Где растут алмазы

Первые эксперименты по синтезу алмаза в Институте геологии и геофизики СО АН СССР относятся к 1979 г. В результате многолетних исследований к настоящему времени в Институте геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН создана уникальная аппаратура высоких давлений БАРС (Беспрессовый Аппарат Разрезная Сфера) и комплекс оригинальных методов выращивания крупных кристаллов алмаза с заданными свойствами, разработаны экспериментально обоснованные модели генезиса природных алмазов. В ячейке высокого давления крошечный кристаллик алмаза постепенно растет и на седьмые сутки достигает массы 6 карат. Процесс роста идет в расплаве металлов при давлении 60 тыс. атмосфер и температуре 1500 °С. В результате получается алмаз максимально высокого качества, уникальные свойства которого можно использовать в современных устройствах для достижения рекордного уровня параметров приборов твердотельной электроники. Успехи ученых лаборатории процессов минералообразования в условиях высоких давлений ИГМ СО РАН позволили начать работы по практическому применению монокристаллов синтетического алмаза. Весьма актуальным является экспериментальное моделирование процессов природного алмазообразования. Специалисты лаборатории установили, что процессы зарождения и роста алмаза контролируются главным образом содержанием карбонатов, Н 2 О, СО 2 и щелочей в глубинных флюидах и расплавах. Впервые экспериментально доказано, что карбонаты могут быть не только средой кристаллизации, но и источником углерода алмаза...

Алмаз является самым удивительным и таинственным минералом. Он всегда привлекал внимание ученых и постепенно раскрывал свои тайны. Достаточно вспомнить истории о том, как в 1772 г. французский химик Лавуазье на глазах изумленной публики сжег алмаз, доказав, что он состоит из углерода; как в 1913 г. отец и сын Брегги расшифровали структуру этого минерала; как в «голубой земле» Южной Африки были найдены первые алмазы. А еще можно вспомнить о многочисленных попытках получения искусственных кристаллов, об экзотических опытах Муассана, синтезировавшего «алмазы», которые потом оказались карбидами. Конечно, это уже история, а мы поговорим об актуальных проблемах сегодняшней алмазной науки и немножко заглянем в завтра…

Броня крепка…

Анализ существующих методов получения алмаза показывает, что подавляющее большинство из них позволяет реализовать лишь синтез алмазной фазы в кратковременных процессах спонтанной кристаллизации. Одним из основных методов, обеспечивающих выращивание достаточно крупных монокристаллов, является метод температурного градиента, в котором алмаз растет из раствора углерода в расплаве металлов. Этот метод реализуется при давлениях 50-60 тыс. атмосфер в диапазоне температур 1400-1600 °С. Следовательно, для выращивания крупных кристаллов алмаза нужна прежде всего аппаратура, способная создавать такие условия.

Лидеры в данной области – корпорации Де Бирс, Сумитомо Электрик Индастриз и Дженерал Электрик используют для получения алмаза аппараты Belt , оснащенные мощным прессовым оборудованием массой до 200 т. В нашей стране аппаратуры такого класса не было.

В 1970-х гг. в Институте геологии и геофизики СО АН СССР по инициативе д. г. -м. н. профессора А. А. Годовикова и к. г. -м. н. И. Ю. Малиновского начались работы по созданию аппаратов высокого давления. Здесь уместно сделать отступление и сказать, что в это время бриллианты из первых крупных кристаллов синтетического алмаза, полученных учеными из Дженерал Электрик, уже были подарены английской королеве. В 1978 г. мы начали работы по тематике, связанной с синтезом алмазов. А в 1979 г. уже получили первые алмазы! Очень мелкие и черные. Посмотреть на первые алмазы приходили из всех лабораторий. Коллеги из европейской части страны нашей радости не понимали и говорили обидные слова про изобретение велосипеда и его квадратные колеса. Время шло, заводы тоннами производили алмазные порошки по «скорострельным» технологиям. Наши конструкторы Э. Н. Ран, Я. И. Шурин и В. Н. Чертаков под руководством И. Ю. Малиновского делали все новые и новые аппараты, а мы старались научить эти установки работать и учились сами.

В стране по-прежнему не было крупных синтетических алмазов. Лишь к концу 1980-х гг. в Новосибирске был создан многопуансонный аппарат «разрезная сфера», на котором впервые в России мы получили крупные кристаллы синтетического алмаза ювелирного качества массой до 1,5 карат (Пальянов и др., 1990). Для получения крупных кристаллов алмаза нужно было не только создать высокие давления и температуру, но и поддерживать эти параметры постоянными в течение нескольких дней и даже управлять при таких условиях сложнейшими процессами роста кристаллов.

В результате совместных исследований с сотрудниками Американского геммологического института (The Gemological Institute of America ) в авторитетном международном журнале Gems & Gemology появилась статья с многозначным названием: «Геммологические свойства русских кристаллов синтетического алмаза ювелирного качества» (Shigley et al. , 1993). После аттестации новосибирских кристаллов в ведущих научных центрах разработанная аппаратура и комплекс технологий были признаны и получили в зарубежной литературе соответствующие названия: БАРС-аппаратура , БАРС-технологии и БАРС-кристаллы . БАРС – это беспрессовый аппарат разрезная сфера.

Три тонны высококачественной специальной стали в каждой установке высокого давления – это наша броня, которая действительно крепка. За созданием современных БАРСов стоит огромный труд десятков сотрудников института, которые в разные годы внесли свой посильный вклад в эту разработку. Исследования в области создания синтетических алмазов неизменно поддерживались академиками Н. Л. Добрецовым и Н. В. Соболевым.

Современный БАРС совсем не похож на другие установки высокого давления. Он открывается подобно гигантской ракушке, а внутри, как жемчужина, расположен стальной шар диаметром 300 мм. Шар симметрично разрезан на одинаковые сегменты. Представьте, что вы разрезали арбуз на восемь равных частей. Получились такие трехгранные пирамидки со сферическим основанием. Теперь положили их на стол коркой вниз и срезали параллельно столу самое вкусное. Получили сегменты (или пуансоны ) первой ступени.

