Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Изотопный состав углерода поликристаллических агрегатов алмаза из кимберлитовой трубки "Мир" (Якутия)

ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Реутский, Вадим Николаевич, Новосибирск

ер - */ &

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ, ГЕОФИЗИКИ И

МИНЕРАЛОГИИ

РЕУТСКИЙ Вадим Николаевич

ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ УГЛЕРОДА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ АЛМАЗА ИЗ КИМБЕРЛИТОВОЙ ТРУБКИ «МИР» (ЯКУТИЯ)

04.00.02 - геохимия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

На правах рукописи

Научный руководитель д.г-м.н. профессор академик Н.В. Соболев

Новосибирск 1999

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................3

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.....................................................................................................................8

Вариации изотопного состава углерода в природных объектах..................................................8

Изученность поликристаллических агрегатов алмаза................................................................16

Проблема генезиса поликристаллических агрегатов алмаза.....................................................27

Выбор объекта исследования..........................................................................................................32

ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА УГЛЕРОДА АЛМАЗОВ..............................................................................................................................................34

Специфика исследования изотопного состава углерода борта.................................................34

Перевод алмаза в С02 и приготовление стандартов.....................................................................35

Измерение отношения 13С/12С в полученных образцах газа........................................................44

ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ УГЛЕРОДА АЛМАЗОВ ИЗ ТРУБКИ «МИР».......................................48

Результаты исследования поликристаллических агрегатов .алмаза.........................................51

Проверка изотопных данных.......................................................!...................................................67

МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ИЗОТОПОВ УГЛЕРОДА ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ АЛМАЗА..........................................................................................................69

Поведение изотопов углерода при совместном росте алмаза и графита в системе металл-графит.................................................................................................................................................70

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ........................................................................................................75

Связь изотопного состава углерода с парагенезисом минеральных включений в

поликристаллических агрегатах алмаза.......................................................................................75

Связь изотопного состава углерода поликристаллических .агрегатов алмаза с габитусом

слагающих их индивидов................................................................................................................79

Взаимоотношения борта и монокристаллов алмаза по изотопному составу углерода.........83

РОЛЬ ИЗОТОПНОГО ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ УГЛЕРОДА В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ И ТЕМПЕРАТУР..............................................................88

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................................................92

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................................................94

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................................................111

Введение

Актуальность. Изотопные характеристики элементов, содержащихся в алмазе, несут информацию о геохимической специфике среды и могут быть использованы при выяснении как источников вещества, принявших участие в алмазообразовании, так и физико-химических условий кристаллизации алмаза. Это подтверждается отмеченными связями изотопного состава углерода с такими характеристиками кристаллов алмаза как габитус, цвет, парагенезис минеральных включений и др. (Клюев и др., 1978; Deines, 1980; Deines et al., 1984; Галимов, 1984). Установленные зависимости носят статистический характер и могут изменяться при рассмотрении различных месторождений алмаза (Deines et al, 1984; Галимов, 1984; Соболев и др., 1989; Kirkley et al., 1991). В связи с этим изучение изотопного состава углерода поликристаллических агрегатов алмаза из отдельно взятого месторождения представляет несомненный интерес для решения вопросов, связанных с проблемой образования алмазов в целом.

Целью настоящей работы было изучение изотопного состава углерода поликристаллических агрегатов алмаза и сравнительный анализ 513С агрегатов и монокристаллов алмаза из кимберлитовой трубки «Мир».

Задачи. Для успешного достижения цели исследований решались следующие задачи, включающие как технические, так и научные аспекты работ:

1. Разработка методики и техники подготовки алмаза к проведению масс-спектрометрических измерений.

2. Определение изотопного состава углерода алмазов.

3. Проверка достоверности и качества полученных изотопных данных.

4. Анализ полученных данных в свете современных представлений об условиях алмазообразования.

5. Модельное исследование распределения изотопов углерода при совместной кристаллизации алмаза и графита в системе металл-углерод.

Основные защищаемые положения

1. Разработанные методика и техника позволяют выполнять определение изотопного состава углерода, получаемого из микронавесок алмаза (до 0,5 мг).

2. Поликристаллические агрегаты алмаза из трубки «Мир», содержащие включения эклогитового парагенезиса, имеют более широкий диапазон вариаций 813С (от -3,7 до -22,9 %о РОВ), чем агрегаты содержащие включения ультраосновного парагенезиса (от -1,9 до -6,9 %о РОВ). Поликристаллические агрегаты алмаза из данного месторождения, в среднем, обогащены изотопом 13С относительно монокристаллов.

