Минералогия кимберлитов и родственных им пород алмазоносных провинций России в связи с их генезисом и поисками

Введение.

Актуальность темы исследований. Минералогия кимберлитов и родственных им пород (лампроитов и др.) является комплексной и рассматривает, с одной стороны, минералы, кристаллизующиеся из кимберлитовой магмы, с другой стороны, захваченные при замещении кимберлитовым расплавом пироповых перидотитов и эклогитов, внедрившихся из глубин алмазоносной мантии в кристаллический фундамент платформ в ходе его формирования. К числу последних относятся и минералы, определяющие алмазоносность кимберлитов, лампроитов и других родственных им пород. Работа посвящена минералогии кимберлитов и родственных им пород крупнейших алмазоносных провинций России: Архангельской и Якутской. В ней детально обсуждены вопросы дискретности процессов алмазообразования, роли сульфидов в алмазообразовании, специфики углеводородных включений в алмазе и его минералов-спутников, типохимизма минералов-спутников, магнитоминералогии оксидных систем в связующей массе кимберлитов и родственных им пород. Химический состав, морфологические особенности и физические свойства этих минералов позволяют получить ценную информацию о развитии магматизма глубинных зон земной коры и верхней мантии до глубин более 250 км.

Эти вопросы рассмотрены в многочисленных публикациях отечественных и зарубежных исследователей, включая обобщающие работы последних лет (Афанасьев и др., 2001; Бескрованов, 1993; Богатиков и др., 1991; Буланова и др., 1993; Ваганов, 2000; Владимиров и др., 1990; Джейкс и др., 1989; Зубарев и др., 1989; Квасница и др., 1994; Кудрявцева и др., 2005; Маракушев, 1985, 1993, 2005; Митчелл, 1986, 1997; Похиленко, 1990; Специус, Серенко, 1990; Специус, 1998; Соловьева, 1998; Уханов, 1992; Mantle xenoliths, 1987; Mantle metasomatism, 1987 и др.) и новейшие труды систематически проводимых Международных кимберлитовых конференций. Особо отметим выдающуюся работу Н.В. Соболева <Глубинные включения в кимберлитах и проблема состава верхней мантии> (1974), которая ввела диссертанта в увлекательный мир алмаза и его минералов-спутников.

Несмотря на впечатляющие результаты научных достижений, проблема генезиса алмаза, его генетические связи с минералами мантийных эклогитов, пироксенитов и перидотитов, а также вопросы эволюции и сохранности алмаза в кимберлитовых и других расплавах во многих аспектах остаются дискуссионными. Это требует привлечения новых данных, которые могут быть получены при комплексных исследованиях алмаза и содержащих его гибридных пород, слагающих кимберлитовые и лампроитовые тела. От понимания сложности всех этих проблем зависит и решение ряда прикладных задач, связанных с поиском, оценкой и прогнозированием новых алмазоносных объектов при широком использовании минералогических методов, а также решение некоторых задач в области материаловедения алмаза. Главный вклад в развитие алмазной тематики в России, несомненно, внесло открытие Якутской алмазоносной провинции (ЯАП) в 1954 г. Значительный объем фактического материала, требующего переосмысливания указанной проблемы, появился в связи с открытием в конце 70-х годов прошлого века Архангельской алмазоносной провинции, на территории которой уже разведаны месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова и В. Гриба.

Цель, задачи и методика исследований. Целью проведенных исследований было получение генетической информации на основе изучения внутреннего строения алмаза и включений в нем с применением нового методического подхода, сочетающего растровую цветную катодолюминесценцию, оптическую спектроскопию и электронно-зондовый анализ. Важным было комплексное исследование минеральных и флюидных включений в систематически подобранных коллекциях минералов-спутников алмаза с использованием растровой электронной микроскопии, электронно-зондового анализа, рамановской и оптической спектроскопии. По указанной методике проводилось систематическое изучение ксенолитов алмазоносных эклогитов, перидотитов, пироксенитов и эклогитоподобных пород. Детально исследовались минералы-спутники алмаза из протолочных проб и концентратов обогащения кимберлитов и микрокристаллических минералов из связующей массы лампроитов, кимберлитов и родственных им пород, а также проводилось магнитоминералогическое изучение кимберлитовых, лампроитовых и родственных им пород.

