Алмаз – скам’янілий газ з космосу

13 April 2020 Pavlo Chaika

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Серед загадок геології одна з найбільш старих була задана вченим в кінці позаминулого століття, коли стали відомі кімберліти та карбонатіти. «Глибинні породи, приурочені до платформ і представлені трубоподібними тілами», – повідомляє про них довідник. За цим лаконізмом приховані численні питання. Чому глибинні породи прориваються до поверхні в самих, здавалося б, невідповідних місцях – крізь потужну кору платформ, жорстких блоків земної кори, де слабо проявлені тектонічні рухи? Чому вони залягають у вигляді вертикальних стовпів? Чому алмази концентруються саме в кімберлітах, а не в інших породах мантії? Чому в глибинах Землі виникає магма з суміші вапняку і соди, що утворює карбонатитові трубки?

Мені здається, що на ці та багато інших питань можна спробувати відповісти, якщо припустити, що першопричина полягає в особливостях поведінки вуглецю — елемента-хамелеона, рекордсмена менделєєвської таблиці за кількістю сполук, в яких він бере участь.

Отже, головний герой нашої розповіді – вуглець, але тільки не звичайний, поверхневий, а мантійний, що прийшов з глибин планети. З величезної кількості вуглемістних речовин ми виберемо два дуже не схожих один на одного мінерали — алмаз і кальцит. Два камені, дві маски, за якими ховається один і той же актор, прибулець з недоступної і загадкової мантії Землі — потужного шару, що залягає під земною корою.

Перша зустріч

Сенсація 1867 року: у Південній Африці знайшли алмази. Виявили їх абсолютно випадково. Мисливець на страусів Джон О’Рейлі заїхав до знайомого фермера голландця Ван-Нікерка, який жив в долині річки Вааль. В цей час маленький син фермера грав, вибираючи з купи річкового піску красиві камінчики. О’Рейлі зацікавився яскравим блиском одного каменю. Він взяв його і з подивом побачив, що це прозорий, як скло, кристал-восьмигранник, октаедр. Камінь був твердим і на віконному склі залишав глибоку лінію.

— Та ж це алмаз! – вигукнув О’Рейлі.
— Візьміть собі цю коштовність, – засміявся господар — такі «алмази» купами валяються навколо моєї ферми!

Але камінь так вразив мисливця, що він негайно відправився в Капстад (нині Кейптаун) — показати кристал ювелірам. По дорозі він заїхав в селище Кольбург і тут зустрів знайомого – доктора Атерстона. Друзі зайшли в кабачок, і О’Рейлі почав хвалитися своєю знахідкою. Камінь пішов по руках. Думка відвідувачів кабачка була одностайною:

– Займайся, Джон, страусиним пір’ям, а пошуки скарбів залиш для інших.

Засмучений мисливець схопив кристал і викинув його у вікно. Історія відкриття Південноафриканських алмазів була б зовсім іншою, якби не доктор Атерстон, який стрімголов кинувся на вулицю і відшукав камінь у придорожньому пилу. Потім він схопив мисливця за руку і потягнув до себе додому.

– Це справжнісінький алмаз,— зашепотів він, – в ньому не менше двадцяти п’яти каратів!..

Звістка про знахідку великого алмазу на річці Вааль миттєво рознеслася серед білих переселенців в Південній Африці. Всі кинулися промивати піски в районі ферми Ван-Нікерка. А в 1871 році були відкриті найбагатші поклади алмазів в двадцяти милях від Вааля – біля озера Дютуа. За розповідями очевидців, розсипи великих алмазів лежали купами прямо на поверхні жовтої глини.

Почалася справжня алмазна лихоманка. Тисячі людей кинулися сюди з усіх кінців світу. У короткий термін біля озера виросло місто з населенням понад 50 тисяч осіб. Прямо в центрі міста знаходилася багатюща шахта – Кімберлі. Земля тут була незвичайна – яскраво-жовтого кольору, що змінювався на глибині зеленувато-синім. Старателі дробили її, просівали і вибирали дорогоцінні кристали. Вони й не підозрювали, що мають справу з першим у світі корінним родовищем алмазів. Втім, жоден геолог тоді не знав, звідки беруться алмази. Адже їх знаходили тільки в річкових пісках, головним чином в Індії, звідки з найдавніших часів «адамас» – «непереборний» по-грецьки надходив на світовий ринок.

