Почему сверхзвуковые вулканы, извергающие алмазы, могут вернуться к жизни. Странные сверхзвуковые вулканы, называемые кимберлитовыми трубками, выносят алмазы на поверхность нашей планеты. Петрологи давно пытаются понять, почему они "выключились" миллионы лет назад — но, возможно, этого не произошло!
Двадцать лет назад, оказавшись глубоко в недрах ботсванской пустыни Калахари, Томас Гернон обнаружил то, что ему показалось адом. Жара была невыносимой, а звуки взрывов эхом отражались от стен. "Это было похоже на боевое крещение", - говорит он. Это была его первая поездка на кимберлитовую алмазную шахту.
Это место просто напичкано камерами, и Гернона, который сейчас работает в Саутгемптонском университете (Великобритания), предупредили о неприятностях, если на его теле будут обнаружены драгоценные камни - и неважно как они там окажутся случайно или по какой-то иной причине. Но он сюда приехал не для того, чтобы разбогатеть. Он хотел найти ответ на одну из величайших загадок нашей планеты.
Алмазы ценятся многими, но особое место они занимают в сердцах геологов. Они были сформированы давным-давно в огненных недрах недоступной земной мантии и подняты на поверхность сверхзвуковыми струями магмы из причудливых древних вулканов - так называемых кимберлитовых трубок.
Мы в точности не знаем, как именно образовались алмазы, но известно, что они похожи на капсулы времени, которые могут открыть нам секреты далекого прошлого нашей планеты. И, возможно, самый большой вопрос из всех - почему "кимберлитовые трубки", которые вынесли их на поверхность, похоже, "выключились" миллионы лет назад.
Теперь, спустя почти два десятилетия после первого посещения алмазной шахты, у Гернона и его коллег "кимберлитовых детективов", наконец, появилась всеобъемлющая модель того, как работают вулканы, а вместе с ней и более полное представление об истории появления алмазов. Более того, эта работа открыла весьма интересную перспективу - возможно, вулканы извергающие алмазы могут вернуться к жизни.
Алмазы, вопреки распространенному мнению, не получаются из спрессованного угля. Точный способ их формирования пока не известен, но геохимические исследования и лаборатории, в которых имитируются экстремальные температуры и давление земных глубин, дали кое-какие подсказки. Предположительно, некоторые из них зарождаются в мантии - твердом, но текучем веществе, где богатый углеродом материал становится настолько плотным, что избыток углерода выдавливается наружу, превращаясь в прозрачные кристаллические призмы. Другие могут образовываться при погружении тектонической плиты в мантию. Опускаясь вниз, она увлекает за собой органические вещества, в том числе карбонатные минералы из океана. Под воздействием высоких температур и давления эти породы становятся химически нестабильными, из них высвобождается углерод и в итоге образуются алмазы.
Вероятно, существуют еще десятки способов получения алмазов. Но независимо от того, какая "технология" при этом используется, они обычно имеют первозданный вид. Возраст большинства обнаруженных алмазов превышает миллиард лет. "Самые древние, которые мы анализировали, имеют возраст около 3,5 миллиардов лет, - говорит Стив Шири, геохимик из Научного института Карнеги в Вашингтоне.
Алмазы могут выдержать практически все. Поэтому они являются своеобразными "хранителями" земной истории. В них могут быть заключены частицы минералов или жидкостей, известных как включения, которые образовались миллиарды лет назад, и сохранили химические записи о том, какой была первобытная Земля. Благодаря этому мы знаем, например, что "в мантии рассеян огромный океан воды", - говорит Яна Федорчук, специалист по экспериментальной петрологии из Университета Далхаузи в Галифаксе (Канада).
Единственный способ, благодаря которому алмазы могут увидеть дневной свет, — это "поездка" на поверхность во время очень странного вулканического извержения. До 1869 года драгоценные камни находили только в осадочных породах на дне водоёмов. Однако в том же году они были обнаружены внутри магматических пород на разных южноафриканских фермах, в том числе и в городе Кимберли (ЮАР). Эти породы были названы кимберлитами, и они являются продуктом экстремальных вулканических процессов.
