ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2012, том 442, № 1, с. 96-101
ГЕОХИМИЯ
УДК 549.057:(549.621.98)
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ 0--ПИРОПА И ЭСКОЛАИТА В ПРОЦЕССАХ МАНТИЙНОГО МЕТАСОМАТОЗА: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
© 2012 г. Ю. В. Баталева, Ю. Н. Пальянов, А. Г. Сокол, Ю. М. Борздов, академик Н. В. Соболев
Поступило 12.08.2011 г.
В минеральных ассоциациях ксенолитов алмазоносных перидотитов из кимберлитов, а также во включениях в алмазах практически всегда, начиная с самых первых выявленных образцов, присутствуют хромшпинелиды и высокохромистый субкальциевый пироп, являющийся одним из основных поисковых минералов-индикаторов алмаза [1—3]. Валовой химический состав алмазоносных перидотитов характеризуется повышенным отношением Сг/(Сг + А1) по сравнению с ксенолитами, вынесенными с меньших глубин [4]. Абсолютное большинство гранатов перидоти-тового парагенезиса, обнаруженных во включениях в алмазах, также показывает высокие концентрации Сг203 (до 20 мас. %) [2, 3] при низком содержании СаО, что позволяет отнести их к гарц-бургитовому (дунитовому) парагенезису. Хромит, часто присутствующий в ассоциации с субкальциевым пиропом во включениях в алмазах и алмазоносных перидотитах [1—4], характеризуется содержанием более 62 мас. % Сг203 и пониженной концентрацией 1Ю2. Обнаружение в кимберлитах хромшпинелидов такого состава совместно с высокохромистыми пиропами служит дополнительным надежным критерием их алмазоносности [3]. Кроме того, эсколаит (Сг203) установлен в ассоциации с природным алмазом в тр. Удачная [5]. Комплексное изучение минеральных и флюидных включений в алмазах, а также экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что образование алмазов в мантийных условиях осуществляется с участием сложных по составу флюидов/расплавов. В связи с этим можно полагать, что кристаллизация минералов, обладающих тесной пространственной и генетической связью с алмазом, также происходит в присутствии флюидов или расплавов. Однако в работах по экспери-
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск
Новосибирский государственный университет
ментальному моделированию условий образования обогащенных хромом гранатов и хромшпинелидов в алмазоносных мантийных породах преимущественно используется бесфлюидная модельная система М§0-А1203-8Ю2-Сг203 (МА8Сг) [6]. Исследования в этой системе позволяют решать петрологические задачи по изучению условий образования Сг-пиропа и шпинели, включая задачи геотермобарометрии, при решении которых определяются зависимости содержания Сг в гранате и шпинели от РГ-параметров.
Ранее было экспериментально показано, что С02, являясь одним из основных компонентов мантийного флюида, принимает участие в генерации кимберлитовых магм [7], а также может играть роль агента окислительного метасоматоза в мантии, обеспечивая транспорт растворенных в нем компонентов [8]. Генерация С02 в условиях верхней мантии может осуществляться за счет декарбонатиза-ции карбонатсодержащих ассоциаций. В работе [9] экспериментально установлено, что декарбо-натизация ассоциации кианит + магнезит + коэ-сит приводит к образованию пиропа и С02-флю-ида, а при восстановлении С02 образуется алмаз в ассоциации с пиропом [10]. В связи с этим нам представляется актуальным исследование условий образования Сг-пиропа, Сг-оксидов, включая хромшпинелиды, в карбонатсодержащей модельной системе на основе МА8Сг. Необходимо отметить, что в качестве источника хрома нами был использован природный хромит, а не эсколаит. На этот аспект следует обратить отдельное внимание, так как РГ-параметры устойчивости мантийных ассоциаций гранат—хромшпинель и гранат—эс-колаит являются дискуссионными. В экспериментальных исследованиях, использующих для моделирования природного мантийного перидотита систему МА8Сг при РГ-параметрах, соответствующих образованию глубинных ксенолитов [11], установлено, что ассоциация Сг-пироп— хромшпинель устойчива только до 7 ГПа, а при более высоких давлениях устойчивыми фазами
являются Сг-пироп и эсколаит. Влияние флюида на устойчивость этих парагенезисов ранее не изучалось. Поэтому представляется актуальным оценить условия образования ассоциаций Сг-пироп + эсколаит и Сг-пироп + хромит в присутствии С02-флюида в ходе метасоматического взаимодействия при давлении 6.3 ГПа, которое является близким к общепринятым значениям для условий природного алмазообразования [3, 6, 10].
Экспериментальные исследования проведены на многопуансонном аппарате высокого давления "разрезная сфера" [12] при давлении 6.3 ГПа и в интервале температур 1350—1650°С. Длительность экспериментов составляла 20 ч. Методика экспериментов и схема сборки ампул (рис. 1а), разработанные для изучения процессов метасоматического взаимодействия [8], позволили, с одной стороны, реализовать реакции декарбонатизации с образованием С02-флюида и создать условия для дальнейшего взаимодействия С02 с хромитом, а с другой стороны, обеспечивали минимальное контактирование Р-ампулы с Fe-содержаш;ими фазами. В качестве исходных веществ использовали СаМ§(С03)2 (35.5 мг), М§С03 (106.4 мг), 8Ю2 (101.2 мг), А1203 (56.8 мг), из порошков которых изготавливали карбонатно-оксидную смесь и размещали в Р1 ампулу диаметром 10 мм и высотой 4 мм. В центре ампулы устанавливали цилиндр из спрессованного хромита диаметром 5 мм (150 мг), Состав исходного хромита представлен в табл. 1. Фазовый состав полученных образцов определяли нади-фрактометре ДРОН-3. Химический состав фаз исследован методом микрозондового анализа на приставке СатеЪах-ткго, для чего были изготовлены пришлифованные шашки с образцами из различных частей ампул. Состав закалочного расплава определяли площадным способом, с расфокусировкой пучка электронов до d = 20 мкм. Исследование фазовых взаимоотношений и запись ED-спектров различных фаз проводили при помощи сканирующего электронного микроскопа LE0-420.
Результаты экспериментов и составы полученных фаз приведены в табл. 2 и 3. Во всем исследованном интервале температур на контакте карбо-натно-оксидной ампулы с хромитом образуется поликристаллический агрегат граната, соответ-
(а) Карбонатно-оксидная ампула (Са,МБ)С03 + ЯЮ2 + А1203
(МЕ,Бе)(А1,Сг)204
(б)
Са,Сг-Ргр .
^ч __
Ргр + БеМ8
О
< - , --С^о
-ампула
5 мм
Рис. 1. Схема сборки ампул (а) и схема реакционного взаимодействия при 1550°С (б). Ргр — пироп, Са,Сг-Ргр — низкокальциевый хром-пироп, БеМ8 — ферро-магнезит, БеМ8з — закалочный ферромагнезит, С02 — обособившийся С02-флюид, сформировавший флюидные пузыри.
ствующего по составу низко- и среднекальциево-му Сг-пиропу [1—3] (табл. 3). Кристаллы пиропа обладают интенсивной окраской, изменяющейся с повышением температуры от бледно-розовой и голубоватой (1350°С) до темно-фиолетовой (1650°С). Изменения в окраске кристаллов обусловлены закономерным изменением состава Сг-пиропа с температурой — повышением концентраций Сг203 и М§0 — и отчетливым снижением Са0 (табл. 3). Отдельные кристаллы граната на контакте с хромитом достигают 300 мкм. Ширина зоны Сг-пиропа возрастает при увеличении температуры экспериментов и при 1650°С достигает 0.5 мм, что свидетельствует о значительной декарбонатизации системы. Центральную часть ампулы занимает агрегат ограненных кристаллов эсколаита и закалочного ферромагнезита. При 1350 и 1450°С в эсколаит-ферромагнезитовом агрегате обнаружены отдельные крупные кристаллы хромита с пониженным содержанием М§0 и повышенным Fe0 относительно исходного (табл. 1, 3). При более высоких температурах хромит в ампуле не сохраняется. Уста-
Таблица 1. Составы (мас. %) модельной системы и исходного хромита
Материал 8102 А1203 Т102 Сг203 Бе0 Ре203 МБ0 Са0 С02
Исходный хромит - 8.7 0.1 62.8 11.03 2.74 14.7 - -
Модельная система 22.50 15.52 0.03 20.96 3.68 0.91 18.37 3.14 14.88
Таблица 2. Результаты экспериментов длительностью 20 ч в системе (Ca,Mg)CO3—SiO2—Al2O3—(Mg,Fe)(Ti,Fe,Al,Cr)2O4 при P = 6.3 ГПа и 1350—1650°C
№ эксп. T, °C Полученные фазы, об. %
Grt FeMs Esk Chr Opx L
1361/2 1350 20 30 35 15 - -
1257/2 1450 25 30 40 <10 - -
1256/2 1550 30 25 45 - - -
1253/2 1650 20 20 45 - <10 10
Примечание. Grt — гранат, FeMs — ферромагнезит, Esk — эсколаит, Chr — хромит, Opx — ортопироксен, L — карбонатно-сили-катный расплав.
Таблица 3. Представительные анализы составов фаз (мас. %), полученных в системе (Са,М§)СОз—$Ю2—А12Оз— (Mg,Fe)(Ti,Fe,A1,Cr)2O4 при 6.3 ГПа и 1350—1650°С, по результатам микрозондового исследования
№ эксп. T, °C Фаза n SiO2 TiO2 Cr2O3 Al2O3 FeO* Fe2O* MgO CaO Сумма Sipfu Mg#
1361/2 1350 Grt 7 42.6 0.0 6.3 19.5 3.7 0.0 21.1 7.1 100.4 3.019 91.0
Esk 6 0.2 0.2 81.7 10.8 0.0 6.8 0.3 0.0 99.0 - -
Chr 8 0.0 0.1 62.5 8.5 13.8 1.9 12.8 0.0 99.6 - 59.1
1257/2 1450 Grt 5 41.4 0.0 9.7 16.6 7.6 0.0 21.1 3.5 99.9 3.013 83.2
Esk 4 0.3 0.2 82.4 10.4 0.0 7.2 0.3 0.0 100.0 - -
Chr 4 0.0 0.1 60.5 8.8 17.3 2.9 10.7 0.0 99.9 - 46.4
1256/2 1550 Grt 5 41.2 0.0 11.3 15.4 5.5 0.0 22.9 3.0 99.8 2.974 88.1
Esk 7 0.4 0.3 82.2 10.2 0.0 7.0 0.6 0.1 99.8 - -
1253/2 1650 Grt 4 41.2 0.0 14.9 13.4 5.0 0.0 23.5 2.3 100.4 2.976 89.3
Opx 6 58.6 0.0 0.6 1.4 2.4 0.0 35.8 0.7 99.7 - 96.4
Esk 6 0.5 0.2 84.3 10.3 0.0 5.4 0.6 0.1 100.6 - -
L 20 13.9 0.0 0.2 1.7 4.0 - 22.3 21.0 63.1** - -
Примечание. Grt — гранат, Esk — эсколаит, Opx — ортопироксен, Chr — хромит, L — карботано-силикатный расплав; n - число анализов; Sipfu — количество формульных единиц кремния, рассчитанное на 12 атомов кислорода; Mg# — магнезиальность Mg/(Mg + Fe); * — рассчитано по методике Finger (1972); ** — согласно балансу масс концентрация CO2 в расплаве может составлять 33 мас. %. В таблице приведены анализы кристаллов граната из зоны контакта карбонатно-оксидной ампулы и хромита. Зональные кристаллы граната в ампуле не обнаружены.
новлено, что при 1650°С в системе образуется кар-бонатно-силикатный расплав (около 80 мас. % карбоната), который на стадии закалки кристаллизуется в виде агрегата доломита, граната и орто-пироксена. Сосуществующие с расплавом ликви-дусные фазы представлены низкокальциевым Сг-п
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.