Через кілька місяців роботи добувачі алмазів на копальні Кімберлі з подивом помітили, що вони працюють як би в колодязі з вертикальними стінами. У породах за межами колодязя алмазів не було і в помині. Через десяток років неглибокий колодязь перетворився в трубу, набиту алмазною рудою, яка йде в безодні Землі. Алмазоносна порода привернула увагу геологів, і в 1887 році геолог Льюїс детально описав її і назвав кімберлітом.

…Історія карбонатитів зовсім інша. Вони ніколи не користувалися особливою популярністю. Більше того, ще порівняно недавно карбонатити були невідомі навіть геологам, а їх виходи на поверхню приймали за мармур. А мармур утворюється зі звичайного черепашнику, опущеного в зону високих температур і тисків. Вапняк повертається з глибин перетвореним: шорсткий і пористий, він перетворюється в благородну кристалічну породу, що складається з кристалів кальциту. Нерідко в мармурі зберігаються залишки раковин, голки морських їжаків, членики морських лілій — свідчення первинно-осадової природи каменю.

Але ось в 1895 році геолог Хегбом описав на шведському острові Альне мармурові жили… магматичного походження. Він стверджував, що кальцит був розплавлений і кристалізувався разом з високотемпературними силікатами. Це була дуже смілива і незвичайна для того часу точка зору, оскільки відомо, що кальцит вже при 800° розкладається на окис кальцію і вуглекислоту. Ідея випередила свій час: фахівці не звернули на неї уваги.

Значно більшу популярність придбала робота відомого мінералога Бреггера по району Фен, в Норвегії. Він прийшов до висновку, що здавна відомі тут мармури є насправді магматичними породами: високий тиск підвищував температуру розкладання карбонату і тому робив його стійким навіть в гарячому розплаві.

Ось цей магматичний мармур і отримав назву «карбонатит».

Більш детальне знайомство

Характерною особливістю кімберліта виявилася його структура: порода складалася з округлих уламків і дуже нагадувала звичайний річковий галечник. Наступні знахідки показали, що цим «галечником» набиті вертикальні трубки діаметром до кілометра. Трубки, в свою чергу виявилися приуроченими до великих жорстких блоків земної кори – платформ.

Склад алмазу дивно простий – це чистий вуглець. Точно такий же склад у графіту. При тиску понад 10 тисяч атмосфер і температурі понад 1200° з графіту отримують алмаз. Тому, починаючи зі шкільних підручників, алмаз і графіт завжди розглядаються спільно.

Тим часом алмаз з кімберлітових трубок, мабуть, не має до графіту ніякого відношення: про це свідчить різниця ізотопного складу вуглецю. На клич «ми однієї крові, ти і я», алмазу відгукнуться лише рідкісні мінерали-карбіди, знайдені в метеоритах або в породах мантії Землі, і… кальцит. Так-так, широко поширений мінерал кальцит, але тільки не той з якого складені пласти вапняків і мармурів, а зовсім інший, який зовні не відрізняється, що зустрічається в «мармурових» стовпах, що тягнуться до поверхні з глибин планети,— саме той глибинний мармур, який був названий Бреггером карбонатитом. Співвідношення ізотопів С12: С13 в кальциті з карбонатитів таке ж, як в алмазі. Логічно припустити, що обидва ці мінерали виникли з одного і того ж вуглецю мантії.

…Історія вивчення карбонатитів виявилася насиченою подіями. Ідеї Бреггера багатьом геологам здалися невірними, зав’язалася дискусія. І в 1923 році район Фен відвідав знаменитий американський петролог Боуен, «законодавець мод» в геології, думка якого цінувалася дуже високо. Боуен розкритикував Бреггера і відкинув його гіпотезу. Авторитет Боуена зіграв свою роль, і протягом декількох десятиліть ні в одному солідному підручнику з петрології не з’явилося навіть згадки про карбонатні магматичні породи, описані Хегбомом і Бреггером: звичайно, геологія неможлива без гіпотез, але фантазіям геологів повинні бути межі!..

