ГЕОХИМИЯ, 2008, № 6, с. 579-602
ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ АЛМАЗА В РАСПЛАВАХ МАНТИЙНЫХ СИЛИКАТ-КАРБОНАТ-УГЛЕРОДНЫХ СИСТЕМ ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПРИ 7.0-8.5 ГПА
© 2008 г. Ю. А. Литвин*, В. Ю. Литвин*, А. А. Кадик**
*Институт экспериментальной минералогии РАН 142432 Черноголовка, Московская обл., e-mail: litvin@iem.ac.ru **Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991 ГСП-1 Москва, ул. Косыгина, 19 Поступила в редакцию 03.03.2007 г.
Изучена кристаллизация алмаза из растворов углерода в расплавах переменных составов модельного эклогита с доломитом CaMg(CO3)2, карбонатом калия K2CO3, а также многокомпонентными K-Na-Ca-Mg-Fe-карбонатитами в интервале давлений 7.0-8.5 ГПа. При стандартном давлении 8.5 ГПа для переменных отношений силикатных и карбонатных компонентов в ростовых расплавах определены концентрационные барьеры нуклеации алмазной фазы, которые отвечают, соответственно, для доломита, К2С03 и карбонатитов концентрациям 35, 65 и 40 мас. % силикатных компонентов. При более высоких содержаниях силикатов в силикатно-карбонатных расплавах нуклеация алмазной фазы прекращается, но происходит рост алмаза на затравке, сопровождаемый спонтанной кристаллизацией термодинамически нестабильной графитовой фазы. В расплавах с составами альбит NaAlSi3O8-K2CO3-C концентрационный барьер нуклеации алмазной фазы при 8.5 ГПа достигает 90-92 мас. % альбитового компонента, а в силикатном альбит-углеродном расплаве происходит рост алмаза на затравке. По минералогическим и экспериментальным данным обоснована модель мантийных карбонатно-силикатных (карбонатитовых) расплавов как доминирующих материнских сред для природных алмазов, при этом составы силикатных составляющих таких материнских расплавов изменчивы и отвечают компонентам мантийного ультрабазит-базитового ряда. По концентрационным вкладам и доминирующей роли в генезисе алмаза в условиях мантии Земли в составе материнских сред выделены главные (карбонатные и силикатные), а также второстепенные или примесные компоненты, в числе которых как растворимые в карбонатно-силикатных расплавах (оксиды, фосфаты, хлориды, углекислота, вода), так и не растворимые (сульфиды, металлы, карбиды). И главные и примесные компоненты могут влиять на положение концентрационных барьеров нуклеации алмазной фазы в природных материнских средах.
ВВЕДЕНИЕ
Для проблемы генезиса алмаза в условиях мантии Земли вопросы химического состава материнских сред первостепенны. Модель сильно сжатых многокомпонентных карбонатно-силикатных расплавов с растворенным углеродом [1] хорошо согласуется с экспериментальными [1, 2] и минералогическими [3, 4] данными. Она также отвечает экспериментальному критерию сингенезиса алмаза и его ростовых включений, по которому материнские среды должны обеспечить образование как самих алмазов, так и минерального вещества первичных включений в них [1, 5]. Фрагменты материнских карбонатитовых сред из включений в природных алмазах [3, 6] свидетельствуют об изменчивых содержаниях в них карбонатных и силикатных компонентов. Минеральные включения также показывают [4], что в материнских средах присутствуют оксид-силикатные компоненты главных мантийных парагенезисов - от оливин-содер-
жащих перидотитовых и пироксенитовых пород до эклогитовых и гроспидитовых с кварцем или коэ-ситом. Изменчивые природные карбонат-силикатные алмазообразующие среды могут относиться к карбонатитовым составам (более 50 мас. % карбонатных компонентов) или к ультрабазитовым и ба-зитовым, которые богаче силикатными компонентами. Установить же химическую природу и составы сред, способных обеспечить образование алмазов, только по минералогическим данным невозможно. К их определению ведут экспериментальные исследования при высоких давлениях, при этом ключевым является критерий эффективности среды для нуклеации алмазной фазы [1, 5].
Эффективность карбонат-силикатных расплавов с растворенным углеродом (источник - графит) для нуклеации алмаза впервые показана для кимберлитовых пород (как известно, не ростовых, а транспортирующих сред для природных алмазов) в опытах при 7.0-7.7 ГПа и 1800-2200°С [7]. В за-
калочных продуктах кимберлитового расплава вместе с алмазом идентифицированы оливин, клинопи-роксен, магнетит, перовскит, апатит и Са-карбонат. Алмазы синтезированы также в карбонат-оксид-углеродной системе K2COз-SiO2-Al2Oз-MgO-С (графит) с высокими содержаниями карбоната 66.6 и 80 мас. % [8]; в щелочных карбонат-силикатных расплавах образовались вадеит К^^с,, форстерит и магнезиальная шпинель. В расплавах систем K2CO3-Mg2SiO4 и K2CO3-SiO2 нуклеация алмаза происходила при содержаниях до 50 мас. % Mg2SiO4 и 25 масс. % SiO2 при 6.3 ГПа и 1650°С [9, 10]. Повышение содержания силиката или оксида вело к прекращению нуклеации алмаза, но алмаз рос на затравке, что прослежено до 90 мас. % Mg2SiO4 и 75 мас. % SiO2. Вместе с алмазом образовывались форстерит, периклаз, вадеит или коэсит.
