ГЕОЛОГИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, 2012, том 54, № 6, с. 523-539
УДК 549.211:550.89:553.81
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ ПРИРОДНОГО АЛМАЗА НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ ЭКЛОГИТ-КАРБОНАТИТ-СУЛЬФИД-АЛМАЗ
© 2012 г. Ю. А. Литвин
Институт экспериментальной минералогии РАН 142432, Черноголовка, Московская обл., ул. Академика Осипьяна, 4 Поступила в редакцию 12.01.2012 г.
Диаграмма сингенезиса алмаза, силикатных, карбонатных и сульфидных минералов и расплавов построена с использованием экспериментальных данных по фазовым отношениям гетерогенной системы эклогит—карбонатит—сульфид—алмаз при Р = 7 ГПа. Получены доказательства, что силикатные и карбонатные минералы являются парагенными, а сульфидные — ксеногенными по отношению к алмазам. Алмазы и парагенные фазы образуются в полностью смесимых карбонатно-силикатных ростовых расплавах с растворенным элементарным углеродом. Согласование данных физико-химического эксперимента и минералогии первичных включений в природных алмазах позволяет обосновать мантийно-карбонатитовую теорию генезиса алмаза. На ее основе разработана генетическая классификация первичных включений в природных алмазах. Фазовые диаграммы сингенезиса приложимы к оценке особенностей образования алмаза и сингенетических минералов в природных магматических очагах. Они раскрывают физико-химический механизм образования природного алмаза и условия захвата растущими алмазами парагенных и ксеногенных минеральных фаз.
ВВЕДЕНИЕ
Определение химического и фазового составов ростовой среды, ответственной за происхождение доминирующей массы природных алмазов, — главная задача генетической минералогии алмаза кимберлитовых месторождений. Ее решение позволяет раскрыть физико-химический способ образования алмаза в веществе мантии и подойти к выяснению условий формирования минералов, расплавов и флюидов, первично включенных в природные алмазы. Выполненные прежде кри-сталломорфологические исследования особенностей элементарного слоистого роста граней природных алмазов свидетельствуют о жидком состоянии их ростовой среды (Sunagawa, 1990). Ростовые расплавы являются наиболее активными агентами мантийного алмазообразующего процесса и являются основой материнских сред для алмазов и сингенетических включений в них. Из минералогических исследований следует, что материнские среды химически гетерогенны. Их химический и фазовый составы определяются твердыми минералами, расплавами, а также компонентами летучих соединений (Соболев, 1974; Harris, 1979; Ефимова и др., 1983; Meyer, 1987; Буланова и др., 1988; Navon et al., 1989; Schrauder, Navon, 1994; Navon, 1999; Izraeli et al, 2001; Taylor, Anand, 2004; Титков и др., 2006; Klein-BenDavid
Адрес для переписки: Ю.А. Литвин. E-mail: litvin@iem.ac.ru
вга1., 2006, 2007; 2её§ет2оу вг а1, 2004, 2007; Ьо^й-поуа вг а1, 2008). Растущие алмазы извлекают из материнских сред и захватывают в виде герметических включений контактирующие с ними твердые и жидкие фазы, независимо от их происхождения (т.е. как парагенные, так и ксеногенные). Важный признак первичности захвата алмазами фрагментов материнской среды — остаточное после их охлаждения давление в герметической алмазной камере с включенным веществом. Остаточное Р = 1.5—2.5 ГПа определено в многофазовом флюидно-карбонатитовом включении с твердыми и жидкими фазами летучих соединений (Магоп, 1991). Во включении коэсита установлено Р = 3.62 ГПа (8оЪо1еу вг а1, 2000; Фурсенко и др., 2001). Во включениях монокристаллического графита обнаруживается Р до 2.6 ГПа ^Иппе-тапп вг а1, 2003). Измеренное остаточное давление во включенных веществах позволяет рассчитать, при каких условиях они захвачены. В результате получены доказательства их захвата из ростовой среды при РТ-параметрах термодинамической устойчивости алмаза. Так, давление захвата коэсита растущим алмазом оценено в 5.5 ГПа при 1210°С по остаточному давлению во включении, равному 3.62 ГПа при комнатной температуре (8оЪо1еу вг а1, 2000). Давления захвата карбонати-товых расплавов соответствовали 5—7 ГПа при 1000—1400°С. Эти значения рассчитывались для соответствующих минеральных включений по остаточным Р = 1.5—2.5 ГПа, измеренным при
комнатной температуре (Муоп, 1991). В процессе последующего охлаждения до комнатной температуры и понижения давления до остаточного значения расплавные включения при затвердевании испытывали определенные фазовые превращения. При этом неизбежно происходило формирование сильно сжатых фаз летучих соединений за счет тех компонентов, которые были растворены в алмазообразующих расплавах. Это обусловлено тем, что компоненты летучих соединений практически нерастворимы в твердых минералах. В результате в природных алмазах при комнатной температуре обнаруживается ассоциация включений, которые называют "сингенетическими". Это название не является достаточно точным, поскольку остается неопределенность: является ли включенное вещество парагенным или ксеногенным по своему происхождению. Тем не менее термин "сингенетическое включение" продолжает использоваться, однако следует помнить, что данный термин — это синоним термина "парагенное включение". В настоящее время он может обозначать только то, что захват вещества и образование включения происходили одновременно, синхронно с ростом алмаза-хозяина, так как физико-химические условия происхождения самого включаемого вещества по минералогическим данным не раскрываются. Поскольку происхождение включения не ясно, термин "первичное включение" — более приемлем. Отсутствуют минералогические данные, по которым можно судить как о физико-химических условиях генезиса минералов и расплавов, присутствующих в материнской среде и захватываемых растущими алмазами, так и об их генетических связях с алмазом-хозяином. Возможность одновременного с алмазом формирования в физико-химически едином процессе всех или некоторых включенных в него фаз, идентификация которых происходит при комнатной температуре, не имеет доказательной минералогической основы. В связи с этим возникает проблема, какие минеральные вещества из ассоциации "сингенетических включений" — па-рагенные (образованные в том же ростовом расплаве, что и алмазы), а какие — ксеногенные (физико-химически чужеродные для ростового расплава, определяющего образование алмаза). Кроме того, не ясно, какое из гетерогенных веществ, включенных "сингенетически" в алмазы, является ответственным за нуклеацию и кристаллизацию таких алмазов. То есть не существует минералогического или геохимического критерия алмазообразующей эффективности любых минералов, расплавов и флюидов, ассоциированных с природными алмазообразующими процессами.
В настоящей статье рассматриваются результаты экспериментальных исследований физико-химических условий совместного образования алмаза и минералов из ассоциации первичных
включений в природных алмазах на примере изучения фазовых отношений в гетерогенной системе эклогит—карбонатит—сульфид—алмаз (Литвин и др., 2009). Полученные данные позволяют раскрыть генетические связи между алмазами и гетерогенными минеральными фазами, которые принимают участие в алмазообразующем процессе. В числе таких фаз расплавы, ответственные за нуклеацию и кристаллизацию алмаза, а также силикатные и карбонатные минералы, формирование которых происходит в тех же расплавах, что и алмаза. Это раскрывает химический и фазовый составы ростовой среды для доминирующей массы природных алмазов. Экспериментальные результаты, согласованные с минералогическими данными, позволяют обосновать мантийно-карбона-титовую теорию генезиса алмаза (Litvin, 2007) и разработать генетическую классификацию первичных включений в природных алмазах на строгой физико-химической основе (Литвин, 2009).
ЗНАЧЕНИЕ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ АЛМАЗООБРАЗУЮЩИХ СРЕД
Химический и фазовый составы ростовой среды алмазов раскрываются при сочетании данных аналитической минералогии первичных включений в них и результатов физико-химического эксперимента с системами, составы которых определены по минералогическим данным. В определении алмазообразующей эффективности различных минеральных веществ, ассоциированных с природными алмазами, важна роль тестового эксперимента.
Значение минералогического изучения первичных включений
Данные аналитического изучения первичных включений в алмазах кимберлитовых месторождений являются исходными при постановке экспериментальных исследований при высоких давлениях и температурах по проблеме генезиса алмаза. Выяснено, что первичные включения представлены главными и акцессорными минералами пери-дотитового и эклогитового парагенезисов (Соболев, 1974). Вместе с тем во включениях установлены минералы и фазы летучих соединений, которые, по всей вероятности, сформировались уже внутри включения за счет вещества алмазооб-разующих материнских расплавов в результате их затвердевания. В основном это — карбонаты, силикаты, фосфаты, оксиды, сульфиды, хлориды, вода и углекислота, иногда затвердевшие расплавы. Первичные включения — это фрагменты материнских сред, захваченные растущими алмазами in situ. В результате минералогических исследований однозначно доказано химическое разнообра-
зие, гетерогенность первично включенного в алмазы вещества. Среди включений обнаружены: оксиды М§, Са, Fe, Т1, Zr, А1, 81, силикаты М§, Fe, Са, алюмосиликаты К, М§, Са, Fe, сульфиды Fe, N1, Си, фосфаты Са, карбонаты М§, Са, Fe, К, хлориды К, карбиды 81 и Fe, флюиды — вода (Н2О), углекислота (С02) и метан (СН4); встречается также самородное Fe и его сплавы с другими металлами. Первичные минеральные включения отнесены к перидотит-пироксенито-вому (оливин, ортопироксен, клинопироксен, гранат, шпинель, Mg-Fe-ильменит и др.) и эклогит-гроспидитовому (омфацитовый клинопироксен, гранат, хромит, ильменит, санидин, корунд, кианит, коэсит, кварц, рутил и др.) парагенезисам. Определен общий химический состав вещества, включенного в алмазы. Он выражен многокомпонентной системой MgO—СаО—FeO (Fe, Fe2O3)— МпО-МО (№)-Ш2О-К2О-А12О3- Сг203-(Сг)-TЮ2-ZrO2-8iO2-P2O5-Cu8 (Си28)— Fe8 ^82)-Ni8—KC1—NaC1—8iC—Fe3C—CO2 (СО, СН4)
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.