CC BY
69О ПРОИСХОЖДЕНИИ АЛМАЗА
Владимир Ст епанович
доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник Института геологии алмаза и благородных мет аллов СО РАН.
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 малоглубинной 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. Лейпун-ским 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 кимбер-
В. С. Шкодзинский
литовых 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 [1]; различие внутреннего строения алмазов из кимберлитов и мантийных ксенолитов [2]; 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 пересыщения среды кристаллизации углеро-
На фото вверху - якутские алмазы с включением минералов (трубка «Мир»). Слева - в поляризованном свете; справа - фотолюминесценция.
Фото А.Д. Павлушина.
Карьер трубки «Сытыканская» (Якутия).
Фот о А.Е. Васильевой.
дом. 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 родоначальных для кимберлитов расплавах с повышением содержания в них кремнекислоты должно уменьшаться, как отмечалось, количество окта-эдрических кристаллов и возрастать - додекаэдричес-ких и других разновидностей. К последним, по Ю.Л. Орлову, относятся желтые и зеленые (разновидность II), а также серые (III) кубы; кристаллы с мутной оболочкой, переполненной жидкими включениями (IV); кристаллы с прозрачным ядром и темно-серой оболочкой, содержащей графитовые включения (V); радиально-лучистые агрегаты алмаза (VI); сростки кристаллов разновидности V (VII); мелкозернистый борт* (VIII и IX) и микрозернистые агрегаты кристаллов алмаза - карбонадо (X) [3]. Наиболее распространенные октаэдрические, додекаэдри-ческие и неокрашенные кубические кристаллы относятся к разновидности I.
Предпринятый автором этой статьи анализ опубликованных отечественных и зарубежных данных показал, что с ростом в кимберлитах содержания кремнекислоты * Борт - агрегат мелких сросшихся кристаллов алмаза.
в указанных выше пределах количество октаэдрических кристаллов алмаза действительно уменьшается в среднем от 40 до 7% (линия 1 на рис. 1), а количество додека-эдроидов (линия 2) увеличивается от 23 до 82% [4]. Сумма разновидностей И^Ш (линия 3), по Ю.Л. Орлову, в среднем возрастает с 4% при 25% ЭЮ2 до 23% при 45% БЮ2 [3].
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 пересыщения углерордом, морфологией образующихся алмазов и состава захватываемых ими включений. Эволюция состава расплавов и равновесных с ним минералов объясняет случаи сонахождения в одном и том же кристалле алмаза включений минералов, типичных для различных пород. При ксеногенном происхождении алмазов убедительно объяснить такое сонахождение 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 [5].
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 [6, 7 и др.]. Выполненные расчеты показали, что на завершающем этапе формирования Земли на ней существовал расслоенный по составу океан магмы глубиной около 240 км [5, 8]. 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 теп-лопотерь. 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 (рис. 2). 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 тем-
Кристаллы алмаза из россыпи р. Маят . (Из подборки фот о, подгот овленной пресс-службой ОАО «Алмазы Анабара» к его 10-летнему юбилею).
пературы магматического океана при образовании континентальной коры и верхней части мантии (литосферы) сначала был устойчив графит (см. рис. 2). В процессе остывания мантии графит переходил в алмаз, что является причиной присутствия его включений в центрах роста некоторых кристаллов.
Выделено три стадии формирования алмаза [4]. На первой ст адии 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 (1 на рис. 2). 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 (см. рис. 1), к уменьшению количества октаэдров и возрастанию содержания додекаэдроидов, а затем и кубов среди формировавшихся кристаллов алмаза. Такая смена октаэдрической огранки додекаэд-рической и кубической характерна для зональных алмазов богатых кремнекислотой ар-хангельских кимберли-
тов.
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 [1].
На вт орой ст адии в последних остаточных расплавах (2, 4, 5 на рис. 2) 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.
Формирование алмаза в пузырьках сжатого водно-
Содержание разновидностей, % • 1 о 2 +3
Рис. 1. Соотношение среднего количества кремнекислоты в кимберлит овых трубках и содержания среди алмазов октаэдров (1), додекаэдроидов (2) и суммы разновидност ей Н-У1Н (3), по Ю.Л. Орлову [3].
Кимберлиты
5100
s
ю
£
200
Возраст, млрд. лет
Рис. 2. Схема кристаллизации расслоенного магматического океана. Условия образования ранних октаэдрических алмазов-гигант ов (1); небольших
додекаэдрических кристаллов и разновидност ей !!-№!! (2); поздних октаэдрических кристаллов алмаза (3); кимберлит овых (4) и лампроит овых (5)
остат очных расплавов.
метано-углекислотного газа, выделившихся на заключительной стадии кристаллизации остаточного расплава, происходило очень быстро вследствие высокой концентрации различных химических соединений углерода в газе и большой скорости протекания реакций между ними. Это привело к формированию поликристаллических сростков и агрегатов разновидностей VI-X. Возникновение мелкозернистых агрегатов после образования части относительно крупных кристаллов алмаза подтверждается явлениями нарастания на них борта [9].
