Перспектива определения происхождения алмазов: краткий обзор

Автор: Эван М. Смит (Evan M. Smith), старший научный сотрудник Геммологического института Америки (Gemological Institute of America, GIA)

(rapaport.com) - Можно ли провести анализ алмаза или бриллианта и определить, где он был добыт? Было бы идеально, если бы с помощью быстрого и неразрушающего исследования можно было бы выявить географическое происхождение любого алмаза или бриллианта. В принципе это осуществимо для некоторых драгоценных камней, но для алмазной продукции эта перспектива значительно сложнее. Ниже приводится краткий обзор, основанный на недавней статье «Методы и трудности установления географического происхождения алмазов» (Methods and Challenges of Establishing the Geographic Origin of Diamonds), опубликованной в журнале Gems & Gemology осенью 2022 года (ссылка)¹, в которой подробно рассматривается этот вопрос.

Есть основания ожидать, что драгоценные камни, образовавшиеся в разных местах, должны иметь некоторые различия. К ним могут относиться различные типы включений, структура роста, особенности спектроскопии или вариации в химическом составе микроэлементов (небольшие количества примесей, подобных «химическим характерным признакам»). Микроэлементный анализ может быть важным инструментом для определения происхождения драгоценных камней, таких как рубины или сапфиры². Концентрации многих микроэлементов в драгоценных камнях, например, в рубинах, сапфирах и изумрудах, превышают одну часть на миллион (ppm) по весу, часто достигая десятков и сотен частей на миллион. Мы можем представить концентрацию 1 ppm как каплю в ведре. Это может показаться не так уж много, но концентрацию в этом диапазоне можно без труда измерить с помощью современных методов, используемых в лабораториях по всему миру, занимающихся драгоценными камнями. Наиболее часто используются два метода: масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой с лазерной абляцией (laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry, LA-ICP-MS) и лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия (laser induced breakdown spectroscopy, LIBS).

Однако в алмазах концентрации большинства микроэлементов намного ниже, и, следовательно, их труднее измерить. Основной 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).

С помощью более специализированных методов можно измерить сверхнизкие концентрации микроэлементов в алмазе. Наиболее многообещающим методом является модифицированная «автономная» версия³ LA-ICP-MS. Однако этот метод является медленным, дорогим и опасным: один анализ занимает несколько дней, стоит тысячи долларов и иногда требуется разрушение миллиметров поверхности алмаза. Обычные анализы LIBS и LA-ICP-MS занимают от нескольких секунд до минут, стоимость составляет от нескольких долларов до нескольких центов, а образцы настолько малы, что едва видны невооруженным глазом. Из-за этих ограничений на сегодняшний день было проведено менее 100 высококачественных анализов микроэлементов драгоценных камней. Результаты сложные, но демонстрируют поразительное сходство и частичное совпадение между алмазами, полученными на разных месторождениях⁴. 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 проведение анализа, способ формирования алмазов 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 месторождениями. Более того, если дать возможность рассмотреть и сравнить крупные партии, полученные на разных месторождениях, их усредненные свойства могут отличаться. Но в отдельности и в целом большинство алмазов имеют схожие геологические характеристики независимо от происхождения.

Большинство природных алмазов изначально 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. Мы сталкиваемся с одними и теми же типами минеральных включений на большинстве месторождений алмазов по всему миру, что отражает схожий рост алмазов в перидотитовых и эклогитовых породах. Учитывая то, что известно о возможной схожести геологии алмазов, добываемых на разных месторождениях, геологов также не удивляет наблюдаемое сходство и совпадение в химическом составе микроэлементов.

Хотя земная мантия во всем мире имеет большое сходство, 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 между разными месторождениями условия образования цветных драгоценных камней будут иметь четкие и систематические различия. 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, имеющие географические различия.

Укажем кратко три основных требования, которые должны быть выполнены для того, чтобы сделать возможным определение географического происхождения:

- 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 данных исследований алмазов известного происхождения и применения передовых статистических методов.

- Во-вторых, как упоминалось выше, 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 являются слишком медленными, дорогими и разрушительными, чтобы позволить исследователям без труда создать большую базу данных. Сбор репрезентативной коллекции алмазов, получаемых на каждом месторождении, является еще одним препятствием, так как, вероятно, потребуется включить тысячи образцов с каждого месторождения, чтобы точно отразить естественную изменчивость.

- В-третьих, должна быть возможность регулярного и коммерческого измерения этих отличительных характеристик, чтобы это стало жизнеспособной услугой, предлагаемой геммологическими лабораториями. Даже если бы анализ микроэлементов отвечал первым двум требованиям и давал бы технические возможности для определения происхождения, современные высокотехнологичные методы проведения таких измерений не могли бы предлагаться в качестве рутинной услуги.

Для удовлетворения этих трех требований, изложенных выше, потребуется сочетание технологических инноваций и сбор значительных данных без гарантии успеха. Это будет масштабной исследовательской работой, для проведения которой немногие организации или группы обладают достаточным опытом и ресурсами, особенно если учесть, что определение происхождения алмазов может быть ограничено геологическими факторами.

Таким образом, не было проведено ни одного научно обоснованного исследования с использованием какого-либо метода, демонстрирующего уникальные и поддающиеся определению характеристики, которые позволили бы провести независимое определение происхождения какого-то отдельного алмаза или бриллианта^1,7-9. К сожалению, идеальная цель самостоятельного определения происхождения с помощью лабораторного анализа не достижима в ближайшем будущем. На данный момент и в обозримом будущем единственный оптимальный метод установления происхождения алмазов или бриллиантов зависит от сохранения информации о стране происхождения и/или о месторождении происхождения с момента добычи.

Библиография:

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).