Алмаз – окаменевший газ из космоса

13 апреля 2020 Pavlo Chaika

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Среди загадок геологии одна из наиболее старых была задана ученым в конце позапрошлого века, когда стали известны кимберлиты и карбонатиты. «Глубинные породы, приуроченные к платформам и представленные трубообразными телами»,— сообщает о них справочник. За этим лаконизмом скрыты многочисленные безответные вопросы. Почему глубинные породы прорываются к поверхности в самых, казалось бы, неподходящих местах — сквозь мощную кору платформ, жестких блоков земной коры, где слабо проявлены тектонические движения? Почему они залегают в виде вертикальных столбов? Почему алмазы концентрируются именно в кимберлитах, а не в других породах мантии? Почему в глубинах Земли возникает магма из смеси известняка и соды, образующая карбонатитовые трубки?

Мне думается, что на эти и многие другие вопросы можно попытаться ответить, если предположить, что первопричина заключена в особенностях поведения углерода — элемента-хамелеона, рекордсмена менделеевской таблицы по числу соединений, в которых он принимает участие. (К слову у некоторых школьников, обучающихся в школах с усиленным наклоном по химии, даже школьная форма имеет на себе изображение символа углерода, этого важнейшего химического элемента)

Итак, главный герой нашего рассказа — углерод, но только не обычный, поверхностный, а мантийный, пришедший из глубин планеты. Из огромного количества углеродсодержащих веществ мы выберем два очень не похожих друг на друга минерала — алмаз и кальцит. Два камня, две маски, за которыми скрывается один и тот же актер, пришелец из недоступной и загадочной мантии Земли — мощного слоя, залегающего под земной корой.

Первая встреча

Сенсация 1867 года: в Южной Африке нашли алмазы. Обнаружили их совершенно случайно. Охотник на страусов Джон О’Рейли заехал к знакомому фермеру голландцу Ван-Никерку, жившему в долине реки Вааль. В это время маленький сын фермера играл, выбирая из груды речного песка красивые камушки. О’Рейли заинтересовался ярким блеском одного камня. Он взял его и с удивлением увидел, что это прозрачный, как стекло, кристалл-восьмигранник, октаэдр. Камень был твердым и на оконном стекле оставлял глубокую черту.

— Да ведь это алмаз! — воскликнул О’Рейли.
— Возьмите себе эту драгоценность,— засмеялся хозяин,— такие «алмазы» кучами валяются вокруг моей фермы!

Но камень так поразил охотника, что он немедленно отправился в Капстад (ныне Кейптаун) — показать кристалл ювелирам. По дороге он заехал в поселок Кольбург и здесь встретил знакомого — доктора Атерстона. Друзья зашли в кабачок, и О’Рейли начал хвастать своей находкой. Камень пошел по рукам. Мнение посетителей кабачка было единодушным:

— Занимайся, Джон, страусиными перьями, а поиски сокровищ оставь для других.

Расстроенный охотник схватил кристалл и вышвырнул его в окно. История открытия южноафриканских алмазов была бы совсем иной, если бы не доктор Атерстон, который стремглав бросился на улицу и отыскал камень в придорожной пыли. Затем он схватил охотника за руку и потащил к себе домой.

— Это самый настоящий алмаз,— зашептал он,— в нем не меньше двадцати пяти каратов!..

Весть о находке крупного алмаза на реке Вааль мгновенно разнеслась среди белых переселенцев в Южной Африке. Все бросились промывать пески в районе фермы Ван-Никерка. А в 1871 году были открыты богатейшие залежи алмазов в двадцати милях от Вааля — у озера Дютуа. По рассказам очевидцев, россыпи крупных алмазов лежали грудами прямо на поверхности желтой глины.

