Экспериментальное моделирование минералообразования при карбонат-оксидном и карбонат-оксид-сульфидном взаимодействии в условиях литосферной мантии

Баталева, Юлия Владиславна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Экспериментальное моделирование минералообразования при карбонат-оксидном и карбонат-оксид-сульфидном взаимодействии в условиях литосферной мантии
ВАК РФ 25.00.05, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное моделирование минералообразования при карбонат-оксидном и карбонат-оксид-сульфидном взаимодействии в условиях литосферной мантии"

На правах рукописи

БАТАЛЁВА Юлия Владиславна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ ПРИ КАРБОНАТ-ОКСИДНОМ И КАРБОНАТ-ОКСИД-СУЛЬФИДНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ В УСЛОВИЯХ ЛИТОСФЕРНОЙ МАНТИИ

25.00.05 - минералогия, кристаллография

1 2 идр 20/2

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

005011939

НОВОСИБИРСК-2012

005011939

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте геологии и минералогии им. B.C. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГМ СО РАН)

Научный руководитель: Пальянов Юрий Николаевич,

доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса ИГМ СО РАН

Официальные оппоненты: Гаранин Виктор Константинович,

доктор геолого-минералогических наук, директор Минералогического музея им. А.Е. Ферсмана РАН

Туркин Александр Иванович,

кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник ИГМ СО РАН

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт экспериментальной минералогии Российской академии наук, г.Черноголовка

Защита состоится «30» марта 2012г. в часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 003.067.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте геологии и минералогии им. B.C. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук, в конференц-зале.

По адресу: 630090, Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3 Факс: (383) 333-27-92, e-mail: gaskova@igm.nsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГМ СО РАН.

Автореферат разослан «21» февраля 2012г.

Ученый секретарь

диссертационного совета . -'. . / 1 - '

д.г.-м.н. с. ■ ' O.JI. Гаськова

ВВЕДЕНИЕ Актуальность исследований

Современные представления о мантийном минералообразовании и генезисе алмаза базируются на результатах изучения глубинных пород, минеральных и флюидных включений в алмазах, а также данных термодинамического и экспериментального моделирования (Соболев, 1974; Sobolev et al., 1997; Navon et al., 1988; Galimov, 1991; Pearson et al., 1995; Рябчиков, Когарко, 2010; Буланова и др., 1993; Гаранин и др., 1991; Кадик, Луканин, 1986; Shatsky et al., 2008; Pokhilenko et al., 2004; Литвин, 2009; Пальянов и др., 2005; Safonov et al., 2009). В ряде работ процессы мантийного минералообразования в целом и генезис алмаза в частности связывают с метасоматическими преобразованиями (Boyd et al., 1994; Taylor, Anand, 2004; Shatsky et al., 2008). В качестве наиболее вероятных агентов метасоматоза в литосферной мантии рассматривают компоненты С-О-Н флюида (Luth, 1999; Рябчиков, 2009), карбонат-содержащие расплавы (Wallace, Green, 1988; Когарко, 2006), а также Fe-содержащие силикатные расплавы (Hirschmann, 2009; Kelley, Cottrell, 2009). Сложность проблемы мантийного метасоматоза и ее значимость как для глобальных геодинамических построений, так и для понимания конкретных минералообразующих процессов, включая кристаллизацию алмаза, определяет актуальность комплексного изучения явления и диктует необходимость систематических экспериментальных исследований.

Цель работы заключалась в экспериментальном моделировании минералообразующих процессов в литосферной мантии, сопряженных с генерацией окисленных флюидов/расплавов, метасоматическими преобразованиями карбонат-силикатных ассоциаций при взаимодействии с пирротином, ильменитом, хромитом, и образованием алмаза в результате окислительно-восстановительных реакций. Основные задачи:

• Провести анализ предшествующих исследований, посвященных проблеме метасоматического минералообразования в литосферной мантии, включая процессы генезиса алмаза.

• Отработать методический подход при проведении модельных экспериментов, обосновать состав и схемы сборки ампул.

• Экспериментально изучить основные закономерности фазообразования при карбонат-оксид-сульфидном взаимодействии и оценить возможную роль сульфидов в процессах образования алмаза.

• Определить основные тенденции минералообразующих процессов при карбонат-оксидном взаимодействии с участием ильменита и генерации окисленных карбонатно-силикатных расплавов.

• Исследовать фазообразование и определить закономерности изменения состава Cr-содержащих фаз при карбонат-оксидном взаимодействии с участием хромита.

• Сопоставить полученные экспериментальные данные с современными

представлениями о мантийном метасоматозе.

Предмет исследования - процессы фазообразования при взаимодействии в карбонат-оксидных и карбонат-оксид-сульфидных системах, моделирующие метасоматические явления в условиях литосферной мантии.

Объект исследования - экспериментально полученные образцы фаз, моделирующих мантийные минеральные ассоциации.

Фактический материал. Проведено более 20 экспериментов при высоких Р,Т-параметрах, выполнено 1800 микрозондовых и 45 рентгенофазовых анализов, а также получено около 400 энергодисперсионных спектров. Изучение фазовых взаимоотношений на сколах и аншлифах проведено методами оптической и электронной микроскопии (более 600 микрофотографий). Исследование включений выполнено методами ИК- и КР-спектроскопии.

Защищаемые положения

1. Процессы минералообразования в системе карбонат-оксид-сульфид при Р-Т параметрах литосферной мантии включают реакции декарбонатизации и восстановления С02 до элементарного углерода. При образовании ассоциации Ре,Мд-гранат+сульфид+алмаз(графит) происходит обогащение сульфида серой за счёт кристаллизации Гу^-Ре силикатов. Средой кристаллизации алмаза является С02-флюид, а роль восстанавливающих агентов играют сульфиды.

2. Минералообразование при карбонат-оксидном взаимодействии с участием ильменита, в резко окислительных условиях происходит с образованием ассоциации Ре,М§,Са-гранат+Ре-магпгаит+рутил и обогащенного Ре3+ (до 13 вес.% Ре20з) карбонатно-силикатного расплава, который в условиях мантии может являться агентом окислительного метасоматоза. В области стабильности элементарного углерода образуется ассоциация Ре,]У^,Са-гранат+рутил+Ре-магнезит и генерируется алмазообразующий карбонатно-силикатный расплав, обогащенный Ре2+.

3.При карбонат-оксидном взаимодействии с участием хромита осуществляется образование Сг-пиропа, эсколаита, Ре-магнезита и С02-флюида. Устойчивость хромита и эсколаита в ассоциации с Ре-магнезитом и Сг-пиропом зависит от степени декарбонатизации системы. В присутствии эсколаита и С02-флюида концентрации 1^0 и Сг205 в гранатах с повышением температуры существенно увеличиваются (до 14,5 Сг20з), а содержания РеО и СаО — снижаются.

Научная новизна

агентами мантийиого окислительного метасоматоза (Ре3+-содержащие) и алмазообразующими средами (Ре2+-содержащие); 3) впервые экспериментально установлено, что участие С02-флюида в процессах взаимодействия хромсодержащих силикатов и оксидов приводит к образованию ассоциации Cr-пироп+эсколаит, вместо Сг-пироп+хромит.

Практическая значимость

Экспериментально установленные закономерности могут быть использованы для построения моделей мантийного метасоматоза и природного алмазообразования. Данные по устойчивости мантийной ассоциации Сг-пироп+хромит и закономерности изменения состава Сг-пиропа в С02-содержащих средах могут представлять интерес при обосновании поисковых критериев алмаза и для развития представлений об условиях образования алмазсодержащих пород.