А тим часом в 1929 році англійський геолог Діксі виявив в басейні річки Замбезі групу згаслих вулканів, серед яких найвищим був великий вулканічний конус — гора Чілва. Піднявшись на цю вершину, Діксі з подивом побачив, що жерло вулкана як би забито величезною пробкою з мармуру. Що це: залишки вапнякових відкладень або натічний туф?.. А може бути, дійсно існує мармурова лава?.. Тільки в 1937 році Діксі у співавторстві з петрографом Смітом (удвох не так страшно!) зважився опублікувати роботу, в якій стверджувалося, що мармуроподібні породи гори Чілва походять з розплаву. Однак світ у той час хвилювали інші проблеми, і стаття Діксі і Сміта залишилася непоміченою.

Лише після війни, в 1948 році, відомий вчений Еккерман знову повернувся до мармурових жил острова Альне. У своїй статті Еккерман категорично наполягав на їх магматичному походженні. Якраз в цей час в Уганді геологи знайшли величезні кільцеві структури, де в центрі залягали карбонатні породи, а по краях — найбагатші поклади апатиту і магнетиту. Різко підвищений у той час інтерес до урану змусив провести вивчення радіоактивності карбонатного ядра. При цьому з’ясувалося, що «мармур» тут містить багато торію, а в радіоктивних мінералах концентруються ніобій, тантал, рідкісні землі, цирконій. Рідкісні мінерали були виявлені в карбонатних породах острова Альне і району Фен. Вийшло, що карбонатити — це новий перспективний тип родовищ стратегічної сировини, заліза, фосфору. Ось тоді ними зацікавилися геологічні служби всіх країн. У США, Канаді, Росії почалася ревізія «мармурів».

Раніше протягом багатьох років переважала точка зору, згідно з якою карбонатити утворилися з водних розчинів при заміщенні кальцитом магматичних порід приблизно так само, як колись думав Боуен. Відповідно до цієї думки, карбонатити не були глибинними утвореннями. Сумніви з’явилися після ізотопного аналізу кальциту: вуглець карбонатитів виявився надглибинним, мантійним. Остаточного удару по точці зору, висловленої Боуеном, завдали сенсаційні повідомлення з Африки. Тут геологи могли на власні очі спостерігати, як з вулканів Керімасі, Каліянго, Олдоіньо-Ленгаї витікала справжнісінька карбонатна лава.

Правда, це був не чистий кальцит, а суміш карбонатів натрію, калію і кальцію. Фактично карбонатна лава виявилася розплавленою содою, в якій був розчинений кальцит. Отже, Хегбом і Бреггер виявилися праві. Треба віддати належне їх блискучій наукової інтуїції – адже вони дуже багато чого не знали!

Кімберліти і карбонатити — брати-близнюки

У кожної епохи – свої проблеми. Бреггер дійсно багато чого не знав. Зате ми зараз, можливо, знаємо занадто багато – тому що кількість наукових публікацій з найрізноманітніших проблем, пов’язаних з кімберлітами і карбонатитами, вимірюється нині десятками тисяч. Тут і геологія, і петрографія, і геохімія, тут мінералогія, петрологія, ізотопний аналіз, економіка, історія, синтез, експеримент і т.д. проте ясності мало. Може бути, навіть менше, ніж за часів Бреггера.

Як виникли кімберліти і карбонатити? Число гіпотез обчислюється десятками. За кімберлітовими тілами в геологічній літературі міцно закріпився термін «трубка вибуху». Так він і йде з підручника в підручник, з довідника в довідник. Вважається, що вибухало «щось» у верхній мантії і пробивало земну кору наскрізь, як кумулятивний бронебійний снаряд.

Тим часом підземні ядерні вибухи показали, що ніяких вертикальних труб при цьому не утворюється. Вибух «не знає», де верх, де низ; в однорідних гірських породах він діє на всі боки рівномірно і утворює камеру сферичної форми.

