Происхождение алмазов и кимберлитов

История образования кимберлитов и алмазов прошла сложный путь. Первые исследования кимберлитов привели геологов к выводу, что алмазы образовались внутри диатрем путём кристаллизации кимберлитовых магм, возможно обогащённых углеродом за счёт ассимиляции органического вещества из вмещающих осадочных пород. После того, как появились данные об образовании алмаза при высоком давлении, возникла гипотеза его кристаллизации на глубинной мантийной стадии эволюции кимберлитовой магмы. Ещё больше утвердились эти предположения, когда получили древний возраст включений в алмазах, до 3,5 млрд. лет. Тем не менее, трудно представить, что алмаз, единственный, сохраняет свои гранные формы в процессе столь длительного времени эволюции "кимберлитовой магмы" в условиях столь агрессивных для него сред. Трудно представить, чтобы мантия, имеющая столь малые содержания углерода [по самым оптимальным подсчётам содержание углерода в мантии 0,013%; И.Д.Рябчиков, 2002], дать такие высокие, "алмазные", концентрации последнего. Да и возраст включений оказался возрастом не алмаза, а возрастом древних составляющих пород коры, захваченных в процессе кристаллизации алмаза. Возраст может варьировать от 0,41 до 3,4 млд. лет в одной трубке (например, трубка Удачная) или даже во включениях в одном зерне алмаза [В.С. Шкодзинский, А.И. Зайцев, 2005].
Современными исследованиями процесса синтеза искусственного алмаза установлено, что образование алмаза при высоких РТ параметрах осуществляется из флюидно-газовой фазы промежуточных продуктов общей реакции синтеза [Ю.В.Третьякова, 2001; А.А.Чепуров и др., 2001], а не из расплава, как это описывается в гипотезах генезиса алмазов и кимберлитов. Термодинамическая неустойчивость алмаза противоречит кристаллизации его в расплаве в открытой системе, тем более в мантии. Уже при температуре 900° в среде, где присутствуют такие окислители, как кислород, вода и углекислота, алмаз сгорает. В мантии содержание углерода весьма незначительное [0,013%; Рябчиков, 2002], чтобы создать алмазные концентрации. Кристаллизация алмаза возможна только в насыщенном или пересыщенном углеродом флюидно-газовом растворе. Никакая субдукция и никакие "резервуары" в мантии (как считают некоторые исследователи) не способны создать такие высокие концентрации углерода. Кимберлит, это типичный высокотемпературный магнезиальный скарн, сформировавшийся при высоком давлении. Основные породообразующие минералы кимберлитов оливин (форстерит-Мg2[SiO4]), пироксен (диопсид-CaMg[Si2O6]), гранат (пироп-Mg3Al2[SiO4]3) - минералы скарнов. Исследователи этот парагенезис называют "дунит-гарцбургитовый" и считают его мантийным. Никакого отношения к мантийным расплавам минералы кимберлитов не имеют. Они образуются в результате реакции компонентов мантийного флюида (H2O + SiO2 + K2O + Al2O3) с окислами металлов (CaO, MgO, FeO), возникающих в результате воздействия на карбонатные и карбонатсодержащие породы раскалённого расплава толеитовых базальтов. Схематично реакции можно записать следующим образом:
2МgO + H2SiO3 = Mg2[SiO4] + H2O - форстерит
CaO + MgO + 2H2SiO3 = CaMg[Si2O6] + 2H2O - диопсид
3MgO + 2H3AlO3 + 3H2SiO3 = Mg3Al2[SiO4]3 + 6H2O - пироп
Образование кимберлитов связано с последовательными этапами продолжительного скарнового процесса, идущего с большой температурой и давлением под влиянием раскалённого расплава толеитового базальта и мантийного флюида H2O + SiO2 + K2O + Al2O3.
Для образования алмазоносных кимберлитов необходимы следующие условия:
1. Наличие мощной консолидированной древней коры (кратонов), необходимой для поддержания высокого давления (или поддержания препятствия понижения давления) при движении расплава.
2. Внедрение высокотемпературного расплава толеитовых базальтов и сопутствующего мантийного флюида Н2О + SiO2 + K2O + Al2O3 при высоком давлении при условии общего сжатия, пробивающего путь к чехлу.
3. Наличие чехла, т.е. осадочных пород, которые могут вступать в реакцию с раскалённым расплавом базальта и сопутствующим мантийным флюидом. Мощность чехла должна быть больше 2,0 км, что необходимо для поддержания высокого давления реакций расплава и флюида при взаимодействии с боковыми породами чехла.
4. Наличие карбонатных или карбонатсодержащих пород в разрезе чехла для производства окиси различных металлов и металлоидов путём прокаливания при высоком давлении раскалённым расплавом карбоната и других составляющих субстрата, необходимых для образования алмаза и минералов кимберлитов, а также трубок взрыва.
5. Наличие органических остатков в разрезе чехла, необходимых для образования при прокаливании высоких концентраций углерода и водорода - сильных восстановителей, столь необходимых для образования алмаза.
Представляется, что алмаз образуется совместно или после таких минералов, как оливин, пироксен, гранат, хромит. Под влиянием содержащихся в системе минералов-катализаторов образуются элементоорганические соединения, являющие одновременно и промежуточными продуктами реакций и конечными веществами для образования алмаза [Ю.В.Третьякова, 2001; А.А.Чепуров и др., 2001]. Сложная цепь происходящих химических реакций приводит к образованию углерода с алмазной структурой, тем более что среди органических соединений присутствуют термоустойчивые каркасные компоненты с фрагментами структуры алмаза - диамантаны [C14H20; Е.Б. Грунис и др., 2004]. Среди множества реакций приведём самые простые, которые возможно могут в присутствии катализаторов привести к образованию алмаза и кимберлитовой трубки:
