Ученые объяснили, как образуются алмазы и почему они такие редкие

Новое исследование проливает свет на бурные процессы, которые приводят к образованию алмазов, путем обнаружения яркого фиолетового компаньона, находящего рядом с ними. Бриллианты высоко ценятся не только за их качество, но и за их редкость. Один из способов их поиска — поиск сопутствующих минералов, которые встречаются чаще, например, пиропового граната, богатого хромом.

Этот ярко-фиолетовый гранат легко найти компаниями, занимающимися разведкой алмазов, в отложениях ниже по течению от потенциально алмазоносных вулканических трубок и внутри самих трубок. Присутствие пурпурного граната является признаком того, что бриллианты также могут присутствовать.

Более того, этот гранат встречается не только рядом с бриллиантами, но и постоянно находится внутри них. Таким образом, улучшая наше понимание пиропового граната и того, как он формируется, мы также можем улучшить наше понимание образования алмазов.

Ранее считалось, что этот тип граната не может образовываться очень глубоко в земле. Теория гласит, что он произошел из другого богатого хромом минерала, называемого шпинелью, который образовался на небольшой глубине в мантии, а затем был вытеснен туда, где температура и давление были выше, что привело к образованию граната.

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature, использует новую модель для пересмотра старой теории, которая предполагает, что эти пироповые гранаты на самом деле образуются гораздо глубже в мантии, примерно на 100–250 км ниже современной поверхности. Это также предполагает, что алмазы могут быть еще более редкими, чем считается.

Алмаз — это кристаллическая форма элементарного углерода, стабильная при очень высоких давлениях и относительно низких температурах, случайно вынесенная на поверхность в результате мощных извержений вулканов.

Необходимые условия для образования алмаза на большой глубине в мантии Земли соблюдаются лишь в нескольких местах. Географическое распределение алмазов очень неравномерно, с заметными концентрациями в южной части Африки, Конго, Танзании, Канаде, Сибири и Бразилии. Для всех этих мест характерна древняя континентальная кора возрастом от 2,5 до 3,5 миллиардов лет.

Эта кора подстилается глубокими прочными «корнями» — как киль айсберга — из мантии, химически сильно обедненной в результате интенсивного плавления с течением времени.

Именно здесь, в этой обедненной мантии, которая простирается на 250 км в более горячую и волнующую мантию под ней, у алмазов есть наилучшие возможности для формирования. Так что насчет их богатых хромом компаньонов?

Используя термодинамическую компьютерную модель, мы смогли продемонстрировать, что гранаты-пиропы могут образовываться очень глубоко в Земле, на той же глубине, что и алмазы. В частности, эти гранаты могли образоваться во время интенсивного нагревания с экстремальными давлениями и температурами, превышающими 1800 ℃.

Хотя это очень интересное открытие само по себе, оно делает его более актуальным потому, что оно дает информацию для двух других важных теорий.

Первая связана с тем, почему континенты сформировались именно так, а не иначе — вопрос, о котором давно размышляют эксперты. Как упоминалось выше, пироповые гранаты образовались в результате экстремально жарких апвеллингов, приходящих с больших глубин. Результаты показывают, что эти апвеллинги затем расплавили верхнюю мантию, сформировав устойчивое основание континентов.

Другими словами, «корни», которые помогают континентам оставаться стабильными в течение миллиардов лет, являются остатками тех же процессов плавления мантии, которые привели к образованию пироповых гранатов.

Второй важный вывод касается редкости алмазов. Некоторые исследователи считают, что изначально алмазы не были редкостью, но многие из них были уничтожены, когда корень мантии подвергся эрозии и видоизменился из-за движения континентальных плит по земному шару. Наша модель предлагает альтернативную точку зрения, согласно которой алмазы, возможно, всегда были редкостью.

Как мы можем оценить, были ли необходимые колыбели алмаза — кусочки сильно истощенной мантии в континентальных корнях — когда-то обычным явлением и со временем стали редкостью, или они всегда были редкими?

Когда на ранней Земле происходили интенсивные процессы плавления, сами расплавы изливались на континентальную поверхность в виде очень жидких лав, называемых «коматиитами». Эти лавы сохранились и широко анализируются. Они имеют различный состав, и новая модель предсказывает, какие из них могли образоваться вместе с пироповым гранатом, богатым хромом.

Исходя из десятков тысяч химических анализов коматиита известно, что конкретный состав, связанный с этим пироповым гранатом, очень редок. Это потому, что для того, чтобы она сформировалась, магма должна взаимодействовать с исключительно истощенной мантией, которая прошла через множество событий плавления. Только от 8% до 28% коматиита соответствует этим требованиям.

Из этого мы можем сделать вывод, что как пироповые гранаты, так и очень истощенные области мантии, из которых они происходят, всегда были редкими — даже на ранней Земле. И поскольку алмазы имеют родство с этими конкретными камнями, они тоже должны были всегда быть редкими, что делало их еще более замечательными.