Алмазы в природе: как образуются, добыча, месторождения

Вопреки распространённым заблуждениям алмазы в природе находятся вовсе не по всей поверхностью земной коры. Углерод — неметалл, являющийся основой этого минерала, становится алмазом только при воздействии крайне высоких температур и давления на глубине от 160 до 480 км. «Колыбелью» подавляющего количества кристаллов являются вулканы, именно благодаря им алмазы оказываются ближе к поверхности, поэтому разработка карьеров ведётся в районах с повышенной вулканической активностью. Часть минералов просто вымывается из кимберлитовых трубок.

Как образуются?

Установить точную версию происхождения самоцветов не удалось, зато вполне точно определен период их возникновения – от 100 миллионов до 2,5 миллиардов лет назад. Алмаз получается из углерода под высокими температурой и давлением, поэтому глубина залежей достигается минимум 200 километров. Ученые за долгое время исследования этого вопроса выдвинули несколько теорий:

Первая версия заключается в идее возникновения алмазов на поверхности земли. Согласно ей, минерал стал результатом контакта вырвавшейся застывшей магмы и углеводорода. Это привело к образованию кристаллической решетки высокой плотности.

Большинство ученых склоняются к мнению, что происхождение алмазов связано с ультраосновной породой. При извержении вулкана выходящая лава выбрасывает камешки на поверхность – это и есть алмазы в естественном виде.

В земной коре содержится немало алмазов, однако промышленная добыча может вестись в ограниченном числе месторождений. Одно из популярных мест поиска драгоценных камней – вулканы после извержения, где велик шанс отыскать ценный минерал. Однако процесс добычи должен быть тщательно подготовлен, для этого нужно специализированное оборудование.

Мантийно-магматическая теория

Сторонники мантийно-магматической теории считают, что алмазы зарождаются из угольных пластов, которые длительное время находились в химически однородном окружении под давлением более 5000 Па. В результате прорыва магмы на поверхность с глубины в 150 км, алмазы выносятся из очагов на поверхность.

Выделяют 3 группы магматических теорий:

1. Алмазы образуются в верхних слоях земной коры, когда ууглеводороды из вмещающих пород попадают в затвердевающую магму.
2. Алмазы формируются в ультраосновных породах. Расплавленная магма дезинтегрирует алмазный пласт, высвобождает отдельные единицы и выносит наверх с магматическим потоком.
3. Алмазы в основном образуются в недрах ультраосновной магмы, а также в процессе ее выхода на поверхгность.

Третья версия на сегодняшний день признается как наиболее реалистичная. Концентрация алмазов в земных недрах достаточно высокая, это не редкий минерал. Другое дело, что для промышленной добычи человеку доступны лишь немногие из месторождений.

Откуда в метеоритах алмазы?

Гипотеза о метеоритном происхождении минерала вызывала бурные обсуждения, ведь в некоторых экземплярах находили алмазы. Сегодня подавляющее большинство ученых склоняется к мнению, что алмазы в метеоритах возникали в результате соударений в астероидном поясе. При падении на землю, на поверхности последней образовывалась новая порода – импактиты, условия возникновения которой соответствуют алмазным. В частицах, участвующих в ударе, есть углерод, который под воздействием давления в 40-50 ГПа и температуры в 2-3 тысячи градусов по Цельсию может стать алмазом.

Импактические залежи – распространенное явление, они возникли несколько миллионов лет назад. Один из самых известных – Попигайская астропроблема, диаметр которого достигает 100 км. Он находится на границе современного Красноярска и Якутии, упавший там метеорит имел радиус 3,5 км. При этом добыча метеоритных алмазов неосуществима для промышленности – они слишком мелкие.

Происхождение алмазов

Алмаз представляет собой минерал, является кристаллической модификацией чистого углерода. Для алмазов характерна кристаллизация в форме октаэдров, реже в виде куба. Для образования алмаза важно, чтобы при понижении давления температура увеличивалась. Эти камни отличаются индивидуальной уникальностью, двух идентичных камней найти невозможно – это как с отпечатками пальцев.

Алмазам присуще зарождение в континентальных районах с геологической стабильностью. Чтобы углерод сменил форму графита на более жесткую структуру, он должен залегать на глубине в 100-200 км под воздействием температуры в 1100 – 1300оС.

Как происходит добыча?

Добыча алмазов с нуля – сложный и трудоемкий процесс, который включает в себя несколько этапов. Сначала нужно отыскать месторождение и заняться его разработкой, причем не каждое месторождение содержит пригодные для добычи алмазы. После завершения предварительных работ приступают к извлечению руды. Ее добывают с помощью машинной техники, затем измельчают. В таком состоянии из нее становится реально извлечь кимберлитовую породу, которая и является целью первичной обработки.

Затем кимберлит отправляют на производство, где его сортируют по нескольким параметрам, чтобы точно определить его класс и размер. Важным критерием является пригодность камня для ювелирной работы или разнообразных приборов. Несмотря на распространение кимберлитовой руды почти по всему земному шару, ее запасов больше всего в России, Канаде и Ботсване. Первые попытки добычи алмазов предпринимались еще в 17 веке и весьма успешно.

СВОЙСТВА

Неограненный алмаз

Алмаз может быть бесцветными водянопрозрачным или окрашенным в различные оттенки желтого, коричневого, красного, голубого, зеленого, черного, серого цветов. Распределение окраски часто неравномерное, пятнистое или зональное. Под действием рентгеновских, катодных и ультрафиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться (люминесцировать) голубым, зелёным, розовым и др. цветами. Характеризуется исключительно высоким светопреломлением. Показатель преломления (от 2,417 до 2,421) и сильная дисперсия (0,0574 ) обуславливают яркий блеск и разноцветную «игру» огранённых ювелирных алмазов, называемых бриллиантами. Блеск сильный, от алмазного до жирного.Плотность 3,5 г/см3. По шкале Мооса относительная твердость алмаза равна 10, а абсолютная — в 1000 раз превышает твёрдость кварца и в 150 раз — корунда. Она самая высокая как среди всех природных, так и искусственных материалов. Вместе с тем довольно хрупок, легко раскалывается. Излом раковистый. С кислотами и щелочами в отсутствие окислителей не взаимодействует. На воздухе алмаз сгорает при 850° С с образованием СО2; в вакууме при температуре свыше 1.500° С переходит в графит.

Месторождения

Месторождения алмазов бывают двух видов: коренных в виде кимберлитовых и лампроитовых трубок и россыпей. Последние являются вторичными месторождения, они образуются при разрушении коренных. В подавляющем большинстве случаев добыча происходит в трубках. Лампроитовые трубки – разновидность магматических пород, их крупные залежи в конце 20 века были найдены в Австралии. Однако большого богатства находка не принесла – алмазы оказались столь крошечными, что использовать их для ювелирных украшений невозможно. Их применение в 90-95% направлено на промышленные цели. Уникальным месторождением является Аргайл, где были обнаружены редчайшие розовые алмазы.

Кимберлитовые трубки распространены в России, Канаде и Африке – в последней они были найдены раньше всего. Именно там в 19 столетии был найден алмаз весом 85 карат, что произвело фурор на искателей драгоценных камней. Алмазная лихорадка привела к тому, что через несколько лет был найден камень весом в 428,5 карат – он получил название «Де Бирс». Единственное место, где нет алмазных залежей – Антарктида, что логично, учитывая специфику их образования.

АЛМАЗ ДЕ БИРС

Алмазы земного происхождения

Отличительная особенность всех алмазодобывающих карьеров – расположение в районах с высокой вулканической активностью. Кимберлитовые трубки – жерла, оставшиеся от вулканов, разрушенных эрозией.

Примечательно, что у алмазов земного происхождения формируется кубическая кристаллическая решётка, а у алмазов из метеоритов она гексагональная. Алмазный кристалл в процессе формирования поглощает из внешней среды включения расплавов, флюидов и минералов. Оттенок минерала зависит от специфики встраивания в кристаллическую решетку атомов азота.

• «С-центрами» именуются отдельные атомарные центры;
• Если пара атомов азота под воздействием диффузии объединились – образуется «А- — это объединившиеся в плоскости несколько «А-центров».

Если преобладают «С-центрамы» — алмаз желтый, «А- и В-центры» при преобладании формируют прозрачность камня.

Как отличить от кварца?

Среди минералов встречается немало похожих внешне видов, чем пользуются мошенники. За редкий и дорогой камень они выдают дешевый аналог – например, кварц вместо алмаза. При беглом рассмотрении только ювелир сможет отличить подделку, покупателю же нужно знать несколько основных различий между ними.

• Легче всего проверять совершенно прозрачный камень. Для этого его нужно опустить в стакан с чистой водой и внимательно рассмотреть. Кварц после такой процедуры «потеряется», став невидимым. Алмаз же сохранит очертания. Для цветных экземпляров этот способ проверки не подойдет.
• Алмаз – один из самых твердых минералов, кварц не сравнится с ним в этом. Поэтому, если произвести на последний камень сильное давление, он непременно деформируется. Достаточно сжать проверяемый камушек между двумя монетами и провести ими в стороны. На настоящем алмазе не останется ни царапины.
• Пар на поверхности алмаза не конденсируется, достаточно подышать на него, чтобы убедиться в этом. Если же на нем выступили капельки – это кварц. Этот простой способ удобен для определения подлинности в ювелирных магазинах.
• Сквозь алмаз невозможно прочесть текст, он сильно преломляет свет. Зато через кварц буквы выглядят правильно, неискаженно.

Последний способ вряд ли разрешат выполнить в ювелирном салоне, но в домашних условиях провести его реально. Для этого на одну грань предполагаемого алмаза нужно капнуть совсем немного воды. Затем провести тонкой иглой по ее глади – если капля растеклась, это кварц.

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.

Как отличить от подделки?