Образование алмаза и кимберлитовой трубки
Расплав базальта с температурой 1300-1400° под большим давлением внедряется в осадочные породы чехла и прокаливает карбонатную породу и органические остатки. Карбонат распадается на окись металла (СаО) и двуокись углерода (СО2). Органические остатки под действием прокаливания распадаются на углерод (С), водород (Н2), их кислородные соединения и другие органические образования, возможно участвующие в образовании алмаза. Углерод и водород - сильные восстановители. Карбонатное СО2 и органический С вступают в реакцию и под большими температурой и давлением образуют 2СО (в технике СО получают в доменных печах при нормальном давлении, пропуская СО2 через раскалённый уголь). Равновесие СО2 + С = 2СО при прокаливании сдвигается в сторону 2СО, если газовая смесь будет больше 700° (при давлении 1 ат.) и идёт с поглощением тепла [Н. Бьеррум, 1935]. В этом случае органический углерод является восстановителем. Образование окиси углерода - процесс эндотермический. СО и Н2 образуют горючий газ. Органический водород, являясь сильным восстановителем, у окиси углерода отнимает кислород и освобождает углерод, который, возможно в присутствии катализаторов, кристаллизуется в виде алмаза. (Алмазы в доменных печах?! Как создать высокое давление?). Известно [А.И.Тугаринов, 1973], что карбонатный углерод имеет δ13С = (+4-5)о/оо, а органические остатки - δ13С = (-15-25)о/оо. Соединяясь, вместе они образуют алмаз со средним значением δ13С = (-6-8)о/оо
СаО (жжёная известь) бурно реагирует с Н2О, образуя гидрат окиси кальция -Са(ОН)2. Реакция сопровождается выделением большого количества тепла и увеличением объёма (взрывом), что способствует образованию трубок взрыва и кимберлитовых брекчий с вкраплением скарновых минералов форстерита, диопсида и граната.
При разложении органических веществ образуются различные органические соединения, в частности углеводороды каркасного строения - диамантаны состава С14 - С15. Каркасная структура этих уникальных термостойких углеводородов - диамантанов (С14Н20) практически воспроизводит фрагмент углеродного скелета алмаза. В флюидно-газовой среде различные углеродные соединения, в т.ч. возможно и диамантаны, взаимодействуют между собой. "Существование этих чрезвычайно разнообразных органических соединений основывается на ярко выраженной способности углеродного атома соединяться с другими атомами углерода…" [Н.Бъеррум, 1935]. Предлагается упрощённый вариант реакции окислов углерода с диамантаном:
4СО2 + 2СО + С14Н20 = 20С + 10Н2О
Высокая температура и давление флюидно-газовой среды приводит к ослаблению связи между элементами. Водород, как сильный восстановитель, при высокой, но понижающейся температуре отбирает у окислов углерода кислород. Углерод занимает место водорода и заполняет каркасную структуру диамантана, образуя алмаз.
При прокаливании окиси металлов и органики образуется карбид металлов по реакции СаО + 3С = СаС2 + СО. При большой температуре карбид кальция соединяется с азотом по реакции СаС2+N2 = СаN2C + C. Образующийся цианамид кальция распадается, а свободный углерод может участвовать в образовании алмаза. При соединении карбида кальция с водой образуется ацетилен С2Н2. Ацетилен образуется и при прокаливании органических остатков расплавом, который, будучи в сжатом состоянии (под давлением), затем взрывается, распадаясь на углерод и водород. Это также способствует образованию алмаза и трубки взрыва.
С точки зрения образования кимберлита и алмаза интересен процесс, при котором "в технике водород получают очень дешёвым способом, пропуская водяной пар через высокие печи, наполненные раскалённым углём или раскалённым железом. Эти сильные восстановители восстанавливают водяной пар, т.е. при высокой температуре отнимают от воды кислород и освобождают водород" [Н. Бьеррум, 1935]:
Н2О + С = Н2 + СО
2О + С = 2Н2 + СО2
Н2О + Fe = H2 + FeO
В природе при определённых РТ-параметрах реакции могут идти в обратном направлении с выделением органического углерода. Соединяясь с углеродом карбонатным, в присутствии катализаторов, возможна кристаллизация алмаза. При взаимодействии закиси железа (FеО) с водородом (Н2) высвобождается железо (Fе), которое как самородное часто присутствует в кимберлите.
Интерес представляют реакции раскалённого расплава с карбонатами:
Расплав →
Черта МgСО3 → МgО + СО2
FеСО3 → FеО + СО2
СаСО3 → СаО + СО2
Освобождённые окиси Мg, Fе, Са под влиянием мантийного флюида вступают в реакцию с кремнем и алюминием и образуют силикаты магнезиальных скарнов по схеме, предложенной выше.
Интересна реакция кремневого ангидрида (SiO2) с углеродом. При очень высокой температуре реакция идёт с образованием карбида кремния:
SiO2 + 3C = SiС + 2СО
Карбид кремния (муассанит) часто присутствует в кимберлитовой брекчии.
Таким образом, приведённые выше реакции дают возможность кристаллизации алмаза, образованию трубок взрыва и образованию скарнов, а также, самородного железа и муассанита, которые часто встречаются в кимберлитовых брекчиях.