Спрямовані підземні вибухи великої потужності поки що робити не навчилися і навряд чи їх вміє робити природа. Гіпотезу підправили: вибухів було багато, вони слідували один за іншим, як при проходці повстаючого шахтного стовбура. Але який загадковий механізм веде рівномірну подачу вибухової речовини, з чого складається вибухівка, звідки береться кисень, якщо вибух має хімічну природу? І чому, власне, вибух?..

Вважається, що на вибуховий характер вказує уламковий характер породи. Але в тому-то вся і справа, що складові кімберліт фрагменти в більшості випадків мають не гострокутну, а округлу форму, вони нагадують річковий пісок, морську гальку, валуни з гірських річок.

Але ж галька не утворюється при вибуху! Може бути, це оплавлення? Ні, тому що ніхто не знаходив слідів скловапію або гарту на поверхні гальок, що складаються з дуже тугоплавких мінералів. Може бути, хімічне розчинення? Теж ні, тому що форми розчинення добре вивчені: вони пов’язані з кристалографічними особливостями мінералів.

Чи не тут слід шукати розгадку Походження кімберліта? Кімберлітові трубки забиті галькою, і лише один мінерал зберігає межі кристалів — алмаз. Кристали алмазу часто бувають розбиті, але вони не окатані. Грані їх гладкі, ребра гострі. Може бути, алмаз занадто твердий? Ні, алмази в розсипах, особливо в прибережних морських розсипах, нерідко сильно стерті – за рахунок незліченних ударів. Адже алмаз, хоча і дуже твердий, досить крихкий, легко розколюється і оббивається при різких ударах.

Вважається, що алмаз кристалізується в мантії, на глибині понад 100 кілометрів при гігантському тиску в 35 тисяч атмосфер і досить високій температурі — близько 800°С. Ці дані отримані, виходячи з кривої рівноваги системи алмаз — графіт. Але при чому тут графіт? У мантії його немає, вуглець в ній знаходиться у формі карбідів і метану. Правда, алмази зараз отримують на заводах з графіту, але ці камені технічні, а не ювелірні, вартість яких в сотні і тисячі разів вище. Мабуть, природа виробляє прозорі алмази іншим шляхом. Яким же?

Академік А. Е. Ферсман, тривалий час вивчав алмази, писав: «…Алмаз досі зберігає таємницю свого походження, і те, чого домоглася наука, ще далеко від вирішення проблеми в цілому. Але немає ніякого сумніву, що проблема буде вирішена, і ймовірно, її рішення буде набагато простіше, ніж думають,— в області тих невисоких температур, в яких стійка ця кристалічна різниця вуглецю».

Прозорливість А. Е. Ферсмана була, здавалося б, підтверджена, коли в 1969 році відомий вчений Б. В. Дерягін повідомив про синтез алмазних «вусів» з метану при невисоких температурі і тиску.

Отже, припустимо…

Чому нам сьогодні не припустити, що така ж реакція може йти в природі? Якщо це так, то в алмазі повинні зберегтися сліди того середовища, в якому він ріс. Аналізи показали: так, дійсно, в крихітних бульбашках-включеннях містяться метан, водень, окис вуглецю. Виходить, що трубка – це зона концентрації вуглецевого мантійного флюїду, суміші метану і водню. Інакше кажучи, трубка – порожнина, де накопичується газоподібний мантійний вуглець. Шліфування і окочування величезної кількості уламків порід і мінералів наочно свідчать про те, що газ знаходився в постійному русі, обертаючи і переміщаючи досить великі валуни.

У вихрових потоках метану, мабуть, кристалізуються справжні — найчистішої води – алмази типу знаменитого «Куллінана», найбільшого в світі алмазу вагою понад 600 грамів. Важливу роль, ймовірно, відіграє і кисень. Він сприяє окисленню водню в молекулі метану. Загадкові округлі алмази, очевидно, являють собою частково «обгорілі» – окислені кристали: адже саме такі форми дослідники спостерігали, поміщаючи кристали алмазу в багаті киснем розплави, наприклад в розплавлену селітру.