Эти комплексные исследования были направлены на решение основных задач, освещающих специфику алмазообразования в перидотитовых и эклогитовых магмах мантийных магматических очагов. В фокусе исследований оказались:
1. Вопросы дискретности процесса природного алмазообразования;
2. Минеральные парагенезисы алмаза (его спутники) и генетическое значение совмещенных эклогит-перидотитовых парагенезисов;
3. Генетическое значение сульфидных включений в алмазе, минералах-спутниках алмаза и ксенолитах ультраосновного и основного состава;
4. Углеводородные включения в алмазе и его минералах-спутниках при формировании флюидного режима алмазообразования и дифференциации мантийных расплавов;
5. Прикладное значение полученных банков данных по составу и классификаций важнейших минералов-спутников алмаза, банков данных по химизму и классификаций оксидов из связующей массы кимберлитов, лампроитов и родственных им пород, изучения комплекса магнитных параметров алмазоносных и неалмазоносных кимберлитов, лампроитов и родственных им пород с выявлением их магнитных характеристик;
6. Изучение латеральной зональности ЯАП и ААП, вертикальной зональности и внутреннего строения кимберлитовых тел в указанных регионах и разработка экспресс-методов обнаружения зональности (неоднородности) по типоморфизму состава и магнитных свойств минералов класса оксидов.

Фактический материал и объем проведенных исследований. В основу настоящей диссертации положены личные полевые исследования с отбором каменного материала в 1973-2001 гг. на карьерах трубок Интернациональная, Мир, Спутник, им. XXIII съезда КПСС, Дачная, Удачная, Сытыканская, Зарница и из других тел Якутской провинции, а также отбор кернового материала и минералов тяжелой фракции практически из всех известных объектов Архангельской провинции (кимберлитов, мелилититов и щелочных базальтов) в 1984-2005 гг.

Выполнению работ по теме и проведению лабораторных исследований способствовало предоставление каменного материала из тел Якутской и Архангельской провинций, включающего кристаллы алмаза, образцы керна, минералы тяжелой фракции, ксенолиты глубинных пород, д.г.-м.н. В.П. Афанасьевым, д.г.-м.н. А.И. Боткуновым, к.г.-м.н. В.В. Вержаком, д.г.-м.н. наук В.А. Кононовой, к.г.-м.н. В.П. Кузнецовой, к.г.-м.н. А.И. Махиным, к.г.-м.н. В.П. Серенко, к.г.-м.н. В.А. Скрипниченко, д.г.-м.н. А.Д. Харькивым. Нельзя не отметить уникальный каменный материал, переданный автору для исследований в разные годы многими известными алмазниками России: С.А. Безбородовым, И.Я. Богатых, Е.М. Веричевым, С.И. Костровицким, Е.Е. Лазько, Б.А. Мальковым, З.В. Специусом и другими. Всем этим коллегам и друзьям автор глубоко признателен.

Главные методы исследований были разработаны и обеспечены оборудованием в лаборатории месторождений алмаза Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, в которой под руководством и при непосредственном участии автора выполнено более 50 000 полных электронно-зондовых анализов различных минералов из включений в кристаллах алмаза, ксенолитов эклогитов, в том числе алмазоносных, пироксенитов, перидотитов, из тяжелой фракции, а также из связующей массы лампроитов, кимберлитов и родственных им пород с использованием электронно-зондового микроанализатора JXA-50A и растрового электронного микроскопа JSM-820 c аналитической приставкой Link-10/85S (приборы фирмы <Джеол>, Япония). Методом растровой электронной микроскопии на приборе JSM-T20 (<Джеол>) изучены морфологические особенности алмаза, включений в нем и минералов-спутников алмаза более чем для 5000 зерен. На приборе JXA-50A изучена цветная катодолюминесценция более 200 кристаллов алмаза из якутских и архангельских кимберлитов. Методами оптической спектроскопии на спектрофотометрах IR-435 и MPS-2000 фирмы <Шимадзу> (Япония) получены спектры в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях для более чем 3 000 зерен минералов-спутников алмаза.

Компьютерной обработке аналитических баз данных с применением кластерного, дискриминантного и корреляционного анализов подвергнуто более 30000 электронно-зондовых анализов минералов из различных алмазоносных провинций мира (как оригинальных, так и позаимствованных из многочисленных литературных источников).

Методом термомагнитного анализа на оригинальной установке на основе каппометра КLY-4 (Чехословакия) проведены измерения более 1000 проб и монофракций ильменита, магнетита и магнитных фракций кимберлитовых пород. Комплекс магнитоминералогических исследований кимберлитов и лампроитов с измерением различных магнитных параметров выполнен на Физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством проф. В.И. Трухина совместно с к.ф.-м.н. В.А. Жиляевой и д.ф.-м.н. В.И. Максимочкиным.

Определения содержаний полициклических ароматических углеводородов из включений в алмазе, гранатах, оливине и цирконе выполнены в лаборатории углеродистых веществ биосферы Географического факультета МГУ под руководством д. г.-м. н. В.Н. Флоровской.

Изучение внутренней структуры алмаза из якутских и архангельских кимберлитов, а также россыпей Заира методами цветной катодолюминесценции в растровом режиме со съемкой изображений для 60 срезов алмаза проведено в лаборатории Физического факультета МГУ под руководством д.ф.-м.н. Г.В. Сапарина. Съемка 200 спектров для различных зон алмаза в ИК-, видимом и УФ- диапазонах на микроспектрофотометре UMSP-50 (<Карл Цейс>, Германия) проведена автором в Зальцбургском университете (Австрия).

Автор выражает глубокую благодарность всем коллегам, оказавшим неоценимую помощь в проведении лабораторных исследований. Особая признательность автора сотрудникам лаборатории месторождений алмаза и кафедры минералогии Геологического факультета, работавшим вместе и под руководством автора на протяжении многих лет: А.В. Бовкун, Г.И. Бочаровой, Е.Б. Бушуевой, Е.Р. Васильевой, Д.Г. Газиевой, Г.Н. Давыдовой, Г.Н. Жукову, А.Н. Кроту, Т.Н. Лаверовой, П.Н. Малиборскому, О.А. Михайличенко, А.Н. Некрасову, Т.В. Посуховой, Л.Т. Сошкиной. Их труд и энтузиазм позволил выполнить большой объем комплексных исследований по теме диссертации.

С первых шагов научной работы всесторонняя помощь оказывалась учителями автора, профессором Г.А. Крутовым, академиком В.И. Смирновым и зав. кафедрой минералогии, проф. Г.П. Барсановым. Серьезная поддержка в выполнении исследований и создании лаборатории месторождений алмаза на Геологическом факультете МГУ постоянно ощущалась со стороны академика Н.П. Лаверова. Плодотворные научные дискуссии с академиками О.А. Богатиковым, Э.М. Галимовым, А.А. Маракушевым, В.С. Урусовым, А.Д. Щегловым, Г.А. Тварлчрелидзе, Н.П. Юшкиным, зав. кафедрой минералогии, член-корр. РАН, профессором А.С. Марфуниным, зав. кафедрой геологии и геохимии полезных ископаемых, профессором В.И. Старостиным способствовали написанию данной работы.

Автор глубоко тронула моральная поддержка при подготовке работы со стороны К.В. Гаранина и близких друзей В.В. Вержака и В.И. Вержак, Е.М. Веричева и В.Н. Веричевой, Н.Н. Головина и В.П. Серенко.

Особую благодарность и любовь автор выражает доктору геолого-минералогических наук Г.П. Кудрявцевой, соратнику во всех делах, с которой мы шагали по жизни вместе более 35-ти лет.

Научная новизна и практическая значимость работы. Новизна представленной работы излагается ниже в аппаратурно-методическом (I), минералого-генетическом (II) и прикладном (III) аспектах:

I. В аппаратурно-методическом аспекте:
а) изучение алмаза, его минералов-спутников и других минералов было обусловлено внедрением комплекса локальных электронно-зондовых (рентгеноспектральный анализ, растровая электронная микроскопия) приборов, растровой цветной катодолюминесценции, модального анализа в сочетании с оптико-спектроскопическими (съемка спектров в ИК-, УФ- и видимой области) исследованиями;
б) впервые сформированы банки данных по химическому составу важнейших минералов-спутников алмаза и микрокристаллических оксидов из связующей массы пород и на их основе созданы химико-генетические классификации;
в) на базе каппометра впервые создан аппаратурный компьютеризированный комплекс для получения термомагнитных кривых в широком диапазоне температур от -196^оС до +1000^оС и определения температур Кюри широкого класса ферримагнетиков с микронавесок минералов, отдельных зерен и проб.

