Алмазы: родословная кимберлитовых трубок

Алмазы - сажа из труб преисподней

Только из кимберлитовых трубок (не считая россыпных месторождений) на Земле ежегодно добывают до 20 тонн технических и ювелирных алмазов - на сумму 6-7 миллиардов долларов. Жизнь десятков миллионов людей так или иначе связана с поиском, добычей, обработкой, продажей алмазов. Алмазы (бриллианты) - это не только драгоценные ювелирные изделия. Использование алмазных инструментов более чем вдвое повышает экономический потенциал любой развитой страны.

Добывают алмазы уже многие столетия. А на простой вопрос: как они образуются в природе? - ответа до сих пор нет. Принято считать, что алмазы кристаллизовались глубоко в недрах Земли - в мантии, а так называемые кимберлитовые "трубки взрыва" выносят их к поверхности планеты. В таком объяснении почти все непонятно: и механизм образования алмазов, и причины возникновения кимберлитовых трубок, уходящих корнями в неведомые глубины Земли. Предлагаемая здесь гипотеза основывается на фактах, накопленных современной геологией, и раскрывает новые пути к решению этих вопросов.

Три загадки кимберлитов

Алмазам и алмазоносным породам мантии - кимберлитам - посвящены тысячи научных статей. Но они не дают ответа на три главные загадки коренных алмазных месторождений. Первая: почему кимберлитовые трубки расположены только на древних щитах и платформах - самых устойчивых и стабильных блоках земной коры? Какие чудовищные силы могли заставить тяжелые породы мантии Земли, казалось бы, вопреки закону Архимеда, рвануться вверх и пробить слой толщиной в десятки километров более легких пород - базальтов, гранитов, осадочных? И почему кимберлитовые трубки "прокалывают" именно мощную 40-километровую земную кору платформ, а не гораздо более тонкую 10-километровую кору океанического дна или переходной зоны - на границе континентов с океанами, там, где на глубинных разломах расположились сотни дымящихся вулканов и лава свободно изливается на поверхность? Ответа на этот вопрос у геологов нет.

Следующая загадка - удивительная форма кимберлитовых трубок. Ведь на самом-то деле они похожи не на "трубки", а, скорее, на бокалы для шампанского: конус на тонкой ножке, уходящей на огромную глубину. Геологи вот уже сто лет привычно называют их "трубками взрыва", не задумываясь над тем, как нелепо это словосочетание. Ведь взрывы в однородной среде формируют вовсе не трубки, а сферы. Сейчас разбурены многочисленные так называемые "камуфлетные камеры" - пустоты, остающиеся после мощных подземных ядерных взрывов. Все эти камеры имеют сферическую форму. Но кимберлитовые трубки-конусы тоже существуют! И, по всей видимости, с их образованием связана тайна рождения алмазов. Как они возникли? Ответа на этот вопрос пока нет.

Третья загадка касается необычной формы зерен минералов в кимберлитовых породах. Известно, что минералы, которые первыми кристаллизуются из расплавленной магмы, всегда образуют хорошо ограненные кристаллы. Это апатит, гранат, циркон, оливин, ильменит. Они широко распространены и в кимберлитах, но тут у них почему-то нет кристаллических граней, зерна округлены и по форме напоминают окатанную речную гальку. Геологи пытаются объяснить эту загадочную особенность тем, что минералы были оплавлены раскаленной магмой. Но плавление, как известно, ведет к превращению кристаллических минералов в аморфное стекло, лишенное кристаллической структуры. Однако никаких следов "остеклования" и потери кристаллической структуры в этих округлых зернах никому обнаружить не удалось.

Вместе с тем кристаллы алмаза, которые, по существующим ныне понятиям, возникли в мантии и были вынесены уже в готовом виде вместе с кимберлитовой магмой с глубины от 150 до 600 километров, представлены на обогатительных фабриках целыми горами сверкающих, идеальной формы октаэдров с острыми ребрами, которыми так удобно резать стекло! Эти острые ребра сохранились, несмотря на хрупкость алмазных кристаллов и их способность легко раскалываться по определенным плоскостям. Выходит, что кристаллы алмаза, пройдя длинный и тернистый путь вместе с расплавленной магмой, выглядят так, будто только что сошли с заводского конвейера. А кристаллы циркона, апатита и других минералов (считается, что они выделились из расплава непосредственно в трубке) лишились своих граней. Как объяснить такой парадокс?

