АЛМАЗ (минерал)

АЛМАЗ (минерал)

АЛМА́З, минерал, кристаллическая кубическая полиморфная модификация самородного углерода, по блеску, красоте и твердости превосходящий все минералы. Разновидности алмаза — баллас (см. БАЛЛАС), карбонадо (см. КАРБОНАДО), борт (см. БОРТ (кристаллы)). Кристаллизуется в кубической сингонии. Бесцветные или окрашенные октаэдрические кристаллы. Самый твердый минерал (твердость 10 по минералогической шкале (см. МООСА ШКАЛА)); плотность около 3,5 г/куб. см, высокий показатель преломления (2,417). Полупроводник. Крупные прозрачные кристаллы алмаза — драгоценные камни первого класса. Крупнейшие в мире алмазы: «Куллинан (см. КУЛЛИНАН)» (3106 кар), «Эксельсиор» (971,5 кар), «Йонкер» (726 кар). В 2007 в ЮАР обнаружен алмаз, предварительная оценка массы которого приближается к 1,5 кг. Применяется в промышленности как абразивный материал (см. АБРАЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ). Промышленные месторождения связаны с кимберлитами (см. КИМБЕРЛИТ), россыпями. Главные зарубежные добывающие страны: ЮАР, Демократическая Республика Конго, Ботсвана, Намибия. В Российской Федерации месторождения в Якутии, на Урале. Синтетические алмазы получают из графита (см. ГРАФИТ) и углесодержащих веществ с середины 1950-х годов. Ежегодное производство синтетических алмазов несколько миллионов карат (в основном для технических нужд).
Алмаз состоит из чистого углерода, но обычно содержит небольшие примеси различных химических элементов, входящих в кристаллическую структуру или в состав включений других минералов. Для бесцветных прозрачных разновидностей характерна структурная примесь азота (0,3%), хотя встречаются и «безазотные» алмазы. В непрозрачных и окрашенных разновидностях содержание примесей (оксиды алюминия, кремния, магния, кальция, железа, титана) достигает 5%.
Алмаз кристаллизуется в кубической системе (сингонии (см. СИНГОНИЯ)). Атомы углерода находятся в нем по узлам двух кубических решеток с центрированными гранями, очень плотно вставленных одна в другую (а = 3,5595 А). Кристаллы алмаза представляют собой гигантские полимерные молекулы и обычно имеют форму октаэдров, ромбододекаэдров, реже — кубов или тетраэдров. Часты двойники и сростки нескольких кристаллов, характерны выпуклые грани и криволинейные ребра. Грани кристаллов обычно покрыты фигурами роста или растворения в виде выступов или углублений различной формы. Наблюдаются также радиально-лучистые, волокнистые, скорлуповатые или тонкозернистые агрегаты (баллас, борт, карбонадо). Размеры кристаллов варьируют от микроскопических до очень крупных, масса самого крупного алмаза «Куллинан», найденного в 1905 в Южной Африке 3106 кар (0,621 кг).
Физические свойства
Алмаз — самое твердое из всех природных веществ. По шкале Мооса относительная твердость алмаза равна 10, абсолютная в 1000 раз превышает твердость кварца и в 150 раз — корунда. Максимальная твердость на гранях октаэдра, минимальная на гранях куба; на этом основаны огранка, распиловка и шлифовка алмазов. Спайность совершенная по октаэдру, что обусловливает хрупкость и несколько ограничивает использование алмаза. Излом раковистый. Плотность чистого алмаза 3,511 г/см³. Блеск сильный, от алмазного до жирного. Высокий показатель преломления (от 2,417 до 2,421) и сильная дисперсия (0,0574) обуславливают яркий блеск и разноцветную «игру» ограненных ювелирных алмазов, называемых бриллиантами. Алмаз может быть бесцветным и водянопрозрачным или окрашенным в различные оттенки желтого, коричневого, красного, голубого, зеленого, черного, серого цветов. Распределение окраски часто неравномерное, пятнистое или зональное. Под действием рентгеновских, катодных и ультрафиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться (люминесцировать) голубым, зеленым, розовым и др. цветами. Алмаз прилипает к некоторым жировым смесям, на этом основан получивший наибольшее распространение жировой способ извлечения алмазов на обогатительных фабриках.
