Блог

Анфилогов В.Н.
Проблемы генезиса алмазов кимберлитов

ПРОБЛЕМЫ ГЕНЕЗИСА АЛМАЗОВ КИМБЕРЛИТОВ

 В. Н. Анфилогов

Институт минералогии УрО РАН, Миасс, Россия

Генезис природных алмазов до сих пор остается дискуссионным. В. К. Гаранин и Г. П. Кудрявцева выделяют пять типов природных алмазов: 1 ─ из метеоритов; 2 ─ из астроблем; 3 ─ из кимберлитов и лампроитов; 4 ─ из метаморфических пород; 5 ─ из различных ультраосновных и основных пород [6]. В настоящей статье нас будет интересовать происхождение алмазов 3 и 4 генетических типов.

Большинство исследователей считают, что алмазы этих двух типов образовались при РТ-условиях стабильности алмаза как высокобарической модификации углерода. Предполагается также, что кратоны, в которых размещаются провинции кимберлитов, характеризуются низким тепловым потоком и низкими температурами мантии на глубине 200 км. Поэтому алмазы могут существовать в мантии неопределенно длительное время. На рис. 1 приведены положение линии перехода графит─алмаз, геоизотермы, рассчитанные для различных значений теплового потока, и линия солидуса перидотита [14]. Область стабильности алмаза находится в треугольнике, ограниченном линией равновесия графит─алмаз и геотермой с тепловым потоком 36 мВт/м2, которая, как предполагают, характерна для алмазоносных кратонов [14]. Положение этой геотермы, по мнению большинства исследователей, подтверждается биминеральными равновесиями в эклогитовых включениях в кимберлитах, которые используются в качестве геотермометров и геобарометров.

Нам представляется, что предположение о низкой температуре мантии под кратонами не соответствует действительности. Это следует из того, что в двух крупнейших кимберлитовых провинциях ─ в Якутской (в перми и триасе) и в Южно-Африканской (в триасе и юре) ─ имело место излияние гигантских объемов траппов, образовавшихся путем частичного плавления первичного вещества верхней мантии. Согласно экспериментальным данным, оно начинается на глубине около 100 км при температуре 1450–1500 оС [12]. Гигантские площади, на которых проявлен трапповый магматизм в кимберлитовых провинциях, дают основания утверждать, что на момент внедрения кимберлитов такие температуры в мантии были характерными для всего кратона и, следовательно, алмазы не могли сохраниться или образоваться на глубине 150─200 км, так как эта область находилась вне поля устойчивости алмаза (см. рис. 1). Следует добавить, что максимально насыщенная кимберлитовыми телами послеюрского возраста территория Южной Африки полностью находится в пределах наиболее интенсивного проявления траппового магматизма триасового и юрского возраста. В такой ситуации расчеты геотерм по величине современных тепловых потоков, измеренных на территориях алмазоносных кратонов, не имеют смысла. Не соответствуют реальным температурам и величины, полученные для эклогитов с помощью биминеральных геотермометров и геобарометров, тем более, что этот метод дает значения температуры и, особенно, давления с большими ошибками [10].

Высокая температура, которая была в период внедрения кимберлитов на глубине 100–200 км, ставит под сомнение возможность образования или сохранения алмазов в области их стабильности. Единственной альтернативой этому варианту является предположение о том, что зародыши алмазов существовали в основании коры кратонов на глубине 40–60 км при давлении 15─20 кбар, и кимберлиты были той средой, в которой эти зародыши могли расти. Этот вариант был рассмотрен нами в работе [2]. Возможно, что первоначальная мощность коры, в основании которой зарождались кимберлиты, достигала 60 км, но в результате подъема мантийного вещества, сопровождавшего трапповый магматизм, она уменьшилась до современных размеров.

В настоящее время в литературе дискутируются две точки зрения на роль кимберлитов в процессе роста кристаллов алмаза. Первая предполагает, что алмазы росли в мантии, а кимберлиты были лишь «транспортером», выносившим их к поверхности. Согласно второй точке зрения алмазы росли в кимберлитовой среде. Мы считаем, что алмазы росли в веществе кимберлита, но не в процессе и не на месте заполнения им кимберлитовых трубок, а в том состоянии, в котором оно находилось в основании коры в очаге его формирования. Можно возразить, что не существует экспериментального подтверждения возможности нарастания алмаза на зародыши в веществе кимберлитов при РТ-условиях, которые существовали в основании коры кратонов. Это действительно так, но и не существует экспериментов, в которых кто-либо пытался проверить эту возможность. В то же время известно, что алмаз способен нарастать на затравках не только при высоких, но и при нормальных давлениях [11].

Коровая природа кимберлитовых алмазов подтверждается составом минералов, которые находятся в виде включений в кристаллах алмаза. В них установлены следующие минералы [5].

Самородные элементы: графит; лонсдейлит; α-Fe; Cu; (Fe,Cr); (Cr,Fe,Ti,); Cr; тэнит γ-(Fe,NI); твердый. раствор Bi-Te-Sb; Cu-Zn; когенит (11 минералов).

Оксиды: вюстит; Zn-Fe-шпинель; магнети; геметит; кварц; коэсит; Cr-шпинель; псевдобрукит; рутил; хромит; ильменит; куприт; гетит; перовскит; корунд; периклаз (16 минералов).

Сульфиды: пирротин; FeNiS; пирит; халькопирит; Fe2NiS4; Ni3S4; Cu2S; молибденит; ZnS; джерфишерит (11 минералов).

Галогениды: NaCl; KCl; CaF2; MgF2; CaCeF2 (5 минералов).

Фосфаты: монацит; фторапатит; флоренсит (3 минерала) .

Карбонаты и сульфаты: кальцит; доломит; магнезит; Mg-Ca-сидерит; гипс; барит (6 минералов) .

Силикаты: оливин; энстатит; омфацит; пироп; диопсид; серпентин; кианит; дистен; мелилит; флогопит; биотит; мусковит; хлорит; актинолит; титанит; циркон; K-Na-полевой шпат; альбит; санидин; кальсилит; гроспидит; рихтерит; жадеит; K-Cr-лопарит; Cr-чевкинит (поляковит ?); рёнит; церит; лавсонит; каолинит (29 минералов).

Всего в виде включений в алмазах обнаружен 81 минерал. Часть их являются эпигенетическими, но и они отражают минеральный состав среды, в которой находился данный кристалл алмаза. Трудно предположить, что этот набор минералов мог существовать в условиях мантии на глубине 200 км.

Кристаллы алмаза, как правило, имеют сложное строение, отражающее изменение условий его роста [3]. Наиболее четко в них выделяются три зоны роста: центральная, промежуточная и периферийная. Центральная зона обычно представлена сферокристаллом или кубами с гранями ромбододекаэдра. Структура ее дефектная. Часто она имеет волокнистое строение, свидетельствующее об очень быстром росте в условиях, далеких от термодинамического равновесия [3]. Включения минералов в центральной зоне также резко отличаются от включений в промежеточной и периферических зонах. Они представлены вюститом, графитом и парагенезисами тэнит + пирротин, углеродистое железо + монокристальный графит, Zn-Fe шпинель + железо + медь. Анализируя строение центральных зон алмазов, В. В. Бескрованов пришел к выводу, что они могли возникнуть только в твердой среде [3, 5].

Каждый кристалл алмаза, содержащий включения других минералов, является своеобразным пробоотборником, отбирающим пробы из своего ближайшего окружения. Если центральные зоны алмаза, являющиеся зародышами кристаллов, действительно образовались в твердой среде, то все минералы, характерные для центральных включений, должны присутствовать в каждом микрообъеме, в котором в результате твердофазных превращений возникает кристалл алмаза. Если эти зародыши образовались в веществе мантии, то мы вынуждены будем утверждать, что тэнит, вюстит, углеродистое железо, пирротин и графит также следует рассматривать как широко распространенные минералы мантии и, следовательно, мантия под алмазоносными кратонами имела не эклогитовый, а скорее, метеоритный состав. Совершенно очевидно, что для такого утверждения нет никаких оснований, и нам представляется более обоснованным высказанное ранее предположение о том, что зародыши алмазов являются продуктами катастрофической метеоритной бомбардировки поверхности Земли в период 4.0–3.5 млрд лет назад, которые затем, в процессе формирования осадочно-метаморфического слоя, оказались в основании земной коры кратонов [1, 2]. В процессе метеоритной бомбардировки на поверхность Земли попадают алмазы из метеоритов, и образуются импактные алмазы. При формировании осадочно-метаморфической оболочки Земли они опускаются в основание коры, на глубину 40–60 км, где подвергаются перекристаллизации с укрупнением величины зерна. Этот процесс происходит в твердой фазе, поэтому структура вновь образованных зерен и агрегатов остается несовершенной.

Наиболее сложным является вопрос о месте и условиях, в которых происходит рост основной массы кристаллов алмаза, представленных промежуточной и периферийной зонами. В литературе постоянно обсуждается идея о том, что основу алмазообразующего флюида должна представлять газовая система С─Н─О [8─10]. В последние годы появились работы, в которых приводятся данные по составу флюидных включений в алмазе. Они содержат 30─40 % воды, 19─22 % хлора, 14─17 % щелочей, 22─25 % Fe-Ca-Mg-карбонатов, 3–4 % SiO2 [13]. Исследованы также включения в оливине из массивного кимберлита трубки Удачная, в которых установлены карбонаты Na и К, Ca-Mg-Fe-карбонаты, хлориды и сульфаты. Предполагаемая температура захвата включений 700─900 оС [4]. В опытах И. Я Некрасова и Н. С. Горбачева в равновесии перидотита с водно-углекислотно-хлоридным флюидом при температуре 800 оС и давлении 15 кбар флюид имеет следующий состав: SiO2 6.1 мас. %; Al2O3 0.3; FeO 1.0; MgO 5.6; CaO 0.3; H2O 17.5; CO2 42.9; NH3 8.8; HCl 17.5. В равновесии с флюидом находились расплав, графит, шпинель, оливин и ортопироксен [7]. В первом приближении составы включений в алмазе, оливине и флюиде, равновесном с перидотитом, достаточно близки, что позволяет рассматривать их как среду, в которой могли кристаллизоваться алмазы и минералы кимберлита.

Литература

  1. Анфилогов В. Н. Импактная природа древних алмазов с эклогитовыми и метеоритнвми парагенезисами минеральных включений // Докл. РАН, 2001. Т. 377. № 1. С. 76─77.
  2. Анфилогов В. Н.Условия зарождения и роста кристаллов алмаза // Зап. ВМО, 2004. № 1. С. 11─116.
  3. Бескрованов В. В.Онтогения алмаза. Новосибирск: Наука, 2000. 263 с.
  4. Головин А. А., Шарыгин Н. П., Похиленко Н. П. Расплавные включения во вкрапленниках оливина из неизмененных кимберлитов трубки Удачная-Восточная (Якутия): некоторые аспекты эволюции кимберлитовых магм на поздних стадиях кристаллизации // Петрология, 2007. Т. 15. № 2. С. 178─195.
  5. Гаранин В. К., Кудрявцева Г. П., Марфунин А. С., Михайличенко О. А.Включения в алмазе и алмазоносные породы. М.: Изд-во МГУ, 1991. 240 с.
  6. 6. Гаранин В. К., Кудрявцева Г. П.Полигенность и дискретность природного алмазообразования // Смирновский сборник-2006. М.: Изд-во РАЕН, 2006. С. 54–91.
  7. Некрасов И. Я., Горбачев Н. С.О возможном механизме образования кимберлитов// Докл. АН СССР, 1978. Т. 250. № 1. С. 181─184.
  8. Руденко А. П., Кулакова И. И.Условия образования кимберлитовых алмазов и проблема алмазоносности с точки зрения каталитических систем // Геохимия, 1989. № 7. С. 961─972.
  9. 9. Руденко А. П., Кулакова И. И., Скворцова Л. И. Химический синтез алмаза. Аспекты общей теории // Успехи химии, 1993. № 2. С. 99─117.
  10. Симаков С. К.Физико-химические условия образования алмазоносных парагенезисов эклогитов в породах верхней мантии и земной коры. Магадан: ДВО РАН, 2003. 187 с.
  11. Федосеев Д. В., Дерягин Б. Н., Варшавская И. Г., Семенова-Тян-Шанская А. С. Кристаллизация алмаза. М.: Наука, 1984. 134 с.
  12. Hirose K., Kushiro I.Partial melting of dry peridotites at high pressure: Determination of compositions of melts segregated from peridotite using aggregates of diamond // Earth Planet. Sci. Lett., 1993. V. 114. P. 477─489.
  13. Israeli E. S., Harris J. V., Navon O. Brine inclusions in diamonds: a new upper mantle fluid // Earth Planet. Sci. Lett., 2001. V. 187. P. 323─332.
  14. O’Neill C. J., Moresi L.How long can diamonds remain stable in the continental lithosphere ? // Earth Planet. Sci. Lett., 2003. V. 213. P. 43─52.

ПОДПИСИ К РИСУНКАМ

Рис. 1. Предополагаемые распределения температуры в интервале глубин до 200 км.

1–5 ─ геотермы, рассчитанные для стационарных тепловых потоков: 36, 38, 40, 42, 44 мВт/м2; 6 – геотерма областей траппового магматизма; точки – значения температур, рассчитанных по биминеральным равновесиям в эклогитах [14]. Штриховыми линиями показаны равновесие графит─алмаз и солидус перидотита.

Рис. 2. Схематическая диаграмма системы перидотит─флюид [7].

1 ─ опыты, в которых флюид был в равновесии с расплавом (стекло); 2 ─ опыты, в которых существовал только флюид.