Крошечные включения открывают тайны алмазов и истории Земли: Исследования в Институте Карнеги

Для доктора Стивена Шири алмазы являются  чем-то особенным. Не только из-за присущей им красоты, но и из-за фундаментальной информации, заключенной в них. Информации, которая освещает раннюю историю Земли и строение планеты на глубине сотен километров под нашими ногами.

Мы посетили Институт Карнеги в Вашингтоне, чтобы ознакомиться с работой доктора Шири по определению возраста алмазов из многих шахт по всему миру путем анализа крошечных включений минералов, сохранившихся в них.

«Я хочу вернуться к началу истории Земли, чтобы увидеть, говорит ли нам уникальная картина роста алмазов об эволюции Земли как планеты, – говорит Шири. – Само по себе это довольно удивительная концепция. Мы берем эти крошечные зерна, очень маленькие, и используем систематические химические изменения, чтобы сказать что-то о всей нашей планете».

Особая специализация Шири – поиск редких алмазов, содержащих мельчайшие специфические сульфидные включения, кропотливое удаление включений и анализ их содержания – в данном случае следовых количеств радиоактивных изотопов осмия (Os) и рения (Re) – для определения возраста порядка миллиардов лет.

Изотоп химического элемента – это просто атом с тем же атомным номером, что и сам элемент, но с несколько иной массой, образующейся в результате разного количества нейтронов в его ядре. Некоторые изотопы стабильны, а другие, так называемые радионуклиды, распадаются на различные изотопы в течение длительных периодов времени. Если ученые знают скорость радиоактивного распада и имеют приборы, способные измерять различные изотопы, они могут очень точно рассчитать возраст предмета.

Именно этот принцип лежит в основе таких давно устоявшихся методов, как радиоуглеродное датирование, широко применяемых в археологии. Алмазы же намного старше любых археологических реликвий. Изотопы, которые Шири ищет, обеспечивают гораздо более длительный путь в историю Земли.

Исследования с использованием системы распада рений-осмий доказывают, что некоторые алмазы удивительно древние, говорит Шири. «Иногда это самые древние минералы, которые мы можем найти на Земле… возрастом до 3,5 миллиардов лет, в то время как Земле всего 4,5 миллиарда лет, так что они часто составляют три четверти возраста Земли».

Шири добавляет, что алмазы также являются особенными, потому что это самые глубокие минералы, которые мы можем получить в качестве природных образцов для изучения Земли. В отличие от любого другого минерала, алмазы достигают поверхности с большой глубины – до 700 километров – и могут сохранять внутри себя неизмененные включения мантийных минералов. Алмазный кристалл является «действительно хорошим контейнером» для этих экзотических минералов, говорит он, и сохраняет их в «первозданном» виде на пути к земной поверхности.

Выбор алмазов для изучения

Процесс начинается с подбора подходящих алмазных кристаллов с включением. Как рассказывает Шири, получение таких алмазов для изучения – довольно сложная задача. «Мы должны пойти на рудник или в какое-то место, где очень активно ведется разработка, где перерабатывается большое количество кимберлита для получения алмазов». Даже на таком крупном руднике, как Venetia в ЮАР, только 1 из 50 000 добываемых алмазов может быть отнесен к нужному виду.

Подготовка алмаза к исследованию

Как только у исследователей будет достаточно нужных алмазов для полноценного исследования, можно приступать к работе. «Мы должны достать включение, не нарушая его, – говорит Шири. – Наша работа заключается не только в том, чтобы измерить изотопный состав включения, но и получить полную картину того, как сформировался алмаз».

Первый шаг – очень точно нарезать алмаз по зонам его роста с помощью алмазного режущего лазера. «Это, наверное, сведет с ума всех, кто занимается драгоценными камнями. Мы берем красивый необработанный алмаз и режем его по центру», – говорит Шири. Зоны роста алмаза особенно заметны с помощью катодолюминесценции (CL). CL-изображение показывает, имеет ли алмаз простую или более сложную историю роста.