На воздухе алмаз сгорает при 850 °С с образованием СО₂; в вакууме при температуре свыше 1500 °С переходит в графит. Свойства алмаза резко меняются в зависимости от наличия (тип I) или отсутствия (тип II) примеси азота. Для типа I характерны аномальное двупреломление, низкая фотопроводимость, отсутствие злектропроводности, поглощение в инфракрасном (между 8—10 мкм) и ультрафиолетовом (от 3300 А) диапазонах, высокая теплопроводность. Безазотные алмазы (тип II) практически изотропны, с высокой фотопроводностью, не поглощают инфракрасное излучение и прозрачны в ультрафиолетовом (до 2200 А), обладают чрезвычайно высокой теплопроводностью. Рентгеновская диффракция выявляет в первом типе дополнительные линии, свидетельствующие о «дефектности» кристаллической структуры.
Предполагается, что алмаз кристаллизуется одним из первых минералов при остывании мантийного силикатного расплава на глубине 150—200 км при давлении 5000 МПа, а затем выносится к поверхности Земли в результате взрывных процессов, сопровождающих формирование кимберлитовых трубок, 15—20% которых содержит алмаз. Имеется и другая точка зрения, согласно которой алмаз кристаллизуется на относительно небольшой глубине за счет диссоциации или частичного окисления метана в газовой системе C-H-O-S при температуре свыше 1000 °C и давлении 100—500 МПа. Алмазы встречаются также в глубинных породах-эклогитах и некоторых глубокометаморфизованных гранатовых гнейсах. Мелкие алмазы в значительных количествах обнаружены в метеоритах (см. МЕТЕОРИТЫ) (уреилиты), а также в гигантских метеоритных кратерах, где переплавленные породы содержат значительные количества мелкокристаллического алмаза или гексагональной высокобарической модификаци (лонсдейлита). Алмазы из кимберлитов и метеоритов отличаются от найденных в метеоритных кратерах и метаморфических породах повышенным содержанием тяжелого изотопа углерода — 13С.
Ювелирные алмазы
На долю ювелирных алмазов обычно приходится 20—25% добываемых алмазов; в россыпных месторождениях их доля заметно выше, чем в коренных. Ювелирные алмазы прозрачны, без трещин и включений. При их огранке (см. ОГРАНКА) выявляются наибольший блеск и игра камня, устраняются природные дефекты, при этом теряется около 50% первоначальной массы. Разработана специальная бриллиантовая форма огранки, но используется также огранка клиньями, кабошоном, ступенчатая и их комбинации. Крупные алмазы ювелирного качества встречаются редко и получают собственные имена (крупнейшие в мире «Куллинан», «Эксельсиор» — 971,5 кар, «Звезда Сьерра-Леоне» — 968,9 кар).
«Куллинан» распилен на 105 бриллиантов, из которых самые крупные — «Большая Звезда Африки (см. БОЛЬШАЯ ЗВЕЗДА АФРИКИ)» (530,2 кар), вправленный в английский королевский скипетр, и «Малая Звезда Африки» (317,4 кар), украшающий корону Британской империи. К крупнейшим в мире бриллиантам также относятся «Низам» (277, о кар; частная коллекция, Индия) и «Юбилейный» (245,35 кар; музей Смитсоновского института, Вашингтон). В Алмазном фонде России хранятся ограненный кабошоном бриллиант «Орлов (см. ОРЛОВ (алмаз))» (199,6 кар), привезенный из Индии и подаренный графом Г. Орловым императрице Екатерине II, а также индийский алмаз «Шах (см. ШАХ (алмаз))» (88 кар), подаренный императору Николаю I иранским шахом после убийства в Тегеране русского посла и поэта Александра Грибоедова (см. ГРИБОЕДОВ Александр Сергеевич). В Лувре находится крупный индийский алмаз «Регент (см. РЕГЕНТ (алмаз))» (137,75 кар), принадлежавший Людовику XV Бурбону (см. ЛЮДОВИК XV Бурбон) и впоследствии вправленный в эфес шпаги Наполеона I Бонапарта (см. НАПОЛЕОН I Бонапарт). Крупнейший в мире синий алмаз «Хоуп (см. ХОУП)» (44,5 кар), владельцы которого нередко погибали при загадочных обстоятельствах, хранится в музее Смитсоновского института (США). Крупнейшие алмазы России «Двадцать шестой съезд КПСС» (342,5 кар) и мелкозернистый агрегат алмазов (общей массой 1191,8 кар) найдены в Якутии.
