Алмазные раритеты: «Китайский фонарик»

Природные кристаллы алмаза с уникальными свойствами представляют интерес не только для коллекционеров раритетов. Они важны прежде всего с научной точки зрения – ​специалисты могут «читать» их как книгу с жизнеописанием камня.

* Кимберлиты – магматические горные породы, образующие трубки взрыва

Особенности каждого такого кристалла, как правило, характерны лишь для определенной алмазоносной кимберлитовой* трубки или целого алмазоносного района. Их особые морфологические характеристики называют типоморфными. Они служат своего рода индикаторами специфических условий существования кристалла на всех этапах его жизни: образование в мантии, растворение и механическое разрушение, паузы в кристаллизации и возобновление роста, транспортировка из глубин к поверхности земной коры, формирование кимберлитового тела и все последующие изменения.

АЛМАЗ В АЛМАЗЕ

Коллекция необычных алмазов АК «АЛРОСА» создана и пополняется новыми находками по инициативе главного эксперта Единой сбытовой организации Л. А. Демидовой. Благодаря ее усилиям у минералогов и кристаллографов впервые появилась возможность детально изучить совершенно уникальные и загадочные по форме алмазы, отобранные при сортировке многочисленным коллективом геммологов из множества добытых кристаллов. И это гигантские цифры, ведь объем годовой добычи компании составляет более 30 млн карат алмазов в год, и весь этот поток до сих пор проходил мимо исследователей.
Самый известный раритет коллекции – ​алмаз «Матрешка» весом 0,62 карата. Этот кристалл имеет полость объемом 6 мм³, где свободно перемещается алмаз меньшего размера, потому алмаз сначала назвали «Погремушка». По расчетам, внутренний кристалл весит всего лишь 0,02 карата и представляет собой уменьшенную копию своего алмазного «футляра». Уникальный кристалл был добыт в 2019 г. из трубки «Нюрбинская» Накынского кимберлитового поля (Якутия). Находка не имеет аналогов в истории алмазодобычи, и алмаз получил мировую известность.
Специалисты выдвинули ряд гипотез относительно образования «Матрешки» (Коногорова и др., 2020; Wang et al., 2020; Fritsch, 2021). Однако ни одна из них не дает исчерпывающего ответа о причинах и условиях появления уникальной формы кристалла. Ясно только, что оба эти алмаза образовались приблизительно в одно время, при одинаковых давлении и температуре из общего мантийного источника. Об этом свидетельствуют похожая форма кристаллов, следы совместного роста, одинаковый набор примесных и структурных дефектов и однородная люминесценция

Все эти процессы оставляют свой след во внутреннем строении алмаза или на его поверхности. Другими словами, в морфологии каждого алмазного индивида «записана» история его жизни. Геологи называют этот метод исследования минералов онтогеническим. Попробуем и мы с его помощью прочитать историю «Китайского фонарика» – ​необычного алмаза весом 1,95 карат, извлеченного АО «Севералмаз» (подразделением АК «АЛРОСА») в 2019 г. на горно-обогатительном комбинате архангельского месторождения алмазов имени М. В. Ломоносова, где перерабатывают кимберлиты сразу из двух трубок: Архангельской и Карпинского‑1.

Как светит «фонарик»

«Китайский фонарик» недаром получил свое имя – ​он может светиться ярко, как настоящий фонарик, но особенным, ядовито-желтым цветом и только в ультрафиолетовых лучах. Под воздействием луча лазера в кристалле возникает свечение, в котором преобладает зеленый оттенок.

Спектральная характеристика любого алмаза в ультрафиолетовой и инфракрасной областях является уникальным генетическим свойством кристалла, обязательным для изучения. Характер свечения, оптического поглощения и пропускания света определяется присутствием различных примесей и дефектов структуры в кристаллической углеродной решетке алмаза, а их появление отражает все события, связанные с условиями его зарождения, роста и существования в природных условиях.

На графике спектра фотолюминесценции «Китайского фонарика» отчетливо виден максимум свечения, который приходится на границу между областями, соответствующими желтому и зеленому цветам. Это говорит о присутствии в кристаллической структуре дефектов определенного типа – ​содержащих атомы азота. Азот как элемент, самый близкий к углероду на атомном уровне, является основной примесью в кристаллах алмаза и может образовывать различные дефекты в их структуре.