Апробация работы. Результаты работы представлены на международных симпозиумах и конференциях «Петрология литосферы и происхождение алмаза», Asian Current Research on Fluid Inclusions Новосибирск, 2008, 2010 и Materials of Global-Network Symposium on Earth's Dynamics, Sendai, 2010. Основные положения диссертации опубликованы в трех статьях в журналах Earth and Planetary Science Letters, Lithos, Доклады РАН и тезисах 5 докладов.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав и заключения. Диссертация изложена на 157 страницах и содержит 35 иллюстраций и 14 таблиц. Список литературы включает 227 наименований.

Работа выполнена в лаборатории экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса ИГМ СО РАН под руководством зав.лаб. д.г.-м.н. Ю.Н. Пальянова, которому автор выражает свою признательность. Автор благодарит д.г.-м.н. А.Г. Сокола, к.г.-м.н. Ю.М. Борздова, д.г.-м.н. А.Ф. Хохрякова, д.г.-м.н. Г.А. Пальянову, с.н.с. И.Н. Куприянова и Т.В. Молявину за постоянную помощь при выполнении работы, к.г.-м.н. E.H. Нигматуллину, к.г.-м.н. В.Н. Реутского, к.г.-м.н. А.Т. Титова - за содействие в проведении аналитических работ, а д.г.-м.н. Е.Ф. Синякову, к.г.-м.н. С.З. Смирнова и к.г.-м.н. JI.M. Житову - за предоставленные образцы. Работа выполнена при финансовой поддержке проектов РФФИ (гранты №08-0500336, 09-05-00713), СО РАН (интеграционный проект №51), гранта Регионального общественного фонда содействия отечественной науке, в номинации «Лучшие аспиранты РАН», 2010.

Обозначения, принятые в работе.

Grt - гранат, Сг-Ргр -хромпироп, ОРх - ортопироксен, Ку - кианит, FeMs - ферромагнезит, Ms - магнезит, Со - коэсит, Cor - корунд, Ру - пирит, Ро - пирротин, Ilm - ильменит, Ru - рутил, Chr - хромит, Esk - эсколаит, G - графит, D - спонтанно образовавшийся алмаз, Dm - затравочный кристалл алмаза, L - карбонатно-силикатный расплав, С02 - флюид, состоящий преимущественно из С02, с растворенными в нем компонентами системы.

Глава 1. ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

По современным представлениям, большинство природных алмазов образуется при давлениях 4-7 ГПа и температурах 900-1500°С (Соболев, 1983; Haggerty, 1986; Sobolev et al., 2000; Meyer, 1987; Stachel, Harris, 2008; Taylor, Anand, 2004). На основе детальных исследований включений установлено два основных парагенезиса алмаза: перидотитовый и эклогитовый (Соболев, 1974; Meyer, 1985; Harris, 1992; Haggerty, 1995; Sobolev et al., 1997, 1998), a также доминирование среди минеральных включений в алмазах силикатов, сульфидов, оксидов и карбонатов (Соболев, 1974; Sobolev et al., 1973, 1997; Wang et al., 1996; Буланова и др., 1993; Гаранин и др., 1991; Navon, 1999; Shatsky et al., 2008). Важную информацию о составе среды кристаллизации алмаза дает изучение флюидных включений в алмазах (Giardini, Melton, 1975; Бартошинский и др., 1987, 1992; Navon et al., 1988; Schrauder, Navon, 1994; Klein-BenDavid et al., 2006; Томиленко, 2006). Данные по составу включений-индикаторов редокс условий (Meyer, Svisero, 1975; Соболев и др., 1981; Navon et al.,1988; Chinn et al. 1995) и результаты термодинамического моделирования (Кадик, Луканин, 1986; Ogasawara et al., 1997; Кадик и др., 2003, 2006) свидетельствуют о возможном широком диапазоне значений фугитивности кислорода от восстановленных на уровне буфера железо-вюстит до окисленных на уровне буфера ССО. В результате экспериментальных исследований установлены закономерности процессов кристаллизации алмаза в различных системах, моделирующих природные среды (Akaishi et al., 1990, 2000; Arima et al., 1993, 2002; Чепуров и др., 1997; Литвин и др., 1997, 1999, 2001; Palyanov et al., 1999, 2000, 2006; Sokol et al., 2000, 2001; Бобров и др., 2011). В большинстве работ в качестве источника углерода использовали графит. Следовательно, ряд ключевых вопросов, касающихся процессов и механизмов алмазообразования, а также источника углерода, по-прежнему остаются дискуссионными. Лишь в единичных работах (Arima et al., 2002, Pal'yanov et al., 2002, 2005) экспериментально показана принципиальная возможность образования алмаза за счет взаимодействия карбонатов или С02 с восстановителями (Si, SiC и Нг). Следует отметить, что образование алмаза в результате редокс реакций предполагается во многих современных моделях (Haggerty, 1986; Sobolev, Shatsky, 1990; Galimov, 1991; Deines, Harris, 1995; Navon, 1999; Luth, 1999; Рябчиков, 2009), однако экспериментальное исследование подобных реакций только начинается. В качестве одного из примеров, до сих пор не реализованного экспериментально, можно привести реакцию 2FeS+C02=2Fe0+S2+C (Marx, 1972).

В ряде работ процессы алмазообразования в мантии связывают с метасоматическими явлениями (Boyd et al., 1994; Taylor, Anand, 2004; Shatsky et al„ 2005, 2008; Klein BenDavid et al., 2007, 2009). Важно подчеркнуть, что данные по составу агентов мантийного метасоматоза - С-

0-Н флюида (Luth, 1999; Рябчиков, 2009; Malaspina et al., 2010) и карбонатитовых расплавов (Wallace, Green, 1988; Когарко, 2006) хорошо согласуются с информацией о составе высокоплотных флюидных микровключений (HDF) в волокнистых алмазах (Navon et al., 1988; Schrauder, Navon, 1994; Ширяев и др., 2005; Klein-BenDavid et al., 2004, 2007, 2009; Zedgenizov et al., 2004, 2007, 2009; Logvinova et al., 2006; 2008).

Таким образом, анализ предшествующих работ свидетельствует о том, что минералообразующие процессы, связанные с явлениями метасоматоза, и, возможно, сопряженные с ними процессы генезиса алмаза, могут иметь достаточно широкое распространение в литосферной мантии. Исследования таких процессов весьма актуальны для разработки возможных сценариев мантийного метасоматоза и образования алмаза, однако, работы по экспериментальному моделированию метасоматического взаимодействия являются единичными, по причине значительных методических сложностей.

Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Эксперименты проведены на беспрессовом многопуансонном аппарате высокого давления «разрезная сфера» (БАРС) (Malinovsky et al., 1989; Пальянов и др., 1990, 1997) в интервале температур 1250-1800°С, при давлении 6,3 ГПа и длительности от 8 до 44 часов. Платиновые и графитовые ампулы (0=10 мм) с исследуемым веществом устанавливали в малоградиентной зоне графитового нагревателя и размещали в ячейке высокого давления размером 21,1x21,1x25,4 мм. Калибровки, выполненные ранее (Pal'yanov et al., 2002), обеспечивали погрешность определения Р,Т-параметров на уровне ±0,1 ГПа, ± 20°С в интервале 1150-1400°С, и ±0,2 ГПа, ± 40°С в интервале 1500-1800°С. Измерение температуры проводили в каждом эксперименте с помощью термопары PtRlv/PtRh3o, спай которой размещали внутри нагревателя вблизи ампулы. При разработке методики представлялось важным минимизировать взаимодействие железосодержащих соединений с платиной, обеспечить герметичность и создать оптимальные условия для изучения процессов метасоматического взаимодействия в значительном объеме. Для этого из смеси оксидов и карбонатов изготавливали ампулы, внутри которых соответственно размещали цилиндры из пирротина, ильменита или хромита и затравочные кристаллы алмаза размером 0,5 мм, как показано на рис. 1а, 5а, 10а. В результате реакций декарбонатизации в ампулах образовывались силикаты и С02-флюид, которые затем взаимодействовали с пирротином, ильменитом или хромитом.

