Включение кокчетавита в кристалле алмаза из Венесуэлы ‒ свидетельство субдукции материала континентальной коры
- Авторы: Корсаков А.В.1, Михайленко Д.С.1,2, Серебрянников А.О.1, Логвинова А.М.1, Гладкочуб Д.П.3
-
Учреждения:
- Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук
- Институт геологии и геохимии им. академика А.Н. Заварицкого Уральского отделения Российской Академии наук
- Институт Земной Коры Сибирского отделения Российской Академии наук
- Выпуск: Том 517, № 1 (2024)
- Страницы: 134-142
- Раздел: ГЕОДИНАМИКА
- Статья получена: 13.12.2024
- Статья одобрена: 13.12.2024
- Статья опубликована: 15.05.2024
- URL: https://bakhtiniada.ru/2686-7397/article/view/273083
- DOI: https://doi.org/10.31857/S2686739724070141
- ID: 273083
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В рамках нашего исследования детально изучены кристаллы алмаза из россыпного месторождения Гуаниамо (Венесуэла) с многочисленными минеральными включениями. Включения в изученных алмазах представлены типичным набором минералов-индикаторов эклогитового парагенезиса: омфацитом, гранатом, кианитом, коэситом и рутилом. Помимо одиночных минеральных включений были диагностированы полифазные включения. Минеральные ассоциации полифазных включений, соседствующих на расстоянии менее 100 микрометров в пределах одной ростовой зоны, могут значительно отличаться. Так, в одном из исследованных кристаллов алмаза полифазные включения представлены следующими ассоциациями: санидин–доломит–анатаз и магнетит–рутил–доломит–апатит–кокчетавит–графит. Следует отметить, что это первая находка кокчетавита в виде включения в кристаллах алмаза кимберлитового происхождения. Ранее эта гексагональная полиморфная модификация KAlSi3O8 была диагностирована лишь в минералах пород континентальной коры, образовавшихся в условиях высокобарического или ультравысокобарического метаморфизма. Таким образом, присутствие кокчетавита в виде включений в кристаллах алмаза, выносимых кимберлитами, позволяет сделать вывод о субдукции материала континентальной коры на мантийные глубины и о его важной роли в метасоматических изменениях пород верхней мантии.
Ключевые слова
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Алмаз и минеральные включения в нём являются источником ценной информации о вещественном составе мантии Земли и процессах, протекающих на различных глубинах.
Многолетние исследования позволили выявить и подтвердить существование двух основных типов материнского субстрата для кристаллизации включений, диагностируемых в кристаллах алмазах: Р-тип – перидотитовый (оливин, ортопироксен, клинопироксен, хромит) и Е-тип – эклогитовый (коэсит, омфацит, гроссуляр-альмандиновый гранат, кианит, рутил). Коэсит – высокобарическая полиморфная модификация SiO2 – является типичным минералом эклогитового парагенезиса [1, 2] и свидетельствует о субдукционной природе протолита [3].
В настоящее время данные о коэситсодержащих кристаллах алмаза немногочисленны (описано ~250 включений). Это связано с преобладанием кристаллов алмаза перидотитового парагенезиса [2]. Но даже среди включений эклогитового парагенезиса включения коэсита в кристаллах алмаза достаточно редки [2]. Наибольшее количество включений коэсита в алмазе диагностировано в кристаллах алмаза из Венесуэлы (22% от общего числа включений) и лампроитовой трубки Аргайл (19%) [2]. Высокие содержания кристаллов алмаза эклогитового парагенезиса в месторождениях Венесуэлы позволили Н.В. Соболеву с соавторами [4] высказать предположение о необычном составе глубинной литосферной мантии в этом районе и значительном вкладе субдуцированных базальтов в её образовании. Наряду с широко распространёнными включениями коэсита в кристаллах алмаза из Венесуэлы также отмечаются находки санидина [4]. Санидин редко встречается в первичных ассоциациях ксенолитов, выносимых кимберлитовыми расплавами ([3] и ссылки в этой работе). Напротив, в породах континентальной коры калиевый полевой шпат (KAlSi3O8) является важным и широко распространённым минералом. Кокчетавит имеет такой же состав и является гексагональной полиморфной модификацией KAlSi3O8. Впервые этот минерал был найден в виде включений в порфиробластах граната и клинопироксена высокобарических карбонатно-силикатных алмазоносных пород Кокчетавского массива [5]. С. Л. Хвангом с соавторами [5] были предложены две модели образования этого минерала: (i) дегидратация К-кимрита (KAlSi3O8*H2O); (ii) метастабильная раскристаллизация высокобарических расплавов, образовавшихся при частичном плавлении пород континентальной коры. Находки кокчетавита совместно с жидкой водой во флюидных и полифазных включениях позволили А. О. Михно с соавторами [6] предположить, что образование кокчетавита происходило за счёт разложения К-кимрита с обособлением воды в виде самостоятельной фазы. Вместе с тем находки кокчетавита в высокобарических породах континентальной коры [7], не испытавших метаморфизм сверхвысоких давлений, использовались в качестве свидетельств метастабильной кристаллизации этого минерала из высокобарического расплава. Однако экспериментальные исследования показали, что его структура остаётся стабильной вплоть до 10 ГПа [8]. Таким образом, данный минерал может образовываться и оставаться стабильным в условиях верхней мантии, а наиболее благоприятными объектами для поиска кокчетавита являются включения в кристаллах алмаза. В данной работе мы представляем первую находку кокчетавита во включениях в кристалле алмаза из кимберлитов Венесуэлы и рассматриваем возможные модели его образования.
МЕТОДИКА
Аналитические работы выполнены в “ЦКП Многоэлементных и изотопных исследований СО РАН” (г. Новосибирск). Визуальное определение минеральных включений в кристаллах алмаза проводилось использованием микроскопа Olympus BX51, совмещённого с фото-видеокамерой высокого разрешения Olympus COLOR VIEW III. Идентификация минеральных включений проводилась методом КР-картирования с использованием автоматизированной системы Apyron (WITec) в ИГМ СО РАН. Данная система оснащена двумя лазерами: 488 и 633 нм. В данном исследовании был использован 633 нм лазер мощностью 30 мВт, так как при использовании 488 нм лазера люминесценция маскировала практически все КР-полосы, делая невозможной идентификацию включений. Площадь картирования зависела от размера включений, шаг картирования составлял 250 нм, интервал накопления спектра – 100–2700 см–1, время накопления в каждой точке – 3 с. ИК-спектры кристаллов алмаза были получены при помощи спектрометра Bruker Vertex 70 FTIR с микроскопом HYPERION 2000 IR в диапазоне 5000–600 см–1 (апертура 50×50 µm, спектральное разрешение 2 см–1).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Нами был изучен октаэдрический кристалл алмаза (3×4 мм) из россыпного месторождения Гуаниамо (Венесуэла) с многочисленными минеральными включениями (рис. 1). После изучения морфологических особенностей кристалл алмаза был приполирован с одной стороны для удобства изучения включений методом КР-картирования. В кристалле алмаза Vn-65 диагностирован полный набор минералов эклогитового парагенезиса – омфацит, гранат, кианит, коэсит и рутил (табл. 1). Методом конфокального КР-картирования были изучены не выведенные на поверхность кристалла три включения коэсита и несколько полифазных включений (рис. 2–4).
Рис. 1. Фотография изученного кристалла алмаза из Венесуэлы с минеральными включениями. Чёрными рамками выделены фрагменты кристалла алмаза с включением коэсита (рис. 2) и сосуществующих полифазных включений калиевых минералов (рис. 3, 4).
Рис. 2. Изображения, полученные с помощью КР-картирования и демонстрирующие остаточные напряжения в кристалле алмаза (а–г), где яркость показывает интенсивность выбранного пика в точке. Смещение алмазного пика (1332 см–1) и наиболее интенсивного коэситового пика (521 см–1) на 4 см–1 и 12 см–1, соответственно, (рис. 2 б) указывает на значительные остаточные напряжения в алмазе вокруг включения коэсита и в самом включении (рис. 2 д, е). (ж)–(з) – представительные КР-спектры для кристалла алмаза и включения коэсита в нем (увеличенный фрагмент с рис. 1).
Рис. 3. Трёхфазное включение #1 в кристалле алмаза Vn-65. (а) фотография в проходящем свете; (б) КР-карта, демонстрирующая минеральный состав включения (цвета соответствуют спектрам на рисунке в); (в) КР-спектры минералов, идентифицированных во включении #1.
Рис. 4. Полифазное включение #2 в алмазе Vn-65: (а) Кр-карта включения #1 (цвета соответствуют спектрам на рисунке 4 б); (б) КР-спектры минералов, диагностированных во включении #2. Mag = магнетит, Rut = рутил, Dol = доломит, Ар = апатит, Kok = кокчетавит, Gr = графит.
Полифазное включение #1 размером 50×20 мкм состоит из доломита, санидина и анатаза (рис. 3). Полифазное включение #2 расположено на расстоянии менее 50 микрометров от первого и представлено преимущественно кокчетавитом, а также магнетитом, рутилом, апатитом, доломитом и графитом (рис. 3). Оба включения находятся в одной ростовой зоне с включением коэсита (рис. 1), что указывает на их совместное образование. Люминесценция исследованного кристалла алмаза в области водных колебаний (~3600 см–1) не позволила определить возможное присутствие воды в этих полифазных включениях. Анализ ИК-спектров центральной и краевой областей кристалла алмаза (рис. 5), а также области, содержащей полифазные включения, свидетельствует о присутствии в полифазном включении #2 небольшого количества жидкой воды. Вероятно, образование кокчетавита в данном включении могло происходить за счёт разложении К-кимрита при подъёме данного кристалла на поверхность. Ранее аналогичная модель образования кокчетавита была предложена для пород Кокчетавского массива [6].
Рис. 5. ИК-спектры поглощения алмаза с минеральными включениями. Вынесенные отдельные фрагменты ИК-спектра демонстрируют присутствие, вероятно, жидкой воды в области с включениями кокчетавита. Центр – центральная часть кристалла алмаза. Кайма – краевая часть кристалла алмаза без видимых включений. Включение – соответствует области алмаза с полифазными включениями.
Отсутствие каких-либо трещин и наличие сильного тангенциального напряжения в части алмаза, примыкающей к включению коэсита, свидетельствует о практически идеальных условиях сохранности исследуемых включений. Одно из закартированных включений коэсита имеет размеры 30×35 мкм и располагается в центральной части алмаза-хозяина. Оно характеризуется отрицательной формой кристалла алмаза (рис. 1). КР-спектры коэсита характеризуются основным (533 см–1) и дополнительным (274 см–1) пиками. Смещение основной моды коэсита в этом включении составляет 15.4 см–1, рассчитанное остаточное напряжение составляет 4.3 ГПа без каких-либо существенных вариаций по объему включения (рис. 2 д–е). Большое количество включений коэсита (6 штук, табл. 1) в одном кристалле алмаза указывает на широкое распространение коэсита в протолите, метасоматическое воздействие на который и привело к появлению алмаза.
Таблица 1. Распространенность минеральных включений в аллювиальных кристаллах алмаза из Венесуэлы, согласно нашим данным и [Sobolev et al., 1998]
Минерал | Sobolev et al., 1998 | Наши данные |
Гранат | 61 | 4 |
Омфацит | 84 | 3 |
Кианит | – | 1 |
Рутил | 6 | 3 |
Коэсит | 26 | 6 |
Санидин | 4 | 2 |
Кокчетавит | – | 3 |
Магнетит | 9 | 1 |
Апатит | – | 1 |
Доломит | – | 2 |
Графит | – | 3 |
Всего: | 190 включений в 45 кристаллах алмаза | 29 включений в 1 кристалле алмаза |
Как было отмечено ранее, материнский субстрат для кристаллизации алмазов Венесуэлы значительно отличается от субстрата большинства алмазных месторождений мира [4]. В алмазах Венесуэлы минеральные включения эклогитового парагенезиса количественно преобладают над “перидотитовыми” [4, 9]. Этот факт объясняют специфичным строением глубинных частей литосферы – преобладанием субдуцированных на мантийные глубины базальтов океанического дна. Включения эклогитового парагенезиса в венесуэльских алмазах характеризуются широким минеральным разнообразием и имеют достаточно широкий диапазон составов. Среди этого минералогического разнообразия были диагностированы включения граната, клинопироксена (омфацита), коэсита, санидина, (титано)- магнетита, флогопита и др. [4]. Вместе с тем следует отметить, что алмазоносные санидинсодержащие эклогиты весьма редки, к настоящему времени их находки известны лишь в кимберлитовой трубке Робертс Виктор [10]. Кроме того, в присутствии водосодержащего флюида калиевый полевой шпат является нестабильным и превращается в К-кимрит в поле стабильности алмаза [6]. Тем не менее, до сих пор данная фаза не была диагностирована в ксенолитах алмазоносных пород. Лишь в алмазосодержащих породах Кокчетавского массива Михно с соавторами [6] предположительно идентифицировали данную фазу методами КР-спектроскопии. Альтернативным источником калия в мантии могут выступать богатые этим элементом породы континентальной коры, примером которых являются породы Кокчетавского массива [11]. Именно в таких породах кокчетавит был найден впервые. Как отмечалось ранее, образование кокчетавита в полифазных включениях связывают с метастабильной раскристаллизацией высокобарических расплавов, происходящей при быстром подъёме ультравысокобарических пород [5]. Кимберлитовый расплав является одним из самых быстрых транспортёров мантийных пород на Земле: они поднимаются с глубин более 200 км в течение нескольких дней. Быстрый подъём кристаллов алмаза с захваченными расплавными включениями может способствовать образованию в них кокчетавита, но до сих пор данный минерал не был диагностирован в кристаллах алмаза кимберлитового происхождения. Следует отметить, что все находки кокчетавита были сделаны во включениях, состав которых оценивается как “гранитоидный” [7]. Субдуцируемые породы континентальной коры могут являться одним из субстратов, наиболее благоприятных для генерации высококалиевых гранитоидных расплавов [12]. В исследованных нами полифазных включениях кокчетавит сосуществует с ассоциацией, представленной доломитом, рутилом, магнетитом, апатитом и графитом (рис. 3). В одной ростовой зоне с этими полифазными включениями встречаются также однофазные включения граната и клинопироксена. Схожая ассоциация – гранат–клинопироксен–доломит–графит/алмаз – характерна для пород Кумды-Кольского месторождения, являющегося типичным проявлением результата (ультра)- высокобарического метаморфизма [11]. Большинство включений, содержащих кокчетавит в минералах из высокобарических пород Кокчетавского массива, сложены слюдами (фенгит, флогопит) – кристобалитом±кальцитом±апатитом±леллингитом [5]. В кристаллах алмаза из Венесуэлы нами обнаружена схожая ассоциация, что позволяет предполагать вовлечение субдуцированного материала континентальной коры в метасоматические процессы преобразования мантии Земли.
Субдукция океанической коры является более распространённым процессом по сравнению с субдукцией континентальных пород. При субдукции континентальной коры на различных глубинах происходит отделение от слэба флюидов или расплавов, обогащённых калием, летучими компонентами и несовместимыми элементами, которые в последующем оказывают значительное влияние на состав вышележащей мантии [12]. Так, следствием процесса континентальной субдукции стало формирование Кумды-Кольского месторождения технических алмазов [11].
Помимо значительного вклада в глобальный углеродный цикл субдукция континентальной коры приводит к образованию (ультра-) калиевых силикатных или силикатно-карбонатных расплавов [13, 14], которые играют важную роль в глубинном минералообразовании, включая алмазообразование. Участие расплавов/флюидов, обогащённых щелочами (в первую очередь калием), в процессе кристаллизации алмаза было описано в целом ряде работ (см. [14] и ссылки в этой работе). Калиевый клинопироксен с содержанием K2O вплоть до 1.5 мас. % является минералом-идикатором сверхвысоких давлений ([11] и ссылки в этой работе). Ранее было отмечено повышенное содержание K2O во включениях пироксена в алмазах Венесуэлы по сравнению с алмазами из других месторождений мира [15].
Исследования дефектно-примесного состава [16] и изотопного состава азота и углерода метаморфогенных кристаллов алмаза Кокчетавского массива позволили выявить ряд особенностей [17]. Азот в данных кристаллах находится преимущественно в С-центрах, а общая концентрация азота может достигать нескольких тысяч ppm [16, 17]. Стабильные изотопы углерода и азота в этих кристаллах алмаза убедительно свидетельствуют о метаосадочном происхождении источника углерода [16, 17]. Изотопный состав кислорода в минеральных включениях в кристаллах алмаза из Венесуэлы демонстрирует аномально высокие изотопные отношения – δ 18О > 16 ‰ [18]. Предполагается, что эти аномальные значения – результат субдукции изменённых базальтов океанического дна на мантийные глубины. Также важно отметить, что существует обратная зависимость между низким значением δ13С алмаза-хозяина (–11.5 – –22.3‰) и высоким значением δ18О коэсита во включении [18]. Подобный изотопный состав углерода указывает на значительный вклад биогенного углерода, субдуцированного на мантийные глубины. Стоит отметить, что такие низкие значения δ13С типичны для метаморфических алмазов, в образовании которых огромное значение играет углерод из осадочных пород [17]. Концентрация азота в исследованных кристаллах алмаза составляет ~100 ppm в форме А-центров и ~285 ppm В-центров. Суммарная концентрация азота не превосходит 400 ppm. Таким образом, высокая степень агрегации азота (~74%) в этих кристаллах алмаза указывает на их отжиг ~1 млрд лет при температуре 1100–1200°С [9], что может свидетельствовать об относительно древнем возрасте образования данных кристаллов.
Кимберлиты Венесуэлы, согласно [19], имеют протерозойский возраст (700–800 млн лет). Реконструкция вещественного состава разреза мантии Земли, территориально относящегося к Венесуэле, показала преобладание высокодеплетированных лерцолитов и гарцбургитов [20]. Протерозойская или более древняя субдукция метаосадков могла привести к некоторому обогащению истощённой мантии под Гуаниамо и послужить источником для образования алмазов с включениями корового источника [20]. Наиболее древними породами, окружающими Гвианский щит, являются архейские метавулканогенно-осадочные, метаосадочные комплексы зеленокаменных поясов (2.7–2.5 млрд лет) и разделяющие их более древние мигматито-гнейсы с гранитами позднего архея. Вовлеченность этих комплексов в процессы субдукции могла привести к значительному обогащению мантии коровым материалом, который впоследствии стал средой для кристаллизации алмазов с доминирующим количеством включений эклогитового парагенезиса, а также весьма специфичными изотопными характеристиками самих алмазов.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность Н.М. Боевой – ответственному секретарю редколлегии журнала “ДАН. Науки о Земле” и двум анонимным рецензентам, которые помогли значительно улучшить статью.
ФИНАНСИРОВАНИЕ
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ 21-77-10006.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы утверждают об отсутствии у них конфликта интересов.
Об авторах
А. В. Корсаков
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук
Email: pazilovdenis@igm.nsc.ru
Россия, Новосибирск
Д. С. Михайленко
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук; Институт геологии и геохимии им. академика А.Н. Заварицкого Уральского отделения Российской Академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: pazilovdenis@igm.nsc.ru
Россия, Новосибирск; Екатеринбург
А. О. Серебрянников
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук
Email: pazilovdenis@igm.nsc.ru
Россия, Новосибирск
А. М. Логвинова
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук
Email: pazilovdenis@igm.nsc.ru
Россия, Новосибирск
Д. П. Гладкочуб
Институт Земной Коры Сибирского отделения Российской Академии наук
Email: pazilovdenis@igm.nsc.ru
член-корреспондент РАН
Россия, ИркутскСписок литературы
- Михайленко Д. С. и др. Находка коэсита в алмазоносном кианитовом эклогите из кимберлитовой трубки Удачная (Сибирский кратон) // ДАН. 2019. Т. 48. № 4. P. 428–431.
- Соболев Н. В. Коэсит как индикатор сверхвысоких давлений в континентальной литосфере // Геология и геофизика. 2006. Т. 47. № 1. P. 95–104.
- Jacob D. E. Nature and origin of eclogite xenoliths from kimberlites // Lithos. 2004. V. 77. № 1. P. 295–316.
- Sobolev N .V. et al. Unusual upper mantle beneath Guaniamo, Guyana shield, Venezuela: Evidence from diamond inclusions // Geology. 1998. V. 26. № 11. P. 971–974.
- Hwang S.-L. et al. Kokchetavite: a new potassium-feldspar polymorph from the Kokchetav ultrahigh-pressure terrane // Contrib Mineral Petrol. 2004. V. 148. № 3. P. 380–389.
- Mikhno A. O., Schmidt U., Korsakov A. V. Origin of K-cymrite and kokchetavite in the polyphase mineral inclusions from Kokchetav UHP calc-silicate rocks: evidence from confocal Raman imaging // European Journal of Mineralogy. 2013. V. 25. № 5. P. 807–816.
- Borghi A. et al. The role of continental subduction in mantle metasomatism and carbon recycling revealed by melt inclusions in UHP eclogites // Science Advances. 2023. V. 9. № 11.
- Romanenko A. V. et al. Compressibility and pressure-induced structural evolution of kokchetavite, hexagonal polymorph of KAlSi3O8, by single-crystal X-ray diffraction // American Mineralogist. 2024. (in press).
- Kaminsky F. V. et al. Diamond from the Guaniamo area Venezuela // The Canadian Mineralogist. 2000. V. 38. № 6. P. 1347–1370.
- Hardman M. F. et al. Characterising the Distinct Crustal Protoliths of Roberts Victor Type I and II Eclogites // Journal of Petrology. 2021. V. 62. № 12. P. egab090.
- Sobolev N. V., Shatsky V. S. Diamond inclusions in garnets from metamorphic rocks: a new environment for diamond formation // Nature. 1990. V. 343. P. 742–746.
- Hermann J. et al. Aqueous fluids and hydrous melts in high-pressure and ultra-high pressure rocks: Implications for element transfer in subduction zones // Lithos. 2006. V. 92. P. 399–417.
- Korsakov A. V., Theunissen K., Smirnova L. V. Intergranular diamonds derived from partial melting of crustal rocks at ultrahigh-pressure metamorphic conditions // Terra Nova. 2004. V. 16. P. 146–151.
- Korsakov A. V., Hermann J. Silicate and carbonate melt inclusions associated with diamonds in deeply subducted carbonate rocks // Earth and Planetary Science Letters. 2006. V. 241. № 1. P. 104–118.
- Kaminsky F. V. et al. Diamond from the Los Coquitos Area, Bolivar State, Venezuela // The Canadian Mineralogist. 2006. V. 44. № 2. P. 323–340.
- De Corte K. et al. Diamond growth during ultrahigh-pressure metamorphism of the Kokchetav massif, northern Kazakhstan // The Island Arc. 2000. V. 9. P. 284–303.
- Cartigny P. et al. The origin and formation of metamorphic microdiamonds from the Kokchetav massif, Kazakhstan: a nitrogen and carbon isotopic study // Chemical Geology. 2001. V. 176. № 1–4. P. 265–281.
- Schulze D. J. et al. Extreme crustal oxygen isotope signatures preserved in coesite in diamond //Nature. 2003. V. 423. № 6935. – P. 68–70.
- Channer D. M. D., Egorov A., Kaminsky F. Geology and structure of the Guaniamo diamondiferous kimberlite sheets, south-west Venezuela // RBG. 2001. V. 31. № 4. P. 615–630.
- Schulze D. J. et al. Layered mantle structure beneath the western Guyana Shield, Venezuela: Evidence from diamonds and xenocrysts in Guaniamo kimberlites // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2006. V. 70. № 1. P. 192–205.
Дополнительные файлы
