Алмазы могут многое рассказать ученым о прошлом Земли

Для большинства населения Земли алмазы представляют интерес как дорогие и престижные ювелирные украшения. Но для некоторых – это предмет исследований, которые дают возможность, помимо всего прочего, прибавить знаний об эволюции земного вещества. Странно? Вовсе нет. Все дело в том, что алмазы возникали на глубинах от 150 до 600 и даже более километров и в свое время были «свидетелями» тех удивительных процессов, которые происходили внутри нашей эволюционирующей планеты. Этой весьма интересной и перспективной темой занимается старший научный сотрудник Института экспериментальной минералогии Российской академии наук Анна Спивак. Данный проект удостоен гранта Президента Российской Федерации для молодых ученых.

Так каким же образом ученые могут определить, свидетелями каких процессов были алмазы и что конкретно они «видели»? Для этого нужно смоделировать те условия, которые существуют в глубоких земных недрах, с помощью установки с двумя алмазными наковальнями. Каждая из двух наковален имеет размеры порядка полкарата. Основой прибора является аппарат со сверхпрочными минералами, который полностью умещается на женской ладони и весит не более 300 граммов, в зависимости от модификации. Кроме этой установки, в лаборатории флюидно-магматических процессов, в которой трудится А. Спивак, имеются также установки высокого давления типа «наковальня с лункой», в которых создается усилие в пять тонн. Для этих установок институт выделил для лаборатории целый зал.

- Когда эти аппараты работают, грохот и гул производятся ничуть не меньше, чем на заводах, - описывает процесс исследований Анна Спивак. – При всем при этом работа с алмазными наковальнями отличается большой ювелирностью. Внутри специальной ячейки создается маленький кусочек искусственной магмы под давлением около полутора миллиона атмосфер и температуре до 3.2 тысячи градусов. При этом исследовательский объем составляет всего десятки микрон. Но и этого достаточно, чтобы многое понять.

С помощью подобной аппаратуры вполне можно моделировать даже процессы, происходящие в ядре Земли. Но это дело будущего, поскольку для этого понадобится некоторая доработка аппаратуры. А в данный момент Анна экспериментирует в Германии, в Байройтском геологическом институте. А анализ и обработку результатов экспериментов производит уже в Черноголовке.

Осенью Спивак думает организовать исследовательскую работу уже дома. Благодаря получению нескольких грантов удалось практически в полном объеме оборудовать новую лабораторию сверхвысоких давлений. Причем все три гранта, которые в разное время получила молодой ученый – президентские. Осталось сделать последний шаг – приобрести новую лазерную установку с системой прицеливания, которая жизненно необходима для нагрева вещества внутри алмазной ячейки. И вот тогда, надеется Спивак, удастся выйти на мировой уровень исследовательской работы.

На данный момент ученые не пришли к единому мнению в теории образования алмазов. Что уж говорить о тех изменениях, которые претерпели вещества, находящиеся глубоко в земных недрах. И все же эксперименты по воссозданию таких экстремальных и практически реликтовых условий проводятся в лабораториях разных стран мира. При этом используются геологические, минералогические и ряд других данных. Процесс сбора и анализа всей информации, присутствующей в научных журналах, дает возможность обозначить направления, в которых будут проводиться исследования.

Сверхглубинные алмазы представляют и другой интерес для ученых – это включения, присутствующие в их кристаллической решетке. К их числу можно отнести карбонаты, сульфиды, окислы, силикаты. Когда-то они оказались в непосредственной близости от алмазов, и попали в небольших количествах внутрь последних. По этим включениям можно делать выводы о том, какой состав окружал минералы, получить значительно больше информации о процессах, происходящих в глубоких слоях планеты в давние времена.

