Тайны образования алмазов в природе. Как выглядит натуральный алмаз

Точное время открытия алмаза на данный момент не установлено. Все дело в том, что вид необработанных минералов достаточно тривиален и не привлекает особого внимания. Первые упоминания об индийских камнях относятся еще к III тысячелетию до н.э., но использовать их в ювелирных украшениях начали лишь около 500 лет назад, после того, как мастера освоили методы бриллиантовой огранки.

В России особую любовь к ним питала Екатерина II, во время ее правления в обиход вошло понятие бриллианта, как синонима богатства и роскоши.

Название минерала на разных языках имеет схожее звучание и значение. Арабы именовали его «алмас», то есть «самый твердый», греки — «адамас», что значит «несокрушимый». Русское слово «алмаз» было введено в оборот в середине XV века путешественником Афанасием Никитиным в книге «Хождение за три моря».

Физико-химические свойства алмаза

Алмазы - прозрачные бесцветные минералы, реже имеют розовые и желтые оттенки, обладают ярким блеском и высокими показателями светопреломления.

Минерал состоит из атомов углерода, равноудаленных друг от друга на расстояние 0,15 нанометров. Атомы образуют кубическую кристаллическую решетку, обеспечивающую алмазу самую высокую твердость по шкале Мооса - 10 единиц. Однако, из-за совершенной спайности кристаллы очень хрупки, а ошибочное отождествление понятий твердости и хрупкости часто влекло за собой разрушение ценных камней.

Так была уничтожена коллекция бриллиантов французского герцога Карла Смелого, который вел междоусобную войну с королем. Наемники Людовика XI, желая проверить подлинность камней с помощью молота, превратили их в порошок.

Образование и месторождения алмаза

Трудно поверить, но алмаз и графит являются практически братьями-близнецами. И тот и другой представляют собой чистый углерод. Для того, чтобы графит кристаллизовался необходимы особые условия: давление 45 000–60 000 атмосфер и температура 900–1300 °С, которые обеспечиваются на глубине 80–150 км под землей. Вместе с вулканической магмой камни выбрасываются из земных недр, формируя при этом коренные месторождения - .

Ученым известны также минералы метеоритного происхождения, образующиеся при столкновении космического тела с поверхностью Земли. Температура в момент удара достигает 3000 °С, а давление до 100 ГПа, в этих условиях формируется алмазоносная импактная порода. «Неземные» камни были обнаружены в Большом Каньоне в США в осколках метеорита, упавшего около 30 тысяч лет назад. В Якутии тоже имеется свое подобное месторождение - Попигайская астроблема, образовавшаяся 35 млн. лет назад.

Разработка импактитов является нерентабельной из-за малого размера кристаллов, поэтому промышленная добыча ведется традиционными методами на «земных» месторождениях, которые встречаются практически на всех континентах, а наиболее крупные расположены в Южной Америке (Бразилия) , России (Якутия) , Африке (Ботсвана, Ангола) .

На данный момент признанным монополистом на рынке является американская компания , контролирующая 75% мировой добычи и оборота алмазов. Во всем мире высоко ценятся и пользуются большим спросом камни российского производства. Основной алмазодобытчик России - компания «Алроса», добывающая 95% алмазов в стране.

Природные фантазийные бриллианты компании

Помимо качественных бесцветных камней при удачном стечении обстоятельств иногда удается добыть фантазийные ярко-желтые, ярко-розовые и голубые алмазы, составляющие всего 1% от общего объема. Еще более редкими являются красные камни - алмазодобывающая компания Rio Tinto их на своем тендере всего несколько штук в год. Самыми ценными же среди цветных алмазов являются фиолетовые камни - они настолько уникальны, что цена их нередко превышает 1 миллион долларов за карат.

Отдельного внимания заслуживают . Являясь долгое время фактически отходами при добыче классически бесцветных камней, сегодня черные алмазы, и, как следствие, бриллианты задают собственный тренд в украшениях. Ювелирные изделия с черными бриллиантами зачастую становятся выбором тех, кто хочет выделиться из толпы и не любит идти на поводу у общепринятых канонов и правил.