Если вы снова соберете эти сегменты в сферу, то внутри нее получится полость в форме октаэдра. В этой полости расположены пуансоны из карбида вольфрама (твердый сплав или победит) – только этот материал выдерживает огромные давления. Шесть пуансонов второй ступени собираются в форме октаэдра, внутри размещается ячейка высокого давления. Именно в ней происходят таинственные процессы зарождения и роста кристаллов алмаза. При достижении необходимых температуры и давления углерод, находящийся в наиболее горячей зоне (исходно это графит), растворяется в расплаве металлов и транспортируется в более холодную зону, куда помещен маленький затравочный кристаллик алмаза, который постепенно растет и на четвертые сутки достигает двух карат. Конечно, это только в том случае, если вы все сделали правильно.

Алмазы бывают разные

Хорошо известно, что алмаз имеет высочайшую твердость, которая обеспечивает традиционное его использование в технике. Но алмаз, кроме того, обладает и другими уникальными свойствами. Это ковалентный широкозонный полупроводник с теплопроводностью, в пять раз превышающей теплопроводность меди. Его характеризует высокая подвижность носителей тока, химическая, термическая и радиационная стойкость, а также способность легироваться электрически активными примесями. Мы привыкли к тому, что само слово «алмаз» автоматически подразумевает полезность всего, что с ним связано. И это совершенно справедливо.

Однако реальная картина выглядит гораздо сложнее и интереснее. Нас прежде всего интересует максимально высокий уровень качества, который условно назовем приборным. Именно на этом уровне алмаз должен проявить себя в современных приборах и устройствах как монокристалл, обладающий уникальными свойствами. Современная микроэлектроника на базе германия и кремния использует практически предельные возможности этих материалов. Поскольку алмаз является последним в ряду полупроводников с алмазным типом структуры, то именно он рассматривается как материал, на котором может быть достигнут рекордный уровень параметров приборов твердотельной электроники.

Массированный характер инвестиций в «алмазные» проекты за рубежом привел к впечатляющим результатам, однако эпоха широкого применения алмаза в высокотехнологических областях науки и техники пока еще не наступила. Одной из сдерживающих причин эксперты считают недостаточное качество как природных, так и синтетических алмазов. Уже давно ясно, что, даже лучшие из природных алмазов крайне неоднородны по дефектно-примесному составу и, соответственно, различны по свойствам.

Следовательно, задачи выращивания крупных высококачественных монокристаллов алмаза, исследование их реальной структуры и свойств весьма актуальны, поскольку в итоге направлены на получение алмазов с заданными свойствами для высокотехнологических применений. Следует подчеркнуть, что в таких индустриально развитых странах, как США и Япония, исследования и разработки по этому направлению проводятся в рамках крупных национальных программ. Да и у нас в стране ситуация в этой области постепенно улучшается.

О полезных и вредных дефектах… и немного о радуге

Итак, современной науке и технике нужны высококачественные кристаллы алмаза с различными полезными свойствами. Задача непростая, если учитывать наличие дефектов в кристаллах.

Дефектов много, они разные и условно делятся на две группы: «вредные» и «полезные». Например, включения – частички среды кристаллизации, которые кристалл захватил в процессе роста, дислокации – линейные нарушения структуры и планарные дефекты – микродвойники и дефекты упаковки. Это дефекты первой группы. Желательно, чтобы их в кристалле было как можно меньше или не было совсем.

Другая группа – это примесные и собственные дефекты , или дефектно-примесные центры. Это «полезные» дефекты, поскольку именно они определяют многие свойства кристаллов. Важно понять, какие центры отвечают за то или иное свойство, а затем создать в кристалле нужную концентрацию этих центров.

Задача сложнейшая, учитывая, что процесс роста кристаллов алмаза идет при давлении 60 тыс. атм. и температуре 1500 °С. Тем не менее мы уже научились получать кристаллы без включений, минимизировать плотность дислокаций и дефектов упаковки.

Высококачественный кристалл синтетического алмаза желтого цвета. Почему? Такое свойство обеспечивается примесью азота: достаточно 10-20 атомов азота на миллион атомов углерода. Азот «внедряется» из воздуха, который адсорбируется на исходных реактивах, и этого достаточно, чтобы 100 атомов углерода из миллиона были замещены атомами азота, а кристалл приобрел насыщенный желтый цвет. Но ведь природные алмазы бесцветны, хотя содержание примеси азота в них, как правило, на порядок выше, чем в синтетических. И снова вопрос – почему?

Дело в том, что атомы азота могут образовывать в алмазе различные центры и, соответственно, свойства кристаллов будут изменяться, в том числе и их цветовые характеристики. Подробнее о строении многочисленных примесных центров в структуре алмаза можно прочитать в замечательной книге к. ф. -м. н. Е. В. Соболева «Тверже алмаза» (Соболев, 1989). А нам нужно разобраться, в каких условиях образуются те или иные центры, и только тогда можно будет получить кристаллы с заданными свойствами.

Добавим в среду кристаллизации титан, алюминий или цирконий. Это геттеры , они соединятся с азотом, и мы получим бесцветные алмазы. Это будут кристаллы не просто бесцветные, а безазотные. Именно такие кристаллы обладают наивысшей теплопроводностью (до 2000 Вт/ (м К)). Но среди природных алмазов безазотные кристаллы встречаются очень редко и далеко не в каждом месторождении.

Теперь в среду кристаллизации, содержащую геттеры, добавим бор. (В лабораторных условиях бор легко входит в структуру алмаза, когда нет азота.) В зависимости от концентрации бора кристаллы получатся голубого, синего или даже черного цвета. Такой алмаз является полупроводником с p-типом проводимости. В природе они встречаются еще реже, чем безазотные, а в отечественных месторождениях вообще не обнаружены.

Комплексные исследования процессов роста кристаллов алмаза и изучение их реальной структуры и свойств позволяют сегодня не только воспроизвести основные типы кристаллов, существующие в природе, но и получить алмазы с новыми свойствами, аналогов которым в природе не существует.

Например, в плане создания перспективной «алмазной электроники» чрезвычайно актуальна проблема получения кристаллов алмаза, легированных электрически активными примесями. Мы уже говорили о легировании алмаза бором и получении полупроводниковых алмазов с р-типом проводимости. Вместе с тем для применения алмазов в микроэлектронике необходимо решение ряда принципиальных проблем, одной из которых является получение полупроводниковых алмазов с n-типом проводимости.

