Diamant: permanentne strategická surovina

Existujú dva varianty vysvetľovania pôvodu názvu diamantu: z arabského „al-mas“ (najtvrdší), resp. z gréckeho „adamas“ (nezničiteľný, nepremožiteľný).

Z textov v sanskrite sa dozvedáme, že v Indii už v 4. storočí pred n. l. existoval rozsiahly obchod s diamantmi a až do 18. storočia bola táto krajina ich výhradným dodávateľom. Podľa starých Hindov diamanty vznikli z piatich základných prírodných substancií: vody, vzduchu, oblohy, zeme a energie. Plínius Starší vo svojej Historia naturalis o diamantoch napísal: „Najvyššiu cenu medzi vecami, a to nielen medzi drahými kameňmi, má diamant. Dlho bol známy len kráľom, ale aj to len v obmedzenej miere. Podobne ako zlato aj diamant sa ťaží v baniach, pričom je jeho zriedkavým sprievodcom...“ Dnes je už dokázané, že diamant a zlato sa nikdy nenachádzajú na primárnych výskytoch spolu. Výrazne odlišné fyzikálnochemické podmienky vzniku vylučujú ich spoločnú genézu. Mylný názor Plínia Staršieho vyplýva z dobového poznatku, že tieto dva minerály sa spolu vyskytovali v druhotných náleziskách – v náplavoch.

Až do 80. rokov 19. storočia prvotné náleziská diamantov neboli známe. Ťažili sa z rozsypových nahromadenín pieskov a štrkov. Úsilie geológov zistiť primárne výskyty diamantov bolo korunované úspechom až r. 1871, keď v blízkosti mesta Kimberley v južnej Afrike v tmavosfarbenej eruptívnej hornine objavili kryštáliky tohto vzácneho nerastu. Materská hornina dostala potom pomenovanie „kimberlit“. Neskôr sa v širšej oblasti Kimberley našlo viacero ďalších telies. Dnes je známych vyše 1600 telies kimberlitov na všetkých kontinentoch.

Ešte pred jedným či dvoma desaťročiami sa vznik diamantov v prírode spájal výlučne s kimberlitmi, ktoré v podobe rúrkovitých telies doslova „prestreľovali“ zemskú kôru štítov. Geológovia však zistili, že diamanty sú charakteristickými minerálnymi fázami aj iných horninových typov, ktoré vznikali v diametrálne odlišných geologických podmienkach.

Kimberlity sú svojrázne horniny, ktoré tvoria rúrkovité (komínovité) vertikálne orientované telesá, lokalizované na starých stabilizovaných častiach kontinentov. Ich vertikálny dosah je veľký, dosahujú hĺbku vyše 100 km. Na povrchu majú kruhovitý, resp. elipsovitý prierez. Kimberlit sa podľa obsahov základných oxidov, najmä SiO₂ a MgO, radí medzi ultrabázické horniny. Charakteristický je preň zvýšený obsah alkalických kovov, prítomnosť magmaticky vykryštalizovaných karbonátov, ale aj vysoký podiel rôznych typov uzavrenín (xenolitov) hornín vrchného plášťa Zeme. Vysoký obsah plynov, a najmä vodných pár v kimberlitovej magme spôsobuje, že výplne kimberlitových rúrok („diatrémy“) majú prevažne brekciovitý (dezintegrovaný) charakter. Často sa preto píše o kimberlitových brekciách. Vlastná hornina je tvorená horečnatým olivínom, chrómdiopsidom, pyropom, enstatitom, serpentínovými minerálmi, flogopitom, perovskitom, karbonátmi, ale aj coesitom (vysokotlakovou modifikáciou SiO₂) a v časti kimberlitov v akcesorickom (veľmi sporadickom) množstve aj diamantom.

