Алмазы - сажа из труб преисподней
Ежегодно из кимберлитовых трубок на планете добывается около 25 тонн технических и ювелирных алмазов стоимостью в необработанном виде около 12 миллиардов долларов. Жизнь десятков миллионов людей так или иначе связана с алмазами: они их ищут, добывают, обрабатывают, продают. Алмазы служат не только для удовлетворения безмерного человеческого тщеславия и тяги к блестящим дорогим безделушкам.
Подсчитано, что использование алмазных инструментов более чем вдвое повышает экономический потенциал любой развитой страны. Но на простой вопрос: как образуются алмазы в природе? - ответа нет до сих пор. Считается, что алмазы кристаллизовались в неведомых глубинах мантии, а кимберлитовые “трубки взрыва” выносили их к поверхности планеты. В этой общепринятой версии неясно все: и механизм образования алмазов, и размещение на планете алмазоносных пород - кимберлитов, и причины возникновения «кимберлитовых трубок», уходящих корнями в глубины Земли.
Алмазам и алмазоносным породам мантии - кимберлитам посвящены тысячи научных статей. Но они не отвечают на три главные загадки коренных алмазных месторождений. Первая: почему кимберлиты расположены только на “платформах”, самых стабильных и мощных блоках земной коры? Какие чудовищные силы заставили тяжелые породы мантии Земли нарушить великий закон Архимеда, рвануться вверх и пробить, как бронебойный снаряд невиданной силы, 40 километров более легких пород - базальтов, гранитов, осадочных пород? И почему кимберлитовые трубки “прокалывают” именно мощную земную кору платформ, а не тонкую 10-километровую кору океанического дна или переходной зоны на границе континентов с океанами, где на глубинных разломах дымят сотни вулканов, и лава свободно изливается на поверхность?.. Ответа на этот вопрос у геологов нет.
Другой загадкой является удивительная форма киберлитовых трубок. На самом деле, это совсем не “трубки”, а скорее “бокалы для шампанского”, конусы на тонкой ножке, уходящей в глубины планеты. Геологи называют их “трубками взрыва”, хотя трудно придумать более нелепое словосочетание: ведь подземные взрывы формируют вовсе не трубки, а сферы! Сейчас разбурены многочисленные так называемые “камуфлетные камеры” - пустоты, оставшиеся после мощных подземных ядерных взрывов. Все эти камеры имеют сферическую форму. Но ведь кимберлитовые “трубки-конусы” действительно существуют! Как они возникли? Ответа на этот вопрос тоже нет.
Третья загадка касается необычной формы зерен минералов в кимберлитах. Известно, что минералы, которые первыми кристаллизуются из расплавленной магмы, всегда образуют хорошо ограненные кристаллы. К таким минералам относятся апатит, гранат, циркон, оливин, ильменит. Они распространены и в кимберлитах, но здесь у них всегда отсутствуют кристаллические грани, их зерна округлены и по форме напоминают окатанную гальку. Геологи пытаются объяснить эту загадочную особенность тем, что минералы были оплавлены раскаленной магмой. Плавление, как известно, ведет к превращению минералов в аморфное стекло, лишенное кристаллической структуры. Однако никаких следов “остеклования” и потери кристаллической структуры в этих округлых зернах никому найти не удалось.
Зато кристаллы алмаза представлены на обогатительных фабриках целыми горами сверкающих, идеально образованных октаэдров или ромбододекаэдров с острыми ребрами, которыми так удобно резать стекло. А ведь они, по существующим воззрениям, возникли в глубинах мантии и были вынесены уже “в готовом виде” вместе с кимберлитовой магмой с глубины 150-200 километров. Эти кристаллы почему-то сохранились, несмотря на хрупкость, обилие внутренних напряжений и способность легко раскалываться по определенным плоскостям,
Выходит, что кристаллы алмаза, прошедшие весьма длинный и тернистый путь с расплавленной магмой, выглядят так, будто только что сошли с заводского конвейера. А вот кристаллы граната, циркона, апатита и других минералов, вроде бы выделившиеся из расплава непосредственно в трубке, лишены своих законных граней. Почему возник такой парадокс?
Обширный аналитический и экспериментальный материал позволил мне предложить новую модель образования кимберлитовых трубок и алмазов, которая позволяет объяснить геологические загадки этих сверхглубинных образований. Модель разработана на основе обширной информации о газовом, преимущественно водородно-метановом “выдохе” мантии, а возможно и ядра Земли.
Предлагается рассматривать кимберлитовые трубки как следы, оставшиеся после “прокола” литосферы поднимавшимися из мантии огромными газовыми пузырями. Пузырь мантийного газа пробивает себе тонкий игольный выход сквозь твердые кристаллические породы фундамента платформы, а затем формирует расширение - “бокал” - в поверхностных мягких осадочных породах. Глубинный газ раздвигает их страшным давлением в десятки тысяч атмосфер, передающимся из мантии в верхнюю часть земной коры по тонкой трубе “прокола” примерно так же, как передается давление по трубкам масляных гидравлических приводов автомобиля.
Приуроченность кимберлитов к платформам я объясняю тем, что платформы являются газонепроницаемыми структурами, способствующими скоплению под ними рассеянных в породах мельчайших пузырьков газа в крупные пузыри водородно-метанового состава. При определенном, критическом, объеме такой пузырь начинает всплывать к поверхности планеты. Глубинная дегазация Земли продолжается миллиарды лет, и вулканологи считают, что наиболее активно она проявлена в вулканических поясах, окружающих стабильные блоки платформ.
Платформы похожи на блюдца, плавающие в аквариуме, со дна которого поднимаются пузырьки воздуха. Пузырьки обтекают блюдце, но часть газа скапливается под его дном. Постоянно дымящиеся вулканы - прямое свидетельство обилия газов, выделяющихся по глубинным разломам литосферы. О глубинности газов свидетельствует тот факт, что гелий здесь резко обогащен легким глубинным изотопом Не-3. Но в газах платформ Не-3 в тысячу раз меньше, чем в газах вулканов и это означает, что платформы - непроницаемая заглушка для глубинных газов мантии.
По моему мнению, причиной, которая заставляет рассеянный мантийный газ собираться в всплывающие пузыри с «критическим» объемом, является мощное воздействие “горячих точек”, глубинных “форсунок”, связанных с жидким ядром Земли и прожигающих твердую литосферу. Например, современная “горячая точка” прожгла насквозь тонкую земную кору в Тихом океане и создала вулканы Гавайских островов. Эта “форсунка” работала на том же месте еще 70 миллионов лет назад, и от ее деятельности остался гигантский шов из застывшей базальтовой лавы. Это подводный Императорский хребет. Он протянулся на тысячи километров от Гавайских к Алеутским островам и отметил продвижение плиты Тихого океана на северо-запад.
Вулканы - это как бы действующие дымоходы Земли. Они работают исправно, если путь газов не перекрывают “заслонки”. В истории Земли чаще всего такими заслонками становились движущиеся платформы. Кора платформ настолько мощная, что у “горячей точки” не хватает энергии, чтобы ее прожечь. Но энергии достаточно, чтобы расплавить породы на глубине и собрать рассеянные в них микроскопические включения газов в крупные пузыри с “критическим” объемом около кубического километра.
Как известно, крохотные капельки жира в молоке не всплывают до тех пор, пока энергия маслобойки не слепит из них достаточно большой объем масла. Когда “горячие точки” сформируют под платформами крупные газовые пузыри, то в дело вступает закон Архимеда. Плотность смеси Н2-СН4 даже при давлении мантии меньше плотности воды. А вот плотность мантии более чем втрое больше плотности воды. Значит, подъемная сила пузыря объемом в 1 кубический километр составит 2,5 миллиарда тонн! И этот газ раскален до 600-800 0С!
Сужение кимберлитовых трубок на глубине в тонкую “ножку” - свидетельство того, что вся огромная подъемная сила газа прикладывается к очень малой площади, создавая эффект иглы, способной проколоть десятки километров горных пород. По тонкому каналу длиной 150-200 км мантийный газовый пузырь пробивается вверх, пока не внедрится в мягкие породы осадочного чехла. Можно сказать, что мантия как бы “вставляет клизму” мощной земной коре, в результате чего осадочные породы раздвигаются, и формируется конус кимберлитовой трубки.
Всплывание газового пузыря создает зону низкого давления в его хвостовой части, перекристаллизованные под действием газа мантийные породы дробятся, и устремляются в тонкий пробой. Газ тащит за собой породы мантии, словно спасатель, который за волосы выволакивает утопающего из воды. Как в гигантской пескоструйной машине, зерна минералов мчатся в адских конвекционных потоках газовой смеси, которую геологи называют флюидом. При этом кристаллы обдираются, теряют кристаллические грани и превращаются в глубинную гальку надкритического газового потока, почти не отличимую от обычной гальки рек.
Но микроскопическое исследование показывает, что отличие есть: воздействие раскаленных газовых струй создает особую матированную поверхность глубинных минералов кимберлитов, известную у геологов под названием “шагрень”. При увеличении в тысячи раз видно, что это микропористая коррозионная структура, напоминающая губку. Похожие структуры возникают при воздействии раскаленных газов на поверхность метеоритов или лопаток газовых турбин. Исследования апатита, циркона и других минералов показали, что они хранят “память” о прокаливании в газовой восстановительной среде.
