Доктор геолого-минералогических наук А. М. ПОРТНОВ, Московский геолого- разведочный университет

Ежегодно в мире добывают порядка 20 т алмазов на сумму 6 - 7 млрд. дол. Этот самый твердый, обладающий переливчатым блеском минерал служит не только для удовлетворения человеческого тщеславия и тяги к сверкающим украшениям. Использование алмазных инструментов более чем вдвое повышает экономический потенциал страны.

Однако до сих пор не выяснено, как возникает данный камень - кристаллический углерод - в природе, хотя уже налажен его производственный синтез.

Статьи данной рубрики отражают мнения авторов (прим. ред.)

стр. 47

ЗАГАДКИ КИМБЕРЛИТОВ

Об алмазоносных горных породах - кимберлитах - написаны тысячи статей. Но в них нет ответа на некоторые важные вопросы, способные пролить свет на образование этих своеобразных продуктов недр Земли. Почему они встречаются только на устойчивых, консолидированных участках континентов? Какие силы заставили эти тяжелые породы мантии нарушить великий закон Архимеда, подняться вверх и пробить, как снаряд невиданной силы, десятки километров более легких толщ: базальтов, гранитов, осадочных слоев? Почему кимберлиты "предпочитают" преодолевать земную кору платформ мощностью 40 км, а не тонкую - порядка 10 - 15 км - океаническую или переходную зону между континентами и океанами, где на глубинных разломах дымят сотни вулканов и лава свободно изливается на поверхность? Увы, объяснений у геологов нет.

Другая загадка - удивительная форма так называемых "трубок взрыва". В действительности данные структуры похожи на бокалы для шампанского: конусы на тонкой ножке, уходящей в глубины земной коры. А ведь в однородной среде взрывы формируют сферы. Это доказывают, в частности, многочисленные "камуфлетные камеры" - шаровидные пустоты, оставшиеся после мощных подземных ядерных испытаний. Но ведь кимберлитовые трубки- конусы существуют! Как они возникли? Скорее всего, именно их образование и хранит тайну рождения алмаза.

Наконец, необычная форма минералов в кимберлитах. Известно, что кристаллы, возникающие из расплавленной магмы первыми, имеют хорошо выраженные грани. Однако зерна апатита, граната, циркона, оливина, ильменита почему-то всегда округлены в "трубках взрыва" и напоминают окатанную гальку из речного песка. Ученые объясняют такую особенность воздействием раскаленной магмы. Однако плавление должно было бы превратить минералы в аморфное стекло, а ничего подобного в них не наблюдается.

Зато алмазы, вынесенные вместе с кимберлитовой магмой с глубины 150 - 200 км, несмотря на хрупкость, обилие внутренних напряжений и способность легко раскалываться по определенным плоскостям, представляют собой сверкающие, идеально образованные октаэдры с острыми ребрами. Обычно они выглядят так, будто прошли предварительную огранку и шлифовку, чего нельзя сказать о сопутствующих им кристаллах перечисленных выше минералов, вроде бы выделившихся из расплава непосредственно в трубке. Почему возник такой парадокс?

КИМБЕРЛИТОВЫЕ ТРУБКИ - "ДЫМОХОДЫ" МАНТИИ

Предлагаемая модель позволяет по-новому объяснить образование алмазов. По- моему, кимберлитовые трубки - результат "проколов" каменной толщи поднимающимися из мантии водородно-метановыми струями. Этот газ пробивает себе тонкий игольный выход через твердые кристаллические породы фундамента платформы, а затем формирует расширение (бокалы) в поверхностных мягких осадочных слоях, раздвигая их давлением в десятки тысяч атмосфер.

Платформы являются консолидированными структурами, под которыми скапливаются рассеянные в породах мельчайшие пузырьки газа, образуя крупные водородно-метановые скопления. При определенном критическом объеме они "всплывают" к поверхности планеты. Подобная дегазация Земли продолжается миллиарды лет, наиболее активно проявляясь в вулканических поясах, окружающих стабильные блоки платформ.

О глубинности газов дымящихся вулканов свидетельствует их насыщенность легким изотопом гелия (Не ³ ). Но в глубинах литосферы его в тысячу раз меньше, чем в извержениях, значит, платформы - непроницаемая заслонка для идущих снизу газов мантии. Причина, заставляющая их собираться в пузыри, - мощное воздействие "горячих точек" ("плюмов"), сравнительно недавно обнаруженных своеобразных форсунок, нагревающих литосферу изнутри. Одна из них прожгла насквозь тонкую кору в Тихом океане и создала вулканы Гавайских островов около 70 млн. лет назад. Результатом ее деятельности остался шов из застывшей базальтовой лавы - гигантский подводный Императорский хребет, протянувшийся на тысячи километров от Гавайских к Алеутским островам и отметивший траекторию движения океанической плиты на северо-запад.