На сегодняшний день обнаружено около 6000 кимберлитовых месторождений. Большинство из них находится на юге Африки. Впрочем, они обнаружены на всех континентах, включая Антарктиду. Около 3 процентов из них содержат крупные алмазы. Все они имеют вулканическое происхождение. И по сравнению с классическими горными вулканами кимберлитовые вулканы выглядят крайне необычно.
Первая особенность, которая их отличает, — это магма. В большинстве вулканов бурлящая расплавленная порода остается кипеть в земной коре, где она превращается в сложные массы, которые сегодня мы можем наблюдать в виде лавы во время извержений вулканов. Но кимберлитовые вулканы этот этап пропускают. Их магма содержит флюиды, минералы - и даже фрагменты нетронутых пород - из глубин мантии. "Кимберлиты извергают более глубоко залегающие фрагменты земной мантии, и довольно в большом количестве", - говорит Грэм Пирсон, геохимик из Университета Альберты (Канада).
Это означает, что извержения кимберлитовых пород должны происходить очень быстро. Поднимаясь из мантии в земную кору, углерод, содержащийся в извергаемом материале, преобразуется в углекислый газ, превращая магму в пенистую ракету. Это похоже на "взлетающую ракету", - говорит Джанин Кавана, вулканолог из Ливерпульского университета (Великобритания). Разгоняясь, магма увлекает за собой алмазы и целые куски мантийных пород. "У вас есть материал, который поднимается на сверхзвуковой скорости, и в какой-то момент в верхней части коры - "бабах, взрыв", - говорит Андреа Джулиани, исследователь кимберлитов из ETH Zurich в Швейцарии.
Никто никогда не был свидетелем кимберлитовых извержений, поэтому геологи по крупицам собирают информацию, чтобы разработать возможные сценарии. Возможно, раскаленная магма сталкивается с прохладной водой, вызывая мощные взрывы пара. Возможно, газ, запертый в расплавленном веществе, яростно рвется наружу. Так или иначе, один взрыв влечет за собой другой, потом еще один, потом еще...
"Если извержение вырывается на поверхность, то образуется кратер, который начинает расти, расширяя магматический канал. Возникают пирокластические потоки, образуется большой эруптивный шлейф, - говорит Кавана. "Многочасовые взрывы расширяют “рану”, уходящую все ниже и ниже в глубь земли. В конце концов, из нее может фонтаном выплеснуться лава или потечь вода. А когда все закончится, останется лишь зияющий кратер, несколько осколков застывшей магмы, известных как дайки, и трубка, уходящая в земную кору, усеянная осколками вулканических пород и другими обломками".
"Сегодня, спустя миллионы лет после извержения, то, что осталось от кимберлитовых вулканов уже не напоминает горы. На самом деле их архитектура часто носит подземный характер. Самая главная их особенность - подземные вертикальные трубы из различных пород, иногда длиной в несколько километров. Считается, что это каналы, по которым магма когда-то с неистовой скоростью вырывалась на поверхность. Некоторые из них "больше похожи на бокалы для шампанского, а некоторые - на морковку", - говорит Джулиани.
Но больше всего геологов озадачивает тот факт, что кимберлитовый вулканизм, похоже, полностью прекратился. Они начали извергаться около 2 миллиардов лет назад и достигли пика примерно 100 миллионов лет назад, когда миром правили динозавры. Долгое время возраст самого молодого из известных кимберлитовых вулканов составлял 30-40 миллионов лет. После этого они просто исчезли из геологической летописи.