Возникает вопрос: почему же так прекрасно огранены кристаллы алмазов? Ведь считается, что магма вытащила их из “каменных пещер” мантии и волокла более сотни километров. И твердость их не спасает: известно, что алмазы в россыпях окатаны и оббиты, поскольку минерал этот хрупкий. В учебниках приведены диаграммы равновесия алмаз-графит и написано, что алмаз возникает из графита. Но никто не задался вопросом: откуда же в мантии взялся графит? Ведь графит - запрещенный минерал для условий мантии. Здесь устойчивы карбиды железа, фосфора, кремния, азота и... водорода. Карбид водорода - это обычный метан. В отличие от других карбидов это газ, он подвижен и легко концентрируется в глубинном флюиде.
Правда, десятки тонн технических алмазов синтезируют из расплава железа, насыщенного углеродом. Синтез идет потому, что расплав при 1200 0С и давлении в тысячи атмосфер становится недосыщенным по растворимости в нем графита и пересыщенным по растворимости алмаза. Конечно, на природный процесс он не похож. Зато геологи не придали значения замечательному открытию советского физика Б. Дерягина, который еще в 1969 году получил диплом об открытии от АН СССР за синтез алмаза из метана при давлении даже ниже атмосферного!
Это открытие в корне меняло существующие представления об алмазе, как о минерале, кристаллизующемся обязательно из расплавов и при высоких давлениях. Оно позволило мне рассмотреть возможность кристаллизации алмаза из флюида и газовой смеси в системе С-Н-О. Оказывается, что в таком флюиде кислород при сверхвысоком давлении мантии теряет свои окислительные свойства и не окисляет даже водород. Но при подъеме газа вверх, при образовании кимберлитовой трубки давление падает. Достаточно уменьшить давление в 10 раз - от 50 до 5 килобар, чтобы активность кислорода возросла в миллион раз: он мгновенно окисляет водород и метан. Попросту говоря, газ самовоспламеняется и в подземной трубе вспыхивает огонь!
Итог подземного пожара зависит от соотношения углерода, водорода и кислорода во флюиде. Если кислорода не слишком много, он вырвет из молекулы метана СН4 лишь водород, и возникшие при этом пары воды поглотит минеральная пыль с образованием серпентинита, характернейшего минерала кимберлитов. Оставшийся одиноким ионизированный углерод при давлении в тысячи атмосфер и температуре около 1000 0С замкнется ненасыщенными ковалентными связями “сам на себя” с возникновением гигантской молекулы чистого углерода, которую мы называем алмазом.
Благоприятное для возникновения алмазов сочетание компонентов встречается редко: лишь 3-5% кимберлитовых трубок являются алмазоносными. При избытке кислорода в метане сгорит не только водород, но и углерод, который превратится в оксиды - СО или СО2. Так возникают безрудные кимберлиты, отличающиеся повышенной магнитностью за счет появления оксида железа – магнетита. Это означает, что кислорода было так много, что он даже “вырвал” железо из состава силикатов. Если алмаз возникает как продукт самопроизвольного подземного сгорания водорода в углеродистом флюиде, то прозрачные кристаллы углерода - просто “зола” или “сажа”, осевшая в “дымоходах” мантии.
Эксперименты по взрывному синтезу показывают, что алмазы растут за тысячные доли секунды – практически мгновенно. Значит, в метановом флюиде вокруг “глотающих” газообразный углерод кристаллов возникает зона пониженного давления, где резко увеличивается активность кислорода. Можно предположить, что кристаллизация сопровождается бесчисленными вспышками-взрывами. Кристаллизации способствует необыкновенно высокая теплопроводность алмаза, позволяющяя быстро уравнивать температуру в объеме кристалла. Действительно, авторы патентов, где предполагается кристаллизация алмазов при участии газовой фазы, отмечают взрывы в кристаллизационной камере. Возможно, что во мраке подземелий рождение алмазов напоминает полет светлячков.
Горение метана увеличивает активность кислорода и отражается на изотопном составе углерода и азота, входящих в состав алмазов, поскольку в окислительной среде концентрируются тяжелые изотопы. Анализы, проведенные на зональных кристаллах алмазов из кимберлитов, показывают, что внутренние части кристаллов обогащены легким изотопом углерода. Известно, что легкие изотопы углерода и азота накапливаются в восстановительной среде, а тяжелые – в окислительной. Резкий рост концентрации тяжелых изотопов углерода и азота во внешней зоне кристаллов свидетельствует о том, как быстро нарастает окислительный потенциал при алмазообразовании.
Высокая теплопроводность алмазов позволяет им расти очень быстро. Поэтому алмазы похожи на своеобразные консервные банки, захватившие из газа многочисленные включения пыли - зерна минералов глубинных пород. Определение абсолютного возраста этих минеральных включений иногда совпадает с геологическим возрастом кимберлитовых трубок, но чаще возраст включений оказывается более древним. Так, например, в трубке “Кимберли” в Южной Африке, внедрившейся в окружающие породы 85 миллионов лет назад, возраст граната пиропа, определенный самарий-неодимиевым методом, составляет 3200 миллионов лет.
В якутской трубке “Удачная”, прорвавшей окружающие породы 425 миллионов лет назад, возраст включений минерала клинопироксена определен калий-аргоновым методом в 1149 миллионов лет, и т.д.
Геологи обычно делают из таких определений вывод, что алмазы кристаллизовались в мантии очень давно - миллиарды лет назад, а затем взрывы выбросили их к поверхности Земли. По нашему мнению, включения древних минералов мантии были захвачены растущими кристаллами из пыли флюида.
Среди включений в алмазах установлены самородные металлы - железо, никель, хром, серебро, а также сульфиды никеля и железа. Как они попали в алмазы? Очевидно, эти металлы заимствованы из силикатов с повышенными содержаниями железа, никеля, серебра и шпинелидов с высоким содержанием хрома такими мощными восстановителями, как Н2 и СО, а примесь сероводорода, характерного для подземных газов, превратила некоторые из этих металлов в сульфиды. Алмазная “броня” сохранила неустойчивую сульфидно-металлическую пыль в виде примеси в кристаллах.
Загадкой для геологов длительное время оставались резкие “сухие” контакты кимберлитовых трубок с окружающими породами.
Обычно вокруг массивов магматических пород возникают мощные зоны контактовых изменений. А вокруг кимберлитов изменения осадочных пород ничтожны. Связано это явление с тем, что теплоемкость газов, формировавших кимберлиты, в 2-3 тысячи раз ниже теплоемкости силикатного расплава в том же объеме: газ быстро остывает, соприкасаясь с осадочными породами. В то же время контактовые изменения вокруг кимберлитовых трубок значительны, но они имеют необычный характер. Изменения проявляются в том, что вокруг трубок возникают мощнейшие - до полукилометра - ореолы концентрации мельчайших зерен люминесцирующих минералов.
Во вмещающих осадочных породах в десятки и даже сотни раз увеличивается содержание зерен апатита и циркона - минералов, ярко светящихся в ультрафиолетовых лучах. Причем апатит светится не обычным желтым светом за счет присутствия Мn 2+ , а голубоватым светом, обусловленным присутствием Еu 2+, что характерно именно для апатита кимберлитов. Такие люминесцентные ореолы объясняются мощной продувкой пористых осадочных пород глубинным мантийным газом, обладающим давлением в тысячи атмосфер и переносящим характерные элементы кимберлитов.
Рождение алмазов не в неведомых “каменных пещерах”, а в процессе формирования кимберлитовых трубок объясняет сохранность идеально образованных кристаллов алмазов на фоне кимберлитовой “гальки”, состоящей из окатанных, оббитых и лишенных граней глубинных минералов, действительно извлеченных из мантии. На кристаллизацию алмазов из газа указывает также постоянное присутствие в них азота (до 0,3%), а иногда - бора. В ультраосновных породах мантии практически нет ни азота, ни бора, но во флюиде эти элементы резко концентрируются, поскольку образуют газообразные соединения с водородом. Видимо, накапливался во флюиде и радон, о былом присутствии которого свидетельствует резкое обогащение кимберлитов радиогенным изотопом свинца - Рb-206, возникающим из радона. Именно радон, сильнейший альфа-излучатель, мог создать загадочные зеленые алмазы, окраска которых связана с воздействием альфа-частиц.
Современная промышленность получает за счет неполного окисления метана миллионы тонн сажи ежегодно; 80% этой сажи идет на производство автомобильных шин. Огромное количество сажи оседает на стенках бесчисленных труб - печных, фабричных, заводских и это никого не удивляет. А вот привыкнуть к мысли, что алмаз - тоже сажа, только мантийная, геологам трудно. Такая аналогия кажется им кощунственной.
Чтобы упрощенная аналогия кимберлитовых трубок с печными трубами не вредила пониманию природного процесса, замечу, что кимберлитовые трубки не образовывали вулканов, не выходили на поверхность Земли и не коптили небо, как трубы Лондона в Х1Х веке. Кимберлит – не магматическая порода, а аналог вулканического туфа, флюидизит, оставшийся в глубинах Земли. Поэтому структура его – не порфировая, а брекчиево-конгломератовая. Если преобладают угловатые обломки осадочного чехла. то возникает брекчия, а если много окатышей глубинных минералов – конгломератовая. Шаровидные образования в кимберлитах, похожие на теннисные мячи и называемые «автолитами», на наш взгляд, «слеплены» из липкой серпентинитовой пыли газовыми потоками при гидратации глубинного раздробленного оливина парами воды.
