Автор: Cимаков Сергей Кириллович
Название работы: Физико-химические условия образования алмазоносных парагенезисов эклогитов
|
Присвоенная ученая степень: доктор геолого-минералогических наук
Специальность: 04.00.08 - Петрология, вулканология
Классификационный индекс:
Ведущая организация: Геологический факультет Санкт-Петербургского Государственного Университета
Руководитель:
Оппонент:
доктор геолого-минералогических наук Шацкий В.С.;
доктор физико-математических наук Геншафт Ю.С. ;
доктор геолого-минералогических наук Аранович Л.Я.;
Место защиты: Москва
Дата защиты: 3 октября 2003
Издательство: Москва
Количество страниц: 239
Язык: русский
Содержание работы:
Глава 1. Основы петрологии верхней мантии и обзор термодинамических моделей минералов, используемых в работе
Глава 2. Разработка методов оценки Р-Т параметров глубинных включений пород верхней мантии.
Глава 3. Определение глубинности кимберлитов и родственных им пород Восточно-Европейской платформы
Глава 4. Оценка окислительно-восстановительных условий ($f_{O_{1}}$) для глубинных парагенезисов верхней мантии и земной коры.
Глава 5. Экспериментальное изучение процессов образования фуллереноподобного углерода из флюидной фазы при Р-Т параметрах, соответствующих природному минералообразованию
Глава 6. Петрологическая модель образования алмаза в верхней мантии
|
Реферат:
Актуальность. Температура, давление и окислительно-восстановительный потенциал среды являются основными термодинамическими параметрами, определяющими характер минералообразующих
процессов в верхней мантии, в том числе и образование алмаза. На сегодняшний день существует достаточное количество методов, позволяющих рассчитывать Р-Т-параметры для перидотитовых
ассоциаций, вынесенных кимберлитовыми магмами из мантии. Однако подобные методы до сих пор не разработаны для эклогитовых ассоциаций: отсутствуют способы оценки степени окисленности
флюида, а также надежные барометры для определения глубинности эклогитообразования. Большинство современных работ, посвященных генезису природного алмаза и мантийных пород,
ограничиваются определением Р-Т параметров. Лишь немногие из них уделяют внимание окислительно-восстановительной обстановке глубинного петрогенеза (Федоров, 1995; Daniels
and Gurney, 1991; Woodland and Peltonen, 1999). Вместе с тем, более двадцати лет тому назад Л.Л.Перчук и В.И.Ваганов (Perchuk, Vaganov, 1980) установили эмпирическую связь
алмазоносности кимберлитов Якутии с изменением степени окисления в них железа. С тех пор эту проблему никто фундаментально не изучал, хотя образование алмаза и кимберлитовых
магм рассматривалось в системе перидотит-О-Н-С (например, Ellis and Wyllie, 1979; Eggler and Baker, 1982; Eggler et al., 1979). Важным аспектом этой системы является состав
флюида, который влияет на параметры выплавления магм и на процесс образования или растворения в них свободного углерода (графита или алмаза). Поверхность солидуса в данной
системе зависит как от соотношения H2O/CO2 во флюиде, так и от степени растворения этих компонентов в расплаве, растворимость которых в силикатном расплаве увеличивается с
ростом давления. Следовательно, равновесие алмаза с этим расплавом зависит от летучести кислорода и растворимости в нем H2O, CO2 и CH4 (Woermann and Rosenhauer, 1985).
Вопросы стабильности графита и алмаза в равновесии с системой C-O-H изучались многими исследователями (например, Маракушев, Перчук, 1974; Перчук и Суворова, 1973; Рябчиков,1980;
Симаков, 1988; Deines et al., 1987; Haggerty, 1986; Saxena, 1989; Polianov et al., 2002; Litvin, 2002), которые показали, что росту алмаза способствует равновесие силикатного
расплава с существенно водным флюидом.
Для оценки при образовании эклогитовых и перидотитовых парагенезисов в верхней мантии применяются кислородные барометры (фугометры). Подавляющее большинство из них основано
на минеральных равновесиях с переменной валентностью железа (Fe+2 <=> Fe+3). Наиболее распространенными являются шпинелевые ассоциации. Существуют и экспериментальные методы
определения "внутренней" фугитивности кислорода (IOF) для минералов перидотитовых и эклогитовых ксенолитов, в том числе и для алмазоносных (например, Кадик и др., 1991, 1997;
Arculus et al., 1984; Ulmer et al., 1987). Оценка этими методами окислительно-восстановительных условий в породах верхней мантии во многих случаях оказывается противоречивой.
