Почему алмазы — самые дорогие минералы на Земле? Какую ценность они представляют для ученых? Чем отличаются алмазы из разных месторождений? Каким образом можно получить информацию о нижней мантии и ядре Земли, изучая алмазы? Об этом рассказывает Феликс Витольдович Каминский, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского, сотрудник лаборатории геохимии углерода им. Э.М. Галимова.
— Феликс Витольдович, вы всю свою научную жизнь занимаетесь поиском сокровищ — исследованием алмазов. Но предлагаю начать с вашей удивительной родословной. Прочитала, что ваш дед был одним из организаторов механизации обувного производства в Кимрах. Вы его помните?
— Нет, я его не застал. Хотя потом неоднократно ездил в Кимры, хорошо знаком с работниками музея, там целый стенд посвящен работам обувщиков. На фабрике моего деда производили обувь для всей российской армии. Он ввел на своей фабрике конвейерную систему раньше Форда. Это были первые поколения мануфактурщиков. Мне о моем прадеде Онуфрии Васильевиче известно, что он основал эту мануфактуру, а потом уже пошли люди второго и третьего поколений, к ним принадлежали мои дед, мама, дядя.
Больше всего меня интересовал мой дядя Геннадий Потапенко. Старший сын в семье, где было шестеро детей, Геннадий Васильевич поступил в МГУ на физический факультет, в 1917 г. окончил его, а потом волею судеб оказался в США, где больше 30 лет был профессором Калифорнийского технологического института.
Я с ним не встречался, только говорил по телефону, знаю, что он был продуктивным физиком, работавшим в области электромагнитных волн, в частности высокочастотных колебаний. У него несколько десятков патентов, в том числе два патента на создание радара — английский и американский. Когда его провожали в Пасадене в последний путь, в газете было написано, что это «русский изобретатель, которому принадлежат патенты на радар».
— Как получилось, что вы пошли не в обувную промышленность, не в физику, а в геохимию?
— Вначале я пошел больше в минералогию и геологию. Вышло так, что однажды один из моих школьных товарищей пригласил меня покопаться на помойке около Минералогического музея, куда выбрасывались все ненужные образцы. И там началось с собирания кристаллов пирита, кварца, а классу к девятому у меня собралась неплохая минералогическая коллекция.
— Выходит, наука началась с помойки?
— Выходит, так. Мы после школы частенько туда ездили. Это привело к тому, что я увлекся, поступил в геологический кружок при университете, и в 1954 г., когда окончил школу, для меня не было вопроса, куда идти учиться. Я поступил и в 1959 г. окончил геологический факультет МГУ.
— Я читала в одном из ваших интервью, как вы говорите: «Мне повезло, что я занялся алмазами». Почему повезло?
— Во-первых, это исключительно интересный, легендарный минерал. Я нашел несколько книг, где собраны многие легенды об алмазе. Например, одна из наиболее экзотичных: рабочий в Индии нашел крупный алмаз, спрятал его в специально разрезанной для этого ноге и с этим алмазом пошел с приисков к себе домой. Они ведь там работали практически голыми — жарко.
— Это неправда?
— Я был в Индии в районе Голконды, видел эти места и верю, что такое могло быть. Но легендарность — это внешняя, привлекательная сторона. А когда я начал заниматься научными вопросами, то мне очень понравилось то, что этот минерал может дать очень много в научном плане. Алмаз может образоваться и существовать во всем диапазоне давлений и температур, имеющихся на Земле, начиная от ядра и заканчивая поверхностью. В центре ядра давление составляет 375 ГПа, это приблизительно 3,75 млн атм, если перевести на более привычные единицы. Образуется алмаз в мантии, где давление также достигает миллиона атмосфер, и существует при выносе на поверхность. Алмаз может существовать во всех местах. Он дает информацию о строении, составе всех глубинных зон в Земле, которые нам недоступны.
