Автобиография алмаза

Автобиография алмаза

Алмаз относится к числу наиболее ранних минералов в кимберлитах. Кристаллизация его происходила на подкоровом периоде формирования магмы. Что же известно сегодня о процессах образования алмаза, которые протекали десятки и сотни миллионов лет назад в раскаленных недрах планеты? Температуры и давления при его кристаллизации были установлены давно, а за последние годы удалось выяснить и причины различного содержания и качества алмазов в коренных месторождениях.

Все главнейшие этапы роста и позднейших преобразований алмаза "записаны" на его кристаллах. Кристаллы с минимальными различиями по форме, окраске, размерам и т. п. формировались в физико-химических условиях достаточно узкого диапазона. Выделение алмаза продолжалось на протяжении почти всего подкорового периода эволюции кимберлитовых расплавов. При этом давление, температура и химический состав магмы претерпевали сильные изменения, что неизбежно приводило к существенным отличиям свойств вновь возникавших кристаллов алмаза по сравнению с ранними генерациями этого минерала. Таким образом, в каждом месторождении обязательно присутствуют алмазы разной массы, формы и агрегатного состояния. Все это, а также продолжительность общего периода кристаллизации (с возможным выпадением одной или нескольких фаз) и особенности позднейших изменений обусловливали различия в содержании, количественное соотношение сортов и характерный облик алмазов каждого месторождения.

Углерод в кимберлитовых и пикритовых магмах всегда имелся в избытке, поэтому возможность кристаллизации этого элемента в виде алмаза или графита зависела лишь от величины давления. Нижний предел его составляет 40000-50000 кгс/см². Образование крупных, прозрачных, свободных от включений и внутренних напряжений кристаллов алмаза происходило при плавном и достаточно медленном изменении температуры и давления. Такой режим обеспечивал незначительное по величине постоянное пересыщение расплава углеродом, благодаря чему создавались наилучшие условия для возникновения и спокойного роста немногочисленных зародышей. В итоге кристаллы могли достигать значительной величины и высокой степени совершенства.

Присутствие в большинстве месторождений не только октаэдрических, но и кубических кристаллов, а также микрокристаллических агрегатов алмаза очень важно для определения специфических особенностей их образования. Температура образования кубических алмазов примерно на 200° С ниже, чем октаэдрических. Агрегаты мельчайших зернышек алмаза возникали в ходе быстрой кристаллизации большого числа зародышей при резком снижении температуры и давления расплава. Наиболее резкий перепад давления имел место при прорыве кимберлитовой магмы из пород мантии в ослабленные зоны земной коры. С этим явлением связывается образование карбонадо и балласов.

По мере движения кимберлитовой магмы к земной поверхности давление ее неуклонно уменьшалось. И вот наступал момент, когда давление расплава опускалось до значений, при которых исключалась кристаллизация алмаза, поскольку он оказывался неустойчивой (метастабильной) модификацией углерода. Таким рубежом между периодом кристаллизации и последующими изменениями алмаза явился прорыв магмы в зоны глубинных разломов коры. Следовательно, выделившиеся при этом прорыве балласы и карбонадо представляют собой последние генерации алмазов любого месторождения.

Несмотря на то, что при движении кимберлитовой магмы по глубинным разломам температура и давление соответствовали области устойчивости графита, самопроизвольного перехода к стабильной модификации углерода не происходило. Очевидно, что если бы превращение алмаз↔графит носило здесь характер самопроизвольного процесса, то ни один кристалл сверкающего минерала не достигал бы земной поверхности. Вместе с тем чешуйчатые агрегаты графита нередки внутри алмазов любого месторождения. На кристаллах алмаза в некоторых диатремах отмечаются графитовые примазки и "чехлы". Весьма обычен графит внутри пористых, ноздреватых масс борта.

Следовательно, алмазы в кимберлитах подвергались частичной графитизации, которая протекала на поверхности и частично внутри кристаллов. Совершенно очевидно, что процесс не был самопроизвольным. А если так, то что же в таком случае стимулировало и регулировало его?

