Образование алмазов – тайна Вселенной

Алмаз – минерал класса самородных элементов, аллотропная модификация углерода, кристаллизующегося по кубической сингонии. Как образуются алмазы – самое твердое неметаллическое природное вещество?

Свойства, разновидности и образование кристалла

Алмаз – «твердейший» в переводе с арабского, по-гречески – адамас, «неодолимый». Так называли в древности алмаз – минерал исключительной твердости. Тогда кристаллы использовали только как драгоценные украшения или талисманы.

Сейчас алмазы востребованы не только в качестве драгоценностей, но также различными отраслями науки и промышленности. Для ювелирных бриллиантовых украшений нужны прозрачные («чистой воды») кристаллы. Все прочие, вне зависимости от габаритов и качества, относятся к техническим. Это трещиноватые и непрозрачные монокристаллы, мелкозернистые экземпляры, кристаллические сростки.

Непревзойденной скоростью проходки скальных горных пород характеризуется алмазное бурение. Необходим минерал для обработки рубина под оси шестерен часовых и других точных механизмов. Используется в изготовлении тончайшей проволоки (диаметром 0,001 мм), при создании алмазных «жал» — так называют сверла для высверливания твердых и хрупких материалах глубокими отверстиями мизерного диаметра.

Ученых и конструкторов привлекают такие свойства минерала:

• непревзойденная твердость;
• исключительная прозрачность;
• химическая инертность;
• способность к ионизации и к электризации;
• идентичность электронной плотности с тканями человеческого организма;
• уникальная теплопроводность;
• способность быть диэлектриком и полупроводником.

Алмазные счетчики используются в широком спектре исследований: от медицинских до космических.

Алмаз в природе – мелкие тусклые зерна, не привлекающие внимания непрофессионалов. К их граням прикипели пленки, корочки иных веществ. Даже прозрачные экземпляры с правильными формами не обладают сверкающим блеском, не играют светоотражением, как это свойственно бриллианту – алмазу с ювелирной огранкой.

Обособленный природный алмаз чаще представлен в форме октаэдра (8-гранник), реже додекаэдром (12-гранником) или кубом. Грани кристаллов плоские или плоскоступенчатые. Нередко встречаются округлые экземпляры.

На образование кривогранных форм есть 2 точки зрения. Согласно первой, первоначально плоские грани в процессе кристаллизации при спаде давления частично растворились по ребрам и вершинам, что округлило минерал. Вторая утверждает: кривые грани образовались в период роста кристалла.

Поверхности алмазных граней часто с дефектами (бугорки, впадинки, трещинки, выступы), что скрадывает алмазный блеск, подменяя жирным, стеклянным.

Помимо монокристаллов в алмазных месторождениях присутствуют:

• борт – беспорядочно сросшиеся мелкозернистые кристаллы;
• баллас – беловатые или серо-стальные шары с радиально-лучистым строением;
• карбонадо – массивные тонкозернистые или пористые шлаковидные агрегаты, с эмалевидной коркой тверже алмаза).

Кристаллы могут быть белыми, серыми, желтыми или черными, но обычно бесцветны. Изредка встречаются зеленоватые, голубые, розовые. Крайне редки яркие синие, красные, зеленые чистые тона. Цвет сказывается ценой ювелирных и некоторых технических алмазов.

Большинство кристаллов крошечные: их масса не более 1 карата, что равно 0,2 г — минералам свыше 50 карат подбирают название.

Преданья старины

Алмаз известен до современного летоисчисления: первые индийские находки датированы 3-им тысячелетием до нашей эры. В Европу кристаллы стали поступать в XIII веке, но попытки ювелиров обработать камень терпели неудачи вплоть до XV века.

В древности и средневековье образование алмазов объяснялось многочисленными легендами. В одной из них говорится, что кристаллы бывают мужскими и женскими, питаются росой небесной, способны расти и размножаться. Астрологи предписывали алмазу волшебные свойства.

Образование их, как считали древние индийцы, происходит при соединении «5-ти начал природы», которые представляют вода, воздух, земля, энергия и небо. В древних книгах приводится описание непревзойденной твердости минерала и других видимые свойства. Указывается на местонахождение алмазов – они могут образовываться «на скалах, в море и на холмах, там, где есть золотые рудники».

В сказке о Синбаде-мореходе говорится, что алмазы находятся на дне необычайно глубокого ущелья.