Примеси фосфора или серы способны, в принципе, образовывать донорные центры в алмазе и давать n-тип . Однако «загнать» их в структуру алмаза очень непросто. Для этого нужно взять в качестве растворителей расплавы фосфора или серы. Кристаллы, полученные в расплаве фосфора, пока очень мелкие – первые сотни микрон. Зато цвет их – фиолетовый! Инфракрасная (ИК)-спектроскопия подтверждает, что фосфор вошел в структуру алмаза. Так что первый шаг сделан и в этом направлении.

Управлять свойствами алмаза можно не только в процессе роста. Так, с помощью тех же аппаратов БАРС в лаборатории разработаны методы термобарической обработки алмазов, направленные на изменение их реальной структуры и физических свойств. Фактически это отжиг при высоком давлении, однако условия такого отжига реализуются при рекордных параметрах – давлении 80 тыс. атмосфер и температуре до 2500 °С. Оказывается, что в таких условиях происходит не только трансформация дефектно-примесной структуры алмаза (например, агрегация одиночных атомов азота в пары и другие более сложные центры), но и аннигиляция более крупных неоднородностей структуры (например, дефектов упаковки).

Берем коричневые кристаллы алмаза, содержащие азот в форме одиночных замещающих атомов (С-центры); подвергаем воздействию нужной температуры и давления. Атомы азота должны образовать пары (А-центры), а алмазы – обесцветиться.Однако после экспериментов кристаллы стали не бесцветными, как ожидалось, а зеленоватыми. На ИК-спектрах действительно наблюдаются структуры, соответствующие А-центрам. Зеленый оттенок – это проявление никель-азотных центров. Алмаз растет из раствора углерода в расплаве железа и никеля. Оказывается, что никель тоже способен встраиваться в структуру алмаза и образовывать различные никель-азотные центры.

Так что отжиг под давлением оказался удачным методом воздействия на алмазы. Это направление успешно развивает к. г. -м. н. А.А. Калинин. Именно после его экспериментов по отжигу и облагораживанию природных алмазов с коричневой окраской многие увлеклись улучшением цветовых характеристик природных алмазов, забывая иногда указать в сертификате, что камень подвергался искусственным воздействиям.

В названии данного раздела речь шла о радуге. Оранжевые, желтые, зеленые, синие и фиолетовые алмазы уже были. Какие еще цвета остались? Красный. Берем исходный кристалл с небольшой концентрацией С-центров, облучаем электронами – создаем вакансионные центры и затем нагреваем до 200 °С. Получаем удивительный цвет … морской волны. Нагреваем тот же кристалл до 1000 °С в защитной атмосфере – получаем пурпурно-красный. Вот теперь в алмазной радуге есть все цвета.

Перспективы применения

В 1980-х гг. исследования по физике алмаза были невероятно популярны. Отдельные лаборатории и даже целые институты занимались алмазными проблемами; проходили регулярные всесоюзные алмазные конференции. Но в стране не было синтезировано кристаллов алмаза крупнее одного миллиметра. Всем нужны были хорошие крупные кристаллы, но уровень развития техники и технологий не позволял их выращивать. Сегодня совсем другая ситуация: через кристалл синтетического алмаза, полученный в нашей лаборатории, можно смотреть на соседний институт и прилегающие к нему территории. Значит, есть все основания для кооперации со специалистами из различных отраслей знаний, чтобы начать работы по применению монокристаллов синтетического алмаза в высокотехнологических сферах науки и техники.

Основные направления проводимых исследований связаны с наиболее перспективными областями науки и техники, где использование алмаза вместо традиционных материалов позволит решить ряд проблем принципиального характера. Потенциальных областей применения у алмаза очень много, ограничимся лишь теми, где уже есть конкретные заделы. Так, из высококачественных кристаллов синтетического алмаза, полученных в нашей лаборатории, изготовлены алмазные наковальни, элементы рентгеновской оптики и детекторов ионизирующих излучений. Все эти изделия прошли успешные испытания в ведущих специализированных научных центрах.

Как там в недрах?

В науках о Земле алмаз рассматривается прежде всего как индикатор сверхглубинных геологических процессов (Добрецов и др., 2001). Во все времена происхождение природных алмазов было загадкой. Да и сегодня этот вопрос остается предметом очень бурных дискуссий, особенно на больших специализированных научных форумах.

Условия образования алмаза в мантии Земли большинство ученых оценивают следующим образом: давление порядка 50-60 тыс. атм., температура примерно 1000-1400 °С. Поэтому, если на вопрос: «Как там в недрах?», – вы ответите, что очень тесно и очень жарко, то, в принципе, не ошибетесь, хотя и сильно приукрасите существующие там условия.

Если по поводу температур и давления, необходимых для образования алмаза, у большинства специалистов нет существенных разногласий, то относительно состава среды кристаллизации и источника углерода ясности нет. Как говорится в таких случаях – вопрос дискуссионный. Подсказку дает сам природный алмаз. Этот сверхпрочный кристалл является уникальным контейнером, захватившим в процессе роста вещество мантии в виде включений. Минеральные включения в алмазах представлены в основном силикатами (гранат, оливин, пироксен) и сульфидами (пирротин, пентландит). Логично предположить, что алмаз кристаллизовался в силикатных или сульфидных расплавах. А может быть, в карбонатах? Ведь карбонаты тоже иногда встречаются в качестве включений в алмазах.

Начиная с работы академика В.С. Соболева (Соболев, 1960), проблема происхождения алмазов в природе обсуждается вместе с проблемой искусственного получения этого минерала. В 70-х гг. прошлого века, когда в лабораторных условиях уже научились создавать высокое давление и температуру (и, более того, умели получать алмазы, используя в качестве растворителей расплавы железа, никеля и кобальта), экспериментаторы решили помочь геологам разобраться в том, как же алмаз образуется в природе.

Классики в области высоких давлений работали аккуратно и честно. Поставили эксперименты в различных по составу расплавах; параметры – температуру, давление и длительность – выбрали такие же, как и в экспериментах с расплавами металлов, где заведомо получался алмаз. Не забыли положить и графит. Надавили, нагрели, проанализировали – нет алмаза! Повторили – опять нет. Проверили разные среды – снова алмаза нет! А что есть? Есть только метастабильный графит, образованный в области термодинамической стабильности алмаза.