Мантийный газ зависал в осадочных слоях земной коры, подобно тому, как аэростат с газовой горелкой висит в атмосфере, израсходовав энергию на подъем. Поэтому никому из геологов не удалось найти вулканы, разбрасывающие вокруг кристаллы алмазов. Кимберлитовые трубки вскрываются лишь процессами эрозии. Для геологоразведчика это означает, что существует множество “слепых” кимберлитовых трубок, не выходящих на поверхность. Об их присутствии можно узнать по наличию локальных магнитных аномалий, верхняя кромка которых располагается на глубине в сотни, а если повезет - то и десятки метров. Эти невскрытые эрозией трубки хранят алмазы для будущих поколений геологов.
Глубинные золотоносные “реки” Земли
В 1877 году знаменитый австрийский геолог Эдуард Зюсс опубликовал статью, которая вызвала панику в финансовых и промышленных кругах европейских государств. Статью рассматривала специальная комиссия германского рейхстага, в разгоревшейся дискуссии приняли участие многие ученые - геологи, экономисты, историки. Что же так взволновало общественность? Оказалось, Зюсс предсказывал экономический крах нашей цивилизации вследствие грядущего неизбежного дефицита золота - основы мировой финансовой системы того времени. Собрав данные об известных месторождениях благородного металла, темпах его добычи и росте потребления, он рассчитал, что вскоре возникнет катастрофический дефицит золота, поскольку спрос на него резко превысит предложение.
Однако мировой валютный кризис не состоялся. Спасение пришло неожиданно - из Южной Африки. В 1886 году фермер Уолкер, живший вблизи города Иоганнесбурга, заметил в найденном камне блестки латунного цвета. На всякий случай он раздробил породу и промыл песок в тазу с водой. Как часто бывает у новичков-золотоискателей, Уолкер ошибся: отливающие латунью зерна оказались минералом пиритом, сульфидом железа (FeS2), не имеющим особой ценности. Но Уолкеру невероятно повезло: вместе с пиритом на дне таза змеилась тонкая ярко-желтая полоска настоящего золотого песка.
Так было открыто золото Витватерсранда, величайшего в мире скопления драгоценного металла. Впоследствии ценность месторождения возросла, поскольку оказалось, что в нем вместе с золотом концентрируется также уран. За всю историю человечества добыто около 100.000 тонн золота, и половина его извлечена из рудников Витватерсранда. Иногда здесь за год добывали более тысячи тонн золота. Благодаря мощному притоку южноафриканского золота мировой финансовый кризис не состоялся.
Естественно, что уникальный золоторудный гигант привлек всеобщее внимание, и геологи пытались найти его аналоги в других странах. Удивительная особенность месторождения заключалась в сочетании простоты геологического строения и неразрешимой сложности загадок, которые возникали при его изучении. Действительно, рудные залежи здесь представлены пластами плотно сцементированных галечников-конгломератов, очень похожих на современные речные или прибрежные морские золотоносные россыпи.
Поскольку в конце прошлого века основную массу золота добывали из россыпей Урала, Сибири, Калифорнии, Австралии и Аляски, то геологи, изучавшие Витватерсранд, были убеждены, что в Южной Африке открыты гигантские древние россыпи, скопившиеся в реках протерозойской геологической эпохи. Это мнение вошло в научные монографии и учебники всего мира.
Но по мере изучения Витватерсранда возникали вопросы, на которые не было вразумительных ответов. Например, известно, что вблизи россыпей можно найти остатки коренных месторождений, за счет которых эти россыпи возникли. В рудных пластах Витватерсранда природа собрала около 100.000 тонн золота; по меньшей мере, еще столько же золота содержится в пластах с непромышленным содержанием.
Известно, что в россыпи переходит лишь часть коренного золота, а значительная часть его истирается и бесследно рассеивается. Значит, в коренных месторождениях, за счет которых возникли древние россыпи, насчитывалось не менее 500.000 тонн золота!
Между тем крупным коренным месторождением золота называется месторождение с запасами всего лишь в сто - двести тонн. Поэтому возникает естественный вопрос: где же находились тысячи крупных коренных месторождений золота, а также многочисленные огромные месторождения урана?
В Южной Африке по сей день не обнаружены коренные жильные типы крупных золоторудных и урановых месторождений, а если даже предположить, что они полностью стерты эрозией, то для них здесь просто не найдется достаточно места. Между тем подсчеты показывают, что в рудном поле Витватерсранда на площади в 100 000 кв. км насыщенность золотом достигает двух тонн на каждый квадратный километр! Откуда было принесено это золото? Ни одна гипотеза не может указать на источник сноса такого чудовищного количества россыпного золота.
Другая загадка касается состава древних галечников. Уже первооткрыватель фермер Уолкер обратил внимание на то, что в конгломератах вместе с массой галек молочно-белого жильного кварца содержится также много пирита. Но обычно пирит образует прекрасные кристаллы, а здесь он так хорошо окатан, что напоминает шарики. Геологи Южной Африки называют его “пиритовой дробью” или “картечью” в зависимости от величины окатанных кристаллов. Окатан и рудный минерал урана - уранинит. Загадка заключается в том, что и пирит, и уранинит, в отличие от кварца, минералы очень неустойчивые. На поверхности Земли они мгновенно окисляются, разрушаются и исчезают, поэтому в современных речных россыпях их нет. Почему окатанные пирит и уранинит сохранились в якобы речных галечниках Витватерсранда?
Долгое время считалось, что в нижнем протерозое в атмосфере Земли не было кислорода и поэтому пирит мог сохраниться в речных отложениях. Однако современные анализы изотопов кислорода в протерозойских осадках дают однозначный ответ: кислород в те времена присутствовал в атмосфере в немалых количествах. Подтверждением этого являются, в частности, многокилометровые пласты осадочных толщ железистых кварцитов протерозоя, состоящих из оксида железа – гематита. Такие “ржавые” осадки возникают лишь при наличии богатой кислородом атмосферы, когда кристаллы пирита просто не успевают стать галькой - они окислятся и превратятся в ржавчину гидроокислов железа.
Между тем пиритовой гальки среди кварцевой гальки Витватерсранда так много, что в год здесь добывают 500 000 тонн пирита для получения серной кислоты. И стоимость добываемого здесь окатанного уранинита составляет 10% от стоимости золота. Почему сохранились в россыпях минералы, неустойчивые в условиях земной поверхности? Ответа на этот вопрос нет.
Наконец, совершенно удивительной оказалась загадка возраста руды. Разведка выявила около двух десятков пластов, залегающих друг над другом в 10-километровой толще древних осадков - песчаников и сланцев. Нижние пласты этой толщи имеют возраст 2,5 миллиарда лет, а верхние - 1,9 миллиарда, т.е. 10 километров осадков накопились здесь за 600 миллионов лет. Между тем все многочисленные пласты рудных галечников имеют одинаковый возраст - около 1,9 миллиарда лет, независимо от того, где они залегают: в нижней или верхней части разреза вмещающих пород. Ни один геолог не может объяснить, почему древние пески и глины переслаиваются с более молодыми галечниками. Ведь это противоречит геологическим представлениям о закономерностях образования осадочных толщ.
Чтобы объяснить этот парадокс, геологи были вынуждены предположить, что в процессе позднего изменения пород из легко изменяющегося уранинита, по которому определялся возраст конгломератов, была вынесена часть радиогенного изотопа Pb-206, и от этого уранинит как бы “омолодился” до 1,9 миллиарда лет. Однако возраст сопровождающего уранинит более устойчивого радиоактивного минерала - монацита тоже оказался близким к возрасту уранинита. Был установлен еще более удивительный факт: рудные галечники с возрастом (по ураниниту и монациту) в 1,9 миллиарда лет пересекались жилами с сульфидом свинца галенитом, в котором было так много радиогенного изотопа свинца Pb-206, что его возраст оценивался интервалом 2,5 - 3,8 миллиарда лет.
Как такое возможно? Разве может дед быть моложе внука?.. И что это за река, которая существует 600 миллионов лет и регулярно отлагает рудные конгломераты? Ведь срок жизни рек на земной поверхности невелик - всего несколько миллионов лет... Неразрешимых загадок было так много, что их просто перестали обсуждать. В геологической литературе даже появился термин “загадки Витватерсранда” без каких-либо намеков на их разрешение.
Несмотря на все эти загадки, геологи продолжали считать Витватерсранд гигантской речной россыпью. Так продолжалось до тех пор, пока разведка не выявила в Средней Азии на Кураминском хребте крупные коренные месторождения золота в вулканических породах каменноугольного периода. 300 миллионов лет назад здесь поднимались огнедышащие горы, похожие на Ключевскую сопку. Сейчас от конусов вулканов ничего не осталось - они уничтожены эрозией, но зато вблизи от поверхности оказались их рудоносные глубинные “корни”, где в трещинах среди андезитовой лавы из минерализованных растворов при температуре около 300 0С шел процесс отложения самородного золота.