Искусственные алмазы

Научные опыты по созданию искусственных алмазов начались в 1797 году, но первый минерал, выращенный в лаборатории, и метод его получения был запатентован американской компанией General Electric лишь в 1956 году. С тех пор технологии продвинулись настолько далеко, что сегодня многие искусственно выращенные камни совершенно неотличимы от природных без специального оборудования и большого опыта, а обычные способы распознания подделки работают далеко не всегда.

Однако, насыщение рынка такими камнями сдерживается законом спроса и предложения, так как падение цен на бриллианты невыгодно ни добытчикам натуральных ни производителям искусственных камней.

Известные аналоги природных алмазов

Стоит упомянуть наиболее распространенные камни, которые используются в украшениях вместо бриллиантов. Во-первых, это всем известные , впервые синтезированные в российском институте ФИАН. Во-вторых, это муассаниты, которые особенно сложно отличить от настоящего драгоценного камня, не имея нужных для этого знаний.

Кроме того, сравнительно недавно появились алмазы ASHA, поверхность которых покрыта слоем атомов углерода (из которого и состоит природный минерал) , что фактически делает подобный камень композитным материалом и при этом дарит ему больше блеска и «огня» по сравнению с теми же фианитами.

Отдельно стоит упомянуть ВДВТ (высокое давление, высокая температура) алмазы. Этот метод был разработан в 1950-е годы и фактически полученные в результате обработки камни являются абсолютно натуральными. Суть метода понять не сложно, если вспомнить об условиях формирования камня. В природе алмаз формируется под влиянием колоссального давления и температуры в течение определенного времени. Иногда такие камни попадают на поверхность раньше времени, представляя собой по сути «полуфабрикат». И для того, чтобы превратить его в красивый сверкающий алмаз, который в последствии будет огранен и инкрустирован, камень повторно подвергают воздействию высокого давления и высокой температуры, аналогичных природным, но уже в лаборатории. Такой алмаз остается полностью натуральным, но как бы «доработанным» людьми.

Наглядное сравнение настоящего бриллианта (в центре) с его аналогами: 1 - фианит (кубический цирконий) , 2 - муассанит, 3- бриллиант ASHA, 4 -лабораторно выращенный бриллиант

Магические и целебные свойства алмаза

Йоги при помощи алмаза лечат психические заболевания, сердце, почки, очищают печень. Воины носили перстни с бриллиантом, веря, что он придаст им силы духа и сделает непобедимыми. Кроме того, камень приносит владельцу счастье и оберегает от скверных привычек и поступков.

Кому подходит алмаз и бриллиант

Алмаз, как и бриллиант, - это камень смелых и решительных. Он требует к себе уважительного отношения и может оказаться бесполезным в руках слабого, неуверенного человека.

Алмаз - главный зодиакальный камень, управляющий всем кругом. Талисман с ним или с ограненным бриллиантом в первую очередь подходит Овнам, во-вторую - Львам. Хотя и другим знакам он не противопоказан.

Алмаз — самый твёрдый минерал, кубическая полиморфная (аллотропная) модификация углерода(C), устойчивая при высоком давлении. При атмосферном давлении и комнатной температуре метастабилен, но может существовать неограниченно долго, не превращаясь в стабильный в этих условиях графит. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах постепенно переходит в графит.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Сингония алмаза кубическая, пространственная группа Fd3m. Элементарная ячейка кристаллической решетки алмаза представляет собой гранецентрированный куб, в котором в четырех секторах расположенных в шахматном порядке, находятся атомы углерода. Иначе алмазную структуру можно представить как две кубических гранецентрированных решетки, смещенных друг относительно друга по главной диагонали куба на четверть её длины. Структура аналогичная алмазной установлена у кремния, низкотемпературной модификации олова и некоторых других простых веществ.

Кристаллы алмаза всегда содержат различные дефекты кристаллической структуры (точечные, линейные дефекты, включения, границы субзерен и тп.). Такие дефекты в значительной степени определяют физические свойства кристаллов.