Значит, углерод в этих средах при данных условиях растворяется – сказали классики и были абсолютно правы. Но нужно было сделать и следующий шаг: ответить на вопрос, почему так происходит? Экспериментаторы пришли к выводу, что есть две группы растворителей углерода: алмаз-продуцирующие и… (что делать) графит-продуцирующие. Тех, кто занимался технологическими проблемами синтеза алмаза, такое объяснение вполне устроило. А вот геологов – нет. Почему? Да потому, что алмаз в природе находится в основном в кимберлитах (карбонатно-силикатных породах), да и включения в алмазах, как уже отмечалось, состоят преимущественно из силикатов, оксидов и сульфидов.

«Не будем нервничать, – сказали экспериментаторы, – вот вам модель образования алмаза в природе… из расплава железа и никеля. Ведь сами говорили, что где-то там, в ядре Земли есть расплав металлов… и состав подходит, а главное – алмазы образуются». В общем, огорчились и те и другие, и продолжили заниматься каждый своим делом: одни – синтезировать алмазы, другие – искать их в природе. Говоря современным языком, на том этапе «интеграции» не получилось.

Тем не менее успехи были весьма значительные. Одно только открытие микроалмазов в гранатах и цирконах метаморфических пород Кокчетавского массива чего стоит (Sobolev, Shatsky, 1990). Экспериментаторы тоже не сидели сложа руки. Проблемой синтеза алмаза в неметаллических расплавах заинтересовались в Японии. Появились сообщения о кристаллизации алмаза в расплавах карбонатов при давлении 75 тыс. атм. и температуре около 2000 °С.

«Интересно, – сказали геологи, – но Р-Т -параметры (давление-температура) слишком высоки для природных процессов». К проблеме подключились научные коллективы из Англии, США, России (Черноголовка и Новосибирск), однако каждый пошел своим путем.

Учитывая, что одним из важнейших геологических факторов является время, мы снизили параметры и увеличили продолжительность экспериментов до нескольких часов. Алмаза нет. Еще увеличили длительность – и вот он, алмаз! И температура «всего» 1700 °С. «Температура выше, чем в природе», – сказали геологи. Что делать дальше? Добавили воды и еще увеличили длительность. Процесс кристаллизации алмаза пошел активнее. Да и состав в общем-то подходящий – щелочной карбонат, H 2 O и СО 2 (микровключения подобного состава все чаще и чаще стали находить в природных алмазах). Еще снизили давление и температуру, а время увеличили до 100 часов. И снова – алмаз! При давлении 57 тыс. атм. и температуре всего 1150 °С. Ура! Параметры как природные, и даже ниже, чем в металл-углеродных системах. Это был результат, достойный Nature , даже с учетом всех строгостей самого авторитетного в мире научного журнала (Pal’yanov et al. , 1999).

Конечно, в природе все сложнее, чем в лаборатории (Похиленко, 2007). Экспериментальными исследованиями по карбонат-силикатным взаимодействиям нам удалось доказать, что карбонаты могут быть не только средой кристаллизации, но и источником углерода алмаза (Pal’yanov et al. , 2002). В результате в модельных системах удалось создать условия для совместной кристаллизации алмаза и других мантийных минералов, таких как пироп, оливин, пироксен и коэсит (Pal’yanov et al. , 2005).

Наука не стоит на месте. Появляются новые данные о составе микро- и даже нановключений в природных алмазах. В таких включениях были обнаружены не только карбонаты, но также и хлориды и еще масса всякой «экзотики». Возникают новые и новые модели образования алмаза. Нужно детально все проверить и разобраться в механизмах кристаллизации алмаза (Pal’yanov et al. , 2007).

Наша история о том, где растут алмазы подходит к концу, а история применения алмаза в высокотехнологических областях науки и техники только начинается. Да и в геологической науке осталось еще много загадок, связанных с происхождением этих великолепных кристаллов.

Литература

Добрецов Н. Л., Кирдяшкин А. Г., Кирдяшкин А. А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2001, 2-е изд., 409 с.

Пальянов Ю. Н., Малиновский И. Ю., Борздов Ю. М., Хохряков А. Ф., Чепуров А. И., Годовиков А. А., Соболев Н. В. Выращивание крупных кристаллов алмаза на беспрессовых аппаратах типа «разрезная сфера» // Докл. АН СССР. 1990. Т. 315. №5. С.1221-1224.

Похиленко Н. П. Алмазный путь длиною в три миллиарда лет. // Наука из первых рук. 2007. № 4 (16). С. 28-39.

Соболев Е. В. . Тверже алмаза. Новосибирск: Наука, 1989. 190 с.

Соболев В. С. Условия образования месторождений алмазов // Геология и геофизика. 1960. № 1. С. 7-22.

Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Borzdov Yu. M., Khokhryakov A. F., Sobolev N. V. Diamond formation from mantle carbonate fluids // Nature. V. 400. 29 July 1999. P. 417-418

Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Borzdov Yu. M., Khokhryakov A. F., Sobolev N. V. Diamond formation through carbonate-silicate interaction // Amer. Mineral. 2002. V. 87. №7. P. 1009-1013

Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Tomilenko A. A., Sobolev N. V. Conditions of diamond formation through carbonate-silicate interaction. Eur. J. Mineralogy. 2005. V. 17. P. 207-214

Palyanov Yu. N., Shatsky V. S., Sobolev N. V., Sokol A. G. The role of mantle ultrapotassic fluids in diamond formation // roc. Nat. Acad. Sci. USA. 2007. V. 104. P. 9122-9127

Shigley J. E., Fritsch E., Koivula J. I., Sobolev N. V., Malinovsky I. Yu., Pal’yanov Yu. N. The gemological properties of Russian gem-quality synthetic yellow diamonds // Gems & Gemology. 1993. V. 29. P. 228-248

Sobolev N. V., Shatsky V. S. Diamond inclusions in garnets from metamorphic rocks // Nature. 1990. V. 343. P. 742-746

Добрый день, дорогие ценители драгоценных камней. Многие из вас наверняка держали в руках какое-либо ювелирное изделие с инкрустированным в него алмазом. Этот минерал просто завораживает своим видом, переливаясь на свету своими многочисленными гранями. Однако мало кто знает, как образуется в природе алмаз, и даже у ученых нет единого мнения на этот счет. В этой статье мы обсудим несколько гипотез и фактов , которые предоставляют нам ученые, относительно происхождения самых известных в мире самоцветов.