Кимберлитовые трубки - "дымоходы" мантии

Обширный аналитический и экспериментальный материал позволил автору построить новую модель образования кимберлитовых трубок и алмазов. Она объясняет многие геологические загадки, связанные с этими сверхглубинными образованиями. В основе модели - обширная информация о газовом, преимущественно водородно-метановом "выдохе" мантии, а возможно, и ядра Земли.

По моему мнению, кимберлитовые трубки - это следы "прокола" литосферы огромными газовыми пузырями, поднимающимися из мантии. Такой пузырь, стремящийся вырваться на поверхность Земли, пробивает себе тонкий, "игольный" выход сквозь твердые кристаллические породы фундамента платформы, а уже затем в мягких осадочных породах формируется расширение - "бокал". Глубинный газ раздвигает их страшным давлением в десятки тысяч атмосфер, передающимся из мантии в верхнюю часть земной коры. Газ, идущий по "игольному" проколу, срабатывает примерно так, как давление, передаваемое по трубкам масляных гидравлических приводов автомобиля.

Приуроченность кимберлитов именно к платформам объясняется тем, что они почти газонепроницаемы. Поэтому под ними скапливаются рассеянные в породах мельчайшие пузырьки газа, которые соединяются в крупные пузыри водородно-метанового состава. При определенном критическом объеме такой пузырь начинает постепенно "всплывать", то есть внедряться в структуру платформы и подниматься к поверхности планеты.

Платформы похожи на блюдца, плавающие в аквариуме, со дна которого поднимаются пузырьки воздуха. Пузырьки обтекают "блюдце", но часть газа скапливается под его дном. Газ поднимается из мантии, об этом свидетельствует тот факт, что гелий здесь резко обогащен легким глубинным изотопом гелия. Но в подземных газах платформ такого гелия в тысячу раз меньше, чем в газах вулканов. Следовательно, платформы - плотная "заглушка" для газов мантии.

В большие пузыри рассеянный мантийный газ собирается из-за мощного воздействия так называемых горячих точек (об их существовании геологи узнали сравнительно недавно) - глубинных "форсунок", прожигающих изнутри литосферу. Например, одна из таких современных горячих точек прожгла насквозь тонкую земную кору в Тихом океане, и тогда возникли вулканы Гавайских островов. Эта же "форсунка" работала на том же самом месте еще 70 миллионов лет назад и тоже оставила свой след на дне океана - "шов" из застывшей базальтовой лавы, гигантский подводный Императорский хребет, тянущийся от Алеутских островов к Гавайским.

Вулканы - это как бы действующие "дымоходы" Земли. Они работают исправно, если на пути газов, выбрасываемых ими, не встают "заслонки". Чаще всего такими преградами становятся движущиеся платформы. Они обычно настолько мощны, что у горячей точки не хватает энергии ее прожечь. Но достаточно, чтобы расплавить породы на глубине и собрать рассеянные в них газы в огромные пузыри.

Как известно, крохотные капельки жира в молоке не всплывают до тех пор, пока энергия маслобойки не слепит достаточно большой комок масла. Так и здесь. Когда под платформами сформируются крупные газовые пузыри, в силу вступает закон Архимеда. Плотность газовой смеси (водород-метан) даже при давлении мантии будет меньше плотности воды. А вот плотность самой мантии превышает плотность воды более чем в три раза. Значит, подъемная сила пузыря объемом в 1 кубический километр составит 2,5 миллиарда тонн! И к тому же этот газ раскален до 600-800^оС.

Тот факт, что кимберлитовые трубки на глубине сужены в тонкую ножку, говорит о том, что вся огромная подъемная сила газа была приложена к очень малой площади. При этом десятки километров горных пород были словно проколоты гигантской иглой. Так образовался тонкий канал длиной 100-150 километров. Газовый пузырь выжимался по нему вверх, пока не внедрился в мягкие породы осадочного чехла платформы. Можно сказать, что мантия как бы "вставляет клизму" мощной земной коре: мягкие осадочные породы раздвигаются, образуя конус кимберлитовой трубки.

Всплывая вверх, газовый пузырь создает в своей хвостовой части зону низкого давления. Перекристаллизованные под действием газа мантийные породы дробятся и устремляются в эту зону, в тонкий пробой. Газ тащит за собой породы мантии. Словно в гигантской пескоструйной машине, зерна минералов мчатся в адских конвекционных потоках газовой смеси, которую геологи называют флюидом. При этом кристаллы обдираются, теряют кристаллические грани и превращаются в глубинную гальку газового потока, почти не отличимую от обычной речной гальки.

