«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».
Обложка журнала Minerals
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.
«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».
Автор материала: Андрей Соболевский
Источник: сайт издания Наука в Смбири