3. Поликристаллические агрегаты алмаза из кимберлитовой трубки «Мир», образованные индивидами октаэдрического габитуса, в среднем, обогащены изотопом 13С относительно агрегатов, образованных кристаллами других морфологических типов.

4. При совместной кристаллизации графита и алмаза в системе металл-углерод зафиксировано фракционирование изотопов углерода. Алмаз сохраняет изотопный состав источника, графит обогащается изотопом 13С, а углерод, растворенный в расплаве металла, - изотопом 12С.

Научная новизна. В рамках настоящей работы впервые проведено целенаправленное изучение изотопного состава углерода поликристаллических агрегатов алмаза - борта - из отдельной кимберлитовой трубки. Для проведения исследований разработана и апробирована новая система подготовки образцов к масс-

спектрометрическим измерениям. Полученные данные впервые позволили: а) провести сравнительный анализ изотопного состава углерода агрегатов и монокристаллов алмаза из одного месторождения; б) проследить взаимосвязь отношения изотопов углерода в борте с его типоморфными особенностями, которые, как отмечено в ряде работ (Орлов, 1973; Sunagawa, 1984; Gurney, Boyd, 1982; Бартошинский, Квасница, 1991), отражают условия кристаллизации алмаза.

Изучение изотопного состава углерода образцов, полученных в модельной системе, впервые позволило реально зафиксировать фракционирование изотопов углерода в процессе кристаллизации алмаза и графита из расплава при РТ-параметрах, отвечающих условиям верхней мантии.

Практическая значимость. В ходе настоящих исследований выполнено более 60 новых определений величин 813С природных и искусственных алмазов и связанных с ними соединений углерода.

Разработаны и апробированы методики, позволившие усовершенствовать контроль за качеством данных, получаемых на масс-спектрометре «Finnigan-MAT Delta». Проведена стандартизация оборудования, имеющегося в лаборатории радиогенных и стабильных изотопов ОИГГиМ СО РАН, которое применяется для изучения стабильных изотопов.

Разработанная система экстракции изотопов, по основным характеристикам, пригодна для извлечения из образцов серы, азота и благородных газов для изучения их изотопного состава. Конструкция установки позволяет работать как по методике полного пиролиза или сжигания образца в кислороде (Галимов, 1968; Javoy et al., 1984; Deines et al., 1984), так и с использованием методики ступенчатого нагрева (Kurz et al., 1987) в диапазоне температур до 1200°С.

Полученные изотопные данные могут быть использованы при детализации моделей алмазообразования.

Фактический материал. В рамках настоящей работы исследована коллекция поликристаллических агрегатов алмаза из трубки «Мир». Из 42-х изученных агрегатов алмаза, большинство представляют собой борт VIII разновидности, по классификации Ю.Л. Орлова (1973). Семь образцов относятся к борту IX разновидности. В большинстве отобранных для изотопных исследований образцов ранее, в Лаборатории минералов высоких давлений ИМиП СО РАН, были изучены минеральные включения (Соболев и др., 1983). Детальные описания исследованных поликристаллических агрегатов алмаза приведены в приложении 1.

Для изучения распределения изотопов между новообразованными фазами при росте алмаза методом температурного градиента (Пальянов и др., 1997) был выбран эксперимент, в котором отмечена совместная кристаллизация алмаза и графита.

Публикации и апробация работы. По теме диссертационной работы сделаны сообщения на ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (Москва, ГЕОХИ РАН. 23-24 апреля, 1998) и Сессии минералогического общества (Москва, ИГЕМ РАН. 1-3 декабря, 1998). Представлены два доклада на XV симпозиуме по геохимии изотопов (Москва, ГЕОХИ РАН. 24-27 ноября, 1998). Основные результаты работы опубликованы в отечественных научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из восьми глав, включая введение и заключение, и списка литературы, представленного 155 наименованиями. В тексте приведены 23 рисунка и 12 таблиц. Приложения

7

включают описания изученных образцов и примеры обработки изотопных данных.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность к.г-м.н. В.А. Пономарчуку, к.г-м.н. A.B. Травину, к.г-м.н. А.П. Перцевой, Э.С. Ефимовой, к.г-м.н. А.М. Логвиновой, к.г-м.н. Ю.М. Борздову и Dr. Р. Cartigny за помощь в проведении исследований. За конструктивные рекомендации и моральную поддержку автор благодарит д.г-м.н. B.C. Шацкого, д.г-м.н. Ю.Н. Пальянова, к.г-м.н. С.З. Смирнова, к.г-м.н. Д.А. Зедгенизова, К.А. Мальцева и A.A. Ширяева. При выполнении работы неоценимая помощь автору оказана научным руководителем д.г-м.н. академиком Н.В. Соболевым.

