Алмазные месторождения и методы их поисков

В последние два десятилетия кимберлиты привлекли к себе повышенное внимание ученых-геологов всего мира. И дело тут не только в том, что эта порода является единственным источником алмазов. Кимберлит представляет исключительный интерес и сам по себе как редкостная горная порода.

Вспомним, что средний радиус земного шара составляет 6370 км. Тысячи километров! В то же время проходка скважины глубиной даже 4–5 км является весьма трудным и дорогостоящим делом. Рекордсмен в этом отношении — известная Кольская сверхглубокая скважина (собственно, это не привычная буровая вышка, а целый завод), проектная глубина которой составляет 15 км. Таким образом, непосредственному изучению доступна лишь тончайшая «пленка» на поверхности Земли. Но уже установлено наукой, что процессы, вызывающие землетрясения, извержения вулканов, воздымание и опускание громадных территорий, формирование различных пород и месторождений полезных ископаемых, т. е. процессы, формирующие лик нашей Земли как геологического тела, зарождаются на глубинах в сотни километров, в пределах так называемой мантии Земли.

Увидеть непосредственно то, что происходит в мантии, мы не можем. Остается уповать на косвенные методы, на поиск и изучение пород, формирование которых непосредственно связано с глубинными, мантийными, процессами. Ученые установили, что светлые, богатые кварцем граниты (точнее, силикатные расплавы — магмы, при остывании которых вблизи поверхности земли возникали граниты) образовывались на глубинах в первые десятки километров. Еще более глубинными являются плотные темные базальты. Ну, а самая-самая глубинная порода — это кимберлит; его источник расположен ниже отметки 150 км. Кроме того, поднимаясь к поверхности, кимберлитовая магма захватывает по дороге и образцы мантийных пород (так называемые ксенолиты), которые мы потом находим в кимберлитовых трубках. Таким образом, кимберлит является практически уникальным источником информации о наиболее глубинных (а потому и наиболее важных) процессах, протекающих в недрах нашей планеты.

Кимберлитам посвящены тысячи статей и книг, регулярно собираются по их поводу международные научные конференции. Однако до сих пор мы не можем сказать, что знаем все о том, как же образовывались кимберлиты и находящиеся в них алмазы. Некоторые ключевые закономерности все же установлены достаточно твердо (на научном языке это означает, что данные положения разделяются подавляющим большинством исследователей и позволяют делать надежные прогнозы).

С геологической точки зрения вся территория континентов земного шара подразделяется на платформенные и складчатые области. Складчатые области — это горные сооружения, где широко проявлены землетрясения, магматизм, горообразовательные процессы, словом, это области, где геологическая жизнь протекает наиболее бурно. Платформы, наоборот, представляют собой равнинные территории, живущие в геологическом плане намного спокойнее. Для них характерно как бы двухэтажное строение. Нижний этаж называется кристаллическим фундаментом и сложен массивными кристаллическими породами. Верхний этаж мощностью до нескольких километров — это осадочный чехол, он сложен горизонтально залегающими песчаниками, алевролитами, глинами, известняками. Магматические проявления здесь немногочисленны и связаны с крупными трещинами — разломами, проникающими до глубин верхней мантии.

Кимберлиты приурочены только к районам платформ. Большинство ученых сходится на том, что алмазоносная, чрезвычайно богатая летучими компонентами (водой и углекислотой) кимберлитовая магма зарождается в мантии под платформами на глубине свыше 150 км и затем поднимается к поверхности, используя более проницаемые зоны глубинных разломов в качестве каналов. По мере подъема проницаемость земной коры уменьшается, и на глубине около 2 км, вблизи границы кристаллического фундамента и осадочного чехла, магма останавливается, будучи не в силах пробить «крышку» из плотных массивных пород. Но снизу продолжается подток магматического материала и газов. Давление в герметически замкнутой камере постепенно нарастает, и в конце концов происходит то же, что и с паровым котлом, когда давление пара превышает допустимые пределы, — он взрывается. Могучая газовая струя мгновенно пробивает массивную «крышку», просверливая в ней вертикальную трубообразную полость. Затем полость заполняется поднимающейся магмой. Магма застывает, и возникает то, что мы называем кимберлитовой трубкой, или диатремой. Кимберлиты же, заполнившие сначала вертикальные трещины, по которым они поднимались, а затем и некоторые горизонтальные трещины, образуют протяженные плитообразные тела, которые называются соответственно дайками и силлами (рис. 10).