Началась настоящая алмазная лихорадка. Тысячи людей ринулись сюда со всех концов света. В короткий срок у озера вырос город с населением более 50 тысяч человек. Прямо в центре города находилась богатейшая копь — Кимберли. Земля здесь была необычная — ярко-желтого цвета, сменявшаяся на глубине зеленовато-синей. Старатели дробили ее, просеивали и выбирали драгоценные кристаллы. Они и не подозревали, что имеют дело с первым в мире коренным месторождением алмазов. Впрочем, ни один геолог тогда не знал, откуда берутся алмазы. Ведь их находили только в речных песках, главным образом в Индии, откуда с древнейших времен «адамас» — «непреодолимый» по-гречески — поступал на мировой рынок.

Через несколько месяцев работы добытчики алмазов на копи Кимберли с удивлением заметили, что они работают как бы в колодце с вертикальными стенами. В породах за пределами колодца алмазов не было и в помине. Через десяток лет неглубокий колодец превратился в трубу, набитую алмазной рудой и уходящую в бездны Земли. Алмазоносная порода привлекла внимание геологов, и в 1887 году геолог Льюис детально описал ее и назвал кимберлитом.

…История карбонатитов совсем другая. Они никогда не пользовались особой популярностью. Больше того, еще сравнительно недавно карбонатиты были неизвестны даже геологам, а их выходы на поверхность принимали за мрамор. А мрамор образуется из обычного ракушечника, опущенного в зону высоких температур и давлений. Известняк возвращается из глубин преображенным: шероховатый и пористый, он превращается в благородную кристаллическую породу, состоящую из кристаллов кальцита. Нередко в мраморе сохраняются остатки раковин, иглы морских ежей, членики морских лилий — свидетельства первично-осадочной природы камня.

Но вот в 1895 году геолог Хёгбом описал на шведском острове Альнё мраморные жилы… магматического происхождения. Он утверждал, что кальцит был расплавлен и кристаллизовался вместе с высокотемпературными силикатами. Это была очень смелая и необычная для того времени точка зрения, поскольку известно, что кальцит уже при 800° разлагается на окись кальция и углекислоту. Идея опередила свое время: специалисты не обратили на нее внимания.

Значительно большую известность приобрела работа известного минералога Брёггера по району Фен, в Норвегии. Он пришел к выводу, что издавна известные здесь мраморы являются на самом деле магматическими породами: высокое давление повышало температуру разложения карбоната и потому делало его устойчивым даже в горячем расплаве.

Вот этот магматический мрамор и получил название «карбонатит».

Более детальное знакомство

Характерной особенностью кимберлита оказалась его структура: порода состояла из округлых обломков и очень напоминала обычный речной галечник. Последующие находки показали, что этим «галечником» набиты вертикальные трубки диаметром до километра. Трубки, в свою очередь оказались приуроченными к крупным жестким блокам земной коры — платформам.

Состав алмаза удивительно прост — это чистый углерод. Точно такой же состав у графита. При давлении свыше 10 тысяч атмосфер и температуре более 1200° из графита получают алмаз. Поэтому, начиная со школьных учебников, алмаз и графит всегда рассматриваются совместно.

Между тем алмаз из кимберлитовых трубок, видимо, не имеет к графиту никакого отношения: об этом свидетельствует разница изотопного состава углерода. На клич «Мы одной крови, ты и я», алмазу отзовутся лишь редчайшие минералы-карбиды, найденные в метеоритах или в породах мантии Земли, и… кальцит. Да-да, широко распространенный минерал кальцит, но только не тот из которого сложены пласты известняков и мраморов, а совсем другой, внешне неотличимый, встречающийся в «мраморных» столбах, тянущихся к поверхности из глубин планеты,— именно тот глубинный мрамор, который был назван Брёггером карбонатитом. Соотношение изотопов С12:С13 в кальците из карбонатитов такое же, как в алмазе. Логично предположить, что оба эти минерала возникли из одного и того же углерода мантии.

