České diamanty

Když se hovoří o diamantech, většina lidí zbystří a představí si nejspíše briliant, nebo ještě lépe briliantový náhrdelník. Poslední dobou hovořím s lidmi o diamantech často, mnohdy však stačí jedna upřesňující věta a pozornost posluchačů opadá. Proč? Z jednoduchého důvodu – diamanty, které studuji, jsou velké jen několik setin milimetru, největší z nich by se vešly do průměru lidského vlasu třikrát, nejsou tedy viditelné bez pomoci mikroskopu či ještě pokročilejších zobrazovacích technik. Ale my vědci nejsme diamanty fascinováni jen pro jejich krásu a hodnotu, ale i proto, že vznikají za extrémních tlaků odpovídajících hloubkám minimálně 150 km. Zprostředkovávají tak pohled do prostředí, kam se člověk nikdy nedovrtá ani nepodívá, kde je kromě vysokého tlaku nad 4 GPa také teplota nad 1000 °C a kde převládají horniny zemského pláště neboli astenosféry. Ale protože se diamanty nacházejí nejen v plášťových kimberlitech, ale i v přeměněných horninách pevninské kůry, jejich přítomnost je jedním z důležitých přímých dokladů ponořování litosférických desek do extrémní hloubky.

Český masiv je jedinečnou oblastí v evropském variském orogenním pásmu, kde se na povrchu často vyskytují v těsném sousedství dva typy hornin: granátické peridotity a vysokotlaké granulity (obr. 2). Zatímco první z nich pocházejí z pláště z hloubek nejméně 150 km, hlavní minerály granulitů krystalizovaly za tlaků 16–20 kilobarů odpovídajících hloubce „pouze“ okolo 60 km a za teplot až 1000 °C. A tady je ta záhada. Jak je možné, že horniny z pláště a kůry jsou tak těsně spjaté, když podmínky jejich vzniku odpovídají tak odlišným hloubkám? Dalším problémem je, jak byly u granulitů dosaženy takové vysoké teploty. Teplota sice narůstá u zemského povrchu s hloubkou průměrně o 25 °C na kilometr, ale tento geotermální gradient se s hloubkou snižuje, což k dosažení teplot odpovídajících 1000 °C v hloubce 60 km nestačí.

Byly vysloveny četné hypotézy pro vysvětlení jak první záhady – např. vmístění plášťových hornin do kůry působením tektonických procesů, tak té druhé – jako dodatečný zdroj tepla byla navrhována například produkce tepla rozpadem přírodních radioaktivních prvků, která se zvyšuje s tloušťkou pevninské kůry.

Náš tým si vzal za cíl vysvětlit uvedený rozpor testováním hypotézy, že korové horniny byly ve skutečnosti pohřbeny do daleko větších hloubek než 60 km, až do zemského pláště, a že se tedy pro plášťové horniny, které jsou v nich nyní uzavřené, vlastně ponořily. Nebyly tedy pasivním, ale aktivním účastníkem procesu.

Pro náš cílený výzkum jsme si vybrali oblast povodí Ohře, kde jsou výchozy granulitů mezi Kadaní a Ostrovem nad Ohří, a oblast ZJZ od Lovosic v Českém středohoří, kde intenzivní vrtný a další průzkum v padesátých a šedesátých letech minulého století zjistil přítomnost jak granulitů, tak granátických peridotitů [1]. Navíc ve štěrcích, kde se nejméně od 15. století těží vyhlášené české granáty pyropového složení (obr. 3) [2, 3], používané ve šperkařství, byly nalezeny dva makroskopické diamanty. Bylo to v roce 1869 a pak až v roce 1927 [4]. Jde o dlažkovický diamant o rozměrech 4,13 × 2,63 mm a hmotnosti 57 mg (obr. 1) a diamant chrášťanský s rozměry 3 × 2,85 × 2,6 mm a hmotností méně než poloviční (22 mg). Převedeno do termínů šperkařských, váha těchto diamantů odpovídá 0,2865 a 0,1105 karátu. Tyto diamanty byly uložené do depozitáře Národního muzea v Praze.

