ПЕТРОЛОГИЯ, 2013, том 21, № 4, с. 350-371
УДК 550.89
АЛМАЗОНОСНОСТЬ И ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ КАРБОНАТИТОВ
© 2013 г. Л. Н. Когарко*, И. Д. Рябчиков**
*Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН ул. Косыгина, 19, Москва, 119991, Россия; e-mail: kogarko@geokhi.ru **Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН Старомонетный пер., 35, Москва, 119017, Россия; e-mail: iryab@igem.ru Поступила в редакцию 13.05.2012 г.
Получена после доработки 25.10.2012 г.
Проведена оценка физико-химических условий формирования графита и алмаза в богатых карбонатами магматических средах. Получен большой объем аналитического материала по составам сосуществующих минералов в изученных объектах (Черниговский массив, Украина и Чагатайский карбонатитовый комплекс, Узбекистан). Измерен изотопный состав углерода в сосуществующих карбонатах и графите из этих карбонатитов. Предложены новые методы термодинамической оценки потенциала кислорода, применимые к карбонатитам с графитом или с алмазом. Фугитивность кислорода в графитсодержащих карбонатитах несколько ниже уровня буфера кварц-фаялит-магнетит. Доказывается, что процесс алмазообразования происходит в ходе восстановления карбонатных компонентов, приносимых из плюмового материала в нижнюю субконтинентальную литосферу, а не в результате частичного окисления метановых флюидов. Ограниченная роль метана в глубинной мантии определяется низкой активностью воды, что следует из изучения оливинов и других номинально безводных минералов в кимберлитах. Метан может появляться в мантии в особых условиях, когда фугитивность кислорода очень низка (например, в основании континентальной литосферы), а активность воды повышается, например в ходе кристаллизационной дифференциации глубинных очагов кимберлитовой или протокимберлитовой магмы.
DOI: 10.7868/S0869590313040043
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время генезис алмазов связывается с процессами мантийного карбонатного метасоматоза. Имеющиеся экспериментальные и геохимические данные свидетельствуют о том, что первичные алмазоносные кимберлитовые магмы могут быть получены за счет плавления С02-содержащих мантийных перидотитов при давлении не менее 6 ГПа (Eggler, 1978; Wyllie, Huang, 1976). Присутствие углекислоты не только значительно понижает температуру солидуса перидотита, но и приводит к выплавлению кар-бонатитовых расплавов при очень низких степенях плавления мантии. С увеличением температуры и степени плавления мантийного субстрата в условиях высокого давления С02 выплавляются расплавы с более высоким, по сравнению с карбонатитами, содержанием кремнезема: при 30 кбар возникают ларнитнормативные составы, а при 60 кбар расплавы приближаются по составу к кимберлитам (Wyllie, Huang, 1976; Brey, Green, 1975; Eggler, 1978; Wallace, Green, 1988; Hirose, 1997). На основании экспериментальных материалов по фракционированию редких элементов в равновесиях минералы перидотита-кар-
бонатный расплав разработана новая двустадий-ная модель генезиса алмазоносных кимберлитов, предполагающая образование кимберлитов в результате взаимодействия декретированного мантийного субстрата с метасоматическими расплавами малых степеней плавления в основании континентальной литосферы. Недавно в ряде карбонатитовых комплексов были обнаружены алмазы. В том числе алмазы обнаружены в карбонатитах острова Фуэнтовентура (Канарский архипелаг), в карбонатитовых дайках и диатре-мах Чагатайского комплекса (Узбекистан, Западный Тянь-Шань) и в карбонатитовых кимберлитах Гренландии (Маюага комплекс). Кар-бонатиты Чагатайского комплекса содержат графит и алмаз.
В настоящей работе приведено исследование составов породообразующих минералов графит и алмазсодержащих карбонатитов Чагатайского комплекса (Узбекистан), Черниговского массива (Украина), апатитоносной интрузии Хибинского массива с целью оценки окислительного потенциала флюидной фазы, ее состава, условий формирования самородного углерода и потенциальной алмазоносности.
УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ КАРБОНАТИТОВ ЧЕРНИГОВСКОГО МАССИВА
Черниговский массив (иногда называемый Новополтавским массивом) щелочных пород и карбонатитов расположен в Западном Приазовье и приурочен к зоне так называемого Черниговского разлома (от названия поселка Черниговка Запорожской области). Карбонатиты, входящие в состав этого массива, являются комплексными редкометально-апатитовыми рудами. Среднее содержание в них апатита около 10%, сумма редких земель близка к 0.15%, а средняя концентрация ниобия составляет 100—500 г/т (Шеремет и др., 2007). Массив залегает в высокометамор-физованных породах Украинского щита, возраст которого ~2 млрд. лет.
Массив сложен силикатными щелочными породами (щелочные сиениты, нефелиновые сиениты, щелочные пироксениты, мельтейгиты) и карбонатитами. В числе последних присутствуют кальцитовые карбонатиты (сёвиты и альвикиты), а также доломитсодержащие разновидности — бе-форситы. Отличительной особенностью карбо-натитов Черниговского массива является присутствие в них графита. Графит был найден также в карбонатитах из многих других регионов. К ним относятся карбонатиты Гремяха-Вырмес на Кольском полуострове, месторождение Пограничное в Забайкалье, кальцитсодержащие нефелиновые сиениты в Антарктиде ^штеЬкеукИ й а1., 2007; Шрр е! а1., 2005; ^Ъг1еу е! а1., 1995).
Щелочные изверженные породы и карбонати-ты Черниговского массива приурочены к зоне разлома длиной около 20 км. Массив характеризуется удлиненной формой и состоит из двух линзообразных частей. Северная более крупная часть носит название собственно Черниговка, а южная называется Бегим-Чокрак. Наиболее широко распространенными типами пород массива являются: щелочные сиениты, твейтазиты, породы нордмаркитовой серии и карбонатиты, а нефелиновые сиениты (кана-диты) и щелочные пироксениты имеют подчиненное значение. Другие породы, включая ийолит-мельтейгиты, флогопитовые оливиниты и перидотиты, встречаются либо в виде включений в карбо-натитах, либо в виде спорадически встречающихся тел малого размера (кимберлитовые карбонатиты, альбит-баркевикитовые эссекситы). Вмещающие метабазиты контактной зоны подверглись различной степени фенитизации. Карбонатиты, щелочные пироксениты и канадиты встречаются в виде крутопадающих дайкообразных тел, простирающихся приблизительно с севера на юг. Максимальная мощность пород комплекса, включая фениты, достигает 600—700 м. Выделяются четыре различных типа карбонатитов — сёвиты, альвикиты, бе-форситы и кимберлитовые карбонатиты. С бефор-
ситами тесно ассоциируют фоскориты — породы, обогащенные апатитом и магнетитом. Карбонат-но-силикатные породы, которые встречаются редко и являются промежуточными между сиенит-твейтазитами и карбонатитами, носят название рингитов. Сёвиты являются кальцитовыми карбонатитами, содержащими апатит, эгирин-салит, биотит и амфибол. В качестве акцессорных минералов в них представлены пирохлор-гатчеттолит, редкий колумбит, циркон, титанит, монацит, ортит, магнетит и сульфиды. Несмотря на широкую распространеность сёвитов, они составляют лишь четвертую часть всех карбонатитов. Альвикиты являются кальцитовыми карбонатитами, содержащими апатит, оливин, диопсид или эгирин-диоп-сид, флогопит или тетраферрифлогопит и магнетит. Типичными акцессориями для них являются циркон, ильменит (пикроильменит), сульфиды и в более редких случаях анатаз, колумбит, пирохлор, гатчеттолит и монацит. Альвикиты составляют 15% от всех карбонатитов комплекса. Они чаще встречаются в южной части массива. Бефорситы — кальцит-доломитовые, доломит-кальцитовые и доломитовые карбонатиты, содержащие апатит, оливин, флогопит и магнетит. Акцессорные минералы в них представлены: шпинелями, сульфидами, колумбитом, цериевым фергюсонитом, пиро-хлор-гатчеттолитом, бадделеитом, цирконом, монацитом и анкилитом. Бефорситы являются наиболее распространенным типом карбонатитов Черниговского массива, составляющим 60% от всех карбонатитов. С увеличением содержания апатита, магнетита и флогопита в бефорситах они постепенно переходят в апатитовые, апатит-маг-нетитовые, оливин-апатитовые и флогопит-апатитовые породы, относимые к фоскоритам. Ким-берлитовые карбонатиты являются породами, промежуточными по составу между карбонатита-ми и кимберлитами.
В настоящей работе приводятся результаты детального изучения состава сосуществующих минералов в одном из графитсодержащих бефорси-тов. Термодинамический анализ этих данных позволил оценить условия формирования карбо-натитов подобного типа.
Минеральные парагенезисы
Изученные образцы карбонатитов содержат кальцит, доломит, оливин, нефелин, амфибол и две слюды — флогопит и мусковит. В заметных количествах присутствуют также магнетит и апатит. Среди акцессорных минералов встречены графит (Кривдик и др., 1997), бадделеит и циркон (Шеремет и др., 2007).
Минералы исследованного образца были проанализированы с помощью электронного микрозонда Сатеса SX100 при ускоряющем напряжении 15 кВ и токе на образце 20 нА. Для калибров-
670 660 650 640 630 620 610 600
ная, а К — константа равновесия для этой реакции, причем
6Fe2SiO4 + 2CaMg( CO3 )2 + 5ZrO2 = = 2CaCO3 + Mg2SiO4 + 2C + 4Fe3O4 + 5ZrSiO
В условиях равновесия
RT lnK1 = —AGb
(1)
(2)
где АОх — приращение свободной энергии Гиббса реакции между чистыми компонентами при данных температуре и давлении, Т — абсолютная температура, R — универсальная газовая постоян-
Ki =
aZrSiO4 ' aFe3O4 ' aC ' aMg2SiO4 ' aCaCO3 6 2 5 .
aFe2SiO4 ' aCaMg(CO3)2 ' aZrO2
(3)
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
P, бар
Рис. 1. Зависимость температуры от давления для межфазного равновесия:
6Fe2SiO4 + 2 СаМя(С03)2 + 5 ZrO2 = 2 СаС03 + + + 2 С + 4 Fe304 + 5 ZrSi04,
рассчитанная при активностях компонентов твердых растворов, отвечающих составам минералов в карбо-натите Черниговского массива.
ки использовались природные и синтетические минералы. Время счета для каждого из элементов составляло 20 с. При обработке данных была использована процедура типа PAP.
Представительные анализы силикатов и карбонатов приведены в табл. 1 и 2. Магнетиты представлены почти
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.