Многие алмазы имеют включения различных минералов, вместе с которыми они образовывались. Эти минералы иногда даже неизвестны на поверхности, мы о них знаем только по включениям в алмазе. Когда были известны алмазы в основном из верхней мантии (это интервал от первых десятков километров до 660 км или 410 км по разным параметрам), то в них находили гранат-пироп, по которому велись поиски якутских алмазов, хромит, хромдиопсид, оливин, пикроильменит. Их детально исследовали, и на этом основании была создана модель строения верхней мантии Земли.
А потом начались исследования нижней мантии — области, которой я занимаюсь последние 20–30 лет. В некоторых алмазах были обнаружены минералы, совершенно неизвестные науке до тех пор; для них даже названия не было. Только в последние годы, когда обнаружили такие же минералы в метеоритах, для них ввели названия. То есть по минералам нижней и верхней мантии в алмазах мы получаем необычайную информацию о минералогическом составе глубинных зон Земли, об их химическом, изотопном и примесному составам. Иначе говоря, алмаз дает нам представления о фундаментальнейших вопросах строения Земли.
— Никогда не слышала, чтобы алмазы находили в метеоритах. Их там нет?
— Они там встречаются. Причем в двух видах. Первый — алмазы, которые образовались в теле метеорита, где изначально существовали. Они в какой-то степени аналогичны земным алмазам. И второй тип алмазов — импактные, которые образовались в результате удара метеорита о земную поверхность. Там происходило моментальное повышение температуры и давления, и графит перекристаллизовывался в алмаз — специфический, но алмаз.
— Почему алмаз — самый дорогой минерал?
— Он редкий. И ценный. Не только по ювелирным свойствам, но и по техническим. Ведь как увеличилась добыча алмазов? В начале ХХ в. добывали около 1 млн карат, а в этом веке добыча подходит уже к 150 млн карат. И цена только растет.
— Можно ли сказать, что запасы алмазов иссякают?
— Нет. Перелетая из Москвы в Канаду, я однажды напросился посмотреть частную коллекцию в музее англо-американской корпорации De Beers. Очень интересный музей. Потом они пригласили меня на ланч и в шутку сказали, что знают о разных моих больших открытиях в России и о поездке в Канаду. Так вот, они меня просят не спешить с новыми открытиями. Сейчас запасов алмазов достаточно, не надо перепроизводства, давайте держать цену.
— Ученые давно научились производить искусственные алмазы. Мы знаем о знаменитом фианите — искусственном алмазе, синтезированном в стенах Физического института Академии наук СССР. Достаточно ли данной технологии, чтобы компенсировать потребности народного хозяйства в этом минерале? Он чем-то отличается по свойствам от природного?
— Должен уточнить: фианит — это не алмаз. Это циркониевая имитация алмаза, которая обладает таким же, даже более сильным блеском, чем алмаз. А алмазы сейчас в промышленности производят миллионами карат: такие же импактные алмазы, которые образуются при ударе, а также при низких давлениях. Этот метод называется Chemical Vapour Deposition (CVD), когда из газа осаждаются алмазные пленки. Кстати, метод разработан в Советском Союзе учеными Д.В. Федосеевым и Б.В. Дерягиным еще в 1960–1970-х гг. Сейчас этим способом производят более крупные пластинки, из которых можно нарезать даже ювелирные алмазы весом до нескольких карат.
Но все-таки они не заменят естественных алмазов. Во-первых, они сразу отличаются в ювелирных украшениях. Для этого нужны приборы, но это можно определить. И, во-вторых, они не обладают всеми физическими свойствами природных алмазов: примесными, изотопными. Это тоже можно модифицировать. В принципе, возможно, в ближайшее время для ювелирной промышленности будут производить и хорошие алмазы…
— Будем считать, что ювелирная промышленность может обойтись без этого, никто не умрет, если вдруг не станет алмазов. Но ведь алмазы нужны во многих областях народного хозяйства. Там можно обойтись без настоящих алмазов?
— Думаю, что не во всех областях. В абразивной промышленности можно, потому что искусственный алмаз обладает теми же механическими свойствами. А в электронной, где сейчас используются природные алмазы, полной аналогии нет, и в ближайшее время природным алмазам замены не ожидается. Но к этому стремятся.
