Импактное происхождение карбонадо

Бразильские и африканские карбонадо представляют уникальные по своим особенностям алмазные образования, коренные источники которых до сих пор неизвестны. В кимберлитах и лампроитах карбонадо не обнаружены. Они присутствуют только в древних метаконгломератах протерозоя (формации Сопа и Томбадор) и в современных алмазоносных россыпях Бразилии и Центральной Африки.

Генезис карбонадо во многом загадочен. Одна группа исследователей связывает их происхождение с древнейшими импактными процессами, воздействующими на компактные скопления изотопнолегкого органического вещества типа шунгита или графита, присутствующего в различных древних породах земной коры [1-3]. Часть исследователей предполагает существование астероидов-импакторов, изначально обогащенных «внеземным» углеродом [4, 5]. Действительно, общие содержа ния углерода в ахондритах–уреилитах и в углистых хондритах достаточно высоки, достигая 4.0 и 4.6 мас.%, соответственно. В железных метеоритах углерода обычно немного (~1.0 %). Но в некоторых из них, например, в железном метеорите Каньон Дьябло из Аризонского кратера присутствуют гнезда и крупные нодули графита диаметром до 9 см. В ахондритах–уреилитах и железном метеорите Каньон Дьябло установлены мелкие апогра-фитовые импактные алмазы с примесью лонсдейлита [6].Такие же алмазы были найдены в антарктическом железном метеорите ALHA–77283 [7]. Самые примитивные метеориты – углистые хондриты – также содержат включения микроскопических алмазов, но они принципиально иного типа [6].

Некоторые исследователи считают карбонадо мантийными ксенолитами, вынесенными на поверхность магмой неизвестного состава [8]. При этом предполагается, что источником углерода с низким значением отношения 13C/12C для образова- ния карбонадо в верхней мантии могли служить углеводороды.

Весьма интересную гипотезу внеземного происхождения карбонадо обосновывают Дж. Гараи и С. Хаггерти с коллегами [5], которые указывают на сходство ИК -спектров африканских и бразильских карбонадо и «досолнечных» метеоритных алмазов. Они предполагают существование гипотетических алмазных астероидов, фрагментами которых являются карбонадо.

Обосновываемая в данной работе точка зрения на генезис карбонадо сводится к тому, что в период гигантской метеоритной бомбардировки на Землю падали крупные астероиды, обогащенные графитом. В результате происходило ударное плавление графитовых нодулей и возникали желваки карбонадо. При этом большая часть метеоритного железа испарялась, как это произошло, к примеру, при падении в Аризоне сравнительно небольшого по космическим меркам метеорита Каньон Дьябло c его предполагаемой начальной массой от 50 тыс. до 3 млн. т [6]. Заметим, что температуры плавления и кипения чистого железа 1535 и 2735 ºС легко достигаются при рядовых астероидных импактах. Иридиевые аномалии в тонких глобальных прослоях осадочных пород на рубежах крупных импактных событий ярко свидетельствуют об испарении и конденcации тугоплавкого метеоритного вещества. Температуры плавления и кипения (конденсации) иридия: 2454 и 438º0С, как и углерода: 3650 и 4350ºС, вероятно, достигались только при особо мощных астероидных импактах. О кристаллизации карбонадо из высокотемпературного импактного углеродного расплава свидетельствует отсутствие в них лонсдейлита, образующегося только при твердофазном превращении графита в алмаз. Сама криптокристаллическая пористая структура карбонадо также указывает на быструю кристаллизацию горячего углеродного расплава.

Именно с таких позиций в свете новейших экспериментальных данных становится понятным их (карбонадо) шлаковидный облик, высокая (до 30%) пористость, криптокристалличность, присутствие в них самородных металлов, их сплавов, карбидов и нитридов, легкий изотопный состав углерода, стекловидная оплавленная поверхность, наличие деформационных ламеллей при полном отсутствии мантийных минеральных включений. Источником углерода с легким изотопным составом могли быть и астероиды и породы земной коры типа шунгитов или графитовых гнейсов.

Таким образом, карбонадо – это пористая криптокристаллическая порода импактного происхождения (алмазит), для кристаллизации которой из углеродного расплава требуются не только высокие давления, превосходящие многократно возможные давления в мантии Земли, но и аномальные температуры, превышающие температуру углеродного ликвидуса: 3650 – 4000 ºC [2, 9]. Такие температуры, недостижимые в земной мантии, могут реализовываться в крупных ударных бассейнах ранней Земли. Подтверждением этому служит древний изохронный возраст кристаллической матрицы карбонадо, около 3811±1800 млн. лет, и включенных в нее кристаллов рутила, с возрастом порядка 3916±1300 млн. лет, установленным локальным Pb–Pb методом [10]. Астероиды около 4 млрд. лет назад создавали на поверхности Земли и Луны ударные кратеры и бассейны диаметром 300– 1200 км и глубиной порядка 30–120 км, соизмеримой с величиной космических ударников. Углеродные расплавы, из которых кристаллизуются микрокристаллические алмазиты, называемые карбонадо, образуются за счет углеродистого вещества мишени и ударника.

