождений, большинство  кимберлитовых тел имеет сложное  строение (Приложение Г). За свою форму  они получили название трубок. Верхняя  часть напоминает бокал - это вулканический  кратер, который заполнен мелкообломочными породами - кимберлитовыми туфами. Сужаясь  кратер переходит в воронкообразную (диатремовую) часть, сложенную крупнообломочными породами - кимберлитовыми брекчиями. Самая нижняя корневая часть трубок (подводящий канал) сложена массивным кимберлитом. Подводящий канал часто разделяется на несколько частей, каждая из которых с глубиной переходит в дайку - вертикально стоящую плитообразную структуру.

Размеры кимберлитовых тел  различны - от 146 га (трубка "Мвадуи", Танзания) до 0,4 га (трубка "Роберте Виктор" в Южной Африке). Трубка "Зарница" - первая из кимберлитовых трубок, найденных на территории Сибири в Якутии геологом Ларисой Попугаевой, имела размер 32 га. Близкие размеры имеют и найденные позднее знаменитые месторождения алмазов Сибири - кимберлитовые трубки "Мир" и "Удачная".