Содержание к диссертации
Введение
Часть 1. Экспериментальные исследования. 8
Глава 1. Методы исследования. 9
1.1.1. Техника и методика эксперимента. 9
1.1.2. Фактический материал и аналитические методы исследования . 13
1.1.3. Теоретические методы: политермические разрезы многокомпонентных систем. 16
Глава 2. Экспериментальное исследование системы гранат-омфацит при 7.0 ГПа. 19
1.2.1. Литературный обзор: экспериментальные данные по эклогитовой системе в условиях стабильности алмаза. 19
1.2.2. Изучение системы пироп-гроссуляр-альмандин. 28
1.2.3. Данные в системах пироп-омфацит и альмандин-омфацит . 41
1.2.4. Изучение внутреннего политермического сечения гранат-омфацит. 43
1.2.5. Построение псевдотройной системы пироп (+гроссуляр) - альмандин (+гроссуляр) - омфацит при 7.0 ГПа. 52
Глава 3. Синтез алмаза в расплавах системы эклогит - карбонат - сульфид - углерод. 56
1.3.1. Литературный обзор: экспериментальные данные по синтезу алмаза. 56
1.3.2. Задачи в области генезиса алмаза. 61
1.3.3. Методика эксперимента по синтезу алмаза. 61
1.3.4. Кристаллизация алмаза в системах с участием эклогита, карбоната, сульфида и углерода. 65
1.3.5. О роли сульфидов, эклогитов и карбонатов в процессах природного алмазообразования. 84
Основные выводы к части 1. 87
Часть 2. Природные эклогитовые системы в сопоставлении с экспериментальными исследованиями . 88
Глава 1. Литературный обзор. 88
2.1.1. Классификации эклогитов. 88
2.1.2. Эклогиты. Петрологические аспекты . 92
2.1.2.1. Породообразующие минералы. 92
2.1.2.2. Зональность граната. 95
2.1.2.3. Известные геотермометры эклогитов. 97
2.1.3. Первичные (сингенетические) включения в алмазах и проблема материнских алмазообразующих сред. Минералогические данные. 97
Глава 2. Эксперимент в приложении к природным данным. 101
2.2.1. Котектические соотношения граната и клинопироксена в эклогитовой системе . 101
2.2.2. Закономерности изменения состава гранат-клинопироксеновых парагенезисов. 107
2.2.3. Схемы кристаллизации гранатов. 117
2.2.4. Значение сульфидной среды в алмазообразовании. 124
Основные выводы к части 2. 128
Заключение. 129
Список литературы. 13 0
- Фактический материал и аналитические методы исследования
- Данные в системах пироп-омфацит и альмандин-омфацит
- Эклогиты. Петрологические аспекты
- Котектические соотношения граната и клинопироксена в эклогитовой системе
Введение к работе
Актуальность работы.
Наряду с пироповыми перидотитами, эклогиты являются главными алмазоносными породами. Образование алмаза в них зависит от многих факторов, ведущими из которых являются давление и состав алмазообразующей среды. Поэтому выяснение физико-химических условий формирования собственно эклогитовых парагенезисов и их связи с процессами кристаллизации алмаза представляет большой научный интерес и является актуальной проблемой глубинной петрологии. Разнообразие сингенетических включений (кристаллических, расплавных и флюидных) в алмазе (Соболев, 1974; Соболев и др., 1972, 1997; Буланова и др., 1982,1993; Ефимова и др., 1983; Гаранин и др., 1991; Navon et al., 1988, 2003; Taylor et al., 1996, 2004; Wang et al., 1996; Klein-BenDavid et al., 2003; Logvinova et al., 2003 и др.) предполагает сложные многофазовые составы алмазообразующих сред. Выяснение соотношений между силикатными, карбонатными и сульфидными компонентами (как самыми распространенными первичными включениями и спутниками алмаза) при алмазообразовании имеет ключевое значение в раскрытии физико-химических условий генезиса алмаза и алмазоносных пород.
Цель работы.
Выяснение физико-химических условий образования эклогитов и их алмазоносности: экспериментальное исследование фазовых равновесий гранатовой (пироп-альмандин) и эклогитовой (гранат-омфацит) систем, а также процессов алмазообразования в расплавах модельных сульфидов с растворенным углеродом и в системе эклогит-карбонат-сульфид-углерод при высоких давлениях и температурах, отвечающих условиям термодинамической устойчивости алмаза; анализ петрологических данных для гранат-омфацитовых парагенезисов и их интерпретация на основе экспериментальных данных.
Защищаемые положения.
1. При экспериментальном изучении фазовых отношений в системе пироп-альмандин при давлениях 4.0 и 6.5 ГПа установлено, что компоненты данной системы характеризуются неограниченной смесимостью как в твердом, так и в жидком состояниях при обоих значениях давления (фазовые диаграммы относятся к I типу по Розебому).
2. Экспериментальное исследование фазовых равновесий псевдотройной системы омфацит - пироп (+32 мол. % гроссуляра) - альмандин (+32 мол. % гроссуляра) в ее политермическом сечении омфацит-пиропі5альмандин5згроссулярз2 при давлении 7.0 ГПа показало, что плавление гранат-омфацитовой ассоциации является котектическим, а температура ее «сухого» солидуса в данном сечении составляет около 1450°С. Это значение выше, чем расчетные температуры образования эклогитов в нодулях кимберлитовых трубок, что может свидетельствовать о флюидной природе эклогитовых магматических систем мантии. 3. Впервые выполнены синтезы алмаза в сульфидных пирротин-пентландит-халькопиритовых расплавах с растворенным углеродом при давлениях 7.0 - 8.0 ГПа; экспериментальными исследованиями кристаллизации алмаза в сульфидно-карбонатных и гранат-омфацит-сульфидно-карбонатных расплавах (с углеродом) выявлена высокая алмазообразующая эффективность природных сульфидных сред (сопоставимо с карбонатными) для нуклеации и роста алмаза.
Научная новизна.
1. Экспериментально обоснована флюидно-магматическая природа эклогитов из кимберлитовой трубки «Удачная».
2. Обоснована модель сопряженности сульфидного алмазообразования с флюидной сульфуризацией богатых железом магматических дифференциатов.
3. При давлениях 6.5 и 4.0 ГПа изучена бинарная система пироп-альмандин. Показано, что она представляет собой I тип диграмм Розебома с неограниченной смесимостью компонентов в жидком и твердом состояниях. Впервые установлено, что альмандин в изученном интервале давлений плавится конгруэнтно.
4. При давлении 7.0 ГПа и температурах 1200 - 1600°С экспериментально исследовано внутреннее политермическое сечение омфацит-гранат многокомпонентной псевдотройной системы пироп (+гроссуляр) - альмандин (+гроссуляр) - клинопироксен (омфацит). С помощью этого политермического разреза и диаграммы плавкости пироп-альмандин впервые построена линия совместной кристаллизации (котектика) граната и омфацита в условиях стабильности алмаза.
5. Проведен синтез алмаза при высоких давлениях в сульфид - углеродных и более сложных эклогит - сульфид - углеродных системах. Впервые показана эффективность мантийных сульфидных расплавов как алмазообразующих сред.
6. Установлены эффекты жидкостной несмесимости карбонатных и сульфидных, а также сульфидных и силикатных расплавов в РТ (7.0-8.5 ГПа и 1500-1980°С) условиях стабильности алмаза.
Практическая значимость.
Построенные фазовые диаграммы в многокомпонентной эклогитовой системе позволяют восстанавливать физико-химические условия образования и эволюции природных эклогитов, в частности по особенностям кристаллизации главного минерала эклогитов -граната.
Установленная впервые эффективность сульфидных расплавов как сред алмазообразования представляет интерес для создания новых методов синтеза алмаза, а также в сочетании с явлениями силикатно-сульфидной и карбонатно-сульфидной жидкостной несмесимости для дальнейшего развития физико-химической модели генезиса природных алмазов.
Фактический материал и методы исследований.
В ходе работы были экспериментально изучены (поставлено более 100 экспериментов) системы пироп-гроссуляр-альмандин, альмандин-омфацит, гранат-омфацит, эклогит-карбонат-сульфид-углерод при высоких Т-Р параметрах на установке НЛ-13Т в лаборатории флюидно-магматических процессов ИЭМ РАН г.Черноголовка. Дополнительно были изучены природные образцы (10 шт.) алмазоносных эклогитов кимберлитовой трубки «Удачная», был изучен обширный полевой материал - более 40 образцов эклогитов максютовского эклогит-глаукофансланцевого комплекса - района д. Караяново, Шубинского месторождения рутиловых эклогитов, д. Антинган - часть которого была отобрана в полевых работах автора в 2001 году. Коллекции эклогитов были предоставлены для изучения доцентом кафедры петрологии Бобровым А.В.
Основными методами исследования экспериментальных и природных образцов были детальные минералого-петрографические, электронно-зондовые исследования, рентгеноструктурныи анализ и иммерсионный метод исследования, а также проведенный на их основе физико-химический анализ парагенезисов минералов эклогитов.
Апробация работы.
Результаты работы представлены на X научных чтениях памяти проф. И.Ф.Трусовой, МГГА, 2000г.; 8ой, 9ой Международных конференциях по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии, Италия (Бергамо, 2000), Швейцария (Цюрих, 2002); Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов», МГУ, 2000; Верещагинских чтениях по химии и физике высоких давлений, Москва, хим. ф-т МГУ им. М.ВЛомоносова, 2001; XIV Российском совещании по экспериментальной минералогии,
Черноголовка, 2001; ежегодных семинарах по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии, Москва, ГЕОХИ, 2002-2004гг., VI Международной эклогитовой конференции, Япония, 2001; 8ой Международной конференции "New Diamond Science and Technology", Мельбурн, Австралия, 2002; 180м совещании Международной минералогической ассоциации, Эдинбург, Шотландия, 2002; 5ой школе Европейского минералогического союза и Симпозиуме по сверхвысокобарному метаморфизму, Будапешт, Венгрия, 2003; 8ой Международной кимберлитовой конференции, Канада, 2003; 320м Международном геологическом конгрессе, Флоренция, Италия, 2004; Международном симпозиуме «Эволюция континентальной литосферы, происхождение алмазов и их месторождений», посвященном 70-летию академика Н.В.Соболева. Новосибирск, 3-5 июня 2005г. Основные положения работы изложены в 11 статьях и тезисах 14 докладов.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, 2-х частей и заключения. Первая часть состоит из 3-х глав, вторая часть - из 2-х глав. Диссертация изложена на 144 страницах и сопровождается 53 рисунками и 12 таблицами. Список литературы включает 216 наименований.
Благодарности.
Работа выполнена под руководством академика РАН А.А.Маракушева, доктора хим. наук Ю.А.Литвина, которым автор глубоко благодарна. Особую благодарность за неоценимую помощь в экспериментальной работе автор выражает ведущему инженеру лаборатории флюидно-магматических систем ИЭМ РАН Л.П.Редькиной. Автор искренне признателен также за практические советы сотрудникам кафедры петрологии МГУ профессору Л.Л.Перчуку, доцентам А.В.Боброву и О.Г.Сафонову, Г.Н.Назьмовой, а также сотруднику кафедры петрографии СпбГУ С.К.Симакову. Отдельная благодарность докторам г.-м. наук З.В.Специусу и Н.С.Горбачеву за предоставленные монофракции минералов, используемых в экспериментах. Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории локальных методов исследования вещества МГУ Е.В. Гусевой и Н.Н. Коротаевой, а также лаборатории физических методов исследования ИЭМ РАН, Черноголовка, А.В.Некрасову и К.В. Ван за помощь при проведении микрозондовых анализов. Работа выполнена при поддержке РФФИ: гранты 04-05-64896, 04-05-97220, а также программы «Ведущие научные школы России» 1301.2003.5 (рук. академик РАН А.А. Маракушев).
Фактический материал и аналитические методы исследования
Фактический материал. В ходе работы были экспериментально изучены системы пироп-гроссуляр-альмандин, альмандин-омфацит, гранат-омфацит, эклогит-карбонат-сульфид-углерод при высоких Т-Р параметрах на установке НЛ-13Т в лаборатории флюидно Литературные данные (Екимова, Литературные данные (Гаранин магматических процессов ИЭМ РАН г.Черноголовка. Дополнительно были изучены природные 10 образцов алмазоносных эклогитов кимберлитовой трубки «Удачная», был изучен обширный полевой материал - более 40 образцов эклогитов максютовского эклогит-глаукофансланцевого комплекса - района д. Караяново, Шубинского месторождения рутиловых эклогитов, д. Антипган - часть которого была отобрана в полевых работах автора в 2001 году. Коллекции эклогитов были предоставлены для изучения доцентом кафедры петрологии Бобровым А.В.
Основными методами исследования экспериментальных и природных образцов были детальные минералого-петрографические, электронно-зондовые исследования, рентгеноструктурныи анализ и иммерсионный метод исследования, а также проведенный на их основе физико-химический анализ парагенезисов минералов эклогитов. Электроино-зондовый анализ. В работе был использован комплекс методов изучения вещества, но основным методом являлся электронно-зондовый рентгеноспектральный анализ, проводившийся в основном на растровом электронном микроскопе CamScan 4DV с использованием энерго-дисперсионной приставки Link AN 10000 на кафедре петрология в лаборатории локальных методов исследования вещества МГУ, операторы Гусева Е.В. и Коротаева Н.Н., а также на микрозонде Camebax, ИЭМ РАН, операторы Некрасов А.В. и Ван К.В. Анализы химического состава фаз проводились при ускоряющем напряжении 15 кВ и диаметре электронного пучка 3 um и автоматически пересчитывались на 100%. Рентгеноструктурныи анализ. Анализ предназначен для определения параметров ячейки с целью идентификации вещества. Определение ориентировки и ячейки производилось в четырехкружном дифрактометре, в котором детектором служит сцинтилляционный или пропорциональный счетчик. Это позволяет измерять интенсивность потока фотонов в интервале Ю Ю5 см"1 с точностью 0.5-1.0%. Метод применялся на кафедре кристаллография МГУ для идентификации стекол разных составов.
Иммерсионный метод. Данный метод был применен для определения стекла альмандинового состава. Метод основан на определении показателя преломления вещества путем погружения их в жидкости с заранее известным показателем преломления. Опытным путем подбираются такие две жидкости, одна из которых имеет показатель преломления выше, а другие ниже, чем у исследуемого вещества. Показатель преломления вещества находится после этого интерполированием. Точность метода при достаточно полном наборе жидкостей составляет ±0,002 и даже ±0,001. Данный метод был проведен на кафедре петрологии в лаборатории экспериментальной и технической петрографии МГУ. 1.1.3. Теоретические методы: политермические разрезы многокомпонентных систем.
Исследуемая эклогитовая система пироп (+гроссуляр) - альмандин (+гроссуляр) -омфацит находится в рамках многокомпонентной системы Na20-CaO-MgO-FeO-Al203-Si02 (рис.3). Для ее изучения и изображения был выбран метод политермических (вертикальных) разрезов.
Трудности геометрического представления системы с большим числом компонентов (более четырех) отмечается многими исследователями (Заварицкий, Соболев, 1961). Разработке удобных методов описания и исследования многокомпонентных гетерогенных систем посвящены многие работы (Палатник, Ландау, 1961; Захаров, 1964).
Важным методом наглядного изображения и исследования многомерных диаграмм равновесия многокомпонентных систем является построение их двухмерных сечений и проекций (Заварицкий, Соболев, 1961; Палатник, Ландау, 1961; Захаров, 1964). Наиболее распространенными видами сечений равновесной диаграммы являются политермические (вертикальные) и изотермические (горизонтальный разрез при постоянной температуре). В отличие от изотермического, политермический разрез проводят через точки, отвечающие составам фаз, и в большинстве случаев является псевдобинарной системой (составы фаз не ложатся в плоскость разреза и не могут быть выражены как сумма указанных выше компонентов). В псевдобинарной разрезе количество фаз отвечает многокомпонентной (тройной и больше) системе, и для каждого состава можно лишь проследить температурные границы появления и исчезновения фаз, но не состав этих фаз. Для корректного изображения псевдобинарного сечения необходимо соблюдать следующие правила построения (Палатник, Ландау, 1961; Захаров, 1964):
1) Поле фазовой диаграммы, представляющее равновесие между данным числом N фаз, может быть окружено только полями, представляющими равновесие такого же числа фаз, но на один больше или меньше, т.е. N±1. (так называемое правило креста, или в наиболее общем виде правило соприкосновения областей состояния фаз). В соответствии с этим правилом на диаграмме политермического разреза моновариантная кривая равновесия изображается в виде поля.
2) Угол встречи кривых, разделяющих одно- и двухфазные области (кривые ликвидуса, ликвидуса и бинодаль, солидуса и сольвуса и т.д.) на политермических разрезах всегда должен быть меньше 180, а метастабильные продолжения этих кривых за точку встречи - располагаться в соседних двухфазных областях или одной трехфазной. В общем случае двухфазные области на политермичечеких разрезах ограничены парами кривых, отвечающих температурам начала и конца соответствующих фазовых превращений, в которых участвуют две фазы, а Рис. 3. Положение системы Cpx -Prp70Grs30-Alm70Grs30 и ее политермического разреза Cpx -Grt в пределах многокомпонентной системы 20-СаО-1У О-РеО-А12Оз-8Ю2, -составьісм.табл.і. трехфазные области — тремя кривыми, представляющими собой следы от сечения линейчатых поверхностей начала и конца превращений, в которых участвуют три фазы. На политермических разрезах тройных систем с практически отсутствующей взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии и промежуточными фазами постоянного состава числа кривых, ограничивающие двух- и трехфазные области, могут быть меньше. Если политермический разрез проходит через одну из коннод, образующих соответствующую линейчатую поверхность начала или конца трехфазного превращения, то след от сечения этой поверхности изображается горизонтальным отрезком (т.е.) самой коннодой. В ряде случаев не все (из трех) линейчатые поверхности могут попасть в сечение, поэтому число кривых, ограничивающих соответствующую трехфазную область на политермическом разрезе, уменьшается до трех.
Данные в системах пироп-омфацит и альмандин-омфацит
Система пироп-омфацит. Данная псевдобинарная система представляет собой совокупность в основном следующих систем: пироп-диопсид, пироп-жадеит, и в меньшей степени пироп-геденбергит (учитывая, что 30 % гроссулярового компонента в составе граната не оказывают особого влияния). 1) Система пироп-диопсид была изучена при 3.0 ГПа (O Hara, Yoder, 1967) и 4.0 ГПа (Davis, 1963) (рис.7). Система характеризуется появлением энстатита как дополнительной фазы, а также большим полем стабильности в области субсолидуса клинопироксена, обогащенного Са-молекулой Чермака, как следствие растворения фиктивного минала АІ2О3 (рис.8) - экспериментаторы называют данное поле полем стабильности твердых растворов пироксена. 2) Система Di8oHed2o-Prp8oAlni2o была изучена (Литвин, 1991) при 4.0 ГПа (рис.П). На ликвидусе данной системы появляется дополнительная фаза - ортопироксен и в области субсолидуса существует поле стабильности твердых растворов клинопироксена. 3) Система пироп-жадеит изучена (Литвин, 1991) при 4.0 ГПа. Она относится к типу диаграмм простых эвтектических систем (рис.9) без твердых растворов компонентов. 4) Система DisoJdso-Prp была изучена (Литвин, 1991) при 4.0 ГПа. Система является псевдобинарной и характеризуется появлением незначительного поля твердых растворов клинопироксена в области субсолидуса. Никаких дополнительных фаз не образуется. На рис.10 показан политермический разрез псевдобинарной системы DisoJdso-Ргр.
Система алъмандин-омфацит. Эксперименты в системе пироп-альмандин при 6.5 ГПа показали, что альмандин является стабильной фазой при высоких давлениях, таким образом, краевой политермический разрез альмандин-омфацит будет подобен экспериментально изученному ранее (Литвин, 1991) политермическому сечению псевдобинарной системы пироп-омфацит. При построении тройной диаграммы пироп (+гроссуляр) - альмандин (+гроссуляр) - омфацит необходимо знать минимальную температуру плавления фаз на краевых диаграммах, что стало задачей в проведении следующей серии экспериментов в псевдобинарной системе альмандин-омфацит.
Фазовые отношения в системе омфацит-альмандин были исследованы при постоянном давлении 7.0 ГПа и температурах от 1150 до 1550С. Условия и результаты экспериментов показаны в таблице 4. Первичные составы подбирались таким образом, чтобы достичь появления расплава и полного плавления - зафиксировать линии солидуса и ликвидуса. Были взяты следующие составы: CpxisAlmgs, Срх4оА1пібо, Срх7оА1тзо. Стартовые вещества были получены путем смешивания синтезированных кристаллических крайних членов системы альмандин-омфацит, взятых в соответствующих пропорциях.
Экспериментальные исследования внутреннего политермического сечения омфацит-гранат многокомпонентной псевдотройной системы пироп (+гроссуляр) — альмандин (+гроссуляр) - клинопироксен (омфацит) впервые были проведены при 7.0 ГПа и 1200 -1600С, что отвечает РТ - условиям стабильности алмаза (Kennedy, Kennedy, 1976).
Исходные составы и методика эксперимента описана в 1.1. Присутствие гроссулярового компонента в составе граната в количестве 30% не влияет на характер диаграммы плавкости пироп-альмандин, как было показано выше, таким образом, данный компонент будет указываться как избыточный компонент. Нужно заметить, что серия экспериментов (опыты №№ 716-815) была выполнена без использования вольфрамового буфера для простого изучения фазовых отношений в системе, остальные эксперименты (опыты №№ 908-917) были проведены с использованием вольфрамового буфера, при частичном окислении вольфрама в опытах формировалась буферная пара W/WO2, обеспечивающая устойчивость двухвалентного железа, что дает возможность работать с более точными составами фаз.
При микрозондовом анализе получены твердые фазы клинопироксена и граната в опытах № 716,722,721,810-812,748,717,719,814,912, что определяет область субсолидуса. Опыты № 737,738,915,914 и 917,815 (табл.5) показали две фазы - Cpxss+L и Grtss+L соответственно (фазы граната и клинопироксена устанавливаются в количестве менее 5%), т.е. поля, определяющие линии ликвидуса на тройной диаграмме плавкости эклогитовои системы.
Рассмотрим фазовые отношения псевдобинарной системы клинопироксен (омфацит) -гранат (рис.22). В ее субсолидусе есть лишь одно фазовое поле: (1) Cpxss + Grtss. Нужно отметить отсутствие поля стабильности клинопироксена, обогащенного Са-молекулой Чермака, как следствие растворения фиктивного минала АІ2О3 (рис.8), что является отличительной чертой изученного политермического разреза по отношению к безнатровым системам и подобным системам, ранее изученным при более низких давлениях (Davis, 1963; O Hara, 1963; Литвин, 1991). Отсутствие поля Cpxss хорошо согласуется с природными данными, поскольку омфациты, содержащие большое количество жадеитового компонента, содержат небольшое количество Са-молекулы Чермака.
Плавление двухфазовой ассоциации омфацит + гранат начинается при 1430С и имеет эвтектический характер. Наличие поля Срх + Grt + L свидетельствует о существовании моновариантной котектики в базовой тройной системе. В образцах котектического поля расплавы закаливались в виде стекла, дендритных закалочных форм не наблюдалось.
При закалке расплавы чаще превращаются в однородные стекла. Иногда формируются закалочные дендритные текстуры. На рис.20б,г и рйс.21а даны примеры таких текстур, внутри которых можно наблюдать единичные скелетные микрокристаллики клинопироксена и граната, образовавшихся, скорее всего, в процессах закалки при температурах ниже ликвидусных — в поле, соответствующем моновариантной котектике Срх + Grt + L (рис.22).
Эклогиты. Петрологические аспекты
Н.В.Соболев (1974) выделяет три типа ассоциаций алмаза с другими минералами: 1) включения алмазов в минералах (алмазсодержащие породы); 2) сростки алмазов с другими минералами; 3) кристаллические включения в алмазах. Главными породообразующими минералами алмазоносных, как и других эклогитов, являются гранат пироп-альмапдипового состава с переменным содержанием кальция и жадеитсодержащий клинопироксеп (омфацит). Установлены дистенсодержащие и корундсодержащие разновидности алмазоносных эклогитов. В качестве постоянной примеси присутствует рутил. В некоторых образцах совместно с алмазом зафиксирован графит (Соболев, 1974). Разнообразие составов главных породообразующих минералов алмазоносных эклогитов. В 1964 г. Н.В.Соболевым были выделены парагенетические типы гранатов (Соболев, 1964), среди прочих типов были гранаты из эклогитов. Общей особенностью этих гранатов является более высокое содержание кальциевого компонента, чем в гранатах из перидотитов. Для основного количества анализов оно колеблется в пределах от 12 до 30%. Гораздо более широкие колебания наблюдаются в содержании пиропового компонента: 12-75%. Интервал колебания железистости составляет от 9 до 70%.
Химический состав гранатов двуминеральных эклогитов кимберлитовых трубок Якутии характеризуется широкими колебаниями как по содержанию кальциевого компонента $9-34%), так и по железистости (17-55%) (Соболев, 1974). Еще более кальциевые гранаты (кальциевость достигает почти 48%) известны в эклогитах трубки «Роберте Виктор». Широкие колебания железистости (20-55%) и кальциевости (10-37%) гранатов эклогитов проявляются не только в выборке эклогитов из кимберлитов Якутии и Африки, но и для других трубок. Только по особенностям состава можно объяснить присутствие железистых гранатов алмазоносных эклогитов (55-63% железистого компонента). Гранат, богатый альмандином, может быть устойчив при высоких давлениях, и присутствие железистых гранатов в алмазоносных эклогитах и алмазах с величиной железистости вплоть до 69% не только не противоречит возможности их кристаллизации при высоких давлениях, а наоборот подтверждает предположение о значительных различиях в составах субстрата верхней мантии.
Итак, в противоположность перидотитам эклогиты содержат алмазы в ассоциации с силикатами, имеющими очень широкий диапазон железистости; гранаты из эклогитов, более бедных магнием, отличаются широким диапазоном изменения состава в пределах поля биминеральных корундовых и кианитовых экогитов (Маракушев, 1985). Эклогиты с очень железистым гранатом, близким по составу к альмандину, свойственны рутиловым эклогитам, с которыми могут быть связаны месторождения мелких алмазов кубического и октаэдрического габитуса с размером зерен в сотые и десятые доли миллиметра. Признаком высокого давления, при котором они образовались, служит высокое содержание жадеита в пироксене, равновесном с гранатом.
Эклогитовый тип включений в алмазах - самостоятельный тип алмазоносных эклогитов - представляет включения пироп-альмандиновых гранатов с переменным содержанием кальция и переменной величиной железистости (Соболев, 1974). Кристаллические включения в алмазе могут быть менее магнезиальными, чем те же минералы в заключающем его эклогите. Это объясняется тем, что железистость граната, кристаллизующегося совместно с алмазом, выше, чем железистость расплава, так что в остаточном расплаве в ходе кристаллизационного фракционирования компонентов железо-магниевое отношение понижается (Маракушев, 1985). По данным Н.В.Соболева (1974, 1975) пределы колебания содержания кальциевого компонента гранатов, эклогитового парагенезиса, включенных в алмаз, составляет 10-35% и железистости - от 20-25%) до 60%. Подтверждением особого характера включений пироп-альмандиновых гранатов в алмазе может служить их устойчивая примесь ЫагО в гранатах (от 0,1 до 0,22%). Возможность изоморфного вхождения ШгО в эти гранаты по схеме NaSi-CaAl, предусматривающей начальные стадии перехода Si(IV)-Si(Vl), связывается с высоким давлением и особенностями парагенезиса, составной частью которого является жадеитсодержащий клинопироксен. И в сростках с алмазами встречаются гранаты эклогитового парагенезиса - пределы колебания их состава по содержанию кальция составляют от 9 до 40%, по содержанию железистости - от 30 до 52%.
В результате проведенной методом кластерного анализа классификации химического состава гранатов эклогитового парагенезиса В.К.Гараниным и др. (Гаранин и др., 1991) было вьщелено 26 кластерных групп. Данные группы были проанализированы и сведены к 13 химико-генетическим группам: 1) глубинный парагенезис гранатов из включений в алмазе; 2) высокотитанистые алмазоносные магнезиально-железистые эклогиты; 3) ильменит-рутил ± алмазсодержащие магнезиально-железистые эклогиты; 4) алмазсодержащие магнезиально-железистые эклогиты; 5) глиноземистые ± алмазсодержащие эклогиты; 6) высококальциевые гроспидиты и алмазоносные гроспиты; 7) магнезиальные илменит-рутил ± алмазсодержащие эклогиты; 8) высокохромистые ± алмазсодержащие магнезиальные эклогиты; 9) высококремнистые магнезиально-железистые эклогиты; 10) марганцовистые магнезиально-железистые эклогиты; 11) высокохромистые дистеновые эклогиты и гроспидиты; 12) высокожелезистые рутиловые эклогиты; 13) эклогитоподобные породы. Таким же образом была разработана химико-генетическая классификация клинопироксенов эклогитового парагенезиса, которая насчитывает 9 химико-генетических групп: 1) магнезиально-железистые высокотитанистые алмазоносные эклогиты (включения в алмазе); 2) биминеральные алмазоносные эклогиты; 3) дистеновые, гроспидитовые ± алмазсодержащие эклогиты; 4) магнезиальные, магнезиально-железистые, глиноземистые ± алмазсодержащие эклогиты; 5) биминеральные ± алмазсодержащие эклогиты; 6) высокоглиноземистые ± алмазсодержащие эклогиты; 7) высокохромистые неалмазоносные эклогиты и гроспидиты и включения в алмазе; 8) низкоглиноземистые железистые эклогитоподобные породы; 9) глиноземистые неалмазоносные высокотитанистые железистые эклогиты (гранулиты) и эклогитоподобные породы. ,
Клинопироксены эклогитов характеризуются повышенной примесью ИагО и повышенной железистостью (Соболев, 1974). Интервал колебания Na-компонента достаточно широк и составляет от 18 до 45%, для трубки «Роберте Виктор» - 25-51%, железистость колеблется от 10% до 25%. Очень многие ксенолиты эклогитов содержат рутил в переменных количествах, иногда приближающихся к 1-2%, также распространены сульфиды в качестве акцессорных минералов.
Количественные соотношения главных породообразующих минералов эклогитов. Количественные соотношения между гранатом и клинопироксеном в эклогитах варьируют в широких пределах: от 10 до 80% граната из эклогитов ксенолитов южноафриканских трубок (Rickwood, 1968; MacGregor & Carter, 1970), от 15 до 90% граната из эклогитов трубки Удачная, Якутия (Бобров, 1998), вплоть до появления практически мономинеральных разностей, обогащенных гранатом или омфацитом. Среди биминеральных пород преобладают разности примерно равным содержанием граната и омфацита, а в кианитовых и корундовых эклогитах содержание граната обычно намного больше, чем клинопироксена.
Котектические соотношения граната и клинопироксена в эклогитовой системе
Изучена коллекция алмазоносных эклогитов, насчитывающая 10 образцов. Особое внимание было уделено породам, содержащим гранат и клинопироксен в неизмененном состоянии.
Петрография. Нодули алмазоносных гранат-клинопироксеновых пород обычно имеют овальную, реже неправильную форму и сглаженную поверхность. Размеры их не превышают 5 см по длинной оси, но наиболее часто встречаются нодули размером 2-2.5 см. Характерной особенностью пород является то, что в некоторых случаях гранат и большинство кристаллов алмаза выступают над поверхностью нодуля, придавая ему неправильную форму. Цвет пород серо-зеленый до темно-зеленого, участки, сложенные гранатом, окрашены в оранжевый цвет.
Главными минералами эклогитов являются гранат пироп-альмандинового-гроссулярового ряда и травяно-зеленый омфацит. К акцессорным минералам относятся рутил, сульфиды, графит и алмаз. Количественные соотношения между гранатом и клинопироксеном колеблются от 40:60 до 80:20 об.% (табл.9). Однако преобладают разности с равным содержанием граната и клинопироксена. Сульфиды в эклогитах чаще всего представлены пирротином, менее распространены железоникелевый моносульфидный твердый раствор и полифазные включения, представленные халькопирит-пентландитовой и халькопирит-, пирит-пирротиновой ассоциациями.
Породы обладают средне-, крупнозернистыми структурами, отчетливо проявляются признаки метаморфических преобразований. Первичные минералы эклогитов интенсивно изменены. Вокруг граната образуются зональные келифитовые каймы, а клинопироксен почти полностью преобразуется в микрокристаллический агрегат голубовато-белого цвета с редкими реликтами первичного минерала. Размеры зерен граната и клинопироксена в породе практически равны.
В составе граната преобладает пироповый компонент (до 64 %), при максимальном содержании альмандина до 49 % и гроссуляра до 36 % (рис. 40). Характерна повышенная железистость (f=0.29-0.64). От образца к образцу содержание СаО в гранатах варьирует от 3.97 до 13.83 мас.%, MgO от 7.34 до 17.69 мас.% и FeO от 11.99 до 23.05 мас.%. В гранате установлены примеси ЫагО (до 0.51 мас.%) и ТіСЬ (до 0.72 мас.%). Согласно химико-генетической классификации Гаранина и др. (1991) гранаты отвечают группе 3 - ильменит-рутиловые магнезиально-железистве эклогиты (табл.1). Гранат содержит игольчатые или изометричные включения рутила, а также сульфиды пирротинового состава. Гранатам характерны 2 типа зональности: 1) с повышением магнезиального и понижением железистого компонента к краям зерен и 2) повышением пиропового и альмандинового минала при понижении гроссулярового к краям зерен (рис.41). Диапазон изменения содержания MgO не превышает 1-1.5 мас.%. 2) Вариации составов клинопироксенов, ассоциирующихся с гранатами из алмазоносных эклогитов кимберлитовой трубки «Удачная» приведены в табл.9 и рис.40. Клинопироксены по составу относятся к омфацитам с максимальным содержанием жадеитового компонента 48 мол. %. Са-молекула Чермака присутствует в омфацитах из всех образцов в незначительном количестве (не более 0.1 мол. %). Са-минал Эскола (не более 0.1 мол. %) в омфацитах установлен лишь в двух образцах - 40 и 21. Железистость минерала изменяется в диапазоне f=0.37 0.06. Построение петрохимической диаграммы плавкости диопсид-пироп-альмандип. Данные микрозондовых анализов сосуществующих зонального граната и клинопироксена и их количественное соотношение в породе дает возможность получить информацию о среднем химическом составе породы (табл.10). Запишем возможную реакцию: L+Grt (центр) = Срх + Grt (край). Для изображения данных соотношений была выбрана тройная диаграмма диопсид (+жадеит, +геденбергит) - пироп - альмандин (рис.42). Нанесем точки составов на диаграмму и соединим их. В результате получим точку пересечения коннод. В качестве состава изначального расплава принимался химический состав породы. Данные точки составов показывают начало появления расплава при плавлении данного образца эклогита. Соединив точки, получим тренд, который соответствует гранат клинопироксеновой котектике.
Для некоторых пар гранат-клинопироксен из продуктов описанных выше экспериментов были определены температуры с использованием нескольких известных геотермометров (Ai, 1994; Krogh, 1988; Pattison & Newton, 1989; Ravna, 2000; компьютерные программы: GEOPATH; TWQ) для сопоставления с температурами экспериментов. В таблице 11 виден не только разброс полученных значений, но и сильное несоответствие, даже фантастичность некоторых значений. Только определение температур с помощью программы TWQ (Berman et al., 1995; Berman, 1990; Berman & Koziol, 1991) дало наиболее близкие данные. В связи с этим было предположено, что при высоких давлениях (в данном случае 7.0 ГПа) на расчет температур кроме учтенных параметров (в программе TWQ наиболее полно учтены все параметры, включая влияние кальциевой молекулы Чермака на температуру и давление) влияет еще какой-то параметр.
Избранные гранат-клинопироксеновые пары, полученные в эксперименте показаны на диаграмме CFM (рис.44). Намечается некоторая зависимость составов минералов от изменения температуры. При повышении температуры состав граната становится более магнезиальным, вместе с тем состав клинопироксена более железистым, в связи с чем длина коннод уменьшается. На рис.45 показаны составы минералов эклогитов и включений в алмазах эклогитового типа кимберлитовой тр. «Мир» (Beard et al.,1996; Маракушев, 1985). Видна аналогичная картина: конноды, соединяющие гранат-клинопироксеновые пары из включений в алмазе, короче, чем аналогичные конноды для эклогитовых ксенолитов. На рис.46 показана железистость сосуществующих граната и пироксена, полученных в эксперименте. Точки составов стремятся к линии K i=l с увеличением температуры. На рис.47 на подобной диаграмме нанесены точки составов гранат-клинопироксеновых парагенезисов эклогитов тр. «Мир» и тр. «Удачная». Для изученных нами образцов определены температуры образования с помощью геотермометра (Ellis & Green, 1979) для 5.0 ГПа (давление было выбрано с учетом алмазной фации глубинности, дополнительно были определены давления для гранат-клинопироксеновых парагенезисов эклогитов тр. «Удачная» по геобарометру С.К.Симакова (Симаков, 2003); все определения попадают в диапазон давлений от 4.8 до 5.2 ГПа) и показаны в табл.12. Опираясь на данные температур, мы видим на рис. 47, что более высокотемпературные составы гранат-клинопироксеновых парагенезисов лежат ближе к линии Kd=l, что согласуется с полученными данными экспериментов. Итак, более высокотемпературные гранат-клинопироксеновые парагенезисы образуют на диаграмме CFM пару с более короткой коннодой, а на диаграмме перераспределения железа между сосуществующими гранатов и клинопироксеном, точки составов высокотемпературных минералов лежат ближе к линии K i=l.
На Т-Р диаграмме показаны «сухой» солидус и солидус эклогитов при давлении воды (рис.48). Для корректного построения водонасыщенного солидуса эклогитов были использованы экспериментальные данные следующих авторов? 1) в диапазоне давлений от 0 до 2.5 ГПа солидус построен Е.Дж.Эссене и др. (Essene et al., 1970 - ссылка взята из книги «Фации регионального метаморфизма...», 1974); 2) от 3.0 до 6.5 ГПа (Gupta & Yagi, 1977 - ссылка взята из статьи Г.П. Булановой (Буланова и др., 1993)). Для построения «сухого» солидуса эклогитов были взяты экспериментальные данные по кристаллизации магнезиалыю-железистых эклогитов автора при 7.0 ГПа, 1450С; а также Ю.А.Литвина (1991) при 4.0 ГПа, 1350С. При нанесении на диаграмму Р-Т параметров образования алмазоносных эклогитов тр. «Удачная» (табл.12), а также Р