В древности алмазы добывались в Индии, наиболее известны были выработанные ныне копи Голконды (см. ГОЛКОНДА). В 1725 в Бразилии (Минас-Жерайс) были открыты речные алмазные россыпные месторождения. С 1869 в Южной Африке ведется добыча алмазов из речных россыпей, а затем из коренных месторождений (см. КОРЕННЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ), представленных кимберлитовыми трубками. Среднее содержание алмазов в кимберлитах (см. КИМБЕРЛИТ) составляет около 0,5 кар на 1 м³ породы, в россыпях 0,25—0,5 кар в 1 м³. Африканский континент оказался чрезвычайно богат коренными и россыпными (в т. ч. морскими) месторождениями алмазов, которые экспортируются из ЮАР, Заира, Ботсваны, Анголы, Намибии, Ганы, Сьерра-Леоне.
В 1954 были обнаружены алмазы в центральной части Сибирской платформы, в бассейне рек Большой и Малой Ботуобой, и позднее в районе Архангельска. Россыпи, а затем и коренные богатые месторождения найдены в районе г. Кимберли в Австралии. Здесь коренные месторождения представлены также трубообразными вертикальными телами, но их заполняет лампроит — магматическая порода, по составу сходная с калиевыми высокощелочными базальтами (содержание К₂О до 10% и более). Названия месторождений обычно связаны с названиями крупных кимберлитовых трубок диаметром более 0,5 км. К ним относятся уже отработанные рудники ЮАР: Ягерсфонтейн, Кимберли (см. КИМБЕРЛИ (месторождения алмазов)), Де Бирс; крупные действующие рудники расположены на трубках Премьер (см. ПРЕМЬЕР (месторождение алмазов)), Финш, Коффифонтейн и др.; в Танзании известна огромная трубка «Мвадуи» диаметром около 1,5 км; трубки диаметром более 1 км известны в Ботсване; крупная трубка «Мотэ» расположена в Лесото. В Якутии разрабатываются крупные трубки в Мирном (см. МИРНЫЙ (Якутия)), Удачном (см. УДАЧНЫЙ) и Айхале (см. АЙХАЛ). Крупнейший рудник Австралии «Аргайл» разрабатывает лампроитовые трубки и связанные с ними россыпи.
Добыча, применение
Ежегодная мировая добыча алмазов оценивается в 100 млн. кар (20 тонн), из них 40 млн приходится на страны Африки и по 30 млн на Россию и Австралию. Крупнейший в мире монополист по добыче и продаже алмазов — компания «Де Бирс» (см. ДЕ БИРС) с годовым оборотом свыше 15 млрд. долларов. В России добычу алмазов ведет компания «Алмазы России — Саха» (объем добычи в стоимостном выражении составляет 1,3 млрд долларов в год). Масса добываемых алмазов обычно 0,1—1,0 кар, крупные ювелирные камни (св. 100 кар) встречаются редко. Цена необработанных алмазов ювелирного качества около 100 долларов за кар, стоимость бриллиантов сильно колеблется в зависимости чистоты «воды», оттенков цвета «нацветов», наличия включений и дефектов, величины камней, качества огранки.