Всестороннее изучение вопроса позволило заключить, что полиморфное превращение алмаза в графит в кимберлитовом расплаве носило характер каталитического процесса. В роли катализатора выступали анионы метатитановой кислоты, которые постоянно присутствовали в кимберлитовой магме и в дальнейшем расходовались на построение минералов - солей титановой кислоты (титанатов): ильменита (FeTiO₃) и перовскита (СаТiO₃). Схема действия этого катализатора имеет вид

Превращение алмаза в графит

Собственное воздействие катализатора заключается в отрыве атомов углерода от кристаллов алмаза и возвращении их обратно. Пока давление расплава было высоким, и алмаз являлся стабильной модификацией, атаковавшие его анионы метатитановой кислоты способствовали "сокращению числа зародышей, укрупнению растущих кристаллов, исправлению и залечиванию различных дефектов у них. Однако как только из-за падения давления алмаз оказывался нестабильной модификацией, катализатор из друга и помощника превращался в лютого врага. Теперь атомы углерода, оторванные под воздействием [Ti⁴⁺O₃]^2-, уже не могли присоединиться к кристаллической структуре алмаза и формировали стабильный при новых условиях графит.

Графитизация, как и все каталитические процессы между твердыми и жидкими фазами, происходила лишь в местах соприкосновения алмаза с магмой. Возникавший на поверхности монокристаллов и поликристаллических сростков графитовый "чехол" стирался в процессе движения магмы, а обнажавшиеся участки кристаллов в контакте с расплавом вновь графитизировались. По мере развития этого процесса сначала исчезали вершинки, затем ребра и первичные (плоские) части граней кристаллов, последовательно заменявшиеся криволинейными поверхностями. В итоге плоскогранные, например октаэдрические, кристаллы превращались в кривогранные додекаэдроиды (см. рис. 3) и теряли при этом до 75% своей первоначальной массы.

Многие, и в том числе наиболее распространенные первичные, дефекты (пигментация, трещиноватость и др.) чаще развиты в наружных частях крупных кристаллов алмаза и обычны для мелких кристалликов позднейших генераций. Следовательно, в ходе графитизации уменьшение общего содержания алмазов в кимберлитах происходило главным образом за счет низкокачественной части кристаллов, и поэтому данный процесс способствовал повышению сортности оставшихся в породе алмазов.

А каким образом графит оказывался внутри кристаллов алмаза? Агрегаты графита в алмазе - не включения, а новообразования, они развивались вокруг захваченных алмазом мельчайших капелек расплава. Следовательно, графит внутри алмаза по способу образования совершенно аналогичен графиту, замещающему алмаз с поверхности.

Кимберлитовая магма состояла из множества различных веществ, и поэтому как на содержании, так и на качестве алмазов отражалась концентрация не только титана, но и многих других элементов: железа, алюминия, калия и хрома. Задерживаться на описании влияния, которое оказывала изменчивость содержания каждого из перечисленных компонентов на степень алмазоносности кимберлитов, здесь нецелесообразно. Подробное изложение всех этих вопросов интересующиеся могут найти в специальных работах автора [3, 4].

В итоге были выявлены главнейшие причины различного содержания и сортности алмазов в коренных месторождениях. Установлено, что количество и качество кристаллов является результатом сложного комплекса процессов, которые, хотя и тесно связаны между собой, но в зависимости от природы явлений могут быть разделены на две группы: физические и химические. Характер и пределы изменчивости температуры и давления магмы обусловлены фациальной принадлежностью ее. Таким образом, следует заключить, что степень и характер алмазоносности кимберлитов зависят от химического состава и фациальных условий их образования, т. е. определяются химическим и фациальным факторами.

Выведены формулы для количественных оценок этих факторов. Показателем химического фактора алмазоносности служит коэффициент потенциальной алмазоносности КПА, который вычисляется по содержанию в породах титана, железа, алюминия и калия. Величина его позволяет оценивать степень благоприятности расплава для кристаллизации и сохранности алмазов.

