Экспериментальные исследования фазовых равновесий и алмазообразования в эклогит-карбонат-сульфидных системах

Введение

Актуальность работы.

Наряду с пироповыми перидотитами, эклогиты являются главными алмазоносными породами. Образование алмаза в них зависит от многих факторов, ведущими из которых являются давление и состав алмазообразующей среды. Поэтому выяснение физико-химических условий формирования собственно эклогитовых парагенезисов и их связи с процессами кристаллизации алмаза представляет большой научный интерес и является актуальной проблемой глубинной петрологии. Разнообразие сингенетических включений (кристаллических, расплавных и флюидных) в алмазе (Соболев, 1974; Соболев и др., 1972, 1997; Буланова и др., 1982, 1993; Ефимова и др., 1983; Гаранин и др., 1991; Navon et al., 1988, 2003; Taylor et al., 1996, 2004; Wang et al., 1996; Klein-BenDavid et al., 2003; Logvinova et al., 2003 и др.) предполагает сложные многофазовые составы алмазообразующих сред. Выяснение соотношений между силикатными, карбонатными и сульфидными компонентами (как самыми распространенными первичными включениями и спутниками алмаза) при алмазообразовании имеет ключевое значение в раскрытии физико-химических условий генезиса алмаза и алмазоносных пород.

Цель работы.

Выяснение физико-химических условий образования эклогитов и их алмазоносности: экспериментальное исследование фазовых равновесий гранатовой (пироп-альмандин) и эклогитовой (гранат-омфацит) систем, а также процессов алмазообразования в расплавах модельных сульфидов с растворенным углеродом и в системе эклогит-карбонат-сульфид-углерод при высоких давлениях и температурах, отвечающих условиям термодинамической устойчивости алмаза; анализ петрологических данных для гранат-омфацитовых парагенезисов и их интерпретация на основе экспериментальных данных.

Защищаемые положения.

1. При экспериментальном изучении фазовых отношений в системе пироп-альмандин при давлениях 4.0 и 6.5 ГПа установлено, что компоненты данной системы характеризуются неограниченной смесимостью как в твердом, так и в жидком состояниях при обоих значениях давления (фазовые диаграммы относятся к I типу по Розебому).

2. Экспериментальное исследование фазовых равновесий псевдотройной системы омфацит - пироп (+32 мол. % гроссуляра) - альмандин (+32 мол. % гроссуляра) в ее политермическом сечении омфацит-пироп₁₅альмандин₅₃гроссуляр₃₂ при давлении 7.0 ГПа показало, что плавление гранат-омфацитовой ассоциации является котектическим, а температура ее <сухого> солидуса в данном сечении составляет около 1450^оС. Это значение выше, чем расчетные температуры образования эклогитов в нодулях кимберлитовых трубок, что может свидетельствовать о флюидной природе эклогитовых магматических систем мантии.

3. Впервые выполнены синтезы алмаза в сульфидных пирротин-пентландит-халькопиритовых расплавах с растворенным углеродом при давлениях 7.0 - 8.0 ГПа; экспериментальными исследованиями кристаллизации алмаза в сульфидно-карбонатных и гранат-омфацит-сульфидно-карбонатных расплавах (с углеродом) выявлена высокая алмазообразующая эффективность природных сульфидных сред (сопоставимо с карбонатными) для нуклеации и роста алмаза.

Научная новизна.

1. Экспериментально обоснована флюидно-магматическая природа эклогитов из кимберлитовой трубки <Удачная>.

2. Обоснована модель сопряженности сульфидного алмазообразования с флюидной сульфуризацией богатых железом магматических дифференциатов.

3. При давлениях 6.5 и 4.0 ГПа изучена бинарная система пироп-альмандин. Показано, что она представляет собой I тип диграмм Розебома с неограниченной смесимостью компонентов в жидком и твердом состояниях. Впервые установлено, что альмандин в изученном интервале давлений плавится конгруэнтно.

4. При давлении 7.0 ГПа и температурах 1200 - 1600^оС экспериментально исследовано внутреннее политермическое сечение омфацит-гранат многокомпонентной псевдотройной системы пироп (+гроссуляр) - альмандин (+гроссуляр) - клинопироксен (омфацит). С помощью этого политермического разреза и диаграммы плавкости пироп-альмандин впервые построена линия совместной кристаллизации (котектика) граната и омфацита в условиях стабильности алмаза.

5. Проведен синтез алмаза при высоких давлениях в сульфид - углеродных и более сложных эклогит - сульфид - углеродных системах. Впервые показана эффективность мантийных сульфидных расплавов как алмазообразующих сред.

6. Установлены эффекты жидкостной несмесимости между карбонатными и сульфидными, а также сульфидными и силикатными расплавами при РТ (7.0-8.5 ГПа и 1500-19800С) условиях стабильности алмаза.

Практическая значимость.

