Сибирские геологи впервые экспериментально доказали, что в алмазах, растущих в земных недрах, может присутствовать материал с поверхности, который попадает на большие глубины при тектонических сдвигах. Статья об этом опубликована в журнале первого квартиля Gondwana Research.
Как известно, алмаз образуется из графита. Однако редко бывает так, чтобы этот процесс проходил напрямую, так как нужны экстремальные параметры: давление больше 15 гигапаскалей и температура выше 1 500 °C, которые характерны для больших глубин в толще нашей планеты. Чаще алмазы предпочитают расти в умеренных условиях, в 150—200 километрах под землей при давлении в 5—7 гигапаскалей, и пользуются помощью посредников — расплавов, которые служат катализаторами и позволяют реакции протекать при более низких давлениях и температурах. Схематично процесс можно представить так: сначала графит растворяется в расплаве, образуя в нем комплексы углерода, а только затем из углерода получается алмаз.
В лабораториях и на фабриках выращивают синтетические алмазы, помещая графит в расплавы переходных металлов (железо, никель, кобальт, марганец). Раньше считалось, что в природе алмазы образуются в них же. Недавно в некоторых кристаллах действительно нашли включения застывшего металлического расплава. Однако речь только об исключительных алмазах, которые формировались на гораздо больших глубинах, чем обычно — в переходной зоне или нижней мантии Земли. К таким кристаллам относится, например, самый большой в мире природный алмаз ювелирного качества «Куллинан», или «Звезда Африки» (весил 621,35 грамм до того, как его раскололи на несколько частей).
В большинстве алмазов находят включения других расплавов, в первую очередь — высокощелочные карбонатные и силикатные. С тех пор как в 1988 году их обнаружил израильский химик Одэд Навон, многие лаборатории по всему миру продолжают детальное исследование этих веществ. Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН долгие годы работает в этой области. В конце 1990-х годов здесь показали, что алмазы могут расти в щелочных карбонатных расплавах так же, как и в металлических, но при гораздо более низких температурах, практически как в природе. Теперь сибирские геологи пролили свет на другой важный вопрос: как высокощелочные карбонаты и силикаты попадают туда, где растут алмазы.
Дело в том, что щелочи, в первую очередь калий, которые содержатся в расплавных включениях алмазов, не характерны для тех глубин, на которых эти алмазы растут. Среди ученых сегодня доминирует точка зрения, что щелочные соединения поступают туда с поверхности Земли в результате движения литосферных плит (крупных участков земной коры). В континентальной коре щелочей достаточно: она богата гранитом, а это — высококалиевая порода.
Материал с континентов непрерывно смывается в океан во время дождей, таяния ледников, с речными потоками и накапливается на его дне (эти осадочные породы называют пелитами). Океанические плиты медленно погружаются под континенты и неминуемо захватывают пелиты с собой.
В результате тектонических движений на мантийные глубины может уходить и сам континент. Одно из наиболее известнейших геологических подтверждений этому — Кокчетавский массив в Казахстане. Там нашли уникальные породы, которые представляют собой переслоенный материал континентальной коры, они содержат фактически всё, что есть на поверхности континента, включая осадочные образования, переработанный гранитный материал и очень большое количество карбонатов, и несут следы высоких давлений и температур. Это позволило ученым сделать вывод, что материал погружался под землю, а потом снова поднялся на поверхность. В некоторых породах Кокчетавского массива, в частности в высококарбонатных, содержится большое количество мелких алмазов.
Подобный комплекс пород есть в Германии недалеко от Дрездена, он называется Эрцгебирге. Там в составе гранатов тоже обнаружили высококалиевые силикатные и карбонатные расплавы, а также мелкие кристаллы алмазов. «Существование Кокчетавского массива и Эрцгебирге — свидетельство в пользу того, что расплавные включения в алмазах могли появиться в результате плавления материала континентальной коры, богатого калием и карбонатами», — говорит ведущий научный сотрудник ИГМ СО РАН, заведующий лабораторией фазовых превращений и диаграмм состояния вещества Земли при высоких давлениях доктор геолого-минералогических наук Антон Фарисович Шацкий.
Ученые из ИГМ СО РАН решили экспериментально проверить, действительно ли из этих пород на большой глубине образуются расплавы, которые находят в алмазах. Они подготовили состав, соответствующий среднему составу континентальной коры, добавили углекислый газ в виде карбонатов и поместили в прессовый аппарат Discoverer 1500 при давлении в 6 гигапаскалей, которое соответствует глубине примерно 200 км, где растет большинство природных алмазов. Температура в экспериментах варьировалась от 1 000 до 1 500 градусов, таким образом ученые охватили весь температурный диапазон, при котором предполагается природное алмазообразование. Затем образцы вынимали из пресса, делали срез и исследовали под электронным микроскопом и более тонкими методами, с помощью рамановской спектроскопии.
«Когда мы проанализировали состав образцов, обнаружили, что он близок к составам минеральных расплавных включений природных алмазов. При температурах 1 000–1 500 градусов в них образуются кремнезем и другие силикатные минералы, характерные для одной из самых распространенных пород в мантии — эклогитов. Подобные ассоциации находят в Кокчетавском массиве, где они сосуществуют с алмазами. Также в образцах присутствуют два высококалиевых расплава: карбонатная и силикатная жидкости. Наши данные впервые подтвердили, что они могут образовываться в результате плавления континентального материала, который погрузился на большие глубины», — рассказывает Антон Шацкий.
Александра Федосеева
[Фото: Наука в Сибири]
