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

*н. о. - не определено.

Вариант 1: на весах взвешивали две навески кимберлитового порошка по 200 мг, затем первую навеску кимберлитового порошка засыпали в соответствующую пресс-форму и подпрессовывали. После в пресс-форму помещали зерна оливина, затем засыпали вторую навеску кимберлитового порошка. После прессовки на гидравлическом прессе получался образец в виде цилиндра, который помещали в графитовый нагреватель; по торцам устанавливали в следующей последовательности графитовую крышку- перегородку, таблетку из оксида циркония (2Ю 2), графитовую тоководную крышку (рис. 3).

Рис. 3. Схема сборки реакционного объема ячейки высокого давления 1 - таблетка из оксида циркония; 2 - графитовая крышка-перегородка; 3 - кимберлит; 4 - кристаллы оливина; 5 - платиновая ампула; 6 - графитовый нагреватель с графитовыми тоководными крышками; 7 - порошок оксида магния, заполняющий неровности платиновой ампулы

Вариант 2: навеску кимберлитового порошка (400 мг) перемешивали с зернами оливина, при этом достигалось равномерное распределение зерен оливина в порошке кимберлита, что исключало касание их друг с другом. Полученную таким образом "смесь" кимберлитового порошка и зерен оливина помещали в Р 1>ампулу. Затем ампулу заваривали, опрессовывали в пресс-форме порошком MgO и помещали в графитовый нагреватель (см. рис. 3). Этот вариант сборки применяли для проверки положения о возможности растрескивания зерен оливина на стадии сжатия образца в аппарате "БАРС".

После экспериментов образцы распиливали вдоль вертикальной оси и исследовали под оптическим микроскопом MC2-Zoom. Составы фаз определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа М 1ЯАЬМи и Х-гау-микроанализатора. ТХЛ-8100, а также электронного микрозонда СЛМБВЛХ-тюго в Институте геологии и минералогии СО РАН (Новосибирск).

Результаты и обсуждение

В опыте, проведенном при 1500 °С, ксенокристы оливина полностью растворились в расплаве кимберлита за 2 ч.

В образцах после опытов, проведенных при 1300 °С (1 и 2 ч), ксенокристы оливина сохранились, но испытали частичное растворение и приобрели округлую форму (табл. 2, рис. 4).

Таблица 2

Условия экспериментов (4 ГПа)

При этом все ксенокристы после опытов оказались сильно разбиты трещинами, в которые проникал расплав кимберлита (рис. 5). Данный процесс происходил вплоть до полной дезинтеграции исходных зерен оливина на отдельные фрагменты.

Рис. 4. Округлые ксенокристы оливина, образовавшиеся в результате частичного растворения

Рис. 5. Проникновение расплава кимберлита в растрескивавшийся кристалл оливина

В эксперименте с Рі-ампулой, в котором зерна оливина не касались друг друга, растрескивания не наблюдалось. Основная масса образцов после опытов состояла из крупных вытянутых новообразованных лейст оливина, между которыми находился агрегат очень мелких зерен клинопироксена, слюды, кальцита, шпинели и магнетита. В продуктах опыта, проведенного при 1500 °С, клинопироксен не обнаружен. Химический состав новообразованных лейст оливина приведен в табл. 3. Такая структура образцов сформировалась вследствие быстрого их охлаждения при закалке. Закалочный оливин характеризуется повышенным содержанием железа и кальция по сравнению с составом исходных ксенокристов оливина.

Таблица 3

Химический состав оливина (ОЬП) из основной массы образцов кимберлита после опытов при 4 ГПа (мас. %)

Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют, что использованные ксенокристы оливина не являются равновесными с расплавом кимберлита Н-1, обогащенного железом и кальцием. Наоборот, кимберлитовый расплав представляет собой агрессивную среду, способную растворять ксенокристы магнезиального оливина. При этом первоначально неправильная их форма преобразуется в округлую, что характерно и для природных кимберлитов.

Крупные округлые ксенокристы оливина из кимберлитов также часто разбиты системой трещин. В наших экспериментах, вероятно, это явление возникало еще на этапе подъема давления вследствие существующих напряжений в кристаллах оливина [Olivine and the ..., 2010]. После этого при плавлении кимберлитового порошка расплав проникал в трещины и дезинтегрировал ксенокристы на отдельные фрагменты. Таким образом, факт проникновения кимберлитового расплава по трещинам внутрь зерен оливина является одним из критериев отличия процесса растворения оливина от абразии зерен.

