Природа разнообразия кристаллов алмаза в кимберлитах

ПРИРОДА РАЗНООБРАЗИЯ КРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА В КИМБЕРЛИТАХ

Владимир Степанович Шкодзинский,

доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный

сотрудник Института геологии алмаза и благородных металлов СО РАН

Яркий блеск, волшебная игра цветов в ограненных алмазах и их уникальные физические свойства обусловили выдающуюся ювелирную и техническую ценность этого минерала. Однако коренные его источники, в основном кимберлиты, встречаются очень редко и содержат весьма незначительное количество алмазов - обычно менее 1 г на 1 т. Кроме того, большинство его кристаллов являются мелкими и содержат различные дефекты. Для успешного поиска высококачественных алмазов очень важно знать происхождение главных разновидностей этого минерала.

На основании обычно большего изотопного возраста минеральных включений в алмазах (до 3,5 млрд лет) по сравнению с возрастом алмазоносных кимберлитовых трубок (сотни миллионов лет) чаще всего предполагается, что кристаллы этого минерала возникли в твердой мантии на ранней стадии ее эволюции. Кимбер-литовые магмы механически захва-

В. С. Шкодзинский

тывали кристаллы алмаза, поэтому считается, что они не имеют никакого отношения к процессам образования этого минерала. Однако этой точке зрения противоречит установленное существование многочисленных зависимостей морфологии, количества и крупности кристаллов алмаза от состава и особенностей размещения содержащих их кимберлитов [1]. Это свидетельствует о значительной общности процессов формирования алмазов и кимберлитов.

Природа этой общности стала понятной после установления признаков горячего образования Земли и существования в ее недрах в большей части истории геологической эволюции расслоенного по составу глобального океана магмы с первоначальной глубиной до сотен километров. Остывание и затвердевание этого океана сверху вниз сопровождалось кристаллизацией алмазов и формированием кимберлитовых остаточных расплавов в его нижнем перидотитовом (богатом

На фото вверху - бриллианты (http://www.kremlintours.iv/site/3}

I-

I—

3,5

I-

1300

ь

магнием) слое. Кимберлитовый состав приобрел остаточный расплав, в основном, в последние полмиллиарда лет вследствие накопления при кристаллизации хорошо растворимых в нем (расплавофильных) химических компонентов - углекислоты, воды, кальция, легких редких земель. Алмазы начали формироваться намного раньше кимберлитов по причине увеличения в остаточном расплаве концентрации углерода, так как он почти не входил в состав кристаллизовавшихся породообразующих минералов. Это объясняет чаще всего более древний изотопный возраст включений в алмазах по сравнению с кимберлитами. Позднее образование кимберлитовых расплавов является причиной внедрения их магм преимущественно в последние полмиллиарда лет. Оно объясняет отсутствие кимберлитов в океанических областях, где продукты затвердевания расслоенного магматического океана были раздвинуты при формировании этих областей под влиянием растекания всплывавших горячих мантийных струй, подогретых изначально более горячим железным ядром [1].

Сунагава [2] показал, что увеличение степени пересыщения среды кристаллизации алмаза углеродом должно было приводить к смене октаэдрической огранки (1 на рис. 1) возникавших кристаллов на ром-бододекаэдрическую (5) и кубическую (9). Однако причина этого увеличения пересыщения оставалась непонятной. Образование ромбододекаэдрических и округлых кристаллов (7) а также разнообразных скульптур на их поверхности (3, 4, 8) часто связывают с существованием гипотетических процессов частичного растворения алмазов в мантии [3]. Но природа этого растворения и степень его реальности остаются неясными. Широкое распространение в мантийных ксенолитах (вынесенных магмой обломках пород) признаков замещения высокотемпературных минералов низкотемпературными, отсутствие противоположных явлений и снижения температуры мантии примерно на 200о С за каждый миллиард лет свидетельствуют о сильном возрастании степени стабильности в ней алмаза с течением времени. Это иллюстрирует расширение поля устойчивости алмаза в правой части рис. 2. Следовательно, в реальной остывающей твердой мантии не могли происходить массовые процессы растворения алмазов [1].