Historie nálezu a zkoumání prvního diamantu je fascinující. V brusičské dílně na schönbornském panství se kromě granátů zpracovávaly i další těžké minerály, což nebylo v té době běžné. Byly to zejména zirkony, jejichž bílá barva ve špercích vyrobených pro hosty hraběnky Schönbornové dobře kontrastovala s temně rudou barvou pyropů. Prof. Ježek [4] píše: „Panský brusič Preissler ze Skalky u Dlažkovic povšimnul si jednoho světle žlutavého kaménku proto, že se na granátovém bruse nedal smirkem brousiti a dokonce sám brus rozrýval.“ To, že je tento kámen diamant, potvrdil na základě jeho tvrdosti a hustoty prof. Šafařík v Praze 13. ledna 1870. Již 15. ledna se objevila zpráva v denním tisku, konkrétně v Prager Abendblatt. Zahraničí bylo informováno prostřednictvím dopisů zaslaných třem významným učencům v Londýně, Berlíně a Paříži. Ti si vyžádali další důkaz, a proto bylo několik uštípnutých úlomků 12. února 1870 spáleno před mezinárodní komisí. Již předtím byla ale zpráva o nalezení českého diamantu – označovaného jako první evropský diamant – publikována v odborných německy psaných časopisech [5], a dokonce i v prvním svazku anglicky psaného časopisu Nature, dnes odborného přírodovědného časopisu s velkou váhou. Dlouhý odstavec na zažloutlých stránkách čísla 1 z 3. února 1870 (k nahlédnutí v knihovně Akademie věd ČR v Praze) je vzrušující, ale obsahuje řadu nepřesností způsobených i špatným překladem z němčiny. Kromě toho vyjadřuje pochybnosti o českém původu diamantu, sdílené některými odborníky: kámen – navíc nalezený ve šperkařské dílně – prý pochází z východoindických nalezišť. Pochybnosti byly částečně vyvráceny nálezem druhého diamantu v r. 1927, ten ale již nevzbudil takovou pozornost.

Ke změně situace ovšem došlo poté, co byly diamanty v r. 1955 nalezeny v kimberlitech na Sibiři. Již v roce 1957 totiž sovětští geologové poukázali na podobnost pyroponosných sopečných brekcií ve zmíněné oblasti Českého středohoří se sibiřskými kimberlity. Léta pak byla prováděna vrtná prospekce a byl přetěžován materiál z pyroponosných rozsypů s cílem nalézt další diamanty. To se však nestalo, a není divu, protože třetihorní sopečné brekcie sice obsahují útržky pláště charakteristické pro kimberlity (granátické peridotity, granát), nicméně ty se do nich začlenily při jejich průchodu v blízkosti zemského povrchu: tam totiž byla peridotitová tělesa vynesena již v prvohorách.

Za zmínku stojí, že již prof. Ježek [4] upozorňoval, že v severních Čechách jistě ještě budou nalezeny diamanty, ale budou menší.

A měl pravdu. Naše cílené studium s použitím optické mikroskopie vedlo k objevu mikrodiamantů o rozměrech 5–15, maximálně 30 mikrometrů, uzavřených v horninotvorných minerálech granulitů – granátu, kyanitu (obr. 4 a 5) – a v akcesorickém zirkonu [6]. Přítomnost diamantu byla potvrzena pomocí Ramanovy spektroskopie. Tato metoda využívá interakce laserového záření se vzorkem, v jejímž důsledku mají vyzařované fotony odlišnou vlnovou délku než dopadající záření. Tento tzv. Ramanův posun je pro každý minerál jiný. Diamant je charakterizován Ramanovým posunem s vlnovou délkou odpovídající 1332 cm–1 a velmi vysokou intenzitou tohoto pásu (obr. 6). Když jsme tedy strávili týdny u mikroskopu a vytipovali vhodné objekty – což je v případě malých fází velmi obtížné, protože jejich optické vlastnosti se nedají dobře určit –, vychutnali jsme si euforický pocit, když se ve spektru objevil pás s kýženou vlnovou délkou a ani se na výšku nevešel na obrazovku monitoru.

Jenže tím, že byly diamanty ve vzorcích doloženy, to nekončí. Je třeba také prokázat, že nemohly být do vzorku přimíchány během jeho přípravy. Horniny se totiž řežou na pilách osazených úlomky diamantu a dále se leští diamantovými pastami či spreji (obr. 7) o různé velikosti zrna. Pokud jsou tedy diamanty malé jako v našem případě, tedy většinou jen 5–15 mikrometrů, může jít o kontaminaci. Například v letošním roce bylo zjištěno, že diamanty nalezené v nejstarších zirkonech na Zemi – více než 4,2 miliardy let starých – ve slepencích v Jack Hills v Austrálii (články o nich byly také publikovány v časopise Nature) jsou úlomky diamantových lešticích past [7]. Pro to, že české mikrodiamanty kontaminací nejsou, svědčí následující: mají perfektní krystalový tvar (obr. 4, 8), který je odlišný pro různé vzorky; vyskytují se nejen na povrchu, ale také v různých hloubkách pod povrchem vzorku (obr. 4); byť vzácně, ale přece byla pozorována přeměna diamantu na nízkotlakou modifikaci uhlíku grafit. A ještě něco – charakteristický pás našich diamantů uzavřených pod povrchem bývá posunut k vyšším vlnovým délkám. A protože experimenty prokázaly, že k takovému posunu dochází se zvyšujícím se tlakem, znamená to, že „naše“ diamanty mají vnitřní reziduální tlak: ten lze i vyčíslit – při pozorovaném posunu pásu na 1335 cm^–1 odpovídá 7 kilobarům. Máme tedy přesvědčivé doklady o tom, že diamanty v granulitech jsou přírodní a byly v minerálech uzavřené v extrémní hloubce, kam musely být tyto horniny, původně uložené ve svrchní kontinentální kůře, ponořeny během kontinentální subdukce.

Nalezením diamantů v hluboce ponořených korových horninách pro nás práce nekončí, ale začíná. V současné době řešíme v Geologické službě v Praze ve spolupráci s Masarykovou univerzitou v Brně projekt financovaný Grantovou agenturou České republiky, jehož součástí je určení charakteristik diamantů. Prvním krokem je studium jejich morfologie, tzn. krystalového tvaru a charakteru krystalových ploch. Krystalový tvar je ovlivněn mnoha faktory, jako je teplota, saturace média, ze kterého diamant vzniká, nebo přítomnost nečistot [8]. Lze ho studovat pomocí elektronového mikroskopu (obr. 8). K tomu je ale nejdříve potřeba vzorky – tzn. výbrusy a nábrusy hornin a minerálních separátů – slešťovat měkčími materiály a chemicky leštit. Jen tak vystoupí diamanty nad povrch. Tato práce je velmi zdlouhavá a nevděčná, protože při tak malém rozměru diamantů se lehce stane, že sleštění jen o pár dalších mikrometrů vede k vypadnutí a ztrátě diamantu. Je zapotřebí velká trpělivost a nasazení, což oboje prokázala doktorandka Petra Jakubová. Další metodou ke studiu vystouplých diamantů je mikroskopie atomárních sil (AFM), používaná k trojrozměrnému zobrazování povrchů. Takto je možné např. pozorovat růstové zóny diamantů nebo pravidelné prohlubeniny (obr. 5), které jsou obdobné jako na diamantech z kimberlitů a jsou přisuzovány rozpouštění fluidy za vysokých teplot [8].

Je prokázáno, že diamanty obsahují množství jak pevných, tak fluidních uzavřenin a jejich složení je důležitým zdrojem informací o podmínkách jejich vzniku, zejména o zdrojovém médiu. Uzavřeniny v diamantech kimberlitů [8] jsou dostatečně velké pro studium mikroanalytickými metodami, např. elektronovou mikrosondou. Ale u mikrodiamantů o velikosti prvních desítek mikrometrů je třeba použít metody nanoanalytické [9]. Složení pevných inkluzí, tedy nečistot přítomných v diamantu, odhalí pouze transmisní elektronová mikroskopie, a to jen když jako vzorek použijeme ultratenký plátek diamantu o tloušťce prvních desítek nanometrů, připravený pomocí fokusovaného iontového svazku. Co se uzavřených fluid týče, jejich charakter lze zjistit pomocí infračervené spektroskopie. Podmínkou ovšem je, že dokážeme diamant separovat z horniny a připravit vzorek umožňující měření – což není u desetimikronového diamantu nic snadného – a že máme k dispozici synchrotronový zdroj infračervených fotonů. Pak je možné měřit obsah lehkých prvků, jako je vodík a kyslík, a také obsah a vazby dusíku. To poslední se u diamantů z kimberlitů a přeměněných hornin liší a je charakteristikou důležitou k určení doby, po kterou diamant setrval v hloubce. V neposlední řadě je také možné určit izotopické složení uhlíku v diamantu, a to pomocí iontové mikrosondy, která má jediná dostatečné rozlišení pod 10 mikrometrů: takových přístrojů je na světě jen několik. Podstatné je, že izotopické složení uhlíku v zemské kůře je odlišné od pláště.

Postupně a pracně tedy získáváme cenná data, která nám umožní potvrdit či vyvrátit dnes přijímanou hypotézu, že diamanty v metamorfovaných horninách vznikají z tavenin či fluid, a ne přeměnou z grafitu v pevném stavu. A co je důležité, prostřednictvím studia diamantu můžeme nahlédnout do extrémních hloubek Země a lépe porozumět procesům, které tam probíhají, zejména co se týče komunikace mezi kůrou a pláštěm.