Рудные тела здесь были двух типов: в виде обычных кварц-пиритовых жил и в виде более поздних рудных столбов совершенно необычного состава, которые прорывали кварцевые жилы. Необычность рудных столбов состояла в том, что они были забиты окатанными обломками разных горных пород. Здесь валуны и галька андезитов перемешались с обломками кварцевых жил и все они были прочно сцементированы поздним пиритом и кварцем с примесью золота.
И вот в этих рудах я с удивлением увидел массу зерен пирита необычной формы, похожих на дробь или картечь. Можно было проследить, как типичные кристаллы пирита в виде кубиков постепенно превращались в шарики. Геологи считали, что здесь имеет место процесс растворения или даже плавления. Это была ошибка: пирит не плавится, а при растворении возникают совсем другие формы. Микроскопические исследования зональности пирита показали, что причиной появления таких странных форм был... процесс окатывания! Можно было также увидеть слоистые и косослоистые, как в обычных речных отложениях, скопления пиритового песка вместе с кварцевой галькой. Это был совершенно неизвестный ранее процесс окатывания вмещающих горных пород и более ранних кварц-пиритовых жил в рудоносных подземных реках.
Значит, в недрах вулкана бурлил кипящий водный поток, а в нем неслись валуны андезитов, дробившие более ранние рудные жилы так же, как размалывают их чугунные шары шаровых мельниц на горнообогатительных фабриках. Газы и водно-паровая смесь под давлением в тысячи атмосфер пробили в лаве вертикальные трубы, наполнили их окатанными обломками минералов рудных жил и сцементировали их золотоносным кварцем. Такую картину не рисовали ранее ни научные монографии, ни учебники по геологии. Рудные залежи в Кураминских горах свидетельствовали о том, что конгломерат - сцементированная галька - возникает не только на поверхности Земли - в реках и озерах, но и в ее глубинах, в трещинах, заполненных рудообразующим кипящим раствором.
И самое главное: рудные конгломераты Средней Азии внешне практически не отличались от... золотоносных конгломератов Южной Африки. Можно было подумать, что пиритовые галечники взяты с одного месторождения, а не возникли на разных концах Земли. И цемент их был геохимически сходен: помимо золота, в нем концентрировались уран и торий. Значит, совсем необязательно связывать происхождение золотоносных конгломератов Южной Африки с отложениями древних рек: загадки Витватерсранда легко объясняются гипотезой об их глубинном происхождении за счет энергии флюидов - газов, выделяемых магматическими расплавами.
Главная загадка - источник золота. Россыпи - вторичны, а первичное золото приносится из глубин Земли горячими минерализованными растворами, связанными с огромными массами расплавленной магмы. По моему мнению, золото Витватерсранда связано с внедрением в земную кору огромного магматического Бушвельдского массива, площадь которого около 200.000 кв. км, а объем - более миллиона кубических километров!
Рудные пласты окружают этот массив и уходят вглубь - к его “корням”; поэтому рудное поле похоже на белый гриб, перевернутый шляпкой вниз: толстая ножка гриба - это Бушвельдский массив, а шляпка - рудные залежи. При остывании расплавленной магмы выделилось много паров воды, которые вынесли с собой уран и отложили его в кварц-пиритовых жилах среди окружающих осадочных пород. Но затем последовал катастрофический прорыв богатых золотом газонасыщенных растворов, раздробивший ранние рудные жилы и превративший их энергией бурлящих потоков в пласты подземных конгломератов, внешне не отличимые от речных. При этом золото и уран оказались в цементе между гальками кварца и пирита. Отсутствие кислорода предохранило от окисления неустойчивые минералы пирит и уранинит.
Гипотеза о формировании глубинных рудоносных конгломератов позволила решить “неразрешимые” геологические загадки. Поскольку возраст Бушвельского массива около двух миллиардов лет, он практически совпадает с возрастом всех рудных пластов. Это значит, что рудные пласты внедрились в мощную толщу осадочных пород одновременно, при выделении из огромного “котла” с расплавом магмы водно-газовых рудных растворов. Бурные подземные реки текли тысячи лет, о чем свидетельствует прекрасная окатанность валунов гранита, галек жильного кварца, зерен уранинита, пирита и других минералов.
Загадку, связанную с аномальным накоплением радиогенного изотопа свинца - Pb-206, удалось объяснить при изучении кварцевой и пиритовой галек из Средней Азии методами электронно-парамагнитного резонанса и эффекта Мессбауэра. Оказалось, что окатанные глубинные минералы хранят память о полученной ими огромной дозе альфа-излучения. В отличие от них поздние кварц и пирит в цементе конгломератов, хотя и содержат повышенную концентрацию урана и тория, получили дозу облучения в 100-200 раз меньше. Какой радиоактивный элемент мог так сильно облучить гальку в кипящем растворе?..
Как известно, сильнейшим альфа-излучателем является радон. В то же время радон концентрируется в газовой фазе, и при кипении растворов именно он может дать высокую дозу облучения при сравнительно низких содержаниях урана и тория. Видимо, подземные реки Средней Азии были буквально насыщены радоном. Но радон живет недолго и вскоре переходит в радиогенный изотоп свинца - Pb-206, причем при превращении газа в свинец оседает на обломках горных пород в виде тончайших серых пленок, которые легко растворяются рудными растворами и осаждаются сероводородом в виде сульфида свинца - минерала галенита. Но галенит в этом случае резко обогатится радиогенным изотопом свинца и поэтому геологу его возраст покажется значительно древнее истинного.
Вспомним, что именно с этим парадоксом столкнулись геологи на Витватерсранде: геологически молодой галенит из секущих поздних жил обладал невероятно “древним” архейским возрастом именно из-за высокой концентрации радиогенного Pb-206. Но накопление Pb-206 легко объясняется обилием радона в кипящих подземных реках, что естественно при обилии урановой руды, постоянно выделяющей радон. Впоследствии рассеянный радиогенный свинец сконцентрировался в поздних жилах, пересекавших рудные залежи.
Представление о возможности формирования глубинных конгломератов, очень сходных с поверхностными, позволяет снять многочисленные загадки и парадоксы. Наличие глубинных золоторудных конгломератов в относительно молодых палеозойских вулканических породах позволяет также дать совершенно новые рекомендации для поиска золоторудных гигантов. Ведь раньше геологи были уверены в том, что их надо искать лишь в речных отложениях древних архейских пород, площадь распространения которых на Земле невелика. При этом не обращали внимания на активную роль магматических пород: они были как бы ни при чем.
На самом деле глубинные рудоносные конгломераты формируются в тесной связи с магматизмом вокруг огромных бассейнов жидкого глубинного расплава, застывающего среди осадочных или вулканических пород, и возраст их может быть относительно молодым, конечно, по геологическим меркам. Хотя данная точка зрения была впервые высказана мной еще в 1979-1980 г.г., геологи и сейчас продолжают переписывать из учебника в учебник рассказы о «загадках речных русел Витватерсранда».
Трудно подсчитать, сколько “доброжелательных” отзывов мне пришлось получить от ученых коллег из редакций научных журналов. “Вы не были в Южной Африке и поэтому не Вам следует решать такие проблемы”, - написал в своем отзыве академик В.И.Смирнов, крупнейший и уважаемый специалист по рудным месторождениям. Академик А. А. Щеглов, будучи руководителем Дальневосточного научного центра, прослушал мой доклад на эту тему во Владивостоке. Потом он побывал на месторождениях Витватерсранда. Вернувшись из ЮАР, он позвонил мне в Москве и сказал, что теперь полностью разделяет мои воззрения. Но когда я попросил представить статью в “Доклады” РАН, он потребовал так изменить ее, что смысл гипотезы исчез. Иные рецензенты отзывались проще: “Мнение автора абсурдно, поскольку противоречит научной доктрине рудных месторождений золота и урана...” Ну, и так далее.
Печатать статьи на эту тему мне было крайне трудно. Однако я уверен, что инерция мышления в конце концов изменится и геологи поймут, что конгломераты с золотоурановым оруденением являются гипогенными, т.е.имеют глубинное происхождение. Сейчас ряд известных геологов разделяет мнение о глубинности конгломератов Витватерсранда. В их числе академик Н. А. Шило, профессор А. А. Кременецкий, известный сибирский геолог С. П. Долгушин, геологи из Коми и другие.
Поскольку гипогенные конгломераты возникали не только в древнейшие эпохи жизни нашей планеты, искать их можно и в гораздо более молодых породах, вокруг крупных гранитоидных массивов, в вулканических толщах. Для геологов-поисковиков это означает, что площади перспективных районов резко увеличиваются: глубинные уран золотоносные конгломераты могут быть найдены и в относительно молодых горных породах. Не исключено, что с ними могут быть связаны и другие полезные ископаемые.
При поисках глубинных рудоносных конгломератов надо помнить, что важнейшим признаком, позволяющим надежно отличить их от древних пляжных отложений морей, озер и речных русел, является наличие в них окатанных минералов, неустойчивых на поверхности Земли. Из них самый заметный и распространенный - тот самый галечниковый пирит, который заставил фермера Уолкера более века назад взять в руки таз для промывки кварц-пиритовых глубинных конгломератов Южной Африки.
