Минеральные равновесия алмазообразующих карбонатно-силикатных систем

Общая характеристика работы.

Актуальность исследований. Для решения проблемы генезиса алмаза в условиях мантии Земли первостепенное значение имеет знание химического состава и фазового состояния материнских сред. Алмазообразующие материнские среды являются производными вещества мантии, и их исследование представляет интерес для проблемы петрологической и геохимической эволюции глубинных оболочек мантии Земли.

Общий состав материнских сред раскрывается ростовыми, т.е. сингенетическими, включениями в алмазах из кимберлитов и лампроитов. Фрагменты материнских сред в виде включений силикатных минералов [Соболев, 1974; Meyer, 1987; Taylor, Anand, 2004] свидетельствуют об их предельно широкой парагенетической принадлежности - от оливинсодержащих перидотитовых и пироксенитовых ассоциаций до эклогитовых и гроспидитовых, в том числе с коэситом [Соболев, 1983]. Многочисленные результаты изучения кристаллических включений в алмазах и геотермобарометрические оценки [Соболев, 1974; Meyer, 1987; Гаранин и др., 1991; Harris, 1992; Taylor, Anand, 2004] указывают на образование большинства из них на глубинах 150-200 км, в диапазоне давлений от 4 до 7 ГПа и температур от 900 до 1300^oС. Установлены также минеральные включения в алмазах, относящиеся к глубинам переходной зоны (410-660 км) [Moore, Gurney, 1985; 1989; Stachel, 2001] и нижней мантии (>660 км) [Scott Smith et al., 1984; Harte et al., 1999; Stachel et al., 2000; Kaminsky et al., 2001], что значительно расширило контуры условий природного алмазообразования и требует проведения дополнительных экспериментальных исследований. Изучение сингенетических флюид/расплавных включений в природных алмазах [Navon et al., 1988; 2003; Schrauder, Navon, 1994; Izraeli et al., 2001; 2004; Zedgenizov et al., 2004; Ширяев и др., 2005; Klein-BenDavid et al., 2004; 2007; Logvinova et al., 2008] показало, что их химические составы очень изменчивы из-за вариаций относительных содержаний в них главных карбонатных и силикатных и примесных (хлоридных, фосфатных, сульфидных, металлических и др.) компонентов. Важную роль играют также флюидные компоненты системы C-O-H [Haggerty, 1986; Navon, 1999; Taylor, Anand, 2004].

Между тем, только минералогические данные не позволяют надежно установить химическую природу сред, ассоциированных с алмазами мантийного происхождения. Алмазообразующую эффективность таких сред можно определить в экспериментах при высоких давлениях и температурах, используя критерии их эффективности для нуклеации алмазной фазы и сингенезиса алмазов и ростовых включений в них. Согласование результатов экспериментальных и минералогических исследований позволило развить концепцию силикатно-карбонатных (карбонатитовых) материнских сред для доминирующей массы природных алмазов [Litvin, 2007]. В настоящее время актуальное значение приобрела проблема сингенезиса алмаза и ассоциированных с ним минералов верхней мантии, переходной зоны и нижней мантии, решение которой может быть достигнуто только с помощью методов физико-химического эксперимента в интервале давлений от 4 до 24 ГПа.

Для решения обозначенной актуальной проблемы мы провели комплексное экспериментальное исследование при высоких давлениях и температурах мантийных карбонат-силикат-углеродных алмазообразующих систем, включающее синтез алмаза и определение концентрационного барьера его нуклеации, изучение фазовых отношений и составов минералов в этих системах, и сопоставили полученные результаты с данными по минералогии алмаза и его минеральным парагенезисам.

Цель работы - (1) реконструкция химического и фазового состава материнской среды алмазообразования в условиях мантии Земли и (2) оценка физико-химических условий сингенезиса алмаза и мантийных минералов. Для ее реализации были поставлены следующие основные задачи:

(1) исследование при давлениях 7,0-8,5 ГПа и температурах 1000-1800^oС фазовых отношений (с участием алмаза) перидотит-карбонат-углеродной и эклогит-карбонат-углеродной систем и построение диаграмм сингенезиса алмазов и первичных включений как перидотитовых, так и эклогитовых минералов;

(2) изучение условий образования и фазовых отношений Na-содержащих мэйджоритовых гранатов, захватываемых алмазами в виде ростовых включений на соответствующих уровнях глубинности мантии;

(3) экспериментальное моделирование минеральных парагенезисов, относящихся к нижним частям верхней мантии и переходной зоне при 12-24 ГПа на примере модельной системы диопсид-геденбергит-жадеит;

(4) приложение полученных результатов к минералогии мантии и минеральным парагенезисам алмаза.

Фактический материал. Работа основана на экспериментальных исследованиях, которые проводились автором в течение 1999-2008 годов на тороидном аппарате высокого давления типа <наковальня с лункой> в Институте экспериментальной минералогии РАН. Осуществлено свыше 300 индивидуальных экспериментов при P=4,0-8,5 ГПа и T=1000-2000^oC в модельных карбонатно-силикатных, силикатных и сульфидных системах, в том числе опыты по синтезу алмаза в расплавах этих систем с растворенным углеродом. Использованы также результаты свыше 50 экспериментов, проведенных автором на установке типа <разрезной цилиндр> при P=12-24 ГПа и T=1600-2300^oC в 2004-2005 годах в Университете Гакушуин (Токио, Япония). В работе использовались рентгенометрические данные по синтетическим кристаллам Na-содержащего граната и фазы X, полученные в результате совместных исследований с Университетом Флоренции (Италия). Для экспериментов были использованы образцы мантийных ксенолитов из кимберлитовых трубок Якутской и Архангельской провинций, а также меланократовых карбонатитов Чагатайского комплекса (Узбекистан).

Основные защищаемые положения.

1. По экспериментальным и минералогическим данным на основе критерия сингенезиса алмазов и их ростовых включений установлена доминирующая роль силикатно-карбонатных (карбонатитовых) расплавов с растворенным углеродом в кристаллизации природного алмаза. Наряду с Р-Т параметрами (Р=4,0-8,5 ГПа, Т=1150-1800^oС) эффективность материнских алмазообразующих систем определяется концентрационным барьером нуклеации алмаза (КБНА) по содержаниям главных карбонатных и силикатных компонентов.

2. При P=7,0 ГПа и T=1200-1800^oC исследованы и построены фазовые диаграммы многокомпонентных перидотит-карбонатной и эклогит-карбонатной систем как физико-химическая основа, раскрывающая сингенетические отношения алмаза и его силикатных (оливин, ромбический и моноклинный пироксены, гранат) и карбонатных (арагонит, магнезит) включений в зависимости от физико-химических параметров ростовых сред. Силикатная минерализация имеет признаки, характерные для включений в природных алмазах (повышенные примеси K в Cpx и Na в Grt).

3. На основе экспериментального изучения модельных силикатных и карбонатно-силикатных систем при P=7,0-8,5 ГПа показано, что подавляющее большинство природных алмазов с включениями Na-содержащих мэйджоритовых гранатов, в составе которых обычно менее 0,4 мас. % Na₂O, образовалось в щелочных карбонатно-силикатных расплавах при P ≤ 7,0 ГПа. Лишь небольшая доля мэйджоритовых гранатов с более высокими концентрациями натрия (>1 мас. % Na₂O) кристаллизуется при P > 8,5 ГПа.

4. Экспериментальное изучение системы CaMgSi₂O₆-CaFeSi₂O₆-NaAlSi₂O₆ при 1600-2300°С и 12-24 ГПа, моделирующей омфацит природных эклогитов, позволило воспроизвести минеральные включения в алмазах, относящихся к нижним частям верхней мантии и переходной зоне (мэйджорит, Са- и Mg- перовскит, Mg-ильменит). Показано, что переход от эклогита к гранатиту определяется составом пироксена и происходит в широком диапазоне давлений (13-17 ГПа), отвечающем глубинам 400-550 км. Экспериментально выявленная зависимость состава мэйджоритового граната от давления является основой новой версии гранат-клинопироксенового геобарометра ультравысокобарных минеральных ассоциаций мантии Земли.

Научная новизна работы. Впервые при 7,0-8,5 ГПа проведено комплексное изучение фазовых равновесий с осуществлением синтеза алмаза и построены фазовые диаграммы для многокомпонентных систем перидотит-карбонат и эклогит-карбонат с составами природных материнских сред кристаллизации алмаза. Их алмазообразующая эффективность установлена на основе критерия нуклеации алмаза. Построенные диаграммы сингенезиса алмаза и наиболее часто встречаемых в нем включений минералов перидотитового и эклогитового парагенезиса позволили наглядно продемонстрировать и экспериментально обосновать модель природного алмазообразования из карбонатно-силикатных расплавов. Предложенная модель протестирована на примере меланократовых карбонатитов Чагатайского комплекса, а также карбонатизированных перидотитов и эклогитов из кимберлитовых трубок. Впервые проведен синтез натрийсодержащего граната, установлены P-T параметры его кристаллизации в щелочных силикатных и карбонатно-силикатных расплавах, установлен механизм вхождения натрия в состав мантийного граната. В петрологически важной системе диопсид-геденбергит-жадеит осуществлено экспериментальное изучение фазовых отношений при 12-24 ГПа, моделирующих минеральные парагенезисы включений в алмазах низов верхней мантии и переходной зоны. На основе выявленных особенностей состава мэйджоритовых гранатов в зависимости от давления предложен новый метод оценки глубинности образования ассоциаций с участием Na-содержащих мэйджоритовых гранатов.

Практическая значимость работы. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о высокой эффективности образования алмаза в расплавах карбонат-силикат-углеродных систем при P-T условиях термодинамической устойчивости алмаза. Они имеют прямое приложение к моделированию процессов природного алмазообразования на основе экспериментальной информации. Это важно для развития физико-химических аспектов теории генезиса алмаза и подходов к его промышленному синтезу. Экспериментальные данные по фазовым отношениям Na-содержащих мэйджоритовых гранатов могут быть использованы для оценки физико-химических условий формирования глубинных минеральных парагенезисов мантии Земли.

Апробация работы. Основные результаты исследований, которые легли в основу настоящей работы, обсуждались на различных российских и международных научных совещаниях, в том числе Международных Геологических Конгрессах (Флоренция, 2004; Осло, 2008), VIII и IX Симпозиумах по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (Бергамо, 2000; Цюрих, 2002), VII, VIII и IX Международных кимберлитовых конференциях (Кейптаун, 1999; Виктория, 2003, Франкфурт, 2008), Международной конференции EURESCO (Эшпиньо, 2001), 8-ой Международной конференции <Новое в алмазной науке и технологии> (Мельбурн, 2002), 13-ой Международной Гольдшмидтовской конференции (Курашики, 2003), 19-ом Совещании Международной минералогической ассоциации (Кобе, 2006), Генеральной ассамблее Европейского геологического союза (Вена, 2007), Международной Школе по наукам о Земле (Одесса, 2007; 2008), Международном симпозиуме <Петрология литосферы и происхождение алмаза> к 100-летию академика В.С. Соболева (Новосибирск, 2008), Ежегодных семинарах по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (Москва, 2004-2008).

Результаты исследований, изложенные в диссертации, отражены в 49 публикациях, из них 23 статьях в реферируемых журналах и сборниках и 26 тезисах докладов на всероссийских и международных конференциях, а также в отчетах по проектам РФФИ, ИНТАС, программам Президиума РАН и грантам Президента РФ <Ведущие научные школы>.

Структура и объем работы. Работа общим объемом 268 стр. состоит из введения, 3 частей, разбитых на 9 разделов, и заключения. Содержит 83 иллюстрации, 44 таблицы, список литературы из 412 наименований.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность своему учителю академику А.А. Маракушеву за постоянную поддержку исследований и дружеское участие. В течение всей работы автор пользовался научными и методическими консультациями д.х.н. Ю.А. Литвина, с которым обсуждались основные направления и результаты экспериментальных исследований, а также совместные публикации и проекты, разрабатывался последовательный физико-химический подход к проблеме. Автор искренне признателен академику Н.В. Соболеву и д.г.-м.н. В.К. Гаранину за внимание к работе и ценные рекомендации. Поддержка в проведении исследований и подготовке работы постоянно ощущалась со стороны зав. кафедрой петрологии геологического факультета МГУ, проф. Л.Л. Перчука. Автор выражает признательность коллегам, с которыми осуществлялись совместные исследования на разных этапах работы: проф. М. Акаоги, д-ру Л. Бинди, к.г.-м.н. В.Г. Бутвиной, д-ру Х. Коджитани, к.г.-м.н. А.В. Кузюре, А.М. Дымшиц, А.И. Жиляевой, А.Ю. Никифоровой и Е.В. Тумаркиной. За плодотворные дискуссии и обсуждение различных аспектов диссертации автор выражает искреннюю благодарность академикам Л.Н. Когарко, Д.Ю. Пущаровскому, И.Д. Рябчикову и В.С. Урусову, чл.-корр. РАН В.С. Шацкому, докторам наук Н.С. Горбачеву, Е.Г. Осадчему, Ю.Н. Пальянову, Н.Н. Перцеву, А.Л. Перчуку, О.Г. Сафонову, С.К. Симакову, А.Г. Соколу, О.Г. Сорохтину, В.И. Старостину, В.И. Фельдману, А.А. Ярошевскому, кандидатам наук А.В. Бовкун, К.В. Гаранину, Д.А. Зедгенизову, И.А. Зотову, А.М. Логвиновой, Н.А. Панеях, А.В. Спивак, А.А. Ширяеву, В.О. Япаскурту, Д.А. Варламову, а также иностранным коллегам - Е. Отани, Т. Штахелю и Л. Тэйлору. Автор выражает искреннюю благодарность Л.П. Редькиной и А.И. Шпагину (ИЭМ РАН) за всестороннюю техническую помощь в проведении экспериментов, Е.В. Гусевой, Н.Н. Коротаевой (МГУ), К.В. Вану и А.А. Некрасову (ИЭМ РАН) за помощь в проведении электронно-зондовых исследований, а также всем сотрудникам кафедры петрологии геологического факультета МГУ и лаборатории флюидно-магматических процессов ИЭМ РАН за постоянную поддержку.

Моим первым учителем, определившим интерес к изучению алмаза и алмазоносных горных пород, была д.г.-м.н. Г.П. Кудрявцева.

Условные обозначения, принятые в автореферате. Ab - альбит, Arg - арагонит, Carb - карбонат, Ca-Pv - CaSiO₃ со структурой перовскита, Ca-Ts - молекула Ca-Чермака CaAl₂O₆, Cf - NaAlSiO₄ со структурой кальцио-феррита; Cpx - клинопироксен, Crn - корунд, Cs - коэсит, D - алмаз, Di - диопсид, Dol - доломит, Ecl - эклогит, En - энстатит, Esk - молекула Эскола Mg_0,5AlSi₂O₆, Fo - форстерит, Grs - гроссуляр, Grt - гранат, Hd - геденбергит, Jd - жадеит, KC - K₂CO₃, Ky - кианит, L - расплав, Maj - мэйджоритовый гранат, Mg-Il - MgSiO₃ о структурой ильменита, Mg-Pv - MgSiO₃ со структурой перовскита, NaGrt - натрийсодержащий гранат, NaPx - натриевый пироксен, Ol - оливин, Opx - ортопироксен, Per - перидотит (гранатовый лерцолит), Prp - пироп, St - стишовит.