По спектру поглощения в инфракрасном диапазоне в кристалле было установлено высокое (1375 at. ppm) содержание структурной примеси азота. Также зафиксировано относительно низкое (25 %) содержание структурного B-дефекта, представляющего собой четыре сгруппированных атома азота с вакантным местом в кристаллической решетке, не занятым никаким атомом. Этот дефект появляется в структуре алмаза не сразу, а трансформируется из дефектов, возникших еще на стадии роста кристалла при его длительном нахождении в высокотемпературных условиях. Такие особенности учитывают при оценке времени и температурного режима пребывания алмаза в мантии Земли.

Важно отметить и высокое содержание в алмазе «Китайский фонарик» структурной примеси водорода. Его наличие и очень необычная желто-зеленая люминесценция весьма характерны для алмазов из архангельского месторождения им. М. В. Ломоносова и являются для них типоморфными характеристиками.

Алмазные «близнецы»

Что касается морфологии нашего алмаза, то его формирование связано с явлением двойникования кристаллов – ​внешне геометрически правильного, а с точки зрения кристаллографа закономерного симметричного срастания двух или даже нескольких кристаллов в один сросток.

Двойникование кристаллов любой геометрической формы возможно благодаря тому, что во время роста алмаза его кристаллическая решетка, как в зеркале, симметрично отражается в строении дублера. Это происходит подобно тому, как кирпичная кладка одной стены здания встречается на углу с другой. Таким образом, контакт кристаллических структур сдвойникованных кристаллов идет без нарушения их целостности, и каждый из них без помех транслируется в кристалле-двойнике. В результате образуется цельный кристалл, состоящий из двух зеркально отраженных «двойников» к примеру, из двух кубических индивидов, как в данном случае.

Изучением свойств и происхождения алмазов 25-летний Александр Ферсман занялся в 1908 г. совместно с профессором Гейдельберского университета, немецким кристаллографом В. Гольдшмидтом. Исследование кристаллов проводилось с помощью нового прибора – ​«двукружного гониометра», только что изобретенного великим кристаллографом Е. С. Федоровым, директором Петербургского горного института. Конструкция и работа прибора были основаны на теодолитном методе построения проекций кристаллов, напоминающем принципы отсчета координат и вычислений в астрономии и географии. Благодаря этому новшеству впервые удалось изучить сложные искривленные формы поверхностей кристаллов алмаза из россыпей Бразилии, Африки и Индии. Ставшая по праву классическим произведением монография Ферсмана и Гольдшмидта «Алмаз» (1911) была настольной книгой для многих поколений минералогов, изучающих происхождение алмазов

«Китайский фонарик» сначала был ошибочно отнесен геммологами к так называемым циклическим двойниковым сросткам. В этом случае в сростке симметрично соединены три-пять кристаллов, последовательно занимающие свое положение вокруг одной общей оси – ​совсем как в карусели. Но когда наш алмаз подробно изучили кристаллографы, то пришли к выводу, что его следует отнести к другому типу закономерного срастания кристаллов – ​двойнику прорастания.

Двойниковый сросток «Китайского фонарика» состоит из двух кубических кристаллов, однако их ребра настолько сгладились в результате природного растворения, что с первого взгляда распознать их бывшую форму, как и сам двойник прорастания, неопытному специалисту очень сложно.

Подобные двойники кубических кристаллов были подробно изучены еще в начале XX в. классиком кристаллографии алмазов А. Е. Ферсманом. В монографии Der Diamant («Алмаз»), которую он вместе со своим учителем В. Гольдшмидтом опубликовал в 1911 г., приведены изображения аналогичных по форме срастаний алмазов, в то время известных исключительно по образцам из алмазных россыпей Бразилии. Если сравнить фотографии «Китайского фонарика» и рисунок, весьма реалистично выполненный рукой самого Ферсмана, то может показаться, что он изобразил именно его, настолько близка внешняя морфология этих кристаллов.

Такое разительное сходство говорит о близости типоморфных свойств и генетических особенностей образования архангельского и бразильского двойников алмазов. Однако изучение подробностей микроморфологии поверхности «Китайского фонарика» позволило сделать вывод, что, помимо общих черт, наш сросток кристаллов еще до этапа растворения имел более сложное строение. Для его описания необходимо прибегнуть к специфическим терминам, которые используют в кристаллографии при симметрийном анализе.