…История изучения карбонатитов оказалась насыщенной событиями. Идеи Брёггера многим геологам показались неверными, завязалась дискуссия. И в 1923 году район Фен посетил знаменитый американский петролог Боуэн, «законодатель мод» в геологии, мнение которого ценилось очень высоко. Боуэн раскритиковал Брёггера и отверг его гипотезу. Авторитет Боуэна сыграл свою роль, и в течение нескольких десятилетий ни в одном солидном учебнике по петрологии не появилось даже упоминания о карбонатных магматических породах, описанных Хёгбомом и Брёггером: конечно, геология невозможна без гипотез, но фантазиям геологов должны быть границы!..

А между тем в 1929 году английский геолог Дикси обнаружил в бассейне реки Замбези группу потухших вулканов, среди которых самым высоким был крупный вулканический конус — гора Чилва. Взобравшись на эту вершину, Дикси с удивлением увидел, что жерло вулкана как бы забито огромной пробкой из мрамора. Что это: остатки известняковых отложений или натечный туф?.. А может быть, действительно существует мраморная лава?.. Только в 1937 году Дикси в соавторстве с петрографом Смитом (вдвоем не так страшно!) решился опубликовать работу, в которой утверждалось, что мраморовидные породы горы Чилва произошли из расплава. Однако мир в то время волновали другие проблемы, и статья Дикси и Смита осталась незамеченной.

Лишь после войны, в 1948 году, известный ученый Эккерман снова вернулся к мраморным жилам острова Альнё. В своей статье Эккерман категорически настаивал на их магматическом происхождении. Как раз в это время в Уганде геологи нашли огромные кольцевые структуры, где в центре залегали карбонатные породы, а по краям — богатейшие залежи апатита и магнетита. Резко повышенный в то время интерес к урану заставил провести изучение радиоактивности карбонатного ядра. При этом выяснилось, что «мрамор» здесь содержит много тория, а в радиоктивных минералах концентрируются ниобий, тантал, редкие земли, цирконий. Редкометальные минералы были обнаружены в карбонатных породах острова Альнё и района Фен. Получилось, что карбонатиты — это новый перспективный тип месторождений стратегического сырья, железа, фосфора. Вот тогда ими заинтересовались геологические службы всех стран. В США, Канаде, России началась ревизия «мраморов».

Ранее в течение многих лет преобладала точка зрения, согласно которой карбонатиты образовались из водных растворов при замещении кальцитом магматических пород примерно так же, как когда-то думал Боуэн. Согласно этому мнению, карбонатиты не были глубинными образованиями. Сомнения появились после изотопного анализа кальцита: углерод карбонатитов оказался сверхглубинным, мантийным. Окончательный удар по точке зрения, высказанной Боуэном, нанесли сенсационные сообщения из Африки. Здесь геологи могли собственными глазами наблюдать, как из вулканов Керимаси, Калиянго, Олдоиньо-Ленгаи вытекала самая настоящая карбонатная лава.

Правда, это был не чистый кальцит, а смесь карбонатов натрия, калия и кальция. Фактически карбонатная лава оказалась расплавленной содой, в которой был растворен кальцит. Итак, Хёгбом и Брёггер оказались правы. Надо отдать должное их блестящей научной интуиции — ведь они очень многого не знали!

Кимберлиты и карбонатиты — братья-близнецы

У каждой эпохи – свои проблемы. Брёггер действительно многого не знал. Зато мы сейчас, возможно, знаем слишком много — потому что количество научных публикаций по разнообразнейшим проблемам, связанным с кимберлитами и карбонатитами, измеряется ныне десятками тысяч. Здесь и геология, и петрография, и геохимия, здесь минералогия, петрология, изотопный анализ, экономика, история, синтез, эксперимент и т. д., тем не менее, ясности мало. Может быть, даже меньше, чем во времена Брёггера.

Как возникли кимберлиты и карбонатиты? Число гипотез исчисляется десятками. За кимберлитовыми телами в геологической литературе прочно закрепился термин «трубка взрыва». Так он и идет — из учебника в учебник, из справочника в справочник. Считается, что взрывалось «нечто» в верхней мантии и пробивало земную кору насквозь, как кумулятивный бронебойный снаряд.

Между тем подземные ядерные взрывы показали, что никаких вертикальных труб при этом не образуется. Взрыв «не знает», где верх, где низ; в однородных горных породах он действует во все стороны равномерно и образует камеру сферической формы.

Направленные подземные взрывы большой мощности пока что делать не научились и вряд ли их умеет делать природа. Гипотезу подправили: взрывов было много, они следовали один за другим, как при проходке восстающего шахтного ствола. Но какой загадочный механизм ведет равномерную подачу взрывчатого вещества, из чего состоит взрывчатка, откуда берется кислород, если взрыв имеет химическую природу? И почему, собственно, взрыв?..

Считается, что на взрывной характер указывает обломочный характер породы. Но в том-то все и дело, что слагающие кимберлит фрагменты в большинстве случаев имеют не остроугольную, а округлую, окатанную форму, они напоминают речной песок, морскую гальку, валуны из горных рек.

Но ведь галька не образуется при взрыве! Может быть, это оплавление? Нет, потому что никто не находил следов остекловапия или закалки на поверхности галек, состоящих из очень тугоплавких минералов. Может быть, химическое растворение? Тоже нет, потому что формы растворения хорошо изучены: они связаны с кристаллографическими особенностями минералов.

Не здесь ли следует искать разгадку происхождения кимберлита? Кимберлитовые трубки забиты галькой, и лишь один минерал сохраняет грани кристаллов — алмаз. Кристаллы алмаза часто бывают разбиты, но они не окатаны. Грани их гладкие, ребра острые. Может быть, алмаз слишком тверд? Нет, алмазы в россыпях, особенно в прибрежных морских россыпях, нередко сильно истерты — за счет бесчисленных ударов. Ведь алмаз, хотя и очень тверд, довольно хрупок, легко раскалывается и оббивается при резких ударах.

Считается, что алмаз кристаллизуется в мантии, на глубине более 100 километров при гигантском давлении в 35 тысяч атмосфер и довольно высокой температуре — около 800°С. Эти данные получены, исходя из кривой равновесия системы алмаз — графит. Но при чем здесь графит? В мантии его нет, углерод в ней находится в форме карбидов и метана. Правда, алмазы сейчас получают на заводах из графита, но эти камни технические, а не ювелирные, стоимость которых в сотни и тысячи раз выше. Видимо, природа вырабатывает прозрачные алмазы иным путем. Каким же?

Академик А. Е. Ферсман, длительное время изучавший алмазы, писал: «…Алмаз до сих пор хранит тайну своего происхождения, и то, чего добилась наука, еще далеко от разрешения проблемы в целом. Но нет никакого сомнения, что проблема будет решена, и вероятно, ее решение будет гораздо проще, чем думают,— в области тех невысоких температур, в которых устойчива эта кристаллическая разность углерода ».

Прозорливость А. Е. Ферсмана была, казалось бы, подтверждена, когда в 1969 году известный ученый Б. В. Дерягин сообщил о синтезе алмазных «усов» из метана при невысоких температуре и давлении.

Итак, предположим…

Отчего нам сегодня не предположить, что такая же реакция может идти в природе? Если это так, то в алмазе должны сохраниться следы той среды, в которой он рос. Анализы показали: да, действительно, в крохотных пузырьках-включениях содержатся метан, водород, окись углерода. Выходит, что трубка — это зона концентрации углеродистого мантийного флюида, смеси метана и водорода. Иначе говоря, трубка — полость, где накапливается газообразный мантийный углерод. Шлифовка и окатывание огромного количества обломков пород и минералов наглядно свидетельствуют о том, что газ находился в постоянном движении, вращая и перемещая довольно крупные валуны.

В вихревых потоках метана, по-видимому, кристаллизуются настоящие — чистейшей воды — алмазы типа знаменитого «Куллинана», крупнейшего в мире алмаза весом более 600 граммов. Важную роль, вероятно, играет и кислород. Он способствует окислению водорода в молекуле метана. Загадочные округлые алмазы, очевидно, представляют собой частично «обгоревшие» — окисленные кристаллы: ведь именно такие формы исследователи наблюдали, помещая кристаллы алмаза в богатые кислородом расплавы, например в расплавленную селитру.

И, наконец, на кристаллизацию алмазов из газа указывает еще один факт: алмазы кимберлитов содержат примесь азота, входящего в кристаллическую структуру на место атомов углерода. Не исключено, что азот является катализатором роста драгоценного алмаза; ведь не случайно содержание азота в нем достигает 0.5 процента!

Но все эти рассуждения хороши лишь в том случае, если можно найти механизм, с помощью которого возникают гигантские трубки, пронизывающие земную кору. Вот каким представляется он мне. Вспомним, что труба получается путем протыкания или сверления. Никакие движения земной коры не могут создать трубу, тем более на жесткой платформе. А как проткнуть платформу? Ведь для этого нужна огромная сила, действующая вертикально вверх из мантии Земли.

Геологам хорошо известны структуры протыкания — они называются диапировыми, а наблюдаются на месторождениях обычной каменной соли. Пласты соли под давлением вышележащих пластов становятся пластичными и в виде огромных колонн поднимаются к поверхности, протыкая километровые толщи осадочных пород. Фактически соль «всплывает» в земной коре, подчиняясь закону Архимеда: небольшая разница в плотности соли и окружающих пород при большом объеме соляного пласта создает огромную выталкивающую силу. При этом возникает «эффект иглы»: выталкивающая сила сосредоточивается на сравнительно небольшой площади, создавая зону очень высокого давления, пробивающего песчаники, известняки, сланцы.

Общепринято, что при формировании кимберлитовых трубок большую роль играл так называемый «флюид», то есть смесь сильно сжатых и нагретых газов. Ежегодно вдоль окраин континентальных плит из вулканов в атмосферу выделяются десятки кубических километров газов. Если исключить из них пары воды, то окажется, что они состоят главным образом из углекислоты, в значительно меньших количествах в составе газов присутствуют метан, водород, азот. Изотопный анализ показал, что из вулканов выделяется мантийный углерод. Собственно говоря, вулканы — зоны современной дегазации мантии, а углекислота это окисленный метан.

На окраинах континентов, где океаническая земная кора погружается в глубины земли, существует множество глубинных разломов — там газы и находят себе выход. Но что случится, если дегазация мантии идет под газонепроницаемыми плитами платформ? По-видимому, этот процесс также существует, хотя он и не дает о себе знать с таким шумом, как катастрофические извержения вулканов. Флюид, как известно, отличается необычайной подвижностью, по-видимому он может перемещаться и накапливаться в значительных количествах на границе коры и мантии. И в этом случае в действие вступает древний закон Архимеда: на кубический километр флюида, гораздо более легкого, чем соль, действует выталкивающая сила около 2—2,5 миллиарда тонн!

И если она будет приложена к сравнительно небольшой площади, получится естественное сверло, способное пробурить земную кору. Водородно-метановый флюид в глубинах Земли обладает огромной потенциальной энергией, но к ней добавляется еще и значительный запас химической. Ведь флюид водород — метан окисляясь переходит во флюид вода — углекислота; реакция эта отличается необычайно высоким выделением тепла. Конечно, раскаленный газовый флюид обладает гораздо большей протыкающей силой, чем соль. Он способен пробить земную кору и как лидер вывести к поверхности глубинные породы. Возможно, что вихревые газовые потоки с обилием камней создают дополнительный бурящий эффект.

Гигантский газовый пузырь прогрызает верхнюю мантию, базальтовый и гранитный слои, а в зону пониженного давления вслед за ним вдавливаются глубинные породы. И на вопрос, почему трубы приурочены к платформам, мы ответим: потому что платформы — это мощные газонепроницаемые плиты, концентрирующие газ на большой глубине.

Так почему же мрамор, а не алмаз?

