Физико-химические условия образования алмазоносных парагенезисов эклогитов

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 3000-5000^о 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.

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.

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 (700-750^о С и 5 кбар).

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 700-750^о С и давлении 5 кбар.

Апробация работы.Основные результаты работы обсуждались на конгрессах, конференциях, совещаниях и семинарах разного уровня: XXXI Международном Геологическом Конгрессе (Рио Де Жанейро, 2000), Международных Кимберлитовых Конференциях (Новосибирск, 1995; Кейп Таун, 1998), Европейских Геологических Конгрессах (Страссбург, 1995, 2001), 16-ой и 18-ой Международных Минералогических Конференциях (Пиза,1994; Эдинбург, 2002), VIII и IX Международных Симпозиумах по экспериментальной Минералогии, Петрологии и Геохимии (Бергамо, 2000; Цюрих, 2002), Международных Конференциях "Глубинная Земля" (Виа Аква Маратео, Италия, 1999; Эспинхо, Португалия, 2001), 5-ой Международной Конференции "Фуллерены и атомные кластеры (IWFAC'2001)" (С-Петербург, 2001), Международных Симпозиумах "Проблемы физико-химической петрологии" (Москва, 1989); "Проблема генезиса магматических и метаморфических пород" (С-Петербург, 1998), Всесоюзных конференциях: "Термодинамика в Геологии" (Суздаль,1995; Миасс,1988); "Самородное элементообразование в эндогенных процессах" (Якутск, 1985); "Второе Всесоюзное совещание по геохимии углерода" (Москва, 1986); "Ежегодные семинары экспериментаторов" (Москва, 1983, 1984, 1986); на XIII Российском совещании по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 1995) и других.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 54 работы, в том числе, основных работ - 32, включая 1 монографию .

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, общий объем работы 239 страниц, содержит 85 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 473 наименования.

Исследования выполнены в период 1983-2002 гг. Работа была дважды поддержана грантами РФФИ (94-05-1778, 95-05-15765).

Особую признательность за постоянное внимание и поддержку выражаю проф. Перчуку Л.Л.. Искренне благодарен за внимание к моей работе проф. Шинкареву Н.Ф..

В ходе работы автор имел возможность обсуждать проблемы, рассматриваемые в диссертации с академиками РАН Маракушевым А.А. и Соболевым Н.В., докторами наук: Арановичем Л.Я., Бергером В.И., Геншафтом Ю.С., Герей Т.В., Германским А.М., Зыряновым В.Н., Кадиком А.А., Каминским Ф.В., Кольцовым А.Б., Кудрявцевой Г.П., Литвиным Ю.А., Персиковым Э.С., Руденко А.П., Рудашевским Н.С., Смитом К., Снайдером Г.А., Фонаревым В.И., Чарыковым Н.А., с кандидатами наук: Бобровым А.В., Булановой Г.П., Гуркиной Г.А., Иваниковым В.В., Илупиным И.П., Кониловым А.Н., Косяковой Н.А., Лавровой Л.Д., Махоткиным И.Л., Подлесским К.К., Пономаревым А.Н., Плясуновым А.В., Порицкой Л.Г., Редькиным А.Ф., Рухловым А.С., Саблуковым С.М., Сафоновым О.Г., Печниковым В.А., Хачатрян Г.К., за что автор всем искренне благодарен.

Выражаю глубокую признательность за сотрудничество на разных этапах работ Багдасарову Э.А., Байдаковой М.Е., Ваганову ВИ., Варламову Д.А., Графчикову А.А., Гребенщиковой Е.А., Дроздовой И.А., Иванову М.В., Лапшину А.Е., Лобковой Л.П., Лукьяновой Л.И., Никитиной Л.П., Сироткину А.К., Сытниковой А.А., Тэйлору Л.А., Ульянову А.Г., Яговкиной М.А.,

Благодарю за помощь при оформлении диссертации Полякова А.А.