История алмаза
Алмаз, благодаря своим уникальным свойствам и широкому применению, давно привлекает внимание исследователей. В первых научных гипотезах XIX столетия предполагалось, что алмаз, как и другие минералы, содержащиеся в кимберлитах, образовался при мало-глубинной кристаллизации исходных магм этих пород. Однако такому мнению противоречит отсутствие алмаза в других по составу магматических породах, несмотря на находки в них графита, состоящего, как и алмаз, из углерода. Расчеты, выполненные в тридцатых годах прошлого столетия О. Лейпунским и другими учеными, объяснили это противоречие. Оказалось, что для стабильного образования алмаза необходимо очень высокое давление, которое существует в земной мантии на глубине более 150 км.
Дальнейшие исследования показали, что алмаз нередко присутствует в обломках (ксенолитах) мантийных пород, содержащихся в кимберлитах. Включения минералов в алмазе часто имеют изотопный возраст, более древний чем вмещающие кимберлиты. На основе этих фактов была выдвинута гипотеза о ксеногенном происхождении алмаза. Она предполагает, что алмаз кристаллизовался не в кимберлитовых магмах, а в мантийных породах на ранней стадии эволюции Земли и случайно захватывался магмами при их подъеме на поверхность. Это гипотеза является наиболее распространенной до настоящего времени.
Однако в последние десятилетия получено большое количество данных, противоречащих и этой гипотезе. К числу их относятся: одинаковый с кимберлитами изотопный возраст некоторых включений в алмазах, свидетельствующий о формировании многих кристаллов этого минерала в кимберлитовых магмах; присутствие в алмазах включений карбонатных минералов и расплавов, типичных для кимберлитов, но не характерных для мантийных ксенолитов различие внутреннего строения алмазов из кимберлитов и мантийных ксенолитов сонахождение иногда в одном и том же кристалле включений минералов, характерных для разных по составу мантийных пород, свидетельствующее о кристаллизации алмаза в эволюционировавшей по составу среде, то есть в расплаве.
По современным представлениям, кристалломорфология алмаза определяется степенью пере-сыщения среды кристаллизации углеродом. С ее повышением рост октоэдрических кристаллов сменяется образованием додэдрических, затем кубических. Степень этого пересыщения возрастает с увеличением вязкости среды, поскольку при этом уменьшается скорость диффузии и, следовательно, замедляется сток углерода в кристаллизующиеся алмазы. Вязкость природных расплавов увеличивается с ростом содержания кремнекислоты примерно на 6 порядков с повышением ее концентрации от 25 до 60%. Поэтому при кристаллизации алмаза в начальных для кимберлитов расплавах с повышением содержания в них кремнекислоты должно уменьшаться, как отмечалось, количество октаэдрических кристаллов и возрастать - додекаэдричес-ких и других разновидностей. К последним, по Ю.Л. Орлову, относятся желтые и зеленые (разновидность II), а также серые кубы; кристаллы с мутной оболочкой, переполненной жидкими включениями кристаллы с прозрачным ядром и темно-серой оболочкой, содержащей графитовые включения (V); радиально-лучистые агрегаты алмаза сростки кристаллов разновидности мелкозернистый борт и микрозернистые агрегаты кристаллов алмаза - карбонадо. Наиболее распространенные октаэдрические, додекаэдрические и неокрашенные кубические кристаллы относятся к разновидности.
Предпринятый автором этой статьи анализ опубликованных отечественных и зарубежных данных показал, что с ростом в кимберлитах содержания кремнекислоты Борт - агрегат мелких сросшихся кристаллов алмаза.
Значительное разнообразие кристалломорфологии алмаза и состава включений в нем в одной и той же трубке обусловлено эволюцией расплавов в процессе зарождения и кристаллизации этого минерала, сопровождающейся изменением их вязкости, степени пере-сыщения углеродом, морфологией образующихся алмазов и состава захватываемых ими включений. Эволюция состава расплавов и равновесных с ним минералов объясняет случаи нахождения в одном и том же кристалле алмаза включений минералов, типичных для различных пород. При ксеногенном происхождении алмазов убедительно объяснить такое нахождение невозможно, так как в твердой мантии растущие алмазы не могли бы перемещаться из одних пород в другие.
Для выяснения происхождения главных разновидностей алмаза важно иметь правильное представление о генезисе кимберлитовых магм. Их формирование трудно объяснить с позиций распространенного в настоящее время мнения об обособлении выплавок в слабо под-плавленных (на десятые - сотые доли процента) мантийных породах, поскольку в мантии, вследствие высокого давления и температуры, не могут возникать открытые трещины и поры, необходимые для движения расплава. Кроме того, вязкость вещества мантии настолько высока (обычно оценивается в 1019-1023 Пас), что капли расплава радиусом 1 см за все время существования Земли (4,5 млрд. лет) всплыли бы в мантии только на первые миллиметры.