СВОЙСТВА

Алмаз может быть бесцветными водянопрозрачным или окрашенным в различные оттенки желтого, коричневого, красного, голубого, зеленого, черного, серого цветов.
Распределение окраски часто неравномерное, пятнистое или зональное. Под действием рентгеновских, катодных и ультрафиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться (люминесцировать) голубым, зелёным, розовым и др. цветами. Характеризуется исключительно высоким светопреломлением. Показатель преломления (от 2,417 до 2,421) и сильная дисперсия (0,0574) обуславливают яркий блеск и разноцветную «игру» огранённых ювелирных алмазов, называемых бриллиантами. Блеск сильный, от алмазного до жирного.Плотность 3,5 г/см 3 . По шкале Мооса относительная твердость алмаза равна 10, а абсолютная — в 1000 раз превышает твёрдость кварца и в 150 раз — корунда. Она самая высокая как среди всех природных, так и искусственных материалов. Вместе с тем довольно хрупок, легко раскалывается. Излом раковистый. С кислотами и щелочами в отсутствие окислителей не взаимодействует.
На воздухе алмаз сгорает при 850° С с образованием СО 2 ; в вакууме при температуре свыше 1.500° С переходит в графит.

МОРФОЛОГИЯ

Морфология алмаза очень разнообразна. Он встречается как в виде монокристаллов, так и в виде поликристаллических срастаний («борт», «баллас», «карбонадо»). Алмазы из кимберлитовых месторождений имеют только одну распространенную плоскогранную форму — октаэдр. При этом во всех месторождениях распространены алмазы с характерными кривогранными формами — ромбододекаэдроиды (кристаллы похожие на ромбододекаэдр, но с округлыми гранями), и кубоиды (кристаллы с криволинейной формой). Как показали экспериментальные исследования и изучение природных образцов в большинстве случаев кристаллы в форме додекаэдроида возникают в результате растворения алмазов кимберлитовым расплавом. Кубоиды образуются в результате специфического волокнистого роста алмазов по нормальному механизму роста.

Синтетические кристаллы, выращенные при высоких давлениях и температурах, часто имеют грани куба и это является одни их характерных отличий от природных кристаллов. При выращивании в метастабильных условиях алмаз легко кристаллизуется в виде пленок и шестоватых агрегатов.

Размеры кристаллов варьируют от микроскопических до очень крупных, масса самого крупного алмаза «Куллинан», найденного в 1905г. в Южной Африке 3106 карат (0,621кг).
На изучение огромного алмаза было потрачено несколько месяцев и в 1908 году он был расколот на 9 крупных частей.
Алмазы массой более 15 карат — редкость, а массой от сотни карат — уникальны и считаются раритетами. Такие камни очень редки и часто получают собственные имена, мировую известность и своё особое место в истории.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Хотя при нормальных условиях алмаз метастабилен, он в силу устойчивости своей кристаллической структуры может существовать неопределенно долго, не превращаясь в устойчивую модификацию углерода — графит. Алмазы, которые вынесены на поверхность кимберилитами или лампроитами кристаллизуется в мантии на глубине 200 км. и более при давлении более 4 Гпа и температуре 1000 — 1300 ° С. В некоторых меторождениях встречаются и более глубинные алмазы, вынесенные из переходной зоны или из нижней мантии. Наряду с этим, они выносятся к поверхности Земли в результате взрывных процессов, сопровождающих формирование кимберлитовых трубок, 15-20% которых содержит алмаз.

Алмазы встречаются также в метаморфических комплексах сверхвысоких давлений. Они ассоциируют с эклогитами и глубокометаморфизованными гранатовыми гнейсами. Мелкие алмазы в значительных количествах обнаружены в метеоритах. Они имеют очень древнее, досолнечное происхождение. Также они образуются в крупных астроблемах — гигантских метеоритных кратерах, где переплавленные породы содержат значительные количества мелкокристаллического алмаза. Известным месторождением такого типа является Попигайская астроблема на севере Сибири.

Алмазы редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет алмазы добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовая трубка, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях. Кроме этого алмазы были найдены в коровых породах в ассоциациях метаморфизма сверхвысоких давлений, например в Кокчетавском массиве в Казахстане.