Аналогичный процесс, возможно, имел место и в природных объектах в условиях градиента давления при подъеме кимберлитовой магмы. Но появления специфических концентрических трещин, параллельных границам зерен, аналогичных природным образцам [Morphology and surface ..., 2014], не зафиксировано. Поэтому в округлении ксенокристов оливина в природных объектах, возможно, имел место и процесс абразии зерен оливина (совместно с процессом растворения) при подъеме кимберлитовой магмы [Olivine and the ..., 2010; Morphology and surface ..., 2014].

Заключение

Таким образом, сценарий изменения дунита включает на первой стадии деформацию породы с образованием трещин, в которые проникает неравновесный по составу расплав. В дальнейшем происходит частичное растворение макрокристов оливина с уменьшением их размера и прогрессирующая дезинтеграция породы. Экспериментально подтверждается возможность образования округлых вкрапленников оливина при взаимодействии карбо- натизированного расплава с перидотитом (оливином). Гренландские лампрофиры [Chang, 2000] могли образоваться на ранней стадии процесса, приведшей к генерации кимберлитовой магмы с уменьшенной долей (до 30 %) округлых макрокристов оливина. Вместе с тем в результате резорбции оливина по трещинам образуются более мелкие зерна неправильной формы, и, вероятно, без их перемещения и интенсивного сталкивания массового округления зерен не будет происходить. Но процесс абразии макрокристов оливина в рамках данной работы не изучался. Возможно, процессу абразии способствует очень низкая вязкость кимберлитового расплава [Chepurov, Pokhilenko, 2015]. Следует учитывать также возможность увеличения концентрации округлых макрокристов при их отсадке в расплаве. Экспериментально показано, что при высоких Р-Г-параметрах скорость отсадки минералов в кимберлитовой магме может составлять до 1 м/ч и выше в зависимости от плотности и размера кристаллов [Experimental estimation of the rate, 2011].

Список литературы

1. Кутолин В.А., Агафонов Л.В., Чепуров А.И. Относительная устойчивость оливина, пироксенов и граната в базальтовой магме и состав верхней мантии // Докл. АН СССР. 1976. Т. 231, № 5. С. 1218-1221.

2. Соболев Н.В. Глубинные включения в кимберлитах и проблема состава верхней мантии. Новосибирск: Наука, 1974, 264 с.

3. Соболев Н.В. Парагенезисы алмаза и проблема глубинного минералообразова- ния // Зап. ВМО. 1983. Ч. 117, т. 4. С. 389-397.

4. Тонков Е.Ю. Фазовые диаграммы элементов при высоком давлении. М. : Наука, 1979. 192 с.

5. Brett R. C., Russelle J. R., Moss S. Origin of olivine in kimberlite: phenocryst or impostor? // Lithos. 2009. Vol. 112S. P. 201-212. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2009.04.030.

6. Chang F. Petrography, geochemistry, age, and petrogenesis of ultramafic from Sarfartoq, central west Greenland // Thesis for the degree of bachelor of science, The University of British Columbia, April, 2000.

7. Chepurov A. A., Pokhilenko N. P. Experimental estimation of the Kimberlite melt viscosity // Doklady Earth Sciences. 2015. Vol. 462, N 2. P. 592-595. https://doi.org/10.1134/s1028334x15060033.

8. Diamond through Time / J. J. Gurney, H. H. Helmstaedt, S. H. Richardson, S. B. Shirey // Soc. of Econ. Geolog., inc. Economic Geology. 2010. Vol. 105. P. 689-712. https://doi.org/10.2113/gsecongeo.105.3.689.

9. Experimental estimate of the actual infiltration (migration) of volatilities (H2O + CO2) in rocks of the mantle wedge / A. I. Chepurov, V. M. Sonin, N. S. Tychkov, I. Y. Kulakov // Doklady Earth Sciences. 2015. Vol. 464, N 1. P. 932-935. https://doi.org/10.1134/S1028334X15090032.