Модельные системы с эклогитовыми гранатом и клинопироксеном, а также карбонатами CaMg(CO3)2 или К2^3 изучались при 6.0-8.5 ГПа и 1200-1800°С [11]: нуклеация алмаза прекращалась при определенных содержаниях силикатных компонентов, затем алмаз рос на затравке, чему сопутствовала кристаллизация термодинамически неустойчивой графитовой фазы. Для карбонат-силикатных расплавов с переменными составами в работе [11] введено понятие концентрационного барьера нуклеации алмаза, как граничной характеристики алмазообразования. Концентрационный барьер определяется экспериментально по прекращению нуклеации алмаза и соответствует конкретному содержанию силикатных компонентов в ростовом расплаве. На барьере нуклеации алмаза создается пересыщение углерода в ал-мазообразующем растворе, которое является критически низким для нуклеации алмаза, но обеспечивает рост алмаза на затравке (это граница перехода, по принятой терминологии, от лабильно пересыщенных к алмазу растворов углерода к мета-стабильно пересыщенным). В метастабильно пересыщенных растворах проявляется кинетический феномен - нуклеация термодинамически нестабильной графитовой фазы в РТ условиях стабильности алмаза. Подобные особенности образования алмаза в раствор-расплавных системах раскрыты ранее в металл-углеродных расплавах при формировании в них "металл-синтетических" алмазов при высоких давлениях и температурах [12]. Эти особенности, - нуклеация алмаза, рост алмаза на затравке, нуклеация нестабильного графита, - являются хорошо регистрируемыми эффектами в экспериментальных образцах и удобны как методологическая основа изучения алмазооб-разующих систем. Так, факт нуклеации алмаза свидетельствуют о лабильно пересыщенном состоянии алмазообразующего расплава-раствора, факт роста алмаза на затравке - о метастабильно пересыщенном его состоянии (на это указывает и
факт нуклеации термодинамически нестабильного графита).
Многокомпонентные K-Na-Ca-Mg-Fe-карбо-нат-силикатные системы (химические аналоги кар-бонатитовых включений в алмазах, изученных в [3]), способны к эффективной нуклеации алмаза сразу после плавления при 5.5-7.0 ГПа и 1200-1570°С. В первые минуты в них осуществляется массовая кристаллизация алмаза октаэдрического облика [2]. При более высоких давлениях 7.08.5 ГПа обнаружена их способность в первые же секунды после плавления к лавинообразной кристаллизация мелкозернистых (в пределах 0.01-100 цш) поликристаллических сростков размерами более 1 мм [13], аналогов мономинеральных алмазито-вых пород по определению [14]. В расплавах мела-нократовых карбонатитов комплекса Чагатай (Узбекистан), как модельных карбонатно-сили-катных средах, происходит сингенетическое формирование алмаза и силикатных, оксидных, фосфатных, карбонатных и др. минералов при 7.0 ГПа и 1450-1550°С [15, 16]. Для кристаллизации алмаза характерны высокие плотности нуклеации и скорости роста, вплоть до лавинообразного формирования алмазитов [13, 17]. Совместное образование алмаза и силикатных минералов происходит при 5.5-7.5 ГПа и 1420-1700^ в расплавах доломит-гранат-клинопироксеновых пород Кок-четавского массива (Казахстан) [18, 19]. Все эти результаты согласуются с критерием сингенезиса алмазов и их ростовых включений [1, 5], так как силикатные, оксидные и карбонатные минералы формировались в тех же карбонат-силикат-углеродных расплавах, что и алмаз. Вместе с минералогическими данными они обосновывают доминирующую роль карбонат-силикатных (карбонати-товых) расплавов в генезисе алмаза. По критерию сингенезиса сульфидные расплавы (одна из минералогических версий материнских сред [20-23]) не могут быть ростовыми средами для основной массы природных алмазов, хотя сульфидные расплавы эффективны для нуклеации алмаза [5, 24-26]. Опыты показали, что силикатные и карбонатные минералы не растворимы в сульфидных расплавах и поэтому не образуются в них [5, 27]. Это значит, что рост алмаза в сульфидных средах не может сопровождаться включением в него силикатных и карбонатных минералов, которых в них нет.
Таким образом, эксперименты при высоких давлениях и температурах показывают, что богатые карбонатными компонентами карбонат-силикатные расплавы являются эффективными алма-зообразующими средами. Богатые же силикатными компонентами силикат-карбонатные расплавы еще мало изучены в этом отношении. Для проблемы генезиса алмаза эти вопросы первостепенны, так как характерным свойством химического и фазового составов материнских расплавов является их изменчивость, наглядно обнаруживаемая, прежде всего, по
силикатным минералам включений [3, 4]. В веществе включений отражена сложная история эволюции материнских карбонатно-силикатных магм в веществе перидотитовой мантии. Экспериментальное изучение условий образования алмаза в изменчивых карбонат-силикатных магмах позволит в итоге установить природные концентрационные границы для многокомпонентного вещества, которым определяется само понятие "материнская алмазообразующая среда", а также раскрыть физико-химический смысл таких границ. Это приведет к отчетливому пониманию масштабов, физико-химических мотивов и места процессов природного алмазообразования в сложной систе
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.