Фазовый состав образцов исследовали методом рентгенофазового анализа (дифрактометр ДРОН-3). Химический состав фаз определяли методами микрозондового анализа (Camebax-Micro) и энергодисперсионной спектроскопии (LEO 420). Исследование фазовых

взаимоотношений проводили при помощи методов оптической (Olympus ВХ51) и электронной микроскопии (LEO 420). Весовые пропорции новообразованных фаз рассчитывали с использованием метода баланса масс. Содержание Fe2+ и Fe3+ в исходном пикроильмените определено при помощи 5 Fe Мессбауэровской спектроскопии. Концентрации Fc203 в силикатных и оксидных фазах рассчитывали по методике Фингера (Finger, 1972). Валовое содержание Fe3+ в карбонатно-силикатном расплаве рассчитывали исходя из концентрации титаномагнетита в закалочном агрегате.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАРБОНАТ-ОКСИД-СУЛЬФИДНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Сульфидные минералы часто встречаются в мантийных ксенолитах и широко распространены в качестве включений в алмазах, где могут составлять до 45-50% от общего их количества. Однако, возможная роль сульфидов в процессах генезиса алмаза остается дискуссионной. В данной главе представлены результаты экспериментального исследования карбонат-оксид-сульфидного взаимодействия по схеме [MgC03-Si02-AbOîj+FcS при мантийных Р-Т параметрах, направленного, прежде всего, на выявление возможной роли сульфидов в процессе генезиса алмаза. Результаты экспериментов представлены в таблице 1. Установлено, что при температурах 1250-1450°С процесс декарбонатизации был локализован в реакционной зоне на контакте карбонат-оксидной ампулы с сульфидом, где образовалась ассоциация гранат, магнезит, кианит и метастабильный графит (рис. 16). Ширина реакционной зоны, а, соответственно, и степень декарбонатизации системы, увеличивались при повышении температуры. Образующиеся гранаты обогащены железом от 22 до 26 вес.% FeO. Пирротин в этих экспериментах не плавился, но его состав изменялся от FeS (исходный) до Fe0,85-o,89S. На затравочных кристаллах алмаза установлен незначительный рост. При температурах выше 1450°С реакция декарбонатизации проходила практически полностью, с образованием агрегата граната, ортопироксена и сульфида, в котором находились

Табл. 1. Результаты экспериментов по карбонат-оксид-сулы мдному взаимодействию

Т, °С t, час Полученные фазы Фазы углерода Рост алмаза на затравку

Силикаты, карбонаты Сульфиды

1250 42 Ms+Grt+Co+Ky Po G +

1350 42.5 Ms+Grt+Co+Ky Po G +

1450 42 Ms+Grt+Co+Ky Po G +

1600 23.5 Grt+Co+Ms+Ky+OPx Po+Py* G +

1650 23.5 Grt+Co+OPx Po+Py* G+D +

1700 8 Grt+Co+OPx+Ky Po+Py* G+D +

1800 8 Grt Po+Py* G -

* - закалочные фазы.

(а) Исходная схема (б) Т=1250-1450°С (в) Т=1600-1800°С

Рис. 1 Схемы карбонат-оксид-сульфидного взаимодействия в реакционных ампулах.

кристаллы алмаза (рис.2) и метастабильного графита, а также полости, сформированные обособившимся ССЬ-флюидом, образовавшимся при декарбонатизации (рис.1 в). Концентрация железа в гранате изменялась от 9 до 13 вес.% (рис.За). При температурах выше 1450°С плавился сульфид, а при закалке образовывался агрегат пирита и пирротина. При этом валовое содержание серы в сульфидном расплаве увеличивалось с повышением температуры. Спонтанная кристаллизация алмаза установлена преимущественно во флюидных полостях, в которых также обнаружены ограненные кристаллы граната, коэсита, графита, и микросферы пирита (рис.2). Свободный рост этих фаз является прямым свидетельством того, что при Р,Т-параметрах экспериментов С02-флюид способен растворять и транспортировать оксиды, силикаты, сульфиды и углерод. В целом, реализованные процессы можно описать основными реакциями -декарбонатизации (Wyllie et al., 1993; Knoche et al., 1999; Palyanov et al., 2005):

3MgC03+Al203+3Si02=Mg3Al2Si3012+3C02 MgC03+Si02=MgSi03+C02 и восстановления C02 сульфидами до алмаза или графита:

3Si02+Al203+3FeS+l .5C02=Fe3Al2Si3012+l .5С+1,5S2 (в сульфидах). Важно подчеркнуть, что сульфиды являются восстанавливающими

Рис.2. Кристаллы алмаза, граната, коэсита, графита и микросферы пирита в полостях; а, в 1700°С, б - 1650°С;

агентами независимо от их агрегатного состояния. В результате взаимодействия с С02-флюидом отношение 8/(8+Ре) в сульфиде

увеличивается с повышением

температуры (рис.Зб). При сопоставлении составов гранатов, полученных в настоящем исследовании, с расчетами (Вегтап, 1991), установлено, что с увеличением концентрации Ре в М§-гранате до 25 вес.%, поле устойчивости ассоциации гранат+С02 расширяется в сторону низких температур, и, как следствие, реакции декарбонатизации начинаются уже при 1250°С (рис.4).

Таким образом, карбонат-оксид-сульфидное взаимодействие приводит к образованию ассоциации Ре-силикатов, сульфидов и алмаза (графита), образованного за счет углерода исходного карбоната. Кристаллизация алмаза в широком интервале температур осуществлялась из пересыщенного углеродом С02 флюида, содержащего в растворенном виде силикаты, оксиды и процесса кристаллизации алмаза являлись реакции, в которых сульфиды играли

1600

1800

1200

1400

сл 0.56

0,52

1200

1800

1400 1600 Т/С

Рис.3. Зависимость состава фаз от температуры: (а) - содержание РсО в гранате; (б) - валовая концентрация серы в сульфиде.

сульфиды. Движущей силой окислительно-восстановительные роль восстанавливающих агентов.

I I I I I I | I

1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800

ф - метастабилышй графит (G)

©- рост алмаза (+G)

О- рост п муклеацня алмаза (+G)

т,°с

Рис.4. Р,Т-диаграмма с основными реакциями (Sharp, 1969; Newton, Sharp, 1975; Kennedy, Kennedy, 1976; Knoche et al., 1999) и результатами экспериментов по образованию алмаза и графита. Стрелкой обозначен сдвиг реакции декарбонатизации при увеличении концентрации FeO в Mg-гранате до 25 вес.% с учетом расчетов (Вегтап, 1991).

