Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Мантийные ассоциации в кимберлитах и петрологическая модель алмазообразования

ВАК РФ 04.00.20, Минералогия, кристаллография

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Специус, Здислав Витольдович, Мирный

ИНСТИТУТ ЖУТНИПРОАЛМАЗ АКЦИОНЕРНОЙ КОМПАНИИ "АЛРОСА"

На правах рукописи

СПЕЦИУС Здислав Витольдович

МАНТИЙНЫЕ АССОЦИАЦИИ В КИМБЕРЛИТАХ И ПЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АЛМАЗООБРАЗОВАНИЯ

Работа выполнена в Якутском научно-исследовательском и проектном институте алмазодобывающей промышленности (Якутнипроалмаз) акционерной компании "Алмазы России-Саха"

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Н.П.Похиленко,

доктор геолого-минералогических наук профессор Г.Ю.Шведенков, доктор геолого-минералогических наук А.В.Уханов

Ведущая организация:

Институт земной коры СО РАН (г.Иркутск)

Защита состоится « 3 » 1999 г. в

часов

на заседании диссертационного совета Д.002.50.0.1 при Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии СО РАН, в конференц-зале.

Адрес: 630090, Новосибирск-90, проспект академика Коптюга,

о

о

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке ОИГГМ СО РАН.

Диссертация в виде научнот доклада разослана « // »

И Ч :.'т4

у . -/¡2283 -99

Ученый секретарь "

диссертационного совета, канд.геол.-мин.наук С.Б.Бортникова

ВВЕДЕНИЕ

Существующие гипотезы генезиса алмазов базируются на результатах изучения природных алмазов и анализе данных, полученных при исследовании условий формирования коренных алмазных месторождений с учетом теоретических предпосылок о физико-химических процессах в верхней мантии. Большинство исследователей поддерживают гипотезу мантийного образования алмазов, считая кимберлитовый расплав лишь транспортером кристаллов к поверхности Земли, однако не исключается возможность кристаллизации алмазов в кимберлитовой магме, которой, по мнению некоторых, отводится решающая роль. Предпринятая в работе попытка создания возможных моделей образования алмазов базируется на результатах исследования природных алмазов и среды их нахождения - кимберлитов и, в первую очередь, глубинных ксенолитов в увязке с экспериментальными данными по процессам глубинного минералообразования и синтезу алмазов.

Актуальность темы исследований. Несмотря на огромные достижения, полученные в последнее десятилетие, в исследовании строения алмазов, состава и геохимии включений в них, в том числе по изотопии, среда их кристаллизации, равно как и условия процесса алмазообразования далеко не выяснены. Проблема генезиса алмазов продолжает оставаться одной из наиболее актуальных и дискуссионных в современной петрологии. В то же время решение этой фундаментальной задачи важно в теоретическом отношении для понимания условий и закономерностей минералообразования в глубинных зонах Земли, реконструкции состава континентальной литосферы различных регионов и расшифровки эволюции верхней мантии. В практическом аспекте создание достоверной модели образования природных алмазов актуально для обоснования новых способов поиска алмазных месторождений, разработки критериев алмазоносности существующих и оценки перспективности новых алмазоносных провинций, совершенствования процессов разработки и обогащения коренных алмазных месторождений, а также для оптимального выбора параметров при искусственном синтезе алмазов.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы состояла в исследовании комплекса ксенолитов мантийных пород, включая алмазосодержащие, в кимберлитах различной степени продуктивности с параллельным изучением кимберлитовых пород и содержащихся в них алмазов. Конечной целью являлась увязка всех полученных количественных данных по алмазам, ксенолитам и кимберлитам, оценка взаимосвязи между ними, с учетом литературных сведений; разработка непротиворечивой модели алмазообразования по отношению к петрографо-минералогическим особенностям нахождения алмазов в природе и экспериментальным данным но синтезу алмаза.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

1) изучить особенности алмазов в кимберлитах отдельных трубок Якутской кимберлитовой провинции, оценить наличие закономерностей в их распределении и связей с вещественным составом кимберлитовых пород; 2) исследовать комплекс глубинных ксенолитов перидотит-пироксенитовой и эклогитовой серии пород; 3) провести сравнительный анализ петрохимических особенностей и условий образования мантийных ксенолитов алмазоносных и непродуктивных трубок с оценкой типоморфизма породообразующих и акцессорных минералов; 4) изучить строение мантии Якутской кимберлитовой провинции, оценить неоднородность ее по вертикали и латерали и установить влияние процессов мантийного метасоматоза и частичного плавления на гетерогенность мантийного вещества; 5) осуществить детальное минералого-петрографическое исследование ксенолитов

алмазоносных пород в кимберлитах и оценить условия их образования; 6) выяснить особенности нахождения алмазов в различных типах мантийных ксенолитов, выполнить изучение их минералогии и физических свойств; 7) исследовать распространенность, фазовый состав и химизм сульфидных минералов в мантийных породах, в том числе в алмазосодержащих, и сопоставить их с включениями сульфидов в алмазах; 8) на основе полученных данных оценить влияние различных параметров па процесс алмазообразования; 9) выявить основные факторы, влияющие на процесс зарождения и последующей кристаллизации алмазов, оценить роль различных факторов, определяющих в

конечном итоге степень алмазоносности кимберлитов и других пород; 10) обобщить полученные результаты по исследованию алмазов, мантийных ксенолитов и кимберлитов и разработать петрологическую модель алмазообразования, увязав ее с экспериментальными условиями искусственного синтеза алмазов.

Научная новизна. Проведен сравнительный анализ ксенолитов псридотит-пироксенитовой и эклогитовой серий пород из алмазоносных и непродуктивных кимберлитовых трубок, который показал, что комплексы ксенолитов пород верхней мантии различны по степени их дифференцированное™, РТ-параметрам и окислительно-восстановительным условиям среды их образования. Подтверждена неоднородность верхней мантии под Сибирской платформой по вертикали и установлена ее гетерогенность по лагерали. Впервые показано, что гетерогенность мантии в значительной степени обусловлена процессами метасоматоза и частичного плавления. Проведены комплексные исследования сульфидов в различных типах мантийных пород, в том числе в алмазосодержащих ксенолитах и некоторых ксено- и фенокристаллах из кимберлитов, сопоставлены особенности фазового и химического составов сульфидов в ксенолитах и алмазах, расшифрована природа сульфидной минерализации в мантии и показана возможная роль сульфидного расплава или его компонентов в процессе природного алмазообразования. В результате исследования алмазосодержащих эклогитов установлено, что они не выделяются по химизму и РТ-условиям формирования в составе эклогитовой серии мантийных пород, но отличаются типохимичностью и типоморфизмом отдельных минералов и более интенсивным проявлением процессов частичного плавления. На основании особенностей нахождения алмазов в ксенолитах, результатов по изучению включений в алмазах и их внутреннему строению, а также других данных обосновывается многостадийность процесса алмазообразования в мантии и впервые выдвинут тезис о возможности роста алмазов в некоторых эклогитах в процессе частичного плавления. С учетом природных фактов и экспериментальных данных предложена модель генезиса алмазов в машин, согласно которой кристаллизация их возможна только при сочетании ряда благоприятных условий, а конечная алмазоносносгь

кимберлитовых трубок определяется как первичными параметрами в мантии, так и условиями становления кимберлитовых трубок.

Практическая значимость работы состоит в расширении критериев оценки потенциальной алмазоносности кимберлитовых трубок и методов прогнозирования алмазных месторождений. Изучены типоморфные и типохимические особенности минералов, ассоциирующих с алмазами, выявлены новые индикаторные минералы, которые могут быть использованы для оценки потенциальной алмазоносности кимберлитовых трубок. Показанная крпсталломорфологическая неоднородность алмазов Якутской кимберлитовой провинции по профилю с юга на север является важной закономерностью, которая позволяет оценивать разнообразие спектра алмазов в перспективных и разведываемых участках при проведении поисковых работ и прогнозировании алмазоносности в различных районах провинции. Главный прикладной результат исследований заключается в разработке научных основ геолого-технологической типизации кимберлитовых руд и совершенствовании прогнозной оценки обогатимости руд коренных алмазных месторождений, что подтверждается участием автора во внедренческих мероприятиях, соответствующими справками об экономическом эффекте и наличием патентных проработок. Полученные результаты и выводы по образованию алмазов в природных условиях могут быть использованы для выбора оптимальных параметров и воспроизведения среды кристаллизации при искусственном синтезе алмазов. Основные защищаемые положения

1. Алмазы в кимберлитах являются ксенокристаллами из дезинтегрированых мантийных пород основного и ультраосновного состава. В кимберлитовом субстрате может происходить только частичное растворение кристаллов с соответствующим преобразованием гранной морфологии, нарушение их целостности и изменение некоторых свойств (цвет, дефектность и др.), что, в свою очередь, определяет устойчивость в распределении алмазов по содержанию и качеству в кимберлитовых трубках, обеспечивая стабильность параметров их извлечения.

2. Материнские алмазоносные породы являются представителями разнообразного комплекса перидотит-пироксенитовой и эклогитовой серий пород верхней мантии, которая в пределах

Якутской и, вероятно, других кимберлитовых провинций неоднородна как по вертикали, так и по латерали. Гетерогенность мантии обусловлена различной степенью дифференцированности и плавления примитивного вещества мантии и в дальнейшем усиливается неравномерностью наложения тектонических деформаций, процессов частичного плавления и глубинного глобального метасоматоза.

3. Исследование минералого-петрографических, химических и структурных особенностей, а также анализ термодинамических условий формирования пород позволили выявить ряд признаков, отличающих комплексы мантийных ксенолитов алмазоносных и непродуктивных трубок, которые можно использовать для оценки их потенциальной алмазоносности: глиноземистость клинопироксена ультрамафитов, особенности структурного состояния ксенолитов, наличие отдельных гииоморфнмх минералов в эклогитах, различия в типохимизме и фазовом составе сульфидных минералов.

4. Широкая распространенность сульфидов в качестве включений в алмазах, присутствие сульфидных оторочек (представляющих собой закристаллизованные расплавы) вокруг кристаллов в алмазоносных эклогитах, итоги работ по синтезу и теоретические предпосылки свидетельствуют о росте алмазов в сульфидно-силикатном расплаве. При этом сульфидные компоненты обеспечивают наличие переходных металлов [Ре, Со, "№] - катализаторов зарождения и роста алмазов, высокую растворимость углерода и снижение температуры ликвидуса гетерогенного расплава.

5. Модельно-изотопные определения возраста алмазов, закономерности внутреннего строения кристаллов и другие факты указывают на дискретность, длительность и многоэтапность процесса алмазообразования, а фактический материал по исследованию алмазоносных эклогитов и особенности нахождения алмазов в ксенолитах позволяют выдвинуть гипотезу о возможности зарождения и роста части алмазов в них на этапах частичного плавления и метасоматоза, т.е. кристаллизации их в уже сформировавшейся породе.

6. Образование алмазов в субстрате верхней мантии является многостадийным процессом и возможно в различных породах мантии, где реализуются условия для их зарождения и стабильности.

Кристаллизация алмазов происходит при сочетании ряда благоприятных факторов, включающих не только РТ-параметры, но и обеспечивающих: а) определенный окислительно-восстановительный потенциал; б) достаточное количество углерода в той или иной форме; в) наличие элементов переходных металлов, {г) присутствие флюидных компонентов. Этим условиям могут удовлетворять как первичные расплавы, так и расплавы, образующиеся при частичном плавлении мантийных пород.

Исходные материалы и методы исследований. В основу диссертации положены результаты исследований автора по минералогии алмазов, петрографии кимберлитов, составу и петрологии верхней мантии, а также тематические работы но обоснованию геолого-технологической типизации руд коренных алмазных месторождений, проведенные в 1974-1998 гг. Объектами изучения были алмазы и кимберлиты Якутской алмазоносной провинции, а также алмазы и кимберлиты Архангельской области, алмазы из лампроигов (трубки Аргайл и Эллендейл, Западная Австралия). За это время изучены алмазы более десяти месторождений и коллекция ксенолитов глубинных пород из ряда трубок (около 3 ООО образцов), а также обобщен литературный материала по алмазам и ксенолитам из кимберлитов Южной Африки и других провинции. Полевые геологические работы выполнялись в тесной кооперации с геолотами НПО "Якуталмаз" (Компания Алмазы России-Саха) и ПГО "Якутскгеология", аналитические исследования осуществлялись в МГУ, ИГЕМ и ГЕОХИ (РАН), ЯНЦ и ИГиГ (СО РАН), Австралийском национальном университете (Канберра), Институте Минералогии и Энергии (Сидней), Западно-Австралийском университете (Перт), а также в ряде других организаций.

При изучении алмазов и ксенолитов использовался разнообразный арсенал лабораторных исследований. Были изучены минералогия и физические свойства около 10 ООО кристаллов алмазов, просмотрено более 3000 шлифов глубинных пород и кимберлитов, проведены дифрактометрические и рентгенофазовые исследования, выполнены различные методы химического анализа. Комплексно исследован химизм пород и состав слагающих минералов около 500 мантийных ксенолитов, в том числе более 70 образцов алмазосодержащих. Применялись растровая электронная

микроскопия, микрозондовый и нейтронно-активационный анализы, а также новейшие методы определения содержаний примесных и рассеянных элементов с помощью протонного зонда, высокочувствительного ионного зонда (SHRIMP) и лазерной масс-спектрометрии ICP-MS (LAM). При изучении сульфидов были разработаны специальные методики их анализа.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 110 работ (главные из которых приведены в списке публикаций), в том числе 3 коллективные монографии и 25 работ в зарубежных изданиях. Помимо этого, отдельные результаты исследований изложены в 20 научно-производственных отчетах института Якутнипроалмаз, выполненных под руководством и непосредственном участии автора.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались па различных симпозиумах и конференциях: 111 Всесоюзном симпозиуме по метаморфизму (Свердловск, 1977), XI и XY съездах международной минералогической ассоциации (Новосибирск, 1978; Пекин, 1990), IY и Y Всесоюзных совещаниях по геологии алмазных месторождений (Симферополь, 1980; Архангельск, 1985), 11 Всесоюзном совещании "Природные газы Земли и их роль в формировании мест.пол.ископ." (Москва, 1982), Всесоюзных IX - XII, XIY и XY семинарах по геохимии магматических пород (Москва, ГЕОХИ, 1983, 1984, 1985, 1986, 1988, 1989), Всесоюзном симпозиуме "Ультраосновные магмы и их металлогения" (Владивосток, 1983), сессии ВМО "Роль технологической минералогии в развитии сырьевой базы СССР" (Л., 1983), научном семинаре "Серии магматических горных пород -происхождение и металлогения" (М., ИГЕМ, 1985), IY Вост.-Сиб. региопал. петрографическом совещании Иркутск, 1985), Всесоюзной конференции "Самородное элементообразование в эндогенных процессах" (Якутск, 1985), Всесоюзной конференции "Роль технологической минералогии в расширении сырьевой базы СССР" (Челябинск, 1986), XII Всесоюзном петрографическом совещании (Новосибирск, 1986), Международном симпозиуме "Состав и процессы глубинных зон континентальной литосферы" (Новосибирск, 1988), IX Всесоюзном совещании по рентгенографии минерального сырья (Миасс, 1989), III советско-китайском симпозиуме (Благовещенск, 1989), II Всесоюзном геммологическом

совещании (Черноголовка. 1989), Геохимико-петрологическом семинаре Исследовательской школы Австралийского национального университета (Канберра, 1992), Международном вулканологическом совещании (Нов.Зеландия, 1993), IV Объединенном Международном симпозиуме по прикладной геохимии (Иркутск