Ежегодно из кимберлитовых трубок на планете добывается около 25 тонн технических и ювелирных алмазов стоимостью в необработанном виде около 12 миллиардов долларов. Жизнь десятков миллионов людей так или иначе связана с алмазами: они их ищут, добывают, обрабатывают, продают. Алмазы служат не только для удовлетворения безмерного человеческого тщеславия и тяги к блестящим дорогим безделушкам.
Подсчитано, что использование алмазных инструментов более чем вдвое повышает экономический потенциал любой развитой страны. Но на простой вопрос: как образуются алмазы в природе? - ответа нет до сих пор. Считается, что алмазы кристаллизовались в неведомых глубинах мантии, а кимберлитовые “трубки взрыва” выносили их к поверхности планеты. В этой общепринятой версии неясно все: и механизм образования алмазов, и размещение на планете алмазоносных пород - кимберлитов, и причины возникновения «кимберлитовых трубок», уходящих корнями в глубины Земли.
Алмазам и алмазоносным породам мантии - кимберлитам посвящены тысячи научных статей. Но они не отвечают на три главные загадки коренных алмазных месторождений. Первая: почему кимберлиты расположены только на “платформах”, самых стабильных и мощных блоках земной коры? Какие чудовищные силы заставили тяжелые породы мантии Земли нарушить великий закон Архимеда, рвануться вверх и пробить, как бронебойный снаряд невиданной силы, 40 километров более легких пород - базальтов, гранитов, осадочных пород? И почему кимберлитовые трубки “прокалывают” именно мощную земную кору платформ, а не тонкую 10-километровую кору океанического дна или переходной зоны на границе континентов с океанами, где на глубинных разломах дымят сотни вулканов, и лава свободно изливается на поверхность?.. Ответа на этот вопрос у геологов нет.
Другой загадкой является удивительная форма киберлитовых трубок. На самом деле, это совсем не “трубки”, а скорее “бокалы для шампанского”, конусы на тонкой ножке, уходящей в глубины планеты. Геологи называют их “трубками взрыва”, хотя трудно придумать более нелепое словосочетание: ведь подземные взрывы формируют вовсе не трубки, а сферы! Сейчас разбурены многочисленные так называемые “камуфлетные камеры” - пустоты, оставшиеся после мощных подземных ядерных взрывов. Все эти камеры имеют сферическую форму. Но ведь кимберлитовые “трубки-конусы” действительно существуют! Как они возникли? Ответа на этот вопрос тоже нет.
Третья загадка касается необычной формы зерен минералов в кимберлитах. Известно, что минералы, которые первыми кристаллизуются из расплавленной магмы, всегда образуют хорошо ограненные кристаллы. К таким минералам относятся апатит, гранат, циркон, оливин, ильменит. Они распространены и в кимберлитах, но здесь у них всегда отсутствуют кристаллические грани, их зерна округлены и по форме напоминают окатанную гальку. Геологи пытаются объяснить эту загадочную особенность тем, что минералы были оплавлены раскаленной магмой. Плавление, как известно, ведет к превращению минералов в аморфное стекло, лишенное кристаллической структуры. Однако никаких следов “остеклования” и потери кристаллической структуры в этих округлых зернах никому найти не удалось.
Зато кристаллы алмаза представлены на обогатительных фабриках целыми горами сверкающих, идеально образованных октаэдров или ромбододекаэдров с острыми ребрами, которыми так удобно резать стекло. А ведь они, по существующим воззрениям, возникли в глубинах мантии и были вынесены уже “в готовом виде” вместе с кимберлитовой магмой с глубины 150-200 километров. Эти кристаллы почему-то сохранились, несмотря на хрупкость, обилие внутренних напряжений и способность легко раскалываться по определенным плоскостям,
Выходит, что кристаллы алмаза, прошедшие весьма длинный и тернистый путь с расплавленной магмой, выглядят так, будто только что сошли с заводского конвейера. А вот кристаллы граната, циркона, апатита и других минералов, вроде бы выделившиеся из расплава непосредственно в трубке, лишены своих законных граней. Почему возник такой парадокс?
Обширный аналитический и экспериментальный материал позволил мне предложить новую модель образования кимберлитовых трубок и алмазов, которая позволяет объяснить геологические загадки этих сверхглубинных образований. Модель разработана на основе обширной информации о газовом, преимущественно водородно-метановом “выдохе” мантии, а возможно и ядра Земли.
Предлагается рассматривать кимберлитовые трубки как следы, оставшиеся после “прокола” литосферы поднимавшимися из мантии огромными газовыми пузырями. Пузырь мантийного газа пробивает себе тонкий игольный выход сквозь твердые кристаллические породы фундамента платформы, а затем формирует расширение - “бокал” - в поверхностных мягких осадочных породах. Глубинный газ раздвигает их страшным давлением в десятки тысяч атмосфер, передающимся из мантии в верхнюю часть земной коры по тонкой трубе “прокола” примерно так же, как передается давление по трубкам масляных гидравлических приводов автомобиля.
Приуроченность кимберлитов к платформам я объясняю тем, что платформы являются газонепроницаемыми структурами, способствующими скоплению под ними рассеянных в породах мельчайших пузырьков газа в крупные пузыри водородно-метанового состава. При определенном, критическом, объеме такой пузырь начинает всплывать к поверхности планеты. Глубинная дегазация Земли продолжается миллиарды лет, и вулканологи считают, что наиболее активно она проявлена в вулканических поясах, окружающих стабильные блоки платформ.
Платформы похожи на блюдца, плавающие в аквариуме, со дна которого поднимаются пузырьки воздуха. Пузырьки обтекают блюдце, но часть газа скапливается под его дном. Постоянно дымящиеся вулканы - прямое свидетельство обилия газов, выделяющихся по глубинным разломам литосферы. О глубинности газов свидетельствует тот факт, что гелий здесь резко обогащен легким глубинным изотопом Не-3. Но в газах платформ Не-3 в тысячу раз меньше, чем в газах вулканов и это означает, что платформы - непроницаемая заглушка для глубинных газов мантии.
По моему мнению, причиной, которая заставляет рассеянный мантийный газ собираться в всплывающие пузыри с «критическим» объемом, является мощное воздействие “горячих точек”, глубинных “форсунок”, связанных с жидким ядром Земли и прожигающих твердую литосферу. Например, современная “горячая точка” прожгла насквозь тонкую земную кору в Тихом океане и создала вулканы Гавайских островов. Эта “форсунка” работала на том же месте еще 70 миллионов лет назад, и от ее деятельности остался гигантский шов из застывшей базальтовой лавы. Это подводный Императорский хребет. Он протянулся на тысячи километров от Гавайских к Алеутским островам и отметил продвижение плиты Тихого океана на северо-запад.
Вулканы - это как бы действующие дымоходы Земли. Они работают исправно, если путь газов не перекрывают “заслонки”. В истории Земли чаще всего такими заслонками становились движущиеся платформы. Кора платформ настолько мощная, что у “горячей точки” не хватает энергии, чтобы ее прожечь. Но энергии достаточно, чтобы расплавить породы на глубине и собрать рассеянные в них микроскопические включения газов в крупные пузыри с “критическим” объемом около кубического километра.
Как известно, крохотные капельки жира в молоке не всплывают до тех пор, пока энергия маслобойки не слепит из них достаточно большой объем масла. Когда “горячие точки” сформируют под платформами крупные газовые пузыри, то в дело вступает закон Архимеда. Плотность смеси Н2-СН4 даже при давлении мантии меньше плотности воды. А вот плотность мантии более чем втрое больше плотности воды. Значит, подъемная сила пузыря объемом в 1 кубический километр составит 2,5 миллиарда тонн! И этот газ раскален до 600-800 0С!
Сужение кимберлитовых трубок на глубине в тонкую “ножку” - свидетельство того, что вся огромная подъемная сила газа прикладывается к очень малой площади, создавая эффект иглы, способной проколоть десятки километров горных пород. По тонкому каналу длиной 150-200 км мантийный газовый пузырь пробивается вверх, пока не внедрится в мягкие породы осадочного чехла. Можно сказать, что мантия как бы “вставляет клизму” мощной земной коре, в результате чего осадочные породы раздвигаются, и формируется конус кимберлитовой трубки.
Всплывание газового пузыря создает зону низкого давления в его хвостовой части, перекристаллизованные под действием газа мантийные породы дробятся, и устремляются в тонкий пробой. Газ тащит за собой породы мантии, словно спасатель, который за волосы выволакивает утопающего из воды. Как в гигантской пескоструйной машине, зерна минералов мчатся в адских конвекционных потоках газовой смеси, которую геологи называют флюидом. При этом кристаллы обдираются, теряют кристаллические грани и превращаются в глубинную гальку надкритического газового потока, почти не отличимую от обычной гальки рек.
Но микроскопическое исследование показывает, что отличие есть: воздействие раскаленных газовых струй создает особую матированную поверхность глубинных минералов кимберлитов, известную у геологов под названием “шагрень”. При увеличении в тысячи раз видно, что это микропористая коррозионная структура, напоминающая губку. Похожие структуры возникают при воздействии раскаленных газов на поверхность метеоритов или лопаток газовых турбин. Исследования апатита, циркона и других минералов показали, что они хранят “память” о прокаливании в газовой восстановительной среде.