Литература

1.Бъеррум Н. Краткий курс неорганической химии. Москва. 1935. 338 с.
2.Грунис Е.Б., Трофимов В.А., Гордадзе Г.Н. Пути решения проблемы оценки перспектив нефтегазоносности кристаллического фундамента на основе геофизических и геохимических исследований. Геология нефти и газа. 2004. С 28-33.
3.Рябчиков И.Д. Флюидный режим мантийных плюмов. // Мантийные плюмы и металлогения. Петрозаводск-Москва. 2002. С 194-195.
4.Третьякова Ю.В. Генезис кимберлитов с точки зрения фенокристаллического алмазообразования. Геология и экология Феноскандинавского щита Восточно-Европейской платформы и их обрамления. Материалы Х11 молодёжной научной конференции Санкт-Петербург. 2001. С 32-34.
5.Тугаринов А.И. Общая геохимия. М. 1973. 288 с.
6.Чепуров А.А., Фёдоров И.И., Чепуров А.И. Экспериментальное изучение кристаллизации алмаза в металл-силикатно-углеродных системах. Отечественная геология. 1/2001. С 56-60.
7.Шкодзинский В.С., Зайцев А.И. Происхождение алмаза в кимберлитах. Отечественная геология. 5/2005. С 50-53.

В. И. Пузанов
Публикация 29.05.2006
Редакция 29.09.2015




Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
   
Яндекс.Метрика
Web-дизайн Куранов Н.В.