Различное содержание в алмазах азота, легкого изотопа углерода и других примесей обычно связывают с влиянием гипотетических процессов метасоматического (без участия магм) привноса их поднимающимися через

Состав расплава

перидотитовыи

пикритовыи

кимберлитовый

Возраст

2,7

1,9

1,1

млрд. л

1200

1100

1000 Т ,С

-12

б13С,%о

синяя

300

600

900

N. ррт

Фотолюминесценция

зеленая желтая

оранжевая

бесцветная

серая

Окраска

зеленая

желтая

Морфология

п

зс

—I

по

ОС

НЛ

1,?

1,2

0,6

1/т, у.е.

Рис. 1. Соотношение величины удельной интенсивности рентгенолюминесценции (I/m) с кристалломорфологией алмазов, с их окраской и цветом фотолюминесценции, со средним содержанием азота, изотопным составом углерода, температурой образования, возрастом и составом расплава при кристаллизации. Показаны средние величины 1/т при образовании плоскогранных (П), занозистослоистых (ЗС), полицентрических (ПО) и округло-ступенчатых (ОС) октаэдров; округлых додекаэдроидов (О) и нелюминесцирующих кристаллов (НЛ). Ряды Ка и Ла - кристаллы в кимберлитах с соответственно карбонатитовой и лампроитовой тенденцией дифференциации, промежуточный ряд - кристаллы, встречающиеся в различных кимберлитах.

Октаэдры: 1 - гладкогранные; 2 - тонкослоистые; 3 - грубослоистые; 4 - полицентрические; 6 и 7 - округло-ступенчатые; 5 и 8 -додекаэдроиды соответственно гладкогранный и с черепитчатой скульптурой; 9 - куб; 10 - агрегат.

Фото кристаллов взяты из книги Ю. Д. Орлова [3]

мантию потоками летучих компонентов. Однако с физико-химической точки зрения такие потоки существовать не могут. Это обусловлено очень большим давлением в мантии, исключающим возможность присутствия в ней открытых трещин и пор, необходимых для движения летучих. Очень большая прочность мантии (сопоставимая с таковой стали) обусловливает невозможность

Возраст, млрд.лет

Рис. 2. Схема затвердевания магматического океана и формирования кимберлитового остаточного расплава в результате дифференциации его перидотитового слоя.

Показано расширение поля устойчивости алмаза

в мантии с течением времени. Гарцбургитовый и лерцолитовый - соответственно бедный и богатый кальцием перидотитовые расплавы, пикритовый расплав - переходный по составу к кимберлитовому. Условия кристаллизации различных алмазов: О - октаэдрических, Д - ромбододекаэдрических, К - кубических, А - агрегатов

всплывания их обособлений. Кроме того, температура мантии на многие сотни градусов выше, чем температура ее плавления в присутствии флюидной (состоящей из летучих компонентов) фазы. Если бы эта фаза существовала в ней, то мантия полностью расплавилась бы. Поэтому преимущественно твердофазное состояние мантии по геофизическим данным вполне определенно указывает на отсутствие в ней флюидной фазы и, следовательно, метасоматизирующих потоков.

Учет процессов кристаллизации магматического океана легко объясняет возникновение большого разнообразия алмазов в кимберлитах и без допущения существования малореальных процессов. Из многих экспериментальных и геологических данных следует, что затвердевание нижнего перидотитового слоя в магматическом океане должно было сопровождаться увеличением содержания кремнекислоты в остаточном расплаве - от 25 до 40 - 45% при формировании кимберли-товых расплавов и до 70% - при возникновении самых поздних включений в алмазах. При таком возрастании содержания кремнекислоты динамическая вязкость расплава увеличилась на 6 - 7 порядков [1]. В соответствии с формулой Эйнштейна-Стокса [4], D = RTp/(6ппr), величина коэффициента диффузии D прямо пропорциональна температуре Т и обратно пропорциональна вязкости среды п ^=8,31Ч03 дж/кмоль-град, р - плотность среды, п=3,14, г - радиус диффундирующих молекул). Формула показывает, что величина коэффициента диффузии углерода в расплавах при таком возрастании вязкости должна была уменьшиться в миллионы раз. Снижение коэффициента диффузии замедляло движение углерода

к формировавшимся кристаллам алмаза, что привело к почти такому же сильному возрастанию степени пересыщения им остаточных расплавов, несмотря на постоянное удаление его в кристаллизовавшиеся алмазы. Это объясняет увеличение степени пересыщения углеродом среды алмазообразования с течением времени.