Земное происхождение алмазов

Практически все кристаллы имеют магматическое происхождение. Они появились задолго до существования человека или животных.

Некоторые исследовательские институты полагают, что самоцветы зародились от ста миллионов до двух с половиной миллиардов лет назад глубоко (около 200 км) в недрах земли. Благодаря воздействию высокой температуры в тысячу градусов и давления в пятьдесят тысяч атмосфер, связи углерода стали очень плотными. На сегодняшний день алмазные камушки одни из самых твердых материалов в мире. Каково образование минералов в магматических породах? Есть три теории:

Стоит отметить, что необработанные камни встречаются в местах месторождений и кимберлитовых трубках довольно часто, но при этом остаются все также востребованными и довольно дорогими. Как искать такие камушки? Если в местах месторождений нужно произвести огромное количество археологически работ, то с магматическими выбросами проще. Некоторые местные жители, которые живут в местах недалеко от вулканов, через неделю-две после выбросов идут на «охоту». В застывшей лаве нередко можно встретить маленькие неказистые комочки, разламывая которые человек находит драгоценность.

«Инопланетное» происхождение

Порой найденный в природе алмаз характеризуют как инопланетный. Это происходит потому что в обломках метеоритов находят частицы (или даже крупные камни) кристаллов отличного качества. В одном из кратеров после падения метеорита в США нашли на стенках самоцветы, но по структуре они несколько отличались от земных. Как определить, что они из метеоритов? У камушков с Земли кубическая структура кристаллической решетки, а у инопланетных гексагональная. По внешнему виду же их практически не отличишь.

Каково же их происхождение? Существует две версии образования метеоритных алмазов:

• Содержание в самом метеорите. Некоторые исследователи полагают, что кристаллы прилетели на Землю вместе с метеоритом или точнее прямо внутри него. Когда метеорит раскололся, то некоторые самоцветы оказались на поверхности почвы. Так, например, инопланетное тело, упавшее в каньон Дьявола в США, изначально был весом около тридцати тонн, но при ударе о землю раскололся на несколько частей. Там со временем и было найдено небольшое количество алмазного сырья. После обработки эти камни превратились в превосходные бриллианты, украшающие теперь ювелирные изделия.
• Образование камней во время падения. К этой гипотезе относятся не так скептически, как к предыдущей и по сути отдают предпочтение большинство специалистов. При падении астероид развивает большую скорость и соответственно трение об атмосферу. По этой причине создается высокое давление до пятидесяти тысяч паскаль и температура свыше двух тысяч градусов. Под действием этих факторов углерод трансформируется в алмазную структуру. Именно поэтому в поясе астероида находят значительное количество самоцветов. Порой кратеры после астероидов образуют огромные залежи минералов. Так произошло в Российской Федерации на границе с Якутией. Там после падения тридцать пять миллионов лет назад астероида образовался громадный кратер на сто километров, ныне известный как Попигайская астроблема. В этом место огромное количество минералов, однако они довольно маленькие, поэтому используются исключительно для промышленных целей.

На сегодняшний день большинство самоцветов ведут именно земное происхождение.

Как отличить алмаз от кварца?

Так как два этих минерала довольно похожи между собой, то возникает вопрос: как отличить алмаз от кварца? Есть несколько способов, которые можно провести даже в домашних условиях. Вот некоторые из них:

• Деформирование. Общеизвестно, что алмазные минералы имеют самую большую плотность и показатели твердости находятся в пределах 10 по шкале Мооса. Кварц же располагает всего семью единицами твердости по шкале Мооса. Хотя кварц нельзя назвать слишком хрупким, все же под действием серьезной нагрузки он начнет деформироваться. Вы можете взять две пятикопеечные монеты и поместить между ними минерал. Затем просто надавите и сделайте круговые движения пальцами. Если на поверхности остаются царапины или трещины, то перед вами кварц или другой прозрачный элемент, но никак не алмаз. После таких действий на самый твердый минерал останется в целости и сохранности без каких-либо дефектов.
• Хотя по фото камушки практически не отличить, но это можно сделать с помощью стакана с водой. Алмазный самоцвет при опускании в стакан будет оставаться прозрачным, но все же будет иметь очертания. А вот с кварцем все обстоит иначе: он просто исчезнет и перестанет быть видимым глазу. Однако такую процедуру можно проделать лишь с прозрачными самоцветами. Цветные же элементы будут видны как в первом, так и во втором случае.

• Алмазное сырье обладает отличной теплопроводностью. Возьмите кристалл и обдайте его паром или просто подышите – на нем не должно остаться конденсата. Кварц же сохранит капельки конденсата на какое-то время. Так кстати можно проверять драгоценность в ювелирном магазине, особенно когда сомневаетесь в его репутации.
• Из-за содержания в самоцвете определенных веществ, его называют «жирным». Это означает, что жидкость при попадании на его поверхность, должна сворачиваться в капельки. Поэтому капните обычной водой на кристалл, а затем тонким предметом, например, иголкой, попытайтесь проткнуть каплю. Если она растечется по поверхности, то это кварц, а если останется в том же состоянии, то драгоценный камушек.
• Преломление света. Возьмите обычный лист бумаги с написанным на нем текстом. Если сквозь камень вы сможете различить буквы и прочитать их, то перед вами обычная стекляшка. Сам драгоценный минерал преломляет свет настолько сильно, что прочитать что-либо на листе бумаги просто не представляется возможным.

В любом случае всегда старайтесь удостоверяться в подлинности драгоценного камня. Это позволит вам избежать обмана при покупке драгоценного украшения. Также вы сможете частично проверить качество самого минерала без привлечения специалистов.

Надеемся эта статья о происхождении драгоценных камней вам понравилась и была полезной и познавательной. Добавляйте ее в свои соцсети, чтобы и другие смогли получить достоверную информацию об алмазах.

Команда ЛюбиКамни

Алмазы — редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет назад алмазы в промышленных масштабах добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовые трубки, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях.

