Введение к работе
Актуальность исследований. Для решения проблемы генезиса алмаза в условиях мантии Земли первостепенное значение имеет знание химического состава и фазового состояния материнских сред. Алмазообразующие материнские среды являются производными вещества мантии, и их исследование представляет интерес для проблемы петрологической и геохимической эволюции глубинных оболочек мантии Земли.
Общий состав материнских сред раскрывается ростовыми, т.е. сингенетическими, включениями в алмазах из кимберлитов и лампроитов. Фрагменты материнских сред в виде включений силикатных минералов [Соболев, 1974; Meyer, 1987; Taylor, Anand, 2004] свидетельствуют об их предельно широкой парагенетической принадлежности - от оливинсодер-жащих перидотитовых и пироксенитовых ассоциаций до эклогитовых и гроспидитовых, в том числе с коэситом [Соболев, 1983]. Многочисленные результаты изучения кристаллических включений в алмазах и геотермоба-рометрические оценки [Соболев, 1974; Meyer, 1987; Гаранин и др., 1991; Harris, 1992; Taylor, Anand, 2004] указывают на образование большинства из них на глубинах 150-200 км, в диапазоне давлений от 4 до 7 ГПа и температур от 900 до 1300С. Установлены также минеральные включения в алмазах, относящиеся к глубинам переходной зоны (410-660 км) [Moore, Gurney, 1985; 1989; Stachel, 2001] и нижней мантии (>660 км) [Scott Smith et al, 1984; Harte et al, 1999; Stachel et al, 2000; Kaminsky et al, 2001], что значительно расширило контуры условий природного алмазообразования и требует проведения дополнительных экспериментальных исследований. Изучение сингенетических флюид/расплавных включений в природных алмазах [Navon et al., 1988; 2003; Schrauder, Navon, 1994; Izraeli et al., 2001; 2004; Zedgenizov et al., 2004; Ширяев и др., 2005; Klein-BenDavid et al., 2004; 2007; Logvinova et al., 2008] показало, что их химические составы очень изменчивы из-за вариаций относительных содержаний в них главных карбонатных и силикатных и примесных (хлоридных, фосфатных, сульфидных, металлических и др.) компонентов. Важную роль играют также флюидные компоненты системы С-О-Н [Haggerty, 1986; Navon, 1999; Taylor, Anand, 2004].
Между тем, только минералогические данные не позволяют надежно установить химическую природу сред, ассоциированных с алмазами мантийного происхождения. Алмазообразующую эффективность таких сред можно определить в экспериментах при высоких давлениях и температурах, используя критерии их эффективности для нуклеации алмазной фазы и сингенезиса алмазов и ростовых включений в них. Согласование результатов экспериментальных и минералогических исследований позволило развить концепцию силикатно-карбонатных (карбонатитовых) материнских сред для доминирующей массы природных алмазов [Litvin, 2007]. В на-
стоящее время актуальное значение приобрела проблема сингенезиса алмаза и ассоциированных с ним минералов верхней мантии, переходной зоны и нижней мантии, решение которой может быть достигнуто только с помощью методов физико-химического эксперимента в интервале давлений от 4 до 24 ГПа.
Для решения обозначенной актуальной проблемы мы провели комплексное экспериментальное исследование при высоких давлениях и температурах мантийных карбонат-силикат-углеродных алмазообразующих систем, включающее синтез алмаза и определение концентрационного барьера его нуклеации, изучение фазовых отношений и составов минералов в этих системах, и сопоставили полученные результаты с данными по минералогии алмаза и его минеральным парагенезисам.
Цель работы - (1) реконструкция химического и фазового состава материнской среды алмазообразования в условиях мантии Земли и (2) оценка физико-химических условий сингенезиса алмаза и мантийных минералов. Для ее реализации были поставлены следующие основные задачи:
-
исследование при давлениях 7,0-8,5 ГПа и температурах 1000-1800С фазовых отношений (с участием алмаза) перидотит-карбонат-углеродной и эклогит-карбонат-углеродной систем и построение диаграмм сингенезиса алмазов и первичных включений как перидотитовых, так и эклогитовых минералов;
-
изучение условий образования и фазовых отношений Na-содержащих мэйджоритовых гранатов, захватываемых алмазами в виде ростовых включений на соответствующих уровнях глубинности мантии;
-
экспериментальное моделирование минеральных парагенезисов, относящихся к нижним частям верхней мантии и переходной зоне при 12-24 ГПа на примере модельной системы диопсид-геденбергит-жадеит;
-
приложение полученных результатов к минералогии мантии и минеральным парагенезисам алмаза.
Фактический материал. Работа основана на экспериментальных исследованиях, которые проводились автором в течение 1999-2008 годов на тороид-ном аппарате высокого давления типа «наковальня с лункой» в Институте экспериментальной минералогии РАН. Осуществлено свыше 300 индивидуальных экспериментов при /"=4,0-8,5 ГПа и 7=1000-2000С в модельных карбонатно-силикатных, силикатных и сульфидных системах, в том числе опыты по синтезу алмаза в расплавах этих систем с растворенным углеродом. Использованы также результаты свыше 50 экспериментов, проведенных автором на установке типа «разрезной цилиндр» при Р= 12-24 ГПа и 7=1600-2300С в 2004-2005 годах в Университете Гакушуин (Токио, Япония). В работе использовались рентгенометрические данные по синтетическим кристаллам Na-содержащего граната и фазы X, полученные в результате совместных исследований с Университетом Флоренции (Ита-
лия). Для экспериментов были использованы образцы мантийных ксенолитов из кимберлитовых трубок Якутской и Архангельской провинций, а также меланократовых карбонатитов Чагатайского комплекса (Узбекистан).
Основные защищаемые положения.
-
По экспериментальным и минералогическим данным на основе критерия сингенезиса алмазов и их ростовых включений установлена доминирующая роль силикатно-карбонатных (карбонатитовых) расплавов с растворенным углеродом в кристаллизации природного алмаза. Наряду с Р-Т параметрами (/"=4,0-8,5 ГПа, 7=1150-1800С) эффективность материнских алмазообразующих систем определяется концентрационным барьером нуклеации алмаза (КБНА) по содержаниям главных карбонатных и силикатных компонентов.
-
При Р=7,0 ГПа и 7=1200-1800С исследованы и построены фазовые диаграммы многокомпонентных перидотит-карбонатной и эклогит-карбонатной систем как физико-химическая основа, раскрывающая сингенетические отношения алмаза и его силикатных (оливин, ромбический и моноклинный пироксены, гранат) и карбонатных (арагонит, магнезит) включений в зависимости от физико-химических параметров ростовых сред. Силикатная минерализация имеет признаки, характерные для включений в природных алмазах (повышенные примеси К в Срх и Na в Grt).
-
На основе экспериментального изучения модельных силикатных и карбонатно-силикатных систем при 7^=7,0-8,5 ГПа показано, что подавляющее большинство природных алмазов с включениями Na-содержащих мэйджоритовых гранатов, в составе которых обычно менее 0,4 мае. % №гО, образовалось в щелочных карбонатно-силикатных расплавах при Р < 7,0 ГПа. Лишь небольшая доля мэйджоритовых гранатов с более высокими концентрациями натрия (>1 мае. % Na20) кристаллизуется при Р > 8,5 ГПа.
4. Экспериментальное изучение системы CaMgSi206-CaFeSi206-
NaAlSi2C>6 при 1600-2300С и 12-24 ГПа, моделирующей омфацит при
родных эклогитов, позволило воспроизвести минеральные включения в
алмазах, относящихся к нижним частям верхней мантии и переходной зоне
(мэйджорит, Са- и Mg- перовскит, Mg-ильменит). Показано, что переход от
эклогита к гранатиту определяется составом пироксена и происходит в
широком диапазоне давлений (13-17 ГПа), отвечающем глубинам 400-550
км. Экспериментально выявленная зависимость состава мэйджоритового
граната от давления является основой новой версии гранат-
клинопироксенового геобарометра ультравысокобарных минеральных ас
социаций мантии Земли.
Научная новизна работы. Впервые при 7,0-8,5 ГПа проведено комплексное изучение фазовых равновесий с осуществлением синтеза алмаза и построены фазовые диаграммы для многокомпонентных систем перидотит-
карбонат и эклогит-карбонат с составами природных материнских сред кристаллизации алмаза. Их алмазообразующая эффективность установлена на основе критерия нуклеации алмаза. Построенные диаграммы сингенези-са алмаза и наиболее часто встречаемых в нем включений минералов пери-дотитового и эклогитового парагенезиса позволили наглядно продемонстрировать и экспериментально обосновать модель природного алмазообра-зования из карбонатно-силикатных расплавов. Предложенная модель протестирована на примере меланократовых карбонатитов Чагатайского комплекса, а также карбонатизированных перидотитов и эклогитов из кимбер-литовых трубок. Впервые проведен синтез натрийсодержащего граната, установлены Р- Т параметры его кристаллизации в щелочных силикатных и карбонатно-силикатных расплавах, установлен механизм вхождения натрия в состав мантийного граната. В петрологически важной системе ди-опсид-геденбергит-жадеит осуществлено экспериментальное изучение фазовых отношений при 12-24 ГПа, моделирующих минеральные параге-незисы включений в алмазах низов верхней мантии и переходной зоны. На основе выявленных особенностей состава мэйджоритовых гранатов в зависимости от давления предложен новый метод оценки глубинности образования ассоциаций с участием Na-содержащих мэйджоритовых гранатов.
Практическая значимость работы. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о высокой эффективности образования алмаза в расплавах карбонат-силикат-углеродных систем при Р-Т условиях термодинамической устойчивости алмаза. Они имеют прямое приложение к моделированию процессов природного алмазообразования на основе экспериментальной информации. Это важно для развития физико-химических аспектов теории генезиса алмаза и подходов к его промышленному синтезу. Экспериментальные данные по фазовым отношениям Na-содержащих мэйджоритовых гранатов могут быть использованы для оценки физико-химических условий формирования глубинных минеральных парагенези-сов мантии Земли.
Апробация работы. Основные результаты исследований, которые легли в основу настоящей работы, обсуждались на различных российских и международных научных совещаниях, в том числе Международных Геологических Конгрессах (Флоренция, 2004; Осло, 2008), VIII и IX Симпозиумах по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (Бергамо, 2000; Цюрих, 2002), VII, VIII и IX Международных кимберлитовых конференциях (Кейптаун, 1999; Виктория, 2003, Франкфурт, 2008), Международной конференции EURESCO (Эшпиньо, 2001), 8-ой Международной конференции «Новое в алмазной науке и технологии» (Мельбурн, 2002), 13-ой Международной Гольдшмидтовской конференции (Курашики, 2003), 19-ом Совещании Международной минералогической ассоциации (Кобе, 2006), Генеральной ассамблее Европейского геологического союза (Вена,
2007), Международной Школе по наукам о Земле (Одесса, 2007; 2008), Международном симпозиуме «Петрология литосферы и происхождение алмаза» к 100-летию академика B.C. Соболева (Новосибирск, 2008), Ежегодных семинарах по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (Москва, 2004-2008).
Результаты исследований, изложенные в диссертации, отражены в 49 публикациях, из них 23 статьях в реферируемых журналах и сборниках и 26 тезисах докладов на всероссийских и международных конференциях, а также в отчетах по проектам РФФИ, ИНТАС, программам Президиума РАН и грантам Президента РФ «Ведущие научные школы».
Структура и объем работы. Работа общим объемом 288 стр. состоит из введения, 3 частей, разбитых на 9 глав, и заключения. Содержит 70 иллюстраций, 32 таблицы, список литературы включает 316 наименований.