CaMg(C0,),+MgC0j+Si0,+AI20

АЛЛА

(Mg,Fe)(Ti,Fe,Cr)0,

пикроильменит

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАРБОНАТ-ОКСИДНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С УЧАСТИЕМ ИЛЬМЕНИТА

Наряду с Cr-пиропом и хромитом, пикроильменит является одним из основных минералов-индикаторов кимберлитов (Соболев, 1974; Wyatt et al., 2004; Robles-Cruz et al., 2009), а также встречается во включениях в алмазе (Meyer, Svisero, 1975; Sobolev and Yefimova, 2000). В условиях верхней мантии ильменит рассматривают как важный минерал-концентратор Fe2+ и Í^J CaMa(C0,>,+MaC0,+Si0,+AI,0, Fe3+(Соболев, 1974; Moore, 1987; Wyatt

et al., 2004). Стабильность ильменита при P>4.1 ГПа и Т>1075°С ограничена реакцией Ilm+02=Ru+Mgt (IRM) (Геншафт и др., 1999; Dasgupta et al., 2004), осуществляющейся в резко окислительных условиях, при /02 на уровне FMQ +2 лог.ед. Использование в экспериментах по карбонат-оксидному взаимодействию ильменита, содержащего 8,8 вес.% Fe203, позволяет моделировать процессы мантийного минералообразования и генерации расплавов/флюидов в окислительных условиях. Экспериментальные

исследования проведены по схеме [(Ca,Mg)C03-Si02-Al203] + (Fe,Mg) (Ti,Fe,Cr)03, при Р=6,3 ГПа, в интервале температур 1350-1650°С, и

длительности 20 часов. При Р,Т-параметрах экспериментов образуется ассоциация рутила, ильменита и Fe304(e расплаве), что позволяет контролировать /02 вблизи буфера IRM. Результаты экспериментов приведены в таблице 2. При температурах 1350 и 1450°С на контакте карбонатно-оксидной ампулы и ильменита образуется агрегат граната, рутила и ферромагнезита,

сосуществующих с Ре3+-содержащим карбонатно-силикатным расплавом (рис. 56). Степень плавления системы не превышает 10 вес.%. Характерными особенностями расплава являются высокие концентрации ТЮ2, FeO, Fe203 (9-11 вес.%). Гранат содержит 16-23 вес.% FeO и 4-5 вес.% СаО (рис.7). В состав рутила входят примеси Сг203 и Fe203. Ферромагнезит содержит

5 мм

Pt ампула J

Рис. 5. Схемы карбонат-оксидного взаимодействия с участием ильменита: а - исходная схема; б - при 1350-1450°С, в I 1550-1650°С;

Рис.6. Фрагмент реакционной ампулы, 1650°С

Таблица 2. Результаты экспериментов по исследованию карбонат-оксидного взаимодействия с участем ильменита, по данным рентгенофазового анализа и расчетам баланса масс.

т,°с Материал ампулы Полученные фазы, вес.%

вг» 1е1УЬ Яи 11т ОРх Ку Со Сог Ь С02*

1650 Р1 38 11 13 - - - - 2 27 9

1550 Р1 39 15 14 - - - - 2 22 8

1450 Р1 25 14 15 5 8 13 - 2 10 8

1450 РН-в 22 16 28 - - - 14 8 8 4

1350 Р1 24 9 10 16 16 - - 6 9 10

1350 19 26 29 - - - 11 7 5 3

ССЬ* - рассчитано из количества силикатов по реакциям дскарбонатизации;

1-3 вес.% СаО и характеризуется N^#-0,80. При 1550 и 1650°С (рис.6) ильменит в ампулах отсутствует, а преобладающими фазами являются гранат, рутил, Ре3+-содержащий карбонатно-силикатный расплав и С02-флюид (рис.5в, 8а,в). Степень плавления системы составляет около 25 вес.%. Карбонатно-силикатный расплав содержит Ре203 от 4 до 9 вес.%. В полостях обнаружены ограненные кристаллы графита, коэсита и граната, свидетельствующие о том, что их формирование происходит в процессе экспериментов, а не на стадии закалки. Гранат содержит 13-19 вес.% РеО и 1-3 вес.% СаО (рис.7). Ферромагнезит характеризуется 1^#~0,85 и содержанием СаО до 2,5 вес.%. Появление в образцах более 35 вес.% силикатов свидетельствует о начале реакций декарбонатизации уже при 1350°С. Образующийся при этом

21 20 19 ^ 18

О 16 |>15 14

# - Р* ампула /

А - ампула >

• •

1А 1

Л / (а)

'-,-

50 1550 1650 Т,°С

, -- , #-Р! ампула

6 * ' # Л-Р(+С ампула

ф 4 N. .

° 3 я -го » ж

3 >• '

2 • ^ • '

1 I

1350 1450 1550 1650 Т,°С

Рис.

7. Зависимость состава граната

от температуры

Рис. 8. Фрагменты реакционных ампул: а - кристаллы граната в закалочном агрегате, 1550°С; б - кристаллы граната и Рс-магнезита на контакте с закалочным агрегатом, 1450°С; в -кристаллы граната и рутила с закалочным титаномагнетитом, 1550°С;

С02 растворялся в карбонатно-силикатном расплаве и взаимодействовал с ильменитом по реакции (Ferry et al., 2002):

MgTi03+C02=MgC03+Ti02. Разложение ильменита по реакции Fe(Ti,Fe)03+02=Ti02+ Fe304(B расплаве) приводило к образованию рутила и карбо-натно-силикатного расплава, обогащенного FeO, Fe203 и Ti02, который в условиях субкратонной литосферы может являться активным агентом метасоматоза, существенно окисляя породы за счет привноса в них Fe3"1".

Во второй серии экспериментов, проведенной при 1350 и 1450°С, для поддержания значений /02 на уровне буфера ССО (рис.9) использовали ампулы из графита. Полученные образцы представлены гранатом, рутилом, ферромагнезитом, корундом и коэситом, сосуществующими с Fe + содержащим карбонатно-силикатным расплавом. Кристаллизация в ампулах около 20 вес.% граната свидетельствует о том, что декарбонатизация уже при 1350°С была значительной (табл. 4.1). Характерными особенностями образующегося карбонатно-силикатного расплава, насыщенного С02, являются высокие содержания Si02, Ti02 и FeO, а также способность обеспечивать рост алмаза со скоростями 4-5 мкм/час в интервале 1350-1450°С, даже при содержании расплава в силикатно-оксидном матриксе на уровне 10%.

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАРБОНАТ-ОКСИДНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С УЧАСТИЕМ ХРОМИТА

Среди минеральных включений в алмазах распространены высокохромистый субкальциевый пироп и хромшпинелиды (Соболев и др., 1969; Sobolev et al., 1973). Экспериментальное моделирование условий образования этих минералов проведено в системах состава MASCr (MgO-Al203-Si02-Cr203) и CMASCr (Ca0-Mg0-Al203-Si02-Cr203) (Малиновский, Дорошев, 1974; Ringwood, 1977; Klemme, 2004; Suzuki et al., 2008; Туркин, Соболев, 2009). Учитывая важную роль флюидных компонентов при образовании алмазов и генетически связанных с ними минералов, представляется актуальным оценить влияние С02-флюида на устойчивость парагенезиса Cr-пироп+хромит. Экспериментальное моделирование процессов карбонат-оксидного взаимодействия с участием хромита проведено по схеме [(Ca,Mg)C03-Si02-Al203]+(Mg,Fe)(Cr,Al,Fe)204 при

Т,°С

Рис. 9. Т-1с^/02 параметры экспериментов по карбонат-оксидному взаимодействию с участием ильменита. а(Ргр)-активность пиропа.