О происхождении и возрасте алмазов до сих пор нет точных научных данных. Ученые придерживаются разных гипотез — магматической, мантийной, метеоритной, флюидной, есть даже несколько экзотических теорий. Большинство склоняются к магматической и мантийной теориям, к тому, что атомы углерода под большим давлением (как правило, от 45000 до 60000 атмосфер) и на большой (примерно от 125 до 200 км) глубине формируют кубическую кристаллическую решетку — собственно алмаз. Образование алмаза происходило при температуре от 900 до 1300 градусов Цельсия. Камни выносятся на поверхность вулканической магмой во время формирования так называемых «трубок взрыва».

Алмаз образовался на значительной глубине под большим давлением много миллионов лет назад

Возраст алмазов, по данным некоторых исследований, оценивается от 900 миллионов до 4,25 миллиардов лет.

Известны метеоритные алмазы, внеземного, возможно — досолнечного, происхождения. Алмазы также образуются при ударном метаморфизме при падении крупных метеоритов, например, в Попигайской астроблеме на севере Сибири.

Кроме этого, алмазы были найдены в кровлевых породах в ассоциациях метаморфизма сверхвысоких давлений, например в Кумдыкульском месторождении алмазов на Кокчетавском массиве в Казахстане.

И импактные, и метаморфические алмазы иногда образуют весьма масштабные месторождения, с большими запасами и высокой концентрацией. Но в этих типах месторождений алмазы мелки настолько, что не имеют промышленной ценности.

Промышленные месторождения алмазов связаны с кимберлитовыми и лампроитовыми трубками, приуроченными к древним кратонам. Основные месторождения этого типа известны в Африке, России, Австралии и Канаде.

Изучение генезиса алмазов является одной из важнейших проблем геологии. Существует множество гипотез происхождения, но ни одна из них не даёт точного объяснения фактов нахождения алмазов в природе и даже самих процессов образования этого минерала. Это связано с тем, что алмазы находят в сочетаниях с разными по свойствам и условиям образования горными породами. Наибольшее количество алмазов обнаруживают в щелочных ультраосновных породах, выполняющих жилы и «трубки взрыва», например, в кимберлитах Южной Африки. Также бывают единичные находки алмазов в перидотитах. Находки в андезитах и диабазах весьма сомнительны . Обычно алмазы добываются в россыпях, причём коренные источники их неизвестны. Только последние изыскания на Архангельском Севере позволили обнаружить богатейшие коренные месторождения алмазов .

Рассмотрим некоторые из наиболее популярных гипотез происхождения природных алмазов.

Алмазы происходят от неполного окисления углеродистых водородов, подобно тому, как сера сольфатаров происходит от неполного окисления сернистого водорода, весь водород которого обращается в воду, и только часть серы обращается в сернистую кислоту. Так точно нефть производит горную смолу, а смола - графит. Итак, если подвергать медленному окислению смесь углеродисто-водородных газов и воды, то, может быть, получатся алмазы.

Природные алмазы почти полностью состоят из углерода. Это означает, что напрямую - радиоуглеродным методом, возраст алмаза не определяется. Период полураспада изотопов углерода очень быстрый. Поэтому для определения возраста алмаза используют другие косвенные методы и не по углероду, а по включениям посторонних минералов, находящихся в нём (например, по пиропу). Этот факт в корне меняет трактовку данного посыла. Возраст включений в алмазах оказывается более древним, чем возраст вмещающих осадочных пород. Сейчас геологи уже могут спорить, где включения попали в алмаз: или в мантии, или в земной коре.

Магматическая теория.

Первые научно обоснованные предположения о генезисе алмазов были высказаны геологами, изучавшими африканские кимберлитовые трубки ещё во второй половине XIX в. К этому времени относятся высказывания о происхождении алмазов в результате непосредственного воздействия магмы на пласты угля . По мнению ученых, алмазы принесены на поверхность из глубинных очагов перидотитового слоя, находившихся на глубине порядка 150 км. В настоящее время большинство исследователей считают алмазы первичной составной частью кимберлитов, но расходятся во мнениях относительно места их образования .

По мнению А.В. Вильямса (исследователь алмазоносных месторождений Африки), на какой-то гипотетической неизвестной глубине существовал резервуар расплавленной магмы, которая благодаря изменениям температуры или давления уже начала кристаллизоваться и в некоторых участках этого резервуара превращаться в ультраосновные (перидотитовые, пироксенитовые и эклогитовые) породы. Кристаллизация и затвердевание ультраосновных пород, по его мнению, продолжались длительное время, в течение которого состав первоначальной магмы изменялся, пока она не приобрела состав кимберлитовой магмы. Вместе с другими кристаллами и минералами из первоначальной магмы на большой глубине выкристаллизовался и алмаз. Также в пользу магматической теории говорит тот факт, что в кристаллах алмазов можно встретить включения других минералов, что, в свою очередь, невозможно при образовании вне высоких температур и огромном давлении. Также в пользу данной теории говорит и тот факт, что алмазы срастаются, что опять же невозможно без высоких температур и огромного давления.

В Якутии был найден уникальный алмаз весом 57,8 карата. Размер светло-лимонного камня в форме октаэдра - 17х17х22 мм. Но главная особенность алмаза в том, что он состоит из двух частей: маленький алмаз находится внутри большого . Обычно внутри кристаллов находят графит, пироп, хризолит, маленькие алмазики попадаются крайне редко. Камешек задержался в росте из-за неблагоприятных условий. Когда они изменились, вокруг него выросла оболочка из нового кристалла, а маленький камень как бы являлся подложкой для образования нового большого.

Несмотря на физическую обоснованность мантийной гипотезы и, якобы, экспериментальное подтверждение её концепции в установках синтеза алмазов при сверхвысоких давлениях, существует ряд фактов, которые не объясняются с её позиций. Приведем некоторые из них.

Факт № 1. На срезах монокристаллов алмаза под действием ультрафиолетовых или рентгеновских лучей можно увидеть картины роста алмазов, аналогичные тем, что мы видим на поперечном срезе стволов деревьев. По их виду можно судить о физических и химических условиях, окружавших алмаз в период его роста. Из этих картин видно, что каждый кристалл алмаза имеет индивидуальную историю роста, изменяющуюся во времени и отличающуюся от истории роста других алмазов того же месторождения. Этот факт противоречит мантийной гипотезе, по которой считается, что алмазы росли в одинаковых термо-баростатических условиях и, как следствие, должны иметь примерно одинаковую историю роста.