Názory na jeho vznik v materských horninách prekonali v posledných 2 desaťročiach neočakávaný vývoj. Izotopové metódy stanovenia veku diamantov priniesli dôkazy o tom, že diamant je starší ako obklopujúci ho kimberlit. Ten predstavuje len „dopravcu“ diamantov zo spodných častí vrchného plášťa Zeme k jej povrchu.

Kimberlity sú v dôsledku svojej brekciovitej textúry do veľkých hĺbok zvetrané. V takomto prípade sa najprv povrchovým, a potom aj banským spôsobom ťaží zvetraný kimberlit žltej a žltohnedej farby (yellow ground), ktorý smerom do hĺbky postupne prechádza v tmavý čerstvý kimberlit (blue ground). Ťažba diamantov z kimberlitov v JAR už dávnejšie prenikla do hĺbok väčších ako 1000 m.

V kimberlitových diatrémach sú diamanty geneticky i priestorovo viazané na kimberlitovú magmu, ale aj na útržky (xenolity) granátických peridotitov a eklogitov v nej. Je známe, že diamanty sú prítomné len v časti kimberlitových diatrém. To, že diamant predstavuje skutočne len akcesorický minerál kimberlitov, dokumentuje najmä ich priemerný obsah v hornine (0,l–0,2 karátu na tonu horniny). Toto množstvo je najmenej desaťnásobne nižšie, ako je obsah zlata v súčasnosti ťaženého z veľkých povrchových ložísk. Diamanty v kimberlitoch sú prevažne drobné, s hmotnosťou spravidla menšou ako l karát. Kryštály s hmotnosťou desiatok či stoviek karátov sa nájdu len ojedinelo. Uchovanie diamantov v kimberlitoch je odrazom veľmi rýchleho výstupu tohto chemicky veľmi agresívneho média cez zemskú kôru.

Okrem samotnej oblasti Kimberley v JAR a ďalších štátov južnej časti afrického kontinentu sú kimberlitové diatrémy známe aj z iných oblastí zemského povrchu, najmä z Jakutska na Sibíri, Arkansasu v USA, vyskytujú sa v Minas Geraes v Brazílii, na indickom subkontinente, v Austrálii atď.

V posledných rokoch objavili ojedinelé drobné diamanty aj v peridotitoch (v Britskej Kolumbii) a peridotitových brekciách (na ostrove Borneo), ale aj v dunitoch ofiolitového komplexu v severnom Arménsku, v andezitoch ostrovných oblúkov (na Kamčatke) či v lamproitoch v západnej Austrálii.

Aj v Českej republike sú evidované 2 diamanty získané z pyroponosných štrkov v podhorí Českého stredohoria. Najstarší z nich je tzv. dlažkovický (s hmotnosťou 0,28 karátu) objavený r. 1869, druhý bol nájdený pred r. 1910. Tretí nález bol později určený ako barnaté sklo.

V minulosti bola objavená a podrobne študovaná kimberlitoidná (kimberlitom podobná) diatréma v Linhorke – avšak nasledujúce rozdrvenie a spracovanie niekoľkých ton horniny v 70. rokoch neprinieslo žiadne ďalšie kryštály diamantov.

L. Coes r. l953 syntetizoval novú modifikáciu SiO₂ pri tlaku 3 GPa (dostala názov coesit), čo bolo impulzom k hľadaniu ultravysokotlakových minerálnych asociácií v prírodných horninách. Neskôr S. Stišov a S. Popova (1961) syntetizovali pri tlaku 8 GPa ešte „hutnejšiu“ modifikáciu SiO₂ (stišovit). Prvou oblasťou, v ktorej sa našli horniny ultravysokých tlakov, konkrétne s coesitom (opísal ich Chopin, l984), bol masív Dora Maira v Západných Alpách. Prítomnosť coesitu, pyropu, príp. aj diamantu sa potom stala podmienkou definovania novej metamorfnej kategórie hornín ultravysokých tlakov.

Diamanty mikroskopických rozmerov boli neskôr objavené ako uzavreniny v granátoch a zirkónoch rôznych typov ultravysokotlakových hornín v Kazachstane, ale, na prekvapenie odbornej komunity, aj v zirkónoch, kyanitoch a granátoch hornín eklogitovej fácie Krušných hôr, ako aj v granátoch eklogitov, granátických pyroxenitov a v jadeititoch masívu Dabie v strednej Číne. Pravdepodobne najneočakávanejšie je zistenie prítomnosti diamantu v metamorfitoch západného rulového terénu Nórska.

Diamanty z rôznych horninových prostredí všetkých uvedených oblastí sa vyznačujú mikrometrovými rozmermi, pričom najväčšie z nich (do 700 m) boli zistené v zóne ultravysokotlakových hornín Dabie-Sulu v centrálnej severovýchodnej Číne.

Vznik diamantov v horninách ultravysokých tlakov je podmienený najmä:

• celkovým chemickým zložením horniny „vtiahnutej“ do podmienok metamorfózy ultravysokých tlakov, najmä od obsahu uhlíka v nej,
• zložením fluidov v reakčnom prostredí spolu s fugacitou kyslíka (nesmie byť vysoká),
• vhodným geotermálnym gradientom.

  Stále otvorená ostáva otázka pôvodu uhlíka (vrchnoplášťový pôvod verzus pôvod v samotných metamorfovaných horninách, ktoré sa ocitli v podmienkach ultravysokého tlaku).

Oproti diamantom vznikajúcim v kimberlitoch, diamanty tejto proveniencie:

• sú extrémne zriedkavé (ale sú),
• majú len mikroskopické rozmery,
• vystupujú ako uzavreniny v nereaktívnych mineráloch, ako je granát, zirkón, kyanit,
• sú minerálnymi fázami rôznych typov hornín, a to najmä eklogitov, granátických peridotitov, granátických pyroxenitov, jadeititov, rúl atď.,
• nateraz nepredstavujú priemyselne využiteľnú abrazívnu surovinu.

Vďaka dobrej rozlišovacej schopnosti kamier satelitov Zeme možno identifikovať na zemskom povrchu početné misovité prehĺbeniny. Na základe terénneho geologického prieskumu i laboratórneho štúdia je veľká časť z nich zaradená do impaktových (dopadových) štruktúr. Pevné horninové či kovové telesá dopadom na zemský povrch spôsobujú zvláštny druh premeny hornín v mieste dopadu – známy ako impaktová (šoková) metamorfóza. Obrovská kinetická energia planetárnej hmoty (ak nezhorela pri prelete atmosférou) sa preniesla na horniny v mieste dopadu. Tento proces spôsobuje nerovnovážne zmeny v mineráloch i vlastných horninách v mieste dopadu – tavenie, pri ktorom sa vyparí značná časť ich objemu. Roztavené horniny sa označujú ako suevity či v prípade štruktúry Popigaj na východnej Sibíri ako taganity.

V súčasnosti je na zemskom povrchu identifikovaných viac ako 150 impaktových štruktúr, ku ktorým pravdepodobne pribudnú ďalšie (viz Vesmír 79, 269, 2000/5). Vznikali v podstate v celej histórii formovania sa Zeme, najstaršia identifikovaná impaktová štruktúra je stará 2,2 miliardy rokov. Stupeň ich zachovania závisí od topografie terénu, atmosférických podmienok, horninového prostredia impaktu a pod. Veľkosť impaktov je šokujúca – kruhový priemer dosahuje až 300 km, no najčastejšie sa vyskytujú do 100 km. Najlepšie zachované impaktové štruktúry sa nachádzajú na štítoch, a nie v mladých orogenných oblastiach, v ktorých ešte stále prebiehajú vertikálne i horizontálne posuny krýh zemskej kôry.

Poznatky o prítomnosti diamantov v horninách miest impaktov sú staré len asi 30 rokov. Jednou z dobre preštudovaných impaktových štruktúr je Popigaj na severnej Sibíri východne od Katangy. Ide o štruktúru starú 35 mil. rokov, dobre zachovanú vďaka nízkej intenzite deštrukčných procesov. Horniny oblastí impaktových kráterov predstavujú chaotické rôznorodé brekcie s veľmi variabilnou veľkosťou (mm – stovky metrov) jednotlivých úlomkov. Charakteristická je prítomnosť tmavého pórovitého impaktového skla (produktu tavenia hornín), ktoré miestami tvorí aj žilné telesá. Impaktové brekcie sú spravidla tmelené drobnoúlomkovitým materiálom veľmi pestrého zloženia. Podobné brekcie (s rozdielnou horninovou náplňou jednotlivých úlomkov) sú známe aj z kráterov Ries v Nemecku, Sudbury v Kanade, Vredefort v južnej Afrike a ďalších.

Impaktový metamorfizmus je charakterizovaný vysokou teplotou (nad 1200 °C) a tlakom spravidla prevyšujúcim 50 GPa. Vysoký tlak spôsobuje šokovú (náhlu) kompresiu, po ktorej okamžite nasleduje uvoľnenie tlaku za súčasného premiestnenia obrovského množstva materiálu. V prípade impaktu Popigaj nastalo premiestnenie hornín zo širšieho okolia dopadu a vznikla impaktová tavenina s objemom vyše 1800 km³! Značná časť objemu hornín oblasti impaktu sa v dôsledku vysokej teploty doslova odparila, teda v podstate zmizla.

Grafit prítomný v tomto procese mení svoju štruktúru – rekryštalizuje na diamant. Premena prebieha v pevnom stave a diamanty dedia mnohé vlastnosti prekurzora, t. j. grafitu. Preto sa morfológiou, sfarbením a pod. líšia od diamantov z kimberlitov.

Diamanty impaktov tvoria nepravidelné, resp. tabuľkovité rôzne sfarbené (žlté, sivé, čierne) kryštály, ktoré nikdy nedosahujú šperkársku kvalitu. Ich veľkosť sa pohybuje v rámci hodnôt 0,5–2 mm, ale našli sa až 10mm kryštály. Drobnokryštalický vývoj týchto diamantov je spôsobený len krátkym trvaním vhodných podmienok na ich vznik (diamanty nemali čas „narásť“). Diamanty impaktov tvoria spravidla polykryštalické agregáty, pričom jednotlivé kryštály majú v dimenziách štruktúrnej mriežky početné praskliny a zdvojenia, čo sa v kimberlitových diamantoch nikdy nezistilo.

Diamanty impaktového pôvodu sa vyskytujú vo forme akcesorických kryštálov v impaktových tavených horninách (suevitoch, taganitoch), ale súčasne aj v blokoch rôznych typov hornín v impaktovej brekcii. Najviac sa ich nachádza v roztavených blokoch pôvodných rúl, v ktorých bol prítomný grafit.

Diamanty impaktov predstavujú novú priemyselne využiteľnú surovinu. Niektorými vlastnosťami dokonca diamanty z kimberlitov prevyšujú i priemyselne vyrábané diamanty. Okrem spomínanej štruktúry Popigaj, v ktorej je podľa niektorých prameňov nahromadených (čo do hmotnosti) viac diamantov ako vo všetkých známych kimberlitových telesách na zemskom povrchu dohromady (!), sú známe aj diamanty z ďalších impaktových štruktúr, napr. Ries, Kara, Terny, Zapadnaja, Sudbury, Lappajäarvi, Puchez–Katunki atď. Zaujímavá je aj skutočnosť, že v prachu z oblasti explózie známeho tunguského kozmického telesa na Sibíri (1906) sa nachádza množstvo grafitovo-diamantových čiastočiek vytvorených zrastami spomínaných modifikácií uhlíka.

Priam rozprávkové bohatstvo indických radžov a maharadžov má reálny základ vo vlastníctve diamantov (ale aj iných drahých kameňov) pochádzajúcich z tohto subkontinentu. Všetky tieto drahokamy boli získané z náplavov ryžovaním. Touto technológiou sa spolu s diamantmi ručne vyberalo aj zlato, granáty, rubíny, zafíry a ďalšie drahé kamene. I keď sa technológia ryžovania za tisícročia zmenila, princíp zostal. Diamant, ako aj všetky drahé kamene, patrí k tzv. ťažkým minerálom, ktoré medzi úlomkami minerálov (a hornín) pri ich nadľahčovaní (napr. vo vodnom prostredí) zaujímajú vždy najnižšiu polohu. Tento princíp uplatňovali zlatokopovia na Aljaške, ako aj na Dunaji, či nadnárodné spoločnosti, ktoré realizujú spomínaný proces v ohromujúcom rozsahu dodnes. Táto technológia získavania diamantov sa prirodzene preniesla aj na pobrežné oblasti v tých miestach, kde sa na priľahlom kontinente nachádzajú kimberlitové diatrémy či impaktové štruktúry. Ľudská vynaliezavosť (či nenásytnosť?) nepozná hranice. Po ťažbe diamantov z recentných (súčasných či geologicky veľmi mladých) náplavov sa v posledných rokoch realizuje i ťažba diamantov (ale aj platiny, zlata atď.) z vhodných usadených úlomkovitých hornín, ktoré vznikli v geologickej minulosti (sú však mladšie ako materské kimberlitové diatrémy či impakty).

Keďže uvoľňovanie diamantov z takýchto typov hornín je výrazne jednoduchšie (a preto aj lacnejšie) ako z kimberlitov, celosvetová ťažba diamantov z náplavov stále narastá.

Aby bol prehľad problematiky diamantov komplexný, musíme sa stručne zmieniť aj o syntetických diamantoch.

Cieľavedomé experimenty s uhlíkom ako vstupným médiom experimentov priniesli pred viac ako štyridsiatimi rokmi vytúžený, takpovediac alchymistický výsledok: v laboratórnych podmienkach sa podarilo syntetizovať diamanty. Najprv len mikroskopických rozmerov, no postupne stále väčšie a čistejšie, dokonalejšie kryštály. Takto synteticky bola vyrobená supertvrdá surovina, ktorá nachádzala stále širšie uplatnenie v najrôznejších moderných technológiách.

Ľudský génius nepozná obmedzenia. Šlágrom posledných rokov je príprava diamantových a semidiamantových vrstiev (D-vrstiev), ktoré sú vďaka ich unikátnym vlastnostiam vhodné na rôzne technické aplikácie (v elektronike, optike, strojárstve a pod.). V poslednom desaťročí sa zistilo, že tenké vrstvy diamantov možno pripraviť rôznymi metódami chemickej a fyzikálnej depozície pár. Podstatou prípravy diamantových vrstiev je dopad radikálov rozštiepených uhľovodíkov (napr. metánu) na povrch substrátu zahriateho na teplotu okolo 900 °C za prítomnosti atómového vodíka. Vzniká pritom vrstvička (s hrúbkou niekoľko m) polykryštalického diamantu s rôzne orientovanými diamantovými kryštálikmi.

Tento proces úspešne zvládli aj na katedre mikroelektroniky Fakulty elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzity v Bratislave. Komerčné využívanie už prvých pozitívnych výsledkov výskumu (najmä v USA a Japonsku) len potvrdzuje predpoklady, že ide o jednu z nových avantgardných technológií 21. storočia.

Každý mineralóg sa iste s netajenou úľubou pozrie na prekrásnu hru farieb briliantu osadeného v zlate. Avšak podobne ako bankovka nemôže pre bankára predstavovať iba predmet neutíchajúcej túžby po jej vlastníctve, aj v prípade diamantu mineralóg-profesionál v ňom vidí v prvom rade produkt špecifických prírodných procesov.