Удаление включения из алмаза

В какой-то момент сульфидные включения должны быть удалены из алмаза, чтобы исследователи могли определить их возраст.

При мельчайших размерах простое перемещение включения может быть большой проблемой. «Оно настолько мало, что статические силы делают практически невозможным перемещение включения, и поэтому мы должны быть очень осторожны, чтобы не потерять включение», – продолжает Шири. Оно переносится на липкий черный углеродный диск и исследуется под растровым электронным микроскопом (SEM), чтобы убедиться, что это сульфидное включение, а не кусок стали или карбида вольфрама. В отличие от этих материалов, сульфиды выглядят немного желтоватыми.

Минеральные включения могут многое рассказать исследователям об условиях температуры и давления, в которых образовался алмаз, о породах, из которых он вырос.

Результаты исследования

Наибольший вклад в эту область исследований Шири и его коллег из Карнеги вносит разработка системы рений-осмиевых методов, позволяющая датировать алмазы. Возраст алмазов и химия их включений позволяют исследователям делать выводы о способах построения континентов и наступлении тектонических процессов на Земле.

Ранние работы Шири с алмазами были сосредоточены на одном из самых известных в мире горнодобывающих районов – в самом сердце Южной Африки – кратоне Каапвааль.

В случае с кратоном Каапвааль алмазы повествуют о том, что что-то изменилось в истории Земли около трех миллиардов лет назад. Шири и его коллеги предлагают, что это начало так называемого цикла Уилсона, начало тектоники плит. В центре кратона лежит кладбище древнего океана, закрывшегося при столкновении двух континентальных блоков – одного с востока и одного с запада. А алмазы на западе отличаются от алмазов на востоке.

Все алмазы трехмиллиардной давности находятся на западной стороне кратона, что согласуется с теорией Шири о субдукции океанической коры под западную сторону. Напротив, нет алмазов старше трех миллиардов лет к востоку от стыка между этими двумя древними континентальными блоками.

Древние канадские алмазы

Еще одно знаковое открытие связано с возрастом канадских алмазов. Шири отмечает, что его группа в Карнеги работала на двух крупнейших в стране рудниках, Ekati и Diavik. Там найдены экземпляры, которые являются самыми старыми алмазами, возраст их составляет около 3,5 млрд лет.

Химия этих алмазов указывает на раннюю форму их субдукции. Шири и его коллеги-ученые из Карнеги предполагают, что процесс субдукции, формирующий их, представляет собой одно из самых ранних свидетельств тектоники плит на поверхности Земли. «Мы думаем, что в этот ранний архейский период был не один процесс создания алмазов, и это на самом деле очень интересное и захватывающее открытие».

«Суперглубокие» алмазы с бразильского месторождения Juina Field

«Суперглубокие» алмазы – одна из самых захватывающих находок за последние 15 лет, говорит Шири. Эти алмазы несут в себе минералы, которые не встречаются на небольших глубинах, в том числе формы граната и оливина, которые не могут образовываться на более мелких глубинах. Гипотеза заключается в том, что эти алмазы вырастают из органического материала, переносимого в мантию на глубину до 700 км путем субдукции. Они также имеют характерную неравномерную внутреннюю структуру роста, которая намекает на их турбулентное происхождение глубоко в земной конвективной мантии.

Работа Шири и его коллег

Шири говорит нам, что любит свою работу, потому что она такая разнообразная. Рабочие задачи стимулируют Шири: «Нужны изобретательность и хитрость, когда дело доходит до манипуляций с образцами, но я также должен быть химиком. Всё это так интересно, и это одна из причин, по которой я люблю делать то, что делаю».

Шири напоминает, что исследовательская работа такого рода отличается высоким уровнем сотрудничества, в ней принимают участие ученые разных дисциплин и многие партнерские учреждения по всему миру. Он скромничает по поводу своих вкладов: «Большая часть работы выполняется не мной напрямую, а людьми, с которыми я работаю».

С более подробной информацией можно ознакомиться на сайте