Вулканы подобны "дымоходам" литосферы. Они работают исправно, если путь газов не перекрыт одной из упомянутых заслонок. В геологической истории чаще всего последними становились движущиеся платформы. Их кора плотная и мощная. А у

стр. 48

"горячей точки" разогрев пород достаточен лишь на глубине, где рассеянные в них микроскопические включения газов начинают расти до критического объема. Тогда и вступает в силу закон Архимеда. Плотность водородно- метановой смеси значительно меньше, чем у воды, а у мантии - более чем втрое больше. Значит, подъемная сила пузыря объемом в 1 км ³ составит 2,5 млрд. т. И газ раскален до 600 - 800°С.

Тонкая ножка кимберлитовой трубки на глубине - результат приложения огромной подъемной силы газа к малой площади. Возникает эффект "раскаленной иглы", способной проколоть десятки километров горных пород. По этому узкому каналу мантийная струя пробивается вверх, пока не достигнет менее плотных слоев осадочного чехла.

Всплывание газового пузыря уменьшает давление в его хвостовой части, и перекристаллизованные под действием газа мантийные породы дробятся, устремляются в тонкий пробой. Как в гигантской пескоструйной машине зерна минералов мчатся в огненных конвекционных потоках газовой смеси, или флюида, обдираясь, теряя кристаллические грани, превращаются в глубинную "гальку", похожую на обычную речную. Отличие видно под микроскопом: раскаленные газовые струи создают у глубинных минералов особую поверхность, так называемую "шагрень". При увеличении в тысячи раз эта микропористая коррозионная структура напоминает губку; нечто подобное наблюдается на метеоритах или лопатках газовых турбин.

АЛМАЗЫ - МАНТИЙНАЯ САЖА

Почему же грани кристаллов алмазов прекрасно сохраняются? Ведь магма тащила их из недр мантии более сотни километров. И твердость их не гарантирует неизменность первоначальной формы: из-за своей хрупкости в россыпях они окатаны и оббиты. В учебниках приводят диаграммы равновесия алмаз-графит и пишут, что первый возникает из второго. Но никто из специалистов не задался вопросом: откуда же в мантии графит, "запрещенный" для тамошних условий, где устойчивы карбиды железа, фосфора, кремния, азота... и водорода, т.е. метан, подвижный и легко концентрирующийся в глубинном флюиде.

Правда, десятки тонн технических алмазов ныне синтезируют из расплава железа, насыщенного углеродом. Данная смесь при 1200°С и давлении в тысячи атмосфер становится недонасыщенной по растворимости в ней графита и перенасыщенной - по растворимости алмаза. Конечно, указанный процесс не похож на природный.

К сожалению, геологи не придали значения достижению отечественного физикохимика академика Б. В. Дерягина, еще в 1969 г. получившего диплом об открытии синтеза алмаза из метана при давлении ниже атмосферного! Оказывается, этот минерал вовсе не обязательно возникает из расплавов и лишь при высоких

стр. 49

стр. 50

давлениях. Возможна его кристаллизация из флюида, газовой смеси в системе С-Н-О. В нем кислород при сверхвысоком давлении мантии теряет окислительные свойства и не соединяется даже с водородом. Но при подъеме газа вверх и образовании кимберлитовой трубки давление быстро падает. Достаточно его уменьшить в 10 раз - от 50 до 5килобар - и активность кислорода возрастает в миллион раз: он мгновенно окисляет водород и метан. Газ взрывается - и в подземном жерле вспыхивает яростный огонь!

Итог глубинного "пожара" зависит от соотношения во флюиде углерода, водорода и кислорода. Если последнего не слишком много, он вырвет из молекулы метана (СН ₄ ) только водород. Возникшие при этом пары воды поглотит минеральная пыль с образованием серпентинита, характернейшего минерала кимберлитов. Оставшийся "одиноким" ионизированный углерод при давлении в тысячи атмосфер и температуре около 1000°С замкнется ненасыщенными ковалентными связями "сам на себя", рождая гигантскую молекулу чистого углерода, которую мы и называем алмазом.

Впрочем, такое благоприятное сочетание компонентов встречается редко: алмазоносны лишь 3 - 5% кимберлитовых трубок. Дело в том, что при избытке кислорода в метане сгорит не только водород, но и углерод; он превратится в газы - СО или СО ₂ . Так возникают безрудные кимберлиты. Они отличаются повышенным проявлением оксида железа - магнетитом. Кислорода при этом было так много, что он "вырвал" железо из состава силикатов. В результате дефицита первого часть водорода превращается в пары воды, поглощаемой серпентинитом. Ну а если алмаз возникает как продукт самопроизвольного подземного горения углеродистого флюида, то он - просто "зола", "сажа", осевшая в "дымоходах" мантии!