Это в равной степени завораживает и сбивает с толку ученых. Не так-то просто расшифровать поведение и механизмы активного извержения вулканов. Понять давно исчезнувшие кимберлиты гораздо сложнее — это вулканологический эквивалент археологии. Не помогает и то, что трубки, в которых они образуются, заполнены хаотичным нагромождением разрозненных доказательств. "Большинство пород - просто мусор", - говорит Джулиани. "Вы не можете толком их изучить". В целом это означает, что "существует множество гипотиз о причинах кимберлитового магматизма", - говорит Филипп Янни, геохимик из Кейптаунского университета в Южной Африке.
Пытаясь решить эту проблему, геологи - коллеги Гернона - проводят много времени в алмазных шахтах. В то время как у тех, кто работает в других отраслях геологии, есть места, куда они могут возвращаться снова и снова для проведения полевых работ, кимберлиты часто взрывают старатели в надежде найти алмазы. "Нужные нам доказательства сейчас находятся либо у кого-то на перстне, либо раздавлены", - говорит Гернон.
Вот почему на протяжении многих лет он постоянно опускался в различные расщелины, вырубленные в скалах шахтерами Ботсваны и Южной Африки. Иногда его везли в них по широким, спиралевидным дорогам. "А в самых клаустрофобных местах вы садитесь в клетку, и вас опускают в шахту", - говорит Гернон. По его словам, "иногда там бегают бабуины".
Свой первый алмаз Гернон увидел только после защиты докторской диссертации, в 2007 году. Он бродил по шахте, расположенной под замерзшим озером в отдаленной части канадской Арктики. Правда на этот раз он дрожал от холода. Температура достигала -50°C. Контраст с африканскими шахтами "был крайне необычным", - говорит он. Внезапно свет его фонарика отразился от чего-то, застрявшего в стене. "Это был идеальный маленький треугольник. Он был великолепен. И я точно знал, что это", - говорит он: бриллиант весом 10 каратов. "Я очень привязался к нему!" Разумеется, ему не позволили оставить его себе.
Но он был там не ради бриллиантов. Напротив, за последние несколько десятилетий Гернон и его коллеги достаточно хорошо изучили неалмазные минералы и химию, связанные с кимберлитами, чтобы составить представление о поведении и потенциальном происхождении этих вулканических извержений. Что мы знаем наверняка, так это то, что они залегают в глубинах мантии, являются древними и насыщены различными формами углерода.
А потом было сделано самое удивительное открытие. По мере того как все больше и больше кимберлитов было датировано, стало очевидно, что извержения по всему миру происходят с разной периодичностью. "Кимберлиторвые вулканы пульсируют во времени, - говорит Пирсон. Всплеск таких извержений произошел около 500 миллионов лет назад. Затем еще один - 370 миллионов лет назад. Потом еще один, когда в мире господствовали динозавры. Но между этими огненными эпизодами кимберлитовый вулканизм был крайне редким явлением.
Даты этих эруптивных эпох поначалу кажутся необычными. Но геологи увидели в этом хаосе порядок: кимберлитовые фейерверки по времени совпали с распадом континентов, в том числе суперконтинентов, таких как Пангея, на территории которой бродили динозавры. Некоторые ученые считают, что "раны", открывшиеся при разрушении континентов, могли образовать проходы в земных недрах, которыми и воспользовались кимберлиты.
Была только одна проблема. Почти все кимберлиты обнаружены в кратонах - колоссальных ядрах материков толщиной 200 километров, в которых нет таких разломов. Возраст кратонов составляет несколько миллиардов лет. Даже когда суперконтиненты разрушаются, их ядра остаются нетронутыми. Получается, что кимберлитовая магма для проникновения на поверхность "выбирала" самые толстые и прочные части континентов - то двигалась по пути наибольшего сопротивления, в отличие от обычных извержений.
Объяснить это не представлялось возможным - до прошлого года, когда на Гернона и его коллег снизошло озарение, связавшее все воедино. Сравнивая появление кимберлитов со временем образования различных континентальных фрагментов, команда поняла, что извержения кимберлитов происходят не сразу после появления рифтов; большинство из них происходит примерно 26 миллионов лет спустя. И хотя некоторые из них взрываются вблизи новых расколов континента, большинство возникает в толще континентальных интерьеров.