- Подробно изучая сверхглубинные алмазы, - говорит Анна, - у нас появляется возможность изучить физико-химические условия генезиса вещества в переходной зоне (около 400 километров) и зоне нижней мантии (более 600 километров). К слову, мест, где обнаружены сверхглубинные алмазы, не так уж и много, главным образом они находятся в ЮАР, Канаде, Бразилии, Австралии и Гвинее. Например, африканские алмазы содержатся в кимберлитовых трубках, бразильские – еще и в виде россыпей, находящихся на берегах рек.

Во время экспериментов в устройстве высокого давления с наковальнями также образуются микрокристаллы алмаза. Но они настолько малы, что их способен уловить только прибор для спектрального анализа. Конечная цель экспериментов – воссоздать природные условия возникновения алмазов, которые происходили много миллионов лет назад. Мировая наука уже имеет некоторые данные по поведению карбоната кальция в экстремальных условиях высокого давления порядка одного миллиона атмосфер. Но тип проводимых до этого экспериментов был взрывной, что давало слишком большие погрешности. Анна Спивак поставила цель воссоздать такие условия при постоянном сверхвысоком давлении, что является возможным для устройства с алмазными наковальнями. Первый подобный эксперимент был проведен в декабре 2010 года. Тогда ученым удалось определить условия, при которых карбонат кальция начинает плавиться, разлагаться и выделять углерод, который впоследствии участвует в процессе формирования алмазов или графитов.

Теперь предстоит еще более сложный эксперимент: к чистому карбонату кальция будут добавлены примеси – оксиды магния, железа, компоненты силикатов в разных пропорциях. Эти же соединения были обнаружены и в сверхглубинных алмазах. При этом среда, с которой будут работать ученые, все больше будет похожа на природную.

Почему Анна выбрала именно эту тему? Оказалось, почти случайно. В 2000 году, будучи студенткой четвертого курса Иркутского государственного технического университета, она стала участницей 31-го геологического конгресса, который состоялся в Рио-де-Жанейро. На одной из постерных секций девушка познакомилась с доктором химических наук Юрием Литвиным из Черноголовки. Очевидно, ученый оценил исследовательский потенциал студентки, и по окончании учебы он предложил ей работу в своей лаборатории. Анна приняла предложение и переехала в наукоград, где трудится до сих пор.

Известно, что молодым ученым, только начинающим свой путь в освоении науки, сегодня в российских реалиях приходится очень нелегко. Маленькие зарплаты, проблемы с жилищными условиями – все эти условия не способствуют плодотворной научной работе. Несмотря на это, молодой ученый не собирается выезжать за рубеж.

- Я очень хорошо понимаю тех, кто хочет покинуть страну, - говорит Анна Спивак. – Ученым, особенно мужчинам, необходимо зарабатывать достаточно, чтобы обеспечить свои семьи и создать нормальные условия для жизни. На Западе этого добиться намного легче. Но я не могу принять такое решение хотя бы потому, что чувствую большую ответственность перед своим научным руководителем Юрием Андреевичем, который много в меня вложил, прежде чем я стала сформировавшимся ученым.

И если  быть честным до конца, сохранять верность принятому решению Анне нелегко. В самом институте она получает около 17 тысяч рублей в месяц. Небольшое подспорье – гранты, которых добивается лаборатория. Суммы этих грантов вовсе не астрономические, и далеко не всегда удается выкроить себе надбавку. Размер президентского гранта – 600 тысяч рублей в год на протяжении двух лет. 10% от этой суммы перечисляются  на нужды института, большая часть идет на развитие лаборатории – закупку необходимого оборудования, приборов, деталей для экспериментальных установок, необходимых реактивов. В качестве обязательной статьи расходов присутствуют зарубежные командировки. Без встреч с зарубежными коллегами рост профессионального ученого затруднителен. Вот так и расходятся практически все деньги, полученные по гранту.  Тем не менее, Анна не теряет оптимизма и продолжает свои исследования. Наверное. Во многом благодаря именно таким людям наша наука еще не умерла окончательно.

По материалам poisknews.ru