Уголь — не отец алмаза
Давайте сразу внесем ясность в один очень живучий и по-своему романтичный миф: алмазы не являются облагороженными потомками угля. Идея о том, что скромный, почерневший от тяжелой работы уголек под колоссальным давлением земных недр преображается в сияющий драгоценный камень, — это скорее сценарий для голливудской драмы о чудесном преображении, нежели геологическая реальность. Эта красивая сказка, передаваемая из уст в уста, разбивается о два непоколебимых утеса: химический состав и временную пропасть. Начнем с химии. Да, и уголь, и алмаз — это, по сути, углерод в разных его ипостасях. Но на этом их родство, пожалуй, и заканчивается. Алмаз представляет собой почти эталонный углерод, атомы которого выстроились в безупречную, невероятно прочную кристаллическую решетку. Это аристократ мира минералов, чья чистота — залог его уникальных свойств. Уголь же, при всем к нему уважении как к двигателю промышленных революций, — это углеродный плебей, обремененный массой примесей. В его пористой структуре, словно в коммунальной квартире, ютятся сера, азот, водород, а порой и совсем уж сомнительные соседи вроде мышьяка, ртути и свинца. Представить, что из этого разношерстного конгломерата путем простого сжатия можно получить химически чистый кристалл, — все равно что надеяться, спрессовав содержимое мусорного бака, получить на выходе слиток золота. Процесс формирования алмаза требует исходного материала исключительной чистоты, которого в угольных пластах попросту нет. Уголь — это осадочная порода, продукт медленного разложения древней растительности в болотистых условиях. Алмаз же рождается в совершенно иных, куда более адских условиях, и его происхождение не имеет никакого отношения к лесам и папоротникам.
Второй гвоздь в крышку гроба этого мифа — время. Большинство природных алмазов, украшающих сегодня кольца и колье, — это настоящие старцы, ровесники молодой Земли. Их формирование происходило в основном в докембрийский эон, геологический период, который начался с рождением нашей планеты около 4,6 миллиарда лет назад и завершился примерно 542 миллиона лет назад. Это были времена, когда атмосфера была иной, а жизнь только зарождалась в первичном океане в виде простейших организмов. Теперь перенесемся в эпоху, подарившую нам уголь. Самые первые наземные растения, из которых впоследствии и образовались угольные залежи, появились на планете лишь около 450 миллионов лет назад, в ордовикский период. Это означает, что подавляющее большинство алмазов уже миллиарды лет существовало в глубинах планеты, когда первое подобие дерева только-только осмелилось выбраться на сушу. Алмазы старше не только угля, но и динозавров, гор и практически всего, что мы видим вокруг. Они — свидетели тех эпох, о которых мы можем судить лишь по косвенным геологическим данным. Таким образом, уголь никак не мог быть сырьем для алмазов по той простой причине, что он появился на планете значительно позже. Это все равно что утверждать, будто прадед является сыном своего правнука. Хронология здесь неумолима. Так что, когда в следующий раз кто-то с умным видом расскажет вам о превращении угля в бриллиант, можете с легкой иронией заметить, что это геологически невозможно, и предложить ему попробовать спрессовать шашлык — результат будет примерно тот же.
Кухня дьявола: рождение в мантии
Истинное место рождения алмазов — это не уютные угольные пласты, а верхняя мантия Земли, раскаленная и бурлящая "кухня" на глубине от 150 до 250 километров, а иногда и глубже, вплоть до 800 километров. Здесь царят условия, которые заставили бы Данте переписать свою "Божественную комедию", добавив пару новых кругов ада. Температура достигает 900–1300 градусов по Цельсию, а давление превышает атмосферное в десятки тысяч раз, составляя от 4,5 до 6 гигапаскалей (ГПа). Это давление можно сравнить с весом, который бы оказывала на ноготь большого пальца целая колонна коммерческих авиалайнеров, выстроенных один на другой до самой стратосферы. Именно в этом сверхгорячем и сверхсжатом мире, недоступном для человека, и происходят таинства кристаллизации углерода. Источником этого углерода служат не древние леса, а первичные флюиды и расплавы, сохранившиеся в мантии со времен формирования Земли, а также переработанные органические отложения, которые были затянуты в мантию в зонах субдукции, где одна тектоническая плита подминает под себя другую. Этот углерод, находясь в расплавленной силикатной породе, под воздействием чудовищного давления и высокой температуры начинает организовываться в упорядоченную структуру. Атомы углерода, словно солдаты на плацу, выстраиваются в кубическую кристаллическую решетку, где каждый атом прочно связан с четырьмя соседними ковалентными связями — самыми крепкими из существующих в природе. Именно эта структура и придает алмазу его легендарную твердость.
Процесс этот небыстрый. Алмаз растет медленно, слой за слоем, на протяжении миллионов, а то и миллиардов лет. Каждый кристалл — это уникальная геологическая летопись. Включения, которые ювелиры часто считают дефектами, для геологов являются бесценными капсулами времени. Они могут содержать в себе крошечные образцы минералов из глубокой мантии, таких как оливин, гранат или пироксен, которые никогда не встречаются на поверхности в своем первозданном виде. Изучая эти включения, ученые могут судить об условиях, в которых рос алмаз, о химическом составе мантии и о геологических процессах, протекавших миллиарды лет назад. Иногда алмазы могут нести в себе следы азота. Если атомы азота рассеяны по кристаллической решетке поодиночке, они придают камню желтоватый оттенок, создавая так называемые алмазы типа Ib, которые довольно редки. Чаще азот группируется в пары или более крупные кластеры (алмазы типа Ia), что также влияет на цвет и свойства кристалла. Существуют и практически лишенные азота алмазы типа II, которые отличаются исключительной чистотой и прозрачностью. К ним относятся многие из самых знаменитых и крупных алмазов мира. Таким образом, каждый алмаз — это не просто красивый камень, а крошечный фрагмент преисподней, выживший в невообразимых условиях и сохранивший в себе тайны рождения нашей планеты. Его ценность определяется не только блеском и размером, но и той невероятной историей, которую он несет в своей кристаллической душе.
Вулканический лифт к поверхности
Миллиарды лет алмазы могли бы так и томиться в мантийной тюрьме, если бы не одно из самых яростных и стремительных явлений в геологии — извержение кимберлитовой или лампроитовой трубки. Эти трубки взрыва — своего рода "вулканические лифты", которые с бешеной скоростью доставляют алмазы из глубин мантии на поверхность Земли. Представьте себе взрыв, который начинается на глубине более 150 километров. Магма, обогащенная летучими компонентами, такими как вода и углекислый газ, под огромным давлением ищет выход. Как только она находит трещину или слабое место в литосфере, она устремляется вверх. Скорость этого подъема, по оценкам ученых, может достигать от 10 до 30 метров в секунду, а в некоторых случаях и сотен километров в час. Это быстрее, чем мчится гоночный автомобиль. Весь путь от мантии до поверхности занимает всего несколько часов или дней. Этот стремительный подъем имеет решающее значение для сохранения алмазов. Если бы магма двигалась медленнее, то при изменении давления и температуры на меньших глубинах алмазы успели бы превратиться в свою более стабильную приповерхностную форму — графит. Да, тот самый серый и невзрачный материал, из которого делают карандашные грифели. Алмаз стабилен только в условиях сверхвысокого давления. На поверхности он, строго говоря, является метастабильной формой углерода и существует лишь потому, что для его превращения в графит требуется энергия активации, которая в обычных условиях отсутствует. Таким образом, только молниеносный "выстрел" из недр планеты позволяет алмазам достичь нас в своем первозданном блеске.
По мере подъема магма, прорываясь сквозь толщу земной коры, захватывает с собой обломки окружающих пород, включая и те самые алмазоносные породы из мантии — ксенолиты. В результате на поверхность извергается гремучая смесь из магматического расплава, мантийных минералов, обломков пород земной коры и, конечно, алмазов. Эта смесь, застывая, образует характерную морковную или бокаловидную структуру, известную как кимберлитовая трубка (названная так в честь города Кимберли в Южной Африке, где были открыты первые такие месторождения). Лампроитовые трубки имеют схожий механизм образования, но несколько иной минеральный состав. Эти трубки — настоящие геологические аномалии. Они могут иметь диаметр от нескольких десятков метров до полутора километров на поверхности и уходят вглубь на многие километры. Найти такую трубку — огромная удача для геологов. Их ищут по характерным минералам-спутникам, таким как пироп (красный гранат) или хромдиопсид (изумрудно-зеленый минерал), которые выносятся на поверхность вместе с алмазами и образуют ореолы рассеяния. Каждая найденная трубка — это окно в мантию, уникальная возможность прикоснуться к веществу, из которого состоят глубинные слои нашей планеты. И каждая из них — это кладбище древних вулканов и одновременно сокровищница, подарившая человечеству самые желанные камни на Земле.
От "Куллинана" до "Аргайла": страницы алмазной истории
История человеческого увлечения алмазами уходит корнями в глубокую древность. Первые свидетельства об их использовании относятся к Индии, где, по крайней мере, с IV века до нашей эры алмазы, найденные в россыпях рек Голконды, ценились не столько за красоту, сколько за их непревзойденную твердость и мистические свойства. Им приписывали способность отгонять злых духов и исцелять болезни. Древнеримский ученый Плиний Старший в своей "Естественной истории" писал: "Алмаз, самый ценный не только из драгоценных камней, но и из всех вещей человеческих, долгое время был известен только царям, и то очень немногим". Долгое время Индия оставалась практически единственным поставщиком алмазов в мире. Но к началу XVIII века индийские копи истощились, и центр алмазной лихорадки переместился в Бразилию, где были открыты богатые россыпные месторождения. Однако настоящая революция в мире алмазов произошла в 1867 году в Южной Африке. Пятнадцатилетний мальчик по имени Эразм Якобс нашел на берегу реки Оранжевой красивый блестящий камешек. Этот камень, оказавшийся алмазом весом 21,25 карата и получивший имя "Эврика", положил начало величайшей алмазной лихорадке в истории. Тысячи искателей приключений со всего мира хлынули в Южную Африку, основав город Кимберли на месте, где были обнаружены коренные месторождения — те самые кимберлитовые трубки. Именно здесь в 1905 году на руднике "Премьер" был найден самый крупный в истории ювелирный алмаз — "Куллинан", весивший в необработанном виде невероятные 3106 карат (около 621 грамма). Его раскололи на несколько частей, самые крупные из которых — "Куллинан I" (или "Большая звезда Африки") и "Куллинан II" — сегодня украшают скипетр и корону Британской империи.