Гернон и его команда воплотили свои идеи в компьютерной симуляции Earths Tectonic Plates, достаточно передовой, чтобы достоверно воссоздать, как смещающиеся плиты вызывают приливы и отливы в мантии под ними. Пока они наблюдали, за работой модели, произошел необычный процесс. Полученные результаты объяснили, откуда кимберлиты получают углерод, который позволяет им так яростно извергаться, и - что очень важно - как и почему они прорываются сквозь кратоны.
"Когда вы растягиваете континент, образуется пространство, и вся раскаленная масса устремляется вверх, заполняя это пространство, - говорит Гернон. Этот подъем вызывает вихревые бури флюидов в нижней, более податливой части мантии. Первая такая буря под местом разлома порождает еще одну нестабильность рядом с ним, потом еще одну, и еще, начиная разрушать прочный кратон. "Это похоже на цепную реакцию", - говорит Гернон. "Именно тогда мы поняли, что у нас что-то получилось".
Эти вихри размывают каменистое подножие континента, унося с собой часть насыщенных водой горных пород. В недрах континента в изобилии встречаются породы, богатые углеродом. И здесь, на огромной глубине в мантии, в условиях чрезвычайно высокого давления они превращаются в первую “партию” кимберлитовой магмы, обогащенную углеродом.
Когда таких партий накапливается в достаточном количестве, они взмывают вверх сквозь разрушенное ядро континента, образуя множество кимберлитовых извержений спустя примерно 26 миллионов лет после того, как континент начал разрываться на части.
Гернон не любит называть эту работу своим "моментом эврики". Но, пожалуй, нет лучшего способа подвести итог работы его команды, которая была опубликована в Nature в прошлом году и с энтузиазмом воспринята независимыми учеными. "Я думаю, что он как никто другой способен написать универсальную картину [о происхождении кимберлитов]", - считает Джеймс Рассел, петролог из университета Британской Колумбии в Ванкувере.
Но на этом история не заканчивается. Долгое время геологи считали, что самое молодое кимберлитовое извержение произошло примерно 30 миллионов лет назад. Но в 2012 году на территории Танзании ученые исследовали ряд раздробленных вулканических пород и небольших конусов, включающих три эруптивных участка, известных как вулканы Игвизи Хиллс (Холмы Игвизи). Никто не зарывался глубоко под землю и не пытался заглянуть в земную твердь с помощью всепроникающих сейсмических волн. Но в результате петрологи обнаружили, что по химическому составу здешние лавы, несомненно, являются кимберлитовыми. Более того, возраст некоторых вулканических пород составлял всего 10 000 лет.
Таким образом, Игвизи Хиллс стали самыми молодыми кимберлитовыми вулканами на Земле - просто поразительно молодыми, родившимися в геологическом эквиваленте вчерашнего дня. Это озадачило исследователей, ведь сейчас мир тектонически спокоен. Сейчас наша планета не переживает период аннигиляции суперконтинентов.
Впрочем, это открытие хорошо согласуется с историей происхождения кимберлитов, изложенной командой Гернона. Танзания расположена на кратоне, и на нее оказывает влияние Восточно-Африканский разлом - массивный разрыв между двумя разошедшимися тектоническими плитами, который произошел 25 миллионов лет назад. "Это означает, что вулканы Игвизи Хиллс могут стать прелюдией к новой эре кимберлитового вулканизма в этом регионе. Похоже, это отличная проверка модели, - улыбаясь, говорит Гернон. "Кимберлитовые вулканы, извергающие алмазы, могут вернуться к жизни в любой момент".
Возможно, однажды кто-то, прогуливаясь по берегам Восточной Африки, увидит, как далеко в глубине материка извергается огненный фонтан, озаряя ночное небо. Алмазы, запертые на миллиарды лет глубоко под землей, рассыплются по ландшафту. А ученые будут с трепетом наблюдать за происходящим, гадая, какие новые тайны собралась открыть нам наша планета.