Р=6,3 ГПа, Т=1350-1650°С и длительности 20 часов. Схема сборки ампул показана на рис. 10а. Результаты экспериментов приведены в таблице 3. При температурах 1350 и 1450°С образуется ассоциация Сг-пиропа,

Табл.3. Результаты экспериментов по карбонат-оксидному взаимодействию с участием хромита

Т,°С Полученные фазы Массовые доли полученных фаз, вес.%

РеМв Евк СЬг ОРх Со Сог со2 Ь

1350 Оп+РеМв+Евк+СЬг+Со+Сог 27 26 15 10 - 11 7 4 -

1450 Оп+РеМв+Езк+СИг+Сог 53 14 20 3 - - 2 8 -

1550 (ЗП+РеМз+Евк 53 33 14 - - - - - -

1650 СгИ-Орх+ЕеМЯ-Евк+Уд 41 5 19 - 5 - - 5 25

эсколаита, ферромагнезита и хромита (рис. 106). Сг-пироп, располагающийся на контакте с хромитом или эсколаитом, характеризуется очень высокими концентрациями Сг203 - от 9,6 до 11,6 вес.%, и содержанием СаО от 4,5 до 8 вес.%. Эсколаит (рис.12), в виде крупных кристаллов с собственной огранкой, содержит около 12 вес.% А1203 и 4-7

вес.% Ре203. При температурах выше 1550°С в поликристалллическом агрегате Сг-пиропа, ферромагнезита и эсколаита находятся полости, сформированные обособившимся С02 (рис.11). Сг-пироп, полученный при 1550°С, содержит Сг203 от 7 до 12,5 вес.% и СаО от 4 до 6 вес.%. При 1650°С образуется карбонатно-силикатный расплав, сосуществующий с ортопироксеном, Сг-пиропом и эсколаитом. Степень плавления составляет около 25 вес.%. Особенностями состава расплава являются содержание 75-80 вес.% карбоната и около 15 вес.% ЗЮ2. В составе Сг-пиропа при 1650°С отмечена максимальная концентрация Сг203 -14,5 вес.% (рис.5.4). Кристаллизация в образцах большого количества граната (до 53 вес.%), а также присутствие крупных флюидных полостей, свидетельствуют о значительной декарбонатизации системы во всём интервале температур. Реакции декарбонатизации сопровождались обогащением граната хромом и железом. Составы полученных гранатов характеризуются закономерным повышением концентраций и Сг203 (рис. 13) и снижением содержания

иг

(Са,Мд)СО,+5Юа+А1гО, (Мд,Ре)(А1,Сг)204

карбонатно-оксидная ампула

От

Д\ А А А

Е5к+РоМз

V V V V

шг

Ргр+ОРх+1-

СО,-^

Ргр+РеМв

ампула

5 мм

Рис.10. Схемы карбонат-оксидного взаимодействия с участием хромита: а - исходная схема; б - при 1350-1450°С, в-при 1550-1650°С;

rV,;

ШРУН

* n ... л Rr

Рис. 11. Фрагмент реакционной ампулы. Рис. 12. Фрагмент реакционной ампулы, 1650°С. 1550°С.

РеО и СаО с увеличением температуры. При Р,Т-параметрах экспериментов взаимодействие С02 с пикрохромитом приводило к его разложению и образованию Ре,А1-содержащего эсколаита. Высвободившиеся в этой реакции компоненты - М£0 и БеО, наиболее вероятно, растворялись в С02-флюиде. Кристаллизация ферромагнезита в интерстициях агрегата кристаллов эсколаита происходила на стадии закалки из С02 флюида, насыщенного М§0 и РеО:

(Мё,Ре)(Ре,А1,Сг)204+С02^(Ре,А1,Сг)203+ (Ре,Мё)С03(закал„,нь,й). Следовательно, наиболее вероятной причиной для образования ассоциации Сг-пироп+эсколаит, вместо Сг-пироп+хромит при 1350-1650°С и 6,3 ГПа является присутствие С02 флюида и/или карбонатно-силикагного расплава.

1250 1350 1450 1550 1650 1250 1350 1450 1550

ve т,-с

Рис. 13. Зависимость состава граната от температуры.

Глава 6. ОСОБЕННОСТИ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО МЕТАСОМАТОЗА В ЛИТОСФЕРНОЙ МАНТИИ И ЕГО СВЯЗЬ С АЛМАЗООБРАЗОВАНИЕМ

В заключительной главе представляется актуальным сопоставить основные тенденции и закономерности, установленные в экспериментах, с результатами изучения природных объектов и существующими представлениями о мантийном минералообразовапии, включая возможный генезис алмаза. Результаты экспериментов в системе карбонат-оксид-сульфид при мантийных Р,Т-параметрах свидетельствуют, прежде всего, о том, что в процессах образования алмаза или метастабильного графита из углерода карбонатов сульфиды способны играть роль агентов, восстанавливающих СО? до элементарного углерода. Важной особенностью

взаимодействия является образование алмаза и графита в ассоциации с гранатом, ортопироксеном, кианитом, коэситом, пирротином и пиритом -минералами, характерными для мантийных парагенезисов Учитывая широкую распространенность сульфидов в алмазоносных мантийных ксенолитах и в алмазах из кимберлитов (Соболев, 1974; Гаранин и др., 1991; Буланова и др., 1993; Специус и др., 1998, 2002), предложенная модель образования алмаза с учётом восстанавливающей роли сульфидов может быть одним из сценариев образования алмаза в природе. Тренды повышения валового содержания серы в сульфидах, установленные в экспериментах, позволяют рассматривать находки сульфидов с относительно высокими 8/(8+Металл) отношениями и, тем более, пирита в алмазоносных ксенолитах или во включениях в алмазах (Bulanova et al., 1982; Гаранин и др., 1991; Буланова и др., 1993; Deines and Harris, 1995; Шестакова, 1996; Klein BenDavid et al., 2003; Ragozin et al., 2006) в качестве аргументов в пользу предложенной модели генезиса алмаза и одного из возможных сценариев мантийного метасоматоза.

Результаты экспериментов по моделированию карбонат-оксидного взаимодействия с участием ильменита, сопряженного с генерацией Fe2* и Ре3+-содержащих карбонатно-силикатных расплавов, показывают, что основными факторами, влияющими на состав этих расплавов, являются Т и /02. Расплав, образующийся в резко окислительных условиях (IRM буфер), характеризуется повышенными концентрациями Fe3+ и растворенного С02. Подобные расплавы потенциально могут играть роль агентов окислительного метасоматоза (Wallace, Green, 1988; Когарко, 2006; Kamenetsky et al., 2004; Kelley and Cottrell, 2009; Hirschmann, 2009; Luth, 1999; Рябчиков, 2009), образуясь в равновесии с ильменитом или магнетитом, при значениях /02 около FMQ +2 лог.ед. и температурах незначительно превышающих солидус материнских карбонатизированных пород. Расплав, образовавшийся при значениях /02 на уровне буфера ССО, обладет совершенно иными характеристиками - в его составе присутствует только Fe2+, а концентрация С02 в несколько раз ниже при тех же температурах. Кристаллизация алмаза в подобных расплавах ранее не изучалась, поэтому целесообразно сопоставить полученные данные с предшествующими исследованиями в различных системах, моделирующих потенциальные алмазообразующие среды, обзор которых представлен в работах (Palyanov et al., 2005; Palyanov, Sokol, 2009). Следует отметить, что скорости роста алмаза в данном расплаве (4-5 мкм/час) соизмеримы или превышают установленные в системах доломит-углерод и доломит-флюид-углерод, во флюидах системы С-О-Н, а также в щелочных карбонатных и карбонатно-флюидных средах при тех же значениях Р и Т (6,ЗГПа, 13501450°), соответствующих условиям образования большинства природных алмазов. Это позволяет рассматривать железосодержащие карбонатно-силикатные расплавы, насыщенные С02, в качестве новой эффективной

алмазообразующей среды. Подтверждением существования таких расплавов в мантийных условиях в процессах кристаллизации алмаза являются находки включений, близких по составу к синтезированным расплавам (Logvinova et al., 2008; Zedgenizov et al., 2009).