— Вы участвовали в поисках алмазов в России, Африке, Южной Америке, были одним из открывателей Архангельской алмазоносной провинции. Не все до сих пор знают, что существуют архангельские алмазы…
— Моя роль в открытии не такая уж большая. В начале 1970-х гг. мы первыми вели поиски алмазов в Архангельской области, тому были предпосылки. И мы нашли первые алмазы на Онежском полуострове. Наша рекомендация была — уйти с поисками немного к востоку, поскольку промышленные месторождения могли оказаться там. И эти месторождения нашли уже другие люди, мы просто подтвердили, что это алмазоносный район и там следует искать алмазные месторождения.
— А что значит «предпосылки»?
— Во-первых, это архивы. Было найдено несколько записей, что какие-то промышленники еще в конце XIX в. оформляли лицензии на поиски алмазов в Архангельской области. Более того, в сочинениях А.Е. Ферсмана было упомянуто, что во времена императрицы Анны Иоанновны на Северной Двине был найден большой алмаз. Там был выставлен армейский пост, несколько десятков лет это место держали под надзором, а когда очередного солдата в конце XVIII в. спросили, что он охраняет, тот сказал: «Не знаю. Приказано — и мы стоим». Кроме того, на Онежском полуострове были найдены трубки взрыва. Вначале их полагали кимберлитовыми, но они оказались другого состава, хотя это тоже была одна из косвенных предпосылок.
— Чем отличаются архангельские алмазы от тех же якутских?
— Если серьезно, то ничем. Конечно, у них есть различия по примесному составу, по составу ксенолитов других пород, которые выносятся кимберлитами вместе с алмазами, но в принципе это те же самые природные, хорошие алмазы.
— Какие сейчас стоят научные задачи перед вашей лабораторией, когда вы изучаете алмазы? Что нового это может привнести в нашу жизнь?
— На рубеже XX–XXI вв. мы вели работы в Бразилии, в районе Джуина штата Мату-Гросу, в верховьях правых притоков Амазонки. Он известен своими рассыпными месторождениями алмазов. Рассыпные месторождения обычно имеют небольшие запасы и разрабатываются на Западе маленькими компаниями старателей. Крупные компании туда не идут. Но рассыпные алмазы всегда имеют свои источники. Главная задача — найти эти источники. Для этого нас туда и пригласили, и мы нашли источники этих рассыпных алмазов, но они оказались не очень обширными, для крупных компаний не подходили. Там небольшие «кооперативос» ведут работы, добывают не больше десятков тысяч каратов в год.
Перед тем как искать первоисточники, мы решили изучить алмазы, которые находились в россыпях. И, к своему удивлению, мы обнаружили там включения не тех стандартных спутников, как в Якутии, в Архангельске, в Африке, — пиропов, хромитов, оливинов, — а других. Первым попался ферропериклаз. Это окись магния с примесью железа. Этот минерал за вековую историю в алмазах находили пять-десять раз, а у нас появились десятки.
Мы более детально просмотрели все доступные алмазы и нашли интересные включения, которые даже ни с чем не смогли отождествить. Сделали анализ состава на микрозонде, исследовали структуру на электронном микроскопе — и поняли, что столкнулись с чем-то новым. Это были новые минералы, для них даже названия не существовало. Раньше они получались только в экспериментах, при сверхвысоких давлениях во многие десятки тысяч атмосфер. Минералы эти оказались даже не силикатами, которые слагают верхнюю мантию, а оксидами, окислами разных элементов.
— Это были алмазы из нижней мантии?
— Да. Эта нижняя мантия занимает больше 50% земного объема, мы ничего не знали о ее составе, да и сейчас очень мало знаем. Так вот, эти минералы в экспериментах образовывались как раз в условиях нижней мантии. Такие вещи нельзя было пропускать. Я организовал научную часть наших работ, и мы с тех пор начали исследовать эти алмазы. Нашли десятки интересных минералов. Все они специфичны. Только недавно стали их находить в метеоритах и называть — дейвмаоит, бриджманит — в честь китайско-американского геолога Хо-Квана (Дейва) Мао и изобретателя системы высокого давления Перси Уильямса Бриджмана.