Обычная цена карата бриллиантов — от 400 до 1000 долларов. Мировые центры продажи алмазов — Центральная сбытовая организация в Лондоне и Алмазная биржа в Антверпене. Мировой лидер по сбыту ювелирных изделий — Италия. Технические алмазы, используемые как абразивы, стоят от 3 до 12 долларов за кар; синтетические — около 2 долларов за кар. С конца 1990-х гг. США ежегодно потребляют не менее 50 млн кар технических алмазов (10 тонн). Ожидается, что в начале 21 века мировое потребление технических алмазов составит 250 млн кар или 50 тонн, из них около 70% синтетических. Технические алмазы используются в алмазных буровых коронках, пилах, резцах, фильерах для вытягивания проволоки, для изготовления полировальных порошков и паст, а также в оптической и электронной промышленности как полупроводники, датчики в счетчиках ядерных частиц, как вещество с теплопроводностью выше, чем у меди, прозрачное для широкого диапазона волн.
Крупнейшие в мире центры по огранке алмазов расположены: в Бельгии (Брюссель), специализирующейся на высококачественной огранке камней средней величины; США (Нью-Йорк) — обработке крупных алмазов; Индии (Сурат) — огранке наиболее дешевых желтых алмазов; Израиле (Рамат-Ган) — экономичной огранке, максимально сохраняющей массу камня, часто в ущерб качеству огранки. В России ведется высококачественная огранка мелких камней на предприятиях в Москве, Санкт-Петербурге («Русские самоцветы»), Екатеринбурге и Смоленске.
Синтез алмазов
Первые искусственные алмазы получили в Швеции в 1953. В Соединенных Штатах Америки синтетический алмаз в 1956 получила компания Дженерал Электрик. В эти же годы аналогичного успеха добились и в СССР. В 1971 Дженерал Электрик удалось вырастить искусственный алмаз весом в один карат. Технология производства искусственных алмазов довольно сложна. Синтезируют алмазы при температуре 1200—2000 °С и давлении 1000—5000 МПа (50—60 тысяч атмосфер) из порошка графита, смешанного с порошкообразным железом, никелем, хромом. Кристаллизуются алмазы за счет того, что расплав при высоких давлениях не досыщен по отношению к графиту и пересыщен — по отношению к алмазам. В конце 1990-х гг. освоен синтез пленочных алмазов для электронной промышленности из метана (СН₄) за счет продувки раскаленной до 1000° С водородно-метановой смеси. Применяя различные режимы синтеза можно получать алмазы разных цветов: желтые, голубые, красные, коричневые.
Самый крупный искусственный алмаз — весом чуть более 30 карат — был получен компанией «Де Бирс». Однако это камень неювелирного качества. Ежегодно в мире синтезируется около 40 т мелкокристаллических алмазов, используемых для получения абразивных порошков. Полученные искусственным путем ювелирные алмазы значительно дороже природных.
В России два центра производства искусственных алмазов — Москва и Новосибирск. Секретами синтеза алмазов владеют на Украине и в Белоруссии. Крупнейшие зарубежные производители — фирмы Дженерал Электрик, Де Бирс, Сумимото Электрик — принципиально продают свои изделия только для использования в технических целях.
Для имитации алмазов используется бесцветный циркон, синтетический рутил, титанат стронция, синтетические бесцветные шпинель и корунд, алмазные дублеты и свинцовое стекло; а также появившиеся синтетические иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ), гадолиний-галлиевый гранат (ГГГ) и кубический оксид циркония. Все эти соединения мягче алмаза, не обладают характерной голубой люминесценцией, отличаются по показателю преломления. Облучение алмазов в ядерных реакторах позволяет превращать бесцветные или желтые камни в более дорогие зеленые и голубые.
Эффективная диагностика и имитация алмазов проводится «алмазным щупом», действие которого основано на определении уникальной теплопроводности алмаза, превышающей теплопроводность серебра и меди: при этом возможна проверка даже очень мелких камней, закрепленных в глубокой оправе. Используется также «алмазный карандаш», заправленный специальными чернилами, оставляющими на поверхности хорошо смачивающегося жиром алмаза сплошную черту, тогда как на имитациях чернила собираются в отдельные капельки. Чистота абразивных порошков из алмазов проверяется рентгеновским и люминесцентным методами; синтетические порошки обычно обладают магнитными свойствами, выявляемыми мощными магнитами или электромагнитами.