Статья: Растворение макрокристов оливина в кимберлитовом расплаве при высоких Р-Г-параметрах

Растворение макрокристов оливина в кимберлитовом расплаве при высоких Р-Г-параметрах

И.А. Грязнов,

З.А. Карпович,

И.А. Ишутин,

Е.И. Жимулев

Институт геологии и минералогии СО РАН им. В.С. Соболева, г. Новосибирск

Аннотации

Оливин - доминантная фаза в кимберлитах. Он встречается в виде вкрапленников двух типов: оливин I в виде относительно крупных зерен округлой или неправильной формы и оливин II в виде мелких (до 0,5, редко 1 мм) идиоморфных кристаллов, но имеющих ядра неправильной формы. В последнее время активизировалась дискуссия о происхождении вкрапленников оливина в кимберлитах. Постепенно доминирующей становится гипотеза о ксеногенном происхождении вкрапленников оливина. От решения этого вопроса зависит определение состава исходной (материнской) кимберлитовой магмы и в конечном счете концепция генезиса самих кимберлитов. В работе представлены результаты экспериментальных исследований по растворению зерен природного оливина в кимберлитовом расплаве из трубки "Нюрбинская" с добавлением Бе 203 и СаС 03 при высоких Р-Т-параметрах (4 ГПа, 1300 и 1500 °С). Эксперименты проведены с целью моделирования изменения ксенолитов мантийных пород (дунитов) при попадании в протокимберлитовую магму. Установлено, что сценарий изменения дунита включает на первой стадии деформацию породы с образованием трещин, в которые проникает неравновесный по составу расплав. В дальнейшем происходят частичное растворение макрокристов оливина с уменьшением их размера и прогрессирующая дезинтеграция породы. Экспериментально подтверждается возможность образования округлых вкрапленников оливина при взаимодействии карбонатизированного расплава с перидотитом (оливином).

Ключевые слова: кимберлит, оливин, высокие давления и температуры, эксперимент. оливин кимберлит мантийный

Dissolving Macrocrists of Olivine in a Kimberlite Melt at High P-T Parameters

I. A. Gryaznov, Z. A. Karpovich, I. A. Ishutin, E. I. Zhimulev

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS, Novosibirsk

Abstract. Olivine is found in kimberlite in the form of two types of phenocrysts: olivine I in the form of relatively large grains of round or irregular shape and olivine II in the form of small (up to 0,5 rarely 1 mm) idiomorphic crystals, but having irregularly shaped cores. It is believed that type I olivine xenocrysts appear due to the disintegration of nodules of mantle rocks, and their specific morphology is results by the processes of dissolution and / or abrasion of grains in kimberlite (or even in protokimberlite) magma. The determination of the composition of the initial kimberlite magma and, ultimately, the concept of the genesis of the kimberlites themselves, depends on the solution of this question. It was previously experimentally established that among silicate minerals from mantle xenoliths, olivine is most stable when dissolved in kimberlite melt at high temperatures and pressures. However, the occurrence of a specific rounded form of olivine grains which were dissolved in a kimberlite melt was not experimentally confirmed yet. This report presents the first results of experiments on this topic. The experiments were carried out on a pressless multi-anvil high-pressure apparatus of the "split sphere" type (BARS). A series of four experiments was carried out at a pressure of 4 GPa, temperatures of 1300 °C and 1500 °C, with a duration of 1 and 2 hours. Kimberlite N-1 from Nyurbinskaya pipe (Yakutia, Russia) was used as a starting sample. Olivine grains were extracted from the nodules of spinel lherzolite from alkaline basaltoids of Mongolia. Following the hypothesis of the xenogenic nature of olivine phenocrysts, the composition of the protokimberlite magma should be enriched with iron in comparison with the composition of kimberlite. In addition, a substantially carbonatite composition of the protokimberlite magma is assumed. Therefore, Fe2O3 and CaCO3 are added to the kimberlite samples. The results of the experiments show that the olivine xenocrysts used are not in equilibrium with the N-1 molten kimberlite enriched with iron and calcium. On the contrary, the kimberlite melt is an aggressive medium capable of dissolving the xenocrysts of magnesian olivine. At the same time, their initially irregular shape is transformed into a rounded one, which is also characteristic for natural kimberlites. The large, rounded xenocrysts of kimberlite olivine are also often contains many cracks. In our experiments, this phenomenon probably occurred even at the stage of pressure increase due to the existing stress in the olivine crystals. After that, when the kimberlite powder was melted, the melt penetrated into these cracks and disintegrated the xenocrysts into separate fragments. A similar process may have occurred in natural objects under pressure gradient conditions during the rising of kimberlite magma. Thus, it was experimentally confirmed the possibility of the formation of rounded phenocrysts of olivine during their interaction with a carbonated melt.

Keywords: kimberlite, olivine, high pressures and temperatures, experiment.

Введение

К настоящему моменту кимберлитовые трубки взрыва являются основным коренным источником такого ценного минерала, как алмаз, который, согласно современным представлениям, образовался в мантийных глубинах [Diamond through Time ..., 2010]. Вследствие этого генезис кимберлитов вызывает особый интерес у исследователей всего мира. Основное внимание при этом все же уделяется главному минералу - алмазу, именно ему посвящено огромное количество научных изысканий, в том числе и экспериментальных работ. На минералах-спутниках алмаза сосредоточено чуть меньшее внимание, тем не менее остаются некоторые нерешенные вопросы, в частности касающиеся их взаимоотношения с кимберлитовым расплавом, устойчивости и сохранности в нем. Между тем, исследуя минералы-спутники алмаза и проводя их сопоставление с подобными минералами из неалмазоносных кимберлитов, возможно установить критерии алмазоносности кимберлитовой трубки: так, в конечном итоге можно приблизиться к решению глобальной проблемы - генезиса алмаза.

Кимберлит важен не только как источник алмаза. Благодаря именно этой изверженной породе появилась возможность заглянуть в мантийные глубины Земли. Кимберлитовый расплав, извергаясь из мантийных глубин, выносит к поверхности Земли ксенолиты глубинных пород [Соболев, 1974; 1983]. Считается, что ультраосновные нодули в кимберлитах - ксенолиты вещества верхней мантии - не претерпевают значительных изменений при транспортировке их к поверхности Земли. С другой стороны, есть данные [Кутолин, Агафонов, Чепуров, 1976], что при нахождении в базальтовой магме ультраосновные нодули подвергались интенсивному физикохимическому воздействию, которое выражалось в преимущественной дезинтеграции пироксенитов по сравнению с перидотитами, с последующим уменьшением доли пироксенитов в общей массе транспортируемых ксенолитов.

В последние годы заметно вырос интерес к вопросу устойчивости минералов из мантии к агрессивному воздействию кимберлитовой магмы. В экспериментальном исследовании [Kimberlite ascent by ..., 2012] показан механизм ассимиляции мантийных минералов. Так, растворение ортопироксена при прохождении через мантийную литосферу приводит к обогащению карбонатитового расплава кремнием и заметному падению растворимости СО 2 в расплаве, что в свою очередь способствует сильному выделению флюидной фазы, уменьшению плотности магмы и, как следствие, ускоряющемуся подъему кимберлитовой магмы с увеличением ее объема [Kimberlite ascent by ..., 2012].

Оливин является одной из доминирующих фаз в кимберлитах [Brett, Russelle, Moss, 2009]. На основе размера и морфологии зерен выделяют две популяции оливина [Skinner, Clement, 1979]. Оливин I типа представляет собой макрокристы - зерна неправильной формы, округлые или полуокруглые зерна. В кимберлитах трубки "Удачная-Восточная" оливин I типа присутствует в виде округлых и овальных кристаллов или в виде угловатых обломков со сглаженными краями. При этом зерна часто разбиты трещинами. Оливин содержит 85-94 мол. % форстеритового компонента, но большинство зерен имеет Fo > 91 [Olivine in the Udachnaya-East ..., 2008]. Дислокационные структуры, неидиоморфная форма свидетельствуют, что эти оливины были деформированы перед попаданием в кимберлитовую магму. По мнению Patterson с соавторами [Patterson, Francis, McCanless, 2009], оливины I типа являются ксенокристаллами по отношению к кимберлитовому расплаву. Полагают, что оливины данной генерации сначала были захвачены расплавом на глубине, затем частично отшлифованы, растворены и перекристаллизованы при подъеме и в конечном счете регенерированы [Olivine in the Udachnaya- East ..., 2008]. Оливины I типа имеют достаточно широкое распространение в кимберлитовых трубках взрыва - они встречены в кимберлитах Гренландии, Канады и Южной Африки [Olivine and the ..., 2010].

Вторая популяция (оливин II типа) - идиоморфные или почти идиоморфные мелкие (< 0,5 мм) кристаллы, имеющие ядра неправильной формы. Например, оливин II типа в кимберлитах трубки "Удачная-Восточная" представлен относительно небольшими (0,05-0,8 мм) ограненными зернами. Фостеритовый компонент составляет 30-70 мол. % [Olivine in the Udachnaya-East ..., 2008]. К этому же типу оливина относят и кристаллизационные каймы, окружающие зерна ксенокристов оливина (т. е. оливин I типа) [Olivine and the ..., 2010]. Считают, что фенокристы и каймы на макрокристах кристаллизуются непосредственно из кимберлитовой магмы [Brett, Russelle, Moss, 2009]. Оливины II типа также имеют широкое распространение в кимберлитовых трубках взрыва, подобно первой генерации, они зафиксированы в кимберлитах Гренландии, Канады и Южной Африки [Olivine and the ..., 2010].

В настоящее время большинство исследователей склоняется к гипотезе о ксеногенном происхождении оливина I типа [Olivine in the Udachnaya- East ..., 2008; Brett, Russelle, Moss, 2009; Patterson, Francis, McCanless, 2009; Olivine and the ..., 2010; Morphology and surface ..., 2014; Paragenesis and complex ..., 2015]. Считается, что ксенокристы оливина I появляются вследствие дезинтеграции нодулей мантийных пород, а их специфическая морфология определяется процессами растворения и/или абразии зерен в кимберлитовой (или даже в протокимберлитовой) магме. При этом от решения этого вопроса зависит определение состава исходной (материнской) кимберлитовой магмы и собственно концепция генезиса самих кимберлитов [Kopylova, Matveev, Raudsepp, 2007; Mitchell, 2008; The nature of erupting ..., 2009].

Ранее было экспериментально установлено, что при растворении в кимберлитовом расплаве силикатных минералов из мантийных ксенолитов, таких как орто- и клинопироксен, гранат, оливин, все представленные минералы являются в разной степени неустойчивыми к воздействию кимберлитового расплава. В изученном интервале температур наблюдается следующая зависимость по скорости их растворения: Cpx>Opx>Gar>Ol [The stability of ortho- ..., 2013]. Эксперименты проводили при давлении 4 ГПа и температурном интервале 1300-1500 °С, при этом использовали природный кимберлит из трубки "Нюрбинская" [The stability of ortho- ..., 2013].

Тем не менее, возникновение зерен оливина специфической округлой формы при растворении в кимберлитовом расплаве экспериментально не было подтверждено. В настоящем сообщении приводятся первые результаты экспериментов по данному вопросу.

Методика исследования

Эксперименты проведены на беспрессовом многопуансонном аппарате высокого давления типа "разрезная сфера" ("БАРС") по методике, использованной в работах А.И. Чепурова с соавторами [The conservation of an aqueous ..., 2012, The stability of ortho- ..., 2013]. Ячейку высокого давления (ЯВД) и детали для реакционного объема изготавливали из смеси тугоплавких оксидов ZrO2, CaO, MgO. Для нагревания образцов в процессе экспериментов применяли трубчатый графитовый нагреватель с молибденовыми тоководами (рис. 1).

Рис. 1. Схема сборки ячейки высокого давления

1 - торцевая таблетка с молибденовым тоководом; 2 - молибденовый токопроводящий диск; 3 - запирающая втулку с реакционным объемом таблетка из оксида магния; 4 - графитовый нагреватель с графитовыми крышками; 5 - втулка из оксида магния, изолирующая реакционный объем; 6 - реакционный объем; 7 - контейнер из тугоплавких оксидов ZrO2, CaO, MgO; 8 - термопара PtRh (30/6)

Для измерения температуры в ЯВД использовали термопару PtRh (30/6). Дополнительно была проведена калибровка ЯВД по температуре плавления чистых веществ, таких как Ag, Au, Pt, при высоком давлении с учетом поправки на давление [Тонков, 1979]. Точность определения температуры в образцах составляла ±25 °С. Давление определяли по предварительно откалиброванной кривой, выражающей зависимость давления в ЯВД от давления масла в гидросистеме аппарата. Для калибровки давления в ячейке использовали реперные вещества PbSe, Ba и Bi. По известному положению линии равновесия графит - алмаз в Р-Г-координатах вносили поправку на изменение (увеличение) давления при нагревании ячейки высокого давления [Kennedy and Kennedy, 1976]. Точность определения давления мы оцениваем в ±0,2 ГПа. Охлаждение образцов осуществляли закалкой (2-3 с) - отключением электротока на нагревателе. Серия из четырех экспериментов была проведена при давлении 4 ГПа, температурах 1300 и 1500 °С, длительностью 1 и 2 ч. Выбранный температурный диапазон наших опытов имеет нижнюю границу, соответствующую общепринятой для образования кимберлитовых магм, - 1200-1300 °С [Fluid and melt ..., 1989]. Повышение температуры до 1500 °С обусловлено необходимостью получения более высокой степени плавления кимберлита в опыте.

Длительность экспериментов выбирали исходя из экспериментальной оценки скорости просачивания водно-углекислого флюида в ультраосновной породе, составившей 0,3-0,4 мм/ч при 1100 °С, 4 ГПа [Experimental estimate of ..., 2015].

Для исследования использовали кимберлит Н-1 из трубки "Нюрбинская" (Якутия, Россия). Зерна оливина были выделены из нодулей шпинелевого лерцолита щелочных базальтоидов Монголии, брали зерна неправильной формы размером 0,5-1 мм (рис. 2).

Рис. 2. Исходные кристаллы оливина

Данные химического анализа кимберлита и оливина приведены в табл. 1. Настоящие природные образцы кимберлита и оливина применялись нами в работе [The stability of ortho- ..., 2013]. Согласно гипотезе о ксеногенной природе вкрапленников оливина состав протокимберлитовой магмы должен быть обогащен железом, в отличие от состава кимберлита [Brett, Russelle, Moss, 2009]. Кроме того, предполагается существенно карбонатитовый состав протокимберлитовой магмы [Olivine in the Udachnaya-East ..., 2008]. Эта тенденция соблюдается, в частности, для состава ультрамафиче- ских лампрофиров области Сарфарток (Sarfartoq), Западная Гренландия, содержащих до 70 % округлых макрокристов оливина [Chang, 2000]. Поэтому в образцы кимберлита добавлены Fe2O3 и CaCO3 (см. табл. 1). Природный кимберлит дробили и перетирали на шаровой мельнице в порошок до размера зерен менее 5 мкм.

Для приготовления исследовательского образца использовали специальные пресс-формы разных размеров. Образцы и детали внутренней сборки ЯВД прессовали на специальном гидравлическом прессе. Применяли два типа сборки исследовательского объема.

Таблица 1

Химический состав кимберлита и оливина, использованных в опытах