10. Experimental Estimation of the Rate of Gravitation Fractionating of Xenocrysts in Kimberlite Magma at High P-T Parameters / A. I. Chepurov, E. I. Zhimulev, V. M. Sonin, A. A. Chepurov, A. A. Tomilenko, N. P. Pokhilenko // Doklady Earth Sciences. 2011. Vol. 440, N 2. P. 1427-1430. https://doi.org/10.1134/S1028334X11100138.

11. Fluid and melt compositions in lamproites and kimberlites based on the study of inclusions in olivine / A. V. Sobolev, N. V. Sobolev, C. B. Smith, J. Dubessy // GSA Special Publ. N 14. Kimberlites and Related Rocks. 1989. Vol. 1. P. 220-240.

12. Kennedy C. S., Kennedy G. C. The equilibrium boundary between graphite and diamond // J. Geophys. Res. 1976. Vol. 81, N 14. P. 2467-2470.

13. Kimberlite ascent by assimilation - fuelled buoyancy / J. K. Russell, L. A. Porritt, Y. Lavallee, D. B. Dingwell // Nature. 2012. Vol. 481. P. 352-356. https://doi.org/10.1038/nature10740

14. Kopylova M. G., Matveev S., Raudsepp M. Searching for parental kimberlite melt // Geo- chim. Cosmochim. Acta. 2007. Vol. 71. P. 3616-3629. https://doi.org/0.1016/j.gca.2007.05.009.

15. Mitchell R. H. Petrology of hypabyssal kimberlites: relevance to primary magma compositions // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2008. Vol. 174. P. 1-8.

16. https://doi.org/10.1016/jjvolgeores.2007.12.024.

17. Morphology and surface features of olivine in kimberlite: implication for ascent processes / T. J. Jones, J. K. Russell, L. A. Porritt, R. J. Brown // Solid Earth. 2014. Vol. 5. P. 313326. https://doi.org/10.5194/se-5-313-2014.

18. Olivine and the origin of kimberlite / N. T. Arndt, M. Guitreau, A. M. Boullie, A.le Roex, A. Tommasi, P. Cordier, A. Sobolev // J. Petrol. 2010. Vol. 51. P. 573-602. https://doi.org/10.1093/petrology/egp080

19. Olivine in the Udachnaya-East kimberlite (Yakutia, Russia): types compositions and origins V. S. Kamenetsky, M. B. Kamenetsky, A. V. Sobolev, A. V. Golovin, S. Demouchy, K. Faure, V. V. Sharygin, D. V. Kuzmin // J. Petrol. 2008. Vol. 49, N 4. P. 823-839. https://doi.org/10.1093/petrology/egm033

20. Paragenesis and complex zoning of olivine macrocrysts from unaltered kimberlite of the Udachnaya-East pipe, Yakutia: relationship with the kimberlite formation conditions and evolution / N. V. Sobolev, A. V. Sobolev, A. A. Tomilenko, S. V. Kovjazin, V. G. Batanova, D. V. Kuzmin // Russian Geology and Geophysics. 2015. Vol. 56, N 1-2. P. 260-279. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2015.01.019

21. Patterson M., Francis D., McCanless T. Kimberlites: Magmas or mixtures? // Lithos. 2009. Vol. 112S. P. 191-200. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2009.06.004.

22. Skinner E. M. W., Clement C. R. Mineralogical classification of southern African kimberlites // Boyd FR, Meyer HOA (eds.) The Mantle Sample. 2nd International Kimberlte Conference. 1979. American Geophysical Union. Washington. D. C. P. 129-139.

23. The conservation of an aqueous fluid in inclusions in minerals and their interstices at high pressures and temperatures during the decomposition of antigorite / A. I. Chepurov, A. A. Tomilenko, E. I. Zhimulev, V. M. Sonin, A. A. Chepurov, S. V. Kovjazin, T. Y. Timina, N. V. Surkov // Russian Geology and Geophysics Volume. 2012 Vol. 53, N 3. P. 234-246. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2012.02.002.

24. The nature of erupting kimberlite melts / R. S. J. Sparks, R. A. Brooker, M. Field, J. Kavanagh, J. C. Schumacher, M. J. Walter, J. White // Lithos. 2009. Vol. 112S. P. 429-438. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2009.05.032.

25. The stability of ortho- and clinopyroxenes, olivine, and garnet in kimberlitic magma / A. I. Chepurov, E. I. Zhimulev, L. V. Agafonov, V. M. Sonin, A. A. Chepurov, A. A. Tomilenko // Russian Geology and Geophysics. 2013. Vol. 54, N 4. P. 406-415. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2013.03.004.

26. References

27. Kutolin V.A., Agafonov L.V., Chepurov A.I. Otnositelnay ustoychivost olivina, piroksenov i granata v bazaltovoy magme i sostav verhney mantii [Relative stability of olivine, pyroxenes and garnet in basaltic magma and upper mantle composition]. Proc. USSR Academy of Sciences, 1976, vol. 231, no. 5, pp. 1218-1221. (in Russian)

28. Sobolev N.V. Glubinie vklyuchenia v kimberlitah i problema sostava verhney mantii [Deep inclusions in kimberlites and the problem of upper mantle composition]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1974, 264 p. (in Russian)

29. Sobolev N.V. Paragenezisy almaza I problema glubinogo mineraloobrazovania [Para- geneses of diamond and the problem of deep mineral formation]. Zap. WMO, 1983, H SH, vol. 4, pp. 389-397. (in Russian)

30. Tonkov E.Y., Fazovie diagrammi elementov pri visokom davlenii [Phase diagrams of elements at high pressure]. Moscow, Science Publ., 1979, 192 p. (in Russian)

31. Brett R.C., Russelle J.R., Moss S. Origin of olivine in kimberlite: phenocryst or impostor? Lithos, 2009, vol. 112S, pp. 201-212. https://doi.org/10.10167j.lithos.2009.04.030.

32. Chang F. Petrography, geochemistry, age, and petrogenesis of ultramafic from Sarfartoq, central west Greenland. Thesis for the degree of bachelor of science, The University of British Columbia, April, 2000.

33. Chepurov A.A., Pokhilenko N.P. Experimental estimation of the Kimberlite melt viscosity. Doklady Earth Sciences, 2015, vol. 462, no. 2, pp. 592-595.

34. https://doi.org/10.1134/s1028334x15060033.

35. Gurney J.J., Helmstaedt H.H., Richardson S.H., Shirey S. B. Diamond through Time. Soc. of Econ. Geolog., inc. Economic Geology, 2010, vol. 105, pp. 689-712. https://doi.org/10.2113/gsecongeo.105.3.689.

36. Chepurov A.I., Sonin V.M., Tychkov N.S., Kulakov I.Y. Experimental estimate of the actual infiltration (migration) of volatilities (H2O + CO2) in rocks of the mantle wedge. Doklady Earth Sciences, 2015, vol. 464, no. 1, pp. 932-935. https://doi.org/10.1134/S1028334X15090032.

37. Chepurov A.I., Zhimulev E.I., Sonin V.M., Chepurov A.A., Tomilenko A.A., Pokhilenko N.P. Experimental Estimation of the Rate of Gravitation Fractionating of Xenocrysts in Kimberlite Magma at High P-T Parameters. Doklady Earth Sciences, 2011, vol. 440, no. 2, pp. 1427-1430. https://doi.org/10.1134/S1028334X11100138

38. Sobolev A.V., Sobolev N.V., Smith C.B., Dubessy J. Fluid and melt compositions in lamproites and kimberlites based on the study of inclusions in olivine. GSA Special Publ. N 14 Kimberlites and Related Rocks, 1989, vol. 1, pp. 220-240.

39. Kennedy C.S., Kennedy G.C. The equilibrium boundary between graphite and diamond.

40. J. Geophys. Res., 1976, vol. 81, no. 14, pp. 2467-2470. https://doi.org/

41. Russell J.K., Porritt L.A., Lavallee Y., Dingwell D.B. Kimberlite ascent by assimilation - fuelled buoyancy. Nature, 2012, vol. 481, pp. 352-356.

42. https://doi.org/10.1038/nature10740

43. Kopylova M.G., Matveev S., Raudsepp M. Searching for parental kimberlite melt. Geo- chim. Cosmochim. Acta, 2007, vol. 71, pp. 3616-3629.