Возникает вопрос: почему же так прекрасно огранены кристаллы алмазов? Ведь считается, что магма вытащила их из “каменных пещер” мантии и волокла более сотни километров. И твердость их не спасает: известно, что алмазы в россыпях окатаны и оббиты, поскольку минерал этот хрупкий. В учебниках приведены диаграммы равновесия алмаз-графит и написано, что алмаз возникает из графита. Но никто не задался вопросом: откуда же в мантии взялся графит? Ведь графит - запрещенный минерал для условий мантии. Здесь устойчивы карбиды железа, фосфора, кремния, азота и... водорода. Карбид водорода - это обычный метан. В отличие от других карбидов это газ, он подвижен и легко концентрируется в глубинном флюиде.
Правда, десятки тонн технических алмазов синтезируют из расплава железа, насыщенного углеродом. Синтез идет потому, что расплав при 1200 0С и давлении в тысячи атмосфер становится недосыщенным по растворимости в нем графита и пересыщенным по растворимости алмаза. Конечно, на природный процесс он не похож. Зато геологи не придали значения замечательному открытию советского физика Б. Дерягина, который еще в 1969 году получил диплом об открытии от АН СССР за синтез алмаза из метана при давлении даже ниже атмосферного!
Это открытие в корне меняло существующие представления об алмазе, как о минерале, кристаллизующемся обязательно из расплавов и при высоких давлениях. Оно позволило мне рассмотреть возможность кристаллизации алмаза из флюида и газовой смеси в системе С-Н-О. Оказывается, что в таком флюиде кислород при сверхвысоком давлении мантии теряет свои окислительные свойства и не окисляет даже водород. Но при подъеме газа вверх, при образовании кимберлитовой трубки давление падает. Достаточно уменьшить давление в 10 раз - от 50 до 5 килобар, чтобы активность кислорода возросла в миллион раз: он мгновенно окисляет водород и метан. Попросту говоря, газ самовоспламеняется и в подземной трубе вспыхивает огонь!
Итог подземного пожара зависит от соотношения углерода, водорода и кислорода во флюиде. Если кислорода не слишком много, он вырвет из молекулы метана СН4 лишь водород, и возникшие при этом пары воды поглотит минеральная пыль с образованием серпентинита, характернейшего минерала кимберлитов. Оставшийся одиноким ионизированный углерод при давлении в тысячи атмосфер и температуре около 1000 0С замкнется ненасыщенными ковалентными связями “сам на себя” с возникновением гигантской молекулы чистого углерода, которую мы называем алмазом.
Благоприятное для возникновения алмазов сочетание компонентов встречается редко: лишь 3-5% кимберлитовых трубок являются алмазоносными. При избытке кислорода в метане сгорит не только водород, но и углерод, который превратится в оксиды - СО или СО2. Так возникают безрудные кимберлиты, отличающиеся повышенной магнитностью за счет появления оксида железа – магнетита. Это означает, что кислорода было так много, что он даже “вырвал” железо из состава силикатов. Если алмаз возникает как продукт самопроизвольного подземного сгорания водорода в углеродистом флюиде, то прозрачные кристаллы углерода - просто “зола” или “сажа”, осевшая в “дымоходах” мантии.
Эксперименты по взрывному синтезу показывают, что алмазы растут за тысячные доли секунды – практически мгновенно. Значит, в метановом флюиде вокруг “глотающих” газообразный углерод кристаллов возникает зона пониженного давления, где резко увеличивается активность кислорода. Можно предположить, что кристаллизация сопровождается бесчисленными вспышками-взрывами. Кристаллизации способствует необыкновенно высокая теплопроводность алмаза, позволяющяя быстро уравнивать температуру в объеме кристалла. Действительно, авторы патентов, где предполагается кристаллизация алмазов при участии газовой фазы, отмечают взрывы в кристаллизационной камере. Возможно, что во мраке подземелий рождение алмазов напоминает полет светлячков.
Горение метана увеличивает активность кислорода и отражается на изотопном составе углерода и азота, входящих в состав алмазов, поскольку в окислительной среде концентрируются тяжелые изотопы. Анализы, проведенные на зональных кристаллах алмазов из кимберлитов, показывают, что внутренние части кристаллов обогащены легким изотопом углерода. Известно, что легкие изотопы углерода и азота накапливаются в восстановительной среде, а тяжелые – в окислительной. Резкий рост концентрации тяжелых изотопов углерода и азота во внешней зоне кристаллов свидетельствует о том, как быстро нарастает окислительный потенциал при алмазообразовании.
Высокая теплопроводность алмазов позволяет им расти очень быстро. Поэтому алмазы похожи на своеобразные консервные банки, захватившие из газа многочисленные включения пыли - зерна минералов глубинных пород. Определение абсолютного возраста этих минеральных включений иногда совпадает с геологическим возрастом кимберлитовых трубок, но чаще возраст включений оказывается более древним. Так, например, в трубке “Кимберли” в Южной Африке, внедрившейся в окружающие породы 85 миллионов лет назад, возраст граната пиропа, определенный самарий-неодимиевым методом, составляет 3200 миллионов лет.
В якутской трубке “Удачная”, прорвавшей окружающие породы 425 миллионов лет назад, возраст включений минерала клинопироксена определен калий-аргоновым методом в 1149 миллионов лет, и т.д.
Геологи обычно делают из таких определений вывод, что алмазы кристаллизовались в мантии очень давно - миллиарды лет назад, а затем взрывы выбросили их к поверхности Земли. По нашему мнению, включения древних минералов мантии были захвачены растущими кристаллами из пыли флюида.
Среди включений в алмазах установлены самородные металлы - железо, никель, хром, серебро, а также сульфиды никеля и железа. Как они попали в алмазы? Очевидно, эти металлы заимствованы из силикатов с повышенными содержаниями железа, никеля, серебра и шпинелидов с высоким содержанием хрома такими мощными восстановителями, как Н2 и СО, а примесь сероводорода, характерного для подземных газов, превратила некоторые из этих металлов в сульфиды. Алмазная “броня” сохранила неустойчивую сульфидно-металлическую пыль в виде примеси в кристаллах.
Загадкой для геологов длительное время оставались резкие “сухие” контакты кимберлитовых трубок с окружающими породами.
Обычно вокруг массивов магматических пород возникают мощные зоны контактовых изменений. А вокруг кимберлитов изменения осадочных пород ничтожны. Связано это явление с тем, что теплоемкость газов, формировавших кимберлиты, в 2-3 тысячи раз ниже теплоемкости силикатного расплава в том же объеме: газ быстро остывает, соприкасаясь с осадочными породами. В то же время контактовые изменения вокруг кимберлитовых трубок значительны, но они имеют необычный характер. Изменения проявляются в том, что вокруг трубок возникают мощнейшие - до полукилометра - ореолы концентрации мельчайших зерен люминесцирующих минералов.
Во вмещающих осадочных породах в десятки и даже сотни раз увеличивается содержание зерен апатита и циркона - минералов, ярко светящихся в ультрафиолетовых лучах. Причем апатит светится не обычным желтым светом за счет присутствия Мn 2+ , а голубоватым светом, обусловленным присутствием Еu 2+, что характерно именно для апатита кимберлитов. Такие люминесцентные ореолы объясняются мощной продувкой пористых осадочных пород глубинным мантийным газом, обладающим давлением в тысячи атмосфер и переносящим характерные элементы кимберлитов.
Рождение алмазов не в неведомых “каменных пещерах”, а в процессе формирования кимберлитовых трубок объясняет сохранность идеально образованных кристаллов алмазов на фоне кимберлитовой “гальки”, состоящей из окатанных, оббитых и лишенных граней глубинных минералов, действительно извлеченных из мантии. На кристаллизацию алмазов из газа указывает также постоянное присутствие в них азота (до 0,3%), а иногда - бора. В ультраосновных породах мантии практически нет ни азота, ни бора, но во флюиде эти элементы резко концентрируются, поскольку образуют газообразные соединения с водородом. Видимо, накапливался во флюиде и радон, о былом присутствии которого свидетельствует резкое обогащение кимберлитов радиогенным изотопом свинца - Рb-206, возникающим из радона. Именно радон, сильнейший альфа-излучатель, мог создать загадочные зеленые алмазы, окраска которых связана с воздействием альфа-частиц.
Современная промышленность получает за счет неполного окисления метана миллионы тонн сажи ежегодно; 80% этой сажи идет на производство автомобильных шин. Огромное количество сажи оседает на стенках бесчисленных труб - печных, фабричных, заводских и это никого не удивляет. А вот привыкнуть к мысли, что алмаз - тоже сажа, только мантийная, геологам трудно. Такая аналогия кажется им кощунственной.
Чтобы упрощенная аналогия кимберлитовых трубок с печными трубами не вредила пониманию природного процесса, замечу, что кимберлитовые трубки не образовывали вулканов, не выходили на поверхность Земли и не коптили небо, как трубы Лондона в Х1Х веке. Кимберлит – не магматическая порода, а аналог вулканического туфа, флюидизит, оставшийся в глубинах Земли. Поэтому структура его – не порфировая, а брекчиево-конгломератовая. Если преобладают угловатые обломки осадочного чехла. то возникает брекчия, а если много окатышей глубинных минералов – конгломератовая. Шаровидные образования в кимберлитах, похожие на теннисные мячи и называемые «автолитами», на наш взгляд, «слеплены» из липкой серпентинитовой пыли газовыми потоками при гидратации глубинного раздробленного оливина парами воды.