Более того, там нашлись минералы, которые мы не ожидали найти в глубине Земли. Это, скажем, хлориды — NaCl, KCl. Поваренная соль. Никто не ожидал, что такие элементы, которые образуются в осадках в поверхностных условиях, находились в глубине. Но они там нашлись.
Помимо таких экзотичных «мантийных» минералов, мы нашли даже чистый азот. Сначала думали, что это жидкий азот, потом оказалось, что это твердая кристаллическая форма азота. Недавно в другой лаборатории нашли лед, который образуется в том числе и при высоких давлениях. Есть несколько модификаций льда. Вот лед-7 был найден в составе нижнемантийных алмазов.
— А почему лед не растаял, когда был вынесен на поверхность?
— Потому что он находится в кристаллической форме. И, пока он находится во включении в алмазе, он не может релаксировать и сохраняет свою кристаллическую форму.
— Возможно ли ювелирное изделие, в котором будет присутствовать такой лед?
— Возможно. Как-то я по телевизору видел выступление одной певицы, и у нее была брошь с крупным алмазом. В нем было видно крупное включение флогопита. Так что такое бывает. Более того, мы стали сами исследовать нижнемантийные продукты с тысячекилометровой глубины. Мы знаем, что самая глубокая в мире скважина — Кольская, более 12 км, а тут, может быть, 12 сотен километров!
— Выходит, алмазы можно назвать пришельцами как из космоса, так и из земных глубин?
— Да! Алмазы — пришельцы, и даже некоторые считают, что с приграничных с ядром горизонтов, поскольку в этих алмазах нашли включения металлического железа, карбида кремния, нитрида кремния. Причем они находятся в таких структурных формах, которые теоретически существуют в ядре.
— Это невероятно!
— Именно поэтому основная часть моих научных исследований посвящена нижнемантийным алмазам и включениям в них. В 2017 г. я выпустил книгу о составе и структуре нижней мантии. И в те же годы мои коллеги Ю.А. Литвин и А.В. Спивак опубликовали работу по моделированию нижнемантийных алмазов экспериментальным путем. Эта тематика привлекает все большее внимание, и не только у нас. Появляются все новые и новые результаты. Сейчас я получил предложение подготовить второе издание своей книги, в нем надо будет изменить минимум 50% содержания, настолько все это быстро устаревает.
— Какие чувства вы испытываете, когда находите новую модификацию минерала?
— Мы с моим коллегой Е.В. Соболевым когда-то обсуждали этот вопрос. Сначала — радость, что ты это узнал, и это надо донести другим. Потом радость, что ты донес эти сведения до научного сообщества, можешь этим гордиться. А потом наступает время, когда тебе в ответ на сообщения говорят: «Ну кто же этого не знает?» И это тоже радость — значит, это открытие стало общепринятым.
— Наверное, вы свою жену задарили алмазами?
— Она не очень любила алмазы. Да и «алмазники» — это обычно «сапожники без сапог». Такая интересная метафора, учитывая мое «сапожное» происхождение. Алмаз всегда строго учитывается, с ним ни в коем случае нельзя играть.
— Никуда не запрячешь потихоньку, как тот индус?
— Боже упаси.
— Но у вас в рабочем кабинете есть образцы?
— Конечно. Вот тут есть сейф, и мы вынимаем, когда надо. Люди обычно удивляются, когда видят необработанные, «сырые» алмазы — ничего особенного, какие-то невзрачные камушки…
— Но вы наверняка даже в необработанном алмазе видите красоту?
— Безусловно. Особенно под микроскопом. Они образуют прекрасные кристаллы — сразу виден результат работы природы. Октаэдры, додекаэдры, кубы, их комбинации неповторимы. В свое время я ездил практиковаться к известному исследователю алмазов, директору Минералогического музея Юрию Леонидовичу Орлову, и от него набрался опыта работы с внешней морфологией алмазов. Это самый потрясающий минерал на Земле, он дарит нам массу ценной информации о мире, в котором мы живем.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук