Алмази на Землі та в космосі

Напевно, кожен із нас хоч раз у житті бачив діамант — прозорий камінчик, що виблискує всіма кольорами веселки. Перефразовуючи знаменитий вислів із фільму 50-х минулого століття «Diamonds Are a Girl’s Best Friend», ми можемо сказати: алмази — найкращі друзі вчених. Огранований алмаз — діамант — виблискує і сяє, а неогранований із вкрапленнями частинок мінералів, газів і води пропонує унікальну можливість дослідити найглибші надра нашої планети. Найменш вивчена область Землі лежить глибоко під нами — це мантія, шар завтовшки близько 2900 км, розташований між зовнішньою корою та залізним ядром планети.

Дослідження цього величезного регіону — зокрема речовин, які не можуть залишатися неушкодженими на поверхні Землі — складніші, ніж вивчення екзопланет. І, як не дивно, інформацію про мантію Землі нам можуть надати алмази. Не ті розкішні діаманти, які сяють у діадемах та скіпетрах, а необроблені непримітні камінці з багатьма вкрапленнями, які ніколи не зацікавлять ювелірів. Внутрішні вкраплення знижують ювелірну цінність алмазу, але дуже важливі для вчених.

Алмази на Землі

Вважається, що алмаз — один із найдавніших матеріалів, знайдених на Землі — деяким із них 3,5 млрд років. Вони кристалізуються на великій глибині та під великим тиском. З погляду тих, хто вивчає алмази, саме включення є найважливішими, оскільки вони дозволяють вченим дізнатися вік і глибину формування каменю. Вважається, що вони, зрештою, можуть дати важливі підказки до наукових питань про походження води на Землі та навіть походження життя.

Рингвудит (Ringwoodite)

Напевно, найважливішим відкриттям було підтвердження наявності величезних запасів води в мантії: У 2014 році науковці виявили всередині алмазу мінерал рингвудит, що містить близько 1,5 % води. Це стало прямим доказом того, що в перехідній зоні мантії (на глибині 410–660 км) зосереджені запаси води, за обсягом порівняні з усіма океанами Землі разом взятими. 

У 2008 році поруч із містечком Жуїна (Juina) у Бразилії старателі-кустарі знайшли невеликий, брудно-коричневого кольору алмаз вагою всього в одну десяту грама та завширшки близько 3 мм. Знахідка не була надзвичайною, адже Жуїна є важливим центром видобутку алмазів. Вчені купили його приблизно за 20 доларів для пошуку будь-яких мінералів.

У 2009 році студент Джон Макнілл помітив усередині алмазу крихітне, невидиме оку включення. Після кількох років ретельного аналізу за допомогою рентгенівської дифракції та спектроскопії, в 2014 році міжнародна група науковців під керівництвом Грема Пірсона з Університету Альберти (Канада) офіційно засвідчила: усередині алмазу міститься рингвудит (звичайний зелений хризоліт, який під колосальним тиском перебудував свою кристалічну ґратку).

До 2014 року рингвудит знаходили тільки в метеоритах, які зазнавали потужних космічних ударів. Науковці теоретично знали, що на глибині від 410 до 660 км (у так званій транзитній або перехідній зоні між верхньою та нижньою мантією Землі) весь олівін (прозорі кристали якого мають назву хризоліт та перидот) має перетворюватися на рингвудит. Але довести це було неможливо, бо під час підйому на поверхню через падіння тиску мінерал знову перетворювався б на звичайний олівін. Бразильський алмаз спрацював як ідеальна барокамера. Він сформувався на глибині близько 500 км, захопив мікрочастинку рингвудиту і, маючи неймовірну міцність, утримав надвисокий тиск всередині під час підйому на поверхню.

Найбільш приголомшливим відкриттям стало те, що знайдений рингвудит містив 1,5 % води у вигляді гідроксильних іонів (OH^–), вбудованих прямо в кристалічну структуру мінералу. Здається, 1,5 % — небагато, але якщо порахувати загальну кількість води у перехідній зоні Землі (завтовшки 250 км), то вийде, що там може бути стільки ж чи навіть у 2–3 рази більше води, ніж у всіх океанах на поверхні планети сумарно. Звісно, ця вода не є рідиною, вона не тече у вигляді рідких підземних морів.

Дейвмаоїт (Davemaoite)

Історія зі знахідкою 2021 року — це пряме і ще екстремальніше продовження сюжету про рингвудит. Якщо в 2014 році вчені зазирнули в перехідну зону мантії (до 660 км), то в 2021-му вони вперше в історії дістали зразок із нижньої мантії — дейвмаоїт.  

Алмаз знайшли ще в 1980-х роках на знаменитій копальні Орапа в Ботсвані. Ювелірів він розчарував: зелений, непоказний, та ще й з купою темних «брудних» вкраплень. Через ці дефекти він нікого не цікавив, поки не потрапив до рук команди геохіміка Олівера Чаунера з Невадського університету в Лас-Вегасі.