И импактные, и метаморфические алмазы иногда образуют весьма масштабные месторождения, с большими запасами и высокой концентрацией. Но в этих типах месторождений алмазы настолько мелкие, что не имеют промышленной ценности. Промышленные месторождения алмазов связаны с кимберлитовыми и лампроитовыми трубками, приуроченными к древним кратонам. Основные месторождения этого типа известны в Африке, России, Австралии и Канаде.

ПРИМЕНЕНИЕ

Хорошие кристаллы подвергаются огранке и используются в ювелирном деле. Ювелирными считаются около 15% добываемых алмазов, еще 45% считаются околоювелирными, то есть уступают ювелирным по размеру, цвету или чистоте. В настоящее время общемировой объем добычи алмазов составляет порядка 130 миллионов карат в год.
Бриллиант (от франц. brillant — блестящий), — алмаз, которому посредством механической обработки (огранки) придана специальная форма, бриллиантовая огранка, максимально раскрывающая такие оптические свойства камня, как блеск и цветовая дисперсия.
Совсем мелкие алмазы и осколки, непригодные для огранки, идут в качестве абразива для изготовления алмазного инструмента, необходимого для обработки твёрдых материалов и огранки самих алмазов. Скрытокристаллическая разновидность алмаза чёрного или тёмно-серого цвета, образующая плотные или пористые агрегаты, носит название Карбонадо , обладает более высоким сопротивлением истиранию, чем у кристаллов алмаза и благодаря этому особенно ценится в промышленности.

Мелкие кристаллы также в больших количествах выращиваются искусственным путём. Синтетические алмазы получают из различных углеродсодержащих веществ, главным образом из графита, в спец. аппаратах при 1200-1600°С и давлениях 4,5-8,0 ГПа в присутствии Fe, Co, Сr, Мn или их сплавов. Они пригодны для использования только в технических целях.

Алмаз (англ. Diamond) — C

КЛАССИФИКАЦИЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Изучение генезиса алмазов является одной из важнейших проблем геологии. Существует множество гипотез происхождения, но ни одна из них не даёт точного объяснения фактов нахождения алмазов в природе и даже самих процессов образования этого минерала. Это связано с тем, что алмазы находят в сочетаниях с разными по свойствам и условиям образования горными породами. Наибольшее количество алмазов обнаруживают в щелочных ультраосновных породах, выполняющих жилы и «трубки взрыва», например, в кимберлитах Южной Африки. Также бывают единичные находки алмазов в перидотитах. Находки в андезитах и диабазах весьма сомнительны . Обычно алмазы добываются в россыпях, причём коренные источники их неизвестны. Только последние изыскания на Архангельском Севере позволили обнаружить богатейшие коренные месторождения алмазов .

Рассмотрим некоторые из наиболее популярных гипотез происхождения природных алмазов.

Алмазы происходят от неполного окисления углеродистых водородов, подобно тому, как сера сольфатаров происходит от неполного окисления сернистого водорода, весь водород которого обращается в воду, и только часть серы обращается в сернистую кислоту. Так точно нефть производит горную смолу, а смола - графит. Итак, если подвергать медленному окислению смесь углеродисто-водородных газов и воды, то, может быть, получатся алмазы.

Природные алмазы почти полностью состоят из углерода. Это означает, что напрямую - радиоуглеродным методом, возраст алмаза не определяется. Период полураспада изотопов углерода очень быстрый. Поэтому для определения возраста алмаза используют другие косвенные методы и не по углероду, а по включениям посторонних минералов, находящихся в нём (например, по пиропу). Этот факт в корне меняет трактовку данного посыла. Возраст включений в алмазах оказывается более древним, чем возраст вмещающих осадочных пород. Сейчас геологи уже могут спорить, где включения попали в алмаз: или в мантии, или в земной коре.

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 А.В. Вильямса (исследователь алмазоносных месторождений Африки), 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.

В Якутии был найден уникальный алмаз весом 57,8 карата. Размер светло-лимонного камня в форме октаэдра - 17х17х22 мм. Но главная особенность алмаза в том, что он состоит из двух частей: маленький алмаз находится внутри большого . Обычно внутри кристаллов находят графит, пироп, хризолит, маленькие алмазики попадаются крайне редко. Камешек задержался в росте из-за неблагоприятных условий. Когда они изменились, вокруг него выросла оболочка из нового кристалла, а маленький камень как бы являлся подложкой для образования нового большого.