Мантийный газ зависал в осадочных слоях земной коры, подобно тому, как аэростат с газовой горелкой висит в атмосфере, израсходовав энергию на подъем. Поэтому никому из геологов не удалось найти вулканы, разбрасывающие вокруг кристаллы алмазов. Кимберлитовые трубки вскрываются лишь процессами эрозии. Для геологоразведчика это означает, что существует множество “слепых” кимберлитовых трубок, не выходящих на поверхность. Об их присутствии можно узнать по наличию локальных магнитных аномалий, верхняя кромка которых располагается на глубине в сотни, а если повезет - то и десятки метров. Эти невскрытые эрозией трубки хранят алмазы для будущих поколений геологов.
Глубинные золотоносные “реки” Земли
В 1877 году знаменитый австрийский геолог Эдуард Зюсс опубликовал статью, которая вызвала панику в финансовых и промышленных кругах европейских государств. Статью рассматривала специальная комиссия германского рейхстага, в разгоревшейся дискуссии приняли участие многие ученые - геологи, экономисты, историки. Что же так взволновало общественность? Оказалось, Зюсс предсказывал экономический крах нашей цивилизации вследствие грядущего неизбежного дефицита золота - основы мировой финансовой системы того времени. Собрав данные об известных месторождениях благородного металла, темпах его добычи и росте потребления, он рассчитал, что вскоре возникнет катастрофический дефицит золота, поскольку спрос на него резко превысит предложение.
Однако мировой валютный кризис не состоялся. Спасение пришло неожиданно - из Южной Африки. В 1886 году фермер Уолкер, живший вблизи города Иоганнесбурга, заметил в найденном камне блестки латунного цвета. На всякий случай он раздробил породу и промыл песок в тазу с водой. Как часто бывает у новичков-золотоискателей, Уолкер ошибся: отливающие латунью зерна оказались минералом пиритом, сульфидом железа (FeS2), не имеющим особой ценности. Но Уолкеру невероятно повезло: вместе с пиритом на дне таза змеилась тонкая ярко-желтая полоска настоящего золотого песка.
Так было открыто золото Витватерсранда, величайшего в мире скопления драгоценного металла. Впоследствии ценность месторождения возросла, поскольку оказалось, что в нем вместе с золотом концентрируется также уран. За всю историю человечества добыто около 100.000 тонн золота, и половина его извлечена из рудников Витватерсранда. Иногда здесь за год добывали более тысячи тонн золота. Благодаря мощному притоку южноафриканского золота мировой финансовый кризис не состоялся.
Естественно, что уникальный золоторудный гигант привлек всеобщее внимание, и геологи пытались найти его аналоги в других странах. Удивительная особенность месторождения заключалась в сочетании простоты геологического строения и неразрешимой сложности загадок, которые возникали при его изучении. Действительно, рудные залежи здесь представлены пластами плотно сцементированных галечников-конгломератов, очень похожих на современные речные или прибрежные морские золотоносные россыпи.
Поскольку в конце прошлого века основную массу золота добывали из россыпей Урала, Сибири, Калифорнии, Австралии и Аляски, то геологи, изучавшие Витватерсранд, были убеждены, что в Южной Африке открыты гигантские древние россыпи, скопившиеся в реках протерозойской геологической эпохи. Это мнение вошло в научные монографии и учебники всего мира.
Но по мере изучения Витватерсранда возникали вопросы, на которые не было вразумительных ответов. Например, известно, что вблизи россыпей можно найти остатки коренных месторождений, за счет которых эти россыпи возникли. В рудных пластах Витватерсранда природа собрала около 100.000 тонн золота; по меньшей мере, еще столько же золота содержится в пластах с непромышленным содержанием.
Известно, что в россыпи переходит лишь часть коренного золота, а значительная часть его истирается и бесследно рассеивается. Значит, в коренных месторождениях, за счет которых возникли древние россыпи, насчитывалось не менее 500.000 тонн золота!
Между тем крупным коренным месторождением золота называется месторождение с запасами всего лишь в сто - двести тонн. Поэтому возникает естественный вопрос: где же находились тысячи крупных коренных месторождений золота, а также многочисленные огромные месторождения урана?
В Южной Африке по сей день не обнаружены коренные жильные типы крупных золоторудных и урановых месторождений, а если даже предположить, что они полностью стерты эрозией, то для них здесь просто не найдется достаточно места. Между тем подсчеты показывают, что в рудном поле Витватерсранда на площади в 100 000 кв. км насыщенность золотом достигает двух тонн на каждый квадратный километр! Откуда было принесено это золото? Ни одна гипотеза не может указать на источник сноса такого чудовищного количества россыпного золота.
Другая загадка касается состава древних галечников. Уже первооткрыватель фермер Уолкер обратил внимание на то, что в конгломератах вместе с массой галек молочно-белого жильного кварца содержится также много пирита. Но обычно пирит образует прекрасные кристаллы, а здесь он так хорошо окатан, что напоминает шарики. Геологи Южной Африки называют его “пиритовой дробью” или “картечью” в зависимости от величины окатанных кристаллов. Окатан и рудный минерал урана - уранинит. Загадка заключается в том, что и пирит, и уранинит, в отличие от кварца, минералы очень неустойчивые. На поверхности Земли они мгновенно окисляются, разрушаются и исчезают, поэтому в современных речных россыпях их нет. Почему окатанные пирит и уранинит сохранились в якобы речных галечниках Витватерсранда?
Долгое время считалось, что в нижнем протерозое в атмосфере Земли не было кислорода и поэтому пирит мог сохраниться в речных отложениях. Однако современные анализы изотопов кислорода в протерозойских осадках дают однозначный ответ: кислород в те времена присутствовал в атмосфере в немалых количествах. Подтверждением этого являются, в частности, многокилометровые пласты осадочных толщ железистых кварцитов протерозоя, состоящих из оксида железа – гематита. Такие “ржавые” осадки возникают лишь при наличии богатой кислородом атмосферы, когда кристаллы пирита просто не успевают стать галькой - они окислятся и превратятся в ржавчину гидроокислов железа.
Между тем пиритовой гальки среди кварцевой гальки Витватерсранда так много, что в год здесь добывают 500 000 тонн пирита для получения серной кислоты. И стоимость добываемого здесь окатанного уранинита составляет 10% от стоимости золота. Почему сохранились в россыпях минералы, неустойчивые в условиях земной поверхности? Ответа на этот вопрос нет.
Наконец, совершенно удивительной оказалась загадка возраста руды. Разведка выявила около двух десятков пластов, залегающих друг над другом в 10-километровой толще древних осадков - песчаников и сланцев. Нижние пласты этой толщи имеют возраст 2,5 миллиарда лет, а верхние - 1,9 миллиарда, т.е. 10 километров осадков накопились здесь за 600 миллионов лет. Между тем все многочисленные пласты рудных галечников имеют одинаковый возраст - около 1,9 миллиарда лет, независимо от того, где они залегают: в нижней или верхней части разреза вмещающих пород. Ни один геолог не может объяснить, почему древние пески и глины переслаиваются с более молодыми галечниками. Ведь это противоречит геологическим представлениям о закономерностях образования осадочных толщ.
Чтобы объяснить этот парадокс, геологи были вынуждены предположить, что в процессе позднего изменения пород из легко изменяющегося уранинита, по которому определялся возраст конгломератов, была вынесена часть радиогенного изотопа Pb-206, и от этого уранинит как бы “омолодился” до 1,9 миллиарда лет. Однако возраст сопровождающего уранинит более устойчивого радиоактивного минерала - монацита тоже оказался близким к возрасту уранинита. Был установлен еще более удивительный факт: рудные галечники с возрастом (по ураниниту и монациту) в 1,9 миллиарда лет пересекались жилами с сульфидом свинца галенитом, в котором было так много радиогенного изотопа свинца Pb-206, что его возраст оценивался интервалом 2,5 - 3,8 миллиарда лет.
Как такое возможно? Разве может дед быть моложе внука?.. И что это за река, которая существует 600 миллионов лет и регулярно отлагает рудные конгломераты? Ведь срок жизни рек на земной поверхности невелик - всего несколько миллионов лет... Неразрешимых загадок было так много, что их просто перестали обсуждать. В геологической литературе даже появился термин “загадки Витватерсранда” без каких-либо намеков на их разрешение.
Несмотря на все эти загадки, геологи продолжали считать Витватерсранд гигантской речной россыпью. Так продолжалось до тех пор, пока разведка не выявила в Средней Азии на Кураминском хребте крупные коренные месторождения золота в вулканических породах каменноугольного периода. 300 миллионов лет назад здесь поднимались огнедышащие горы, похожие на Ключевскую сопку. Сейчас от конусов вулканов ничего не осталось - они уничтожены эрозией, но зато вблизи от поверхности оказались их рудоносные глубинные “корни”, где в трещинах среди андезитовой лавы из минерализованных растворов при температуре около 300 0С шел процесс отложения самородного золота.
