Геология и образование

Почти все природные алмазы кристаллизовались в глубоких корнях древних устойчивых континентальных блоков, которые называют кратонами, при давлении выше 4 GPa и температуре 950–1400 °C. GIA помещает верхнюю границу этого поля устойчивости примерно на 140 km, причём большинство ювелирных алмазов выросло на глубине от 150 до 250 km. Датирование включений даёт им возраст более миллиарда лет, а некоторым близкий к 3.5 миллиарда.

К поверхности алмазы выносят только три редких типа магмы: кимберлит, лампроит и лампрофир. Все три образуются при слабом плавлении глубоко в мантии, богаты летучими компонентами и магнием и извергаются быстро, с оценочной скоростью от 4 до 20 m/s. Кимберлитовая магма может зарождаться на глубине 200–300 km. Она пробивает себе путь вверх, газ выходит из раствора по мере падения давления, и извержение строит трубку из трёх частей: кратера, диатремы из раздробленной породы со стенками около 82 градусов и корневой зоны интрузивного кимберлита. По правилу Клиффорда алмазоносные кимберлиты прорывают древнейшие архейские участки кратонов. Рудник Аргайл в Западной Австралии, заложенный на лампроите, оставался ведущим поставщиком розовых и коричневых алмазов до закрытия в 2020 году. Даже хорошая руда здесь бедна: USGS оценивает содержание алмазов в добываемом кимберлите в 0.1–0.6 ppm.

Сверхглубинные алмазы образовались на глубине около 300–800 km и составляют, по оценкам, 2% мировой добычи. К ним относятся бедные азотом камни группы CLIPPIR и синие борсодержащие алмазы типа IIb.

Эрозия высвобождает камни из вмещающей породы, а реки, волны и течения переносят их. Минералы драгоценных камней твёрдые, химически стойкие и плотнее кварцевого песка, поэтому они скапливаются там, где течение замедляется: на галечных косах, в котлах, на старых речных террасах и на пляжах. Такие скопления называют россыпями; россыпи, отложенные реками, называют аллювиальными. Дефектные кристаллы при переносе обычно разрушаются, поэтому россыпи часто богаче целыми камнями, чем их коренные источники. В обзоре месторождений корунда GIA отмечено, что россыпи в метаморфических обстановках, такие как Ратнапура и Элахера на Шри-Ланке и Илакака на Мадагаскаре, дают сапфиры наивысшего качества.

Крупнейшая система алмазных россыпей тянется вдоль атлантического побережья южной Намибии. Река Оранжевая была главным путём, по которому алмазы попадали из внутренних районов юга Африки к побережью, а вдольбереговой перенос на север разнёс их по пляжам и морскому дну более чем на 150 km за пределы старого устья. И размер гальки, и размер алмазов убывают к северу. Исследование этих отложений, опубликованное в 2006 году, отнесло к намибийскому побережью более 55% из 130 миллионов карат аллювиальных алмазов, добытых к тому времени на юге Африки. Сейчас преобладает морская добыча: в работе 2020 года сообщается о флоте из семи судов, которые работают по морскому дну на глубинах до 150 m и дают более трёх четвертей намибийской добычи алмазов.

Пегматит представляет собой магматическую породу, сложенную необычно крупными взаимно прорастающими кристаллами. Большинство камненосных пегматитов гранитные. Они кристаллизуются из последней, богатой водой доли остывающей гранитной магмы, из остатка, обогащённого несовместимыми элементами, которые плохо входят в обычные породообразующие минералы: литием, бериллием, бором, фтором, фосфором, рубидием, ниобием, цезием и танталом. При низких температурах этой стадии новые кристаллы зарождаются медленнее, чем растут уже существующие, поэтому вместо множества мелких вырастают несколько очень крупных. Недавние работы показывают, что скорость роста может достигать метра и более в сутки.

Ювелирные кристаллы чаще всего встречаются в открытых или заполненных глиной занорышах в ядре и центральных зонах тела, где они свободно росли в заполненное флюидом пространство. Тела с такими полостями называют миароловыми пегматитами; они залегают внутри плутонов, внедрившихся на небольшую глубину в кору, или рядом с ними. Пегматиты литий-цезий-танталового семейства (LCT) намного многочисленнее пегматитов семейства ниобий-иттрий-фтор (NYF) и служат заметными источниками ювелирных турмалина, берилла, сподумена, топаза и граната.

Среди известных пегматитовых районов: Минас-Жерайс в Бразилии, Мадагаскар, округ Скарду в Пакистане и округ Сан-Диего в Калифорнии, где рудник Oceanview до сих пор даёт кунцит. Пегматиты дали некоторые из самых крупных известных кристаллов: о сподумене и берилле сообщалось при длине 10 m и более.

Многие из наиболее ценимых рубинов выросли в мраморе, метаморфической породе, которая образуется при перекристаллизации известняка под действием тепла и давления. Пояс месторождений в мраморах протягивается через Центральную и Юго-Восточную Азию: Джегдалек в Афганистане, долина Хунза и Нангимали в Пакистане, Чумар и Руйил в Непале, Могок и Монг-Шу в Мьянме, Лукйен и Куйтяу во Вьетнаме. Все они лежат в породах, деформированных столкновением Индии с Азией, и радиометрическое датирование даёт центрально- и юго-восточноазиатским месторождениям возраст от олигоцена до плиоцена, примерно от 40 до 5 миллионов лет.

В обзоре месторождений корунда GIA рост рубина в этих мраморах отнесён примерно к 620–670 °C и 2.6–3.3 kbar. Кристаллы рассеяны в породе вместе с флогопитом, мусковитом, скаполитом, маргаритом, шпинелью, титанитом, пиритом и графитом, поэтому из тех же выработок выходит и тонкая красная шпинель, прежде всего в Могоке. Могокский рудный район в Мьянме даёт рубины цвета голубиной крови примерно с 600 года н. э.

Не всякое месторождение тонкого рубина связано с мрамором. Монтепуэс в Мозамбике относится к амфиболитовому типу, в метаморфизованных основных и ультраосновных породах, и бо́льшая часть его продукции поступает из вторичных отложений поблизости: коллювия из угловатых обломков и меньшей доли гладкой окатанной аллювиальной гальки.

Многие синие, зелёные и жёлтые сапфиры извлекают из почв и галечников над полями молодых щелочных базальтов. Месторождения такого рода тянутся от Тасмании через восточную Австралию, Юго-Восточную Азию и восточный Китай до Дальнего Востока России; их разрабатывают также в Нигерии и Камеруне, на Мадагаскаре и в Аксуме в Эфиопии. Камни создал не базальт. Сапфиры здесь, это ксенокристы, кристаллы, чуждые вынесшей их лаве; они встречаются в потоках и некках субщелочного оливинового базальта, высокоглинозёмистого щелочного базальта и базанита, в обстановках растяжения коры над поднимающимися мантийными плюмами. Выветривание этих потоков оставляет аллювиальные месторождения, разрабатываемые сегодня главным образом на севере Нового Южного Уэльса и в центральном Квинсленде.

У таких сапфиров узнаваемый химический состав. В исследовании 2007 года Ж.-Ж. Пёка с коллегами показали, что магматические синие сапфиры из щелочных базальтов содержат от 2000 до 11000 ppm железа, более 140 ppm галлия и обычно менее 20 ppm магния, что даёт отношение галлия к магнию выше 10. Метаморфические синие сапфиры, включая пастельные камни из Пайлина в Камбодже и материал из Могока, Шри-Ланки и Илакаки, содержат менее 3000 ppm железа и лежат ниже отношения 10. Лаборатории до сих пор используют это разделение как одну из линий доказательства.

Сапфиры Його-Галч в Монтане представляют собой родственный магматический случай, но вмещает их щелочной лампрофир, а не базальт.

Изумруду нужен бериллий, который концентрируется в гранитах и пегматитах, вместе с хромом или ванадием, которые концентрируются в тёмных основных и ультраосновных породах и в некоторых сланцах. Большинство месторождений сводит их вместе: по обзору GIA, на тип, залегающий в метаморфизованных основных и ультраосновных породах, приходится около 70% мировой добычи, а главные поставщики здесь Бразилия, Замбия и Россия.

Месторождения Колумбии в Восточной Кордильере образовались иначе, без участия магматизма. Изумруды встречаются в жилах и брекчиях среди нижнемеловых чёрных сланцев. В статье 1994 года в журнале Nature Т. Л. Оттауэй с коллегами показали для рудника Музо, что гидротермальные рассолы приносили эвапоритовый сульфат к благоприятным структурам, где он химически восстанавливался; затем сера реагировала с органическим веществом сланца, высвобождая запертые в нём хром, ванадий и бериллий. GIA оценивает эти бассейновые флюиды в 300–330 °C и до 40 wt.% эквивалента NaCl; они формировались на глубине, где метеорные и пластовые воды встречались с соляными пластами и эвапоритовыми толщами.

Рудники делятся на две группы. В западную зону входят Музо, Коскуэс, Пеньяс-Бланкас, Кунас, Ла-Пита и Якопи; восточная зона включает районы Гачала, Чивор и Маканаль.

Австралийские поля благородного опала лежат внутри Большого Артезианского бассейна и вдоль его края; меловые породы бассейна отлагались в мелководном внутреннем море Эроманга и рядом с ним. Кубер-Педи и Андамука в Южной Австралии, Уайт-Клиффс и Лайтнинг-Ридж в Новом Южном Уэльсе и поля бульдер-опала в Квинсленде расположены в этих осадках, а опал добывают главным образом из их меловых песчаников и аргиллитов.

О том, как образовался опал, до сих пор спорят. Обзор этих полей, сделанный GIA, излагает теорию выветривания, микробную теорию и синтектоническую теорию, а более поздние работы указывают на окислительно-восстановительный фронт, движущийся по глубоко выветрелому профилю. Время образования тоже остаётся предметом спора.

Типы залежей различаются от поля к полю. В Лайтнинг-Ридже чёрный опал встречается в виде желваков в беловатой глине раннемеловой свиты Finch Claystone; старатели называют их ноббис, и залегают они обычно менее чем в 30 m от поверхности. Бо́льшую часть желвака составляет тёмно-серый потч, благородный опал занимает лишь его часть, и именно тёмный фон даёт тонкому чёрному опалу его игру цвета. В Квинсленде опал заполняет кремнисто-железистые конкреции, которые старатели называют кувшинками или орехами, в песчаниках Desert Sandstone верхнемелового возраста. Опал замещал и меловые окаменелости, от микроскопических организмов до скелетов динозавров.

На краю геммологии стоят два материала: один настоящий, но почти никогда не вырастающий до размера, пригодного для огранки, и другой, само существование которого оспаривается.

Муассанит представляет собой карбид кремния. Природный карбид кремния очень редок и найден в виде крошечных кристаллов, обычно менее 1.5 mm, лишь в нескольких месторождениях мира. Самые крупные известные природные кристаллы происходят из реки Кишон на севере Израиля, где находки выросли с 0.1–1 mm около 2000 года до 2.2 mm в 2002 году, 3.5 mm в 2009 году и 4.1 mm в 2012 году. При таких размерах природные кристаллы огранить нельзя, поэтому муассанит в ювелирных изделиях выращен в лаборатории.

Лонсдейлит, называемый также гексагональным алмазом, широко использовался как признак астероидных ударов и считается ключевым звеном перехода графита в алмаз. Несмотря на долгие усилия, его так и не удалось получить или описать как отдельный чистый материал. В 2014 году Петер Немет с коллегами сообщили в Nature Communications, что образцы с признаками, приписываемыми лонсдейлиту, представляют собой кубический алмаз, насыщенный двойниками {113} и дефектами упаковки {111}; среди них был и материал метеорита Каньон-Дьябло, по которому сделали первоначальное описание. Авторы заключили, что как самостоятельный материал этот минерал не существует и что опирающиеся на него работы нуждаются в перепроверке.