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.

Факт № 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.

Факт № 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.

Факт № 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.

Внутри кристаллов сибирских алмазов случается находить органические вещества и даже тонкие веточки растений! Это не вяжется с чудовищными давлениями и глубинами эклогитовой зоны, а, наоборот, подтверждает формирование алмазов в приповерхностных слоях земной коры.

Метеоритная гипотеза. Относительно недавно алмазы были обнаружены в метаморфических 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 . 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 Р. 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?

Вариант 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.

Вариант 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 «Geology Magazine» 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 .

Наряду с проблемой происхождения алмазов большой научный интерес представляет проблема определения возраста природных алмазов. Впервые учеными составлена карта регионов Земли, в которых формируются алмазы. В своей работе геологи опирались на данные землетрясений в Южной Африке, известной своими месторождениями драгоценных камней, за период 20 лет.

Эти данные затем были соотнесены с анализом примесей более чем в 4000 алмазов. В результате ученые смогли узнать возраст камней, а также состав горных пород, в которых они формировались. За небольшим исключением их возраст исчисляется миллиардами лет .

Древние римляне полагали, что бриллианты - это осколки падающих звезд. Древние греки считали их слезами богов. Камни пленили большинство цивилизаций, если не редкостью и красотой, то полезными качествами - алмазы - самые твердые вещества на планете .

Сегодня мы знаем, что атомы углерода под большим давлением (как правило, 50000 атмосфер) и на большой (примерно 200 км) глубине формируют кубическую кристаллическую решетку - собственно алмаз . Камни выносятся на поверхность вулканической магмой. Но ещё многое в образовании алмазов покрыто тайной.

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.

Группа ученых из Германии и Канады определила, как именно алмазы, формирующиеся на колоссальной глубине, оказываются в кимберлитовых трубках. До недавнего времени эта важная деталь формирования самых главных драгоценных камней оставалась неясной. Теперь ученые надеются, что сделанное ими открытие поможет лучше понять динамику процессов формирования алмазов и, чем черт не шутит, поможет в будущем искать новые месторождения.

Экзотика

Чистый углерод встречается в природе в нескольких основных формах. Наиболее привычная всем - графит. В этом материале атомы углерода организованы в слои. В каждом слое атомы C располагаются в вершинах гексагональной (шестиугольной) решетки. Слои довольно слабо связаны между собой. Благодаря этому (то есть слабой взаимосвязи) Константин Новоселов и Андрей Гейм в 2004 году смогли получить графен - ровно один слой графита, используя обычный скотч, хотя это и .

Надо сказать, что алмаз не является самой твердой аллотропной модификацией углерода. В настоящее время этот титул принадлежит специально обработанному лонсдейлиту. Структура его кристаллической решетки напоминает структуру решетки алмаза, за что данный материал даже получил имя гексагональный алмаз. Как показало компьютерное моделирование, обработанный образец лонсдейлита разрушается при давлении 152 гигапаскаля. Подобные материалы образуются при падении метеоритов.

Алмаз - кстати, по-гречески "адамас", что значит "несокрушимый" - является прямым родственником графита и угля, или, как говорят ученые, аллотропной модификацией углерода (как следствие, например, при температуре 2000 градусов Цельсия в струе кислорода алмаз сгорает почти без следа, превращаясь в углекислый газ). В нем атомы углерода расположены иным образом, нежели в графите. Атомы расположены в кубической гранецентрированной решетке - каждый атом углерода расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре соседа. Среди прочего, именно подобным расположением атомов объясняется необычайная твердость алмаза - образец разрушается при давлении в 97 гигапаскаль.

Надо сказать, что эта модификация углерода издревле привлекала людей своими необычными оптическими свойствами. Дело в том, что у алмаза большие показатели преломления и дисперсия. Как следствие, в случае правильной огранки (то есть когда мы говорим по сути о бриллианте) он очень красиво сверкает, разлагая, среди прочего, свет на спектральные составляющие. Благодаря этой своей в целом интересной, но тривиальной, с точки зрения науки, особенности алмазы относятся к драгоценным камням. В наше время алмазы массово используются в промышленности благодаря своей твердости.

