Модель образования природного алмаза: генетический, экспериментальный и поисковый аспекты

При прогнозной оценке алмазоносности регионов учитываются, как правило, только традиционные источники — кимберлиты и лампроиты, где формирование алмаза связано с мантийными породами. Возможности образования алмаза в альтернативных условиях обычно не рассматриваются.

Однако известные находки алмаза в принципиально иных геологических условиях уже давно представляют не только научный, но и практический интерес. В качестве примера можно привести алмазопроявления в метаморфических породах Кокчетавского и Дабешаньского массивов, находки алмаза в туффизитах Северного Урала и др.

Хотя Кумдыкольское месторождение алмазов в метаморфическом комплексе Кокчетавского массива отличается очень высоким содержанием и значительными запасами, окончательно невыясненное происхождение алмазов является существенным препятствием для выявления подобных алмазоносных объектов из-за отсутствия поисковых критериев алмаза, определяемых, как правило, условиями генезиса.

В то же время существующие представления о генезисе алмаза неразрывно связаны с успехами в области его синтеза, так как трудно представить, что в алмазной лаборатории природы существует еще какой-то особый механизм образования алмаза, отличный от тех, которые реализованы в исследовательских центрах. Единственное условие, которое сложно обеспечить, это геологическое время, хотя и его можно смоделировать.

Естественно, что первые удачные эксперименты по синтезу алмаза, основанные на каталитическом превращении графита в устройствах высокого давления, укрепили представление об алмазе как о типично барофиль-ном минерале. По этой причине первые гипотезы, касающиеся происхождения алмазов, так или иначе, были связаны с поиском в природе условий сверхвысоких давлений при образовании этого минерала. Наибольшее распространение получила точка зрения, согласно которой кристаллизация алмазов происходила на больших глубинах, где существуют требуемые давления и температуры, а к земной поверхности алмазы были доставлены кимберлитовой магмой [74,75].

Когда гипотеза глубинной кристаллизации алмазов столкнулась с определенными трудностями при поиске источника углерода, это привело к распространению новых представлений о промежуточных очагах, где имелись углеродистые вещества, а необходимые давления возникали за счет подтока ювенильных газов, либо за счет газов высокотемпературного крекинга органического вещества осадочных пород [11,82].

При этом из поля зрения исследователей выпал тот факт, что численные измерения такого параметра, как сверхвысокое давление, были связаны с гидравлическим сжатием и электрическим нагревом графита в присутствии целого ряда металлов-катализаторов [94,103,109].

Удачные эксперименты по синтезу алмаза в условиях гидравлического сжатия графита не остановили исследовательского поиска и, по прошествии некоторого времени, синтетические алмазы были получены сравнительно простым путем из различных углеродсодержащих газов при давлениях, близких к нормальному [22,91,100].

Как ни странно, успешный синтез алмаза из газовой фазы не только не решил проблему образования алмаза, но еще больше усложнил ее. Поскольку алмазы были получены не согласно господствующим теоретическим представлениям, то сначала для объяснения процессов газофазного синтеза пришлось вводить понятие «эпитаксиального синтеза алмаза в ме-тастабильных условиях». Подобное противоречие классическим представлениям привело в дальнейшем к пониманию того факта, что параметры синтеза алмаза не отделимы от исходного вещества, используемого в качестве источника углерода.

Как следствие была теоретически обоснована возможность химического синтеза алмаза путем последовательного «синтеза» С-С связей алмазной решетки из легкоподвижных углеродсодержащих соединений. Было показано, что этот процесс не требует жестких РТусловий среды, поскольку контролируется не термодинамической устойчивостью алмаза по отношению к графиту, а кинетикой накопления алмазного вещества в неравновесной открытой каталитической системе, то есть не существует термодинамических препятствий для газофазного синтеза алмаза при нормальном давлении [71,72].

В то же время успешный синтез алмаза при давлениях, близких к нормальному, привел к развитию представлений о возможности газофазной кристаллизации кимберлитовых алмазов в приповерхностных условиях в пневматолитовую стадию постмагматического процесса [6].

Открытие крупного месторождения алмазов в метаморфических породах привело к появлению новых концепций алмазообразования, базирующихся как на термобарических условиях кристаллизации алмаза согласно фазовой диаграмме состояния углерода [95,97], так и на теоретических работах по химическому синтезу алмаза из газообразных соединений углерода при нормальном давлении [72].

Концепции, связанные барофильностью алмаза, по-прежнему предполагали кристаллизацию алмаза в условиях мантии [88], в то время, как сторонники коровош генезиса алмаза отстаивали его образование в метаморфических породах из углеродсодержащего флюида при относительно низких температурах и нормальном давлении [41].

В итоге оказалось, что успехи в области искусственного получения алмаза не служат надежной опорой в решении вопросов, связанных с его генезисом, а принципиальные отличия способов синтеза не позволяют однозначно судить, какой именно процесс моделирует природные условия алмазообразования. По-прежнему оставалось актуальным мнение одного из пионеров синтеза алмаза: «.ни одна из существующих точек зрения не объясняет полностью всю сложность и многообразие процессов кристаллизации алмазов. По-видимому, это станет возможным лишь тогда, когда будут смоделированы, хотя бы приближенно, природные процессы» [2].

Различные особенности происхождения алмаза, в частности, существование неалмазоносных кимберлитов, уже давно приводили исследователей к мысли о наличии еще какого-то параметра роста алмаза: «. сопоставление всех известных фактов, установленных при изучении природных алмазов, их месторождений и безалмазных кимберлитовых трубок, с одной стороны, и данных, полученных в результате исследований условий и механизма образования синтетических алмазов — с другой, приводит к выводу о том, что главная причина, определяющая наличие или отсутствие алмазов в эксплозивных кимберлитовых телах, заключается не в различных термодинамических условиях зарождения, подъема и застывания магмы и • не в химических особенностях среды» [11].

Однако существование еще какого-то параметра, определяющего кристаллизацию алмаза, можно установить, только пересматривая уже известные закономерности синтеза. В действительности, экспериментальный материал, накопленный в течение десятилетий, уже давно требует критического переосмысления. Именно новым подходом к сложившимся взглядам на роль давления и температуры в образовании алмаза определяется актуальность настоящей диссертационной работы.

Выявление закономерностей кристаллизации искусственного алмаза позволит уточнить условия его природного образования, что, в свою очередь, позволит наметить критерии для прогноза и поиска источников природного алмаза.

Цели настоящей работы заключаются в следующем: т.

1) определить основные закономерности кристаллизации алмаза из газовой фазы и, исходя из этого, построить модель газофазного образования природного алмаза;

2) наметить некоторые критерии прогноза и поиска природных источников алмаза.

Вклад автора в решение задачи определяется длительной экспериментаторской деятельностью в цехе синтеза на заводе синтетических алмазов и многолетним теоретическим и практическим изучением строения алмазоносных объектов и распределения в них углеродистого вещества:

1) изучены электрические параметры синтеза алмаза в устройстве типа «наковальни с лункой», а также связь между подводимой электрической мощностью и скоростью нагрева исходного графита;

2) исследована связь скорости нагрева графита с его превращением в алмаз в устройстве высокого давления, а также связь между скоростью на.

• грева газообразных углеводородов и образованием из них графита и алмаза;

3) проведен сравнительный анализ электрических параметров синтеза алмаза в устройстве типа «наковальни с лункой» и устройстве типа «belt» по данным зарубежных исследователей;

4) проведены теоретические и практические исследования углеродистого вещества некоторых кимберлитовых трубок, а также алмазоносных пород Кумдыкольского месторождения и алмазосодержащих метеоритов.

Основные положения диссертации содержатся в материалах докладов, статей и монографий [4,31−34,37].

Достоверность вычисленных значений скорости нагрева графита, обеспечивающей его превращение в алмаз в устройствах высокого давления, основывается на повторяемости результатов исследования электрических параметров синтеза алмаза в устройстве типа «наковальни с лункой», в том числе в промышленном масштабе. Полученные результаты также под.

• т 8 тверждаются анализом электрических параметров синтеза алмаза в устройстве типа «belt» по данным зарубежных источников (прежде всего, патентов США). Достоверность модели газофазного образования природного алмаза подтверждается сходством в распределении алмаза, графита и углеводородов в метеоритах и метаморфических породах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) рассчитана минимальная скорость нагрева графита, обеспечивающая его превращение в алмаз, и показана определяющая роль скорости нагрева вещества при газофазном синтезе алмаза;

2) создана модель газофазного образования природного алмаза и обоснована генетическая связь алмаза и графита в метеоритах с абиогенными углеводородами;

3) определены некоторые критерии прогноза и поиска алмазов в метаморфических породах и прогноза алмазоносности кимберлитовых трубок.

Применение на практике основных выводов диссертации позволяет:

1) внедрить в практику геологоразведочных работ дополнительные критерии прогноза и поиска алмазопроявлений в метаморфических породах;

2) установить новые критерии прогноза алмазоносности кимберлитовых трубок;

3) обосновать находки алмазов в породах, не имеющих связи с глубинными давлениями;

4) расширить концепцию образования природного алмаза, в частности, гипотезу корового генезиса алмаза.

В работе защищаются следующие положения.

1. При искусственном получении алмаза определяющую роль играют не только параметры, отраженные на фазовой диаграмме состояния углерода, но также высокая скорость нагрева исходного вещества.

2. Парагенезис алмаза и графита в метеоритах объясняется мгновенным нагревом и пиролизом абиогенных углеводородов при входе метеорита в плотные слои атмосферы.

3. Коровый генезис алмаза определяется «шоковым» нагревом природных углеводородов. Находки алмазов можно прогнозировать в зоне контакта метаморфизованных осадочных пород с интрузивами.

4. Образование кимберлитовых алмазов возможно при мгновенном нагреве как коровых, так и ювенильных углеводородов. Сингенетичными включениями в алмазе являются, прежде всего, газы и самородные металлы, наличие которых в ореоле трубок может указывать на их алмазонос-ность.

В первом разделе рассмотрены основные закономерности синтеза алмаза из графита и газообразных соединений углерода. На основании исследования электрических параметров синтеза алмаза в устройствах высокого давления рассчитана минимальная скорость нагрева графита, обеспечивающая его превращение в алмаз. Рассмотрены процессы синтеза алмаза и пиролитического графита из газообразных углеводородов, показана определяющая роль мгновенного нагрева углеводородов в газофазном алмазо-образовании.

Во втором разделе рассмотрены алмазосодержащие метеориты и дано объяснение парагенезиса алмаза и графита параллельно идущими процессами мгновенного нагрева и пиролиза абиогенных углеводородов.

В третьем разделе рассмотрено геологическое строение рудной зоны Кумдыкольского месторождения и распределение углеродистого вещества в слагающих ее породах. Обоснована возможность корового образования кумдыкольских алмазов при «шоковом» нагреве пород рудной зоны в условиях контактного метаморфизма и намечены некоторые критерии прогноза и поиска алмазов в метаморфических породах. т.

В четвертом разделе показана возможность газофазного алмазообра-зования в кимберлитовых трубках. В плане предлагаемой модели дискретность алмазообразования обоснована участием в процессе как коровых, так и ювенильных углеводородов. Сделано заключение о сингенетичности включений в алмазе газов и самородных металлов и возможной связи алмазоносности трубок с наличием газов и самородных металлов в околотрубочном пространстве.

Диссертационная работа выполнена на геологическом факультете МГУ под научным руководством д.г.-м.н. Г. П. Кудрявцевой. Неоценимую помощь автору в подготовке диссертационной работы оказал к.г.-м.н. В. К. Гаранин. Автор с благодарностью вспоминает д.г.-м.н. В. В. Ковальского и д.г.-м.н. К. Н. Никишова, открывших ему мир алмаза. Автор благодарен учителям и коллегам, в разное время помогавшим диссертанту ценными советами: д.г.-м.н. В. И. Старостину, д.г.-м.н. А. М. Портнову, д.т.н. А. В. Манухину, д.т.н. Н. А. Колчеманову, к.г.-м.н. Н. В. Прониной, к.г.-м.н. Н. Ш. Яндарбиеву, к.г.-м.н. Н. Н. Шатагину. Автор особо благодарен генеральному директору ФГУП «Урангеологоразведка» В. В. Тену за всемерную поддержку при выполнении данной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения. Общий объем работы 110 страниц. Работа содержит 8 таблиц и иллюстрирована 28 рисунками.

Список литературы

включает 116 наименований российских и зарубежных авторов.