Рис. 10. Схематичная объемная модель кимберлитовой трубки: 1 — кимберлитовые брекчии, 2 — массивные кимберлиты.

В момент взрыва выброшенные из трубки куски пород образуют вокруг нее кольцевой насыпной вал. Понижение в рельефе постепенно заполняется водой — формируется кратерное озеро, в котором накапливаются тонкослоистые озерные отложения, перекрывающие кимберлиты. Вертикальный разрез такой идеализированной кимберлитовой трубки приведен на рис. 11.

Рис. 11. Обобщенный разрез алмазоносной кимберлитовой трубки Южной Африки: 1 — отложения кольцевого вала; 2 — осадки кратерного озера; 3 — обломки различных осадочных и магматических пород, прорываемых трубкой; 4 — различные типы кимберлитов, слагающих трубку. Справа указаны уровни эрозионного среза для некоторых кимберлитовых трубок Южной Африки.

Обнаружение целиком сохранившейся кимберлитовой трубки — большая редкость. Трубки под влиянием таких действующих на поверхности природных агентов, как перепад температур, ветер, вода, подвергаются эрозии, т. е. попросту разрушаются. Их верхние части как бы срезаются, уничтожаются. Величина уничтоженной части трубки (размер эрозионного среза) варьирует в очень широких пределах. Понятно, что чем она больше, тем меньший интерес представляет трубка в качестве коренного месторождения алмазов. Однако при этом возрастает количество алмазов, высвобождаемых из разрушаемых кимберлитов, и увеличивается вероятность образования алмазных россыпей в окрестностях трубки.

Трубки сложены кимберлитом — тонко зернистой породой, окрашенной в самые разнообразные цвета. На сравнительно однородном фоне четко выделяются блестящие крупные (до 1 см и больше) включения так называемых минералов — спутников алмаза: смоляно-черного ильменита, кроваво-красного пиропа, реже светло-зеленого оливина и изумрудно-зеленого хромдиопсида. Часто кимберлиты содержат множество обломков вмещающих пород и в таком случае называются кимберлитовыми брекчиями. В кимберлитах находятся и алмазы. Однако даже в самых богатых кимберлитовых трубках Южной Африки содержание алмазов не превышает 1 карата на 1 т породы. А это означает, что алмазы составляют менее 0,0001 % объема породы. В геологии минералы, входящие в состав породы в количестве менее 1 %, называются акцессорными, т. е. примесными. С этой точки зрения алмаз можно смело называть ультраакцессорием!

Кимберлиты, как уже говорилось, размываются реками, ручьями, временными водотоками, разрушаются ветрами, дождями, при резких перепадах температур, а в былые времена и ледниками. В результате алмазы высвобождаются из кимберлитов, попадают в глинистые, песчаные и валунно-галечные отложения и, скапливаясь где-то, образуют месторождения, которые называются россыпными. В зависимости от того, на какое расстояние и каким образом алмазы переместились из кимберлитов в россыпи, последние разделяют на элювиальные, пролювиальные, аллювиальные, делювиальные, прибрежно-морские, дельтовые, эоловые.

Те алмазы, которые остались непосредственно на поверхности кимберлитовых тел, образуют россыпи, которые называются элювиальными. Алмазы, находящиеся в нижележащих кимберлитах, включены в породу, и их трудно оттуда отобрать, в элювиальной же россыпи они находятся в свободном состоянии и извлекаются без больших усилий. Обычно мощность элювиальной россыпи на кимберлитах составляет несколько метров, хотя есть случаи, когда кимберлиты находятся на плоских равнинах и россыпи достигают мощности 10 м и более.

Элювиальные россыпи характеризуются своеобразным строением и разным содержанием алмазов в определенных горизонтах. Чаще всего верхняя часть разреза представлена глиной желтого цвета, так называемой «желтой землей». В ней сосредоточено наибольшее количество алмазов. Средняя часть россыпи представлена «синей землей», т. е. горизонтом синих глин с редкой щебенкой кимберлитов. Алмазов в этом горизонте меньше в 2–3 раза как за счет присутствия щебенки кимберлитов, так и за счет того, что из этого слоя не происходит выноса глинистого материала, как в верхнем горизонте, иначе говоря, не наблюдается уменьшения объема породы и относительного обогащения алмазами. Третий — нижний — горизонт (структурный элювий) постепенно переходит в неразрушенные кимберлиты. В нем содержание алмазов примерно такое же, как и в кимберлитах.

На склонах возвышенностей формируются делювиальные россыпи. Алмазы в них перемещены от кимберлитов вниз по склону на расстояние до 2–3 км (в зависимости от его крутизны и длины). Обломочный материал слабо отсортирован и по составу соответствует коренному ложу, т. е. неперемещенным породам, в которые «врезано» русло реки и на которых накапливается обломочный материал. Как правило, эти россыпи беднее коренного источника и элювиальных россыпей, поскольку алмазоносный материал разубоживается за счет материала боковых пород. Делювиальные россыпи представляют собой тела плащевидной, конусообразной формы.

Пролювиальные россыпи образуются временно действующими потоками, обусловленными большей частью ливневыми дождями или снеготаянием. Вследствие кратковременности таких потоков отложения этих россыпей плохо отсортированы, алмазы распределены неравномерно.

Аллювиальные россыпи образуются в речных долинах при переносе водой продуктов разрушения алмазоносных пород. Обломочный материал обычно в той или иной степени окатан и относительно хорошо отсортирован. Происходит также некоторая сортировка алмазов как по крупности, так и по приуроченности их к определенным горизонтам аллювия. Основная масса алмазов встречается в грубообломочных отложениях. Содержания алмазов в россыпях весьма различны. Они могут в несколько раз превышать содержания в первоисточниках. Среди аллювиальных россыпей по условиям залегания выделяются русловые, косовые, долинные и террасовые (рис. 12).

Рис. 12. Геоморфологическая схема долины реки в районе россыпи (по А. П. Бобриевичу): Россыпи террасовые: 1 — 5-й террасы, 2 — 4-й террасы. 3 — 3-й террасы. 4 — 2-й террасы, 5 — 1-й террасы; долинные: 6 — пойменные, 7 — береговых отмелей, береговых валов, бечевников, 8 — шлейфовые размытых террасовых останцов, 9 — намывных кос, островов, отмелей, 10 — собственно русловые.

Прибрежно-морские россыпи залегают вдоль береговой линии морей. Образование их связано с привносом алмазов реками с континента либо происходит за счет размыва расположенных на берегу коренных месторождений или древних россыпей. Это довольно редкий вид россыпей. Это связано с тем, что транспортируемые реками алмазы лишь в исключительных случаях достигают побережья. Прибрежно-морские россыпи обычно имеют незначительную ширину (50—300 м), но прослеживаются на значительные расстояния, измеряемые десятками километров. Содержание алмазов и средняя величина кристаллов закономерно убывают по мере удаления от источника размыва или от устья реки, приносившей алмазы. По отношению к уровню воды расположение россыпей бывает различное. Современная россыпь обычно залегает на уровне моря или несколько ниже его.

Более древние россыпи могут быть террасовыми, если уровень моря в последующее время понизился, или погребенными и подводными, если он повысился.

Дельтовые россыпи залегают в дельтах рек при впадении их в моря или лагуны и образованы путем выноса обломочного материала речными потоками. Богатые месторождения этого типа до сих пор не обнаружены. Однако среди дельтовых отложений со слабой алмазоносностью иногда встречаются обогащенные «струи» с промышленными содержаниями алмазов.

