В начале XX в. удалось узнать главную причину различия свойств графита и алмаза; она заключается в структуре обоих минералов: в графите атомы углерода располагаются в виде листов, а в пределах листа расположены по шестиугольнику, а в алмазе они образуют плотнейшую упаковку (рис. 1). Иначе говоря, в алмазе атомы располагаются теснее, чем у графита, отсюда и высокая плотность алмаза и его высокое светопреломление, что делает его исключительно эффектным в ювелирных изделиях. Графит и алмаз, как сейчас говорят, являются полиморфными модификациями одного и того же вещества.
Рис. 1. Структура алмаза (а) и графита (б)
Очень долго было не ясно, почему в одном случае образуется алмаз, а в другом — графит. Даже когда А. И. Лейпунский в 30-х годах рассчитал термодинамические условия образования алмаза, этому не очень-то верили. Вообще в то время еще не учитывали минералообразующее значение давления. Например, когда выяснилось, что общая плотность Земли около 5,5 г/см3, была составлена модель Земли, где ядро состояло из тяжелых металлов. Когда наш крупный петрограф В. Н. Лодочников в 1936 г. высказал предположение о том, что в глубинах Земли могут существовать неизвестные плотные модификации обычных для поверхности минералов, то em гипотеза была сначала принята как маловероятная. Однако прогресс техники убедил всех в справедливости такого взгляда.
Пожалуй, наиболее отчетливо это показали опыты с кварцем. Обычный кварц представляет собой чистую окись кремния, имеет плотность около 2,6 г/см3 и относительно низкий показатель преломления. В 50-х годах американец Л. Коэс в лаборатории при давлении около 30 тыс. атм закристаллизовал кварц в новую форму высокоплотной кремнекислоты. Плотность этой формы была больше 3 г/см3, да и светопреломление выше, чем у обычного кварца. Надо сказать, что особого впечатления это открытие на научную общественность не произвело. Однако другой американец, китайского происхождение Е. Чао, изучавший Аризонский метеоритный кратер, образовавшийся в результате удара большого метеорита о Землю, предположил, что именно здесь могла образоваться подобная высокоплотная разновидность кремнекислоты, и начал ее разыскивать. Очень скоро удалось обнаружить среди образцов породы, претерпевших удар, кристаллики именно этой кремнекислоты, которую Чао в честь ученого, впервые получившего ее в лаборатории, назвал коэситом.
Следующий этап этой работы происходил в Москве. В Лабораторию высоких давлений АН СССР пришел дипломант из университета С. М. Стишов, и руководитель лаборатории поручил ему в качестве дипломной работы попытаться изучить поведение кремниевой кислоты при еще больших давлениях. В этой работе ему помогала С. В. Попова. Уже первые опыты на прессе, создававшем давление более 100 тыс. атм, были очень удачны: в массе подвергнутого давлению кварца были обнаружены незнакомые кристаллы, изучение которых показало, что это тоже кремнекислота, но с совершенно необычными свойствами. Плотность кристаллов оказалась около 4 г/см3, а светопреломление исключительно высоким. Отчет об этой работе, занявший всего одну страничку, был напечатан в советском научном журнале и попал в руки того же Чао. Чао вновь начал изучать свои аризонские образцы и вскоре обнаружил под микроскопом такие же кристаллики, какие были получены Стишовым и Поповой. Чао, верный своему правилу, назвал этот новый минерал очень высокоплотной кремнекислоты стишовитом в честь автора опубликованной статьи.
Работа Стишова и Поповой и открытие Чао произвели в научном мире впечатление «разорвавшейся бомбы». Впервые в лаборатории с помощью высокого давления был получен необычный продукт, причем из привычного кварца. Оказалось, что влияние давления на минерало-образование огромно и что прогноз В. Н. Лодочникова о существовании в глубинах Земли высокоплотных модификаций обычных на земной поверхности веществ справедлив. Во всем мире начались интенсивные работы по изучению поведения вещества при высоких давлениях, приведшие к важным результатам. Сейчас на глубинные недра Земли смотрят совсем иначе, чем до работы Стишова и Поповой.