І, нарешті, на кристалізацію алмазів з газу вказує ще один факт: алмази кімберлітів містять домішку азоту, що входить в кристалічну структуру на місце атомів вуглецю. Не виключено, що азот є каталізатором зростання дорогоцінного алмазу; адже не випадково вміст азоту в ньому досягає 0.5 відсотка!

Але всі ці міркування хороші лише в тому випадку, якщо можна знайти механізм, за допомогою якого виникають гігантські трубки, що пронизують земну кору. Ось яким представляється він мені. Згадаймо, що труба виходить шляхом протикання або свердління. Ніякі рухи земної кори не можуть створити трубу, тим більше на жорсткій платформі. А як проткнути платформу? Адже для цього потрібна величезна сила, що діє вертикально вгору з мантії Землі.

Геологам добре відомі структури протикання – вони називаються діапіровими, а спостерігаються на родовищах звичайної кам’яної солі. Пласти солі під тиском верхніх пластів стають пластичними і у вигляді величезних колон піднімаються до поверхні, протикаючи кілометрові товщі осадових порід. Фактично сіль «спливає» в земній корі, підкоряючись закону Архімеда: невелика різниця в щільності солі і навколишніх порід при великому обсязі соляного пласта створює величезну виштовхуючу силу. При цьому виникає «ефект голки»: виштовхуюча сила зосереджується на порівняно невеликій площі, створюючи зону дуже високого тиску, що пробиває пісковики, вапняки, сланці.

Загально прийнято, що при формуванні кімберлітових трубок велику роль грав так званий «флюїд», тобто суміш сильно стиснутих і нагрітих газів. Щорічно вздовж околиць континентальних плит з вулканів в атмосферу виділяються десятки кубічних кілометрів газів. Якщо виключити з них пари води, то виявиться, що вони складаються головним чином з вуглекислоти, в значно менших кількостях в складі газів присутні метан, водень, азот. Ізотопний аналіз показав, що з вулканів виділяється мантійний вуглець. Власне кажучи, вулкани – зони сучасної дегазації мантії, а вуглекислота це окислений метан.

На околицях континентів, де океанічна земна кора занурюється в глибини Землі, існує безліч глибинних розломів – там гази і знаходять собі вихід. Але що станеться, якщо дегазація мантії йде під газонепроникними плитами платформ? Мабуть, цей процес також існує, хоча він і не дає про себе знати з таким шумом, як катастрофічні виверження вулканів. Флюїд, як відомо, відрізняється надзвичайною рухливістю, мабуть він може переміщатися і накопичуватися в значних кількостях на кордоні кори і мантії. І в цьому випадку в дію вступає древній закон Архімеда: на кубічний кілометр флюїду, набагато легшого, ніж сіль, діє виштовхуюча сила близько 2-2,5 мільярда тонн!

І якщо вона буде прикладена до порівняно невеликої площі, вийде природне свердло, здатне пробурити земну кору. Воднево-метановий флюїд в глибинах землі володіє величезною потенційною енергією, але до неї додається ще й значний запас хімічної. Адже флюїд водень-метан окислюючись переходить у флюїд вода-вуглекислота; реакція ця відрізняється надзвичайно високим виділенням тепла. Звичайно, розпечений газовий флюїд володіє набагато більшою протикаючою силою, ніж сіль. Він здатний пробити земну кору і як лідер вивести до поверхні глибинні породи. Можливо, що вихрові газові потоки з великою кількістю каменів створюють додатковий ефект пронизування.

Гігантський газовий міхур прогризає верхню мантію, базальтовий і гранітний шари, а в зону зниженого тиску слідом за ним вдавлюються глибинні породи. І на питання, чому труби приурочені до платформ, ми відповімо: тому що платформи — це потужні газонепроникні плити, що концентрують газ на великій глибині.

Так чому ж мармур, а не алмаз?

