ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 435, № 2, с. 223-224
ГЕОХИМИЯ
УДК 550.42:549.21
КВАТАРОННАЯ МОДЕЛЬ ИМПАКТНОГО ГЕНЕЗИСА КАРБОНАДО
© 2010 г. Член-корреспондент РАН А. М. Асхабов, Б. А. Мальков
Поступило 25.06.2010 г.
Уникальные мономинеральные поликристаллические агрегаты алмаза (карбонадо) на протяжении многих десятков лет привлекают внимание исследователей — как геологов, так и материаловедов. Обращает на себя внимание то, что карбонадо заметно присутствуют только в древних метакон-гломератах протерозоя и в современных алмазоносных россыпях Бразилии и Центральной Африки. В широко распространенных кимберлитах и лампроитах карбонадо достоверно не установлены [1]. Обстоятельная характеристика карбонадо, современное состояние исследования их свойств и гипотез образования представлены в [2].
Генезис карбонадо во многом загадочен и является предметом дискуссий. Одна группа исследователей связывает их происхождение с импакт-ными процессами, воздействующими на скопления изотопно-легкого органического вещества типа шунгита или графита, и с последующей расплавной кристаллизацией [3—5]. При этом часть исследователей предполагает существование астероидов-им-пакторов, изначально обогащенных углеродом [6]. Другая группа исследователей считает желваки карбонадо мантийными ксенолитами, вынесенными на поверхность магмой неизвестного состава [1]. Третья группа исследователей полагает, что карбонадо, возможно, являются реликтами древнейших мантийных алмазов, прошедших сложную историю метаморфизма, сопоставимую по длительности с возрастом Земли [7].
В настоящей работе мы рассматриваем карбонадо как уникальную пористую алмазоносную породу ("алмазит"), для кристаллизации которой требуются не только высокие давления, но и аномально высокие температуры, превышающие температуру углеродного ликвидуса (3500— 4000°С) и достаточные для атомизации углерода. Такие температуры недостижимы в земной мантии, но вполне могут реализоваться в ударных бассейнах ранней Земли. На весьма древнее происхождение карбонадо прямо указывают изохронные возрасты кристаллической матрицы
Институт геологии Коми научного центра Уральского отделения Российской Академии наук, Сыктывкар
Коми государственный педагогический институт, Сыктывкар
карбонадо (~3811 ± 1800 млн. лет) и включенных в нее кристаллов рутила (~3916 ± 1300 млн. лет), установленные локальным РЬ—РЬ-методом [8]. Независимым подтверждением очень большой древности карбонадо служит также присутствие в них азотных сегрегаций типа 1а вместо единичных замещающих атомов (тип 1Ь). Азотные сегрегации в бразильских и африканских карбонадо были установлены по наличию острых абсорбционных пиков при 1384 см-1 в ИК-спектрах [9, 10].
Для изменения состояния примесного азота в алмазе, как известно, требуются высокие "мантийные" температуры (выше 800°С) и длительное время отжига.
Первоначально огромная длительность формирования азотных сегрегаций (плейтелитс) была обоснована теоретическими расчетами [11]. Сейчас кинетика агрегирования атомов азота в алмазах уже хорошо изучена экспериментально в широком диапазоне РТ-параметров, что позволяет приближенно оценивать длительность отжига в природных условиях [12]. Так, время агрегирования азота из состояния 1Ь в 1аА при заданной температуре "мантийного" отжига 1000°С в бразильских карбонадо оценено в 3 млрд. лет [10]. "Послеотжиговое" пребывание карбонадо в метаконгломератах Сопа (штат Минас-Жерайс, Бразилия) составляет 1700— 1750 млн. лет [8]. Следовательно, возраст бразильских карбонадо с учетом предполагаемого времени их "мантийного" отжига достигает 4700 млн. лет, что превышает изотопный РЬ—РЬ-возраст самих карбонадо и даже возраст Земли. Противоречие снимается, если предположить, что агрегирование азота в бразильском карбонадо происходило гораздо быстрее и при более высоких температурах, чем принято в модельных расчетах.
Карбонадо на Земле в основном встречаются в одном ареале диаметром ~ 2000 км в пределах когда-то единого катархейского Бразильско-Африкан-ского кратона. В протерозойских конгломератах Сопа наряду с карбонадо присутствует несколько разновозрастных популяций обломочных цирконов. Цирконы одной из них имеют изохронный изотопный и—РЬ-возраст 3599 ± 12 млн. лет, древнейший на всей Южно-Американской платформе [13]. Внутри желваков карбонадо иногда присутствуют округлые, каплевидные ("оплавленные" (!)) включения циркона [2], также свиде-
224
АСХАБОВ, МАЛЬКОВ
тельствующие об очень высокой температуре углеродной среды кристаллизации карбонадо.
Необычное происхождение карбонадо подтверждается не только облегченным (как у шунгита) изотопным составом углерода, но их криптокри-сталличностью, высокой пористостью (30% и более), несвойственной для глубинных пород, полным отсутствием в них явных силикатных и рудных высокобарных "мантийных" включений и огромным количеством низкобарных минералов неясного происхождения. Согласно [2], в карбонадо диагностировано более 100 таких минералов.
Если учитывать указанные выше структурно-морфологические особенности и термодинамические условия, то модель образования карбонадо выглядит следующим образом. Импактные воздействия и связанные с ними высокие давления и температуры, превосходящие достижимые в мантии, способствуют атомизации углерода. Происходящая при резком расширении газовой фазы кластеризация углеродного вещества приводит к формированию кластеров "скрытой" фазы (кватаронов) [14]. Кватароны, радиусы которых превосходят 85, где 5 — ван-дер-ваальсов радиус атомов углерода, служат центрами кристаллизации. Отсюда минимально возможный размер кристаллического зародыша (кристаллитов в карбонадо) составляет ~3 нм. При этом углерод кристаллизуется в той форме, которая является термодинамически устойчивой при соответствующих температурах и давлениях (~4000°С и 10—15 ГПа). В этих условиях наряду с образованием кватаронной фазы не исключается образование жидкого углерода, возможно также участвующего в генезисе карбонадо. Однако конкурирующий механизм собственно расплавной кристаллизации мы здесь не рассматриваем.
Когда концентрация растущих алмазных зародышей становится критической, начинается их агрегация. Механизм агрегации наночастиц рассмотрен нами в [15]. В результате реализации фрактального механизма агрегации в рассматриваемых условиях формируется пористый поликристаллический материал. При этом размеры кристаллитов, составляющих карбонадо, за время существования экстремальных условий могут достигать сотен нанометров. Рост отдельных кристаллитов до заданных размеров и — как следствие — увеличение плотности образующегося материала, а также его цементация происходят за счет вещества докритических кватаронов — строительных единиц роста кристаллов.
Наблюдаемое иногда "оплавление" включений других высокобарных минералов, встречающихся в карбонадо, является результатом их взаимодействия с высокотемпературной и весьма активной кватаронной фазой — ансамблем высокоэнергетических кватаронов. Низкобарные же минералы могли попадать в карбонадо на за-
ключительных этапах своего формирования или вообще в посткристаллизационный период.
Чрезвычайная же редкость карбонадо связана с тем, что при уменьшении давления и температуры алмаз попадает в область термодинамической неустойчивости, где происходит его графитиза-ция. Скорость графитизации при повышенных температурах, в отличие от нормальных условий, может быть очень высокой. В результате прото-карбонадо распадаются на отдельные кристаллиты, которые затем трансформируются в импакт-ную сажу или углеродную пыль. Еще быстрее исчезают и аморфные агрегаты, формирующиеся в процессе иерархической агрегации кватаронов. Однако остается вопрос: куда деваются фуллере-ноподобные частицы углерода, образование которых в данных условиях весьма вероятно?
Таким образом, карбонадо принадлежат к древнейшим алмазоносным "породам" Земли с возрастом 3.8—3.9 млрд. лет. Их образование связано с экстремальными условиями импактных воздействий, близкими к условиям синтеза детонационных ультрадисперсных наноалмазов.
Работа поддержана РФФИ (грант 08-05-00346а), Президиумом и ОНЗ РАН (программы фундаментальных исследований).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Францессон Е.В., Каминский Ф.В. // ДАН. 1974. Т. 219. № 1. С. 187-189.
2. Сухарев А.Е., Петровский В.А. Минералогия карбонадо и экспериментальные модели их образования. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 195 с.
3. Smith V.J., Dawson J.B. // Geology. 1985. V. 13. P. 342343.
4. Мальков Б.А. Органическая минералогия. Материалы II Российского совещания по органической минералогии. Петрозаводск: ИГ КНЦ РАН, 2005. С. 170-172.
5. Heney P.J, Vicenzi E.P., De S. // Elements. 2005. V. 1. P. 85-89.
6. Haggerty S.E. // Science. 1999. V 285. P. 851-860.
7. Лютоев В.П., Глухов Ю.В. Алмазы и благородные металлы Тимано-Уральского региона. Материалы Всероссийского совещания. Сыктывкар: ИГ Коми НЦ УрО РАН, 2006. С. 90-92.
8. Sano Y., Yokochi R., Terada K., Chaves M.L. // Pre-cambr. Res. 2002. V. 113. P. 155-168.
9. Kagi H., Takahashi K., Hidaka H., Masuda A. // Geochim. et cosmochim. acta. 1994. V. 58. P. 2629-2638.
10. Шелков Д., Верховский А.Б., Милпедж X.Дж., Пил-линджер К.Т. // Геология и геофизика. 1997. Т. 38. № 2. С. 315-322.
11. Мальков Б.А., Асхабов А.М. // ДАН. 1979. Т. 248. № 6. С. 1420-1423.
12. Evans Т., Qi Z. // Proc. Roy. Soc. London. A. 1982. V. 381. № 1780. P. 238-242.
13. Richardson S.H., Gurney J.J., Erlank A.J., Harris J.W. // Nature. 1984. V. 310. P. 198-202.
14. Асхабов A.M. // ФТТ. 2005. Т. 47. № 6. С. 1147-1150.
15. Асхабов A.M. // ДАН. 2005. Т. 400. № 2. С. 224-227.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 435 № 2 2010
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.