Залогом успешной исследовательской работы А. Е. Ферсмана стала предоставленная ему уникальная возможность лично пересмотреть сотни тысяч карат алмазов на биржах Франкфурта, Генау, Идаре и Берлина, торгующих драгоценными камнями. Много лет спустя Александр Евгеньевич вспоминал: «Целыми часами я отбирал наилучшие кристаллы этого диковинного минерала, не замечая, что при помощи системы зеркал за моими руками наблюдали из другой комнаты, учитывая каждое мое движение. Отобранные камни через банк отправляли в Гейдельбергский университет, где они и поступали на исследование.» (Перельман, 1983)

В нашем случае структурные компоненты двойника можно представить как два кубических кристалла, зеркально обращенные друг к другу в плоскости двойникования, обозначаемой символом (111). Эта образная операция симметрийного анализа объектов в виде зеркальных отражений дает четкое представление о взаимной ориентировке кристаллов в закономерном сростке. Также их можно показать с помощью другой операции симметрии: как кристаллы, повернутые относительно друг друга на 180° по оси [111] – ​поворотной оси симметрии третьего порядка (так в кристаллографии называется воображаемая ось, совершая полный оборот вокруг которой кристалл трижды совмещается сам с собой).

Описанное условие симметрии срастания кристаллов известно как шпинелевый закон двойникования кристаллов кубической симметрии. К таким минералам относится в первую очередь сама шпинель, а также алмаз, флюорит, магнетит, лопарит и др. В отличие от простых «контактных двойников», соединенных друг с другом по одной общей границе, каждый сегмент «двойников прорастания» изолирован собственными «экваториальными» и «меридиональными» границами и отвечает общему закону симметрии. При этом внешне сросток выглядит так, как если бы один кристалл проник в другой.

В алмазе «Китайский фонарик» эта конструкция оказалась усложнена дополнительными кристаллическими блоками, что потребовало более детальной расшифровки всей симметричной постройки. Вдоль «экваториальной границы» срастания этого двойникового сростка можно увидеть сложное нагромождение дополнительных граней, напоминающее гармошку. Анализ морфологии кристаллической поверхности вдоль линии соприкосновения показал, что здесь произошло дополнительно параллельное срастание кристаллов. В результате возникло еще два сегмента у граней, опоясывающие двойниковый шов.

По-видимому, этот сложный комплекс дополнительных граней обязан своим происхождением самой поверхности двойникования – ​именно ее рост вызвал параллельные сдвиги и симметричные двойниковые деформации кристаллической структуры.

Как растворяется алмаз

Двойниковые сростки кристаллов растворяются по тем же законам, что и одиночные кристаллы, образуя кривогранные округлые формы. Впервые эту закономерность также сформулировал А. Е. Ферсман в знаменитой монографии, написанной на основе изучения алмазов из Бразилии. С тех пор кривогранные округлые кристаллы алмаза, перенесшие глубокое растворение, относят к алмазам бразильского типа. Позднее аналогичные по форме кристаллы были обнаружены в уральских россыпях, и уральский тип алмаза стал синонимом «бразильского».

Изучив уральские алмазы, следующее поколение российских корифеев минералогии алмаза – ленинградские ученые И. И. Шафрановский (1948) и А. А. Кухаренко (1955), а также лауреат премии им. А. Е. Ферсмана Ю. Л. Орлов (1973) составили четкую классификацию форм растворения. Они выделили три основных типа искривления граней: «гексаэдроиды», «октаэдроиды» и «додекаэдроиды».

Аналогичные формы кристаллов получили в 1986 г. новосибирские исследователи Ю. Н. Пальянов и А. Ф. Хохряков при растворении природных и синтетических кристаллов алмаза различной формы в водосодержащих карбонатно-силикатных расплавах, используя температуры около 1300 °C и давление 5,0–5,5 ГПа, т. е. около 50 тыс. атмосфер. Так была подтверждена гипотеза о происхождении этих алмазов, установлены условия растворения и описаны закономерности появления кривогранных форм растворения в зависимости от первоначальной формы кристалла.

