CC BY
59НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2011, №4
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 549.2
Природа различных соотношений изотопов углерода в алмазах
B.C. Шкодзинский
На основании обобщения литературных данных установлено, что различные породы мантийных ксенолитов в кимберлитах образуют единые тренды магматического фракционирования, возрастные и температурные ряды. Это свидетельствует о формировании континентальной литосферы в процессе фракционирования глобального магматического океана. Отмечено возрастание количества легкого углерода в алмазах в последовательности их образования при магматическом фракционировании: октаэдры - додекаэдроиды - фрамезиты - кубические алмазы с фибрилярной оболочкой, от алмазов с перидотитовым парагенезисом к таковым с эклогитовым парагенезисом, от алмазов из гарцбургитовых ксенолитов к алмазам лерцолитовых и далее эклогитовых ксенолитов. Это связано с накоплением легкого изотопа углерода и в остаточных расплавах при фракционировании.
Ключевые слова: углерод в алмазах, кимберлиты, магматический океан, мантия, магматическое фракционирование.
On the basis of generalization of published evidences it was established that different rocks of mantle xenoliths from kimberlites form united trends of magma fractionation and united age and temperature rows. It testifies to continental lithosphere origin as a result of global magmatic ocean fractionation.Theincrease of average light carbon content in diamonds in sequence of their formation during magmatic fractionation was established: octahedrons - dodecahedrons - framesites - fibrous cubes, from diamonds with peridotiteparagenesis to diamonds with eclogiteparagenesis, from diamonds from harzburgite xenoliths to diamonds from lherzolite and then from eclogite xenoliths. This is a result of light carbon accumulation in residual melts during the fractionation.
Key words: carbon in diamonds, kimberlites, magmatic ocean, mantle, magmatic fractionation.
Соотношение содержания изотопов углерода в алмазах широко используется для реконструкции процессов образования этого минерала и содержащей его мантии. К настоящему времени установлено, что большинство алмазов имеет величину 513С, варьирующую от -4 до -7%о [1, 2]. Это примерно равно отношению изотопов углерода в карбонатитах (в среднем -5,1%о) и кимберлитах (-4,7%о) [3] и обычно принимаемой величине изотопного отношения углерода в мантии (-4,5%о). Однако существенная часть алмазов является значительно изотопно более легкой, величина 513С в них иногда достигает - 35%о. При этом алмазы перидотитового парагенезиса имеют узкий предел вариаций изотопного состава углерода (513С обычно от -1 до - 10), а состав эклогитовых алмазов из кимберлитов изменяется в широкой области (от
ШКОДЗИНСКИИ Владимир Степанович - д. г.-м. н., в.н.с. ИГАБМ СО РАН, shkodzinskiy@diamond.ysn.ru.
+2,5 до -35%о ). В органическом веществе коро-вых осадочных пород 513С обычно составляет -10 ... -30%о [3]. То есть, некоторые алмазы являются даже более изотопно легкими, чем наиболее распространенное коровое органическое вещество.
Алмаз кимберлитов не мог стабильно формироваться в земной коре в условиях низкого давления. Он кристаллизовался в Р-Т условиях мантии. Поэтому присутствие в кимберлитах и лампрои-тах изотопно легких алмазов выглядит парадоксальным. Оно свидетельствует о том, что и в мантии существуют участки, сильно обогащенные легким изотопом углерода, и процессы, приводившие к такому обогащению.
Образование изотопно легких алмазов обычно связывают с процессами ассимиляции мантией органического вещества океанических осадочных пород, погружавшихся в зонах субдукции [4]. При этом реальность процессов перемещения легкого изотопа углерода в участки образования кимбер-
литовых магм и алмаза ничем не доказывается. Между тем, существует множество непреодолимых противоречий такой гипотезе. Прежде всего, ей не соответствуют очень низкие величины коэффициента диффузии всех химических компонентов в твердых породах. Вследствие этого в до-кембрийских гранулитовых комплексах не исчезают резкие контакты между различными по составу химически неравновесными породами (например, между гранитами и основными кристаллическими сланцами, между кислыми гнейсами и мраморами), несмотря на сосуществование их в течение миллиардов лет при высокой (600 -800оС) температуре. В ультраосновных по составу мантийных ксенолитах иногда сохраняются зональные по составу породообразующие минералы, что также подтверждает ничтожную скорость диффузии химических компонентов. Если бы расстояние диффузии химических компонентов за время существования мантийных пород превышало первые миллиметры, то невозможно было бы устанавливать возраст этих пород изотопными методами.