Овальная форма и небольшой размер алмазных агрегатов обусловлены, видимо, их формированием в газовых выделениях. Это согласуется с присутствием пустот в борте [9] и карбонадо, а также с существованием прямой корреляции содержания агрегатов с суммарным количеством воды и углекислоты и с величиной потерь при прокаливании в кимберлитах (рис. 3).
Алмазы первых двух стадий имеют реститовое (остаточное) происхождение по отношению к позже возникшим кимбер-литовым 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.
кристаллизовался в процессе фракционирования магм, при котором происходила гравитационная отсадка зерен образующихся минералов. Это сопровождалось увеличением в остаточном расплаве отношения углеводородов к углекислоте, так как последняя частично связывалась кристаллизущимися карбонатными минералами.
При температуре 1000оС содержание тяжелого изотопа углерода 6С13 в метане примерно на 8%о меньше, чем в углекислоте. Поэтому фракционирование приводило к облегчению изотопного состава углерода остаточных расплавов и соответственно алмазов. Это объясняет резкое уменьшение содержания тяжелого изотопа углерода от октаэдрических алмазов (6С13 в среднем равно -4,7%) к додекаэдри-ческим (-5,93%), далее к кубическим (-14,7% в разновидности II) и особенно к агрегатам (-24,7% в карбонадо) [10]. Такое изменение величины бС13 подтверждает рассматриваемую модель алмазообразования.
На т ретьей ст адии алмаз формировался в ходе процессов образования магм путем плавления полузакристаллизованных кимберлитовых по составу мантийных пород под влиянием снижения давления при подъеме, что сопровождалось уменьшением содержания кремнекислоты в расплаве и увеличением концентрации магния [5, 8]. В соответствии с рассмотренными выше зави-
со2 + Н20, %
18--
ппп, %
г = 0,502 171 тг = 0,151с О
О
13'
■ О
о
-I-
9--о оэ О
_0_1_
Агрегаты,
4 8
Агрегаты, %
На двух описанных стадиях алмаз
Рис. 3. Прямая корреляция содержания агрегат ов алмаза (разновидности \/!-У!!!) с суммарным количеством Н2О и Со2 (а) и величиной пот ерь при прокаливании (ппп, %) (б) в кимберлитах. г, т, - коэффициент корреляции и его ошибка, соответ ственно.
симостями (см. рис. 1), это привело к кристаллизации сначала преимущественно кубов и додекаэдроидов, затем октаэдров на поздних стадиях плавления (3 на рис. 2) и согласуется с существованием такой последовательности зон в большинстве зональных кристаллов якутских кимберлитов [2]. Магмы этих кимберлитов, судя по составу включений в алмазах, зарождались глубже по сравнению с магмами архангельских. Это объясняет более широкое проявление в якутских кимберлитах третьей стадии алмазообразования и большее в среднем содержание в них алмазов. Сформировавшиеся на этой стадии алмазы являются раннемагматическими по отношению к кимберлитам. Их кристаллизация обусловлена резким снижением концентрации воды в расплаве при процессах плавления. Последнее приводило к ее образованию за счет восстановления углекислоты метаном и водородом с кристаллизацией выделявшегося углерода в виде алмаза [5, 8]. Случаи нарастания на борт относительно крупных кристаллов алмаза подтверждают существование данной стадии [9].
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.
Литература
1. Zedgenizov D.A., Kagi H., Shatsky V.S., Sobolev N.V. Carbonatitic melts in cuboid diamonds from Udachnaya kimberlite pipe (Yakutia): evidence from vibrational spectroscopy//Mineralogical Magazine. - 2004. - V. 68 (1). - P. 61-73.
2. Бескрованов В.В. Онтогения алмаза. - Новосибирск: Наука, 2000. -264 с.
3. Орлов Ю.Л. Морфология алмаза. - М.: Наука, 1963. -235 с.
4. Shkodzinskiy V.S., Zaitsev A.I. Constraints on Diamond Genesis from the Study of Dependence of Diamond Properties on the composition of Kimberlites and Lamproites // Russian Journal of Pacific Geology. - 2007. -V. 1, № 4. - P. 390-399.
5. Шкодзинский В.С. Происхождение кимберлитов и алмаза. - Якут ск: Изд-во ЯНЦ, 1995. -168 с.
6. Wood J.A., Diskey J.S., Marnin V.B., Powel B.H. Lunar anorthosits and geophysical model of Moon // Proc. Appolo XI Lunar Sci. Conf. Houston. - 1970. - V. 1. -P. 965-989.
7. Hofmeister A.M. Effect of hadean terrestrial magma ocean on crust and mantle evolution // J. Geophys. Res. -1983. - V. B88, № 6. - P. 4963-4983.
8. Шкодзинский В.С. Проблемы глобальной петрологии. - Якут ск: Сахаполиграфиздат, 2003. -240 с.
9. Смелова Г.Б. Генезис агрегат ов алмаза из ким-берлитовых т рубок Якутии. - Якут ск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1994. - 88 с.
10. Зинчук Н.Е., Коптиль В.И. Типоморфизм алмазов Сибирской платформы. - М: Недра, 2003. - 603 с.
