Ученые определили темпы роста алмаза в недрах Земли


Карты распределения кальция, магния и титана в зональных гранатах, структура полученных образцов и элементы роста алмаза на гранях кристаллов. Источник: Юрий Пальянов
Геологи экспериментально подтвердили, что при температуре и давлении, аналогичных тем, что наблюдаются на глубинах около 200 километров, может происходить совместный рост алмаза и граната. Этот процесс происходит благодаря взаимодействию граната с углекислыми и водно-углекислыми флюидами — жидкостями, присутствующими в мантии Земли. Кроме того, авторы выяснили, что в среднем скорость роста алмазов в таких случаях составляет от 0,013 до 0,8 микрометров в час в зависимости от температуры. То есть, чтобы получить кристалл массой в один карат (0,2 грамма), потребуется от 4,5 месяцев до 17,5 лет. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журналах Lithos и «Геология и геофизика».
 
Гранат — не только красивый драгоценный камень, но и распространенный минерал в мантии Земли, который часто встречается совместно с алмазом и является его постоянным спутником. Так, темно-красный гранат — пироп — на протяжении многих десятилетий используется как поисковый признак алмазных месторождений. Исследования показали, что в алмазообразовании важную роль играют расплавы и флюиды — жидкие компоненты земной мантии, — содержащие углекислоту, поскольку она служит источником углерода, из которого, собственно, состоит этот минерал. Однако до сих пор экспериментально процесс образования алмазов при взаимодействии углекислых флюидов и кристаллов граната не исследован, что ограничивает наши знания о том, как в природе формируются драгоценные камни.
 
Ученые из Института геологии и минералогии имени В. С. Соболева СО РАН (Новосибирск) детально исследовали преобразования, которые происходят с гранатом при взаимодействии с углекислым и водно-углекислым флюидами в присутствии углерода. Авторы смоделировали условия мантии Земли с помощью аппарата высокого давления типа «разрезная сфера». Он позволил создать давление, которое в природе создается на глубинах порядка 200 километров (примерно в шестьдесят пять тысяч раз выше атмосферного) и достичь температур в диапазоне 950–1550°C. В установку поместили образцы граната, затравочные кристаллы алмаза размером 0,5 миллиметра, графит, а также оксалат серебра или щавелевую кислоту — соединения, которые в лабораторных условиях служат источниками углекислого и водно-углекислого флюидов. Спустя четыре дня эксперимента исследователи проанализировали структуру и химический состав полученных минералов. 
 
Оказалось, что под действием флюида химический состав поверхностных слоев граната заметно изменился: в них снизилось содержание оксидов магния и кальция и появились включения углекислого флюида, карбонатов и карбонатно-силикатных расплавов, а также графита. Кроме того, под действием высокого давления и температуры атомы углерода, находящиеся во флюиде в растворенном виде, формировали наросший слой на затравочных кристаллах алмазов. Расчеты показали, что алмазы, сосуществующие с гранатом, росли из флюида со скоростью от 0,013 до 0,8 микрометров в час в зависимости от температуры. Иными словами, в природе рост кристалла алмаза массой один карат (0,2 грамма) занял бы от 4,5 месяцев при температуре 1550°С до 17,5 лет при 1150°С, а на кристаллизацию самого большого в мире алмаза «Куллинан» (3106,75 карат или 621 грамм), потребовалось бы от 56 до 3000 лет.
 
«Полученные результаты позволяют лучше понять условия, в которых формируются алмазосодержащие породы, и возможную роль граната в процессах кристаллизации алмаза. Также наши данные могут использоваться при построении современных моделей природного алмазообразования. В дальнейшем мы планируем проводить исследования, направленные на выявление связи между условиями роста алмаза и его свойствами, чтобы эти закономерности можно было использовать для реконструкции генезиса алмаза в природе», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, доктор геолого-минералогических наук, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса Института геологии и минералогии имени В. С. Соболева СО РАН Юрий Пальянов.