Как возникают алмазы? С точки зрения геологии, есть несколько способов. Так как ученые из Германии и Канады, о которых шла речь в начале статьи, интересовались наиболее распространенным - магматическим - способом, то начнем с наименее вероятных. Ученым известно, что алмазы образуются, с одной стороны, при колоссальном давлении - 50000 атмосфер - и относительно небольшой температуре - 900 -1300 градусов по Цельсию. По мнению исследователей, такие условия могут возникать, например, при падении метеоритов. К таким алмазам относят, например, обнаруженные в кратере Попигай в Сибири.

Еще один способ, крайне редкий, это превращение графита в алмаз. Несмотря на то, что эти два материала - родственники и подобный способ получения алмазов был описан в "Утиных историях" (Скрудж Макдак использовал арахис, чтобы привлечь слонов, которые своим топотом превратили уголь в истощенном месторождении в алмазы), в мире существует единственное месторождение, алмазы в котором появились именно в результате такого процесса. Это Кумдыкульское месторождение, и оно находится в Северном Казахстане, в 25 километрах к юго-западу от города Кокшетау. Алмазы образовались здесь в результате погружения углеродсодержащих осадочных пород в мантию. Такие алмазы называются алмазами метаморфогенного (то есть преобразования под действием температуры и давления) типа.

Сюда же можно отнести так называемые карбонадо - черные алмазы, относительно которых среди ученых до сих пор нет консенсуса. Согласно одному мнению, они образовались в результате падения метеорита, согласно другому - они появились из органического углерода. На это указывает, в частности, соотношение разных изотопов этого элемента в алмазе.

Кимберлит - не единственный материал, связанный с алмазами. В 70-х годах прошлого века в Австралии было открыто богатейшее месторождение преимущественно промышленных алмазов, связанное с лампроитами. Это также вулканическая порода. Примечательно, что алмазы, обнаруженные в разных породах, по свойствам почти не отличаются.

Вместе с тем обычные прозрачные алмазы формируются, с точки зрения геологии, довольно просто. Сначала происходит извержение вулкана. Если все сложилось удачно (в частности, попалась правильная магма), то в том месте, где она прорывалась на поверхность, образуется коническая кимберлитовая трубка. Порода названа так в честь города Кимберли в ЮАР, где впервые эта порода была обнаружена в конце XIX века - до этого момента алмазы находили в руслах рек (так называемые вторичные месторождения), куда они попадали в результате размыва тех же кимберлитовых трубок.

Образование кимберлитовой трубки может происходить только в случае подъема магмы со значительной глубины - примерно 150 километров, что как минимум втрое глубже залегания "обычной" магмы для вулканов. Физические условия, о которых говорилось выше, существуют только там, где располагаются кратоны - ядра материков. Именно эта особая магма поднимается с глубин и, вырываясь на свободу, дает алмазы.

Лучшие друзья девушек

Надо сказать, что в этой теории есть слабое место. Как уже говорилось выше, алмазы горят. Чистого кислорода в мантии, конечно, нет, однако длительное пребывание алмазов в раскаленной толще все равно должно приводить к их уничтожению. Из этого вытекает, что та самая особая магма, о которой говорилось выше, поднимается на поверхность очень и очень быстро. Геологи раньше обходили эту деталь стороной (поднимается и поднимается, что поделать), поэтому точные причины этого процесса были неясны.

В рамках новой работы ученые использовали специальную плавильню, чтобы получить вещество, напоминающее магму из земных глубин. В частности, расплав содержал большое число карбонатов - солей угольной кислоты. Ученые предположили, что в процессе своей жизни такая магма встречается с магмой с большим количеством пироксенов (группой минералов, часто породообразующих, содержащих кремний). Из-за этого способность расплава растворять разного рода вещества - например, углекислый газ - снижается в несколько раз.

Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи добавили в расплав пироксены и стали ждать. По словам одного из ученых, Келли Рассела, он был шокирован, когда буквально за 20 минут горячее вещество превратилось по сути в пену. Из этого ученые заключили, что подобные пенные карманы вполне могут образовываться на глубине около 150 километров.

Конец

Что же происходит, когда такой карман образуется? На огромной скорости он начинает всплывать. При этом скорость всплытия может достигать 40 километров в час. При этом карман при всплытии ускоряется. По словам ученых, это может иметь существенные последствия для теории образования алмазов. Быть может даже, это поможет в поиске новых месторождений. Как бы то ни было, но новая работа позволяет прояснить детали формирования алмазов. А дьявол, как известно, в этих деталях и кроется.

Поскольку все алмазы древности были добыты из россыпей, очень долго оставались непонятными условия образования этих сверкающих камней.

Исключительность свойств алмаза также способствовала образованию вокруг него ореола таинственности.

Во восточным сказаниям "тот, кто носит алмаз, бывает угодным царям, слова его уважаются, сам он зла не боится, не теряет памяти и всегда бывает весел, но если алмаз истолочь в порошок и принять внутрь, то он, подобно яду, причинит смерть. Пристальное созерцание бриллианта разгоняет хандру, снимает с глаз мрачную завесу, делает человека проницательнее и настраивает на веселый лад".

Такие сведения отнюдь не проливали свет на происхождение алмаза.

В конце 18 века ученые доказали углеродную природу алмаза, из чего следовало, что алмаз – родственник печной сажи. Это было достижением науки, но в качестве поискового признака оно не годилось. Поэтому первые коренные месторождения алмазов нашли случайно. Детям, игравшим блестящими камушками, человечество обязано открытием первых алмахных кладовых. Их обнаружили в 1870 году в Южной Африке у местечка Кимберли, откуда все алмазоносные породы всего мира стали называться кимберлитами.

Такими породами заполнены редкие воронкообразные полости в земной коре, называемые также кимберлитовыми трубками, или трубками взрыва.

Согласно первой гипотезе, высказанной на основании изучения трубки Кимберли, алмазы образовались в результате взаимодействия магматического расплава с пластами углей, обломки которых находили среди пород, заполнивших трубку.

Но затем нашли алмазные трубки, которые не содержали угольных обломков. Были также найдены трубки, насыщенные углистым материалом, но совершенно лишенные алмазов.

Сейчас, пожалуй, наиболее распространена следующая гипотеза алмазного синтеза в недрах Земли. При высоких температурах и давлениях в глубинах нашей планеты существует силикатный расплав, из которого образуются горные породы.

Несколько сот миллионов лет назад отдельные, достаточно редкие (около 1000 на всю Землю) капли этого расплава оказались нагреты сильнее других и потому поплыли вверх. Они всплывали в разных местах, но больше всего их собралось в тех районах, которые теперь заняты южной оконечностью Африки и Сибирской платформой.

Почему так произошло, ученые еще не выяснили полностью.

Предполагают, что раньше наша планета имела один праматерик Пангею, в котором Африка и Сибирь были соседями. Пангея затем раскололась на Лавразию и Гондвану, а из них образовались современные материки. В результате дрейфа континентов Африка и Сибирь разошлись по поверхности планеты на многие тысячи километров. Капли попадали в окружение более холодных слоев магматического расплава, и на их поверхности начинали кристаллизовываться силикатные минералы, в результате капли оказывались в оболочке, а учитывая их достаточно солидные размеры, можно сказать, что в камере.

Особенностью химического состава капель было присутсвие так называемых "летучих компонентов" – воды, углекислоты и других газов, поэтому нет ничего удивительного в том, что-таки запечатывавшиеся капли могли взрываться. Взрыв прошивал земную кору, образуя трубку с небольшим расширением вверху, при этом кимберлитовый расплав, насыщенный летучими компонентами, вскипал, подобно шампанскому, в только что открытой бутылке. Происходило резкое охлаждение, и кимберлитовая лава кристаллизовывалась в виде одноименной породы, а летучие продолжали подниматься вверх, поэтому территория в окрестностях кимберлитовых трубок выглядела наподобие современной Долины гейзеров, где в клубах пара бурлят потоки горячей воды.