Карбонатити, як і кімберліти, прориваються крізь платформи, тільки не в центрі, а по краях. Для них також характерні трубоподібні поклади, вуглець в них мантійний… У чому ж різниця, чому в одних випадках виникає кімберліт, а в інших — карбонатит? Відповідь треба шукати в глибинному режимі кисню. Приуроченість карбонатитів до околиць платформ не випадкова. Мабуть тут, на околицях жорстких плит, створюється напружена тектонічна обстановка, виникають зони зминання і глибинної взаємодії багатої киснем кори і мантії, і все це сприяє окисленню воднево-мета нового флюїду. Саме тут в силу тих чи інших причин підземний кисень перетворює цей флюїд у вуглекислотний.

Варто допустити це припущення, і далі все стає простіше. Експерименти свідчать про те, що при надвисоких тисках і високій температурі вуглекислотний флюїд набуває сильні кислотні властивості. Значить, він повинен був бути якось нейтралізований і нейтралізація ця в глибинах Землі могла б йти за рахунок лугів — натрію і калію, а також лужноземельних елементів — кальцію, стронцію, магнію. І справді, всі ці елементи входять до складу карбонатитових лав африканських вулканів, та й у відомих нам карбонатитових масивах теж завжди підвищений вміст стронцію і магнію.

Геофізичні дослідження району Фен показали, що тут з глибин піднята колона мантійних важких порід, на вершині якої, як шапочка, збереглося кілька сотень метрів лужних порід і карбонатитів. Іноді ерозія майже повністю зрізає лужні породи і карбонатити — і тоді на поверхню вилазить жахливий стовп дунітів або піроксенітів, посланців мантії. На аерознімку можна побачити один з таких стовпів: гігантським кільцем стоїть гірський хребет, складений осадовими породами, гранітоїдами і зміненими породами, просоченими лугами. Діаметр кільця більше 10 кілометрів! А в центрі його – теж у формі правильного кола – залягають глибинні олівінові породи-дуніти. Вони легко вивітрюються і тому центральна частина кільцевої структури знижена. У тріщинах дунітів збереглися жили лужних порід і карбонатитів. Різниця у віці дунітів і лужних порід становить сотні мільйонів років: стародавні породи були видавлені в трубу, де «скам’янів» вуглекислотний флюїд, що перетворився в карбонатити і лужні породи.

Що ж у підсумку?

Окатані уламки гірських порід і деяких мінералів, зустрінуті в карбонатитах, свідчать про те, що механізм їх формування має спільні риси з кімберлітами. В обох випадках, і в кімберлітах і в карбонатитах. флюїд виступає як лідер – він прокладає шлях.

Але є, звичайно, і дуже велика різниця. Кімберлити – це продукт механічного, термічного і в меншій мірі хімічного впливу глибинного флюїду на навколишні породи, а карбонатит — перш за все продукт нейтралізації попередньо окисленого мантійного флюїду. Розчинені в ньому речовини, слідуючи за флюїдом, як би виштовхуються вгору – поршнем — піднімаються в зону зниженого тиску мантійною породою.

Отже, передбачувана схема утворення карбонатитів: окислення воднево-метанового флюїду у вуглекислотний флюїд — нейтралізація вуглекислотного флюїду в процесі формування вертикальної труби і, нарешті, «поршневий ефект» — вичавлювання продуктів нейтралізації колоною глибинних порід до земної поверхні.

А в основі всіх процесів – елемент-хамелеон вуглець. Воістину несподіваною виявилася його роль: він і в газах, і в мінералах, він формує дивовижні геологічні структури на Землі. І у всіх цих випадках «працює» вуглець глибинних зон планети. Звідки він? З нижньої мантії або з загадкового ядра Землі? Невідомо. Але ясно, що цей вуглець схожий на вуглець, який у формі груп CN і CH4 входить до складу міжзоряного газу, і у вигляді метану формує щільні атмосфери Юпітера і Сатурна і виявляється в метеоритах, що впали на Землю. Цей вуглець протопланетної стадії розвитку Землі, мільярди років зберігався в підвалах планети, скам’янілий газ космосу. І лише незворотний процес дегазації виніс його в наш поверхневий світ – у вигляді мармурових стовпів або блискучих самоцвітів.