Накопление в остаточном расплаве расплавофиль-ных химических компонентов должно было приводить к возрастанию содержания примесей их (^ Si, Fe, Мп, Са, Na) в кристаллизовавшихся алмазах. Это и снижение температуры сопровождалось ростом количества дефектов в их кристаллической структуре. Многими исследователями [3, 5] установлено, что увеличение количества дефектов в структуре алмазов приводит к уменьшению интенсивности их рентгенолюминисценции (свечения после облучения) вследствие ее поглощения дефектами. Из этого следует очень важный вывод о том, что величина этого относительно легко замеряемого параметра является показателем состава остаточного расплава и относительного времени кристаллизации каждой разновидности алмаза при затвердевании перидотитового слоя магматического океана. Совместно с относительной величиной степени пересыщения расплава углеродом она позволяет выяснить генезис главных разновидностей алмазов в кимберлитах. Интенсивность рентгенолюминесценции (I) зависит от величины кристаллов, поэтому необходимо использовать удельную интенсивность (1/т), где т - масса кристалла (мг) [5].

Очевидно, что на начальной стадии кристаллизации перидотитового слоя скорость диффузии углерода была максимальной, а степень пересыщения им расплава -минимальной. Поэтому углерод имел относительно небольшую химическую активность и мог присоединяться лишь к торцам слоев роста кристаллов алмаза, так как здесь обнажались три ковалентные связи, а на гранях - только одна. Вследствие этого рост кристаллов был послойным (тангенциальным) и возникали идеальные плоскогранные острореберные октаэдры алмазов с зеркально гладкими гранями (1 на рис. 1). Небольшое еще содержание в расплаве расплавофильных элементов обусловило незначительное количество примесей в кристаллизовавшихся алмазах, прозрачность и ювелирное качество большинства октаэдров. Минимальное содержание структурных дефектов является причиной обычно яркого синего и сиреневого цвета их фотолюминесценции. Самое раннее образование плоскогранных октаэдров подтверждается максимальной величиной их удельной интенсивности рентгенолюминесценции, равной, по данным К. П. Аргунова [5], в среднем 1,8 у.е. (условных единиц). Оно согласуется с присутствием только октаэдров в ксенолитах мантийных перидотитов, возникших из ранних осаждавшихся кристаллов (куму-латов) магматического океана.

В это время кристаллизация самого нижнего перидотитового его слоя происходила очень медленно, так как он был перекрыт еще горячими верхними слоями. Это иллюстрирует рис. 2. Из него видно, что литосфера (затвердевшая часть океана магмы) при формировании октаэдров имела толщину только в среднем около

15 км, а ниже располагались магмы с уменьшающимся с глубиной содержанием кристаллов минералов. По этой причине самые ранние октаэдрические кристаллы алмазов росли очень длительно. Это объясняет происхождение изредка встречающихся в кимберлитах алмазов-гигантов (рис. 3) весом в десятки и сотни карат (карат равен 0,2 г) и октаэдрическую огранку подавляющего большинства из них (93 - 94%) [5].

По мере кристаллизации перидотитового слоя и уменьшения скорости диффузии углерода в остаточном расплаве, слои роста на алмазах росли все медленнее. Увеличение же степени пересыщения углеродом приводило к более быстрому образованию новых центров роста и слоев. Поэтому площадь слоев роста уменьшалась, и грани октаэдров покрывались сокращавшимися слоями, все больше не достигавшими ребер и вершин (кристаллы 2 и 3 на рис. 1). В результате сначала формировались выпуклые грани, плоские в центре и наклонные по краям. На последних торцы выходов слоев роста создавали параллельную или сноповидную штриховку. В дальнейшем сокращавшиеся слои роста покрывали все грани и возникали слоистые (3), полицентрические (4), блоковые и округло-ступенчатые (6, 7) октаэдры (см. рис. 1). Такая последовательность образования октаэдров с этими скульптурами подтверждается уменьшением величины удельной интенсивности рентгенолю-минесценции в среднем от 1,55 в занозисто-сноповидных октаэдрах до 1,25 - в полицентрических, 1,02 - в блоковых и 0,8 у. е. - в округло-ступенчатых (рис. 1) [5].

В изначально бедных кремнекислотой частях пе-ридотитового слоя вследствие повышенных скорости диффузии углерода в расплаве и темпов роста алмаза возникала грубая слоистость на его кристаллах (ряд Ка на рис. 1). В частях с большим содержанием кремне-кислоты и с пониженной скоростью диффузии углерода формировалась тонкая слоистость (ряд Ла). Рассмотренная последовательность образования скульптур на гранях октаэдров подтверждается примерно такой же последовательностью их в ряду алмазов-гигантов, расположенных по мере возрастания их среднего веса (рис. 4). Более крупные алмазы чаще всего должны были заканчивать рост на более поздних стадиях, чем мелкие, поэтому размерная последовательность алмазов-гигантов примерно отражает возрастную.

С началом сокращения площади растущих октаэд-рических граней на месте ребер и вершин октаэдров начинали формироваться ступенчатые грани соответственно ромбододекаэдра и куба и кристаллы такой морфологии. Вследствие очень большого пересыщения расплава и поэтому высокой химической активности углерода, атомы его кратчайшим путем присоединялись к поверхности кристаллов. В связи с этим образование кубов происходило путем нормального радиального роста. Такой рост начинался еще на поздней стадии кристаллизации октаэдров и ромбододекаэдров, что приводило к возникновению на их поверхности занозистой, черепитчатой скульптуры (6 на рис. 1) и выпуклостей другой формы. На участках повышенного содержания адсорбированных примесей рост кристаллов

Рис. 3. Алмаз-гигант из трубки «Удачной» (172,5 карат) [5]

М, кар

90--

30

+

+

+

Пл Лц Ш Ос РД

Рис. 4. Средняя масса (М) ромбододекаэдров (РД) и октаэдров:

плоскогранных (Пл), полицентрических (Пц), со штриховкой (Ш), округло-ступенчатых (Ос) среди алмазов-гигантов из трубок и россыпей Якутии.

Построен по данным К. П. Аргунова [5]

тормозился, и возникали впадины различной формы. Позднее образование ромбододекаэдров, особенно кубов, подтверждается низкой величиной в них удельной интенсивности рентгенолюминесценции - в среднем соответственно 1,0 и 0,2 у. е. [5]. Оно согласуется с отсутствием их в ксенолитах ранних перидотитов и с присутствием в ксенолитах более поздних эклогитов (богатых глиноземом пород).

При кристаллизации октаэдров и ромбододекаэдров недорастание формировавшихся слоев в наиболее крупных кристаллах до ребер и вершин приводило к образованию округлых кристаллов (5 - 8 на рис. 1). Дискуссия об их происхождении продолжается уже более 100 лет. Чаще всего предполагается, что они формируются путем проявления процессов частичного растворения [3]. Однако значительно меньшая величина

удельной интенсивности рентгенолюминесценции в них (0,8 у. е. в округло-ступенчатых октаэдрах по сравнению с 1,8 у. е. - в плоскогранных, рис. 1) вполне определенно указывает на ростовое происхождение округлых алмазов. Их вещество содержит значительно больше структурных дефектов, чем плоскогранных кристаллов, поэтому они возникали на более поздней стадии кристаллизации магматического океана. О ростовом происхождении округлых алмазов свидетельствуют также присутствие иногда округлой внутренней зональности в некоторых кристаллах и часто в среднем больший размер таких алмазов по сравнению с плоскогранными в кимберлитах и россыпях [1].

Содержание азота и легкого изотопа углерода в настоящее время широко используется для типизации алмазов и выяснения их происхождения. Однако причина вариаций количества этих компонентов остается неясной. Модель формирования алмазов в процессе кристаллизации перидотитового слоя магматического океана полностью объясняет природу этих вариаций. Из многих экспериментальных данных известно, что летучие химические компоненты накапливаются в остаточных расплавах при кристаллизации магм. Азот является типичным летучим компонентом, поэтому содержание его должно было постепенно увеличиваться в остаточных расплавах и формировавшихся в них алмазах по мере кристаллизации магматического океана. Легкие редкие земли значительно больше накапливаются в остаточных расплавах, чем тяжелые. Поэтому при кристаллизации легкий изотоп углерода должен был накапливаться в них и в формировавшихся алмазах больше, чем тяжелый. Из этого следует, что содержание азота и доля легкого изотопа углерода должны возрастать от ранних алмазов к поздним. Обобщение опубликованных данных по хорошо изученным зарубежным трубкам показало, что среднее содержание азота и доля легкого углерода в относительно богатых кремнекислотой кимберлитах действительно возрастают от ранних октаэдров к поздним кубам и агрегатам соответственно в 5 и 8 раз [1].

В настоящее время получены доказательства того, что увеличение содержания азота и других примесей в алмазах и связанных с ними дефектов кристаллической решетки приводит к появлению окраски кристаллов и к уменьшению интенсивности их фотолюминесценции в связи с тушением дефектами, особенно ее коротковолновой составляющей [3]. Это объясняет отсутствие окраски в большинстве октаэдров и преимущественно синий и сиреневый цвета их фотолюминесценции. Оно является причиной окрашенности большинства кубов; желтого, оранжевого свечения их и отсутствия фотолюминесценции в некоторых из них (рис. 1). Все это подтверждает рассматриваемую модель алмазообразования.

На рис. 1 примерно показаны также температура формирования и изотопный возраст главных разновидностей алмаза, полученные на основании обобщения и анализа данных, опубликованных в мировой литературе [1]. Рисунок преимущественно отражает относительную последовательность процессов формирования разновидностей алмаза в кимберлитах, а не точные

температурные и возрастные интервалы их возникновения. Это связано с тем, что данные процессы зависят от особенностей исходного состава перидотитового слоя магматического океана. На участках с повышенным содержанием кремнекислоты (с лампроито-вой тенденцией дифференциации [1]) октаэдрические кристаллы алмаза заканчивали свое формирование раньше и содержатся в кимберлитах в меньшем количестве, чем на участках с пониженным количеством этого компонента (с карбонатитовой тенденцией дифференциации). Архангельские и большинство зарубежных кимберлитов имеют повышенное содержание кремнекислоты, тогда как якутские кимберлиты намного беднее этим компонентом, что является причиной начала формирования ромбододекаэдров. В первых -на более ранней стадии фракционирования и количественного их преобладания в трубках. Во вторых ромбододекаэдры возникали позже, в них чаще всего содержится больше октаэдров.

Другим осложняющим фактором являются иногда наблюдающиеся отступления от «нормальной» последовательности кристаллизации минералов. Например, на относительно низкотемпературные ядра в алмазах иногда нарастают более высокотемпературные. Это, видимо, в основном связано с погружением растущих кристаллов в более высокотемпературные, менее остывшие участки магм. В кристаллизовавшемся сверху вниз, огромном по объему, расслоенном магматическом океане процессы погружения кристаллов, видимо, были широко распространены.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что все главные разновидности алмазов имеют ростовое происхождение и возникли на различных стадиях кристаллизации перидотитового слоя магматического океана. Разные алмазы одной и той же кимберлитовой трубки принадлежат к единой эволюционной серии, а не заимствовались из различных пород. Самые ценные малодефектные и крупные их разности образовались на ранних стадиях кристаллизации самых глубинных частей перидотитового слоя. Сформировавшиеся здесь кимберлитовые магмы содержат самое большое количество магния, хрома и минералов (хромистые гранат и пироксен), возникших при очень высоком давлении.

Список литературы

1. Шкодзинский, В. С. Петрология литосферы и кимберлитов (модель горячей гетерогенной аккреции Земли) / В. С. Шкодзинский. - Якутск : Издательский дом СВФУ, 2014. - 452 с.

2. Sunagava, I. Materials science of the Earth's interior /1. Sunagava. - Tokio, 1984. - 654 p.

3. Орлов, Ю. Д. Минералогия алмаза / Ю. Д. Орлов. - М. : Наука, 1973. - 223 с.

4. Таблицы физических величин : справочник / В. Г. Аверин, Б. А. Аронзон, В. С. Бабаев и др. - М. : Атомиздат, 1976. - 1006 с.

5. Аргунов, К. П. Алмазы Якутии / К. П. Аргунов. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. - 402 с.