Алмазы внешне идентичны многим минералам, являясь при этом самым редким и дорогим. Среди камней, чаще других используемых для изготовления подделок, выделяются:

• Горный хрусталь;
• Белый цирконий;
• Кварц;
• Топаз.

Синтетические материалы (фианит, например) легко отличить от оригинала по огранке и блеску – они скорее похожи на цирконий. Их прозрачность и твердость на несколько порядков ниже.

Главное отличие алмаза от других камней – его высокая твердость. Он может разрезать стекло, выдержать без царапин наждачную бумагу или лезвие ножа. Даже при сильном ударе он не расколется – ни одна подделка не переживет такие испытания.

Существует мнение, что алмаз легко отличить по тому, что он медленно нагревается в руке – низкая теплоемкость. Но таким же свойством обладают многие полудрагоценные камни, поэтому способ применим только к синтетическим подделкам.

Алмаз не притягивает пыль, не растворится даже в соляной кислоте. Сквозь него трудно различить текст, в воде он не теряет свои очертания. Сияние алмаза – сероватое, с белым блеском. Заблуждение считать, что он переливается цветами радуги.

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.

Кимберлитовая трубка «Мир»

В Якутии, вблизи города Мирный, находится самый большой алмазный карьер в мире — кимберлитовая трубка «Мир». Эта алмазная трубка была открыта советскими геологами в 1955 году. А годом ранее — в 1954 году — была найдена первая в Якутии «алмазная трубка», которая получила название «Зарница». Несмотря на то, что её открыли раньше, первой начали разрабатывать именно «Мир».

История открытия кимберлитовой трубки «Мир» по своему необычна. Советский геолог Наталья Владимировна Кинд составила прогнозную карту и указала примерный район, где должна находится «алмазная трубка». На её поиски отправилась экспедиция, возглавляемая тремя опытными геологами: Юрием Ивановичем Хабардиным, Екатериной Николаевной Елагиной и Владимиром Петровичем Авдеенко. Когда геологи убедились, что прогнозная карта верно указала на кимберлитовую трубку, определили её границы и взяли пробы кимберлита, они отправили руководству шифрованную телеграмму.

Закурили трубку мира, табак отличный. Авдеенко, Елагина, Хабардин.

радиограмма об открытии алмазной трубки «Мир» 13 июня 1955 года

Уже через два года после открытия кимберлитовой трубки «Мир» началась открытая добыча алмазов. Только через 44 года, когда поверхностные возможности были полностью исчерпаны, в 2001 году алмазодобытчики перешли к подземному способу. За эти четыре десятилетия карьер «Мир» стал самым большим в мире: его глубина 525 метра, диаметр — 1,2 километра. Но из-за аварии 4 августа 2017 года, когда на шахте произошел прорыв воды, карьер оказался затоплен и когда работы будут продолжены — неизвестно.

Зато точно известно, что за годы разработки карьера, было добыто алмазов на 17 млрд долларов США. Самый крупный алмаз из кимберлитовой трубки «Мир» был найден 23 декабря 1980 года. Его вес — 342,5 карата. Алмазу дали советское название «XXVI съезд КПСС».

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Кимберлитовая трубка, как геологическое образование

Кимберлитовую трубку можно сравнить с дымоходом или колодцем гигантского размера. Внешне «алмазные трубки» напоминают воронку: они шире к поверхности земли и сужаются, уходя вглубь. По сути — это своеобразный древний вулкан, наземная часть которого полностью разрушена из-за эрозионных процессов. Поэтому обнаружить трубку не просто.

Несмотря на то, что ученые изучают кимберлитовые трубки уже много десятилетий, с каждым годом количество загадок не уменьшается. Наоборот: чем больше мы о них знаем, тем больше «алмазные трубки» удивляют ученых.

Вот только две загадки. Первая — почему кимберлитовые трубки расположены на самых древних и устойчивых платформах? Известно, что земная кора не однородна. Дно океана, вулканические плато — в этих местах земная толща намного меньше, но «алмазные трубки» находят на самых стабильных земных блоках. Это совсем не соответствует обычной логике и известной нам народной мудрости — «где тонко, там и рвётся». Вторая загадка — это форма кимберлитовой трубки, напоминающая бокал для мартини — конус на тонкой ножке.

Необработанный алмаз

Содержимое «алмазной трубки» — кимберлит — горная порода состоящая из оливина, флогопита, пиропа и других минералов, в том числе — природных алмазов. Но алмазы расположены в кимберлитовой трубке неравномерно. Их можно сравнить с расположением изюминок в булочке: где-то больше, где-то меньше, где-то вообще нет.

Неравномерное расположение алмазов в кимберлитовых диатремах существенно осложняет плановую отработку коренных месторождений. Выявление особенностей вертикальной изменчивости кимберлитовых пород до глубины их рентабельной отработки — одна из важнейших задач. Несмотря на изученность диатрем Сибирской платформы, вопросы их алмазоносности являются дискуссионными.

Журнал «Отечественная геология» 2021 год, статья Н.Н. Зинчук «Особенности алмазоносности разных фаз внедрения кимберлитов»

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА