«Самая ранняя генерация алмаза: первая находка
алмазного включения в кимберлитовом оливине» — заголовок статьи сибирских
ученых вынесен на обложку январского (2023) номера авторитетного
международного журнала MDPI — Minerals.
Научный
руководитель Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН академик
Николай Петрович Похиленко рассказал о значимости упомянутого научного
результата в контексте исследований алмазообразования и, шире, происхождения
литосферы Земли. Этот процесс ученый сравнил с нарастанием льда на водоеме:
сначала образуется тонкая корочка, затем слой становится всё толще, распространяясь
вниз от поверхности. Только в случае с литосферой, чем глубже, тем выше
показатели давления и температуры. Возраст образования самой Земли из облака
космического вещества — примерно 4,6 миллиарда лет назад. «Большая часть
исходного вещества для планет земной группы — хондриты, сравнимые с базальтами
по плотности, но отличающиеся по химическому составу, — уточнил академик. —
Частичное плавление исходного вещества Земли давало расплавы, вначале коматиитового,
а затем базальтового состава. Они поднимались на поверхность планеты и,
затвердевая, формировали ее кору, а тугоплавкие остатки ультраосновного состава
наращивали мощность литосферной мантии снизу».
Когда нарастание
мощности литосферы обеспечило достижение ее нижней частью значений температуры
и давления, отвечающих области стабильности алмаза, там возникли условия для
начала алмазообразования. Предполагалось, что это произошло примерно 3,6
миллиарда лет назад, на границе эоархея и палеоархея. Однако детальное изучение
условий и времени формирования многих тысяч алмазов литосферного происхождения
по включениям в этих алмазах сингенетичных им минералов и среды, из которой они
образовались, дало возрасты, отвечающие диапазону среднего архея (3,2—2,5 млрд лет).
Такие алмазы образовались как следствие процессов декарбонизации
просачивающихся низковязких карбонатитовых расплавов/флюидов сквозь тугоплавкие
истощенные перидотиты уже в значительно остывшей литосфере. Установленный
диапазон давлений и температур образования подобных «молодых» алмазов
существенно расширился: как в область более низких, так и более высоких
значений, по сравнению с параметрами формирования самих ранних алмазов, впервые
возникших в истории планеты в ее нарастающей по мощности литосфере.
«Существует
определенный градиент температуры и давления, по одну сторону которого
находится зона стабильности образования и существования графита, по другую —
алмаза, — пояснил Н. П. Похиленко, — причем для последнего при повышении
температуры алмазообразующей среды требуется рост давления. К примеру, при 1
000 градусов Цельсия для алмазообразования нужно не менее 40 тысяч атмосфер,
что возможно на глубинах от 140 километров, а при 1 400 градусов уже нужны давления
около 55 тысяч атмосфер, реализуемые в Земле на глубинах около 180 километров».
Наиболее
распространенными породами, выносящими алмазы из глубин литосферной мантии на
земную поверхность, являются кимберлиты. Кристаллик алмаза, описанный в
Minerals, вырос из силикатного либо сульфидного расплава и был захвачен
растущим кристаллом оливина из тугоплавких ультраосновных пород, формирующих
нарастающую по мощности литосферную мантию. Размер захваченного алмаза около
0,3 миллиметра, и он включен в полуторасантиметровое зерно оливина-хозяина.
Образцы пород и
минералов литосферной мантии, выносимые на поверхность Земли кимберлитами
трубки Удачная, являющейся одним из самых крупных месторождений алмазов России,
стали объектами интереса российских и зарубежных ученых с конца 1960-х годов.
Этот интерес объясняется уникальной свежестью кимберлитов и содержащихся в них
обломков минералов и пород литосферной мантии. Уже более полувека геологи регулярно,
вплоть до закрытия карьера трубки в 2014 году, собирали и изучали коллекции
уникальных образцов, вынесенных кимберлитами Удачной 370 миллионов лет назад на
земную поверхность с глубин литосферы, достигающих 250 километров. В одной из
таких коллекций оказался образец, ставший предметом научной сенсации.
Микрофото алмаза
«Обнаруженный нами
алмаз, по-видимому, является самым древним из изученных на сегодняшний день, —
утверждает академик Н. Похиленко. — Возраст сингенетического этому алмазу
включения сульфида оценивается приблизительно в 3,6 миллиарда лет. Согласно
полученным нами результатам, он был захвачен растущим оливином при достаточно
высоких температурах — более 1 400 ℃ и давлениях более 5,5 ГПа. Это
соответствует глубинам около 180 километров и началу этапа вхождения нижней
границы литосферной мантии древних платформ в глубины области стабильности алмаза».
Другой вывод
ученых заключается в том, что кристаллизация обнаруженного алмазного включения
в зерне оливина должна была происходить либо из силикатного расплава,
обогащенного карбонатным компонентом (углеродсодержащий флюид), либо из сульфидного
расплава с растворенным углеродом (расплав Fe-Ni-Cu-Co-S-C). «К сожалению,
современное состояние аналитических методик пока не позволяет надежно
склониться к одному из этих вариантов», — констатировал Николай Похиленко. В
обеих версиях кристаллизация исследуемого алмаза происходила при температурах
не менее чем на 200—250 °С выше, чем формирование более поздних метасоматических
алмазов: в случае силикатного расплава — при 1 400 °С, в варианте сульфидного —
при 1 600 °С. «Сначала нам не сильно верили, — поделился академик. — Появление
алмаза в оливиновом зерне пытались объяснить проникновением через трещину в
крупном кристалле оливина уже остывшей породы карбонатитового флюида/расплава с
последующим формированием в этой трещине кристалла алмаза при ее залечивании,
но нам удалось убедительно доказать оппонентам несостоятельность этого сценария».
«В целом эта
находка и ее изучение подтвердили ранее умозрительные предположения о времени и
параметрах формирования нижних горизонтов литосферы, достигающих значений
давлений и температур области стабильности алмаза, и, соответственно, периоде
появления в них самых первых на планете алмазов, — подытожил академик Н.
Похиленко. — Кристалл из Удачной на сегодня, видимо, древнейший на Земле: по
крайней мере, среди тех, что держал в руках и изучил человек. Мы также
показали, что условия образования алмазов в ту эпоху значительно отличались от
характеристик более поздних процессов формирования основной массы добываемых
кристаллов. Изменились как среда, так и диапазон температур и давлений, а соответственно,
глубин образования более поздних алмазов в более мощной и остывшей
литосфере».
По словам Николая
Похиленко, минимальные значения глубин образования изученных алмазов в
«холодной» литосфере сместились к уровням около 140 километров, что отвечает
давлениям около 37 тысяч атмосфер при температурах около 900 оС. Максимальные
показатели давлений образования таких алмазов также сместились в сторону
увеличения. Так, установленные параметры давлений образования части кристаллов
из месторождения Снэп Лейк, открытого сибирскими геологами на северо-западе
Канады, составляют около 120 тысяч атмосфер, что соответствует глубинам порядка
300 километров.
Ученый представил
команду, получившую этот выдающийся результат: «Основную работу по изучению
найденного ею образца и написанию статьи сделала кандидат
геолого-минералогических наук Людмила Николаевна Похиленко, проводившая полевые
работы на Удачной в течение девяти сезонов. Моя роль сводилась к постановке
задачи, направления и методов исследования этого уникального объекта, определения
возможных вариантов его природы. Кандидат геолого-минералогических наук
Владимир Григорьевич Мальковец — мой ученик, он сейчас работает в ПАО “Алроса”,
ранее стажировался в Институте Карнеги (США), Институте планетарных геонаук
Университета Теннесси (США), Исследовательском центре Университета Сиднея
(Австралия). Его задачей была организация проведения изотопных исследований в
сингенетичном алмазу включении сульфида в изучаемом образце оливина. Кандидат
геолого-минералогических наук Таисия Александровна Алифирова, ученица Л. Н.
Похиленко, сейчас работает в Венском университете. В данной работе она провела
методом рамановской спектроскопии анализ флюида на границе алмаз — оливин.
Академическим редактором этой публикации выступил профессор из Германии Паоло
Нимис (Paolo Nimis) — один из наиболее авторитетных ученых в области изучения
параметров образования и изотопного датирования земных пород и минералов».