Факт № 2. Генетический и геометрический центры одного кристалла алмаза обычно пространственно не совпадают. Этот факт говорит о том, что кристаллы в процессе роста были неподвижными и обтекались каким-то потоком среды, создававшем асимметрию в скорости процесса роста разных граней кристалла. В условиях верхней мантии этого быть не может, так как магма представляет собой относительно вязкую расплавленную силикатную среду, при любых перемещениях увлекающую с собой находящиеся в ней включения.

Факт № 3. Массоспектрометрический анализ алмазов показывает, что в основном они состоят из углерода мантийного происхождения с «тяжёлым» изотопным составом. Однако встречаются также алмазы с осадочным - «облегчённым» и «сверхтяжёлым» изотопным составом углерода. Наблюдаются даже значительные вариации изотопного состава внутри одного кристалла алмаза. Известно, что углерод с уменьшенной и увеличенной, относительно мантийной, концентрацией тяжелого изотопа углерода образуется только вблизи поверхности Земли за счёт процессов химического фракционирования. В условиях верхней мантии из-за высокой температуры этого не происходит.

Нельзя считать также доказательством мантийной гипотезы и тот факт, что большинство алмазов имеет мантийный изотопный состав углерода, так как вполне возможна ситуация, когда алмазы росли в приповерхностных условиях Земли из углерода или углеродсодержащих газов в период их извержения из мантии или несколько позже этого периода .

Все выше перечисленные противоречия являются лишь частью большого числа фактов, необъясняемых мантийной гипотезой происхождения алмазов.

Немагматическая теория. Немантийная теория предполагает образование алмазов в приповерхностных условиях Земли. В пользу немагматической теории говорит тот факт, что если бы алмазы, созданные при огромных давлениях и температурах, были бы подняты на поверхность, вследствие каких-либо причин то они, либо перекристаллизовались, либо взорвались в результате изменения температуры и уменьшения давления.

Существуют различные варианты этой гипотезы.

В качестве среды образования рассматриваются расплавленная и затвердевшая магма, возникающие газовые полости, солевые расплавы и водные растворы. В качестве источника углерода - термическая диссоциация углеродсодержащих газов и обратимые химические реакции.

Внутри кристаллов сибирских алмазов случается находить органические вещества и даже тонкие веточки растений! Это не вяжется с чудовищными давлениями и глубинами эклогитовой зоны, а, наоборот, подтверждает формирование алмазов в приповерхностных слоях земной коры.

Метеоритная гипотеза. Относительно недавно алмазы были обнаружены в метаморфических породах, глубина образования которых не превышает нескольких километров. И это заставило задуматься: все ли алмазы - гости из больших глубин? Есть предположение, что алмазы могут возникать и в межзвёздном пространстве . Как сообщили учёные Чикагского университета, микроскопические частицы алмазов, которые по возрасту оказались старше планет Солнечной системы и самого Солнца, были обнаружены на некоторых метеоритах . По мнению чикагского физика Р. Льюиса, они образовались в атмосфере какой-то удалённой звезды и были выброшены в космос, когда звезда взорвалась. Правда, найденные алмазы настолько малы, что триллионы их легко можно разместить на булавочной головке .

Встречаются и более крупные алмазы, заключённые в метеоритах. Так, в 1980 году сотрудники Смитсонианского института в Вашингтоне спиливали один из металлических метеоритов, найденный в Антарктиде, но вдруг заметили, что пила перестала углубляться в него, а потом сама быстро стала утончаться. Оказалось, что внутри метеорита были алмазы. Сам по себе этот факт не был новинкой. Но ранее считалось, что алмазы образуются в метеоритах при их ударе о землю, когда резко повышаются давление и температура. Антарктическая находка не испытала такого удара. Таким образом, теперь следует считать, что алмазы в метеоритах могут существовать ещё и до удара о землю, они могут, например, образоваться в результате столкновения с астероидами .

Флюидная гипотеза. Обратимся к факту нахождения гигантских алмазов в кимберлитовых трубках. Находка алмаза - супергиганта «Куллинан» (массой 621,2 г) на глубине 9 м от поверхности в бортовой части трубки сама по себе в состоянии противостоять всей сложной аргументации мантийной теории. И вот почему. Предположим, супергигант образовался в верхней мантии под давлением в сотню тысяч атмосфер и температуре несколько тысяч градусов Цельсия. А что должно происходить дальше?

Вариант 1. В случае медленного подъёма алмаза к земной поверхности падение давления будет больше, чем падение температуры, после некой критической величины (согласно условиям фазовой диаграммы равновесия графит - алмаз) он превратится в графит. В специальной литературе это явление известно как температурный барьер. До сих пор никто не придумал, как в таких условиях можно его преодолеть.

Вариант 2. В случае быстрого подъема вступает в действие другой барьер - литостатическое давление. Алмаз находился до подъёма в сверхсжатом состоянии, под давлением, предположим, 100000 атм. Если это давление резко снять, то от алмаза ничего не останется. Разлетится он на мельчайшие обломки.

Например, на Кольской сверхглубокой существуют проблемы с подъёмом керна с больших глубин. Взрываются они в керноподъёмнике, хотя глубины относительно небольшие - всего-то 8-10 км (около 2000 атмосфер) .

Гипотеза Тапперта. Исследователь Ральф Тапперт из университета провинции Альберта, Эдмонтон, Канада, опубликовал в одном из выпусков «Geology Magazine» статью, в которой выдвигает гипотезу о том, что алмазы могут представлять собой останки морских животных, которые были преобразованы в земных недрах, на глубинах много больших, чем считалось раньше .

Наряду с проблемой происхождения алмазов большой научный интерес представляет проблема определения возраста природных алмазов. Впервые учеными составлена карта регионов Земли, в которых формируются алмазы. В своей работе геологи опирались на данные землетрясений в Южной Африке, известной своими месторождениями драгоценных камней, за период 20 лет.

Эти данные затем были соотнесены с анализом примесей более чем в 4000 алмазов. В результате ученые смогли узнать возраст камней, а также состав горных пород, в которых они формировались. За небольшим исключением их возраст исчисляется миллиардами лет .

Древние римляне полагали, что бриллианты - это осколки падающих звезд. Древние греки считали их слезами богов. Камни пленили большинство цивилизаций, если не редкостью и красотой, то полезными качествами - алмазы - самые твердые вещества на планете .