Внешние проявления этой экзотики сейчас отсутствууют, а вот струи из углекислоты, метана, азота и водорода геологи постоянно встречают в кимберлитовых трубках. Иногда такое дыхание земных недр бывает весьма ощутимым.

Однажды при бурении скважины на одной из кимберлитовых трубок неожиданно ударил газовый фонтан из метана и водорода и горел ярким факелом несколько дней.

Природу газов в кимберлитах удалось установить с помощью изотопного анализа углерода. Оказалось, что углерод из углекислоты и метана – тяжелый, т. е. имеет изотопный состав углерода такой же, как и в глубине Земли, в мантии. Отсюда ясен источник углерода самих алмазов – они действительно образуются в самом пекле.

Существуют и другие предположения, объясняющие происхождение алмазов.

Среди них отсутствует одно – абсолютно верное, которое помогло бы налалить промышленный синтез ювелирных алмазов.

Объяснить, как образуются алмазы в кимберлитах, оказалось значительно труднее, чем освоить их промышленное производство. В начале 50-х годов 20 века с этой задачей как будто бы справились. В 1970 году промышленные предприятия США израсходовали 3,5 тонны искусственных алмазов. Но, несмотря на постоянный рост производства синтетических алмазов, добыча природных алмазов не только не сокращается, но и имеет тенденцию к расширению . Искусственные алмазы, к сожалению, обычно довольно низкого качества, поэтому используются только в технических целях. Да и стоимость их достаточно высока.

Мастерство природы при изготовлении алмазных кристаллов осталось непревзойденным.

Больше всего сведений о химическом составе внутренних зон Земли дает изучение не земных пород, а метеоритов, которые как считают ученые, являются основным строительным материалом Солнечной системы. Еще одним каналом информации о составе земных недр стали включения ультраосновных (бедных кремнекислотой) горных пород в кимберлитах, что само по себе подтверждает метеоритную гипотезу происхождения Земли.

Прежде чем стать кимберлитом, глубинный магматический расплав проходит, точнее проплывает, долгий путь из недр к поверхности. Вместе с алмазами кимберлитовая магма приносит образцы глубинных горных пород, из которых состоит земная мантия. Геологи называют такие образцы кимберлитовыми включениями и оказывают им исключительное внимание, так как эти породы доставлены на поверхность с глубины в несколько сот километров.

перидотит

Изучение химического и минерального состава алмазных спутников-пришельцев из мантии дает очень ценную информацию о глубоких зонах нашей планеты.

Большинство ультраосновных включений в кимберлитах состоит из горной породы – перидотита, образованного двумя минералами – оливином и пироксеном. Это говорит в пользу предположения ученых о том, что земная мантия состоит в основном из перидотита.

Кроме минералов ультраосновных пород в кимберлитах находят более редкие минералы, например, одну из модификаций кварца – коэсит. В то же время другую модификацию кварца – стишовит, образующийся при более высоком давлении, в кимберлитах никогда не обнаруживали.

На основании этих сведений ученые сумели рассчитать максимальную глубину образования алмазоносных пород. Ее указала точка пересечения кривой инверсии коэсит – стишовит и континентальной геотермы, которая представляет собой зависимость температуры от глубины. Получилось, что максимальная глубина образования кимберлитов 300 км, на такой глубине господствует давление 100 килобар.

Максимальную глубину образования кимберлитов подсказали алмазы. Пересечение инверсионной кривой алмаз – графит с континентальной геотермой дает давление около 35 килобар и температуру 800 градусов, что соответствует глубине 105 км.

Условия кристаллизации алмаза таковы, что при понижении давления необходимо увеличение температуры. Следовательно, присутствие алмаза в кимберлите служит доказательством образования алмазной породы на глубине более 100 км.

Ультраосновные включения в кимберлитах – еще одно свидетельство исключительности условий, при которых возникают алмазы.

Кимберлиты – породы вулканические, таких пород на Земле великое множество, и происхождение их связано с глубинным веществом мантии. Однако ультраосновные включения – почти полная монополия кимберлитов.