Эоловые россыпи развиты в пустынных областях. Они возникают на поверхности «сухих» рек за счет выдувания мелких и легких частиц пород. В результате возникают ложбины выдувания шириной сотни метров, длиной несколько километров и глубиной несколько метров. На дне этих ложбин скапливается крупный и тяжелый материал, а вместе с ним и алмазы. Под влиянием ветров алмазы частично передвигаются вдоль ложбин и концентрируются по их склонам.

Кроме россыпей перечисленных генетических типов, существуют россыпи смешанного происхождения, которые обладают переходными особенностями соответствующих генетических типов.

Теперь мы уже имеем некоторое представление о том, что такое месторождение алмазов, а также знаем, как их искали раньше. Как же ищут их сейчас?

XX век — век науки и техники. И это отразилось, конечно, в геологии. Если раньше поисками алмазов занимались старатели — люди, накопившие практический опыт такой работы или которым передавался опыт по наследству, то сейчас алмазы стали искать на базе научных разработок с помощью высокоточных инструментов на земле, с воздуха, а в последнее время и из космоса. Разработаны целые научно обоснованные поисковые комплексы для районов с различной геологической обстановкой.

Всю премудрость предсказания открытия алмазных месторождений наука вложила в так называемые поисковые критерии и поисковые признаки.

Сначала, как уже отмечалось, выделяют платформенные области. Затем в пределах платформ выбираются локальные площади и регионы, внутри которых прогнозируется наличие кимберлитовых трубок, это прежде всего зоны глубинных разломов в земной коре, достигающих мантии. Такие зоны образуются на стыке участков земли, испытывающих соответственно поднятие и опускание.

Надо сказать, что в пределах зон разломов кимберлитовые трубки располагаются обычно группами, образуя кимберлитовые поля. В каждом поле находится от единиц до нескольких десятков кимберлитовых трубок. Предполагается, что отдельные кимберлитовые поля связаны с обособленными глубинными магматическими очагами.

После выделения перспективных участков наступает пора специализированных геолого-поисковых работ, которые начинаются с маршрутов. Маршруты намечаются после тщательного анализа предыдущих геологоразведочных работ; в ходе маршрута ведется поиск кимберлитов и минералов — спутников алмаза: пиропа, пикроильменита (ильменита с повышенным содержанием Mg) и хромдиопсида, а также, естественно, и самих алмазов. Маршруты прокладываются в первую очередь по долинам рек, где обычно вскрываются породы и где можно увидеть все особенности их строения, есть возможность провести опробование. Поскольку по рекам алмазы концентрируются в гравийногалечных образованиях, поэтому сначала ищут последние, а затем уже опробуют эти образования на алмазы. Как правило, алмазов больше там, где концентрируется наиболее грубообломочный материал.

Для констатации алмазов необходимо отбирать пробы больших размеров — массой от нескольких до десятков тонн. И если в 1 т есть одно-два зерна алмазов, это удача. Но как выделить это зерно среди миллионов других? Для этого существует специальная методика. Установлено, что наиболее часто встречаются алмазы размером от 1 до 4 мм. Поэтому всю породу (гравийно-галечно-песчаный материал) просеивают на ситах с ячейками 1, 2 и 4 мм. Полученные фракции (от 1 до 4 мм) оставляют для дальнейшей обработки, остальные выбрасывают. Таким образом, уже на первой стадии опробования исследуемый материал сокращается более чем наполовину. Затем оставшуюся часть пробы разделяют по плотности. Так как для алмаза она равна 3,5 г/см³, то делят эту часть пробы на две неравные части: в одну попадают минералы с плотностью больше 3,5, в другую — с меньшей. На этой стадии объем пробы сокращается в сотни и тысячи раз. Оставшийся так называемый концентрат пробы имеет массу, измеряемую килограммами. И все же количество зерен минералов и пород, среди которых есть единичные кристаллы алмазов, в концентрате очень велико. Визуально обнаружить эти алмазы очень трудно. Для этого используется специальная аппаратура, основанная на таких свойствах алмазов, как свечение в рентгеновских лучах, а также способность прилипания к определенным видам жиров.

Из описанного выше можно видеть, что по находкам алмазов искать алмазные месторождения — дело очень трудоемкое. Специалисты стараются ускорить и облегчить процесс поисков. Для этого используют шлиховое опробование[2]. Оно предназначено для поисков не самих алмазов, а их минералов-спутников: чтобы по «дорожкам», указанным этими минералами, приходить к месторождениям. В Советском Союзе первые такие дорожки наметили ленинградские ученые Н. Н. Сарсадских и Л. А. Попугаева. Как мы уже писали, в Якутии ими были встречены характерные для кимберлитов минералы пироп и пикроильменит, которые указали им путь к первой открытой в СССР кимберлитовой трубке «Зарница».

Методика отбора шлихов такова. У реки или ручья зачерпывается исходный материал объемом 10–20 л и очень осторожно промывается на лотках или ковшах. Осторожность и тщательность промывки необходимы для того, чтобы избежать потерь минералов-спутников. Шлихи отбираются на тех участках русла рек, которые благоприятны для максимальной концентрации минералов — спутников алмаза. Обычно это окончания плёсовых участков на сопряжении с перекатами. В поперечном сечении русла повышенные содержания этих минералов наблюдаются в пристержневой части потока, где отлагается более крупный аллювий. На галечных косах рекомендуется отбирать шлих в головных частях. Известно также, что маломощный аллювий обогащен минералами — спутниками алмазов больше, чем аллювий значительной мощности. Большое влияние на концентрацию алмазов и их минералов-спутников оказывает характер ложа русла.

Днище с провалами, ребристостью и другими неровностями способствует их «улавливанию». Все это необходимо учитывать при выборе места для отбора шлиховой пробы.

Шлихи отбираются последовательно, обычно снизу вверх по реке. При этом опробуется аллювий как основной реки, так и всех ее притоков. Шлихи тут же на маршруте просматриваются, и в случае, если «пироповая дорожка» ведет по одному из притоков, ее прослеживают до конца.

Детальное изучение минералов-спутников показало, что по характеру их механического износа, в частности степени окатанности, можно примерно определить, на каком расстоянии находится кимберлитовая трубка. Дальность переноса пиропа и пикроильменита может достигать 150–200 км, а оливин и хромдиопсид измельчаются и исчезают в шлихах уже на первом десятке километров переноса. Поэтому присутствие в шлихах оливина и хромдиопсида может быть признаком близости кимберлитовой трубки. Об этом же свидетельствует и сохранность на зернах пиропа специфической так называемой келифитовой каймы. Эта кайма крайне неустойчива и исчезает в процессе переноса очень быстро.

Поиски кимберлитов проводятся также обломочно-речным методом, заключающимся в обнаружении и прослеживании обломков кимберлитов. Дело в том, что кимберлиты являются нестойкими породами, они разрушаются уже на поверхности и склонах самих кимберлитовых трубок. В руслах рек обломки кимберлитов встречаются на расстоянии не более 5—10 км от трубок. Обычно обломки малочисленны и обнаруживаются с большим трудом. Однако если на склоне или в русле реки найден обломок кимберлита, то это значит, что кимберлитовая трубка близко.

В описанном выше виде шлиховой метод поисков кимберлитов по минералам — спутникам алмаза эффективен лишь в районах со сравнительно простым геологическим строением, когда кимберлитовые трубки, размываемые водой, непосредственно выходят на поверхность земли.

Но район исследования может иметь и более сложную историю геологического развития. Например, представим, что возникшие сотни миллионов лет назад на каком-то участке кимберлитовые трубки размывались древними водотоками с образованием россыпей. Затем земная поверхность опустилась и была залита морем. В водном бассейне отложились различные осадочные породы (песчаники, глины, известняки), захоронившие под собой все, что было раньше, в том числе кимберлиты и россыпи. Затем под влиянием внутренних сил Земли море отступило и этот участок снова поднялся и превратился в сушу. Возникает новая речная сеть. Вода размывает все породы и добирается, наконец, до кимберлитов и россыпей. Образуются новые россыпи, в которых присутствуют как минералы-спутники из коренных кимберлитов, так и из древних россыпей, которые в данном случае выступают как бы в качестве промежуточного накопителя минералов-спутников (они и называются промежуточными коллекторами). Такой процесс может повторяться неоднократно, и в результате возникает целый набор разновозрастных россыпей и промежуточных коллекторов.