Исторические сведения

История открытий многих месторождений драгоценного камня говорит о случайных находках кристаллов в далеком прошлом. Так случилось в Индии близ г. Голконды (блестящий камешек нашел пастух), в Бразилии, где местные жители до прихода европейцев пользовались алмазами-фишками при играх. В

Африке по берегам рек Оранжевой и Вааль аборигены обмазывали глиной с алмазами стены хижин, а их дети играли драгоценными камешками. «Алмазная лихорадка» в округе начиналась после попадания находки в руки знатоков. Некоторые алмазные месторождения открыты попутно при промывочных работах на разработке золотых россыпей.

Химический состав минерала стал известен только в 1797 году в результате его сжигания. Англичанин Теннант установил: алмаз состоит только из 1-го элемента – углерода. Графит, уголь, сажа – совсем другие по облику и свойствам вещества, но аналогичны по составу.

Современная наука объясняет причину внутреннего сходства и внешнего различия аллотропией – существованием простых веществ одного химического элемента, но различных своим строением. Это явление обусловлено способом размещения атомов в кристаллической решетке.

Атомы в алмазе расположены с максимальной плотностью и прочно связаны друг с другом по четырем направлениям. Графит представляет сетчато-слоистая структура из параллельно ориентированных слоев. Атомы в слоях прочно связаны между собой, между слоями связь слабая. Такая структура обуславливает малую твердость и низкую плотность графита, способность к расщеплению на пластинки.

Гипотезы ученых

Как углерод мог образоваться в недрах земли? Оказывается, элемент весьма распространен в космосе. Он обнаружен в виде углей, графита, алмазов в метеоритных осколках других небесных тел.

Спектрографические исследования установили нахождение углерода в парообразном состоянии и в соединениях с водородом и азотом в солнечной атмосфере. Он находился в гигантских газово-пылевых сгустках, из которых сформировались планеты Солнечной системы, в том числе Земля. Охлаждаясь, газообразные вещества сжижались. Под влиянием силы тяжести происходило расслоение жидкого тела: тяжелые элементы оказались в центре, легкие – над ними.

Огненно-жидкие массы с углеродом из глубин Земли вырывались через тонкую земную кору и происходили реакции соединения углерода с более легким водородом. В земной коре углерода оставалось все меньше. Сейчас его 1% от массы планеты. Предполагают, что основной объем газа находится в мантийной оболочке, где под воздействием высоких температур и давления происходят химические реакции соединения атомов углерода с атомами тяжелых металлов.

При соединении атомов углерода друг к другу происходит образование алмазов, как предполагали академики Ферсман и Вернадский.

Они разработали схему геохимического цикла углерода в различных слоях земного шара, где показаны видоизменения элемента. Его полиморфные модификации, алмаз с графитом, расположены в нижних слоях литосферы.

Точно не установлено происхождение алмазов на планете Земля, но разработано несколько гипотез. Одна из них (мантийно-магматическая) утверждает, что для обращения углерода в природные алмазы необходимы:

• длительный период времени, исчисляемый от сотни миллионов до нескольких миллиардов лет;
• химически однородная среда;
• низкие температурные градиенты;
• давление более 5 тыс. Па, что возможно на глубинах в 150-200 км.

Коренные месторождения алмазов связаны с диатремами – отверстиями в земной коре. Расплавы магмы, насыщенные газами, взрываясь на глубинах, прорывают мантию в наиболее маломощном слое (платформы континентов). Образуются трубки, заполненные кимберлитовой брекчией – остывшим расплавом магмы, содержащей обломки горных пород прорванных слоев. Кимберлиты содержат обособленные кристаллы и разновидности минерала – борт, баллас и карбонадо.

Приверженцы другой (флюидной) гипотезы предполагают: кристаллизация алмазов происходит на сравнительно небольших глубинах при распаде метана или его частичном окислении в среде, состоящей из смеси углерода, водорода, кислорода и серы, находящихся в газовом или жидком состоянии. Для процесса алмазообразования необходимо воздействие температуры более 1000 С и давления 100-500 Па.

Метеоритная гипотеза предполагает, что алмазы образовались из углерода соударением летящих метеоритов. В обломках находят мелкокристаллические алмазы: происхождение их связывают столкновением разогретых небесных тел с углесодержащими породами Земли.

Варианты образования алмазов

Значительные объемы мелких кристаллов минерала найдены в переплавленных породах стенок гигантского кратера, образованного метеоритом, врезавшимся с огромной скоростью в горные породы каньона Дъявола (США). Здесь алмазы (лонсдейлиты) имеют гексагональную сингонию, чем отличаются от земных алмазов с кубической структурой.

Много загадок хранит наша планета. Одна из них – происхождение алмаза. Начало разгадки положено. Люди научились выращивать синтетические алмазные кристаллы.