Все особенности происхождения кимберлитовых магм и алмаза хорошо объяснимы с учетом современных представлений о горячем образовании планет земной группы и существовании на них глобальных океанов магмы. Выполненные расчеты показали, что на завершающем этапе формирования Земли на ней существовал расслоенный по составу океан магмы глубиной около 240 км. Вследствие значительного увеличения плотности с глубиной в таком океане при остывании обширных конвективных потоков не возникало. Поэтому он очень медленно кристаллизовался сверху вниз преимущественно в результате кондуктивных теплопотерь. Верхний, богатый кремнекислотой (кислый), слой остывающей магмы 4,0-1,9 млрд. лет назад образовал породы кристаллической континентальной коры; нижний, богатый магнием и бедный кремнекисло-той (перидотитовый), слой магматического океана 1,5-0,6 млрд. лет назад сформировал различные породы мантии и остаточные кимберлитовые и близкие к ним по составу (лампроитовые) расплавы. Это объясняет позднее (преимущественно 1,5 млрд. лет назад) появление в истории Земли кимберлитов и исключительно большое содержание в них расплавофильных компонентов - воды, углекислоты, редких земель и некоторых других.
Вследствие высокой (более 2000оС) первичной температуры магматического океана при образовании континентальной коры и верхней части мантии (литосферы) сначала был устойчив графит. В процессе остывания мантии графит переходил в алмаз, что является причиной присутствия его включений в центрах роста некоторых кристаллов.
Выделено три стадии формирования алмаза. На первой ссдии при остывании придонного слоя магматического океана кристаллизовались наиболее ранние алмазы при еще очень высокой концентрации магния и низком содержании кремнекислоты в магме. Процессы образования таких алмазов протекали очень длительно (более 2 млрд. лет), так как скорость остывания глубинных частей магматического океана была невелика. Кристаллизация высокотемпературных минералов еще не привела к накоплению значительного количества кремнекислоты, летучих компонентов и щелочей. Это явилось причиной формирования крупных малодефектных ювелирных преимущественно октаэдрических кристаллов алмаза и объясняет происхождение изредка встречающихся в кимберлитах алмазов-гигантов . Небольшое содержание летучих компонентов в расплаве, в том числе азота, обусловило широкое распространение ценных безазотных разностей среди крупных алмазов и пониженное содержание азота в центральных частях многих октаэдрических кристаллов.
По мере остывания и кристаллизации магматического океана содержание кремнекислоты и летучих компонентов в остаточных расплавах чаще всего увеличивалось. Это привело, в соответствии с установленными зависимостями, к уменьшению количества октаэдров и возрастанию содержания додекаэдроидов, а затем и кубов среди формировавшихся кристаллов алмаза. Такая смена октаэдрической огранки додекаэдрической и кубической характерна для зональных алмазов богатых кремнекислотой архангельских кимберлитов.
Накопление в остаточных расплавах магмы кремнекислоты и летучих компонентов является причиной намного большего их содержания в виде примесей в додекаэдрических и особенно в кубических алмазах по сравнению с октаэдрическими, обилия жидких и солевых включений, а также высокой концентрации кремнекислоты (до 70%) в некоторых расплавных включениях в кубических кристаллах.
На второй стадии в последних остаточных расплавах кристаллизовались окрашенные, с большим количеством азота и дефектов, кубические алмазы разновидностей II и III, а также мутные периферические части алмазов разновидностей IV-V. Прозрачные ядра таких алмазов образовались на более ранней стадии кристаллизации, когда магматический расплав был еще беден кремнекислотой и летучими компонентами.
Овальная форма и небольшой размер алмазных агрегатов обусловлены, видимо, их формированием в газовых выделениях. Это согласуется с присутствием пустот в борте и карбонадо, а также с существованием прямой корреляции содержания агрегатов с суммарным количеством воды и углекислоты и с величиной потерь при прокаливании в кимберлитах.
Алмазы первых двух стадий имеют реститовое (остаточное) происхождение по отношению к позже возникшим кимберлитовым магмам. Такой генезис означает, что формирование кристаллов этого минерала происходило на этапе зарождения кимберлитовых по составу остаточных магматических расплавов и мантийных пород, тогда как при ксеногенном происхождении алмазы не имели бы никакого отношения к образованию кимберлитов.
Таким образом, обобщение и анализ результатов изучения алмаза и содержащих этот минерал кимберлитов позволили выявить главные особенности процессов его образования. Большое значение при этом имело использование модели горячего происхождения Земли и существования на ней глобального магматического океана, что позволило понять генезис земной мантии и сущность протекающих в ней процессов. В то же время еще остаются неясными некоторые детали механизма образования разновидностей алмаза, скульптуры поверхности его кристаллов, дефектов кристаллической решетки и некоторые другие вопросы.
Шкодзинский В. С.