Специфику фациальных условий формирования кимберлитов каждой алмазоносной трубки проще всего оценивать по морфологическим особенностям кристаллов алмаза, поскольку в них отражены главнейшие этапы их образования. Во всех трубках кристаллы несут следы графитизации, но в одних месторождениях преобладают плоскогранные, в других кривогранные формы, а в третьих количество плоскогранных и кривогранных кристаллов соизмеримо. Таким образом, фациальные условия формирования кимберлитов в одних случаях были благоприятными для сохранности большей части кристаллов алмаза, а в других приводили к почти полному уничтожению их. Если степень сохранности кристаллов ССК алмаза зависит от фациальных условий образования материнских кимберлитов, то количественное соотношение плоскогранных, переходных и кривогранных форм может служить показателем фациального фактора алмазоносности. Для вычисления ССК по упрощенной формуле достаточно знать процентное соотношение октаэдрических, додекаэдрических и переходных кристаллов алмаза в изучаемом месторождении.

Научившись измерять степень благоприятности химического состава и режима формирования кимберлитов для кристаллизации и сохранности алмазов, не так уж сложно вывести общее уравнение алмазоносности этих пород. Основные затруднения при этом вызывала необходимость получать результаты вычислений в каких-либо метрических единицах, отнесенных к единице массы или объема породы.

В конце концов, такое уравнение было составлено. С его помощью по данным о химическом составе кимберлитов (КПА) и морфологии небольшого числа кристаллов (ССК) можно судить, сколько карат алмаза содержится в одном кубическом метре породы вновь найденного месторождения. Уместно отметить, что раньше для достаточно точного определения концентрации алмазов в коренных месторождениях требовалось переработать не менее 500 т кимберлита. Проверка уравнения была проведена на большом числе кимберлитовых трубок в Сибири и Африке. Оказалось, что вычисленные и установленные в итоге крупнообъемного опробования содержания алмазов мало отличаются между собой. Тем самым получили подтверждение теоретические основы представлений о причинах различной алмазоносности кимберлитов. Об использовании результатов этих исследований в практике геологопоисковых работ рассказывается в следующих главах.

От химического состава кимберлитовой магмы, режима роста и интенсивности последующей графитизации зависело не только количество, по и качество кристаллов алмаза. Однако наряду с особенностями химического состава пород и морфологии кристаллов при оценке качества алмаза необходимо учитывать еще и содержание микрокристаллических агрегатов: карбонадо и балласов. Последние возникли, как уже отмечалось, в итоге резкого падения давления и температуры, сопровождавшего прорыв кимберлитовой магмы из пород мантии в ослабленные зоны земной коры. Спад давления при этом зависел от многих причин и варьировал по величине до 25000 кгс/см².

В тех случаях, когда уменьшение давления было относительно небольшим, алмаз и другие минералы не претерпевали заметных изменений. И наоборот, максимальные перепады давления не проходили бесследно, и в кристаллах возникали сильные внутренние напряжения. Алмазы с таким дефектом часто раскалываются при сравнительно небольших механических воздействиях и поэтому вне зависимости от размеров и степени прозрачности не могут быть отнесены ни к ювелирным, ни к ответственным техническим сортам.

В итоге изучения причин изменчивого качества алмазов в различных месторождениях выведена формула, позволяющая оценивать степень благоприятности химического состава и условий образования кимберлитов для кристаллизации качественных алмазов. Чтобы вычислить показатель качества К алмазов вновь найденного месторождения с помощью этой формулы, необходимо и достаточно знать химический состав кимберлита, количественное соотношение октаэдрических, переходных и додекаэдрических кристаллов, а также микрокристаллических агрегатов.

Коэффициент К - безразмерная величина, которая изменяется пропорционально средней стоимости одного карата алмазов изучаемого месторождения. Благодаря этому не составило особого труда найти математическое выражение, с помощью которого величина К автоматически переводится в значения, примерно совпадающие со средней ценой одного карата алмазов в тех или иных денежных единицах.

Расхождения между вычисленной с помощью К и средней рыночной ценой одного карата алмазов по каждому месторождению невелики, что подтверждает справедливость основных выводов о причинах изменчивости качества алмазов в коренных месторождениях. Хорошая сходимость вычисленных и оптовых цен на алмазы открывает широкие возможности для прогнозирования качества алмазов в новых кимберлитовых трубках, а также для решения некоторых других задач прикладной геологии. Подробнее эти вопросы рассматриваются в конце книги.