Здесь нужно добавить, что первые попытки получить подобные округлые формы кристаллов в опытах по растворению алмазов в расплаве селитры (при 800–900 °C) были предприняты еще самим А. Е. Ферсманом и его наставником В. М. Гольдшмидтом. Вероятно, их успеху помешало лишь несовершенство технического оснащения, но уже тогда в выводах в своей монографии авторы подчеркивали, что им «удалось экспериментально подтвердить, что округлые грани алмаза связаны с процессами растворения…».

Всего в ходе природного растворения на месте граней куба образуются 24 выпуклые искривленные грани, которые в совокупности составляют округлый тетрагексаэдроид. В результате плоскогранные кристаллы алмаза постепенно превращаются в округлые многогранники с выпуклыми поверхностями. Наиболее значительному растворению подвергаются выступающие вершины и ребра кристаллов – ​в этих направлениях поверхности искривлены максимально. На реликтах плоских граней появляется геометрической узор, состоящий из множества микроскопических четырехугольных ямок травления. Все эти типичные признаки растворения есть и у архангельского алмаза «Китайский фонарик».

Надо сказать, что со временем подобные по форме кривогранные кристаллы алмаза стали находить в россыпях Южной Африки, Намибии, Индии и Южной Австралии, а также на Урале. Особый интерес представляет тот факт, что их коренной источник, из которого они мигрировали в россыпи, как правило, остается неизвестным. Геологами высказывались даже предположения о существовании коренного источника ранее неизвестного генетического типа.

До сих пор этот актуальный вопрос не разрешен и для российских геологов: почему подобные кристаллы не найдены ни в одной из известных кимберлитовых трубок Якутии, хотя в изобилии встречаются в промышленных якутских россыпях на северо-востоке Сибирской платформы в междуречье Лена – ​Анабар. И с этой точки зрения архангельские кимберлитовые трубки уникальны, ведь до сих пор подобные алмазы с искривленными гранями в значительных количествах находят лишь там!

Результаты многочисленных исследований позволяют утверждать, что морфология кривогранных алмазов из архангельских трубок и россыпей из других алмазоносных регионов во многом определяется значительным растворением (а значит, и потерей первичного веса кристалла) в самой мантии Земли либо во время их транспортировки к поверхности земной коры в расплаве, насыщенном флюидами – ​смесью жидких и газообразных компонентов магмы.

Флюиды чрезвычайно агрессивны по отношению к алмазам и могут растворить их за считанные часы. Возможно, именно по этой причине многие кимберлитовые трубки не содержат алмазы – ​они просто не успевают достичь поверхности с глубин, превышающих 100–150 км. Поэтому неудивительно, что нас заинтересовало сходство морфологии двойниковых сростков бразильских кристаллов, тщательно изученных в свое время академиком Ферсманом, с архангельским «Китайским фонариком», который, очевидно, имеет такое же происхождение, что и якутские россыпные алмазы. В этом смысле он представляет интерес не только с точки зрения научного познания мира кристаллов, но и с практической – ​поиска новых, неизвестных алмазоносных объектов. Возможно, их аналогом являются те самые кимберлитовые трубки Архангельской алмазоносной провинции, где и был добыт наш герой, проживший такую увлекательную, насыщенную событиями «минеральную жизнь».

Литература

Коногорова Д. В., Ковальчук О. Е., Бардухинов Л. Д. Уникальный алмаз из трубки Нюрбинская (Накынское кимберлитовое поле, Западная Якутия, Россия) // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2020. Т. 25. № 2. С. 45–55.

Павлушин А. Д., Зедгенизов Д. А., Пироговская К. Л. Кристалломорфологическая эволюция роста и растворения кривогранных кубических кристаллов алмаза II разновидности из россыпей Анабарского алмазоносного района // Геохимия. 2017. № 12. C. 1141–1152.

Ферсман А. Е. Кристаллография алмаза. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 580 с.

Fritsch E. Revealing the Formation Secrets of the Matryoshka Diamond // J. Gemmology. 2021. V. 37(5). P. 528–533.

Авторы благодарят сотрудников АО «Севералмаз», главного геолога И. С. Зезина и начальника цеха сортировки алмазов П. В. Гриба; сотрудников компании АК «АЛРОСА», главного эксперта ЕСО Л. А. Демидову, И. В. Глушкову, А. Н. Липашову, а также сотрудников Минералогического музея им. А. Е. Ферсмана