Автор: Эван М. Смит, старший научный сотрудник Геммологического института Америки (GIA)
Можно ли проанализировать алмаз и определить, где он был добыт? Было бы идеально, если бы быстрое и неразрушающее измерение могло выявить географическое происхождение любого алмаза. В принципе, это осуществимо для некоторых драгоценных камней, но для алмазов эта перспектива значительно сложнее. Вот краткий обзор, основанный на недавней статье, в которой подробно рассматривается эта тема, под названием «Методы и проблемы установления географического происхождения алмазов» , опубликованной в журнале Gems & Gemology, осень 2022 г. ( ссылка ) 1 .
Изображение: Эван А. Смит, GIA.
Кажется разумным ожидать, что драгоценные камни, образовавшиеся в разных местах нашей планеты, должны немного различаться. Это может означать различные типы включений, модели роста, особенности спектроскопии или вариации в химическом составе микроэлементов (небольшие количества примесей, подобные «химическому отпечатку пальца»). Анализ микроэлементов может быть мощным инструментом для определения происхождения драгоценного камня, такого как рубин или сапфир .. Концентрации многих микроэлементов в драгоценных камнях, таких как рубины, сапфиры и изумруды, превышают одну часть на миллион (частей на миллион) по весу, часто достигая десятков и сотен частей на миллион. Мы можем представить концентрацию 1 ppm как каплю в ведре (рис. 1). Это может показаться не таким уж большим, но концентрации в этом диапазоне можно легко измерить с помощью современных методов, используемых в лабораториях драгоценных камней по всему миру. Двумя наиболее часто используемыми методами являются LA-ICP-MS (масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой с лазерной абляцией) и LIBS (спектроскопия индуцированного лазером пробоя).
Рисунок 1: Визуальное представление относительных концентраций микроэлементов. Если капля воды составляет 0,05 мл, то капля в большом ведре (50 л) составляет 1 промилле. Капля в 24-футовом надземном бассейне (50 000 л) составляет 1 часть на миллиард. Одна капля, распределенная по 20 плавательным бассейнам олимпийского размера (общим объемом 50 000 000 л), составляет 1 ppt. Изображение: Эван М. Смит, GIA
Однако в алмазах концентрации большинства микроэлементов намного ниже, и, следовательно, их труднее измерить. Ключевой причиной такой относительной чистоты является то, что алмаз состоит из плотно упакованных и прочно связанных атомов углерода, которые имеют тенденцию исключать другие элементы по мере роста кристалла. Концентрации микроэлементов могут находиться в диапазоне частей на миллиард (одна капля в наземном бассейне) или частей на триллион (капля в 20 бассейнах олимпийского размера) (рис. 1).
С помощью более специализированных методов можно измерить сверхнизкие концентрации микроэлементов в алмазе. Наиболее перспективной методикой является модифицированная «автономная» версия 3 LA-ICP-MS. Однако этот метод является медленным, дорогим и опасным: один анализ занимает несколько дней, стоит тысячи долларов и иногда требует разрушения миллиметров поверхности алмаза. Обычные анализы LIBS и LA-ICP-MS занимают от нескольких секунд до минут, стоимость составляет от долларов до центов, а анализы настолько малы, что едва видны невооруженным глазом. Из-за этих ограничений на сегодняшний день было проведено менее 100 высококачественных анализов микроэлементов драгоценных камней. Результаты сложны, но демонстрируют поразительное сходство и частичное совпадение между алмазами из разных месторождений 4. Это не является обнадеживающим признаком для перспективы определения происхождения.
Аналитическая задача измерения микроэлементов в алмазе, безусловно, является серьезным препятствием на пути к определению происхождения алмаза, но это не последнее препятствие. Даже если будущие технологические усовершенствования упростят и удешевят анализ, то, как алмазы формируются в земле, также представляет собой проблему. Геологические процессы и ингредиенты, участвующие в формировании алмазов, удивительно похожи во всем мире. Конечно, есть необычные и исключительные алмазы, которые, кажется, связаны с отдельными рудниками. Более того, если дать возможность рассмотреть и сравнить крупные партии из разных шахт, их средние свойства могут отличаться. Но в отдельности и в целом большинство алмазов имеют схожие геологические характеристики независимо от происхождения.
Большинство добываемых алмазов первоначально формировались на глубине 150-200 км под поверхностью Земли, в самых древних и мощных частях континентов, в мантийных породах, называемых перидотитами и эклогитами 5-7 . Кусочки этих мантийных пород иногда захватываются внутри алмазов по мере их роста (рис. 2). Мы сталкиваемся с одними и теми же типами минеральных включений на большинстве месторождений алмазов по всему миру, что отражает сходный рост алмазов в перидотитовых и эклогитовых породах. Учитывая то, что мы знаем о том, насколько похожей может быть геология алмазов от одной шахты к другой, геологов не удивляет, что мы также наблюдаем сходство и совпадение в химии микроэлементов.
Рисунок 2. Пример минеральных включений в алмазе. Оранжевый гранат (слева) и голубой кианит (справа) указывают на то, что алмаз вырос во вмещающей породе, называемой эклогитом, одним из двух основных типов горных пород, представленных во включениях алмазов почти на каждой шахте по всему миру. Изображение: Эван М. Смит, GIA
В то время как земная мантия во всем мире очень похожа, горные породы, расположенные близко к земной поверхности, в континентальной коре, демонстрируют огромные различия. Цветные драгоценные камни, такие как рубины и изумруды, образуются в земной коре в более изменчивых геологических условиях. Больше шансов, что условия образования цветных драгоценных камней будут иметь четкие и систематические различия между разными месторождениями. Если добавить тот факт, что эти минералы, как правило, могут содержать гораздо более высокие концентрации микроэлементов, чем алмазы, получается, что цветные драгоценные камни с большей вероятностью (хотя и не гарантированно) наследуют микроэлементы, включения и другие характеристики с географическими различиями.
Рассмотрим на мгновение три основных требования, которые должны быть выполнены для того, чтобы определение географического происхождения было возможным:
Во-первых, нам нужно иметь характеристики, которые различны для разных происхождений. Анализ микроэлементов считается наиболее перспективным для алмазов, но имеющиеся данные свидетельствуют о том, что это первое требование может не выполняться. В конечном счете, трудно сделать вывод о том, может ли быть выполнено это требование, без предварительного сбора многих тысяч измерений алмазов известного происхождения и применения передовых статистических методов.
Во-вторых, как упоминалось выше, нам необходимо иметь большую базу данных характеристик для сравнения как для демонстрации выполнения первого требования, так и для использования в качестве основы для оценки неизвестных образцов. В настоящее время для измерения сверхнизких концентраций микроэлементов в алмазе требуются специальные аналитические методы, которые слишком медленны, слишком дороги и слишком разрушительны, чтобы позволить исследователям легко создать большую базу данных. Сбор репрезентативной коллекции алмазов из каждого рудника представляет собой еще одно препятствие, так как, вероятно, потребуется включить тысячи образцов из каждого места, чтобы точно отразить естественную изменчивость.
В-третьих, должна быть возможность измерять эти отличительные характеристики на регулярной основе и в коммерческих целях, чтобы это стало жизнеспособной услугой, предлагаемой геммологическими лабораториями. Даже если бы анализ микроэлементов отвечал первым двум требованиям и имел бы технические возможности для определения происхождения, современные высокотехнологичные методы проведения таких измерений не могли бы предлагаться в качестве рутинной услуги.
Попытка выполнить три требования, изложенные выше, потребует сочетания технологических инноваций и сбора значительных данных без гарантии успеха. Это будет монументальное исследовательское мероприятие, для которого немногие организации или группы обладают опытом и ресурсами, особенно если учесть, что определение происхождения алмазов может быть ограничено геологическими факторами.
Таким образом, не было проведено научно обоснованного исследования каким-либо методом, демонстрирующим уникальные и измеримые характеристики, которые позволили бы независимо определить происхождение случайного отдельного алмаза 1,7-9 . К сожалению, идеальная цель самостоятельного определения происхождения с помощью лабораторного анализа не за горами. На данный момент и в обозримом будущем единственный окончательный метод установления происхождения алмазов зависит от сохранения информации о стране происхождения и/или шахте происхождения с момента добычи.
Приведенные ссылки
1 Smith, E. M., Smit, K. V. & Shirey, S. B. Methods and Challenges of Establishing the Geographic Origin of Diamonds. Gems & Gemology 58, 270-288, doi:10.5741/gems.58.3.270 (2022).
2 Groat, L. A. et al. A review of analytical methods used in geographic origin determination of gemstones. Gems & Gemology 55, doi:10.5741/GEMS.55.4.512 (2019).
3 McNeill, J. C. R. et al. Quantitative analysis of trace element concentrations in some gem-quality diamonds. Journal of Physics: Condensed Matter 21, 364207-364220 (2009).
4 Smith, E. M., Krebs, M. Y., Genzel, P.-T. & Brenker, F. E. Raman Identification of Inclusions in Diamond. Reviews in Mineralogy and Geochemistry 88, 451-473, doi:10.2138/rmg.2022.88.08 (2022).
5 Stachel, T., Cartigny, P., Chacko, T. & Pearson, D. G. Carbon and Nitrogen in Mantle-Derived Diamonds. Reviews in Mineralogy and Geochemistry 88, 809-875, doi:10.2138/rmg.2022.88.15 (2022).
6 Stachel, T., Aulbach, S. & Harris, J. W. Mineral Inclusions in Lithospheric Diamonds. Reviews in Mineralogy and Geochemistry 88, 307-391, doi:10.2138/rmg.2022.88.06 (2022).
7 Krebs, M. et al. A common parentage-low abundance trace element data of gem diamonds reveals similar fluids to fibrous diamonds. Lithos 324, 356-370 (2019).
8 Dalpé, C., Hudon, P., Ballantyne, D. J., Williams, D. & Marcotte, D. Trace element analysis of rough diamond by LA‐ICP‐MS: a case of source discrimination? Journal of forensic sciences 55, 1443-1456 (2010).
9 Cartier, L. E., Ali, S. H. & Krzemnicki, M. S. Blockchain, Chain of Custody and Trace Elements: An Overview of Tracking and Traceability Opportunities in the Gem Industry. Journal of Gemmology 36 (2018).