И вот геолог работает в алмазоносном районе с таким запутанным геологическим прошлым. Здесь уже известно несколько кимберлитовых трубок, ставится задача — отыскать новую. Из речного аллювия отбирается шлих, а в нем обнаруживается множество минералов-спутников. Казалось бы, все ясно: надо мыть шлихи дальше, идти по «дорожке». Однако на самом деле все оказывается гораздо сложнее. Ведь в этот шлих попали минералы и из уже известных кимберлитовых тел, и из целого ряда разновозрастных промежуточных коллекторов. Геологу необходимо точно сказать: эти гранаты и пикроильмениты из такой-то трубки, эти — из такой-то, а вот те, судя по их особенностям, явно привнесены из промежуточного коллектора. И если после такого анализа остаются минералы, которые не увязываются ни с каким известным источником, только тогда можно предположить, что мы обнаружили звено искомой поисковой «дорожки».

Расшифровка результатов шлихового опробования — дело весьма непростое. Минералы-спутники изучаются разнообразными методами с использованием самой современной точной аппаратуры. Здесь геолог превращается в физика, химика, математика. И все это для того, чтобы точно определить, в каком направлении сделать следующий шаг, где лежит и куда ведет заветная «дорожка».

Широко применяются в последнее время геофизические методы поисков кимберлитов. Они основаны на том, что такие физические свойства кимберлитов и вмещающих их пород, как плотность, намагниченность, электропроводность. «прозрачность» для акустических колебаний и радиоволн, несколько различны и это современными приборами можно уловить. Особо ценны геофизические методы при поисках в так называемых закрытых районах, где кимберлиты не выходят на поверхность и перекрыты более молодыми осадочными породами. В этих случаях приборы фиксируют на фоне геофизического поля изометричную аномалию, так называемую аномалию трубочного типа. Затем эти аномалии проверяют наземными исследованиями с помощью бурения.

Геофизические методы обладают еще одним большим преимуществом: они могут быть применены с воздуха в аэроварианте, когда аппаратура монтируется на самолетах или вертолетах. Это позволяет оперативно и качественно проводить геофизическую съемку крупных и труднодоступных территорий.

В настоящее время значительную часть кимберлитовых трубок находят с помощью геофизических методов. Таковы, например, в Якутии трубки «Электра» и «Аэромагнитная», обнаруженные с помощью соответственно электроразведки и аэромагнитной разведки.

С каждым годом все более разрабатываются геохимические методы поисков. Некоторые химические элементы, которыми особенно богата кимберлитовая магма, различными путями мигрируют во вмещающие породы, образуя вокруг кимберлитовых трубок своеобразные зоны — геохимические ореолы, в которых содержания этих элементов заметно повышены. Современные методы анализа позволяют выявлять эти ореолы. Площадь их в несколько раз превышает площадь кимберлитовых тел. Ясно, что найти такой геохимический ореол легче, чем обнаружить саму кимберлитовую трубку.

Большую помощь в поисках алмазных месторождений оказывают аэрофотосъемка, а в последние годы и космическая съемка. На снимках довольно четко выделяются разломы, к которым приурочены кимберлитовые трубки, а иногда и сами трубки. Чаще, однако, на аэро- и космоснимках дешифрируются фотоаномалии трубочного типа — округлые пятна, отличающиеся цветом, густотой и высотой растительности и т. д. Установление природы фотоаномалий проводится геологами непосредственно в поле (в необходимых случаях с привлечением бурения).

Методы прогноза и поиска алмазных месторождений непрерывно совершенствуются, появляются их модификации. Ученые-геологи стремятся овладеть так называемым локальным прогнозом, при котором можно было бы точно указать небольшой (несколько квадратных километров) участок, в пределах которого расположена алмазоносная кимберлитовая трубка (или россыпное месторождение).