Интересно, что карбонадо на Земле встречаются в одном ареале диаметром около 2 тыс. км в пределах когда-то единого катархейского Бразильско-Африканского кратона. Этот ареал очень напоминает обширные поля рассеяния тектитов. В протерозойских конгломератах Сопа в бразильском штате Минас-Жерайс, наряду с карбонадо, присутствует несколько разновозрастных популяций обломочных цирконов. Древнейшие из них имеют изохронный U–Pb изотопный возраст 3599±12 млн. лет, рекордный для всей Южно-Американской платформы [10].

Важнейшей физической характеристикой алмазов, проливающей свет на их происхождение, является степень агрегированности в них примесного азота. Длительное их (алмазов) пребывание при высоких температурах приводит к миграции и агрегированию одиночных атомов азота [11]. Напротив, пребывание алмазов при низких температурах сохраняет первоначальное одиночное состояние атомов N. Кинетика агрегирования атомов азота в обычных алмазах изучена экспериментально в широком диапазоне РТ-параметров, что позволяет приближенно оценивать длительность отжига в природных условиях по модельным уравнениям реакций агрегирования и соответствующим им диаграммам. Высокий уровень агрегированно-сти азота отвечает длительному пребыванию алмазов в мантии в условиях отжига. Низкий уровень, напротив, отвечает условиям их (алмазов) кратковременной резиденции в мантии или условиям «закалки». ИК-спектроскопия позволяет надежно определять тип азотных дефектов и оценивать уровень агрегирования азота в обычных алмазах по особенностям характерных спектральных полос поглощения. Но криптокристаллические карбонадо всегда содержат обильные микроскопические минеральные включения, индивидуальные интенсивные полосы поглощения которых перекрывают область проявления полос колебаний с участием примесного азота. Отсюда происходят разночтения у специалистов при расшифровке экспериментальных спектров. Одни из них «видят» азотные сегрегации и плейтелитс в карбонадо [12, 13], другие их «не различают» и отвергают, вскрывая методические просчеты предшественников, заключающиеся в недостаточной физической и химической очистке образцов карбонадо от минеральных, а иногда и посторонних примесей [5]. В результате подобных «разночтений» одни исследователи находят в карбонадо признаки их длительного, около 3 млрд. лет, «мантийного» пребывания [12]. Другие, напротив, в очищенных от минеральных включений препаратах бразильских и африканских карбонадо никаких азотных сегрегаций не обнаруживают [5]. По- следнее хорошо согласуется с гипотезой быстротечного импактного происхождения бразильских и африканских карбонадо и противоречит гипотезе их мантийного генезиса.

Подтверждающий, казалось бы, мантийную гипотезу вывод Х. Каги с коллегами [13] о присутствии азотных сегрегаций типа 1аА в алмазных кристаллитах карбонадо, сделанный на основе установленного ими в ИК -спектрах острого абсорбционного пика при 1384 см ^–1, как это было показано позднее Дж. Гараи с коллегами [5], является досадным «артефактом» и связан с контаминацией нитридом бора образцов карбонадо при их дроблении в стальных контейнерах.

Как известно, изменение агрегатного состояния азота в алмазе происходит только при высоких температурах (выше 800 ºС) и за длительное время отжига [12, 13]. Что касается карбонадо, то время агрегирования азота из состояния 1b в 1аА при заданной температуре «мантийного» отжига 1000ºС в карбонадо было оценено в 3 млрд. лет [12]. «По-слеотжиговое» же пребывание карбонадо в метаконгломератах Сопа составляет 1700–1750 млн. лет [10]. Следовательно, возраст бразильских карбонадо, с учетом предполагаемого времени их «мантийного» отжига, должен достигать 4700–4750 млн. лет. А это превышает Pb–Pb изотопный возраст самих карбонадо и даже возраст Земли, что также противоречит гипотезе мантийного происхождения карбонадо.

Необычное происхождение карбонадо подтверждается не только облегченным (как у шунгита) изотопным составом углерода, но и их криптокристалличностью, высокой пористостью, не свойственной для глубинных пород, полным отсутствием в них явных силикатных и рудных высокобарных «мантийных» включений и огромным количеством низкобарных минералов неясного происхождения. Часть этих минералов, например рутил и циркон, могла быть механически захвачена ударным углеродным расплавом из пород земной коры, а минералы позднейшего гидротермального и экзогенного происхождения – заполнить в карбонадо трещины и поровые пространства в «алмазитовой» матрице. Такое тесное совмещение в карбонадо минералов различной барофильности также легко объяснить быстротечностью импактных процессов. Нечто подобное наблюдается в тагамитах земных ударных кратеров, когда высокобарные импактные алмазы вместе с многочисленными низкобарными минералами земной коры находятся в цементирующей их стекловатой тагамитовой матрице, а желвачки им-пактных алмазов, например апоугольных тогоритов в Карской астроблеме, пересекаются жилками гидротермального кварца. Присутствие высокобарных фаз, типа коэсита, стишовита или силикатного перовскита, в карбонадо весьма вероятно, но пока, к сожалению, не установлено. Следы шоковой деформации минералов, захваченных углеродным расплавом, при его остывании быстро залечиваются и исчезают в результате перекристаллизации. Тем не менее, высокая концентрация планарных ламеллей в алмазных кристаллитах, слагающих карбонадо, отмечается [5, 8].

Очень симптоматично присутствие в алмазных кристаллитах, слагающих карбонадо, атомов примесного Siо и эксолюционных ламеллей SiC [14]. Они также свидетельствуют о высочайших «ударных» РТ-параметрах образования алмаза и эксо-люции кремния из твердого раствора при их снижении. В карбонадо присутствуют ряд самородных элементов и их сплавов, а также тугоплавкие карбиды железа, кремния и вольфрама и тугоплавкий нитрид титана – осборнит. Образование карбидов и части самородных металлов лучше всего объяснимо их кристаллизацией из импактного углеродного расплава в бескислородной среде. Температура этого расплава, судя по признакам явного плавле-ния/разложения в нем включений рутила и циркона, превосходила известную по справочникам температуру плавления этих минералов, равную 1825– 2550 ºC, и достигала температур углеродного ликвидуса 3650–4000 ºС на диаграммах фазового состояния углерода [9]. Температура плавления нитрида титана (осборнита) – 2947 ºC. Ранее его присутствие отмечалось только в составе метеоритов [5].

Практически мгновенное и хаотическое смешение высокобарных и низкобарных минералов происходит в ударных бассейнах и кратерах на поверхности Земли. И, главное, что высокобарные минералы – якутит, тогорит, стишовит, коэсит, рин-гвудит – имеют здесь совсем не глубинно-мантийное, а импактно-коровое происхождение. Карбонадо – это не минерал, как иногда ошибочно полагают, а мономинеральная горная порода «алмазит» с миаролитовой текстурой, возникающая в результате быстрой кристаллизации горячих углеродных расплавов в ударных бассейнах Земли. Понятно, что такой расплав захватывает огромное количество низкобарных минералов из разнообразных поверхностных пород мишени и, быстро застывая и кристаллизуясь, метаморфизует, расплавляет и цементирует их. Карбонадо представляют тугоплавкие пористые гипербарические фрагменты ранних алмазоносных импактитов с рекордным возрастом 3.8–3.9 млрд. лет, образующих широкие поля рассеяния вокруг материнских астроблем.

Образование «кимберлитовых» алмазов перидотитового и эклогитового парагенезисов происходит в породах субконтинентальной литосферной мантии значительно позднее, чем формирование желваков карбонадо в земной коре, и, главное, принципиально иным способом. Длительный и многостадийный метасоматический рост алмазов в мантийных породах подтверждают многие морфологические, кристаллофизические и геохимические признаки кристаллических индивидов [15]. Общее время образования и нахождения (резиденции) кристаллов алмаза в мантии до их извержения кимберлитовой магмой, по радиометрическим изотопным данным и степени агрегирования азота, варьирует от 40 млн. до 3 млрд. лет даже в пределах одного (!) мантийного ксенолита [16]. Максимальное время отжига «кимберлитовых» алмазов (~3 млрд. лет). Абсолютный возраст «кимберлитовых» алмазов всегда значительно (на 300–500 млн. лет) меньше аналогичного возраста карбонадо.

Таким образом, карбонадо принадлежат к древнейшим алмазоносным породам Земли с воз- растом 3.8–3.9 млрд. лет. Их всестороннее исследование приоткрывает нам самые таинственные моменты образования алмазов в природе из углеродных расплавов ударного происхождения и проясняет самые темные страницы ранней истории Земли в промежутке между Великим столкновением 4.515 млрд. лет назад и завершающим этапом гигантской метеоритной бомбардировки 3.87 млрд. лет назад, когда ударные бассейны типа лунного Моря Дождей (диаметр 1200 км) формировались и на поверхности Земли. Вероятно, не случайным является совпадение абсолютного возраста земных карбонадо с возрастом Моря Дождей.

Выводы

• 1.    Источник изотопно легкого углерода в карбонадо, в равной мере, мог быть земным или космическим.

• 2.    Параметры кристаллизации карбонадо превосходят те, что существуют в литосферной мантии Земли, и близки условиям углеродного ликвидуса на известных Р–Т диаграммах фазового состояния углерода.

• 3.    Древний абсолютный возраст и «нулевая» степень агрегирования азота в алмазных кристаллитах исключают продолжительную резиденцию карбонадо в земной мантии.

• 4.    Карбонадо – это древнейшая криптокристаллическая порода «алмазит», возникшая из углеродного расплава импактного происхождения.