Выводы о единстве газофазного происхождения углеродистого вещества кимберлитовых трубок позволили автору настоящей работы высказать предположение о единстве газофазного генезиса горючих ископаемых вообще [4,32]).

Данные по изотопному составу углерода битумных и газовых проявлений в кимберлитах свидетельствуют о весьма беспорядочном характере распределения изотопов углерода, что также может указывать на цикличность образования углеводородов с участием мантийного и корового углерода [37].

При этом изотопный состав отдельных кристаллов алмаза зависит от природы углерода исходной газовой фазы, например, при обогащении га1 зовой фазы мантийным углеродом возрастает доля изотопа § С, а при обогащении коровым углеродом — доля изотопа б12С. Для определенной части алмазов концентрация легких изотопов углерода в центре кристалла и тяжелых изотопов во внешних зонах свидетельствует, что рост алмаза начинается из углеводородов осадочного происхождения, а заканчивается в газовой фазе с преобладанием мантийного углерода.

Изложенный материал показывает, что все кристаллы алмаза в пределах одной кимберлитовой трубки нельзя считать сингенетичными — их кристаллизация могла осуществляться с временной разницей. При этом алмазы ранних генераций могли служить для алмазов более поздних генераций в качестве подложки.

Что же касается включений в алмазах, то в соответствии с представлениями автора настоящей работы, к сингенетичным включениям однозначно можно отнести газовые включения — единственные включения, реально отражающие обстановку кристаллизации алмаза, а также включения самородных металлов.

В работах [7,60,107] приводится следующий состав газовых включений в алмазах: Н2О, Н2, СО2, СО, N2, СН4 и предельные углеводороды, то есть газовые включения представлены флюидной фазой системы H-O-C-N. Нет ничего удивительного в том, что газовые включения в алмазе, за исключением нейтрального азота и примесной реакционной воды, представляют собой исходные для синтеза алмаза газообразные соединения — углеводороды, оксиды углерода и водород.

Кроме того, все описанные в настоящей работе алмазопроявл ения: в метеоритах, в метаморфических породах и в кимберлитах имеют устойчивую связь с предельными углеводородами — метаном и его гомологами.

В предлагаемой модели образования кимберлитовых алмазов включения таких минералов, как оливин, хромшпинелид, гранат, энстатит, клино-пироксены, коэсит, магнетит, ильменит, рутил следует считать протогене-тическими: твердые включения всегда старше алмаза и играют только роль подложек для алмазов, растущих из газовой фазы. Поэтому минеральные включения не могут дать никакой информации ни о составе среды, ни об условиях кристаллизации алмаза, как не может дать никакой генетической информации затравочный кристалл или металлическая подложка, на которые осаждается алмаз при искусственном синтезе.

Следует отметить, что на основании экспериментов в устройствах высокого давления были созданы представления о барофильности не только алмаза, но и других минералов. Однако вслед за газофазным синтезом алмаза, следует определить возможность газофазного получения других минералов, представляющих интерес в связи спроблемой генезиса алмаза.

Это касается, в частности, минералов, встречающихся в сростках с алмазами.

В работе Ю. Н. Пальянова с соавторами [64], посвященной росту алмаза в системе карбонат-углерод, приведена фотография сростка кристаллов алмаза и периклаза, воспроизведенная на рис. 27. Учитывая параметры процесса (Р = 7 ГПа, Т = 1700−1750°С, длительность опыта до 18,5 час), можно считать, что именно такими являются условия кристаллизации периклаза, то есть результаты эксперимента могут служить отправной точкой для дальнейших построений.

Другими словами, было получено экспериментальное доказательство барофильности периклаза.

Однако на рис. 28 приведено изображение кубического кристалла периклаза, выращенного автором настоящей работы при нормальном давлении и температуре 1150 °C [33]. Процесс осуществлялся в течение двух часов в метано-водородной атмосфере, в которую помещался гранулированный оксид магния. Хотя цель работы не имела отношения к процессу роста кристаллов, тем не менее, условия опыта полностью соответствовали условиям газофазной кристаллизации алмаза — водородно-метановая смесь подвергалась воздействию высокой температуры.