Литературный обзор

Вариации изотопного состава углерода в природных объектах

Большинство природных углеродсодержащих соединений имеет изотопный состав углерода от +10 до -90 %о относительно международного стандарта PDB {рисунок 1). Стандарт PDB (Чикагский стандарт) представляет собой кальцит раковин Belemnitella Americana мелового возраста из формации ПиДи (Peedee) в Каролине и имеет абсолютное отношение изотопов 13C/I2C 1123,72* 105. Такое отношение изотопов углерода в терминологии 5I3C PDB принято за 0 (Craig, 1957).

Наиболее тяжелый углерод был обнаружен при изучении лунных пород, в которых величина 513С некоторых порций СН4, СО и ССЬ, полученных при ступенчатом нагреве образцов, составила от +30 до +45,7

%о PDB (Chang et al., 1974). Среди Земных образцов максимальное

1 ^

содержание тяжелого изотопа С зафиксировано в кальците сферических карбонатных обособлений в кимберлитах (513С до +33,6 %о PDB) (Мамчур и др., 1980; Galimov, 1991) и в кальците из слюдяной перидотитовой дайки (513С до +24,8 %о PDB) (Deines, 1968). Наиболее облегченный углерод характерен для биогенного метана из верхних частей осадочного разреза Блейк-Багамского поднятия (813С до -94 %о PDB) (Кодина, Галимов, 1981).

Столь значительные вариации изотопного состава в природных объектах связывают, прежде всего, с биологическим фракционированием изотопов (Виноградов и др., 1965; Борщевский и др., 1981 и др.). Немаловажную роль также играет фракционирование, имеющее место при кристаллизации некоторых углеродсодержащих минералов (Бобров и др., 1978, 1980) и разделение изотопов между различными модификациями углерода при совместной их кристаллизации (Федосеев и др., 1971; Reutskii, Borzdov, 1998).

Углерод мантийного происхождения, равно как и атмосферный углерод, имеют среднюю величину Ô13C ~ -5 - (-7) %о PDB, что фиксируется по отношению изотопов углерода в неизмененных стеклах базальтов срединно-океанических хребтов (MORB glasses) (Pineau, Javoy, 1983; Des Marais, Moor, 1984; Javoy et al., 1986; Sano et al., 1998).

Изотопный состав углерода в породах, связанных с алмазопроявлениями

Кимберлиты и лампроиты

Углерод в кимберлитах содержится либо в виде самостоятельных фаз (алмаз, графит и рассеянный углерод) либо в виде химических соединений с другими элементами в составе минералов и газов {таблица 1). Изотопный состав углерода алмаза из кимберлитов варьирует от -1 до -34,4 %о PDB (Галимов, 1984; Galimov, 1991) {таблица I). Подавляющее большинство алмазов имеет значения 513С в диапазоне от -1 до -10 %о PDB (Galimov, 1991), что, в среднем, соответствует углероду мантийного происхождения (5130 -5- (-7) %о PDB) (Des Marais, Moor, 1984). Изотопный состав углерода графита из кимберлитов изменяется в диапазоне от -4,5 до -8,7 %о PDB (Галимов, и др., 1989(2); Deines et al., 1991) {таблица 1). Величина 513С рассеянного в кимберлитах углерода варьирует в пределах -13 - (-26,6) %о PDB (Javoy et al., 1986; Галимов, и др., 1989(2)) {таблица 1).

Химически связанный углерод представлен в форме муассанита, карбонатов, а также битума, метана и углекислого газа {таблица 1). Величина 813С для муассанита составляет, в среднем, ~ -24 - (-25) %о PDB (Leung, 1990; Leung et al., 1990; Stone et al, 1991; Mathez et al., 1995) {таблица 1). Карбонатный углерод кимберлитов делится на три группы: 1) Углерод жильного кальцита. Он представляет заключительную стадию кристаллизации, либо наложение вторичных постмагматических процессов

Порода Форма Ь13С, %oPDB Источник

от до

Алмаз -1 -34,4 Галимов, 1984

Графит -4,5 -8,7 Галимов и др., 1989; Deines etal., 1991

Рассеянный углерод -13 -26,6 Javoy et al., 1986; Галимов и др., 1989

Муассанит -24 -25 Mathez et al., 1995

Карбонаты:1) +0,4 -14,1 Бобров, 1978; Мамчур, 1979

i 2) +33 -20,2 Galimov, 1991

к о. 3) +0,1 -15,1 Зинчук и др., .1981

а> ю Битумы -5,0 -36,9 Кравцов и др., 1975; 1978

S s Газы:СН4:

свободный -24,3 -39,4 Кравцов и др., 1975-1981

сорбированный -43,8 Кравцов и др., 1981

из включений -13,2 -19,3 Кравцов и др., 1981

С02:

сорбированный -19 Кравцов и др., 1981

из включений +3,1 -19,0 Кравцов и др., 1981

лампро- Алмаз -1 -18,7 Jaques et al., 1989; Соболев и

иты др., 1989

Кокчетавский

массив: Алмаз -9,5 -20,1 Галимов и др., 1994

g Графит -15,3 -25,2 Екимоваидр., 1981;

- 2 >к л о я Печников и др., 1993

за к 2 2 <а Карбонаты -6,6 Печников и др., 1993

g- ю Ч Á * £ ~ о . са а> Ч « Beni Bousera Псевдоморфозы -16 -27,6 Pearson et al., 1991

о Графит -13,5 -22,5 Pearson et al., 1991

Ronda:

псевдоморфозы + 1 Pearson et al., 1995

импак- Алмаз -9 -25 Shelkov et al., 1998

титы Графит -7 -31 Алмазоносные импактиты..., 1998 и др.

аллювий Алмаз +2,7 -30 Галимов и др., 1980; Соболев и др., 1989; Shelkov et al., 1998 и др.

Таблица 1. Вариации изотопного состава углерода в породах, связанных с проявлениями алмазов. Пояснения приведены в тексте.

(Бобров, 1978) и имеет изотопный состав в диапазоне от +0,4 до -14,1 %о PDB (Бобров, 1978; Мамчур, 1979) {таблица 1). 2) Карбонаты непосредственно кимберлитов характеризуются диапазоном величин 513С от +33 до -20,2 %о PDB (Galimov, 1991) (¡таблица 1). 3) Карбонаты из ксенолитов в кимберлитах, изотопный состав углерода которых колеблется в диапазоне от +0,1 до -15,1 %о PDB (Виноградов и др. 1965; Зинчук и др., 1981) (таблица 1). Изучение изотопного состава углерода битумов из кимберлитов, а также из включений в пиропе, оливине, ильмените и пирите показало, что 813С этого вещества колеблется, в основном, от -12,9 %о PDB (битум из ксенолита известняка) до -36,9 %о PDB (озокерит) (Кравцов и др., 1975; 1978). Наиболее изотопно-тяжелые битумы зафиксированы в графитовых эклогитах трубки «Мир». Они имеют величины 513С от -5,0 до -8,7 %о PDB (Кравцов и др., 1975) {таблица I). Свободные газы из кимберлитовых трубок представлены, преимущественно, метаном, величина 813С которого варьирует от -24,3 до -39,4 %о PDB (Кравцов и др., 1975; 1979; 1980; 1981) {таблица 1). Отмечено, что СН4, выделяющийся в пределах трубки, на 3-4 %о тяжелее метана, поступающего из вмещающих пород (Кравцов и др., 1980). Сорбированные газы и газовая составляющая флюидных включений содержат углерод в формах СНЦ и СОг (Кравцов и др., 1981). Изотопный состав углерода метановой составляющей изменяется от -13,2 до -19,3 %о PDB во включениях и -43,8 %о PDB в составе сорбированных газов (Кравцов и др., 1981) {таблица 1). Углекислота сравнительно обогащена тяжелым изотопом и 513С для нее составляет интервал от +3,1 до -19,0 %о PDB (во включениях) и -19,0 %о PDB (в сорбированных газах) (Кравцов и др., 1981) {таблица 1).

В лампроитах углерод входит в состав карбонатов, муассанита и алмазов (Jaques et al., 1989). Встречающиеся в лампроитах карбонаты имеют постмагматический генезис (Джейке и др., 1989). Изотопные данные

для этих карбонатов в опубликованных работах отсутствуют. Величины 513С алмазов из лампроитов Австралии (месторождения Аргайл, Эллендэйл 4 и 9) варьируют от -1 до -18,7 %о PDB (Jaques et al,. 1989; Соболев и др., 1989) {таблица 1). Данные по изотопному составу углерода в муассаните из лампроитов к настоящему моменту в литературе отсутствуют.

Породы сверхвысоких давлений

К алмазоносным породам сверхвысоких давлений относятся регионально метаморфизованные комплексы Северного Казахстана и Центрального Китая (Соболев, Шацкий, 1987; Xu et al., 1992). С известной долей условности к этой группе можно отнести также перидотиты массива Beni Bousera (Север Марокко), пироксениты Ronda (Испания) и Максютовский метаморфический комплекс Южного Урала, так как в этих породах обнаружены обособления графита, возможно, представ