Но отличия все же есть - они хорошо видны под микроскопом. Под воздействием раскаленных газовых струй создается особая поверхность минералов кимберлитов. Специалисты называют ее "шагрень". При увеличении в тысячи раз видно, что она похожа на микропористую коррозионную структуру. Примерно такой же бывает поверхность метеоритов или лопаток газовых турбин.

Алмазы - "сажа" мантии

Но почему же так прекрасно огранены кристаллы алмазов, которые добывают в кимберлитовых трубках? Ведь считается, что магма вытащила их из "каменных пещер" мантии и волокла более сотни километров!.. Конечно, алмаз - самый твердый минерал, но даже это не может его спасти. Ведь известно, что алмазы в россыпях окатаны и оббиты, поскольку минерал этот довольно хрупкий.

В бесчисленных учебниках приведены диаграммы равновесия алмаз-графит и написано, что алмаз возникает из графита. Но почему-то никто не задался вопросом: откуда же в мантии графит?.. Ведь он там нестабилен, и его называют "запрещенным" минералом для условий мантии. Иное дело карбиды. Они здесь устойчивы: карбиды железа, фосфора, кремния, азота, водорода. Карбид водорода - это газ, обычный метан, он подвижен и легко концентрируется в глубинном флюиде.

В свое время геологи не придали значения замечательному открытию советского физика Б. Дерягина, который еще в 1969 году синтезировал алмаз из метана и, что очень важно, при давлении даже ниже атмосферного. Это открытие уже тогда должно было бы в корне изменить существовавшие представления об алмазе как о минерале, кристаллизующемся обязательно из расплавов и при высоких давлениях. Данные Б. Дерягина позволили мне рассмотреть возможность кристаллизации алмаза из флюида, газовой смеси в системе С-Н-О.

Оказывается, что в таком флюиде кислород при сверхвысоком давлении мантии теряет свои окислительные свойства и не окисляет даже водород. Но при подъеме газа вверх, при образовании кимберлитовой трубки, давление падает. Достаточно уменьшить давление в 10 раз - от 50 до 5 килобар, чтобы активность кислорода возросла в миллион раз. И тогда он мгновенно соединяется с водородом и метаном. Проще говоря, газ самовоспламеняется - в подземной трубе вспыхивает яростный огонь.

Последствия такого подземного "пожара" зависят от соотношения углерода, водорода и кислорода во флюиде. Если кислорода не слишком много, он вырвет из молекулы метана (СН₄) лишь водород. Возникшие при этом пары воды будут поглощены минеральной пылью и образуют серпентинит - характернейший минерал кимберлитов. Углерод, оставшись "одиноким", при давлении в тысячи атмосфер и температуре около 1000^оС замкнется ненасыщенными валентными связями "сам на себя" и образует гигантскую молекулу чистого углерода - алмаз! На практике такая благоприятная комбинация компонентов в газовой смеси встречается редко: лишь пять процентов кимберлитовых трубок бывают алмазоносными.

Чаще случается так, что кислорода или слишком много для образования алмаза, или недостаточно. В первом случае углерод сгорит и превратится в газы - оксиды: СО или СО₂. Тогда возникают безрудные кимберлиты. Они отличаются повышенной магнитностью, потому что в них появился оксид железа - магнетит. Кислорода было много, и он "вырвал" железо из состава силикатов. При дефиците кислорода или метана возникнут лишь пары воды, и они будут поглощены серпентинитом. Выходит, что алмаз возникает как продукт самопроизвольного подземного горения углеродистого флюида. Алмазы - аналоги золы или сажи, осевшей в "дымоходах" мантии!

Горение метана увеличивает активность кислорода и отражается на изотопном составе углерода и азота, входящих в состав алмазов, поскольку в окислительной среде концентрируются тяжелые изотопы.

Растущие кристаллы алмаза захватывают из газа многочисленные включения пыли - мельчайшие зерна минералов окружающих пород. Возраст этих минеральных включений иногда совпадает с геологическим возрастом кимберлитовых трубок, но чаще включения оказываются гораздо более древними. Так, например, в алмазах знаменитой трубки "Кимберли" (Южная Африка), внедрившейся в окружающие породы 85 миллионов лет назад, возраст включений гранатов-пиропов (определен самарий-неодимиевым методом) - 3200 миллионов лет. В якутской трубке "Удачная", прорвавшей окружающие ее породы 425 миллионов лет назад, возраст включений минерала клинопироксена (определен калий-аргоновым методом) - 1149 миллионов лет.