В последние десятилетия проведены экспериментальные и термодинамические исследования Cr-содержащих мантийных ассоциаций (Brey et al., 1999; Klemme et al., 2004; Туркин, Соболев, 2009). Кроме того, в ассоциации с алмазом из тр.Удачная впервые обнаружен эсколаит (Logvinova et al., 2008). Проведенные нами эксперименты позволили установить, что образование ассоциации Cr-пироп+эсколаит может быть результатом предельной метасоматической переработки мантийных пород окислительными агентами -С02-флюидом и карбонатно-силикатным расплавом,

присутствие которых приводит к разложению хромита, с образованием эсколаита и карбоната, в ассоциации с Сг-пиропом. Полученные

субкальциевый Сг-пироп, хромит и эсколаит по составу соответствуют минералам из ксенолитов пород верхней мантии, а также включениям в алмазе. По классификации Н.В. Соболева (Sobolev et al., 1973), Cr-пиропы с повышенным содержанием Ca, образовавшиеся при 13 5 0°С, соответствуют

верлитовому парагенезису, а полученные при 1450-1650°С (в ассоциации с орто-пироксеном) - гарцбургитовому парагенезису (рис.14). Близость составов экспериментально полученных фаз к минералам мантийных парагенезисов свидетельствует о том, что результаты данного исследования могут представлять интерес для реконструкции метасоматических процессов в мантии, сопряжённых с алмазообразованием. Эсколаит в этих процессах может рассматриваться как индикатор предельно окислительного метасоматоза высокохромистых алмазсодержащих ассоциаций.

10 12 Сгг03, вес.%

Классификационная диаграмма граната, согласно данным Н.В. Стрелкой обозначено увеличение температуры экспериментов. V/ - верлитовый, Ь лерцолитовый, Н - гарцбургитовый парагснезисы.

Рис. 14.

составов

Соболева.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведённые исследования позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. При исследовании карбонат-оксидного-сульфидного взаимодействия установлено образование алмаза и (или) метастабильного графита в ассоциации с Т^-Бе силикатами: гранатом, ортопироксеном, кианитом, а также коэситом и сульфидами: пирротином и пиритом. Экспериментально обоснована особая роль сульфидов, способных восстанавливать С02, образующийся в результате декарбонатизации, до элементарного углерода. Кристаллизация алмаза осуществлялась из пересыщенного углеродом С02 флюида за счет окислительно-восстановительных реакций. Источником углерода алмаза (графита) является исходный ]У^СОз. Совокупность рассмотренных процессов может быть одной из моделей генезиса алмаза при мантийном метасоматозе.

2. В результате карбонат-оксидного взаимодействия с участием ильменита при 6,3 ГПа и 1350-1650°С определены условия генерации железосодержащих карбонат-силикатных расплавов, насыщенных С02. Состав и свойства таких расплавов зависят от значений /02. При редокс условиях, близких к буферу ЖМ (ильменит-ругил-магнетит), образуется богатый Ре3+ карбонат-силикатный расплав, который в условиях субкратонной литосферы может быть активным агентом метасоматоза, существенно окисляющим породы за счет привноса Ре3+ и создающим условия для окисления алмаза. При значениях /02 на уровне буфера ССО, общее содержание железа в карбонат-силикатном расплаве снижается в два раза, при этом концентрация Ре3+ падает до нуля. В этих условиях основным концентратором трехвалентного железа является рутил. Установлено, что богатый Ре2+ карбонатно-силикатный расплав, насыщенный С02 способен обеспечить рост алмаза со скоростями 4-5 мкм/час, в интервале 1350-1450°С, даже при его содержании в силикатно-оксидном матриксе на уровне 10%.

3. Карбонат-оксидное взаимодействие с участием хромита при 6.3 ГПа и 1350-1650°С приводит к образованию ассоциации низко- и среднекальциевого Сг-пиропа, эсколаита и ферромагнезита, близких по составу к минералам верхней мантии. Полученный Сг-пироп по отношению СаО/Сг2Оз соответствует гарцбургитовому и верлитовому парагенезисам. Установлено, что содержания и Сг203 в синтезированных гранатах существенно увеличиваются с повышением температуры, а концентрации РеО и СаО, напротив, снижаются. Участие С02-флюида и/или карбонатно-силикатного расплава в процессах взаимодействия хромсодержащих силикатов и оксидов приводит к образованию ассоциации Сг-пироп+эсколаит, вместо Сг-пироп+хромит.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

Статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК:

1. Palyanov Yu.N., Borzdov Yu.M., Bataleva Yu.V., Sokol A.G., Palyanova G.A., Kupriyanov I.N. Reducing role of sulfides and diamond formation in the Earth's mantle. Earth and Planetary Science Letters. 2007, v. 260, Iss. 1-2, p. 242-256.

2. Bataleva Yu.V., Palyanov Yu.N., Sokol A.G., Borzdov Yu.M., Palyanova G.A.. Conditions for the origin of oxidized carbonate-silicate melts: implications for mantle metasomatism and diamond formation. Lithos, 2012, V.128-131, P. 113-125.

3. Баталева Ю.В., Пальянов Ю.Н., Сокол А.Г., Борздов Ю.М., Н.В.Соболев. Условия образования Cr-пиропа и эсколаита в процессах мантийного метасоматоза: экспериментальное моделирование. Доклады РАН, 2012, Т. 442, № 1, С. 96-101.

Материалы и тезисы семинаров, конференций:

4. Баталева Ю.В. Экспериментальное исследование процессов фазообразования в системе MgC03-Si02-Al203-FeS при высоких Р,Т параметрах. Материалы XVIII международной научной студенческой конференции, г.Новосибирск, 2006, с.52-53.

5. Пальянов Ю.Н., Борздов Ю.М., Баталева Ю.В., Сокол А.Г. О роли сульфидов в процессах мантийного алмазообразования. Материалы IV Международного минералогического семинара, Сыктывкар, 17-20 мая 2006 г. Сыктывкар: Геопринт, 2006. С. 58-59.

6. Пальянов Ю.Н., Борздов Ю.М., Сокол А.Г., Баталева Ю.В., Соболев Н.В. Экспериментальное моделирование процессов образования алмаза в эклогитовом и перидотитовом парагенезисах. Тезисы Международного симпозиума «Петрология литосферы и происхождение алмаза», Новосибирск, 5-7 июня 2008, с. 61.

7. Palyanov Yu.N., Borzdov Yu.M., Sokol A.G., Bataleva Yu.V. The conditions of diamond and graphite formation in the mantle as a result of redox reactions. Materials of Global-Network Symposium on Earth's Dynamics, March 2-5,2010, Sendai, p.48.

8. Bataleva Yu.V., Palyanov Yu.N., Borzdov Yu.M., Sokol A.G. Experimental modeling of diamond-forming processes in the course of mantle metasomatism. Abstracts of III Biennial Conference of Asian Current Research on Fluid Inclusions (ACROFI III) and XIV International Conference on Thermobarogeochemistry (TBG XIV), Novosibirsk, 15-20 September, 2010, p.28.

_Технический редактор Е.Г. Соколова_

Подписано к печати 13.02.2012 Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме.