Эксперименты по взрывному синтезу показали: алмазы растут за тысячные доли секунды - практически мгновенно. Значит, в метановом флюиде вокруг кристаллов, поглощающих газообразный углерод, возникает зона пониженного давления, где резко увеличивается активность кислорода. Можно предположить, что кристаллизация сопровождается бесчисленными вспышками-взрывами. Ей способствует необыкновенно высокая теплопроводность алмаза, позволяющая быстро "уравнивать" температуру в его объеме. И авторы патентов, занятых синтезом драгоценных кристаллов при участии газовой фазы, тоже отмечают взрывы в кристаллизационной камере.

Горение метана увеличивает активность кислорода, меняет изотопный состав углерода и азота, входящих в состав алмазов, поскольку в окислительной среде концентрируются тяжелые изотопы этих химических элементов. Данное явление свидетельствует о стремительном взрывообразном нарастании окислительного потенциала при росте кристаллов. Они, рождаясь, захватывают из газа многочисленные мелкие зерна минералов глубинных пород. Определение их абсолютного возраста иногда совпадает с геохронологией выявленных кимберлитовых трубок, но чаще оказывается более древним. Так, в трубке "Кимберли" из Южной Африки, внедрившейся в окружающие породы 85 млн. лет назад, найден гранат пироп почти в 40 раз старше (по данным самарий- неодимиевого метода). Якутская трубка "Удачная", возникшая 425 млн. лет назад, содержит включения минерала клинопироксена, сформировавшегося, как показал калий-аргоновый метод, на 725 млн. лет раньше. На основании таких фактов геологи делают вывод, что алмазы образовались в мантии миллиарды лет назад, а затем взрывами их выбросило к поверхности Земли. Однако по нашему мнению, наиболее древние минералы мантии когда-то просто захватывали растущие кристаллы из "пыли" флюида.

стр. 51

Далее. Среди включений в алмазах установлены самородные металлы - железо, никель, хром, серебро, а также сульфиды никеля и железа. Как они попали сюда? Очевидно, из силикатов, содержащих металлы, а также из оксидов с высоким содержанием хрома мощными восстановителями - Н ₂ и СО. Примесь сероводорода, характерного для подземных газов, превратила некоторые из этих элементов в сульфиды. И алмазная "броня" сохранила их пыль в виде примеси в кристаллах.

Длительное время для специалистов загадкой оставались резкие "сухие" контакты кимберлитовых трубок с внешней средой. Обычно вокруг массивов магматических пород возникают мощные зоны метаморфизма, вызванного действием высоких температур, подземных вод, газов. А вокруг кимберлитов изменения осадочных отложений ничтожны. Связано это с тем, что у флюида теплоемкость неизмеримо ниже, чем у силикатного расплава: газ быстро остывает, соприкасаясь с холодными каменными толщами. В то же время у кимберлитовых трубок отмечено необычное явление: мощнейшие - до полукилометра - ореолы концентрации люминесцирующих минералов. В них в сотни раз больше, чем в окружающих породах, зерен циркона и апатита, ярко светящихся в ультрафиолетовых лучах. Причем последний испускает не обычный желтый (за счет марганца), а голубоватый свет, обусловленный присутствием европия, что характерно именно для апатита кимберлитов. Такие люминесцентные ореолы возникают из-за "продувки" пористых осадков глубинным мантийным газом.

Рождение алмазов в процессе формирования кимберлитовых трубок объясняет сохранность идеально образованных данных кристаллов на фоне окатанных, обитых и лишенных граней глубинных минералов, действительно извлеченных из мантии. На кристаллизацию алмазов из газа указывает и постоянное присутствие азота (до 0,3%), иногда - бора. А ведь в силикатном расплаве мантии практически нет этих элементов, хотя во флюиде они резко концентрируются, поскольку образуют газообразные соединения с водородом. Видимо, накапливался и радон, о былом присутствии которого свидетельствует значительное обогащение кимберлитов возникающим из него изотопом свинца (Pb ²⁰⁶ ). Кстати, именно радон, сильнейший альфа-излучатель, мог создать загадочные зеленые алмазы.

...От неполного окисления метана современная промышленность получает миллионы тонн сажи ежегодно. 80% ее идет на производство автомобильных шин. Огромное количество оседает на стенках бесчисленных труб - печных, фабричных, заводских. И все это никого не удивляет. А вот привыкнуть к мысли, что алмаз - тоже сажа, только мантийная, трудно. Чтобы слишком простая аналогия с упомянутыми трубами не вредила пониманию природного процесса, замечу, что кимберлитовые жерла не выходили на поверхность Земли и не коптили небо.

Мантийный газ "зависал" в осадочных слоях земной коры, подобно аэростату с газовой горелкой, израсходовавшему горючее на подъем. Поэтому не удается найти вулканы, выбрасывающие алмазы. Кимберлиты вскрываются лишь процессами эрозии. Судя по всему, существует множество "слепых" драгоценных "трубок", не выходящих на поверхность. О них можно узнать по локальным магнитным аномалиям, верхняя кромка которых располагается на глубине в сотни, а если повезет - то и десятки метров. Успеха вам, геологи- разведчики!

Permanent link to this publication: