Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. О минералогии алмаза и дискретности процессов его образования 13
1.1. Включения алмаз в алмазе 13
1.2. Зональность и внутреннее строение 14
1.3. Особый парагенезис центральных зон (ядер) в алмазе 19
1.4. Минеральные включения в алмазе перидотитового (П) и эклогитового (Э) парагенезисов Особо глубинные типы включений в алмазе 20
1.5. Совмещенность в алмазе перидотитовых (П) и эклогитовых (Э) минеральных парагенезисов 23
1.6. Собственно кимберлитовый алмаз 24
1.7. Новейшие данные о дискретности природного алмазообразования и общие представления о генезисе алмаза 25
Глава 2. Минералогия сульфидов во включениях в алмазе и его минералах-спутниках и их роль как показателей дискретности алмазообразования 34
2.1. Сульфиды в алмазе 35
2.2. Сульфиды в оливине 58
2 3. Сульфиды в цирконе 65
2 4 Сульфиды в гранате 75
2 5. Сульфиды в мегакристаллах граната и пикроильменита 90
2 6. Валовые составы сульфидных включений из алмаза и его минералов-спутников 101
2.7. Особенности состава сульфидов из включений и валовые составы сульфидных включений из нодулей мантийных пород 104
Глава 3. Углеводородные включения в алмазе и его минералах-спутниках 115
3.1. Углеводородные включения в алмазе 115
3.2. Углеводородные включения в оливине, гранате и цирконе 120
3.3. Роль углеводородных систем во флюидном режиме развития глубинного алмазоносного магматизма 129
Глава 4. Методический подход к оценке алмазоносное кимберлитов по минералогическим критериям 131
4.1. К проблеме взаимосвязи состава минералов-спутников алмаза с алмазоносностью кимберлитов 134
4.2 К проблеме взаимосвязи состава минералов из связующей массы кимберлитов и лампроитов с алмазоносностью этих пород 142
4.3. К проблеме взаимосвязи морфологии и внутреннего строения минералов-спутников алмаза с алмазоносностью кимберлитов 144
4.4. Минералогические факторы, определяющие алмазоносность кимберлитов 150
4.5 Автоматизированная система для поисков кимберлитов и предварительной оценки их алмазоносности 153
Глава 5. Важнейшие минералы-спутники алмаза и их парагенезисы в связи с критериями оценки алмазоносности кимберлитов 162
5 1. Классификация минералов-спутников алмаза (гранат, шпинелид, ильменит, оливин и клинопироксен) 162
5.2 Автоматизированная система поисков и предварительной оценки алмазоносности кимберлитов на основе классификаций минералов-спутников алмаза 217
Глава 6. Магнитоминералогия микрокристаллических оксидов из связующей массы кимберлитов и родственных им пород: генетические и практические следствия 220
6.1. Оксиды из связующей массы кимберлитов и родственных им пород Зимнего Берега Архангельской алмазоносной провинции 222
6.2. Оксиды из связующей массы кимберлитов и родственных им пород Якутской алмазоносной провинции 277
6.3. Оксиды из связующей массы лампроитов Австралии, Испании и России 343
6.4. Автоматизированная система поисков и предварительной оценки алмазоносности кимберлитов и лампроитов на основе типохимизма оксидов из связующей массы этих пород 367
6.5. Магнитные свойства кимберлитов, лампроитов и родственных им пород и их значение в разбраковке этих пород и поиске алмазоносносных тел 372
Глава 7. Минералогическая паспортизация и алмазоносность кимберлитовых и родственных им тел, зональность кимберлитовых трубок, районов и провинций 381
7.1. Паспортизация кимберлитовых тел Якутской алмазоносной провинции на основе типохимизма ильменита 3 81
7.2. Паспортизация кимберлитовых и родственных им тел Архангельской алмазоносной провинции на основе типохимизма индикаторных минералов и оценка их алмазоносности 471
7.3 Латеральная зональность кимберлитовых районов и провинций, вертикальная зональность кимберлитовых трубок и ее роль в оценке алмазоносности этих тел 514
Заключение 531
Список литературы 532
- Минеральные включения в алмазе перидотитового (П) и эклогитового (Э) парагенезисов Особо глубинные типы включений в алмазе
- Особенности состава сульфидов из включений и валовые составы сульфидных включений из нодулей мантийных пород
- Роль углеводородных систем во флюидном режиме развития глубинного алмазоносного магматизма
- К проблеме взаимосвязи состава минералов из связующей массы кимберлитов и лампроитов с алмазоносностью этих пород
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Минералогия кимберлитов и родственных им пород (лампроитов и др) является комплексной и рассматривает, с одной стороны, минералы, кристаллизующиеся из кимберлитовой магмы, с другой стороны, захваченные при замещении кимберлитовым расплавом пироповых перидотитов и эклогитов, внедрившихся из глубин алмазоносной мантии в кристаллический фундамент платформ в ходе его формирования К числу последних относятся и минералы, определяющие алмазоносность кимберлитов, лампроитов и других родственных им пород Работа посвящена минералогии кимберлитов и родственных им пород крупнейших алмазоносных провинций России Архангельской и Якутской В ней детально обсуждены вопросы дискретности процессов алмазообразования, роли сульфидов в алмазообразовании, специфики углеводородных включений в алмазе и его минералов-спутников, типохимизма минералов-спутников, магнитоминералогии оксидных систем в связующей массе кимберлитов и родственных им пород Химический состав, морфологические особенности и физические свойства этих минералов позволяют получить ценную информацию о развитии магматизма глубинных зон земной коры и верхней мантии до глубин более 250 км
Эти вопросы рассмотрены в многочисленных публикациях отечественных и зарубежных исследователей, включая обобщающие работы последних лет (Афанасьев и др, 2001; Бескрованов, 1993; Богатиков идр, 1991, Буланова и др, 1993; Ваганов, 2000, Владимиров и др, 1990, Джейке и др, 1989, Зубарев и др, 1989, Квасница и др, 1994; Кудрявцева и др, 2005; Маракушев, 1985, 1993, 2005; Митчелл, 1986, 1997; Похиленко, 1990, Специус, Серенко, 1990, Специус, 1998; Соловьева, 1998; Уханов, 1992; Mantle xenoliths, 1987, Mantle metasomatism, 1987 и др) и новейшие труды систематически проводимых Международных кимберлитовых конференций. Особо отметим выдающуюся работу Н.В Соболева «Глубинные включения в кимберлитах и проблема состава верхней мантии» (1974), которая ввела диссертанта в увлекательный мир алмаза и его минералов-спутников.
Несмотря на впечатляющие результаты научных достижений, проблема генезиса алмаза, его генетические связи с минералами мантийных эклогитов, пироксенитов и перидотитов, а также вопросы эволюции и сохранности алмаза в кимберлитовых и других расплавах во многих аспектах остаются дискуссионными. Решение этих важных проблем требует привлечения новых данных, которые могут быть получены при комплексных исследованиях алмаза и содержащих его гибридных пород, слагающих кимберлитовые и лампроитовые тела От понимания сложности всех этих проблем зависит и решение ряда прикладных задач,
связанных с поисками, оценкой и прогнозированием новых алмазоносных объектов при широком использовании минералогических методов, а также решение некоторых задач в области материаловедения алмаза Главный вклад в развитие алмазной тематики в России, несомненно, внесло открытие Якутской алмазоносной провинции (ЛАП) в 1954 г Значительный объем фактического материала, требующего переосмысливания указанной проблемы, появился в связи с открытием в конце 70-х годов прошлого века Архангельской алмазоносной провинции, на территории которой уже разведаны месторождения алмазов им MB Ломоносова и В Гриба
Цель, задачи и методика исследований. Целью проведенных исследований было получение генетической информации на основе изучения внутреннего строения алмаза и включений в нем с применением нового методического подхода, сочетающего растровую цветную катодолюминесценпию, оптическую спектроскопию и электронно-зондовый анализ Важным было комплексное исследование минеральных и флюидных включений в систематически подобранных коллекциях минералов-спутников алмаза с использованием растровой электронной микроскопии, электронно-зондового анализа, рамановскои и оптической спектроскопии По указанной методике проводилось систематическое изучение ксенолитов алмазоносных эклогитов, перидотитов, пироксенитов и эклогитоподобных пород Детально исследовались минералы-спутники алмаза из протолочных проб и концентратов обогащения кимберлитов и микрокристаллических минералов из связующей массы лампроитов, кимберлитов и родственных им пород, а также проводилось магнитоминералогическое изучение кимберлитовых, лампроитовых и родственных им пород
Эти комплексные исследования были направлены на решение основных задач, освещающих специфику алмазообразования в перидотитовых и эклогитовых магмах мантийных магматических очагов. В фокусе исследований оказались:
1. Вопросы дискретности процесса природного алмазообразования,
2. Минеральные парагенезисы алмаза (его спутники) и генетическое значение
совмещенных эклогит-перидотитовых парагенезисов,
Генетическое значение сульфидных включений в алмазе, минералах-спутниках алмаза и ксенолитах ультраосновного и основного состава;
Роль уникальных углеводородных включений в алмазе и его минералах-спутниках в формировании флюидного режима алмазообразования и дифференциации мантийных расплавов;
5 Прикладное значение полученных результатов на основе банков данных по составу и
классификаций важнейших минералов-спутников алмаза, банков данных по химизму и
классификаций оксидов из связующей массы кимберлитов, лампроитов и родственных им
пород, изучения комплекса магнитных параметров алмазоносных и неалмазоносных
кимберлитов, лампроитов и родственных им пород с выявлением их магнитных
характеристик,
6 Изучение латеральной зональности ЯАП и ААП, вертикальной зональности и
внутреннего строения кимберлитовых тел в указанных регионах и разработка экспресс-
методов обнаружения зональности (неоднородности) по типоморфизму состава и магнитных
свойств минералов класса оксидов
Фактический материал и объем проведенных исследований. В основу настоящей диссертации положены личные полевые исследования с отбором каменного материала в 1973-2001 гг на карьерах трубок Интернациональная, Мир, Спутник, им XXIII съезда КПСС, Дачная, Удачная, Сыгыканская, Зарница и из других тел Якутской провинции, а также отбор кернового материала и минералов тяжелой фракции практически из всех известных объектов Архангельской провинции (кимберлитов, мелилититов и щелочных базальтов) в 1984-2005 гг.
Выполнению работ по теме и проведению лабораторных исследований способствовало предоставление каменного материала из тел Якутской и Архангельской провинций, включающего кристаллы алмаза, образцы керна, минералы тяжелой фракции, ксенолиты глубинных пород, д г.-м н В П Афанасьевым, д г.-м.н А И Боткуновым, к г -м н В В Вержаком, д г.-м н. наук В А Кононовой, к г.-м н В П. Кузнецовой, к г.-м н А И Махиным, к г.-м.н В П Серенко, к г.-м.н. В.А Скрипниченко, д г.-м н АД Харькивым Нельзя не отметить уникальный каменный материал, переданный автору для исследований в разные годы многими известными алмазниками России: С А Безбородовым, И Я. Богатых, ЕМ Веричевым, С И Костровипким, Е Е Лазько, БА Мальковым, 3 В. Спепиусом и другими Всем этим коллегам и друзьям автор глубоко признателен.
Главные методы исследований были разработаны и обеспечены оборудованием в лаборатории месторождений алмаза Геологического факультета МГУ им М В Ломоносова, в которой под руководством и при непосредственном участии автора выполнено более 50 000 полных электронно-зондовых анализов различных минералов из включений в кристаллах алмаза, ксенолитов эклогитов, в том числе алмазоносных, пироксенитов, перидотитов, из тяжелой фракции, а также из связующей массы лампроитов, кимберлитов и родственных им пород с использованием электронно-зондового микроанализатора JXA-50A и растрового
электронного микроскопа JSM-820 с аналитической приставкой Link-10/85S (приборы фирмы «Джеол», Япония) Методом растровой электронной микроскопии на приборе JSM-T20 («Джеол») изучены морфологические особенности алмаза, включений в нем и минералов-спутников алмаза более чем для 5000 зерен На приборе JXA-50A изучена цветная катодолюминесценпия более 200 кристаллов алмаза из якутских и архангельских кимберлитов Методами оптической спектроскопии на спектрофотометрах IR-435 и MPS-2000 фирмы «Шимадзу» (Япония) получены спектры в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях для более чем 3 000 зерен минералов-спутников алмаза
Компьютерной обработке аналитических баз данных с применением кластерного, дискриминантного и корреляционного анализов подвергнуто более 30000 электронно-зондовых анализов минералов из различных алмазоносных провинций мира (как оригинальных, так и позаимствованных из многочисленных литературных источников)
Методом термомагнитного анализа на оригинальной установке на основе каппометра KLY-4 (Чехословакия) проведены измерения более 1000 проб и монофракций ильменита, магнетита и магнитных фракций кимберлитовых пород Комплекс магнитоминералогических исследований кимберлитов и лампроитов с измерением различных магнитных параметров выполнен на Физическом факультете МГУ им М.В. Ломоносова под руководством проф. В И Трухина совместно с к ф -м н ВА. Жиляевой и д ф.-м.н В И Максимочкиным
Определения содержаний полициклических ароматических углеводородов из включений в алмазе, гранатах, оливине и цирконе выполнены в лаборатории углеродистых веществ биосферы Географического факультета МГУ под руководством д г.-м н В Н. Флоровской
Изучение внутренней структуры алмаза из якутских и архангельских кимберлитов, а также россьшей Заира методами цветной катодолюминесценции в растровом режиме со съемкой изображений для 60 срезов алмаза проведено в лаборатории Физического факультета МГУ под руководством д ф -м н. Г.В Сапарина Съемка 200 спектров для различных зон алмаза в ИК-, видимом и УФ- диапазонах на микроспектрофотометре UMSP-50 («Карл Цейс», Германия) проведена автором в Зальцбургском университете (Австрия).
Автор выражает глубокую благодарность всем коллегам, оказавшим неоценимую помощь в проведении лабораторных исследований. Особая признательность автора сотрудникам лаборатории месторождений алмаза и кафедры минералогии Геологического факультета, работавшим вместе и под руководством автора на протяжении многих лет А В Бовкун, ГИ Бочаровой, ЕБ Бушуевой, ЕР. Васильевой, ДГ Газиевой, Г.Н Давыдовой, Г.Н. Жукову, АН Кроту, ТН. Лаверовой, ПН. Малиборскому, О А Михайличенко, АН.
Некрасову, ТВ Посуховой, Л Т. Сошкиной Их труд и энтузиазм позволил выполнить большой объем комплексных исследований по теме диссертации
С первых шагов научной работы всесторонняя помощь оказывалась учителями автора, профессором Г А Круговым, академиком В И Смирновым и зав. кафедрой минералогии, проф Г.П. Барсановым Серьезная поддержка в выполнении исследований и создании лаборатории месторождений алмаза на Геологическом факультете МГУ постоянно ощущалась со стороны академика НП Лаверова Плодотворные научные дискуссии с академиками О А Богатиковым, Э М Галимовым, А А. Маракушевым, В С. Урусовым, АД Щегловым, ГА Тварлчрелидзе, Н П Юшкиным, зав кафедрой минералогии, член-корр РАН, профессором АС Марфуниным, зав кафедрой геологии и геохимии полезных ископаемых, профессором В И Старостиным способствовали написанию данной работы.
Автор глубоко тронула моральная поддержка при подготовке работы со стороны К В Гаранина и близких друзей В В Вержака и В.И. Вержак, Е М. Веричева и В Н Веричевой, Н Н Головина и В П Серенко
Особую благодарность и любовь автор выражает доктору геолого-минералогических
наук
Г.П Кудрявцевой, соратнику во всех делах, с которой мы шагали по жизни вместе
более 35-ти лет.
Научная новизна и практическая значимость работы. Новизна представленной работы излагается ниже в аппаратурно-методическом (I), минералого-генетическом (II) и прикладном (III) аспектах1
/.Ваппаратурно-методическомаспекте:
а) изучение алмаза, его минералов-спутников и других минералов было обусловлено
внедрением комплекса локальных электронно-зондовых (рентгеноспектральный анализ,
растровая электронная микроскопия) приборов, растровой цветной катодолюминесценпии,
модального анализа в сочетании с оптико-спектроскопическими (съемка спектров в ИК-, УФ-
и видимой области) исследованиями,
б) в результате впервые было осуществлено формирование банков данных по
химическому составу важнейших минералов-спутников алмаза и микрокристаллических
оксидов из связующей массы пород и создание на их основе химико-генетических
классификаций,
в) на базе каппометра впервые был создан аппаратурный компьютеризированный
комплекс для получения термомагнитных кривых в широком диапазоне температур от -196 С
до +1000 С и определения температур Кюри широкого класса ферримагнетиков с микронавесок минералов, отдельных зерен и проб //.Вмипералого-геттическомаспекте:
а) обнаружено широкое распространение структур типа «алмаз в алмазе» в кристаллах
этого минерала из кимберлитов и доказано наличие совмещенных эклогит (Э) -
перидотитовых (П) парагенезисов в объеме одного кристалла, однозначно доказывающих
эклогит-перидотитовую расслоенность мантииньк магматических очагов и погружение в них
алмаза в ходе его кристаллизации,
б) установлен типоморфизм химического и фазового состава сульфидов из включений в
алмазе, минералах (оливин, циркон, гранат, ильменит), породах эклогитового и пироксенит-
перидотитового парагенезиса из кимберлитовых тел различной алмазоносности,
в) выявлено широкое присутствие в алмазе и его минералах-спутниках углеводородных
и сульфидно-углеводородных систем, играющих значительную роль в образовании алмазов и
во флюидном режиме кристаллизации и дифференциации мантийных расплавов,
г) проведено изучение химического и фазового состава микрокристаллических оксидов
из связующей массы кимберлитов и лампроитов, уточнены условия их образования,
благоприятные для генезиса алмаза,
д) проведена минералогическая паспортизация кимберлитов и родственных пород из тел
Якутской и Архангельской алмазоносных провинций на основе типохимизма минералов-
спутников алмаза и оксидов из связующей массы этих пород, выявлены латеральная и
вертикальная зональность районов и трубок на примере Якутской и Архангельской
провинций, уточняющие генетические условия формирования месторождений алмаза
///. В практическом аспекте:
а) предложены новые минералогические критерии комплексной оценки алмазоносности
кимберлитов и лампроитов, установлены две группы факторов, влияющих на потенциальную
и реальную (фактическую) алмазоносность кимберлитовых тел, разработаны экспресс-
способы их определения на основе анализа типоморфизма состава и физических свойств
минералов-спутников алмаза и микрокристаллических оксидов из связующей массы;
б) создана автоматизированная экспертная система для комплексной технологии
поисков алмазоносных кимберлитов (лампроитов) и их опережающего минералогического
опробования,
г) проведенная минералогическая паспортизация кимберлитов и родственных им тел Якутской и Архангельской алмазоносных провинций на основе типохимизма минералов-
спутников алмаза и оксидов из связующей массы этих пород способствует развитию шлихо-минералогического метода поисков новых тел, оценки алмазоносности и, в конечном итоге, расширению их минерально-сырьевой базы
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения Она включает 551 страниц текста, 248 рисунков и 90 таблиц, а также список литературы из 271 наименований
Защищаемые положения:
Структуры «алмаз в алмазе» и минеральные включения в алмазе отражают дискретность алмазообразования, обусловленную вариациями флюидного режима в мантийных магматических очагах, контрастно расслоенных на эклогитовую (Э) и перидотитовую (П) зоны Совмещение включений минералов Э и П типа в кристаллах алмаза отражает их погружение в магматических очагах в ходе кристаллизации Завершением этого длительного процесса служит агрегация зерен алмаза и их собирательная перекристаллизация, порождающие гигантские кристаллы алмаза и его зернистые агрегаты типа карбонадо и борт.
Обильные включения моносульфидных твердых растворов в кристаллах алмаза Э и П типов позволяют связывать их происхождение с железистыми дифференпиатами эклогитовых и перидотитовых магм, подвергшихся флюидной сульфуризации, сопряженной с алмазообразованием. Выявленные различия в химическом и фазовом составе сульфидных включений в алмазе, минералах-спутниках и нодулях перидотитов и эклогитов свидетельствуют о разных составах сульфидных жидкостей и их дифференциации При этом никель концентрировался преимущественно в ультраосновных расплавах, железо и медь - в основных Силикатные и оксидные расплавы были несмесимы с сульфидами, о чем свидетельствует доминирующая каплевидная форма сульфидньк включений с характерными для них венцовыми структурами, отражающими расщепление сульфидньк расплавов на никель-железистые, никель-медистые и медистые жидкости
Обнаружение углеводородных включений в спутниках алмаза (оливине, гранате и цирконе) свидетельствует об участии углеводородов в процессах флюидной сульфуризации расплавов, ведущей к образованию алмаза: MgFeSi04+(CH4+2CO+H2S)=MgSi03+FeS+3(H20+C), и в образовании флюидных потоков, сопровождающих дифференциацию и кристаллизацию магм Э и П типов
Количество, соотношение, химический и фазовый состав оксидов (шпинелиды, ильменит, перовскит) из связующей массы кимберлитов и родственных им пород отражают глубину заложения, условия формирования, характер эволюции и степень алмазоносности этих пород
и являются основой для интерпретации магнитных аномалий над их телами Для кимберлитовых и родственных им пород алмазоносных провинций России на основе набора, количественных соотношений и особенностей состава микрокристаллических оксидов выделено пять типов пород различной алмазоносности К признакам алмазоносности относится большое количество хромшпинелида, содержащего более 40 мае % СггОз и менее 4 мас.% ТЮг, и хромсодержащего пикроильменита Отрицательным признаком служит присутствие хромшпинелида, содержащего менее 40 мас% СггОз и более 4 мас.% ТЮг, титаномагнетита разнообразного состава и наличие перовскита (более 10%) 5. Проведенная минералогическая паспортизация тел кимберлитов и родственных им пород Якутской и Архангельской алмазоносных провинций на основе типохимизма минералов-спутников алмаза является основой для решения многих генетических вопросов образования этих пород, совершенствования шлихо-минералогического метода поисков новых тел и оценки их алмазоносности и, в конечном итоге, способствует расширению минерально-сырьевой базы алмазодобывающей промышленности
Апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в 250 печатных работах, в том числе 10 монографиях, и доложены на IV Всесоюзном совещании по алмазам (Симферополь, 1980), Совещании по геологии месторождений алмаза (Архангельск, 1985), Всесоюзной конференции «Самородное элементообразование в эндогенных процессах» (Якутск, 1985), Всесоюзном юбилейном чтении «Кимберлиты и кимберлитоподобные породы» (Иркутск, 1986), Чтениях памяти академика ММ Одинцова (Иркутск, 1987) и академика В И Смирнова (2006), Всесоюзном научно-техническом совещании «Основные проблемы и пути совершенствования технологии обогащения природных алмазов на основе использования их физических свойств» (Мирный, 1987), 10, 14 Всесоюзных совещаниях по геохимии магматических пород (Москва, 1984, 1988), 15, 16 Совещаниях Международной минералогической ассоциации (Пекин, 1990, Пиза, 1994), 8, 9 симпозиумах Международной ассоциации по генезису рудных месторождений (Оттава, 1990, Пекин, 1994; Турку, 1997, Лондон, 1999; Москва, 2006), Международных геологических конгрессах (Пекин, 1996, Рио-де-Жанейро, 2000, Флоренция, 2004), V, VI, VII, VIII Международных кимберлитовых конференциях (Бразилия, 1990, Новосибирск, 1995; Кейптаун, 1998; Виктория, 2003), Всероссийской конференции «Золото, платина и алмазы республики Коми и сопредельных регионов» (Сыктывкар, 1998) и многих других отечественных и зарубежных совещаниях и симпозиумах
По проблемам, рассмотренным в диссертации, получено 7 авторских свидетельств СССР на способы поиска алмазоносных кимберлитов и лампроитов, один Патент РФ.
Все исследования проводились в рамках Государственных Программ Минвуза СССР, ГКНТ СССР, Министерства науки и новых технологий РФ, из которых следует отметить Проект «Создание комплексных технологий выявления и оценки забалансовых запасов алмаза для вовлечения их в эксплуатацию и создания рациональных схем утилизации отходов алмазодобывающей промышленности» Государственной программы «Ресурсосберегающие и экологически безопасные процессы горно-металлургического производства» (ЭКОГОРМЕТКОМПЛЕКС БУДУЩЕГО, 1992-1995 гг) Министерства науки и новых технологий РФ, Проекты № 310 «Лампроит-кимберлитовый магматизм и перспективы алмазоносное Востока Восточно-Европейской платформы», № 77-05 «Архангельская алмазоносная провинция (геология, петрография, минералогия и геохимия)» Федеральной Президентской целевой программы «Интеграция» (1997-2000 гг.).
Работа выполнялась на кафедре минералогии и в лаборатории месторождений алмаза Геологического факультета Московского государственного университета им MB Ломоносова в период с 1976 по 2006 г.
Многие исследования проводились по хоздоговорам на выполнение научно-исследовательских работ с ПГО «Якуталмаз», Ботуобинской и Чернышевской геологоразведочными экспедициями Мингео СССР, ЗАО «АЛРОСА», ЯОКИ ЦНИГРИ ЗАО «АЛРОСА», филиалом ЗАО «АЛРОСА» в г. Архангельске «АЛРОСА-ПОМОРЬЕ», ПГО «Архангельскгеология», ПГО «Аэрогеология», ОАО «Архангельскгеолдобыча» и ЗАО «Архангельскгеолразведка»
Минеральные включения в алмазе перидотитового (П) и эклогитового (Э) парагенезисов Особо глубинные типы включений в алмазе
Для еще более убедительного обоснования дискретности процесса алмазообразования, необходимо напомнить о наборе минеральных включений в алмазе ультраосновного и эклогитового парагенезисов, главных типах парагенезисов природных кристаллов алмаза в кимберлитах и родственных им пород (табл. 1.1). Как известно, эти включения резко различаются по набору и химизму. В табл 1.1 приведен практически весь спектр подобных минеральных включений Особое внимание обратим на протогенетические включения в алмазе П и Э парагенгезисов, представленные обломками отдельных минералов, сростков и фрагментов глубинных (мантийных) пород (рис 1.9, 1.10)
Обратим внимание еще на одно яркое доказательство дискретности природного алмазообразования В настоящее время является доказанным и очевидным наличие в кимберлитах сверхглубинных алмазов с особым типом минеральных включений с достаточно плотными модификациями кристаллических структур. К таким особо глубинным типам включений в алмазе, кристаллизация которых предполагается на глубинах до 650 км, относятся ферропериклаз, CaSi-перовскит, Si02, MgSi-перовскит, СаТі-перовскит, тетрагональный альмандин-пироп, маджоритовый гранат (Kaminsky et al, 2001; Navon, 1998)
Выделение особого глубинного парагенезиса, характеризующегося специфическим набором включений в алмазе, подтверждается также геохимическими данными (в частности, по картинам распределения примесей редкоземельных элементов в гранатах из включений в алмазах, рис 1.11) Особо обратим внимание на обнаружение минералов-индикаторов перидотитового и эклогитового парагенезисов из включений в различных зонах алмаза в пределах одного кристалла (Гаранин, 1991; Спепиус, 2004). Это еще одно доказательство дискретности процесса алмазообразования
Известно, несколько таких находок. В одном из них в алмазе-хозяине одновременно обнаружены омфацит, рутил, БЮг (ближе к центру) и оливин в краевой зоне. В кристаллах алмаза из трубок «Монастери» (ЮАР), «Слоан» (Северная Америка) и «им. XXIII съезда КПСС» (Якутия) одновременно диагностированы оливин существенно форстеритового состава в краевой зоне кристаллов и обогащенный натрием пироп-альмандин (в центре) В кристалле алмаза из лампроитовой трубки «Аргайл» (Австралия) включение оливина обнаружено вместе с типичными минералами эклогитового парагенезиса — омфацитом и пироп-альмандином Еще несколько случаев совмещения парагенезисов в объеме одного алмаза-хозяина описано нами с учетом типохимизма исходного валового состава сульфидных расплавов, захваченных кристаллизующимся алмазом на различных стадиях роста (см Главу 2) Так, например, в центральной зоне алмаза зафиксирован пирротин, типичный минерал алмаза эклогитового парагенезиса, а в краевой - кобальтсодержащий пентландит ультраосновного парагенезиса (Гаранин и др 1991)
В краевых зонах с однородной синей КЛ выявлены сложные включения, которые могут бьпь отнесены по набору минералов к собственно кимберлитовым системам Как правило, они представлены серпентином, кальцитом, Ті -хромитом, апатитом, Ki-Si - и Саi- Si- водокарбонатными фазами
Совокупность этих данных позволила нам в начале 90-х годов предложить основные стадии кристаллизации алмаза в формации кимберлитов и родственных им пород (табл 1.2), которые на сегодня могут быть дополнены новыми данными об особо глубинных (мантийных) алмазах, кристаллизация которых прослежена на глубины от 200 до 650 км (Пущаровский, 2004, Navon, 1998).
Весомым доказательством наличия собственно кимберлитовых алмазов являются микроалмазы размером менее 0,1 мм - исключительно гладкогранные октаэдры, которые широко распространены во многих промышленно алмазоносных телах. Обратим внимание на то, что они встречаются совместно с резорбированными алмазами разных классов крупности мантийного генезиса и имеют, по нашему мнению, кимберлитовую природу. В.И Ваганов (Ваганов, 2000) просчитал термодинамику (РТ-параметры) кристаллизации алмаза ультраосновного парагенезиса из включений в алмазе, алмазоносных перидотитов и кимберлитовых тел и показал, что какая-то часть алмазов может кристаллизоваться из кимберлитового расплава, насыщенного флюидами, особенно СОг.
Академик А А Маракушев (Маракушев, 2005) выдвинул идею образования крупных кристаллов алмаза, которые периодически находят при разработке месторождений алмаза, в результате собирательной перекристаллизации его зернистых агрегатов, кристаллизующихся в собственно кимберлитовой системе. Они возникали в ходе замещения кимберлитовыми магмами алмазоносных перидотитов и эклогитов в результате кристаллизации алмаза на фронте замещения, давая начало его зернистым разновидностям (карбонадо, борт и др), типичным для апикальных частей трубок В более глубинных зонах при более высоком флюидном давлении происходила собирательная перекристаллизация этих агрегатных скоплений с образованием крупных и гигантских кристаллов алмаза нередко довольно неправильной формы Инфильтрация флюидов, стимулировавшая развитие кимберлитовых и лампроитовых расплавов, приводила к образованию не только зернистых агрегатов, но и гигантских кристаллов Эти мегакристаллы алмаза являются специфическими кимберлитовыми и лампроитовыми образованиями Главный геолог НПО «ЯКУТАЛМАЗ» АИ Боткунов (70-е годы) демонстрировал фотографию такого процесса под оптическом микроскопом, на которой в большом зернистом агрегате алмаза размером 5x5 см четко была видна центральная гомогенная зона октаэдрической формы
Особенности состава сульфидов из включений и валовые составы сульфидных включений из нодулей мантийных пород
Особенности сульфидной минерализации из включений в нодулях мантийных пород заключаются в отличии от включений в алмазе и его минералах-спутниках большим разнообразием полиминеральных ассоциаций за счет последующих процессов наложенного мантийного метасоматоза мантийньгх пород и постмагматических (гидротермальных) воздействий на минералы и ксенолиты в условиях открытых систем, т.е. взаимодействия пород и минералов с флюидами в полузакрытых системах и растворами в открытых системах
Сульфидные включения, иногда размером до несколько мм, располагаются внутри породообразующих и акцессорных минералов, на границе, в прожилках и зонах частичного плавления и изменения этих минералов Заметным является разнообразие сульфидных ассоциаций, и сразу необходимо отметить их встречаемость в том или ином масштабе во всех без исключения минеральных парагенезисах и ассоциаций мантийных ультраосновных и основных пород. Встречаемость и масштаб сульфидных ассоциаций в нодулях ультраосновного парагенезиса значительно меньшие по сравнению с таковым из нодулей мантийных пород эклогитового парагенезиса. Сульфидные ассоциации встречаются в виде включений округло-овальной и неправильной формы, инъекций, прожилков, эмульсионной вкрапленности и т.д. Это могут быть чисто сульфидные образования, а также сульфидно-силикатные или сульфидно-оксидные системы. Преобладающим минералом в сульфидных ассоциациях из перидотитов и лерцолитов является пентландит, а в эклогитах пирротин. Пирит не встречен в сульфидных системах из пород ультраосновного состава, но характерен для эклогитовых нодулей. Моносульфидные твердые растворы встречаются в ультрабазитах и эклогитах только эпизодически в краевых зонах минералов или на границе минералов, если сульфидные включения не встречены в минералах из этих пород. Все это определяет специфику сульфидных систем в перидотитовых и эклогитовых нодулях.
Необходимо при этом отчетливо представлять, что мы имеем дело с большим разнообразием мантийных пород (перидотиты, пироксениты и эклогиты) магнезиальной и магнезиально-железистой серий, а также и особенностями не только их кристаллизации, но и последующих изменений.
Некоторые закономерности в распространенности и разнообразии минеральных ассоциаций в сульфидных системах из ксенолитов мантийных пород иллюстрируют табл. 2.24-2.27. В табл. 2.24 и 2.25 приведены данные по распространенности сульфидных ассоциаций в нодулях мантийных ультраосновных пород из алмазоносных трубок (см. табл. 2.24) и неалмазоносной трубки Обнаженная (см. табл. 2.25). Из таблиц очевидно, что чаще всего сульфидные нодули встречаются в интерстипиях. Заметим, что обнаружить сульфидные включения в минералах не такая простая ситуация, необходимо просмотреть под бинокуляром тысячи зерен минералов. Интересно, что из сульфидных включений в минералах (оливине, гранате и цирконе), в отличие от сульфидных включений в ультрабазитах, сульфидные включения представлены исключительно MSSM (ИЛИ Mss/ )+Pn+Cp ассоциацией (см. табл. 2.23) и это выявленное расхождение очень интересно в генетическом плане. Оно свидетельствует о разных масштабах, составе, термодинамических условиях и даже временном разрыве кристаллизации сульфидного вещества на уровне кристаллизации породообразующих минералов и самой породы. При этом при завершении кристаллизации пород на заключительной стадии активную роль играет калий, об этом свидетельствует появление джерфишерита В алмазоносных трубках этот минерал играет более активную роль в сульфидной минерализации по сравнению с сульфидной минерализацией из нодулей ультрабазитов в трубке Обнаженная
В ультраосновных породах магнезиально-железистой серии (с ильменитом) распространенность сульфидных включений в минералах низкая, но масштаб сульфидной минерализации в интерстициях несколько иной по сравнению с подобной в ксенолитах ультраосновных пород магнезиальной серии Ключевой минерал - пентландит, но при этом активно проявлен джерфишерит и довольно часто образуется пирит. Масштаб проявления джерфишерита гораздо шире по сравнению с сульфидными ассоциациями из ксенолитов мантийных пород магнезиальной серии Отметим, что пирит встречается не только в эклогитах, но и в ильменитовых гипербазитах
Общим для ультраосновных пород магнезиальной и магнезиально-железистой серий является практическое отсутствие моносульфидных твердых растворов в этих породах
Еще интересно отметить, что включения в минералах из нодулей представлены пирротин-пентландит-халькопиритовой ассоциацией, в интерстипиях в перидотитах пентландит-халькопиритовой, реже пентландит-джерфишеритовой, в пироксенитах -пирротин-джерфишеритовой, т е на уровне перидотитов и лерцолитов ключевую роль играет пентландит, а на уровне пироксенитов - пирротин, которые в последующие стадии замещаются джерфишеритом
В эклогитовых породах ключевой минерал - пирротин, особенно в эклогитоподобных породах (см табл 2 26, 2 27) Также, как и в ультраосновных породах, чаще всего сульфидные ассоциации встречаются в интерстипиях. При этом масштаб и разнообразие ассоциаций более значительный по сравнению с ультраосновными породами Сульфидные включения, как правило, состоят из трех-четырех минералов, а не из двух в случае сульфидных включений из ультраосновных пород Более значительную роль начинают играть пирит и халькопирит.
Роль углеводородных систем во флюидном режиме развития глубинного алмазоносного магматизма
При сопоставлении относительных содержаний ПАУ в алмазе, карбонадо, минералах-спутниках и кимберлитах четко выявилось, что состав ПАУ в алмазе и других минералах глубинных пород весьма близок, а кимберлитовые ПАУ резко отличаются от них более высокими содержаниями гомологов пирена, в первую очередь, и фенантрена (рис 3 4) Среди ПАУ в алмазе и других минералах из мантийных пород, в первую очередь, отметим высокое содержание гомологов нафталина и фенантрена. И И Кулаковой и др (1982) было высказано предположение, что ПАУ в минералах из глубинных пород, да и в других системах образуются в результате «последовательной поликонденсапии простых углеводородных молекул, включающей стадии Се- и Cj-дегидроциклизапии, изомеризации, ароматизации и др, сопровождающейся отщеплением более легких молекул Нг, СН4 и пр» И эти компоненты могут сыграть свою роль в образовании алмаза, т к. при высоких температурах процессы поликонденсапии идут активнее и глубже Таким образом, на основании проведенных исследований можно заключить, что кристаллизация граната, оливина и циркона в кимберлитовых трубках, а также алмаза (учитывая сходство химического состава гранатов с флюидными включениями и гранатов, включенных в алмаз) происходила в минералообразующей среде, обогащенной углеводородными соединениями, в том числе и ПАУ. Подобные флюиды могли являться источником углерода при образовании алмаза Шлихо-минералогические методы поисков месторождений алмаза являются одной из важнейших составляющих современной технологии поисков, оценки и прогнозирования кимберлитов и лампроитов Их основы, заложенные в работах А А Кухаренко, В С. Соболева, ММ Одинцова и других геологов, привели к открытию крупнейших месторождений алмаза в Якутии, а в дальнейшем широко использованы в практике поисково-оценочных работ в различных регионах Мира (ЮАР, Китае, Канаде и других), в том числе они сыграли определенную пользу и при открытии лампроитов на территории
Западной Австралии (Джейке и др, 1989) Существенный вклад в развитие теории шлихоминералогических методов поисков внесли отечественные и зарубежные геологи (В П Афанасьев, М А. Гневушев, И П Илупин, ГП Кудрявцева, НП. Похиленко, НН Сарсадских, НВ. Соболев, АД Харькив, ЕД Черный, Дж Герни, Дж. Доусон, В Е Стефенс, Ч. Фипке и многие другие), создавшие теоретические основы поисков месторождений алмаза с учетом особенностей морфологии, состава и физических свойств минералов-спутников алмаза (МСА), а также разработавшие подходы к поискам кимберлитовых тел и последующей типизации их шлиховых ореолов. Многолетние исследования морфологии, химического и фазового состава и физических свойств алмаза и его минералов-спутников проводились под руководством автора сотрудниками лаборатории месторождений алмаза Геологического факультета МГУ им. М В Ломоносова в тесном сотрудничестве со многими геологами научно-производственных организаций в рамках осуществления хоздоговорных работ, проводимых на территориях Якутской и Архангельской алмазоносных провинций Систематическое изучение типоморфных особенностей алмаза и его минералов-спутников позволило по-новому подойти к проблеме связи степени алмазоносности с минеральным составом кимберлитов и лампроитов (Вержак и др, 1989) и предложить новый методический подход поиска алмазоносных тел, рассмотренный ниже, и на его основе систематизировать известные критерии поиска и оценки алмазоносности пород и разработать новые По мнению большинства исследователей, алмаз кристаллизуется в области его стабильности в магматических очагах при частичном плавлении мантии в условиях высоких давлений и температур из магм ультраосновного и основного состава, насыщенных углеводородными флюидами настолько, что алмаз кристаллизуется как наиболее ранний минерал (фенокристали) В дальнейшем алмаз эволюционирует, подвергаясь многоактным процессам роста и растворения в изменяющихся термодинамических и химических условиях минералообразования, в том числе и в кимберлитовых или лампроитовых расплавах (Маракушев, 1995, 2005, Robinson et al, 1989, Arima, Inoue, 1995 и многие другие) Сложная история кристаллизации алмаза от момента его зарождения до образования в виде крупных кристаллов особенно наглядно отражается при изучении внутренней структуры алмаза В последнее время дискретность процесса природного алмазообразования доказана вполне определенно. Наиболее ярким доказательством явилось установление включений типа «алмаз в алмазе», примеры которых приведены на рис 1.1 По нашим данным (Барсанов и др, 1988), они представляют наиболее распространенный тип включений в природных кристаллах алмаза Этот вопрос подробно рассмотрен в главе 1 настоящей диссертации Как было показано (Соболев и др, 1986, Kaminsky, 2000), включения наиболее распространенных минералов в кристаллах алмаза из кимберлитов и лампроитов имеют весьма близкий состав Многие из исследователей склонны рассматривать кимберлитовую и лампроиговую магму как "транспортеры" алмаза при доставке его из глубинных зон Земли к поверхности. При этом глубинные алмазоносные породы подвергаются разрушению, а высвобождающийся алмаз и его минералы-спутники подвергаются активному воздействию со стороны глубинных флюидов (мантийный метасоматоз) и агрессивной кимберлитовой (или лампроитовой) магмы, замещающей интрузии мантийных пород, расслоенных на перидотитовую и эклогитовую составляющие Таким образом, при оценке алмазоносное кимберлитовых и лампроитовых пород следует принимать во внимание две группы факторов, учитывающих 1) возможность выноса кимберлитовым расплавом алмазоносных мантийных пород, что определяется глубиной очагов кимберлитового или лампроитового магматизма относительно положения алмазоносных мантийных пород, 2) сохранность алмаза при «доставке» кристаллов к поверхности флюидизированным расплавом при формировании кимберлитовых и лампроитовых тел При выявлении взаимосвязи алмазоносное с химическим и минеральным составом кимберлитовых (лампроитовых) пород полезными могут быть геохимические, петрохимические, петрологические и минералогические критерии Все эти критерии косвенные и наиболее эффективными на сегодня среди них с практической точки зрения являются минералогические критерии Совмещение в кимберлитовых (лампроитовых) породах высоко- и низкобарных парагенезисов, существенная переработка этих пород гидротермальными и гипергенными процессами, плохая сохранность ксенолитов глубинных пород (ярким примером являются практически все трубки Архангельской алмазоносной провинции), засоренность кимберлитовых (лампроитовых) пород обилием вмещающих осадочных и метаморфических пород - вот не полный перечень причин, во многих случаях ограничивающих использование геохимических, петрохимических и петрологических критериев при поисках промышленных месторождений алмаза Отмеченные сложности трудно корректно преодолеть отборкой "собственно кимберлитового" или "собственно глубинного" материала, даже используя при последующей обработке аналитических данных достаточно мощный математический аппарат с современной компьютерной базой (Цоусон, 1983; Mitchell, 1986) В данной работе ограничимся рассмотрением проблемы минералогических критериев оценки алмазоносности кимберлитовых и лампритовых пород, которая с привлечением огромного фактического материала решалась в рамках диссертационной работы Эта проблема является важной составляющей геолого-минералогической системы поисков месторождений алмаза, направленной на решение двух главных задач (Afanasiev, 1995):
К проблеме взаимосвязи состава минералов из связующей массы кимберлитов и лампроитов с алмазоносностью этих пород
В двух предыдущих разделах рассматривались, главным образом, минералогические критерии алмазоносности, характеризующие потенциальную алмазоносность кимберлитовых и лампроитовых тел Они указывают только на возможность образования алмаза в глубинных условиях, в поле его стабильности, но в значительной степени не учитывают термодинамических условий эволюции пород и физико-химических условий вьшоса алмаза к поверхности кимберлитовыми или лампроитовыми расплавами Минералогические критерии должны учитывать и условия сохранности алмаза. Зародившийся в мантийных условиях алмаз испытывает сложную и длительную эволюцию Изменение РТ-условий среды минералоообразования в сторону уменьшения этих параметров, возрастание окислительного потенциала - факторы, приводящие к растворению и даже полному уничтожению алмаза
Такой температурный режим ("закалка") охлаждения благоприятствует и сохранности кристаллов алмаза При медленном падении температуры высокохромистый пикроильменит распадается с образованием микровключений хромтитансодержащих ферришпинелидов Аналогичная картина наблюдается и в случае зерен граната при медленном падении температуры в этом минерале возникают ориентированные игольчатые структуры распада твердого раствора, тельца распада в которых представлены рутилом, ильменитом или хромшпинелидами, что определяется исходным составом твердого раствора граната. Скорость поставки глубинного материала, в том числе и алмаза, к поверхности Земли отражается и на особенностях фазового состава включений в МСА Так, например, включения сульфидов пирротин-пентландит-халькопиритовой ассоциации в зернах гранатов из алмазоносных тел представляют собой "замороженный" твердый раствор, а в зернах гранатов из неалмазоносных тел сульфидный расплав отчетливо дифференцируется с обособлением минеральных фаз -пентландита, пирротина и халькопирита (Гаранин и др, 1984,1988).
Интересно отметить, что минералы-спутники алмаза со структурами распада твердого раствора широко представлены в трубках со слабой алмазоносностью, например, в трубках Амакинская и Таежная Мало-Ботуобинского поля, трубке Зимняя Верхнее-Мунского поля и многих других
О длительности пребывания алмаза и его минералов-спутников в неравновесных условиях, а также о степени агрессивного воздействия кимберлитовой и лампроитовой магм на эти минералы, можно судить на основе результатов морфологических исследований последних Критерии отличия микрорельефа растворения от форм роста для важнейших МСА (гранатов, ильменита, хромшпинелидов и хромдиопсида) и алмаза в настоящее время достаточно хорошо разработаны с применением традиционных оптических методов и растровой электронной микроскопии (Атласы морфологических особенностей минералов-спутников алмазов .... , 1981, 1982, 19831,2; Атлас "Морфология и спектроскопия алмаза из четвертичных россыпей бассейна реки Анабар", 1991; Методическое руководство ..., 1985; Атлас морфологических особенностей алмазов ..., 1986І, Атлас морфологических особенностей минералов-спутников ..., 19862 , Атлас морфологических и спектроскопических особенностей алмазов..., 1987; Афанасьев, 1991).
Наличие интенсивно развитого микрорельефа растворения на поверхности протомагматических сколов минералов-спутников, а также присутствие мощных келифитовых кайм на гранатах (рис 4.12) и клинопироксенах, реакционных кайм и оторочек перовскита в каймах на зернах ильменита (рис 4.13) указывают на длительность процесса становления кимберлитовых тел и свидетельствуют о процессах растворения алмаза, что необходимо
Еще раз хотелось бы обратить внимание на тот факт, что большинство разработанных до последнего времени минералогических критериев алмазоносности характеризуют, по-существу, потенциальную алмазоносность кимберлитовых тел. Они указывают только на возможность образования алмаза в глубинных условиях, в поле его стабильности, и на глубину заложения кимберлитовых расплавов, и не учитывают термодинамических условий эволюции этих расплавов и физико-химических условий выноса алмаза к поверхности кимберлитовыми или лампроитовыми расплавами.
С методической точки зрения необходимо акцентировать внимание и на то, что минералогические критерии должны учитывать и условия сохранности алмаза. Зародившийся в мантийных условиях алмаз испытывает сложную и длительную эволюцию. Изменение РТ-условий среды минералообразования в сторону уменьшения этих параметров, возрастание окислительного потенциала - факторы, приводящие к растворению и даже полному уничтожению алмаза.
При этом, необходимо отметить, что и кимберлитовая магма является не пассивным, а активным "транспортером" алмаза и его МСА При этом высокие скорости "доставки" алмаза к поверхности при прочих равных физико-химических условиях способствуют сохранности его кристаллов Таким образом, можно оценить не только глубину заложения кимберлитового очага, но и условия сохранности алмаза, используя косвенные минералогические признаки
Раннее уже отмечалось, что структуры распада твердого раствора в желваках высокохромистого пикроильменита, в зернах гранатов и других минералах не могут возникать при быстром снижении температуры Быстрый режим охлаждения ("закалка") расплавов благоприятствует и сохранности кристаллов алмаза При медленном падении температуры высокохромистый пикроильменит распадается с образованием ориентированных пластинчатых микровключений хромтитансодержащих ферришпинелидов в магнезиальном ильмените Аналогичная картина наблюдается и в случае зерен фаната при медленном падении температуры в этом минерале возникают ориентированные игольчатые структуры распада твердого раствора, тельца распада в которых представлены рутилом, ильменитом или хромшпинелидами, что определяется исходным составом твердого раствора граната и термодинамическими условиями среды минералообразования И этот длительный режим падения температуры особенно в агрессивной среде может отразиться и на алмазе, способствуя его растворению