По таким данным геологи обычно делают вывод, что алмазы кристаллизовались в мантии, может быть, миллиарды лет назад, а затем взрывом их выбросило к поверхности Земли. По моему мнению, включения в алмазах были захвачены растущими кристаллами из "пыли" окружающего их газового потока.

В последние годы тонкие методы анализа позволили выявить среди включений в алмазах самородные металлы - железо, никель, хром, серебро, а также сульфиды никеля и железа. Как они попали в алмазы? По моему мнению, все эти металлы восстановлены из минералов глубинных пород - силикатов с повышенным содержанием железа, никеля, серебра и оксидов с высоким содержанием хрома - такими мощными восстановителями, как водород и СО, а глубинный сероводород превратил некоторые из этих металлов в сульфиды. Алмазная "броня" сохранила эту неустойчивую сульфидно-металлическую пыль в кристаллах.

Загадкой для геологов длительное время оставались резкие "сухие" контакты кимберлитовых трубок с окружающими породами. Геологи знают, что вокруг массивов магматических пород всех типов возникают мощные зоны контактовых изменений за счет перекристаллизации и изменения вмещающих пород. А вот на контакте с кимберлитами изменения осадочных пород ничтожны. Оказывается, изменения есть, и очень значительные, но они носят необычный характер. Вокруг трубок возникают мощнейшие - до полукилометра - ореолы концентрации мелких зерен люминесцирующих минералов.

Содержание зерен апатита и циркона - минералов, ярко светящихся в ультрафиолетовых лучах, в десятки и даже сотни раз здесь увеличивается. Причем апатит светится не обычным желтым, а голубоватым светом, что характерно именно для апатита кимберлитов. Эти люминесцентные ореолы объясняются мощной "продувкой" окружающих пород глубинным мантийным газом с восстановительными свойствами и такими характерными элементами кимберлитов, как европий, церий, цирконий.

Рождение алмазов не где-то в неведомых "каменных пещерах", как думали раньше, а в самих кимберлитовых трубках, в процессе их формирования, объясняет почти идеальную сохранность алмазных кристаллов, которые находят рядом с кимберлитовой галькой, состоящей из окатанных, оббитых и лишенных граней глубинных минералов, действительно извлеченных из мантии.

На кристаллизацию алмазов из газа указывает также постоянное присутствие в них азота, а иногда - бора. В силикатном расплаве мантии практически нет ни азота, ни бора, но во флюиде эти элементы концентрируются, поскольку образуют газообразные соединения с водородом. В какие-то времена во флюиде, видимо, накапливался и радон. Именно радон, сильнейший альфа-излучатель, мог создать загадочные, необычайно красивые зеленые алмазы. Их окраска, безусловно, связана с воздействием альфа-частиц.

Современная промышленность ежегодно получает миллионы тонн сажи. Она образуется за счет неполного окисления метана. Около 80 процентов этой сажи идет на производство автомобильных шин. Огромное количество сажи оседает на стенках бесчисленных труб - печных, фабричных, заводских, и это никого не удивляет. А вот привыкнуть к мысли, что алмаз - это, по существу, тоже сажа, только мантийная, нам как-то трудно. Такая аналогия сначала кажется просто кощунственной. Чтобы слишком прямая аналогия кимберлитовых трубок с печными трубами не вредила пониманию природного процесса, замечу, что кимберлитовые трубки никогда не выходили на поверхность Земли и не коптили небо, как, например, трубы Лондона в XIX веке.

Мантийный газ "зависал" в верхних слоях земной коры, как повисает в воздухе аэростат с газовой горелкой, когда он уже израсходовал всю энергию на подъем. Поэтому никому из геологов не посчастливилось найти вулкан посреди платформы, разбрасывающий вокруг себя кристаллы алмазов. Найденные кимберлитовые трубки вскрываются лишь процессами эрозии. Для разведчика это означает, что существует множество "слепых" кимберлитовых трубок, не выходящих на поверхность. Об их присутствии можно узнать по обнаруженным локальным магнитным аномалиям, верхняя кромка которых располагается на глубине в сотни, а если повезет - то в десятки метров. Так что успеха вам, геологи-разведчики!

Доктор геолого-минералогических наук, профессор А. ПОРТНОВ.

Журнал "Наука и жизнь".