_Усл. печ. л. 1,0. Тираж 130. Зак. № 71_

ИНГГ СО РАН, ОИТ, 630090, Новосибирск, пр-т Ак. Коптюга, 3.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Баталева, Юлия Владиславна, Новосибирск

61 12-4/88

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И МИНЕРАЛОГИИ им. B.C. СОБОЛЕВА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 25.00.05 «МИНЕРАЛОГИЯ, КРИСТАЛЛОГРАФИЯ»

ДИССЕРТАЦИЯ

НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИХ НАУК

На правах рукописи

БАТАЛЕВА ЮЛИЯ ВЛАДИСЛАВНА

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

Д.Г.-М.Н. Ю.Н. ПАЛЬЯНОВ

НОВОСИБИРСК-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................4

Глава 1. ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................8

1.1. Особенности состава алмазообразующей среды......................................8

1.1.1. Предшествующие экспериментальные исследования..........................13

1.2. Карбонаты и С02-флюид в литосферной мантии....................................14

1.3. Карбонат-содержащие расплавы/флюиды как возможные агенты окислительного метасоматоза в мантии......................................................15

1.4. Обоснование экспериментальных исследований карбонат-оксид-сульфидного взаимодействия при мантийных Р,Т-параметрах.........................................18

1.5. Обоснование экспериментальных исследований карбонат-оксидного взаимодействия с участием ильменита при мантийных Р,Т-параметрах.............20

1.6. Обоснование экспериментальных исследований карбонат-оксидного взаимодействия с участием хромита при мантийных Р,Т-параметрах...............22

Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................24

2.1. Аппаратура и методика экспериментов...................................................24

2.2. Методы исследования полученных образцов............................................32

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАРБОНАТ-ОКСИД-

СУЛЬФИДНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.....................................................41

3.1. Образование фаз при карбонат-оксид-сульфидном взаимодействии...............42

3.2. Особенности состава силикатов и сульфидов............................................48

3.3. Образование алмаза и метастабильного графита........................................58

3.4. Реконструкция процессов карбонат-оксид-сульфидного взаимодействия и механизм образования алмаза.................................................................59

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАРБОНАТ-ОКСИДНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С УЧАСТИЕМ ИЛЬМЕНИТА....................................68

4.1. Результаты экспериментов при /02 на уровне буфера ильменит-рутил-

магнетит...............................................................................................70

4.2. Результаты экспериментов при /02 на уровне буфера ССО..........................91

4.3. Процессы образования алмаза и метастабильного графита..........................94

4.4. Реконструкция процессов взаимодействия и условий образования окисленных карбонатно-силикатных расплавов............................................................98

1 I

4.4.1. Компонентный состав богатого Бе карбонатно-силикатного расплава, образующегося в системе при /02 на уровне буфера 1ЛМ...............................98

4.4.2. Границы устойчивости ильменита и основные минеральные фазы

Л I

концентраторы Ре ..............................................................................99

4.4.3. Особенности состава расплавов при /02 на уровне ШМ и ССО буферов.....100

4.4.4. Кристаллы алмаза как индикаторы окислительно-восстановительных

условий..............................................................................................101

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАРБОНАТ-ОКСИДНОГО

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С УЧАСТИЕМ ХРОМИТА.......................................104

5.1. Результаты экспериментов по карбонат-оксидному взаимодействию с участием хромита...........................................................................................105

5.2.Реконструкция процессов фазообразования.............................................116

Глава 6. ОСОБЕННОСТИ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО МЕТАСОМАТОЗА В

ЛИТОСФЕРНОЙ МАНТИИ И ЕГО СВЯЗЬ С АЛМАЗООБРАЗОВАНИЕМ......120

6.1. Процессы карбонат-оксид-сульфидного взаимодействия и образование

алмаза................................................................................................120

6.2. Кристаллизация алмаза из Ре2+-содержащего карбонатно-силикатного расплава, насыщенного С02.............................................................................123

6.3. Возможная роль богатых Бе3+ карбонатно-силикатных расплавов как агентов окислительного метасоматоза................................................................125

6.4. Параметры реакций декарбонатизации и образования свободной С02 фазы при

карбонат-оксидном взаимодействии с участием ильменита..............................127

6.4.1. Вопрос о возможном существовании в мантии свободной С02 фазы..........128

6.5. С02 флюид и карбонатно-силикатный расплав как метасоматические агенты при образовании ассоциации Сг-пиропа и эсколаита в условиях мантии................129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................133

ЛИТЕРАТУРА

135

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований

Современные представления о мантийном минералообразовании и генезисе алмаза базируются, прежде всего, на результатах изучения глубинных пород, минеральных и флюидных включений в алмазах, а также данных термодинамического и экспериментального моделирования (Соболев, 1974; Sobolev et al., 1997; Navon, 1988; Galimov, 1991; Pearson et al., 1995; Рябчиков, Когарко, 2010; Буланова и др., 1993; Гаранин и др., 1991; Кадик, Луканин, 1986; Shatsky et al., 2008; Pokhilenko et al., 2004; Литвин, 2009; Пальянов и др., 2005; Safonov et al., 2009). В ряде работ процессы мантийного минералообразования в целом и генезис алмаза в частности связывают с метасоматическими преобразованиями (Taylor, Anand, 2004; Шацкий и др., 2005, Shatsky et al., 2008; Liu et al., 2009). В качестве наиболее вероятных агентов метасоматоза в литосферной мантии рассматривают компоненты С-О-Н флюида (Luth, 1999; Рябчиков, 2009; Malaspina et al., 2010), карбонат-содержащие расплавы (Wallace, Green, 1988; Когарко, 2006), а также Fe-содержащие силикатные расплавы (Kelley, Cottrell, 2009; Hirschmann, 2009). Сложность проблемы мантийного метасоматоза и ее значимость как для глобальных геодинамических построений, так и для понимания конкретных минералообразующих процессов, включая кристаллизацию алмаза, определяет актуальность комплексного изучения явления и диктует необходимость систематических экспериментальных исследований.

• Исследовать фазообразование и определить закономерности изменения состава Сг-содержащих фаз при карбонат-оксидном взаимодействии с участием хромита.

• Сопоставить полученные экспериментальные данные с современными представлениями о мантийном метасоматозе.

Защищаемые положения 1. Процессы минералообразования в системе карбонат-оксид-сульфид при Р-Т параметрах литосферной мантии включают реакции декарбонатизации и восстановления С02 до элементарного углерода. При образовании ассоциации Ре,1У^-гранат+сульфид+алмаз(графит) происходит обогащение сульфида

серой за счёт кристаллизации Mg-FQ силикатов. Средой кристаллизации алмаза является С02 флюид, а роль восстанавливающих агентов играют сульфиды.

2. Минералообразование при карбонат-оксидном взаимодействии с участием ильменита, в резко окислительных условиях происходит с образованием ассоциации Бе,М^Са-гранат+Ре-магнезит+рутил и обогащенного Ре3+ (до 13 вес.% Ре203) карбонатно-силикатного расплава, который в условиях мантии может являться агентом окислительного метасоматоза. В области стабильности элементарного углерода образуется ассоциация Ре,М&Са-гранат+рутил+Ре-магнезит и генерируется алмазообразующий карбонатно-силикатный расплав, обогащенный Ре2+.

3. При карбонат-оксидном взаимодействии с участием хромита осуществляется образование Сг-пиропа, эсколаита, Ре-магнезита и С02-флюида. Устойчивость хромита и эсколаита в ассоциации с Ре-магнезитом и Сг-пиропом зависит от степени декарбонатизации системы. В присутствии эсколаита и С02-флюида концентрации и Сг203 в гранатах с повышением температуры существенно увеличиваются (до 14,5 Сг2Оэ), а содержания РеО и СаО - снижаются.