Сегодня мы знаем, что атомы углерода под большим давлением (как правило, 50000 атмосфер) и на большой (примерно 200 км) глубине формируют кубическую кристаллическую решетку - собственно алмаз . Камни выносятся на поверхность вулканической магмой. Но ещё многое в образовании алмазов покрыто тайной.

Геологи разделили алмазы на три поколения.

Первое сформировалось примерно 3,3 млрд. лет назад. Эти камни из старейших горных пород - свидетели геологического детства Земли. Все они - из Южной Африки .

Второе поколение увидело свет чуть позже - примерно 2,9 млрд. лет назад. Их россыпи обнаружены уже в различных регионах. Условия их формирования немного отличаются. Анализ примесей в этих алмазах даёт основания полагать, что они сформировались внутри горных пород, которые первоначально были дном древнего мелкого моря. Каким-то образом они были погружены на большие глубины, где отложения углерода, возможно, живых организмов, при нагревании и давлении превратились в залежи алмазов.

Третье поколение камней появилось примерно 1,2 млрд. лет назад.

Известны и самые молодые - им около 100 млн. лет, однако их мало и их происхождение труднообъяснимо.

Геологи полагают, что эра крупных алмазов закончилась, и Земля больше не формирует драгоценные камни. Возможно, тогда планета была горячее, или состав геологических пород был несколько иным. Каковы бы ни были условия, они явно изменились. Алмазы - это признак геологической молодости Земли.

Таким образом, проблема происхождения и связанная с ней проблема возраста алмазов остаётся актуальной для современной геологической науки, но одно не вызывает споров - алмазы - это уникальные минералы.

Большинство людей знает об алмазах только то, что это самые твердые минералы на планете и что из них делают бриллианты. А вот ответ на интересный вопрос о том, как образуются , мало кому известен. Давайте узнаем побольше о происхождении этого минерала.

Следует отметить, что «цари камней» образовываются несколькими способами. Ученые еще не пришли к единому мнению на этот счет, поэтому мы приведем самые популярные гипотезы о происхождении камня. Известно лишь, что эти неметаллы получаются в условиях сильного давления на углерод. Их и производство – дело очень дорогостоящее, это одна из причин, по которым стоимость так высока. Вторая же причина – большое количество полезных качеств, которые активно используются человеком на протяжении долгого времени.

Дитя метеорита

Еще в XIX веке кристаллы алмаза были обнаружены учеными при изучении упавшего на Землю метеорита. Как выяснилось, этот минерал, как многие другие составные части метеорита, получается при столкновении небесного тела с поверхностью планеты. Это происходит за счет огромных давления и температуры, воздействующих на углерод при ударе. Однако кристаллов в метеорите образуется очень мало. Их называют импактитами.

Мантийно-магматическая теория

Некоторые исследователи считают, что алмаз в природе образовался в период от 100 миллионов до 2,5 миллиардов лет назад под землей. Именно там, как уверяют ученые, были созданы наиболее подходящие условия для образования минералов: огромное давление, повышенная температура, однородная среда, отсутствие температурного градиента.

А посредством взрывных процессов (вулканической активности и т.п.) эти минералы были вынесены на поверхность Земли, из чего следует, что самые крупные месторождения неметаллов находятся возле отверстий в земной коре. Эта теория объясняет также то, как минерал появляется на дне океанов.

Гигантский космический шар

Вопрос, откуда берутся алмазы, исследовался с разных сторон. Когда началось изучение этих камней метеоритного происхождения, некоторые ученые считали, что в космосе минерал откалывается от огромных алмазных планет, и, соединившись с метеоритом, прилетает на Землю.

Эта теория не подтвердилась: кристаллы образовались именно так, как описано выше. Однако в космических просторах действительно существует как минимум одно тело, частично состоящее из ценного камня. Белый карлик, звезда Люси, находящаяся в созвездии Кентавра, имеет ядро из чистого алмаза. Его вес сложно сосчитать точно: ученые говорят о триллионах триллионов карат, а диаметр шарообразного ядра – около 4 тысяч километров.

Синтетические минералы

Люди давно мечтали научиться создавать этот неметалл самостоятельно, но получилось это только в ХХ веке. Углерод, а точнее его источник – графит, подвергают воздействию сильного давления и высокой температуры. Это происходит с помощью гидравлического пресса и электрического тока. Образование алмазов таким путем – это надежно, но дорого.

Существует еще два метода, с помощью которых появляются искусственные «цари камней»: воздействием взрыва и выращиванием кристаллов в метановой среде. Искусственные минералы чаще используются в производстве, чем в ювелирном деле, хотя ничем не уступают натуральным.

Основа производства, углерод, очень распространенный материал, так что проблем с добычей сырья для искусственного создания камней не возникает. По соотношению цены, качества и доступности лучшим сырьем является графит, поэтому его используют чаще всего.

К слову, синтетическое производство таких камней поспособствовало открытию нового, еще более прочного материала. Его назвали ACNR. Этот камень, который также может образовываться из углерода посредством нагревания, может даже поцарапать алмаз. Возможно, будущие поколения будут широко использовать его на практике.

Месторождения и добыча

Добыча алмазосодержащей породы – дело очень непростое. Требуется найти месторождение, разработать его и лишь после этого начать сам процесс добычи. Руду добывают с помощью машин, затем измельчают, сортируют, чтобы выделить чистую кимберлитовую породу, которая является сырьем.

Затем кимберлит отправляют на производство, где его сортируют по размеру и классу, после чего алмазы готовы к дальнейшему использованию. Часть идет на изготовление бриллианта, часть – на различные приборы.

Кимберлитовая руда есть на территории всей поверхности Земли, исключая Антарктиду. Лидерами по количеству запасов этого ценного камня являются Россия, Канада и Ботсвана. Первые же разработки появились еще в XVII веке.

Так называемый «царь камней» издавна привлекал людей большим количеством полезных свойств, основное из которых – его невероятная твердость. Но добыть кристаллы не так-то просто, особенно если учитывать, что происхождение алмазов исследовано далеко не полностью. Будем надеяться, что совсем скоро ученые решат эту проблему и поймут, как именно возникают месторождения минерала. Это позволит значительно расширить спектр его использования, а также увеличить объемы работ там, где камень уже используется.