Участию в процессах образования кимберли-товых магм и алмаза, субдуцированного в мантию корового материала, противоречит отсутствие среди ксенолитов в кимберлитах метаморфизован-ных океанических пород - высокобарических гнейсов, кварцитов, мраморов и др. Если бы опускавшиеся блоки океанической литосферы участвовали в процессах кимберлито- и алмазообразования, то кимберлиты и алмазы наиболее часто встречались бы в островодужных зонах субдукции. На самом деле они отсутствуют в этих зонах, а наиболее характерны для центральных частей древних платформ, весьма удаленных от океанических областей. изотопно легкие алмазы в различных количествах присутствуют практически во всех алмазоносных трубках. Это свидетельствует о том, что их кристаллизация не связана с проявлением случайных процессов типа поступления субдуцированного корового материала в область формирования кимберлитовых магм.
Иногда предполагается, что вариации отношения изотопов углерода в алмазах обусловлены составом гипотетического метасоматизирующего флюида, под влиянием которого происходили процессы алмазообразования [5]. Однако возможности протекания флюидного метасоматоза в мантии противоречат крайне низкое содержание летучих химических компонентов в породах мантийных ксенолитов, свидетельствующее об отсутствии источников флюида в мантии; исключительно высокая вязкость мантии (1017-1023 Пас), указывающая на ничтожно малую (первые миллиметры за всю историю земли) скорость всплывания в ней флюидных обособлений [6], если бы такие обособления возникали. Доказательством суще-
ствования метасоматических процессов обычно считается присутствие поздних генераций минералов в ксенолитах мантийных пород. Но такие генерации должны возникать и в полностью закрытой системе, например, в результате снижения ее температуры. Поэтому их присутствие не доказывает протекание метасоматических процессов.
Выполненный анализ [6] показал, что главной причиной нерешенности до сих пор проблемы ал-мазообразования и многих других генетических вопросов петрологии является ошибочность гипотезы холодной аккреции земли, на основе которой эти вопросы рассматриваются. По этой гипотезе мантия никогда не находилась в расплавленном состоянии и в ней не протекали процессы глобального магматического фракционирования. исключение из рассмотрения этого самого эффективного и массового механизма дифференциации вещества земли привело к невозможности убедительного объяснения природы почти всех глубинных процессов.
Между тем, в результате полетов на Луну получены доказательства горячего образования планет земной группы и существования на них глобальных океанов магмы. Наиболее убедительными свидетельствами горячего образования земли являются расположение точек состава мантийных ксенолитов в кимберлитах на едином тренде магматического фракционирования [7] и формирование ими единых возрастных и температурных рядов, полностью соответствующих последовательности их образования при фракционировании (рис. 1). Все эти данные указывают на необходимость пересмотра существующих представлений о природе глубинных процессов.
По разработанной модели [8] после завершения аккреции на земле существовал магматический океан глубиной около 240 км. Вследствие рас-слоенности по составу затвердевание его происходило сверху вниз. В результате кристаллизации кислого верхнего слоя в раннем докембрии сформировалось большинство пород кристаллической коры континентов. Фракционирование нижних пик-ритового и перидотитового слоев океана, в соответствии с экспериментальными данными, привело к образованию карбонатитовых (при давлении менее 2,0-2,6 ГПа) и кимберлитовых (при большем давлении) остаточных расплавов и магм.
Алмазы с включениями различных парагенези-сов минералов образуют такой же возрастной ряд, что и мантийные породы (линия ВА на рис. 1). Это свидетельствует о длительной кристаллизации их при образовании мантии и остаточных кимберли-товых расплавов в процессе глобального магматического фракционирования. Алмазы являются не ксеногенными, как обычно предполагается, а
ПРИРОДА РАЗЛИЧНЫХ СООТНОШЕНИЙ ИЗОТОПОВ УГЛЕРОДА В АЛМАЗАХ
Рис. 1. Средние изотопные возрасты различных пород из ксенолитов в кимберлитах (линия По), включений в алмазах (линия ВА), средняя температура образования пород при 5 ГПа (линия Т) и среднее содержание в них MgO (линия MgO). Состав пород и включений в алмазах:
Г - гарцбургитовый; П - перидотитовый нерасчлененный; Л -лерцолитовый; Э - эклогитовый; В - верлитовый и вебстерито-вый; Ф - флогопитсодержащие породы; Ка - карбонатиты; К -кимберлиты. Здесь и на рис. 2 числа у точек - количество использованных определений. По данным [7]
ранними фазами кристаллизации и фракционирования слоя перидотитовой магмы и связаны с ким-берлитовыми магмами парагенетическими соотношениями. При таком происхождении становятся понятными существование связи кристалло-морфологии и других свойств алмазов с составом кимберлитов и в то же время чаще всего намного более древний изотопный возраст содержащихся в них минеральных включений по сравнению с вмещающими кимберлитами.
В случае образования мантийных пород и алмаза при кристаллизации магматического океана процессами его фракционирования должно определяться соотношение различных изотопов углерода в алмазах. При таком фракционировании в остаточных расплавах накапливались расплаво-фильные химические компоненты, в том числе углекислота и другие летучие. При достижении высокого содержания углекислота связывалась кристаллизовавшимися карбонатными минералами. Это должно было приводить к уменьшению доли тяжелого изотопа углерода в системе, так как углекислота и карбонатные минералы имеют повышенное химическое сродство к нему. Например, углекислота при 1000оС имеет примерно на 8%о большую величину 813С, чем метан [3]. По-
этому связывание углекислоты в карбонатных минералах при кристаллизации сопровождалось облегчением изотопного состава остаточных расплавов и кристаллизовавшихся в них алмазов и поздние алмазы должны быть богаче легким углеродом по сравнению с ранними.
Возрастание вязкости остаточных расплавов вследствие увеличения содержания кремнекисло-ты в них при процессах фракционирования приводило к уменьшению скорости диффузии химических компонентов, к росту степени пересыщения расплавов углеродом и к смене морфологии образующихся кристаллов алмаза от октаэдрической к ромбододекаэдрической, затем к кубической часто с фибрилярной и богатой включениями оболочкой. После вскипания самых последних расплавов в появившихся флюидных пузырьках кристаллизовались алмазные агрегаты [8]. В этой последовательности должно увеличиваться содержание легкого изотопа углерода в алмазах.
Это полностью подтверждают результаты расчетов по опубликованным данным средней величины 813С в этих разновидностях алмазов (рис. 2). Оказалось, что она равна -3,58% (среднее из 13 определений) для октаэдров, -3,83% (12) для додекаэдроидов, -5,0% (12) для ядер кубических алмазов в оболочке, -6,7% (28) для оболочек этих алмазов, -10,4% (104) для фибриляр-ных алмазов и -27,2% (11 определений) для карбонадо.
При образовании алмазов в процессе фракционирования перидотитового слоя магматического океана включения в них являются остатками эволюционирующей по составу магмы с увеличивающейся величиной отношения легкого изотопа углерода к тяжелому. Поэтому эта величина должна возрастать от ранних алмазов с перидотито-
Рис. 2. Средний изотопный состав углерода в разновидностях алмаза (1; О - октаэдрах; Д - додекаэдроидах; Я - ядрах кубических алмазов в оболочке; Об - в оболочках этих алмазов; Ф - в фрамезитах; К - в карбонадо) и в алмазах с различными парагенезисами включений (2; П - перидотитовым; Э - экло-гитовым; В - вебстеритовым). По данным [9-15]
вым парагенезисом включений к поздним алмазам с эклогитовым и вебстеритовым парагенези-сами. Это и наблюдается в действительности. Величина 813С для алмазов с перидотитовым парагенезисом включений составляет -4,6%о (в среднем по 739 определениям), для алмазов с эклогитовым парагенезисом —8,5% (685 определений), с вебстеритовым парагенезисом - -12,1% (37) (рис. 2).
Величина 813С обычно многократно изменялась в пределах одного и того же кристалла алмаза в процессе роста примерно на 3 - 8%. Это является естественным следствием кристаллизации большинства алмазов в фракционирующих остаточных расплавах и связано с перемещениями растущих кристаллов в несколько различавшиеся по составу участки под влиянием силы тяжести и локальных конвективных потоков, возникавших при остывании. В то же время к краям кристаллов содержание легкого изотопа чаще всего в среднем увеличивалось, хотя случайные вариации могли значительно затушевывать эту тенденцию.
Важнейшей особенностью процессов магматического фракционирования является резкое возрастание концентрации расплавофильных химических компонентов в остаточных расплавах. К рас-плавофильным относятся все летучие компоненты, поскольку содержание их в расплавах обычно намного выше, чем в кристаллизовавшихся твердых фазах. Азот является типичным летучим компонентом в магмах, поэтому его содержание, как и количество легкого углерода, должно увеличиваться в процессе фракционирования перидотито-вого слоя магматического океана. Из рис. 3 видно, что в якутских кимберлитовых трубках «Ленинградская» и «Заполярная» содержание алмазов с определениями обоих этих компонентов изменяется достаточно согласованно.
Таким образом, результаты обобщения опубликованных данных свидетельствуют о том, что средние составы, изотопные возрасты и температура кристаллизации различных мантийных пород и сформированных в них алмазов изменяются по законам магматического фракционирования, что подтверждает образование мантии в процессе дифференциации глобального океана магмы. Увеличение среднего содержания легкого изотопа углерода от ранних алмазов к поздним обусловлено накоплением этого компонента в остаточных расплавах по мере фракционирования.
Литература
1. Галимов Э.М. Вариации изотопного состава углерода и связь их с условиями алмазообразования // Геохимия. - 1984. - Т. 8. - С. 109-118.
2. Буланова Г.П., Барашков Ю.П., Шелков Д.И. и др. Изотопный состав углерода и азота алмазов из кимбер-
N, ррт
—I-1-1-1-1
-5 -4 -3 -2 513С,%о
Рис. 3. Соотношение общего содержания азота в алмазах с изотопным составом их углерода в кимберлитовых трубках «Ленинградская» (1) и «Заполярная» (2). По данным [16]
литов Якутии // Отечественная геология. - 2004. - № 4. -С. 11-15.
3. Фор Г. Основы изотопной геологии. - М.: Мир, 1989. - 590 с.
4. Helmstaedt H., Doig R. Eclogite nodules from the Colorado plateau - samples of subducted Franciscan type oceanic lithosphere // Phys. Chem. Earth. - 1975. - № 9. - P. 95-111.
5. Palot M., Cartigny P., Viljoen K.S. Diamond origin and genesis: a C and N stable isotope study on diamonds from single eclogitic xenolith (Kaalvallei, South Africa) // 9th International Kimberlite Conference. Extended Abstract. № 91KC-A-00184. - 2008.
6. Шкодзинский В. С. Проблемы глобальной петрологии. - Якутск: Сахаполиграфиздат, 2003. - 240 с.
7. Шкодзинский В. С. Генезис литосферной мантии древних платформ // Отечественная геология. - 2010. -№ 6. - С. 27-32.
8. Шкодзинский В. С. Генезис кимберлитов и алмаза. - Якутск: ОАО «Медиа-холдинг Якутия», 2009. - 352 с.
9. Burges R., Turner G., Mattey D. Helium, argon and carbon isotope constraints on the formation of cubic and polycrystalline diamond // 6th International Kimberlite Conference. Extended Abstract. - Russia. - 1995. - P. 9294.
10. ShelkovD., VerchovskyA., MilledgeH., Pillinger C. Carbonado: a comparison between Brasilian and Ubangui sources based on carbon and nitrogen isotopes // 6th International Kimberlite Conference. Extended Abstract. -Russia. - 1995. - P. 518-520.
11. Bulanova G.P., Pearson D.G., Hauri E.H. et al. Dinamics of diamond growth: evidence from isotope and FTIR trends // 8th Kimberlite Conference. Long Abstracts. -Victoria. - Canada. - 2003.
12. Cartigny P., Stachel T., Harris J. et al. C- and N-stable isotope characteristics of diamonds from Namibia // 8th Kimberlite Conference. Long Abstracts. - Victoria. -Canada. - 2003.
ПРОГНОЗНО-ПОИСКОВЫЕ ФАКТОРЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПОГРЕБЁННЫХ РОССЫПЕЙ АЛМАЗОВ
13. Taylor L., Spetsius Z., Wiesli R. et al. The origin of mantle peridotites, crustal signatures from Yakutian kimberlites // 8th Kimberlite Conference. Long Abstracts. -Victoria. - Canada. - 2003.
14. Stachel T., Harris J., Muehlenbachs K. Sources of carbon in inclusion bearing diamonds // 9th International Kimberlite Conference. Extended Abstract. № 91KC-A-00132. - 2008.
15. Stefano A.De, Kopylova M.G., Cartingny P.,
Afanasiev V. Diamonds and diamondiferous eclogites of Jerico kimberlite (Northern Canada) // 9th International Kimberlite Conference. Extended Abstract. № 91KC-A-00321. - 2008.
16. Ukhanov A. V., Khachatryan G.K. Carbon isotope and evidance in favor of fluid origin of natural diamonds from kimberlite pipes in Yakutian province // 9th International Kimberlite Conference. Extended Abstract. № 91KC-A-00412. - 2008.
УДК 553.81; 553.068.5 (571.56)
Прогнозно-поисковые факторы локализации погребённых россыпей алмазов на востоке Тунгусской синеклизы
И.Г. Коробков, А.И. Коробкова
На основе литолого-фациалъного анализа изучены верхнепалеозойские отложения на востоке Тунгусской синеклизы. Установлен характер распределения в них кимберлитовых минералов и определены элементы строения каменноуголъных россыпей алмазов. Дана характеристика основных поисковых признаков и предпосылок, направленных на локализацию и прогнозную оценку площадей и участков, наиболее благоприятных на проявления погребённой россыпной алмазо-носности.
Ключевые слова: погребённые россыпи алмазов, прогнозно-поисковые признаки и предпосылки, минералы-спутники алмазов (МСА).
Upper Paleozoic sediments in the East of Tungusskayasyneclise were studied on the basis of lithologic-facial analysis. Kimberlite minerals distribution character is established and carboniferous age buried diamond placers structure elements are determined. Characteristics of basic prospecting features and preconditions for location and forecast assessment of areas and sites most favorable for buried placer diamondiferousness is given.
Key words: buried diamond placers, forecast-prospecting features and and preconditions, diamond accessory minerals (DAM).
Введение
Исследования прогнозно-поисковых факторов локализации кайнозойских и мезозойских россыпей алмазов берут своё начало практически с момента открытия первых алмазных месторождений на Сибирской платформе. Однако изучению, в том числе и количественной оценке погребённой россыпной алмазоносности, связанной с верхнепалеозойскими отложениями, основное внимание стали уделять лишь в последние годы, с момента вовлечения этого типа россыпепроявлений в круг интересов алмазодобывающей промышленности. Практический интерес к древним погребённым россыпям привёл к необходимости разработки ком-
КОРОБКОВ Илья Георгиевич - к.г.-м.н., зав. лаб. НИГП АК «АЛРОСА», korobkov@cnigri.alrosa-mir.ru; КОРОБКОВА Анна Ильинична - бакалавр СПбГУ, korobulya@mail.ru.
плекса поисковых признаков и предпосылок, на основе которого можно создавать и оценивать прогнозные модели перспективных площадей и участков. Решению этой задачи и были посвящены исследования, результаты которых изложены в настоящей статье. Оценивая степень изученности характеризуемых прогнозных факторов, необходимо подчеркнуть, что все они исследовались на отдельных аллювиальных и аллювиально-де-лювиальных погребённых россыпных объектах в пределах одного минералогического таксона более высокого порядка - россыпного поля, расположенного в западной части Малоботуобинского района (рис. 1). По мнению отдельных исследователей, основными источниками для этих россы-пепроявлений послужили известные кимберлито-вые тела Мирнинского поля, а также размытые терригенные алмазоносные осадки промежуточного (досреднекарбонового) коллектора. В то же
