Ресурсы и добыча алмазов

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) [78].

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 [39].

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 [13, 61, 66].

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 [3, 14].

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 [24]. 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 [29, 70].

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.

1.2. Алмазы и трубки  взрыва.

Процессы формирования природных  алмазов не до конца ясны, но одна важнейшая закономерность всё же проявляется: алмазные месторождения  встречаются только в пределах древних  структур. Чаще всего коренные месторождения  соответствуют трубкам взрыва. При  этом основная вмещающая порода –  кимберлит – может заполнять  трубку взрыва и не содержать алмазов, т.е. не являться алмазоносной [50, 51, 60].

Трубки взрыва, диатремы, трубообразные тела, заполнены магматическим  материалом, часто содержащим примесь  вмещающих пород. Образуются при  прорыве газофлюидного расплава через пласты земной коры. По составу брекчиевидных пород могут быть диоритовые, карбонатитовые, базальтовые, лампроитовые, кимберлитовые и др. Наибольший интерес представляют кимберлитовые и лампроитовые трубки взрыва, с которыми связаны практически все промышленные коренные месторождения алмазов.

В Архангельской области  известны базальтоидные, мелилититовые, пикритовые, кимберлитовые трубки взрыва, образующие щёлочно-ультраосновную серию родственных пород, связанных общим происхождением. Многочисленные трубки взрыва установлены в пределах Нёнокского поля трубок взрыва, широко развиты на Зимнем берегу, где с трубками Золотицкого поля связаны месторождения алмазов им. Ломоносова и им. В. Гриба. В совокупности с трубками взрыва Кольского полуострова они формируют Архангельскую алмазоносную провинцию [11, 58].

Морфологически щёлочно-ультраосновные трубки взрыва образуют конусовидные тела, обращенные вершиной вниз с соотношением осей от 1:1 до 1:10 и диаметром на поверхности  от десятков метров до 1 км, редко более. Часто гантелевидные, сдвоенные тела. Состоят из 3 частей: раструба и двух каналов – воронкообразного и подводящего. У крупных тел раструб обычно прослеживается на глубину до 400-500 м, имеет пологие контакты. Глубже он переходит в воронкообразный канал максимальной протяжённостью на глубину до 2 км с крутым падением контактов (Приложение 1). Подводящий канал, как правило, представлен дайкой, редко трубчатым телом. Иногда трубки взрыва имеют 2 или более канала, на глубине выклинивающихся или переходящих в один. Единичные трубки взрыва встречаются редко, чаще всего они образуют группы или поля [12, 21].

Механизм формирования трубок взрыва не совсем ясен, большинство  исследователей признают их вулканическое  происхождение, считая трубки жерлами  вулканов центрального типа. Возраст  трубок взрыва – от протерозоя до современных. Алмазоносные кимберлитовые и лампроитовые трубки взрыва встречаются исклительно в пределах древних платформ [38, 62]. Сейчас кимберлитовые тела известны на всех древних платформах, исключая Антарктиду. Алмазоносные лампроитовые трубки взрыва известны только в Австралии (трубка «Аргайл») [23, 46, 60].

Итак, главные месторождения  алмазов связаны с кимберлитовыми трубками. Кимберлиты представляют собой  брекчии, внедрившиеся в холодном виде. Цемент брекчии карбонатно-серпентиновый с примесью магнетита, перовскита, флогопита, серпентинизированного оливина, иногда граната и хромшпинелида. Количество обломков варьирует от долей процента до 60%. По форме обломки разделяются на округлые и угловатые, со сглаженными ребрами, чаще остроугольные. Исследования показывают, что ни посторонние включения (ксенолиты) в кимберлите, ни боковые породы не имеют признаков того, что они подвергались действию высоких температур [35, 51, 66].

Встречающиеся обломки битуминозных сланцев среди кимберлита также  не испытали достаточного нагрева, чтобы  в них образовались гидрокарбонаты.

Например, в кимберлитовых  трубках Алдана многочисленные ксенолиты  кварцитов, кварц-полевошпатовых пород и гранитов на контакте с кимберлитом обычно совершенно не изменены.

В некоторых трубках были обнаружены органические остатки, которые  при высоких температурах непременно бы разрушились. Так, в трубке «Обнаженной» встречен обломок древесины размером 8х6х6 см в той её части, где кимберлитовая  брекчия заметно засорена вмещающими породами осадочного чехла с остатками  верхнеюрской фауны. Древесина полностью  замещена кальцитом и в меньшей  мере пиритом, опалом и халцедоном. Находки древесины известны в  кимберлитовых трубках Якутской, Южно-Африканской и Северо-Русской провинций.

