ПЕТРОЛОГИЯ, 2004, том 12, № 4, с. 426-438
УДК 552.1
АЛМАЗООБРАЗУЮЩИЕ СРЕДЫ В СИСТЕМЕ ЭКЛОГИТ-КАРБОНАТИТ-СУЛЬФИД-УГЛЕРОД ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПРИ 6.0-8.5 ГПа
© 2004 г. Ю. А. Литвин*, В. Г. Бутвина**
*Институт экспериментальной минералогии РАН 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия; e-mail: litvin@iem.ac.ru **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Геологический факультет 119899 Москва, Воробьевы горы, МГУ, Россия; e-mail: butvina@hotbox.ru Поступила в редакцию 12.05.2003 г.
При давлениях 6.0-8.5 ГПа экспериментально изучались процессы кристаллизации алмаза в модельной системе эклогит-карбонатит-сульфид-углерод. Впервые алмазы синтезированы в сульфид-углеродных и эклогит-сульфид-углеродных системах. Сульфид-углеродные расплавы получены при плавлении экспериментальных смесей графита с халькопиритом, пирротином и пентланди-том, минералами, ассоциированными как с алмазами, так и с мантийными перидотитами и эклогитами. Исследование эклогит-карбонатит-углеродной системы показало, что вместе с углеродом (графитом) в карбонатитовых расплавах растворяются минералы эклогита и формируются карбонат-силикат-углеродные расплавы. Это может приводить к совместной кристаллизации алмаза и силикатных минералов, к захвату алмазами сингенетических силикатных включений. По экспериментальным и минералогическим данным природные алмазообразующие среды являются карбонат-силикат-углеродными расплавами с переменными химическими составами. Они содержат разнообразные примесные компоненты, включая и сульфиды. При фракционной кристаллизации силикатных и карбонатных минералов формируются остаточные расплавы, обогащенные сульфидами. Это способствует захвату растущими алмазами сульфидных включений, при этом сульфидные расплавы эффективны и как ростовые среды. Эти процессы значимы в генезисе алмазоносных эклогитов.
Сульфиды являются распространенными первичными включениями в алмазах из кимберлито-вых месторождений (Ефимова и др., 1983). Вместе с тем сульфидные минералы обнаружены в па-рагенетических соотношениях с минералами мантийных перидотитов, эклогитов и клинопи-роксенитов (Соболев, Вахрушев, 1967; ВевЬог-ои§И, вгашашке, 1973). Сильно сжатые сульфидные фазы часто включены прямо в ростовые центры монокристаллов природных алмазов (Буланова и др., 1979; Буланова, 1993), что дало повод для предположений о сульфидной материнской среде для алмазов (Би1апоуа, 1995; Би1апоуа е! а1., 1998). Эту версию подтверждают сульфидные оболочки или пленки, найденные в парагене-тическом контакте с алмазами из эклогитов (Буланова и др., 1990; Бре181ш, 1999). Успешные синтезы алмаза в сульфид-углеродных расплавах-растворах (Литвин и др., 2002; Б^ута е! а1., 2002) являются решающим аргументом в пользу возможного участия сульфидных материнских сред в формировании алмазов в условиях мантии. Между тем карбонатно-силикатная или карбонатито-вая модель химического состава материнской среды природных алмазов в последнее время получила сильную экспериментальную (Литвин
и др., 1997, 1999; Сокол и др., 1998; Литвин, Жариков, 1999, 2000; Пальянов и др., 2001; Шацкий и др., 2002; Ра1'уапоу е! а1., 2002) и минералогическую (ЗеИгаиёег, Кауоп, 1994; Кауоп, 1999; ^гаеИ е! а1., 2001) поддержку. В результате эффективность как карбонатитовых, так и сульфидных сред для алмазообразования, а также их реальное участие в природном генезисе алмаза хорошо обоснованы. Эксперименты при 7.0-7.7 ГПа и 1800-2200°С по синтезу алмаза в силикат-карбонат-углеродных расплавах природных кимберлитов (Апша е! а1., 1993) допускают возможность эпизодов кристаллизации природных алмазов (в Р-Т условиях стабильности алмаза) в транспортирующих кимберлитовых средах, если они расплавлены и пересыщены углеродом по отношению к алмазу.
По имеющимся экспериментальным данным, например (Борздов и др., 1999), силикатные расплавы непродуктивны при формировании алмазов. В сообщении о "кристаллизации алмаза из силикатного расплава кимберлитового состава" (Апша е! а1., 1993) на самом деле алмазообразую-щими являются силикатно-карбонатные кимбер-литовые расплавы, о чем свидетельствуют анали-
зы их закалочных продуктов, и решающим условием формирования алмаза является наличие в таких расплавах карбонатной составляющей. Но участие силикатных минералов, пород и расплавов в генезисе алмазов совершенно очевидно: они формируют мантийную среду, в которой происходят алмазообразующие процессы, и являются частью материнской алмазообразующей среды, свидетельством чему служат первичные включения минералов двух главных парагенезисов алмазоносных пород - перидотитового и эклогитово-го (Соболев, 1974).
Выяснение соотношений между силикатными, карбонатными и сульфидными компонентами при алмазообразовании имеет ключевое значение в раскрытии непростых физико-химических условий генезиса алмаза и алмазоносных пород. Решающими являются экспериментальные исследования при высоких давлениях и температурах.
Цель настоящей работы - экспериментальное моделирование алмазообразования для нескольких вариантов химического состава материнской среды в условиях эклогитового парагенезиса. Объектом экспериментального изучения является многокомпонентная модельная система экло-гит-карбонатит-сульфид-углерод, составы которой заданы, исходя из составов реальных природных прототипов.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Стартовые смеси эклогитового состава приготовлены из минералов алмазоносного эклогита трубки Удачная - клинопироксена и граната (табл. 1), смешанных в отношении 1:1 по массе и перетертых в ступке из твердого сплава ВК6. Модельный карбонатит является смесью карбонатов К, Са, М§ и Бе (табл. 2) и отвечает по главным компонентам граничному карбонатитовому составу для первичных флюидсодержащих многофазовых включений в природных алмазах трубки Жваненг (^апе^), Ботсвана (ЗеИгаиёег, Шуоп, 1994; Литвин, Жариков, 2000). Для сульфидных исходных составов (табл. 3) учтено, что в минералогии мантийных сульфидов, ассоциированных с алмазами, ключевая роль принадлежит системе Бе-№-Си-Б. Сульфидные включения в алмазах и минералы мантийных ксенолитов чаще представлены пирротином, пентландитом и халькопиритом. Смеси сульфидных порошков для опытов приготовлены из природных пирротина Бе1 - ^ (с незначительными примесями Си, N1, Со, Мл, 2п), пентландита (Бе, №)9Б8 (примесь Со около 2 мас. %) и халькопирита СиБеБ2 (с исчезающе малыми содержаниями примесей А§ и Аи) в двух вариантах: 1) равные по массе количества халькопирита и пирротина; 2) равные по массе количества халькопирита и пентландита; полученные
Таблица 1. Химические составы (мас. %) исходных силикатных минералов биминеральной эклогитовой породы и-2340 из трубки Удачная, Якутия (данные З.В. Специуса), и расчетный состав экспериментальной смеси гранат : клинопироксен = 50 : 50 (мас. %)
Компоненты Гранат Клинопи-роксен Смесь
8102 39.04 55.04 47.04
Т102 0.64 0.38 0.51
А12О3 20.98 4.95 12.97
СГ2О3 0.03 0.01 0.02
БеО 21.79 7.50 14.64
Mg0 8.52 11.64 10.08
МпО 0.44 0.04 0.24
СаО 8.47 17.90 13.19
№20 0.09 2.48 1.28
К2О 0.00 0.06 0.03
Сумма 100.00 100.00 100.00
Таблица 2. Исходная карбонатитовая смесь с модельным карбонатитовым химическим составом по (Литвин, Жариков, 2000)
Компоненты Смесь
К2СО3 27.21
№2С03 2.89
СаСО3 26.91
MgC03 17.35
БеСО3 25.63
Сумма 99.99
Таблица 3. Составы природных сульфидных минералов из эклогитовой породы и-2340 из трубки Удачная, Якутия (данные З.В. Специуса), взятых в качестве прототипов, и расчетный состав исходных сульфидных смесей пирротин : халькопирит = 50 : 50 и халькопирит : пентландит = = 50 : 50 (мас. %)
Элементы Пирротин Халькопирит Пирротин + + халькопирит Пентлан-дит + халькопирит
Бе 62.64 31.40 35 25
N1 0.35 4.25 10
Со 0.04 0.28
Си 0.02 29.44 17 17
8 35.06 31.53 48 48
Сумма 98.01 96.92 100 100
Рис. 1. Алмазы на месте образования в затвердевших расплавах системы карбонатит-углерод (обр. 654, выдержка 30 мин).
(а) - октаэдрические кристаллы, (б) - шпинелевые двойники.
составы приведены в табл. 1. Источник углерода -графит марки МГОСЧ (порошок фракции 0.5 мм; 40 мас. % во всех исследуемых системах).
Исходные смеси плотно заполняли графитовые ампулы длиной 7.2 мм и диаметром 4 мм (толщина стенки 0.5 мм) с торцевыми графитовыми пробками толщиной 1 мм. В центральной части ампулы внутрь исследуемых смесей помещались монокристаллические затравки кубооктаэдриче-ских металл-синтетических алмазов размером около 0.6 мм (синтезированы в расплавах системы №-Мп-С). Спонтанная кристаллизация алмазов в лабильно-пересыщенных карбонат-силикат-углеродных и сульфид-углеродных расплавах осуществлялась и без затравок, т.е. затравки не имели никакого значения для инициирования процессов спонтанной нуклеации алмаза. Затравки использовались лишь потому, что они помогали дополнительно тестировать физико-химические условия кристаллизации алмазов по эффектам их роста, растворения или по отсутствию изменений. Заполненные графитовые ампулы вставлялись в центральное отверстие ячейки высокого давления из литографского камня и одновременно служили нагревательными элементами электросопротивления в опытах. В условиях экспериментов в образце создавались температурные градиенты около 50°С/мм, направленные от границ центральной зоны цилиндрического образца (с однородным распределением температуры в пределах ±15°С) к его торцам. Ряд опытов выполнен в квазиизотермических условиях (в пределах ±10°С) с герметически заваренными
капсулами из Pt и сплава Pt60Rh40. Создание высоких давления и температуры в образце осуществлялось в аппарате типа "наковальня с лункой-то-роид". Давление и температура в геометрическом центре нагревателя, в котором в калибровочных опытах располагались "точечные" Bi-Tl датчики давления и спаи термопар (Pt70Rh30/Pt94Rh06), определялись с точностью ±0.1 ГПа и ±15°С. Более детальное описание аппаратуры и методики эксперимента дано в монографии (Литвин, 1991).
Аналитические исследования полученных в экспериментах образцов выполнены с использованием методов сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа на электр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.