Ахтарандит и самоцветные разновидности гранатов - производные низкоградного метаморфизма

Общая характеристика работы.

Актуальность темы Гранаты уграндитового ряда - гроссуляр, андрадит и уваровит, рассматриваемые в работе, широко распространены в различных по генезису горных породах. Их хром-содержащие благородные разновидности - самоцветные хром-содержащий гроссуляр, уваровит, демантоид относительно редки и вызывают повышенный интерес. Происхождение этих камней до настоящего времени - предмет научных дискуссий. По общепринятому мнению это продукты постмагматической гидротермальной активности базит-гипербазитовых комплексов. Однако этому представлению противоречат многочисленные геологические и минералого-геохимические данные.

Ахтарандит - минералогическая загадка трёх столетий. Это псевдоморфоза по неизвестному минералу тригонтритетраэдрического облика, найденная в 1790 г. в долине р. Вилюй (Якутия) в ассоциации с гроссуляром и вилюитом в скарноподобных образованиях. На проявлении самоцветного хром-содержащего гроссуляра г. Отдельной (Талнах) в 1999 году с нашим участием была сделана вторая в мире находка ахтарандита. Вопрос о происхождении ахтарандита - псевдоморфозы по неизвестному минералу - является спорным до настоящего времени. По подобию внешнего облика в качестве его протофазы рассматривались гроссуляр, тетраэдрит, борацит, гельвин и др. После обнаружения в минеральных ассоциациях горелых отвалов хлор-содержащего гранатоида - хлор-майенита из ряда майенит - вадалит, Б.В. Чесноковым с соавторами (Чесноков и др., 1996) было выдвинуто предположение, что это наиболее вероятная протофаза ахтарандита. Другие исследователи ахтарандитовой проблемы (Galuskina et al., 1995) в качестве протофазы ахтарандита рассматривают вадалит.

Представляется, что проблемы происхождения ахтарандита и самоцветных хром-содержащих гранатов связаны.

Цель работы. Работа посвящена исследованию происхождения ахтарандита и самоцветных хром-содержащих гранатов зелёного цвета - демантоида, уваровита, хром-содержащего гроссуляра.

Основные задачи. 1. комплексное исследование минеральных ассоциаций с ахтарандитом; 2. экспериментальное моделирование - синтез возможной протофазы ахтарандита; 3. исследование минеральных ассоциаций с самоцветными хромсодержащими гранатами - их геологической позиции, детального изучения морфологии и внутреннего строения кристаллов гранатов, особенностей состава и структуры парагенного гранатам везувиана, самоцветных хром-содержащих титанита, амезита и диаспора Каркодинского коренного месторождения демантоида и Сарановского хромитового месторождения (Урал); 4. оценка параметров образования минеральных ассоциаций с ахтарандитом и гранатами. При решении этих задач применялись различные методы исследования и анализа: электронно-зондовый анализ (МГУ им. М.В. Ломоносова, ИМГРЭ, ЦАЛ АК АЛРОСА, Национальные музеи Шотландии), ИК-спектроскопия (МГУ им. М.В. Ломоносова, Национальные музеи Шотландии), спектроскопия UV-VIS (НПО <ЛАЛ>), термический анализ (МГУ им. М.В. Ломоносова), термобарогеохимия (ИГЕМ РАН), рентгеновская томография (ИЦ Вниигеосистем); синтез проведен в лаборатории ИЭМ РАН.

Научная новизна и практическая значимость работы. С нашим участием открыто второе в мире проявление ахтарандита у г. Отдельная (Талнах). Показано, что минеральные ассоциации с ахтарандитом классического Вилюйского и Талнахского проявлений подобны. Впервые проведены успешные опыты по синтезу хлор-содержащего майенита - одной из возможных протофаз ахтарандита, что позволило оценить параметры её формирования: Т ≈ 550^o С, Р 1-3 кб, повышенная концентрация CaCl₂ во флюиде. Показано, что редкая встречаемость ахтарандита обусловлена особыми условиями образования его протофаз - это продукты высокотемпературного хлоридного пневматолиза, прошедшего в результате взаимодействия базальтовых магм с рассолами, и наложенного на магнезиальные скарны форстерит-фассаит-мелилитового состава.

Подтверждена индикаторная роль состава и кристаллической структуры везувиана скарновых, позднескарновых, метаморфогенно-гидротермальных родингитовых ассоциаций.

Установлено, что знаменитый уральский самоцветный гранат демантоид - хром-содержащий андрадит принадлежит родингитовой минеральной ассоциации и возник при эпигенетическом региональном метаморфизме альпинотипных гипербазитов в условиях пумпеллиит-актинолитовой фации. Показана зависимость минеральных включений в демантоиде от состава окружающих метагипербазитов.

Установлено, что самоцветная минерализация Сарановского хромитового месторождения на Западном Урале (уваровит, хромистый гроссуляр, титанит и другие хром-содержащие минералы) развита среди базит-гипербазитовых пород и хромититов, захваченных совместно с окружающими осадочными толщами региональным метаморфизмом в условиях пренит-пумпеллиитовой фации. Самоцветная минерализация сконцентрирована в карбонатных и хлорит-кварц-карбонатных жилах альпийского типа. Последовательность образования метаморфогенно-гидротермальной минерализации, включая самоцветную, отвечает стандартной петле метаморфизма Л.Л. Перчука.

Результаты работы используются в курсах по генетической минералогии и геммологи в МГУ. Каменный материал передан в Минералогический музей им. А.Е. Ферсмана РАН, Минералогический музей им. В.В. Ершова, Музей Землеведения МГУ, в профильные музеи Великобритании, Болгарии.

Фактическая основа. Мною собрано и изучено 160 представительных образцов горных пород и минералов Вилюйского и Талнахского проявлений ахтарандита, Ново-Каркодинского месторождения демантоида, Сарановского хромитового месторождения; также изучены синтетические фазы. Различными аналитическими методами исследовано 243 препарата (в т.ч. кристаллы, шлифы и аншлифы для микроскопических, гониометрических, электронно-микроскопических и -томографических, микротермобарогеохимических исследований, порошковые препараты для рентгенофазового и рентген-флюоресцентного анализа, ИК-спектроскопии, термометрии). Получено и обработано свыше 900 микрозондовых анализов, 40 ИК-спектров, 30 оптических спектров, просмотрено 55 шлифов, учтено 15 результатов термометрии, 6 гониометрии, 5 рентген-флюоресцентных, 5 томографии, 10 термических анализов. Исследования проводились в лабораториях геологического факультета МГУ, СПбГУ, ИМГРЭ, ИГЕМ РАН, АК АЛРОСА, Национальных музеев Шотландии. Экспериментальные исследования по синтезу возможной протофазы ахтарандита - минерала ряда майенит-вадалит - проводились в ИЭМ РАН. Объекты исследования: хромшпинелиды, минералах гр. серпентина, везувиан, гроссуляр, уваровит, андрадит, минералы гр. хлорита, титанит, амезит, диаспор, природный ахтарандит, синтетический хлор-содержащий майенит.

Защищаемые положения:

1. Вероятные протоминералы ахтарандита - хлор-оксигранатоиды майенит-вадалитового ряда возникли при умеренно высокотемпературном хлоридном пневматолитовом метасоматозе форстерит-фассаит-мелилитовых магнезиальных скарнов в экзоконтактах трапповых интрузивов Восточно-Сибирской платформы. По нашим экспериментальным данным условия образования хлор-содержащего майенита: Т ≈ 550^o С, Р 1-3 кб, повышенная концентрация CaCl₂ во флюиде. Парагенные протофазе ахтарандита - обогащённый бором везувиан-вилюит с частично упорядоченной доменной структурой (из доменов высокотемпературного везувиана с пр.гр. P 4/nnc и доменов везувиана промежуточного типа с пр.гр. P 4/n) и гроссуляр. Всё это свидетельствует о наличии особой стадии минералообразования в скарновых формациях.

2. Собственно ахтарандит - это полиминеральные псевдоморфозы из тонкозернистых агрегатов гроссуляра, гидрогроссуляра, серпентина-антигорита и хлорита в различной пропорции, сформированные при эпигенетическом послетрапповом метаморфизме в условиях пренит-пумпеллиитовой фации.

3. Согласно широко распространенным представлениям хром-содержащие гранаты в базит-гипербазитовых комплексах Урала и Сибири рассматриваются как результат послемагматической гидротермальной активности. По нашим данным, хром-содержащий андрадит (демантоид), уваровит, уваровит-гроссуляр являются метаморфогенно-гидротермальными образованиями, производными эпигенетического регионального метаморфизма в условиях пумпеллиит-актинолитовой и пренит-пумпеллиитовой фаций. Парагенный гранатам везувиан отвечает типичному везувиану родингитовой ассоциации с пр.гр. P 4nc.

4. Для парагенного уваровиту и уваровит-гроссуляру самоцветного хром-содержащего титанита Сарановского месторождения характерен парный изоморфизм: Ti+O↔Cr+F.

Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 9 научных статьях и 16 тезисах докладов. Они были представлены в виде устных и стендовых сообщений на: 32 Геологическом конгрессе (Италия, 2004), Ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии ЕСЭМПГ (Москва-ГЕОХИ, 2004), Международной конференции <Минералогия и музеи> (США, 2008), Международном симпозиуме по легким элементам в породообразующих минералах LERM (Чехия, 2003), 18 Совещании Международной Минералогической Ассоциации IMA (Шотландия, 2002), Международном симпозиуме по истории минералогии и минералогических музеев, геммологии, кристаллохимии и классификации минералов (С.-Петербург-СПбГУ, 2000, 2002), Научной конференции <Ломоносовские чтения> (Москва-МГУ, 2000), Научных чтениях памяти проф. И.Ф. Трусовой <Проблемы магматической и метаморфической петрологии> (Москва-МГГРУ, 2000, 2001), Международной конференции студентов и аспирантов <Ломоносов> (Москва-МГУ, 2001), Уральской летней минералогической школе (Екатеринбург-УГГГА, 2000), Международной конференции <Новые идеи в науках о Земле> (Москва-МГГРУ, 2001, 2003), на специальных семинарах Геммологической ассоциации Великобритании GEM-A (Великобритания, 2005) и международного симпозиума <Минеральное разнообразие - исследование и сохранение> (Болгария, 2002).

Объем и структура работы. Диссертация содержит 160 стр. текста, 55 рис., 25 табл., список литературы из 155 названий и состоит из 2 частей, 6 глав, введения и заключения. Первая часть посвящена проблеме ахтарандита, в главах 1.1-1.4 представлены сведения о двух известных проявлениях ахтарандита, экспериментальном получении протофазы ахтарандита и выводы о его происхождении. Вторая часть посвящена генетическим связям ахтарандита с самоцветными разновидностями хром-содержащих гранатов, представители которых (из Талнахского проявления, Ново-Каркодинского месторождения демантоида и Сарановского хромитового месторождения) описаны в главах 2.1-2.3. Введение в проблему, обобщение литературных данных по процессам низкоградного метаморфизма и схема проводимых исследований освещена в начале работы. В заключение дается обобщение и обсуждение полученных результатов.

Исследования проводились в 2001 - 2009 годах на кафедре минералогии Московского Государственного Университета под руководством проф. Э.М. Спиридонова. Исследования были поддержаны стипендиями фонда им. В.И. Смирнова (2001), <Соросовский аспирант> (2003, 2004, 2005) и грантами РФФИ N 01-05-64051(и), 02-05-64505(р), 03-08-79023(и), 04-05-64152 (и).

Благодарности. Благодарю за помощь в проведении экспериментов по высокотемпературному гидротермальному синтезу В.Ю. Чевычелова; за проведение электронно-зондовых исследований Н.Н. Коротаеву, Н.Н. Кононкову, А.С. Иванова, И.М. Куликову и И.А. Брызгалова; за помощь в проведении исследований методом оптической спектроскопии А.В. Васильева, термического анализа - Л.П. Огородову и Л.В. Мельчакову, газово-жидких включений - В.Ю.Прокофьева, исследований методом ИК-спектроскопии - Е.Ю. Боровикову и Б. Джексона, рентгенометрических исследований - Ф.М. Спиридонова и Ю.К. Кабалова; за предоставление каменных материалов для исследований - Т.Г. Фаттыхова; за ценные консультации - О.В. Кононова. Выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю проф. Э.М. Спиридонову. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (исследовательский грант 02-05-64505, экспедиционные гранты 01-05-79083, 02-05-79114, 03-05-79024).