XX век ознаменовался открытием новых гигантских месторождений. В 1954 году в Якутии, в Советском Союзе, геолог Лариса Попугаева открыла первую в СССР кимберлитовую трубку "Зарница", положив начало советской, а затем и российской алмазодобывающей промышленности. Сегодня Россия является одним из мировых лидеров по добыче алмазов. Позже были открыты месторождения в Ботсване, которая благодаря "алмазным" доходам превратилась из одной из беднейших стран Африки в одну из самых стабильных и процветающих. Еще одной знаковой страницей в истории стала разработка рудника "Аргайл" в Западной Австралии, открытого в 1979 году. Этот рудник, хоть и не славился крупными камнями, стал основным мировым поставщиком редчайших розовых, красных и фиолетовых алмазов, чья стоимость на аукционах достигает астрономических величин. Закрытие "Аргайла" в 2020 году лишь подстегнуло цены на цветные фантазийные алмазы, сделав их еще более желанным объектом для коллекционеров и инвесторов. История добычи алмазов — это история открытий и разочарований, невероятного богатства и тяжелейшего труда, история, которая изменила экономику целых стран и навсегда закрепила за этим кристаллом углерода статус короля драгоценных камней.
Рукотворные звезды: алмазы из лаборатории
Попытки создать алмаз искусственно предпринимались учеными на протяжении веков, но долгое время оставались безуспешными. Алхимики, мечтавшие о философском камне, могли лишь мечтать о превращении простого вещества в драгоценный кристалл. Прорыв произошел только в середине XX века, когда наука смогла наконец воспроизвести те самые мантийные условия в лабораторной среде. В 1954 году команде исследователей из компании General Electric удалось синтезировать первые алмазы с помощью метода HPHT (High Pressure/High Temperature — высокое давление/высокая температура). Суть этого метода заключается в том, что в специальном прессе создаются давление и температура, близкие к природным условиям формирования алмазов. В качестве исходного материала используется не уголь, а чистый графит, который растворяется в расплаве металла-катализатора (например, железа или никеля). Под воздействием экстремальных условий атомы углерода из графита начинают перекристаллизовываться на крошечную алмазную затравку, медленно формируя более крупный кристалл. Этот процесс можно сравнить с выращиванием кристалла соли в насыщенном растворе, только в куда более экстремальных масштабах. Первые синтетические алмазы были мелкими и использовались исключительно в промышленных целях — для абразивов, режущих инструментов и буровых коронок, где их исключительная твердость была незаменима.
Однако технологии не стояли на месте. Со временем ученые научились выращивать крупные и чистые кристаллы ювелирного качества, которые по своим химическим, физическим и оптическим свойствам абсолютно идентичны природным. Более того, контролируя процесс, можно создавать алмазы заданного цвета, добавляя в ростовую среду определенные элементы. Например, добавление азота позволяет получить желтые камни, а бора — голубые. Розовые и красные оттенки достигаются путем последующей обработки кристалла. Другой, более современный метод синтеза — CVD (Chemical Vapor Deposition — химическое осаждение из газовой фазы). При этом методе алмазная пластинка-подложка помещается в вакуумную камеру, которую наполняют углеводородным газом (например, метаном). Под воздействием микроволнового излучения газ распадается на плазму, и атомы углерода слой за слоем "оседают" на подложку, выстраиваясь в алмазную кристаллическую решетку. Этот метод позволяет выращивать очень чистые алмазы и даже наносить тончайшие алмазные пленки на различные поверхности. Сегодня выращенные в лаборатории алмазы активно завоевывают ювелирный рынок. Они предлагают потребителям этичную и более доступную альтернативу природным камням, так как их производство не связано с тяжелыми условиями добычи и потенциальными "конфликтными" зонами. Гемологические лаборатории научились отличать природные камни от синтетических по тончайшим особенностям их роста, но для невооруженного глаза разницы не существует. Так, ирония судьбы заключается в том, что мечта человечества о создании алмаза сбылась, но сырьем для него стал не мифический уголь, а его ближайший родственник графит или обычный газ, доказывая в очередной раз, что наука способна творить чудеса, куда более впечатляющие, чем самые красивые легенды.
