«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Три ипостаси углерода

Минералы самородного углерода столь различны и непохожи друг на друга, что непосвященному никогда в голову не придет заподозрить их в кровном родстве. Тем не менее алмаз и графит состоят из почти чистого углерода, а уголь — на 90 %. Уголь имеет органическое происхождение, но его роль как твердого полезного ископаемого очень велика, и он обогащается теми же методами, что и другие виды минерального сырья.

Графит состоит из тонких непрозрачных чешуек черного цвета, минерал этот до того мягкий и податливый, что его применяют в качестве смазки и в грифелях карандашей. Алмаз — самый твердый, прозрачный и сверкающий кристалл. Оба эти минерала существуют в природе, не проявляя сколько-нибудь заметной склонности переходить один в другой. Чтобы алмаз перешел в графит, его нужно нагреть до 1500 К без доступа воздуха. Обратный переход требует еще более жестких условий: температура не ниже 1500 К, давление выше 4,5 ГПа (45000 атм), среда — расплавленный металл и присутствие катализаторов. Свыше 200 лет люди пытались синтезировать алмаз из графита. В 1939 г. молодой советский физик (ему не было и 30 лет) О. П. Лейпунский опубликовал вычисленную кривую равновесия и условия перехода графита в алмаз. Но открытие Лейпунского было зарегистрировано только в 1971 г. К этому времени синтетические алмазы были получены в Швеции (1953 г., Э. Лундблад), США (1954 г., Г. Холл) и СССР (1960 г., Л. Ф. Верещагин).

Сравнительно недавно Б. Дерягин и Д. Федосеев показали, что алмаз можно синтезировать, сжигая углеводороды и конденсируя образующийся углерод на холодной поверхности. Это объясняет открытие астрофизиков, которые, изучая аномальное рассеяние света, доказали присутствие алмазов в межзвездной пыли. Оказалось, что алмазы в виде микроскопических кристалликов присутствуют в резине, при производстве которой получают сажу, сжигая углеводороды в плазмотронах. Исследуя кинетику этого процесса, ученые показали, что из плазмотрона вылетают алмазы, которые, сгорая, образуют сажу. Только ничтожная часть их — несколько каратов на автопокрышку — успевает охладиться и попасть в резину. Техногенный парадокс лег в основу изобретения способа напыления алмазного покрытия на металл. Толщина такого покрытия — около десятка атомов углерода, по твердость его — алмаз.

В недрах Земли подходящие условия для синтеза алмазов из углерода имеются в магме, представляющей собой расплав при высоких значениях температуры и давления на глубине свыше 80 км. Магматическая порода прорывается к поверхности Земли по трубкам взрыва. По названию первого алмазного рудника Кимберли в Южной Африке, открытого в 1871 г., трубки были названы кимберлитовыми; это название увековечило имя тогдашнего министра колоний Англии, совсем неповинного в этом величайшем геологическом открытии.

Для ученых-геологов алмаз — не только ценнейшее полезное ископаемое. По словам Н. В. Соболева, он прямой свидетель и участник процессов, происходящих в верхней мантии Земли, а кимберлитовые трубки — это окна в недра. Процессы выветривания разносят алмазы из кимберлитовых трубок по поверхности Земли, образуя россыпные месторождения. До открытия рудника Кимберли алмазы добывали только из россыпей, поскольку жерла трубок в основном засыпаны наслоениями земли и песка. Теперь, зная источник алмазов, геологи ищут эти трубки по направлениям повышения концентрации алмазов в шлихах (так же ищут и коренные месторождения золота, олова, вольфрама и др.). Недавно таким способом была сделана грандиозная находка в пустыне Калахари (Южная Африка). Сказочно богатая трубка с высоким содержанием ювелирных алмазов была открыта под 40-метровым слоем песка.