Читатель может спросить, какое же отношение все это имеет к алмазу? А самое непосредственное. Сейчас уже хорошо известно, что алмаз представляет собой модификацию углерода высокого давления, совершенно так же, как коэсит и стишовит являются модификациями кремнезема высокого и сверхвысокого давления. Алмаз сейчас получают при давлениях 40–60 тыс. атм, Иначе говоря, алмаз на дневной поверхности является гостем с больших глубин; он образовался там, где господствуют огромные давления. Все-таки свыкнуться с таким глубинным происхождением алмаза исследователям было очень трудно, да и понять строение месторождений алмаза, учитывая, что материал приходит с глубин 100–200 км, было также весьма сложно, и в литературе постоянно появляются гипотезы «образования алмаза при низких давлениях». Некоторые из этих теорий были весьма правдоподобны, однако ни одну из них пока доказать не удалось.
Недавно по гипотезам близповерхностного образования алмаза был нанесен еще один сокрушительный удар. Среди африканских алмазоносных пород, а несколько позднее и у нас в Якутии найдены были обломки породы, явно захваченные алмазоносной породой при движении ее из глубин к поверхности. В этих обломках вмещающих пород среди других минералов — граната и пироксена — встречены были кристаллы коэсита, по краям перешедшие в кварц. Размеры этих коэситовых кристаллов достигали 3 мм. Ни в одной лаборатории не удавалось получить таких крупных кристаллов этого вещества. Ранее кристаллики коэсита находили только в качестве микроскопических включений в алмазе и поэтому рассматривали как случайность. Найденный в Африке кусок весил около 5 кг, и почти такой же образец был встречей и у нас в Якутии — это уже не может быть случайностью.
Находки включений коэситовых пород в алмазоносных трубках доказывают, что алмаз образовался на больших глубинах, там, где кварц уже существовать не может, и что подъем глубинного материала к дневной поверхности был очень быстрым, так что, попав в условия низких температур и давлений дневной поверхности, и алмаз, и коэсит «закалились» и не успели до полного охлаждения перейти в устойчивые на дневной поверхности графит и кварц.
Второй, также очень важный вывод заключается в том, что на глубинах более 100 км, где господствуют давления, необходимые для образования алмаза и коэсита, земная мантия не однородна, как думали раньше, а что на этой глубине есть разности горных пород, даже такие, в которых встречается свободная кремнекислота. До сих пор все теории о строении глубин основывались на взглядах австралийского ученого А. Е. Рингвуда, доказывавшего, что земная мантия (слой под земной корой, который находится на глубинах большее 40 км) состоит целиком из однородного «пиролита» — горной породы, очень похожей на ультрабазиты дневной поверхности.
Изучение алмазных месторождений почти каждый день дает что-то новое и крайне интересное, но самое главное уже ясно: на дневной поверхности алмаз является редким гостем из другого мира — мира огромных давлений и высоких температур, господствующих в земных глубинах. Необычные свойства алмаза — огромная твердость, высокое светопреломление и замечательная игра цветов (у бриллианта), — все это «визитная карточка» необычных, особых условий, существующих в глубинах Земли. О минеральной природе горных пород, слагающих мантию Земли на этих глубинах, ученые только-только начали догадываться.
Первые алмазы были найдены на территории Индии. Когда это произошло, не очень ясно. По данным старинных книг, можно предполагать, что более 3000 лет до н. э., однако никаких объективных данных на этот счет нет, да и возраст текстов самих книг иногда сомнителен. Наиболее древним археологическим памятником является хранящаяся в Британском музее греческая бронзовая статуэтка, глаза которой изготовлены из неотделанных, видимо, индийских алмазов. По возрасту эту статуэтку относят к 480 г. до н. э.