Научная новизна

1) впервые экспериментально определена роль сульфидов в процессах образования алмаза или графита в системе карбонат-оксид-сульфид, заключающаяся в восстановлении С02 до элементарного углерода; 2) определены условия генерации железосодержащих карбонатно-силикатных расплавов, обогащенных С02, которые могут быть потенциальными агентами мантийного окислительного метасоматоза (Ре3+-содержащие) и алмазообразующими средами (Ре2+-содержащие); 3) впервые экспериментально установлено, что участие С02-флюида в процессах взаимодействия хромсодержащих силикатов и оксидов приводит к образованию ассоциации Сг-пироп+эсколаит, вместо Сг-пироп+хромит.

Практическая значимость

Экспериментально установленные закономерности могут быть использованы для построения моделей мантийного метасоматоза и

природного алмазообразования. Данные по устойчивости мантийной ассоциации Cr-пироп+хромит и закономерности изменения состава Сг-пиропа в С02-содержащих средах могут представлять интерес при обосновании поисковых критериев алмаза и для развития представлений об условиях образования алмазсодержащих пород.

Апробация работы. Результаты работы представлены на международном симпозиуме «Петрология литосферы и происхождение алмаза», Новосибирск, 2008, международной конференции Materials of Global-Network Symposium on Earth's Dynamics, Sendai, 2010 и международной конференции Asian Current Research on Fluid Inclusions ACROFI III, Новосибирск, 2010. Основные положения диссертации опубликованы в трех статьях в рецензируемых журналах Earth and Planetary Science Letters, Lithos, Доклады РАН и тезисах 5 докладов.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав и заключения. Диссертация изложена на 157 страницах и сопровождается 35 иллюстрациями и 14 таблицами. Список литературы включает 227 наименований.

Работа выполнена в лаборатории экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса ИГМ СО РАН под руководством зав.лаб. д.г.-м.н. Ю.Н. Пальянова, которому автор выражает свою искреннюю признательность. Автор считает своим долгом поблагодарить д.г.-м.н. А.Г. Сокола, к.г.-м.н. Ю.М. Борздова, д.г.-м.н. А.Ф. Хохрякова, д.г.-м.н. Г.А. Пальянову, с.н.с. И.Н. Куприянова и Т.В. Молявину за постоянную и всестороннюю помощь при выполнении работы. За содействие в проведении аналитических работ автор благодарит к.г.-м.н. E.H. Нигматуллину, к.г.-м.н. В.Н. Реутского, С.Н. Федорову, А.Т. Титова и М.В. Хлестова, а д.г.-м.н. Е.Ф. Синякову, к.г.-м.н. С.З. Смирнова и к.г.-м.н. JIM. Житову - за любезное предоставление образцов.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Особенности состава алмазообразующей среды

а) Сг-пироп и хромит

Высокохромистый субкальциевый пироп является одним из основных поисковых минералов-индикаторов алмаза (Соболев и др., 1969а, 19696; Sobolev et al., 1973). Хромит, часто присутствующий в ассоциации с субкальциевым пиропом во включениях в алмазах и алмазоносных перидотитах (Соболев и др., 1969а, 19696; Sobolev et al., 1973), характеризуется содержанием более 62 вес.% Сг20з и пониженной концентрацией ТЮ2. Обнаружение в кимберлитах хромшпинелидов такого состава совместно с высокохромистыми пиропами служит надёжным критерием их алмазоносности (Sobolev et al., 1973). Кроме того, эсколаит

(Cr203) установлен в ассоциации с природным алмазом из тр.Удачная (Logvinova et al., 2008а). Большинство гранатов перидотитового парагенезиса, обнаруженных во включениях в алмазах, показывает очень высокие концентрации Сг203 (от 6 до 20 вес.%) при низких концентрациях СаО (Соболев и др., 1969а; Sobolev et al., 1973).

б) Ильменит

Ильменит является достаточно редким минералом во включениях в алмазах (Meyer, Svisero, 1975; Sobolev, Yefimova, 2000). Однако, наряду с пиропом и хромитом, пикроильменит рассматривают в качестве минерала-индикатора кимберлитов, где он присутствует в виде мегакристов и фенокристаллов. Кроме того, ильменит часто присутствует в ксенолитах перидотитов и эклогитов, а также в составе «MARID-метасоматизированных» ксенолитов (Sobolev, 1977; Wyatt et al., 2004; Robles-Cruz et al., 2009). Широкая распространенность ильменита в кимберлитах стала причиной детального исследования особенностей его состава (Sobolev, 1977; Гаранин и др., 1984; Wyatt et al., 2004; Robles-Cruz et al., 2009), в частности, были разработаны классификационные диаграммы в координатах Mg0-Ti02 для разделения «кимберлитовых» и «не кимберлитовых» ильменитов (Sobolev, 1977).

в) Карбонаты

Первые включения карбонатов обнаружены в алмазах сравнительно недавно (Буланова, Павлова, 1987; Wang et al., 1996; Navon et al., 1988; Schrauder, Navon, 1994; Sobolev et al., 1997; Izraeli et al., 2001). Включения кальцита описаны в алмазах из кимберлитов плато Колорадо (Меуег, McCallum, 1986), а также Джуина, Бразилии (Brenker et al., 2002; Brenker et al., 2007). В работе Бренкера показано, что кальцит находится в ассоциации с (Ca,Ti)Si03 фазами, что может указывать на его сверхглубинное происхождение. Магнезит установлен в алмазах из трубок Мир и Финч (Wang et al., 1996). Доломит обнаружен среди минеральных включений в алмазах Мвадуи, Танзания (Stachel et al., 1998).

г) Флюидные включения

Изучение флюидных включений в алмазах предоставляет важную информацию о составе летучих в среде кристаллизации алмаза (Giardini, Melton, 1975; Бартошинский и др., 1987, 1992; Navon et al., 1988; Schrauder, Navon, 1993, 1994; Klein-BenDavid et al, 2006; Томиленко, 2006). В одной из первых работ по изучению флюидных включений в алмазах из южноафриканских кимберлитов (Giardini, Melton, 1975) показано, что преобладающими компонентами в них являются Н20, СО, С02, 02, Н2, СН4, С2Н4, N2, С2Н5ОН, С3Н6 и Аг. Включения высокоплотного флюида (HDF) чаще всего встречаются в алмазах с волокнистым внутренним строением. Такие алмазы содержат многочисленные микронные включения, в которых фиксируются Н20, С02, Н2, углеводороды, карбонаты, апатит, силикаты (Navon et al., 1988; Schrauder, Navon, 1994; Kagi et al., 2000; Zedgenizov et al., 2004; Ширяев и др., 2005). Изучение широкого спектра включений в алмазах позволило выделить несколько конечных членов состава микровключений в волокнистых алмазах: (а) водно-силикатный (мас.%): силикаты = 80, Н20 = 11, карбонаты = 6, фосфаты = 3; (б) карбонатный (мас.%): карбонаты = 82, силикаты = 12, Н20 = 2, фосфаты = 2, хлориды = 1; и (в) водно-солевой (мас.%): Н20 = 50, хлориды = 42, силикаты = 5, карбонаты = 3. Большинство HDF включений в алмазах имеют относительно окисленный состав, где в равновесии с алмазом находятся С02 или СОэ ". Происхождение различных типов флюидов/расплавов широко обсуждается (Schrauder, Navon, 1994; Schrauder et al., 1996; Izraeli et al., 2001, 2004; Navon et al., 2003, 2008; KleinBenDavid et al., 2004, 2007, 2009; Zedgenizov

Информация о работе

Баталева, Юлия Владиславна
кандидата геолого-минералогических наук
Новосибирск, 2012
ВАК 25.00.05

Диссертация

Экспериментальное моделирование минералообразования при карбонат-оксидном и карбонат-оксид-сульфидном взаимодействии в условиях литосферной мантии - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы