Алмазы в Солнечной системе

 

 

 

Еще в XVIII веке астрономы рассчитали, что между орбитами планет Марс и Юпитер должно находиться какое-то неизвестное небесное тело. В 1796 году 24 астронома организовали общество, поставившее перед собой задачу обнаружить эту загадочную планету. Однако открытие было сделано человеком, даже не подозревавшим  об этом.   Им  оказался сицилийский   астроном   Джузеппе Пиацци,   в   ночь   на 1   января   1801   года случайно обнаруживший искомый объект. Эта первая из малых планет,   или астероидов, была названа Церерой, по имени античной богини плодородия, которая считается покровительницей Сицилии. Вскоре были обнаружены еще три астероида — Паллада, Юнона и Веста. В дальнейшем открытия малых планет следовали одно за другим.

Сегодня зарегистрированы, то есть имеют номер или название, свыше 2000 астероидов, самый крупный из которых имеет диаметр около 1000 километров. У большинства же размеры не превышают 5—10 километров. Расчеты показывают, что число астероидов диаметром больше одного километра может достичь 30 000, а размерами меньше одного километра — сотен миллионов. Иными словами, пространство между Марсом и Юпитером заполнено огромным количеством астероидов, которые, по современным представлениям, являются обломками более крупных небесных тел.

Астероиды движутся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Нередко эти орбиты пересекаются, астероиды сталкиваются друг с другом, их обломки разлетаются в разные стороны и часть из них попадает в поле притяжения Земли. Если масса и скорость такого обломка, достаточно велики, то он не успевает испариться при движении в атмосфере и падает на Землю в виде метеорита.

Весной 1887 года один из таких метеоритов был направлен на исследование в Петербургский лесной институт.

Этому предшествовали следующие события.

Ранним утром 10 сентября 1886 года несколько крестьян небольшой деревушки Новый Урей Красносло-бодского уезда Пензенской губернии (ныне село Карамзинка Горьковской области) пахали поле, расположенное верстах в трех от деревни. День был пасмурный, небо обволокли тучи, и с минуты на минуту ожидался дождь.

Внезапно ослепительно яркий свет озарил всю окрестность, и через несколько секунд, по свидетельству Очевидцев, «раздался страшный треск, подобный пушечному выстрелу или взрыву, затем треск повторился с еще большей силой».

Одновременно в нескольких метрах от крестьян на землю упал огненный шар; вслед за этим шаром невдалеке над лесом опустился другой огненный шар, значительно больше первого. От страха крестьяне попадали на землю и долго не решались даже пошевелиться.

Наконец, наиболее храбрый из них направился к тому месту, где упал огненный шар. К своему удивлению он обнаружил очень горячий черный камень, который лежал в середине небольшой ямы, до половины углубившись в землю. Затем крестьяне пошли к лесу, надеясь разыскать второй, большой, камень. Однако поиски оказались тщетными. Это было болотистое место, и, видимо, камень засосало.

На следующий день один из крестьян той же деревни случайно обнаружил на своем поле гречихи точно такой же камень, какой принесли накануне его соседи.

Один из найденных камней (понятно, что это были метеориты) приобрел учитель городского трехклассного училища П. Н. Барышников, который и направил его в Петербург, в Лесной институт.

Что касается другого камня, то он был... съеден, в буквальном смысле этого слова, местными жителями.

Вот как описывает тот же Барышников события, последовавшие вслед за падением метеоритов:

«Через несколько дней толпы мордовок направились в Новый Урей за «христовым камнем»; многие несли последние гроши, чтобы купить хоть крошку святыни. «Христов камень» получил почему-то в глазах мордвы значение чудотворного вещества, ниспосланного в виде особой милости свыше; крупинки метеорита считались положительно универсальным лекарством. Распространялись нелепые слухи о «чудесном исцелении»; требования на «христов камень» усилились; счастливый владелец метеорита пользовался случаем и продавал камешек чуть ли не на вес золота, выказывая при этом слабости настоящего завзятого аптекаря. Прием «христова камня» производился таким образом: пациент, купивши ничтожный кусочек метеорита, толок и растирал его в порошок и затем, смешав с водой, благоговейно выпивал, творя молитву и крестное знамение»...

Однако вернемся к метеориту, переданному Петербургскому лесному институту. Исследованием небесного пришельца занялись профессор кристаллографии и минералогии Михаил Васильевич Ерофеев и профессор химии Павел Александрович Лачинов.

Присланный в институт камень весил 1762,3 грамма. Он остался почти нетронутым. Его и сегодня можно увидеть в музее Ленинградского горного института. Исследователи израсходовали на опыты лишь 24,3 грамма метеорита.

 

 

 

Оказалось, что этот так называемый каменный метеорит состоит в основном из силикатов — оливина и пироксена, минералов, характерных и для земных пород. При этом крупные зерна силикатов разделены черным углистым (то есть содержащим углерод) веществом. В пробах были обнаружены в незначительном количестве зерна никелистого железа, сульфида железа, хромиты и некоторые другие соединения и элементы.

Последовательно обрабатывая истолченный в порошок материал метеорита царской водкой, плавиковой и разбавленной серной кислотой, Ерофеев и Лачинов получили нерастворимый черный остаток, количество которого составляло несколько больше 2% от веса исходного материала.

Еще не зная, что это за вещество, исследователи подвергли его умеренному нагреву. Изменения в весе вещества почти не произошло. Однако при более интенсивном и продолжительном прокаливании вес остатка стал заметно убывать.

«Не сгоревшая и не растворившаяся часть, — написали впоследствии Ерофеев и Лачинов, — составляющая около 40% первоначального веса остатка, резко отличалась от него по свойствам: она являлась в виде почти белых, слегка сероватых крупинок, до того твердых, что они невыносимо царапали стеклянную и платиновую посуду».

— Может быть, это корунд? — подумали исследователи.

Оставалось провести решающий эксперимент.

Светлые крупинки были сплавлены с кислым сернокислым калием. В природе существует только один минерал,  способный  выдержать  такое  испытание.

Никаких изменений ни по виду, ни по весу в крупинках практически не произошло.

Однако, прежде чем произнести решающее слово, исследователи провели тщательные измерения. Удельный вес крупинок нерастворимого остатка оказался равным 3,1 грамма на кубический сантиметр. При сжигании в сильном пламени выделилось 95,4% углерода и 3,23% золы. Крупинки оставляли видимые простым глазом резкие царапины на эталонном образце корунда.

Теперь сомнений не оставалось: это алмаз!

Так в 1888 году русские ученые впервые в мире обнаружили присутствие в метеоритах алмазов. За это выдающееся открытие Российская Академия наук присудила Ерофееву и Лачинову Ломоносовскую премию.

В том же 1888 году Ерофеев и Лачинов опубликовали сообщения о своем открытии в ряде русских научных журналов и в «Докладах Французской Академии наук».

Алмазные частицы, обнаруженные в метеорите, Ерофеев и Лачинов отнесли к поликристаллам алмаза типа карбонадо. Однако последующие исследования методом рентгеновского анализа (конечно, во времена Ерофеева и Лачинова не имели понятия даже о самих рентгеновских лучах!) позволили более точно установить природу этих частиц. Они легче дробятся по сравнению с карбонадо и наполовину состоят из графита и других включений.

По современным представлениям, алмазы в каменных метеоритах находятся в виде микрокристаллов размером до одного микрометра.

Далее, на основании своих опытов Ерофеев и Лачинов вычислили, что масса алмазных кристаллов составляет примерно одну сотую часть пробы. Отсюда они решили, что раз масса метеорита, от которого взята проба, равна 1762,3 грамма, то в нем при условии равномерного распределения алмазов по всему объему камня должно содержаться примерно 17,6 грамма, или 88 каратов алмазов.

Впоследствии выяснилось, что Ерофеев и Лачинов ошиблись: не всегда по частному можно судить о целом. Однако так высок был их авторитет и до того казались заманчивыми открывающиеся перспективы, что последующие исследователи нередко стали принимать за алмазы любые твердые зерна, встречающиеся в метеоритах, даже не проверив действие на них кислот.

В самом деле, если в метеорите массой менее 2 килограммов содержится почти 100 каратов алмазов, то сколько их должно находиться в метеоритах массой н тысячи и десятки тысяч тонн?

Эта ошибка послужила одной из причин последующих событий.