Большинство расчетов, выполненных на основе шпинелевых барометров, свидетельствует о том, что петрогенез в верхней мантии протекал между кварц-фаялит-магнетитовым (QFM) и
вюстит-магнетитовым (WM) буферами (Рябчиков и др., 1983; Ballhaus et al., 1991; Luth etal., 1990; O'Neill and Wall, 1987). Однако по экспериментальным данным (например, Кадик
и др., 1991, 1997; Ulmer et al., 1987) и некоторым расчетам (например, Wood et al., 1990) получены более восстановленные условия мантийного петрогенеза, соответствующие железо-вюститовому
(IW) буферу. Известны также работы по оценке фугитивности кислорода для включений в алмазах, содержащих перидотитовый парагенезис (Daniels and Gurney, 1991). Согласно приведенным
в них расчетам, состав флюида соответствует существенно восстановленному, возможно метановому (ниже WM буфера).
Новым аспектом в проблеме генезиса природных алмазов является выяснение роли фуллеренов (Винокуров и др., 1997), так как образование алмаза из фуллеренов происходит значительно
легче, чем из графита (Вуль и др., 2001; Dresselhaus et al., 1996). Однако фуллерены и фуллереноподобные структуры синтезируются в основном при температурах порядка 3000-5000о
С (Dresselhaus et al., 1996), которые никогда не достигаются в пределах верхней мантии Земли. Вместе с тем, фуллерены возникают в ассоциации с графитом в условиях амфиболитовой
или гранулитовой фаций метаморфизма. Эти находки позволяют по-новому взглянуть на природу фуллеренов и их связи с алмазообразованием.
Целью работы является изучение физико-химических условий образования и сохранения алмаза в условиях верхней мантии. Эта задача напрямую связана с проблемой изучения физико-химических
условий образования включений в алмазах и глубинных алмазоносных пород верхней мантии и земной коры. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать новые минералогические термометры, барометры и кислородные фугометры как для мантийных, так и для коровых парагенезисов и оценить возможности их применения.
2. Разработать теоретические модели образования углерода во флюидной системе O-H-N-C, применимые для условий верхней мантии и земной коры.
3. Создать программное обеспечение для оценки P-T-параметров глубинных парагенезисов на основе минерального состава.
4. На основе расчета P-T-параметров образования и эволюции мантийных и коровых ультравысокобарных пород осуществить физико-химическое моделирование процессов образования алмаза
в верхней мантии.
5. Создать базу геологических, петрохимических, минералогических данных по кимберлитам и кимберлитоподобным породам Восточно-Европейской платформы и на основе разработанных
термобарометрических методов выявить условия их образования.
6. Провести экспериментальное моделирование процессов образования фуллеренов при Р-Т параметрах, соответствующих природным парагенезисам.
Фактический материал. В работе использовался геологический, петрографический, петрохимический и минералогический материал, собранный автором в ходе полевых работ за 1983-1987
гг. Аналитические исследования проводились, главным образом, в химико-аналитической лаборатории ВСЕГЕИ (рентгеноспектральный силикатный анализ, количественный спектральный,
минералогический и микрозондовые анализы. Аналитики И.Г.Ляпичев, Павшуков В.В., Цимошенко Б.А.). В диссертации также приведены результаты экспериментальных исследований по
синтезу фаз фуллереноподобных структур, полученных автором совместно с А.А.Графчиковым в ИЭМ РАН. Кроме того, в ходе исследований автор проводил совместные работы с Байдаковой
М.Е., Дроздовой И.А., Лапшиным А.В., Сироткиным А.А, Сытниковой А.А., Яговкиной М.А. по применению ряда физических методов (например, электронной микроскопии), поставленных
в лабораториях ИХСРАН, Института Гриппа и Физико-Техническом Институте им. А.Ф.Иоффе.
Основные защищаемые положения:
I. Создана система взаимосогласованных минералогических термометров и барометров для оценки Р-Т-параметров равновесий в эклогитах и ультравысокобарных гранат-клинопироксеновых
метаморфических породах.
II. Кимберлитовые и кимберлитоподобные комплексы северо-запада Балтийского щита и северной части Восточно-Европейской платформы формируются в широком интервале глубин (от
30 до 210 км).
III. Алмазы из мантийных эклогитов кристаллизуются в две стадии: (1) ранняя, которая соответствует уровню астеносферы и характеризуется резко восстановленными условиями и
(2) более поздняя, соответствующая уровню мантийной литосферы и характеризующаяся более окисленными условиями.
IV. На основании экспериментальных исследований доказана возможность образования фуллереноподобных образований углерода из существенно восстановленного флюида при Р-Т параметрах,
соответствующих земной коре.
Научная новизна работы.
1. На основе известных экспериментальных данных разработаны модели гранат-клинопироксеновых и клинопироксеновых барометров, применимых как для мантийных, так и для коровых
эклогитов и перидотитов.
2. На основе известных экспериментальных данных разработаны модели гранат-клинопироксеновых кислородных барометров ("фугометров"), применимых как для мантийных, так и для
коровых эклогитов и перидотитов.
3. В результате проведенных минералогических и петрологических исследований кимберлитов и кимберлитоподобных пород Восточно-Европейской платформы с применением разработанных
барометров оценена глубинность их формирования.
4. На основе разработанных методик впервые оценены Р-Т- параметры для включений в алмазах, для мантийных алмазоносных эклогитов и перидотитов, коровых эклогитов и сделаны
выводы о их происхождении.
5. На основе оригинальных экспериментальных исследований доказана возможность образования фуллереноподобного углерода из восстановленных флюидов при Р-Т параметрах, соответствующих
условиям образования пород земной коры (700-750о С и 5 кбар).
Практическое значение работы.
1. Разработаны новые методы оценки глубинности для мантийных и коровых пород.
2. Разработаны новые петрологические методы, на основании которых возможна оценка потенциальной алмазоносности мантийных пород.
3. Оценена глубинность формирования кимберлитов и кимберлитоподобных пород Восточно-Европейской платформы.
4. Cинтезированы углеродные нанотрубки и фуллереноподобные структуры при температурах 700-750о С и давлении 5 кбар.
|
Библиография:
1. Симаков С.К. Образование и кристаллизация алмаза в мантийном расплаве из флюида. Доклады Академии Наук. 1982. т.301, N 2, с.470-473. 2. Симаков С.К. Образование углерода в мантийном флюиде при взаимодействии азота с метаном. Доклады Академии Наук.1983. т.268, N 1, с.206-210. 3. Симаков С.К. Оценка алмазоносности глубинных пород (кимберлитов) на основе расчета свободной энергии растворения алмаза в содержащем железо расплаве. Доклады Академии Наук. 1983. т.271, N 2, с.443-446. 4. Симаков С.К. Возникновение алмаза в процессах эволюционирования кимберлитовых магм. Доклады Академии Наук. 1987. т.293, N 3, с.681-684. 5. Симаков С.К. Образование и перекристаллизация алмазов в условиях верхней мантии. Доклады Академии Наук. 1988. т.301, N 4, с.951-954. 6. Блинова Г.К., Гуркина Г.А., Симаков С.К. Некоторые особенности химизма среды кристаллизации природных алмазов. Доклады Академии Наук. 1988. т.300, N 4, с.950-952. 7. Симаков С.К., Багдасаров Э.А., Лукьянова Л.И. Минералогическая спецификация щелочно-ультраосновных лампрофиров и кимберлитов Кольской провинции. Доклады Академии Наук.1991. т.320, N 4, с.971-976. 8. Симаков С.К., Ваганов В.И. Новый петрологический критерий предварительной оценки алмазоносности глубинных мантийных пород. Доклады Академии Наук. 1992. т.323, N 3, с.531-534. 9. Симаков С.К. Гранат-клинопироксеновый фугометр для мантийных эклогитов. Доклады Академии Наук. 1993. т.332, N 1, с.83-84. 10. Симаков С.К. Гранат-оливин-ортопироксеновый фугометр для мантийных перидотитов. Доклады Академии Наук. 1994. т.336, N 2, с.245-247. 11. Симаков С.К. Зависимость алмазоносности шпинельсодержащих глубинных лерцолитов от окислительно-восстановительной обстановки в момент их образования. Доклады Академии Наук. 1994. т.335, N 1, с.88-90. 12. Симаков С.К., Багдасаров Э.А., Лукьянова Л.И. Минералогические и петрологические особенности щелочно-ультраосновных лампрофиров и кимберлитов Кольского полуострова. Записки ВМО. 1994. N 1, с.26-40. 13. Симаков С.К., Никитина Л.