II. В минералого-генетическом аспекте:
а) обнаружено широкое распространение структур типа <алмаз в алмазе> в кристаллах этого минерала из кимберлитов и доказано наличие совмещенных эклогит (Э) - перидотитовых (П) парагенезисов в объеме одного кристалла, однозначно доказывающих эклогит-перидотитовую расслоенность мантийных магматических очагов и погружение в них алмаза в ходе его кристаллизации;
б) установлен типоморфизм химического и фазового состава сульфидов из включений в алмазе, минералах (оливин, циркон, гранат, ильменит), породах эклогитового и пироксенит-перидотитового парагенезиса из кимберлитовых тел различной алмазоносности;
в) выявлено широкое присутствие в алмазе и его минералах-спутниках углеводородных и сульфидно-углеводородных систем, играющих значительную роль в образовании алмазов и во флюидном режиме кристаллизации и дифференциации мантийных расплавов;
г) проведено изучение химического и фазового состава микрокристаллических оксидов из связующей массы кимберлитов и лампроитов, уточнены условия их образования, благоприятные для генезиса алмаза;
д) проведена минералогическая паспортизация кимберлитов и родственных пород из тел Якутской и Архангельской алмазоносных провинций на основе типохимизма минералов-спутников алмаза и оксидов из связующей массы этих пород, выявлены латеральная и вертикальная зональность районов и трубок на примере Якутской и Архангельской провинций, уточняющие генетические условия формирования месторождений алмаза.

III. В практическом аспекте:
а) предложены новые минералогические критерии комплексной оценки алмазоносности кимберлитов и лампроитов, установлены две группы факторов, влияющих на потенциальную и реальную (фактическую) алмазоносность кимберлитовых тел, разработаны экспресс-способы их определения на основе анализа типоморфизма состава и физических свойств минералов-спутников алмаза и микрокристаллических оксидов из связующей массы;
б) создана автоматизированная экспертная система для комплексной технологии поисков алмазоносных кимберлитов (лампроитов) и их опережающего минералогического опробования;
в) проведенная минералогическая паспортизация кимберлитов и родственных им тел Якутской и Архангельской алмазоносных провинций на основе типохимизма минералов-спутников алмаза и оксидов из связующей массы этих пород способствует развитию шлихо-минералогического метода поисков новых тел, оценки алмазоносности и, в конечном итоге, расширению их минерально-сырьевой базы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Она включает 550 страниц текста, 247 рисунков и 90 таблиц, а также список литературы из 300 наименований.

Защищаемые положения:

1. Структуры <алмаз в алмазе> и минеральные включения в алмазе отражают дискретность алмазообразования, обусловленную вариациями флюидного режима в мантийных магматических очагах, контрастно расслоенных на эклогитовую (Э) и перидотитовую (П) зоны. Совмещение включений минералов Э и П типа в кристаллах алмаза отражает их погружение в магматических очагах в ходе кристаллизации. Завершением этого длительного процесса служит агрегация зерен алмаза и их собирательная перекристаллизация, порождающие гигантские кристаллы алмаза и его зернистые агрегаты типа карбонадо и борт.

2. Обильные включения моносульфидных твердых растворов в кристаллах алмаза Э и П типов позволяют связывать их происхождение с железистыми дифференциатами эклогитовых и перидотитовых магм, подвергшихся флюидной сульфуризации, сопряженной с алмазообразованием. Выявленные различия в химическом и фазовом составе сульфидных включений в алмазе, минералах-спутниках и нодулях перидотитов и эклогитов свидетельствуют о разных составах сульфидных жидкостей и их дифференциации. При этом никель концентрировался преимущественно в ультраосновных расплавах, железо и медь - в основных. Силикатные и оксидные расплавы были несмесимы с сульфидами, о чем свидетельствует доминирующая каплевидная форма сульфидных включений с характерными для них венцовыми структурами, отражающими расщепление сульфидных расплавов на никель-железистые, никель-медистые и медистые жидкости.

3. Обнаружение углеводородных включений в спутниках алмаза (оливине, гранате и цирконе) свидетельствует об участии углеводородов в процессах флюидной сульфуризации расплавов, ведущей к образованию алмаза: MgFeSiO₄ + (CH₄ + 2CO + H₂S) = MgSiO₃ + FeS + 3(H₂O + C), и в образовании флюидных потоков, сопровождающих дифференциацию и кристаллизацию магм Э и П типов.