Рудные тела здесь были двух типов: в виде обычных кварц-пиритовых жил и в виде более поздних рудных столбов совершенно необычного состава, которые прорывали кварцевые жилы. Необычность рудных столбов состояла в том, что они были забиты окатанными обломками разных горных пород. Здесь валуны и галька андезитов перемешались с обломками кварцевых жил и все они были прочно сцементированы поздним пиритом и кварцем с примесью золота.
И вот в этих рудах я с удивлением увидел массу зерен пирита необычной формы, похожих на дробь или картечь. Можно было проследить, как типичные кристаллы пирита в виде кубиков постепенно превращались в шарики. Геологи считали, что здесь имеет место процесс растворения или даже плавления. Это была ошибка: пирит не плавится, а при растворении возникают совсем другие формы. Микроскопические исследования зональности пирита показали, что причиной появления таких странных форм был... процесс окатывания! Можно было также увидеть слоистые и косослоистые, как в обычных речных отложениях, скопления пиритового песка вместе с кварцевой галькой. Это был совершенно неизвестный ранее процесс окатывания вмещающих горных пород и более ранних кварц-пиритовых жил в рудоносных подземных реках.
Значит, в недрах вулкана бурлил кипящий водный поток, а в нем неслись валуны андезитов, дробившие более ранние рудные жилы так же, как размалывают их чугунные шары шаровых мельниц на горнообогатительных фабриках. Газы и водно-паровая смесь под давлением в тысячи атмосфер пробили в лаве вертикальные трубы, наполнили их окатанными обломками минералов рудных жил и сцементировали их золотоносным кварцем. Такую картину не рисовали ранее ни научные монографии, ни учебники по геологии. Рудные залежи в Кураминских горах свидетельствовали о том, что конгломерат - сцементированная галька - возникает не только на поверхности Земли - в реках и озерах, но и в ее глубинах, в трещинах, заполненных рудообразующим кипящим раствором.
И самое главное: рудные конгломераты Средней Азии внешне практически не отличались от... золотоносных конгломератов Южной Африки. Можно было подумать, что пиритовые галечники взяты с одного месторождения, а не возникли на разных концах Земли. И цемент их был геохимически сходен: помимо золота, в нем концентрировались уран и торий. Значит, совсем необязательно связывать происхождение золотоносных конгломератов Южной Африки с отложениями древних рек: загадки Витватерсранда легко объясняются гипотезой об их глубинном происхождении за счет энергии флюидов - газов, выделяемых магматическими расплавами.
Главная загадка - источник золота. Россыпи - вторичны, а первичное золото приносится из глубин Земли горячими минерализованными растворами, связанными с огромными массами расплавленной магмы. По моему мнению, золото Витватерсранда связано с внедрением в земную кору огромного магматического Бушвельдского массива, площадь которого около 200.000 кв. км, а объем - более миллиона кубических километров!
Рудные пласты окружают этот массив и уходят вглубь - к его “корням”; поэтому рудное поле похоже на белый гриб, перевернутый шляпкой вниз: толстая ножка гриба - это Бушвельдский массив, а шляпка - рудные залежи. При остывании расплавленной магмы выделилось много паров воды, которые вынесли с собой уран и отложили его в кварц-пиритовых жилах среди окружающих осадочных пород. Но затем последовал катастрофический прорыв богатых золотом газонасыщенных растворов, раздробивший ранние рудные жилы и превративший их энергией бурлящих потоков в пласты подземных конгломератов, внешне не отличимые от речных. При этом золото и уран оказались в цементе между гальками кварца и пирита. Отсутствие кислорода предохранило от окисления неустойчивые минералы пирит и уранинит.
Гипотеза о формировании глубинных рудоносных конгломератов позволила решить “неразрешимые” геологические загадки. Поскольку возраст Бушвельского массива около двух миллиардов лет, он практически совпадает с возрастом всех рудных пластов. Это значит, что рудные пласты внедрились в мощную толщу осадочных пород одновременно, при выделении из огромного “котла” с расплавом магмы водно-газовых рудных растворов. Бурные подземные реки текли тысячи лет, о чем свидетельствует прекрасная окатанность валунов гранита, галек жильного кварца, зерен уранинита, пирита и других минералов.
Загадку, связанную с аномальным накоплением радиогенного изотопа свинца - Pb-206, удалось объяснить при изучении кварцевой и пиритовой галек из Средней Азии методами электронно-парамагнитного резонанса и эффекта Мессбауэра. Оказалось, что окатанные глубинные минералы хранят память о полученной ими огромной дозе альфа-излучения. В отличие от них поздние кварц и пирит в цементе конгломератов, хотя и содержат повышенную концентрацию урана и тория, получили дозу облучения в 100-200 раз меньше. Какой радиоактивный элемент мог так сильно облучить гальку в кипящем растворе?..
Как известно, сильнейшим альфа-излучателем является радон. В то же время радон концентрируется в газовой фазе, и при кипении растворов именно он может дать высокую дозу облучения при сравнительно низких содержаниях урана и тория. Видимо, подземные реки Средней Азии были буквально насыщены радоном. Но радон живет недолго и вскоре переходит в радиогенный изотоп свинца - Pb-206, причем при превращении газа в свинец оседает на обломках горных пород в виде тончайших серых пленок, которые легко растворяются рудными растворами и осаждаются сероводородом в виде сульфида свинца - минерала галенита. Но галенит в этом случае резко обогатится радиогенным изотопом свинца и поэтому геологу его возраст покажется значительно древнее истинного.
Вспомним, что именно с этим парадоксом столкнулись геологи на Витватерсранде: геологически молодой галенит из секущих поздних жил обладал невероятно “древним” архейским возрастом именно из-за высокой концентрации радиогенного Pb-206. Но накопление Pb-206 легко объясняется обилием радона в кипящих подземных реках, что естественно при обилии урановой руды, постоянно выделяющей радон. Впоследствии рассеянный радиогенный свинец сконцентрировался в поздних жилах, пересекавших рудные залежи.
Представление о возможности формирования глубинных конгломератов, очень сходных с поверхностными, позволяет снять многочисленные загадки и парадоксы. Наличие глубинных золоторудных конгломератов в относительно молодых палеозойских вулканических породах позволяет также дать совершенно новые рекомендации для поиска золоторудных гигантов. Ведь раньше геологи были уверены в том, что их надо искать лишь в речных отложениях древних архейских пород, площадь распространения которых на Земле невелика. При этом не обращали внимания на активную роль магматических пород: они были как бы ни при чем.
На самом деле глубинные рудоносные конгломераты формируются в тесной связи с магматизмом вокруг огромных бассейнов жидкого глубинного расплава, застывающего среди осадочных или вулканических пород, и возраст их может быть относительно молодым, конечно, по геологическим меркам. Хотя данная точка зрения была впервые высказана мной еще в 1979-1980 г.г., геологи и сейчас продолжают переписывать из учебника в учебник рассказы о «загадках речных русел Витватерсранда».
Трудно подсчитать, сколько “доброжелательных” отзывов мне пришлось получить от ученых коллег из редакций научных журналов. “Вы не были в Южной Африке и поэтому не Вам следует решать такие проблемы”, - написал в своем отзыве академик В.И.Смирнов, крупнейший и уважаемый специалист по рудным месторождениям. Академик А. А. Щеглов, будучи руководителем Дальневосточного научного центра, прослушал мой доклад на эту тему во Владивостоке. Потом он побывал на месторождениях Витватерсранда. Вернувшись из ЮАР, он позвонил мне в Москве и сказал, что теперь полностью разделяет мои воззрения. Но когда я попросил представить статью в “Доклады” РАН, он потребовал так изменить ее, что смысл гипотезы исчез. Иные рецензенты отзывались проще: “Мнение автора абсурдно, поскольку противоречит научной доктрине рудных месторождений золота и урана...” Ну, и так далее.
Печатать статьи на эту тему мне было крайне трудно. Однако я уверен, что инерция мышления в конце концов изменится и геологи поймут, что конгломераты с золотоурановым оруденением являются гипогенными, т.е.имеют глубинное происхождение. Сейчас ряд известных геологов разделяет мнение о глубинности конгломератов Витватерсранда. В их числе академик Н. А. Шило, профессор А. А. Кременецкий, известный сибирский геолог С. П. Долгушин, геологи из Коми и другие.
Поскольку гипогенные конгломераты возникали не только в древнейшие эпохи жизни нашей планеты, искать их можно и в гораздо более молодых породах, вокруг крупных гранитоидных массивов, в вулканических толщах. Для геологов-поисковиков это означает, что площади перспективных районов резко увеличиваются: глубинные уран золотоносные конгломераты могут быть найдены и в относительно молодых горных породах. Не исключено, что с ними могут быть связаны и другие полезные ископаемые.
При поисках глубинных рудоносных конгломератов надо помнить, что важнейшим признаком, позволяющим надежно отличить их от древних пляжных отложений морей, озер и речных русел, является наличие в них окатанных минералов, неустойчивых на поверхности Земли. Из них самый заметный и распространенный - тот самый галечниковый пирит, который заставил фермера Уолкера более века назад взять в руки таз для промывки кварц-пиритовых глубинных конгломератов Южной Африки.
А. М. Портнов
профессор, доктор геолого-минералогических наук
профессор, доктор геолого-минералогических наук
______________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Комментариев нет:
Отправить комментарий