CC BY
38
^е&ъАик, апрель, 2005 г., № 4
БРАЗИЛЬСКИЕ КАРБОНАДО - САМЫЕ БАРОФИЛЬНЫЕ И ТУГОПЛАВКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ НА ЗЕМЛЕ
Д. г.-м. н. Б. А. Мальков
Карбонадо — скрытокристаллический мономинеральный породный агрегат алмазнык кристаллитов, известный в россыпях Бразилии и Центрально-Африканской Республики (рис. 1). Он отличается рядом особенностей, не позволяющих отождествлять его с алмазами и агрегатами эндогенного происхождения. А некоторые свойства карбонадо, такие, как криптозернистость и парагенезис алмаза с карбидом кремния, присутствие
ратуры и давления образования карбонадо до последнего времени оценивались по аналогии с мантийными алмазами либо путем сравнения с модельными системами. Особенности бразильских карбонадо, выгявленные недавно [1, 2, 5], позволяют нам сегодня впервые определить РТ-область их кристаллизации на фазовой диаграмме углерода.
1) Так, в решетке его алмазнык кристаллитов методом рентгеновской спек-
Рис. 1. Желвачки бразильских карбонадо по Ю. Л. Орлову [7]
в нем инородных включений ряда тугоплавких минералов (2гёЮф 2г02, ТЮ2, 81О2) и самородных элементов (81, Бе, Сг, N1, Р1), позволяют отдать предпочтение его импактному происхождению за счет высокоуглеродистых пород типа шунгитов или горючих сланцев [1], имеющих такой же «облегченный» изотопный состав углерода. И сейчас уже имеются все основания для выщеления ряда «алмазитов», различающихся по унаследованному от пород мишени изотопному составу углерода: якутитов (апог-рафитовык), тогоритов (апоугольнык) и карбонадо (апошунгитовык) [1]. Темпе* Коми государственный пединститут, Сыктывкар
троскопии зафиксирован специфический дефект, обусловленный примес-ныш 81° [2], который первоначально входил в кристаллическую решетку алмаза при максимальных импульсных давлениях, а при спаде последнего занял позицию в октаэдрических пустотах алмазной решетки [1].
2) Присутствие в алмазнык кристаллитах, слагающих карбонадо, пластин-чатык закономерных (эндотаксиальнык) вростков 81С [1, 4] позволяет предполагать их (вростков) образование при Т < 3100 К, так как выше этой температуры, при давлении 8—9 ГПа карбид кремния уже подвергается инконгруэн-тному плавлению.
3) Более крупный размер кристаллитов, от 1 до 20 мкм, слагающих карбонадо, в сравнении с якутитом и того-ритом позволяет предполагать относительно длительный, порядка долей секунды, период его кристаллизации в импактном расплаве.
4) Отсутствие в карбонадо лонсдей-литовой фазы говорит о его (карбонадо) кристаллизации из углеродного расплава.
5) Своеобразие набора азотнык дефектов, заключающееся в преобладании вакансионных одноатомных МУ, двухатомных УЪ^У трехатомных ^У ассоци-атов при полном отсутствии азотных сегрегаций типа «плейгелитс», свидетельствуют о том, что алмазные кристаллиты совсем не подвергались мантийному отжигу и кристаллизовались вне мантии.
6) Присутствие платины, рутила, циркона и бадделеита в межзерновых пространствах алмазного агрегата говорит об очень высоких температурах ос-таточнык расплавов.
Изоморфизм углерода и кремния возможен только при очень высоких давлениях, достигавших, согласно расчетам [1], 62—75 ГПа, и соответствующих ему температурах от 5200 до 5250 К на линии плавления алмаза [3]. Пористость бразильских карбонадо отражает импакт-ную специфику их образования, связанную с тем, что в породах при их ударноволновом сжатии и нагреве возникает гетерогенный агрегат несмешивающихся мономинеральных расплавов, кристаллизующихся самостоятельно при быстром спаде высоких импульсных давлений и температур. Такая гетерогенная структура приводит к тому, что горячий углеродный расплав кристаллизуется первым, вовлекая в свою алмазную решетку атомарный азот и примесный 8і°. Все другие порции расплавов оказыгва-ются в кавернах и порах закристаллизовавшейся алмазной матрицы. На стенках микрополостей из них сначала кристаллизуются самые тугоплавкие минералы: 8іС, 2г02, Ті02, Рі Их температуры плавления при нормальных условиях соответственно: > 2973, 2953, 2128,
Se&fcAuK, апрель, 2005 г., № 4
2042 К, а в диапазоне давления 20— 75 ГПа они должны заметно повышаться, хотя точные справочные данные для высоких давлений отсутствуют. Представляют интерес относительно крупные (40—50 мкм) приповерхностные включения 2гёЮ4 и 81О2 в желвачках бразильских карбонадо. Изредка округлые «оплавленные» зерна 81О2 находятся внутри последних в «плотном» окружении алмазных кристаллитов. Первоначально это мог быть стишовит, коэсит или леша-тельерит, которые присутствуют в импак-титах многих земных астроблем. Предполагаемая область давлений и температур кристаллизации карбонадо должна прилегать к линии плавления алмаза на фазовой диаграмме углерода [3], находясь выше линий плавления бадделеи-та и рутила. Высокобарному (62— 75 ГПа) отрезку линии плавления алмаза соответствует интервал температур 5200—5250 К. Расчет указанного давления кристаллизации мы осуществили кристаллофизическим методом [1], использовав присутствие в алмазных кристаллитах примесного 81°. Косвенными индикаторами температур и давлений служат бад-делеит, циркон, рутил, плагина, находящиеся в кавернах карбонадо, и особенности самих алмазных кристаллитов, слагающих карбонадо: присутствие в них примесного 81° и ориентированных пластинчатых вростков 81С. О кристаллизации бразильских карбонадо из расплава говорит их тектическая структура и отсутствие в них лонсдейлитовой фазы. Абсолютное преобладание структурных дефектов, отвечающих одиночным атомам примесного азота, исключает предположения об их мантийной кристаллизации и длительном мантийном отжиге.
Примесный 81° в решетке алмазных кристаллитов — индикатор гипербари-ческих (> 62 ГПа) условий образования карбонадо [1]. В импактных алмазах ударно-метаморфического типа, якутите и тогорите, примесный кремний отсутствует, хотя порядок импульсных давлений был примерно таким же. В шунги-товой мишени, в отличие от графитовой и угольной, при шоковой диссоциации кремнезема высвобождался атомарный кремний, попадавший сразу в углеродный расплав, где при гипербарической кристаллизации карбонадо он сначала изоморфно входил в решетку алмазных кристаллитов, а при спаде импульсных давлений — из узлов алмазной решетки попадал в октаэдрические пустоты, объем которых совпадает с объемом
атомов кремния [1]. Вростки карбида кремния (8ІС) в алмазных кристаллитах карбонадо, вышвленные микрозондом [1,
4], не имеют аналогов в других разновидностях импактных и мантийнык алмазов. Расчеты показытают [1], что эн-
но (рис. 2), что ареал кристаллизации карбонадо прилегает к линии плавления алмаза при 60—80 ГПа, находясь в самой высокотемпературной части области полного плавления силикатных пород. Отсюда следует, что бразильские карбонадо —
Pressure GPa
Рис.2. Область кристаллизации бразильских карбонадо из расплава на РТ-диаграмме, определяющей фации ударно-волнового метаморфизма и плавления силикатных пород [5]. LIQ — выгсокотемпературный углеродный ликвидус в диапазоне 60—80 ГПа, адекватный условиям кристаллизации «бразильских карбонадо»
дотаксиальные вростки 81С в алмазных кристаллитах, слагающих карбонадо, появлялись только при давлениях 22— 24 ГПа. Гексагональная барофильная модификация углерода, лонсдейлит, рассматривается как индикатор импактно-го происхождения алмазов. Но парадоксальность бразильских и африканских карбонадо как раз и заключается в отсутствии в их кристаллитах лонсдейлито-вой фазы. И причина этого кроется в том, что «шунгитовый» субстрат испытал не только колоссальные шоковые нагрузки в 62—75 ГПа, но и сильнейший, выше углеродного ликвидуса 5200— 5250 К, мгновенный адиабатический разогрев и полное расплавление с последующей очень быстрой раскристалли-зацией в алмазный породный агрегат, называемый «карбонадо». Импактный способ образования роднит карбонадо с якутитами. Но принципиальная разница заключается в кристаллизации первых из горячего (> 5250 К) ударного расплава, а вторых — в образовании при твердофазном превращении кристаллов графита в алмаз-лонсдейлитовые параморфозы при «умеренных» температурах (1500—1700 К). На диаграмме давлений и температур, определяющей области существования углеродного расплава, полей ударно-волнового метаморфизма и плавления силикатных пород [5], вид-
это самые барофильные (62—75 ГПа) и тугоплавкие (5200—5250 K) импактные горные породы, которые когда-либо существовали на Земле.
Автор признателен А. М. Асхабову, В. П. Лютоеву, В. И. Ракину за продуктивное обсуждение затронутой проблемы.
Литература
1. Мальков Б. А., Ракин В. И. Примесный кремний — индикатор гипербарических условий образования карбонадо // Углерод: минералогия, геохимия и космохимия: Материалы Междунар. конф. Сыктывкар: Геопринт, 2003. С. 67—68. 2. МинееваР. М., Сперанский А. В., Егоров Б. Л. и др. Дефекты в карбонадо: аналог радиационного центра R1 в алмазе // ДАН. 1999. Т. 367, № 2. С. 238— 240. 3. BundyF P.,Basset W. A., WeathersM. S., et al. The pressure-temperature phase and transformation diagram for carbon; updated through 1994 // Carbon. 1996. V. 34, № 2, P. 141—153. 4. De S. et al. Microstructural observations of polycrystalline diamond: a contribution to the carbonado conundrum // Earth and Planet. Sci. Letters. 1998. V. 164. P. 421—433. 5. Martinez I., Schdrer U., GuyotF. Impact-induced phase transformation at 50—60 GPa in continental crust: an EPMA and ATEM study // Earth and Planet Sci. Letters. 1993. V. 119. P 207—223.
6. Smith V J., Dawson J. B. Carbonado: Diamond aggregates from early impact of crustal rocks? // Geology. 1985. V 13. P. 342—343.
7. Орлов Ю. Л. Минералогия алмаза. М.: Наука, 1973. 224 с.