В южной части обширного полупустынного плато Колорадо, в американском штате Аризона, невдалеке от ущелья Каньон Диабло, что в переводе означает «ущелье дьявола», с незапамятных времен известна гигантская воронка — кратер.

С поверхности Земли форма воронки представляется округлой, но если смотреть с самолета, то видно, что ее форма приближается к квадратной с округлыми краями. Ее поперечник 1220 метров, а глубина—184 метра. Со всех сторон кратер окружен валом из обломков горных пород, возвышающихся над уровнем окружающей равнины на 67 метров.

В 70-х годах прошлого века белые поселенцы обратили внимание на то, что вал, окружающий кратер, и прилегающие к нему участки равнины усеяны железными обломками. Они приняли эти обломки за руду. Однако аборигены — индейцы утверждали, что это священные камни, посланные с неба, и на них лежит табу. Наконец, в 1891 году железные обломки из Каньона Диабло попали в руки геолога из Филадельфии А. Е. Фута, который установил их метеоритное происхождение.

Получилось так, что суеверие индейцев оказало помощь науке. Обломки метеорита сохранились в первозданном состоянии. По их характеру и месторасположению ученым удалось воссоздать картину события, имевшего место несколько тысячелетий назад.

Воронкообразный кратер Каньон Диабло образовался в результате падения на Землю гигантского железного метеорита. Его масса ориентировочно была равна от 50 000 до 3 миллионов тонн. Скорость при ударе составляла 12—20 километров в секунду.

В 1892 году профессор Г. А. Кениг из Филадельфии, распилив полученный от А. Е. Фута образец метеоритного железа, обнаружил на стенке небольшой полости маленькие черные зерна алмаза. А еще через десять лет американский горный инженер Даниэль Баррин-джер организовал акционерное общество по извлечению из-под земли гигантского метеорита. Предполагалось, что в метеорите, кроме алмазов, содержится и платина. На дне кратера началось разведочное бурение.

 

 

 

 

Одпонремспно исследовались обломки метеорита, лежащие па поверхности земли. Но увы! В большинстве из них алмазы обнаружены не были. Лишь в нескольких обломках, находящихся на валу кратера, было обнаружено мизерное количество кристаллов алмаза.

В 1924 году Барринджер сообщил, что в одной из разведывательных скважин на глубине в 419 метров под дном кратера сломался бур, натолкнувшись, очевидно, на железное тело метеорита. Однако это сообщение у «деловых людей» энтузиазма не вызвало. К тому времени стало ясно, что ни платины, ни алмазов в ощутимом количестве в этом метеорите содержаться не может. Акционерное общество распалось, и финансирование работ прекратилось.

Таким образом, вопрос о том, лежит ли тело метеорита Каньон Диабло до сих пор под землей или оно распылилось при ударе метеорита о поверхность земли, пока остается открытым.

Советский ученый Геннадий Петрович Вдовыкин провел тщательное исследование алмазов, содержащихся в пробах разных метеоритов, и составил их детальное описание. По его данным, алмазы обнаружены в пяти каменных метеоритах в количестве 315 каратов; В обломках железного метеорита Каньон Диабло (его состав: железо—92%, никель—7,2%, кобальт—0,5% и примеси многих других элементов) найдено в общей сложности около 300 каратов кристаллов алмаза.

Размеры кристаллов алмаза каменных метеоритов, как правило, не превышают 1 микрометра. В железном метеорите встречаются кристаллы алмаза размером порядка нескольких микрометров.

Примечательно, что в метеоритах наряду с алмазами, имеющими обычную кубическую структуру, обнаружены кристаллы алмаза так называемой гексагональной модификации. Кристаллы с такой структурой в кимберлитовых трубках не встречаются. Они были синтезированы американскими учеными путем воздействия взрывной волны на графит и получили название «лонс-дейлит» в честь известной исследовательницы структуры алмаза леди Лонсдейл.

Среди алмазов железного метеорита 70% имеют кубическую, 30% — гексагональную структуру.

Существует несколько гипотез о происхождении «небесных» алмазов.

Одни исследователи считают, что алмазы каменных метеоритов образовались в космосе в результате столкновений друг с другом движущихся с громадной скоростью астероидов. Возникающие при этом высокие динамические давления (примерно 300—600 тысяч атмосфер) и температуры создавали благоприятные условия для кристаллизации алмаза из содержащихся в астероидах графита и других углистых веществ.

По мнению других исследователей, эти алмазы могли сформироваться в первичных планетных телах, достаточно крупных, чтобы развилось необходимое для их образования давление.

Возможно, что имеют место оба механизма. Как же возникли алмазы в железных метеоритах, которые сами по себе не содержат углистых веществ? Здесь, по-видимому, кристаллизация алмаза происходила в момент столкновения метеорита с Землей при его падении на углистые породы.

В пользу этой гипотезы говорит тот факт (мы уже говорили об этом), что в месте падения железного метеорита Каньон Диабло алмазы содержатся только в обломках метеорита, обнаруженных на валу кратера, то есть в центральной части взрыва, где давления, по оценке ученых, достигали 1 миллиона атмосфер. С этой точки зрения становится понятно, почему алмазы отсутствуют в обломках метеорита, рассеянных на участках равнины, прилегающих к кратеру. Давления,, развиваемого при столкновении с поверхностью Земли этих обломков, находившихся на периферии взрыва, было недостаточно для кристаллизации алмаза.

В лабораторных условиях синтез алмаза под действием высоких динамических давлений и температур был осуществлен в 1961 году американскими учеными Паулем де Карли и Джоном Джемисоном.

 

 

 

В камеру, где находился синтетический графит, был заложен заряд взрывчатки. После того как произошел взрыв и камеру вскрыли, в массе неперекристаллизо-вавшегося графита были обнаружены мелкие кристаллы алмаза, удивительно похожие на своих небесных «братьев».

Кристаллизационная камера современных установок динамического синтеза алмаза представляет собой толстостенный стальной цилиндр с подвижным поршнем, над которым заложен взрывной заряд. Под поршнем в специальном контейнере находится графит или другой углеродсодержащий материал. После взрыва по графиту распространяются ударные волны. В течение миллисекунд графит подвергается воздействию давления до 200 000 атмосфер при температуре от 2 до 3 тысяч градусов Цельсия. В результате происходит прямое превращение части графита в алмаз.

Исследование структуры полученных таким образом кристаллов показывает, что наряду с обычным кубическим алмазом образуется его гексагональная модификация лонедейлит. При этом количество кристаллов лонедейлита составляет приблизительно одну треть общей массы алмазов. Напомним, что примерно такое же соотношение наблюдается и в алмазах метеоритов.

Недостатки «взрывного» метода синтеза алмазов заключаются в кратковременности процесса синтеза и невозможности вмешиваться в ход кристаллизации. За столь короткий цикл зарождающиеся кристаллы успевают вырасти лишь до размеров порядка нескольких микрометров.

Есть и свои преимущества — относительная простота и дешевизна этого метода. Взрывную камеру можно делать практически сколь угодно большого размера и за короткое время получить в ней значительное количество мелких кристаллов алмаза.

Оказалось, что и маленькие кристаллы могут принести большую пользу. Сегодня значительная часть технических алмазов используется в дробленом виде в качестве порошков и паст. Алмазы, полученные путем взрыва, являются прекрасным материалом для высококачественных порошков и паст. Вот почему в настоящее время синтез алмаза с помощью высоких динамических давлений и температур получает все большее распространение.

Однако не следует думать, что синтез алмаза с помощью высоких статических давлений и температур потерял свое значение. Он незаменим во всех случаях, когда нужно получать кристаллы с заранее заданными свойствами, когда размеры кристалла играют существенную роль и, наконец, когда нужны высококачественные поликристаллы. Можно утверждать, что статический и динамический способы синтеза алмаза как бы дополняют друг друга.

Мы рассмотрели два способа синтеза алмаза, между которыми никакого принципиального различия нет. В обоих случаях давление и температура должны быть достаточно высоки, с тем чтобы синтез происходил в области, где алмаз находится в более устойчивой фазе, чем графит. И читатель, очевидно, уже привык к мысли, что без высокого давления синтез алмаза невозможен.

Однако оказалось, что при определенных условиях синтез алмаза можно осуществить и при нормальном атмосферном давлении и даже при давлении ниже атмосферного.