4. Количество, соотношение, химический и фазовый состав оксидов (шпинелиды, ильменит, перовскит) из связующей массы кимберлитов и родственных им пород отражают глубину заложения, условия формирования, характер эволюции и степень алмазоносности этих пород и являются основой для интерпретации магнитных аномалий над их телами. Для кимберлитовых и родственных им пород алмазоносных провинций России на основе набора, количественных соотношений и особенностей состава микрокристаллических оксидов выделено пять типов пород различной алмазоносности. К признакам алмазоносности относится большое количество хромшпинелида, содержащего более 40 мас.% Cr₂O₃ и менее 4 мас.% TiO₂, и хромсодержащего пикроильменита. Отрицательным признаком служит присутствие хромшпинелида, содержащего менее 40 мас.% Cr₂O₃ и более 4 мас.% TiO₂, титаномагнетита разнообразного состава и наличие перовскита (более 10%).

5. Проведенная минералогическая паспортизация тел кимберлитов и родственных им пород Якутской и Архангельской алмазоносных провинций на основе типохимизма минералов-спутников алмаза является основой для решения многих генетических вопросов образования этих пород, совершенствования шлихо-минералогического метода поисков новых тел и оценки их алмазоносности и, в конечном итоге, способствует расширению минерально-сырьевой базы алмазодобывающей промышленности.

Апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в 250 печатных работах, в том числе 10 монографиях, и доложены на IV Всесоюзном совещании по алмазам (Симферополь, 1980), Совещании по геологии месторождений алмаза (Архангельск, 1985), Всесоюзной конференции <Самородное элементообразование в эндогенных процессах> (Якутск, 1985), Всесоюзном юбилейном чтении <Кимберлиты и кимберлитоподобные породы> (Иркутск, 1986), Чтениях памяти академика М.М. Одинцова (Иркутск, 1987), Всесоюзном научно-техническом совещании <Основные проблемы и пути совершенствования технологии обогащения природных алмазов на основе использования их физических свойств> (Мирный, 1987), 10, 14 Всесоюзных совещаниях по геохимии магматических пород (Москва, 1984, 1988), 15, 16 Совещаниях Международной минералогической ассоциации (Пекин, 1990; Пиза, 1994), 8, 9 симпозиумах Международной ассоциации по генезису рудных месторождений (Оттава, 1990; Пекин, 1994; Турку, 1997; Лондон, 1999; Москва, 2006), Международных геологических конгрессах (Пекин, 1996, Рио-де-Жанейро, 2000; Флоренция, 2004), V, VI, VII, VIII Международных кимберлитовых конференциях (Бразилия, 1990; Новосибирск, 1995; Кейптаун, 1998; Виктория, 2003), Всероссийской конференции <Золото, платина и алмазы республики Коми и сопредельных регионов> (Сыктывкар, 1998) и многих других отечественных и зарубежных совещаниях и симпозиумах.

По проблемам, рассмотренным в диссертации, получено 7 авторских свидетельств СССР на способы поиска алмазоносных кимберлитов и лампроитов, один Патент РФ.

Все исследования проводились в рамках Государственных Программ Минвуза СССР, ГКНТ СССР, Министерства науки и новых технологий РФ, из которых следует отметить Проект <Создание комплексных технологий выявления и оценки забалансовых запасов алмаза для вовлечения их в эксплуатацию и создания рациональных схем утилизации отходов алмазодобывающей промышленности> Государственной программы <Ресурсосберегающие и экологически безопасные процессы горно-металлургического производства> (ЭКОГОРМЕТКОМПЛЕКС БУДУЩЕГО, 1992-1995 гг.) Министерства науки и новых технологий РФ; Проекты N 310 <Лампроит-кимберлитовый магматизм и перспективы алмазоносности Востока Восточно-Европейской платформы>, N 77-05 <Архангельская алмазоносная провинция (геология, петрография, минералогия и геохимия)> Федеральной Президентской целевой программы <Интеграция> (1997-2000 гг.).

Работа выполнялась на кафедре минералогии и в лаборатории месторождений алмаза Геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова в период с 1976 по 2006 г.

Многие исследования проводились по хоздоговорам на выполнение научно-исследовательских работ с ПГО <Якуталмаз>, Ботуобинской и Чернышевской геологоразведочными экспедициями Мингео СССР, ЗАО <АЛРОСА>, ЯОКИ ЦНИГРИ ЗАО <АЛРОСА>, филиалом ЗАО <АЛРОСА> в г. Архангельске <АЛРОСА-ПОМОРЬЕ>, ПГО <Архангельскгеология>, ПГО <Аэрогеология>, ОАО <Архангельскгеолдобыча> и ЗАО <Архангельскгеолразведка>.