За допомогою синхротронного рентгенівського аналізу (надпотужного рентгенівського променя, сфокусованого до мікронних розмірів) вони підтвердили структуру мінералу. До того силікатний дейвмаоїт отримували лише в лабораторіях на алмазних ковадлах. Знайти його на поверхні Землі, як і рингвудит, фізично неможливо. Досліджуваний алмаз сформувався на глибині від 660 до 900 км (у нижній мантії), де тиск перевищує атмосферний у 200 000 разів (20 ГПа).

Кристалічна ґратка дейвмаоїту складена так, що в неї можуть вбудовуватись великі атоми елементів, які не містяться в інших мінералах. Він утримує в собі уран (U) і торій (Th) — головні радіоактивні елементи планети. Радіоактивний розпад урану та торію виділяє колосальну кількість тепла. Завдяки дейвмаоїту розігрівається мантія, вирує, рухає материки та викликає виверження вулканів.

Якщо в 2014 році алмаз розповів нам про підземну воду, то в 2021-му знахідка з Ботсвани розкрила секрет термодинаміки та тепла Землі.

Бриджманіт (bridgmanite)

Він є одним із найдивовижніших мінералів в історії науки. Це найпоширеніший мінерал на Землі (він становить близько 38 % від загального обсягу нашої планети), але вчені не могли дати йому офіційну назву до 2014 року, бо не мали його зразка! Те, що нижня мантія Землі складається з бриджманіту, було відомо завдяки сейсмічним хвилям та лабораторним експериментам. Але за правилами Міжнародної мінералогічної асоціації (IMA), мінерал не може отримати офіційне ім’я, доки науковці не нададуть реальний природний зразок і не опишуть його кристалічну структуру. Отримати зразок із мантії неможливо: під час підйому на поверхню структура бригманіту була б миттєво зруйнована. Несподівано допомога прийшла з космосу.

У 2014 році група науковців під керівництвом Олівера Чаунера (того самого, який пізніше знайде дейвмаоїт у ботсванському алмазі) досліджувала метеорит Tenham, що впав в Австралії ще 1879 року. Під час зіткнення астероїдів у космосі виникають умови, ідентичні умовам у нижній мантії Землі. Космічний вакуум і стрімке охолодження «заморозили» мікроскопічні крихти силікату магнію усередині метеорита, не давши їм розпастися. Вчені детально описали мінерал, і він отримав офіційне ім’я — бриджманіт (на честь Персі Бріджмена, лауреата Нобелівської премії та піонера досліджень високих тисків). 

Але пошуки бриджманіту на Землі продовжувались. І в 2018 році у ще одному надглибокому алмазі (з ПАР) вчені виявили мікровключення бригманіту. Цей алмаз був знайдений у Південній Африці на знаменитій копальні Куллінан поблизу Преторії. Точний рік, коли цей непоказний камінь був витягнутий із землі, не зафіксований. Тривалий час на цей алмаз вагою всього 0,03 карата (близько 6 мг) не звертали уваги через велику кількість дефектів. Знайдений зразок бригманіту довів, що цей мінерал стабільно існує на глибинах від 660 до 900 км, підтвердивши теоретичні комп’ютерні моделі геофізиків.

Взагалі, надглибокі «блакитні алмази» — це найрідша і найдорожча категорія алмазів планети. Вони довго залишалися геохімічною загадкою. І дослідження, опубліковане в журналі Nature 2018 року, показало, що це каміння абсолютно унікальне. Дослідження включень у блакитних алмазах довело, що вони народжуються у 4 рази глибше, ніж звичайні алмази — на рівні перехідної зони та нижньої мантії — від 410 до 750+ км нижче поверхні Землі. Саме тому їх називають надглибокими (superdeep). Своїм синьо-сталевим кольором ці алмази завдячують домішкам бору (B), атоми якого точково заміщають вуглець у кристалічній решітці. 

Ці відкриття — рингвудит (2014), бриджманіт (2014, 2018) та дейвмаоїт (2021) — показали, що алмази — це не просто коштовні прикраси, а безцінні барокапсули, які дозволяють зрозуміти, як влаштована наша планета зсередини.

Алмази в космосі

Алмази аж ніяк не є винятково земними утвореннями. Вони містяться у крихітній формі в метеоритах. Дані про атмосфери планет-гігантів вказують на те, що вуглець у твердій кристалічній формі поширений в інших частинах Сонячної системи й, безсумнівно, за її межами. 

Алмази на інших планетах

Уран і Нептун називають крижаними гігантами, але під їхніми верхніми воднево-гелієвими хмарами вирує колосальна, гаряча та надщільна рідка мантія, що складається із суміші води, аміаку та метану (CH₄). Метан і є основою для космічних алмазів. Глибше в атмосфері планети-гіганта умови стають катастрофічними: температура підвищується до кількох тисяч градусів, а тиск перевищує атмосферний земний в мільйони разів.

Коли метан опускається приблизно на 7000–10000 км углиб планети, температура досягає близько 2000–5000 °C, за тисків у сотні гігапаскалів. Хімічні зв’язки всередині метану не витримують навантаження. Молекула розпадається. Вивільнені атоми вуглецю під величезним тиском миттєво починають стискатися. Найпоширенішою стабільною формою вуглецю в таких умовах є кубічна решітка алмазу.

Після утворення алмази повільно занурюються вглиб планети. Оскільки вони значно щільніші за навколишню рідку суміш води й аміаку, гравітація тягне їх донизу. Деякі теоретичні моделі вчених припускають, що в умовах планет-гігантів за тривалого росту кристали можуть досягати дуже великих розмірів, однак їхні реальні розміри залишаються невідомими. Вони повільно «провалюються» крізь мантію планети на тисячі кілометрів. Геологи називають цей процес «алмазним дощем».

Падіння алмазів не нескінченне. У самому центрі планет-гігантів температури досягають таких рівнів, що навіть алмаз втрачає свою стійкість. Деякі моделі допускають існування шарів рідкого вуглецю або алмазоподібних фаз поблизу ядер цих планет, але це поки що не підтверджено спостереженнями.

Алмазні дощі в атмосферах планет-гігантів довго залишались теоретичною моделлю, але в останні роки фізики змогли відтворити процес у лабораторіях за допомогою надпотужних лазерів.

Алмази в метеоритах

У метеоритній речовині науковці знаходять алмази двох різних типів: наноалмази (старші за саме Сонце) і алмази, народжені у космічних катастрофах.

Протосонячні алмази

Найдавніші алмази у Всесвіті не мають жодного стосунку до геології планет. Вони є мікроскопічним пилом (розміром всього кілька нанометрів), що міститься всередині стародавніх кам’янистих метеоритів — вуглецевих хондритів (наприклад, у знаменитому метеориті Альєнде, що впав у 1969 році).

Ці наноалмази утворилися мільярди років тому в газових оболонках зір, що помирають (червоних гігантів) або під час вибухів наднових, задовго до того, як із газопилової хмари сформувалася наша Сонячна система. Вони старші за Сонце (їм понад 5 млрд років). Вивчаючи ізотопний склад газів (ксенону, неону), замкнених усередині цих наноалмазів, астрофізики буквально читають історію зоряних систем.

Ударні алмази

Інший тип алмазів знаходять у залізних та кам’яно-залізних метеоритах. Найяскравіший приклад — метеоритний кратер Каньйон-Дьябло в Аризоні або метеорити-уреїліти (наприклад, Аль-Махата ас-Сітта). Ударні алмази утворюються двома шляхами — під час зіткнення астероїдів та в надрах колишньої планети.

Спочатку у складі кам’яних астероїдів перебуває звичайний графіт. Коли два гігантські астероїди стикаються в космосі на швидкості в десятки кілометрів за секунду, виникає дуже високий тиск. Графіт миттєво спресовується в алмаз.

При таких космічних ударах часто утворюється не звичайний алмаз кубічної форми, а рідкісний поліморф — лонсдейліт. У лонсдейліту гексагональна (шестикутна) кристалічна ґратка. Теоретичне моделювання показало, що чистий лонсдейліт має бути на 58 % твердіший за земний алмаз.

Залишки протопланет

У 2018 році група науковців досліджувала уламки метеорита Аль-Махата ас-Сітта, що впав у Судані. Усередині цього каміння (належить до класу уреїлітів) знайшли досить великі для космосу алмази — розміром до сотих частинок міліметра. Аналіз показав, що ці алмази не могли сформуватися за долі секунди під час удару. Вони росли повільно. Але для стабільного зростання алмазу такого розміру потрібен постійний високий тиск (не менше 20 гПа).

Зараз вважається, що ці алмази сформувалися в надрах протопланети (завбільшки за Меркурій або Марс), яка існувала в перші мільйони років молодої Сонячної системи. Потім ця планета була повністю знищена через колосальне зіткнення, а її уламки у вигляді метеоритів досі падають на Землю.

На жаль, для ювелірів космічні алмази непридатні. Наноалмази — це буквально невидимий пил, а ударні алмази в метеоритах виглядають як брудні, сірі або чорні крихти, що намертво зрослися із залізом і графітом. Однак для науки вони безцінні, оскільки дозволяють вивчати фізику екстремальних тисків та історію планет, знищених задовго до появи людства.

Авторка: Ірина Васильєва, к.ф-м.н., старша наукова співробітниця ГАО НАН України