КИМБЕРЛИТЫ - ПРИРОДНЫЕ СВЕРХГЛУБОКИЕ СКВАЖИНЫ Т. В. Посухова (кафедра минералогии МГУ им. М.В. Ломоносова) Опубликовано в Соросовском образовательном журнале  том 6, N5, стр.57-63, 2000г

Назад | Содержание

МАНТИЙНЫЕ КСЕНОЛИТЫ  И МОДЕЛИ ОБРАЗОВАНИЯ КИМБЕРЛИТОВ

Помимо алмазоносных ксенолитов глубинные включения в кимберлитах могут быть представлены обломками пород без алмаза или мономинеральными желваками (мегакристами) различных минералов, также являющихся продуктами разрушения глубинных горных пород. Условия образования таких ксенолитов можно реконструировать с использованием минеральных геобарометров и геотермометров. Использование химического состава минералов для оценки температуры и давления при кристаллизации горных пород основано на результатах многочисленных экспериментов и термодинамических расчетов. Установлено, что когда два минерала одновременно кристаллизуются из расплава, то химические элементы, составляющие расплав, закономерно перераспределяются между ними в зависимости от температуры и давления, при которых проходит процесс кристаллизации. Таким образом, условия кристаллизации глубинных пород могут быть рассчитаны на основании коэффициентов распределения и растворимости некоторых элементов в сосуществующих минералах. Например, данные о температуре кристаллизации можно получить зная отношение Ca /(Ca + Mg) в диопсидах, так как более низким отношениям Ca / (Ca + Mg) соответствуют более высокие температуры.

Рис. 5. PT-диаграмма плавления гранатового перидотита. Показаны поля устойчивости различных минеральных фаз в зависимости от степени плавления a и давления P. Голубым цветом выделено поле расплава с весовым отношением CaO / Al2O3 > 1

Вычисленные по минеральному составу ксенолитов глубины были сопоставлены с результатами экспериментальных исследований по плавлению искусственных силикатных смесей, отвечающих по составу ксенолитам из кимберлитов. Результаты экспериментов представлены на рис. 5. Они показали, что с изменением давления и температуры наблюдаются последовательные изменения в минеральном составе кристаллизующихся из расплава твердых фаз. Используя проведенные оценки и учитывая присутствие в ксенолитах минералов, устойчивых при высоких давлениях (гранат, шпинель), было проведено разделение мантийных ксенолитов по глубине образования. Установлено, что наибольшим глубинам и давлениям отвечают ксенолиты высокомагнезиальных гранатсодержащих перидотитов (> 40 кбар, 200-250 км) и коэситовые эклогиты (34-40 кбар, 150-120 км).

Коэсит - полиморфная разновидность SiO2 , устойчивая при высоких давлениях, которая, как показали эксперименты, является весьма неустойчивой и при температуре ниже 700°С в присутствии воды менее чем за 10 ч превращается в кварц. Присутствие коэсита в ксенолитах означает, что их подъем на поверхность произошел так быстро, что часть коэсита не успела преобразоваться в кварц. По степени трансформации коэсита в кварц была оценена скорость подъема кимберлитовой магмы с глубины 200 км, составившая более 10 км/ч. Такие большие скорости позволили предположить, что в образовании кимберлитов большую роль играли флюиды - особые смеси перегретой воды и газов (CO2 , метана).

Роль флюидов в процессе образования кимберлитовых магм подтверждена экспериментально. Эксперименты показали, что добавление к расплаву воды приводит к заметному снижению температур кристаллизации твердых фаз и в условиях, соответствующих глубинам порядка 100 км, тугоплавкие алюмосиликаты, слагающие мантийные ксенолиты, начинают вести себя как легкорастворимые соли. Результаты экспериментов позволили предположить, что в мантии возможны и эффективны процессы флюидного массопереноса, хотя раньше считалось, что на таких глубинах породы должны быть "сухими".

Данные о значительной роли флюидов в образовании кимберлитов были подтверждены при детальном изучении природных образцов. Наблюдаемые в ксенолитах из кимберлитов преобразования первичных минералов под воздействием мантийных флюидов, объединенные названием "мантийный метасоматоз", весьма разнообразны. Чаще всего наблюдается замещение граната гидроксилсодержащими силикатами с образованием келифитовых кайм - радиально-лучистых, концентрически-зональных микрокристаллических полиминеральных агрегатов, состоящих из амфиболов, слюды (флогопита), пироксенов и шпинели. Такие каймы образуются при давлении около 1-3 ГПа и температуре 1100-1350°С. Метасоматическими процессами объясняют широкие вариации температур (от 700 до 1200°С), получаемые при оценках Р-Т-параметров кристаллизации ксенолитов, а также частичное плавление кристаллов граната. Предполагается, что плавление происходило до захвата ксенолитов кимберлитом и обусловлено резким падением давления и воздействием высокотемпературных мантийных флюидов.