Построенные фазовые диаграммы в многокомпонентной эклогитовой системе позволяют восстанавливать физико-химические условия образования и эволюции природных эклогитов, в частности по особенностям кристаллизации главного минерала эклогитов - граната.

Установленная впервые эффективность сульфидных расплавов как сред алмазообразования представляет интерес для создания новых методов синтеза алмаза, а также в сочетании с явлениями силикатно-сульфидной и карбонатно-сульфидной жидкостной несмесимости для дальнейшего развития физико-химической модели генезиса природных алмазов.

Фактический материал.

Основу работы составляют данные по 100 экспериментам, выполненным в системе пироп-гроссуляр-альмандин, альмандин-омфацит, гранат-омфацит, эклогит-карбонат-сульфид-углерод при высоких T-P параметрах на установке НЛ-13Т в лаборатории флюидно-магматических процессов ИЭМ РАН г.Черноголовка. Дополнительно были изучены природные образцы (10 шт.) алмазоносных эклогитов кимберлитовой трубки <Удачная>, был изучен обширный полевой материал - более 40 образцов эклогитов максютовского эклогит-глаукофансланцевого комплекса - часть которого была отобрана в полевых работах автора в 2001 году. Коллекции эклогитов были предоставлены для изучения доцентом кафедры петрологии Бобровым А.В.

Апробация работы.

Результаты работы представлены на X научных чтениях памяти проф. И.Ф.Трусовой, МГГА, 2000г.; 8ой, 9ой Международных конференциях по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии, Италия (Бергамо, 2000), Швейцария (Цюрих, 2002); Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам <Ломоносов>, МГУ, 2000; Верещагинских чтениях по химии и физике высоких давлений, Москва, хим. ф-т МГУ им. М.В.Ломоносова, 2001; XIV Российском совещании по экспериментальной минералогии, Черноголовка, 2001; ежегодных семинарах по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии, Москва, ГЕОХИ, 2002-2004гг., VI Международной эклогитовой конференции, Япония, 2001; 8ой Международной конференции "New Diamond Science and Technology", Мельбурн, Австралия, 2002; 18ом совещании Международной минералогической ассоциации, Эдинбург, Шотландия, 2002; 5ой школе Европейского минералогического союза и Симпозиуме по сверхвысокобарному метаморфизму, Будапешт, Венгрия, 2003; 8ой Международной кимберлитовой конференции, Канада, 2003; 32ом Международном геологическом конгрессе, Флоренция, Италия, 2004; Международном симпозиуме <Эволюция континентальной литосферы, происхождение алмазов и их месторождений>, посвященном 70-летию академика Н.В.Соболева. Новосибирск, 3-5 июня 2005г. Основные положения работы изложены в 11 статьях и тезисах 14 докладов.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, 2-х частей и заключения. Первая часть состоит из 3-х глав, вторая часть - из 2-х глав. Диссертация изложена на 144 страницах и сопровождается 53 рисунками и 12 таблицами. Список литературы включает 216 наименований.

Благодарности.

Работа выполнена под руководством академика РАН А.А.Маракушева, доктора хим. наук Ю.А.Литвина, которым автор глубоко благодарна. Особую благодарность за неоценимую помощь в экспериментальной работе автор выражает ведущему инженеру лаборатории флюидно-магматических систем ИЭМ РАН Л.П.Редькиной. Автор искренне признателен также за практические советы сотрудникам кафедры петрологии МГУ профессору Л.Л.Перчуку, доцентам А.В.Боброву и О.Г.Сафонову, Г.Н.Назьмовой, а также сотруднику кафедры петрографии СпбГУ С.К.Симакову. Отдельная благодарность докторам г.-м. наук З.В.Специусу и Н.С.Горбачеву за предоставленные монофракции минералов, используемых в экспериментах. Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории локальных методов исследования вещества МГУ Е.В. Гусевой и Н.Н. Коротаевой, а также лаборатории физических методов исследования ИЭМ РАН, Черноголовка, А.В.Некрасову и К.В. Ван за помощь при проведении микрозондовых анализов. Работа выполнена при поддержке РФФИ: гранты 04-05-64896, 04-05-97220, а также программы <Ведущие научные школы России> 1301.2003.5 (рук. академик РАН А.А. Маракушев).

Обозначения, принятые в работе.

Символы минералов: Alm - альмандин, С - углерод, графит, Ca-Ts - кальциевая молекула Чермака, Cpx - клинопироксен, Cpxss - твердый р-р клинопироксена, Di - диопсид, Diam - алмаз, Grs - гроссуляр, Grt - гранат, Grtss - твердый раствор граната, Hed - геденбергит, Jd - жадеит, L - расплав, Omph - омфацит, Prp - пироп, Sulf - сульфид. Термодинамические переменные: T - температура, P - давление, K_d - константа равновесия реакции.