Карбонатиты, как и кимберлиты, прорываются сквозь платформы, только не в центре, а по краям. Для них также характерны трубообразные залежи, углерод в них мантийный… В чем же разница, почему в одних случаях возникает кимберлит, а в других — карбонатит? Ответ надо искать в глубинном режиме кислорода. Приуроченность карбонатитов к окраинам платформ не случайна. Видимо здесь, на окраинах жестких плит, создается напряженная тектоническая обстановка, возникают зоны смятия и глубинного взаимодействия богатой кислородом коры и мантии, и все это способствует окислению водородно-мета нового флюида. Именно здесь в силу тех или иных причин подземный кислород превращает этот флюид в углекислотный.

Стоит допустить это предположение, и дальше все становится проще. Эксперименты свидетельствуют о том, что при сверхвысоких давлениях и высокой температуре углекислотный флюид приобретает сильные кислотные свойства. Значит, он должен был быть как-то нейтрализован и нейтрализация эта в глубинах Земли могла бы идти за счет щелочей — натрия и калия, а также щелочноземельных элементов — кальция, стронция, магния. И в самом деле, все эти элементы входят в состав карбонатитовых лав африканских вулканов, да и в известных нам карбонатитовых массивах тоже всегда повышено содержание стронция и магния.

Геофизические исследования района Фен показали, что здесь из глубин поднята колонна мантийных тяжелых пород, на вершине которой, как шапочка, сохранилось несколько сотен метров щелочных пород и карбонатитов. Иногда эрозия почти полностью срезает щелочные породы и карбонатиты — и тогда на поверхность вылезает чудовищный столб дунитов или пироксенитов, посланцев мантии. На аэроснимке можно увидеть один из таких столбов: гигантским кольцом стоит горный хребет, сложенный осадочными породами, гранитоидами и измененными породами, пропитанными щелочами. Диаметр кольца более 10 километров! А в центре его — тоже в форме правильного круга – залегают глубинные оливиновые породы — дуниты. Они легко выветриваются и поэтому центральная часть кольцевой структуры понижена. В трещинах дунитов сохранились жилы щелочных пород и карбонатитов. Разница в возрасте дунитов и щелочных пород составляет сотни миллионов лет: древние породы были выдавлены в трубу, где «окаменел» углекислотный флюид, превратившийся в карбонатиты и щелочные породы.

Что же в итоге?

Окатанные обломки горных пород и некоторых минералов, встреченные в карбонатитах, свидетельствуют о том, что механизм их формирования имеет общие черты с кимберлитами. В обоих случаях, и в кимберлитах и в карбонатитах. флюид выступает как лидер — он прокладывает путь.

Но есть, конечно, и очень большая разница. Кимберлиты — это продукт механического, термического и в меньшей степени химического воздействия глубинного флюида на окружающие породы, а карбонатит — прежде всего продукт нейтрализации предварительно окисленного мантийного флюида. Растворенные в нем вещества, следуя за флюидом, как бы выталкиваются вверх – поршнем — поднимающейся в зону пониженного давления мантийной породой.

Итак, предполагаемая схема образования карбонатитов: окисление водородно-метанового флюида в углекислотный флюид — нейтрализация углекислотного флюида в процессе формирования вертикальной трубы и, наконец, «поршневой эффект» — выжимание продуктов нейтрализации колонной глубинных пород к земной поверхности.

А в основе всех процессов — элемент-хамелеон углерод. Поистине неожиданной оказалась его роль: он и в газах, и в минералах, он формирует удивительные геологические структуры на Земле. И во всех этих случаях «работает» углерод глубинных зон планеты. Откуда он? Из нижней мантии или из загадочного ядра Земли? Неизвестно. Но ясно, что этот углерод сродни тому углероду, который в форме групп CN и CH4 входит в состав межзвездного газа, и в виде метана формирует плотные атмосферы Юпитера и Сатурна и обнаруживается в упавших на Землю метеоритах. Это углерод протопланетной стадии развития Земли, миллиарды лет хранившийся в подвалах планеты, окаменевший газ космоса. И лишь необратимый процесс дегазации вынес его в наш поверхностный мир — в виде мраморных столбов или сверкающих самоцветов.