Основными минералами, содержащимися  в кимберлитах наряду с алмазами, являются оливин, серпентин, пироксены, фагопит, ильменит, пирот. Большинство кристаллов в кимберлитах составляют обломки и осколки кристаллов. Самый крупный из найденных алмазов великан «Куллинан» массой 3025,75 карат и размером в 10х6,5х5 см представляет собой обломок (примерно 1/3) кристалла голубовато-белого цвета [23, 41].

Многочисленными исследованиями установлено, что возраст алмазов  значительно более древний, чем  возраст вмещающих алмазоносных пород. Так, возраст алмаза из трубки Финш (ЮАР) составляет 3200-3300 млн. лет, а самих пород – 130-170 млн. лет, из трубки Кимберли 3400 и 80-95 млн. лет соответственно [38].

Форма кимберлитовых трубок напоминает высокую рюмку на тонкой ножке. Площадь поперечного сечения  их с глубиной уменьшается с последующим  выклиниванием. Трубка Кимберли выклинивается  на глубине 1073 м, Де Бирс – 732 м, Премьер – 400 м [62, 66].

С глубиной в кимберлите трубок быстро убывают как количество, так и размеры обломков, а также  содержание алмазов.

Установлена приуроченность кимберлитовых алмазоносных трубок к полю развития карбонатных толщ. В некоторых трубках Западной Якутии встречены обильные выделения  твердых и жидких битумов и  газообразных углеводородов. Например, в трубке «Мир» нефтепроявления отмечались до глубины 500 м. В трубке «Ударная» на глубине 150-200 м встречена капельножидкая нефть и отмечались взрывы углеводородных газов.

Приведенные и подобные им признаки состава и строения кимберлитовых  трубок позволили А.М. Маулетову отнести эти тела к экзогенным, поверхностным, холодным, эрозионным и эрозионно-коррозионныи образованиям [48].

Существует точка зрения (Т. Бонней и др.), согласно которой алмазы образовались в эклогитовой (грикваитовой) магме на большой глубине и в кимберлиты попали случайно. В качестве довода в пользу отсутствия генетической связи между алмазами и кимберлитами приводятся малоубедительные случаи отдельных находок алмазов в гранат-диопсидовых конкрециях [78].

Есть также факты, указывающие  на взаимосвязь алмазов и процессов  превращения органических остатков. В настоящее время эти факты  не имеют научно обоснованного объяснения, но, безусловно, заслуживают внимания. Ранее считалось, что алмазы происходят из нижней части мощной континентальной  земной коры, где во время образования  Земли сформировался и первичный  углерод. Но сейчас изучение минералов  – индикаторов температуры, найденных  в некоторых алмазах из трубок «Ягерсфонтей» в ЮАР, показывает, что углерод достигает состояния алмаза в результате давления, которому подвергался графит на глубине 300 миль (480 км). Изотоп углерода – углерод-12, который находится в живой материи, был обнаружен также и в алмазах. Эта находка подтверждает предположение о том, что углерод алмазов происходит из остатков морских организмов, которые, очевидно, попали в глубины земной коры, преодолев этот путь под воздействием процессов движения тектонических плит [78].

1.3. Свойства природных  алмазов и их обработка.

Свойства природных алмазов  привлекали человечество на протяжении тысячелетий. Некоторые из свойств  алмазов настолько уникальны, что  и сейчас они ценятся во всём мире. Наиболее ценится прозрачный алмаз. Красота ограненного алмаза (бриллианта) несравнима ни с чем. Наравне с  ювелирными качествами большую ценность имеют и технические характеристики алмазов.

Свойства алмазов многогранны, как и сам алмаз. Кратко рассмотрим основные физические и оптические свойства алмаза. Это самый твердый из естественных драгоценных камней; шлифуется лишь алмазным порошком; в чистом виде бесцветный, водяно-прозрачный, с сильной игрой  цветов [31].

Твёрдость является основным свойством алмазов, она замечена ещё в древние времена. Уникальность данного минерала отражена в самом  названии: «адамас» по-гречески означает «несокрушимый», «непреодолимый».

Эта кристаллическая форма  углерода отличается высочайшей (10) твёрдостью, и никакой другой минерал не может  оставить на нём царапину [23], абсолютная твердость в 1000 раз превышает твердость кварца и в 150 раз – твердость корунда [40, 70]. Это свойство алмазов широко используется в промышленности и в быту. Изготовление оборудования, основанное на этом свойстве, увеличивает срок работы инструмента во много раз [41].

Важное практическое значение имеет очень низкий коэффициент  трения алмаза по металлу на воздухе  – всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких пленок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие  пленки не образуется, коэффициент  трения возрастает и достигает 0,5-0,55. Низкий коэффициент трения обусловливает  исключительную износостойкость алмаза на истирание, которая превышает  износостойкость корунда в 90 раз, а других абразивных материалов –  в сотни и тысячи раз. В результате при шлифовании изделий из твердых  сплавов алмазного порошка расходуется  в 600-3000 раз меньше, чем любого другого  абразива [31, 74].