П. Связь алмазоносности ксенолитов с окислительно-восстановительными условиями верхней мантии.Геохимия. 1995. N 2, с.161-173. 14. Симаков С.К. Модель гранат-клинопироксенового барометра для мантийных эклогитов. Доклады Академии Наук. 1996. т.347, N 5, с.674-676. 15. Симаков С.К. Гранат-клинопироксеновый барометр для коровых эклогитоподобных пород. Доклады Академии Наук. 1997. т.357, N 4, c.537-538. 16. Симаков С.К., Иванов М.В. Особенности флюидного режима образования эклогитовых алмазов при субдукционных процессах верхней мантии. Доклады Академии Наук. 1997. т.354, N 5, c.669-671. 17. Симаков С.К. Палеогеотермы эклогитов из кимберлитов как отражение конвекциии верхней мантии. Доклады Академии Наук. 1998. т.358, N 3, c.389-390. 18. Simakov S.K. Redox state of Earth's upper mantle peridotites under the ancient cratons and its connection with diamond genesis. Geoch. Cosm. Acta. 1998. v. 62, N 10, p.1811-1820. 19. Ульянов А.Г., Путинцева Е.В., Симаков С.К. Особенности состава глубинных минералов из кимберлитов Центральной Финляндии. Доклады Академии Наук. 1999. т.368, N 2, c.239-243. 20. Симаков С.К. Гранат-пироксеновая барометрия мантийных эклогитов и оценка потенциальной алмазоносности на ее основе. Доклады Академии Наук.1999. т.367. N 6,c.807-809. 21. Симаков С.К. Оценка флюидного режима при процессах субдуцирования коровых эклогитоподобных пород на основе гранат-клинопироксенового кислородного барометра. Доклады Академии Наук. 1999. т.3б4, N 3, c.375-7. 22. Simakov S.K. Garnet-clinopyroxene geobarometry of deep mantle eclogites and eclogite paleogeotherms. Proc. of 7th Int. Kimb. Conf. Cape Town , 1999. V.2. P. 783-787. 23. Snyder G.A., Taylor L.A., Beard B.L., Halliday A.N., Sobolev N.V., Simakov S.K. The diamond-bearing Mir eclogites, Yakutia: Nd and Sr isotopic evidence for a possible early to Mid-Proterozoic depleted mantle source with arc affinity. Proc. of 7th Int. Kimb. Conf.,Cape Town. 1999.,V.2, p.808-815. 24. Симаков С.К. Клинопироксеновая термометрия мантийных перидотитов и оценка потенциальной алмазоносности на ее основе. Доклады Академии Наук.2000. т.374. N 5, c.678-680. 25. Simakov S.K., Taylor L.A. Garnet-clinopyroxene geobarometry of deep mantle eclogites. International Geology Review. 2000. v. 42, N 6, p.534-544. 26. Симаков С.К. Клинопироксеновая барометрия мантийных перидотитов и оценка потенциальной алмазоносности на ее основе. Доклады Академии Наук. 2001. т.376, N 6, c.801-803. 27. Симаков С.К., Графчиков А.А., Сироткин А.К., Дроздова И.А., Лапшин А.Е., Гребенщикова Е.А. Образование углеродных нанотрубок и фуллереноподобных структур углерода при Р-Т параметрах природного минералообразования. Доклады Академии Наук. 2001. т.376, N 2, c.244-246. 28. Simakov S.K., Sapienza G., Scribano V. Application of a recent garnet-clinopyroxene geobarometer to mantle-pyroxenite xenoliths from Hyblean Plateau, south-eastern Sicily, Italy. GeoActa. 2001. v.1. N 1, р. 91-95. 29. Симаков С.К. О присутствии сверхвысоких давлений в ходе образования эклогитов метаморфогенных комплексов. Доклады Академии Наук. 2002. т.383, N 3, c.371-373. 30. Первов В.А., Кононова В.А., Илупин И.П., Симаков С.К. P-T-параметры образования пород из ксенолитов в кимберлитах Среднего Тимана. Доклады Академии Наук 2002. т. 386. N 4, с.541-543. 31. Симаков С.К. Физико-химические условия образования алмазоносных парагенезисов эклогитов в породах верхней мантии и земной коры. 2002. Маг., "Сев. Вос. Наука". 190 с. 32. Simakov S.K. Redox state of eclogites and peridotites from sub-cratonic upper mantle and a connection with diamond genesis. Contrib. Mineral. Petrol. 2003.(in press). 33. Hegardt E.A, Claesson L., Cornell D., Simakov S.K. Eclogites in the central part of the Sveconorwegian Parautochtonous Eastern Segment of the Baltic Shield: Support for a Subduction-Extrusion model. Prec. Res. 2003. (in press).
|
|