На основании полученных экспериментальных данных и проведенных исследований глубинных ксенолитов были предложены различные модели формирования алмазоносных кимберлитов. Все они основаны на допущении существования глубинного мантийного магматического очага, из которого вещество доставляется к поверхности с участием смеси газов и жидкости (флюидов). Современные модели учитывают не только температуру и давление, но и такие важные факторы, как присутствие в системе воды, углекислоты, а также изменение летучести (фугитивности) кислорода, то есть окислительно-восстановительный потенциал системы. Это важно для установления поля стабильности алмаза, который может кристаллизоваться лишь в восстановительных условиях, а в окислительных условиях "сгорает", переходя в графит.

Рис. 6. Схема, иллюстрирующая модель образования алмазоносных кимберлитов (по С. Хаггерти). Использован типичный разрез земной коры (литосферы) с мощностью под кратонами более 40 км. Слева дана шкала глубин, с которых выносятся ксенолиты. Штриховыми линиями показаны предполагаемое положение изотерм 900 и 1200°С и граница перехода графита в алмаз. Геометрическими символами по кривой графит-алмаз и на разрезе обозначены формы кристаллов алмаза: 1 - высокотемпературные октаэдры, 2 - промежуточные кубооктаэдры, 3 - низкотемпературные кубы. Большими красными стрелками показаны ослабленные зоны, по которым в литосферу проникают окисленные расплавы, что приводит к травлению (или даже полному растворению) кристаллов алмаза. K1, K2, К3 - выходы кимберлитовых трубок, расположенных в различных частях кратона

Одной из наиболее хорошо разработанных моделей является модель частичного плавления мантийных пород - гранатовых перидотитов и эклогитов. Согласно этой модели, кимберлитовые магмы образуются в областях под платформами на различных глубинах (от 200 до 100 км) вследствие плавления пород мантии и земной коры. Остатки родительских пород кимберлиты выносят в верхние части земной коры в виде ксенолитов. Наибольшее признание получила модель, предложенная американским исследователем С. Хаггерти, который предположил, что источником углерода для кристаллизации алмазов могут быть мантийные флюиды, из которых углерод выделяется за счет окисления CH₄ или восстановления CO₂ . Большую роль при этом играют сульфиды железа (FeS), которые постоянно встречаются как включения в алмазах и алмазоносных ксенолитах. Возможные реакции, приводящие к появлению свободного углерода, выглядят следующим образом:

3CH₄ + 2N₂ = 3C + 4NH₃ ,

2FeS + CO₂ = 2FeO + S₂ + C,

2FeS + CH₄ = 2H₂S + 2Fe + C

Согласно предложенной модели, кимберлитовые трубки - это особый тип вулканов, корни которых уходят в глубь Земли, достигая границы земной коры и мантии (рис. 6). Кимберлиты состоят в основном из силикатов железа (оливина и флогопита), а алмазы в них являются чужими (ксеногенными) минералами. Кристаллы алмазов растут в мантии, в среде, насыщенной летучими компонентами, в течение нескольких миллионов лет, а потом выносятся на поверхность кимберлитами. Алмазы - древние минералы, они существенно старше вмещающих их кимберлитов. Их возраст (более 3 млрд лет) соответствует возрасту пород, слагающих фундамент континентальных кратонов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мантийные алмазы, кристаллизуясь в области их термодинамической стабильности при P = 40 кбар и T = = 1000°C, выносятся на поверхность магматическими породами щелочно-ультраосновного состава - кимберлитами. Наибольшее число разрабатываемых в настоящее время месторождений алмаза относится к кимберлитам, поэтому эти породы являются объектом пристального внимания геологов, петрологов и минералогов. Геологи различного профиля изучают геологическую позицию кимберлитовых тел и тектонический режим, контролирующий их размещение, механизм формирования и заполнения диатрем, зональность кимберлитовых трубок и провинций, их петрохимию и связь с другими магматическими породами глубинного заложения, стадийность минералообразования в кимберлитах, генезис алмаза и сопутствующих ему минералов.

Помимо рассмотренных в статье существует много различных моделей формирования кимберлитов. Предлагается также несколько моделей кристаллизации алмаза как в условиях мантии, так и вне ее. Несомненно, что результаты будущих исследований в различных областях естествознания (геологии, физики, химии) с участием специалистов будут способствовать решению этой исключительно важной проблемы современной геологии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Доусон Дж. Кимберлиты и ксенолиты в них. М.: Мир, 1983. 300 с.

2. Соболев Н.В. Глубинные включения в кимберлитах и проблема состава верхней мантии. Новосибирск: Наука, 1974. 264 с.

3. Харькив А.Д., Зинчук Н.Н., Крючков А.И. Коренные месторождения алмазов мира. М.: Недра, 1998. 554 с.

Назад | Содержание