Вполне естественно, что с точки зрения автора настоящей работы, любая находка кристаллов периклаза в кимберлитах (в том числе и в сростках с алмазом) будет являться свидетельством протекания высокотемпературных газофазных процессов с участием водороднометанового флюида. f.

Рис. 27 Сросток алмаза (2) и периклаза (4), выращенный в камере высокого давления [64].

Рис 28. Кристалл периклаза (в центре), выращенный при f ормальном давлении 2х (из коллекции автора).

Таким образом, согласно предлагаемой модели образования природного алмаза, кристаллизация кимберлитовых алмазов возможна при мгновенном нагреве как ювенильных, так и коровых углеводородов, при этом сингенетичными включениями в алмазе являются газообразные вещества, отражающие обстановку кристаллизации алмаза, и самородные металлы, наличие которых в ореоле кимберлитовых трубок может указывать на ал-мазоносность этих трубок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Предложенная модель образования природного алмаза является, прежде всего, результатом экспериментальных исследованиий электрических параметров синтеза алмаза из графита. Поскольку все количественные измерения давления и температуры, отраженные на фазовой диаграмме состояния углерода, всегда были связаны непосредственно с синтезом алмаза из графита, естественно было и скорость нагрева исходного углерода рассчитывать также для этого процесса.

В результате исследований было получено значение наименьшей скорости нагрева графита, обеспечивающей синтез алмаза — около 1100 °C в секунду.

2. Количественные измерения скорости нагрева газообразных соединений углерода при газофазном синтезе алмаза не проводились (хотя очевидно, что она очень велика), но отсутствуют и измерения давления на графит при синтезе в условиях воздействия лазера или электрического разряда — принято считать, что давление сверхвысокое.

Газофазный синтез алмаза осуществляется без применения затравочных кристаллов и подложек, поэтому определяющим параметром образования алмаза является высокая скорость нагрева газообразных соединений углерода. При относительно невысокой скорости нагрева углеводородов происходит их пиролиз с образованием графита.

3. Алмазообразование в естественных условиях осуществляется при мгновенном нагреве углеводородов, при этом практически всегда имеет место парагенезис алмаза и графита. Наглядным примером такого процесса является алмазообразование в метеоритах.

4. Алмазоносность метаморфических пород определяется «шоковым нагревом» присутствующих в них микроскоплений углеводородов. Причиной шокового нагрева является контактный метаморфизм при внедрении интрузивных массивов, а уменьшение скорости нагрева по мере удаления от зоны экзоконтакта приводит к пиролизу углеводородов с образованием графита.

Находки алмазов можно прогнозировать в зоне контакта углеродсо-держащих метаморфизованных осадочных пород с интрузивами, где мог иметь место шоковый нагрев, сопровождавшийся метасоматической переработкой пород.

4. Углеродистые вещества кимберлитов — алмаз, графит и углеводороды (жидкие, твердые, газообразные) — парагенетически связаны, так как они образовались с участием битуминозного вещества осадочных пород и мантийного водородно-метаного флюида непосредственно в кимберлитовой трубке.

Согласно предлагаемой модели образования природного алмаза кристаллизация кимберлитовых алмазов возможна при мгновенном нагреве как ювенильных, так и коровых углеводородов, при этом сингенетичными включениями в алмазе являются газообразные вещества, отражающие обстановку кристаллизации алмаза, и самородные металлы, наличие которых в околотрубочном пространстве может указывать на алмазоносность кимберлитовых трубок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) рассчитана минимальная скорость нагрева графита, обеспечивающая его превращение в алмаз, и показана определяющая роль скорости нагрева вещества при газофазном синтезе алмаза;

2) создана модель газофазного образования природного алмаза и обоснована генетическая связь алмаза и графита в метеоритах с абиогенными углеводородами;

3) определены некоторые критерии прогноза и поиска алмазов в метаморфических породах и прогноза алмазоносности кимберлитовых трубок.

Применение на практике основных выводов диссертации позволяет:

1) внедрить в практику геологоразведочных работ дополнительные критерии прогноза и поиска алмазопроявлений в метаморфических породах;

2) установить новые критерии прогноза алмазоносности кимберлитовых трубок;

3) обосновать находки алмазов в породах, не имеющих связи с глубинными давлениями;

4) расширить концепцию образования природного алмаза, в частности, гипотезу корового генезиса алмаза.