Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 497, № 2, стр. 139-144

Сульфидные включения в минералах мантийного происхождения широко используются в качестве источника информации о глубинных процессах в мантии Земли. Традиционно объектом исследования выступают мантийные ксенолиты и ксенокристаллы из кимберлитов. Мантийным минералам из других глубинных пород, таких как лампроиты и лампрофиры, уделяется гораздо меньше внимания.

В данном сообщении приводятся результаты исследования коллекции ксенокристаллов мантийных хромсодержащих пироповых гранатов из дайки “Алданская” и трубки “Огонек” Чомполинского поля лампрофиров, расположенного в южной части Сибирского кратона (Алданский щит) [1, 2]. Из более чем 600 изученных зерен гранатов размерностью 2–4 мм, содержащих минеральные включения, сульфиды обнаружены только в 16 (табл. 1). Доминирующим типом включений во всей выборке просмотренных гранатов являются титанистые и хромистые оксидные минералы (рутил, пикроильменит, хромшпинелид, минералы группы кричтонита). В большинстве случаев включения состоят только из 1–3 фаз, хотя отмечаются и более сложные полиминеральные обособления.

Химический состав гранатов и клинопироксенов определяли методом РСМА на микрозонде “Jeol” JXA-8100 по стандартной методике. Элементное картирование сульфидов и анализ состава минералов во включениях проводились на РЭМ (“TescanMIRA” 3 LMU с системой ЭДС-микроанализа “INCA Energy” 450+). Для идентификации минералов во включениях также использовалась конфокальная Рамановская спектроскопия (РС). Данные виды исследований проводились в ЦКП многоэлементных и изотопных исследований ИГМ СО РАН. Определение редких и рассеянных элементов в гранатах проводилось методом LA–ICP–MS (Agilent 7900cs с лазерным пробоотборником NewWave 193nm) в “National Key Centre GEMOC/CCFS” в Университете Маккуори (Сидней, Австралия). В настоящей работе использованы данные по содержанию Ni; полные результаты LA–ICP–MS исследований будут опубликованы в другой статье.

По соотношению содержаний CaO и Cr₂O₃ изученные пиропы принадлежат к лерцолитовому парагенезису [3, 4] (рис. 1а). Вариации Mg# [100 × Mg/(Mg + Fe)] и Ca# [100 × Ca/(Ca + Mg + + Fe + Mn)] находятся в пределах 74.6–81.0 и 10.9–15.3 соответственно. Концентрация TiO₂ не превышает 0.24 мас. %.

Рис. 1.

а – Вариации CaO и Cr₂O₃ в перидотитовых пиропах с включениями сульфидов (1), на фоне составов гранатов из концентрата тяжелой фракции лампрофиров Чомполинского поля, n = 1343 (2). Мантийные парагенезисы согласно [3]: HD – гарцбургит-дунитовый, L – лерцолитовый, W – верлитовый. Ограниченное пунктиром поле – лерцолитовый парагенезис согласно [4]. б – Оценки PT-параметров для пиропов с сульфидными включениями из лампрофиров Чомполинского поля (рисунок с изменениями из [2]). Черные ромбы – оценки по включениям хромдиопсида. Отрезками показаны интервалы оценки температур для пиропов с включениями сульфидов (T_(NI)SU) и для более представительной выборки пиропов из дайки “Алданская” и трубки “Огонек” (T_(NI)), определенных с помощью мономинерального термометра Ni-in-Gar [6]). Штриховыми линиями показаны модельные геотермы для разного поверхностного теплового потока [7]. Серым полем показаны PT-оценки из работы [2].

Для пиропов s115, s2, s207, 1n11, содержащих включения хромдиопсида (табл. 1), оценки температур и давлений, выполненные с помощью минерального клинопироксенового термобарометра [5], составляют 690–790°C и 2.9–3.5 ГПа и согласуются с полученными ранее оценками [2] (рис. 1б). Диапазон температур, полученный с помощью термометра [6], для пиропов с включениями сульфидов (табл. 1) составляет 670–760°C. Для более представительной выборки пиропов из дайки “Алданская” и трубки “Огонек” Чомполинского поля значения температур имеют более широкий диапазон 640–910°C (рис. 1б).

В исследованных пиропах не наблюдалось трещин, соединяющих включения с поверхностью зерен, поэтому предполагается мантийный генезис изученных минеральных фаз. О мантийном генезисе также свидетельствуют высокие содержания Cr₂O₃ (до 1 мас. %) во флогопите и минералах-оксидах (напр., до 7.2 мас. % С₂O₃ в рутиле) из включений [8], а также оценки температур и давлений для хромдиопсида из включений.

Минеральный набор включений позволяет разделить их на две группы: в первую объединены включения, представленные только сульфидами (табл. 1, рис. 2 а); вторая имеет более сложный фазовый состав и содержит силикаты, карбонаты, оксиды, апатит и графит (табл. 1, рис. 2б). При этом во включениях второй группы сульфидная часть включений всегда обособлена относительно других минералов, следов реакционных отношений не установлено (рис. 2б; также см. рис. 2 в [9]). Включения сульфидов имеют округлую, неправильную или ограненную форму и размер в диапазоне 5–200 мкм. Они обычно окружены радиальными трещинами. Образование таких трещин традиционно связывается с разной степенью расширения граната и минерального включения при декомпрессии во время подъема транспортирующей магмой [2], что также свидетельствует в пользу мантийного происхождения включений.

Рис. 2.

Взаимоотношения минеральных фаз (BSE-изображение) и карты распределения элементов (Fe, Ni, Cu, S) в полиминеральных включениях пиропов s1 и sx2 из д. “Алданская”. Условные обозначения в табл. 1.

Сульфидные включения, как правило, неоднородны и состоят из нескольких минералов, среди которых идентифицированы пентландит, халькопирит, твердый раствор на основе борнита, минерал с предполагаемой формулой CuFe₂S₄, моносульфидный твердый раствор (МТР), хизлевудит и соединение (Fe, Ni, Cu)_1 ± xS (табл. 1; рис. 2). Пентландит (FeNi)₉S₈ является наиболее распространенной фазой и обычно заполняет основной объем включения. Халькопирит (CuFeS₂) локализуется во внешней части включений или образует каймы вокруг него. Твердый раствор на основе борнита (Cu_5 ± xFe_1 ± xS_4 ± y) и хизлевудит (Ni₃S₂) зафиксированы вместе с пентландитом и МТР (табл. 1).

Fe–Cu-содержащий сульфид с расчетной формулой (Cu,Ni)_1.10–0.93(Fe,Co)_1.90–2.07S₄ обнаружен в образцах s1, s9 и s38 в ассоциации с пентландитом и халькопиритом. Для него установлено преобладание Fe над Cu с содержанием этих компонентов 33.1–34.9 и 12.0–16.0 мас. % соответственно. Данная фаза содержит Ni (2.4–8.3 мас. %) и примесь Co (1.4–2.2 мас. %). Соотношение Me/S варьирует в диапазоне 0.69–0.75, а содержание S составляет 42.0–44.2 мас. %. Аналогичный сульфид с формулой CuFe₂S₄ описан в рудах месторождения Ловозеро на Кольском полуострове [10].

МТР характеризуется соотношением Ni/(Ni + + Fe) = 0.40–0.60 с содержаниями Ni в пределах 21–36 мас. % и Me/S в пределах 0.80–0.93.

Соединение (Fe, Ni, Cu)_{1 ± x}S характеризуется высоким содержанием Ni (50.0–61.9 мас. %), умеренным Fe (2.0–11.7 мас. %), низким Cu (до 3.4 мас. %), высокими отношениями Ni/(Ni + Fe) = = 0.80–0.97 и Me/S = 0.96–1.06.

Валовые составы сульфидной составляющей включений (s1, s2, s9, s291, s38) имеют вариации Ni и Fe в пределах 26.2–37.7 мас. % и 23.5–32.1 мас. % соответственно, и содержания Cu до 7.4 мас. % в относительно обогащенных Ni разновидностях (рис. 3).

Рис. 3.

Состав изученных сульфидов на диаграммах Cu–Fe–S и Fe– (Ni + Co)-S (мас. %). Avc – валовый состав изученных включений; Dia – состав сульфидов из включений в алмазах, P – перидотитовый, Е – эклогитовый парагенезис [11].

Минеральная ассоциация c аналогичными высокими содержаниями Cu и Ni в сульфидах описана в ксенолитах шпинелевых гарцбургитов и дунитов из щелочных пород архипелага Кергелен [12]. Эти ксенолиты имеют следы метасоматического воздействия щелочного карбонат-содержащего расплава, проявленные в виде прожилков и интерстиционных выделений карбонатов (кальцит, доломит, магнезит), амфибола, флогопита, хромита, ильменита, рутила, апатита и др. Авторы исследования [12] предположили, что такой расплав может эффективно переносить Cu, Ni и S в растворенном виде и распадаться на несмесимые сульфидный и карбонатный расплавы, способные мигрировать через перидотитовый матрикс независимо друг от друга. Эксперименты при высоких давлениях показали, что карбонат-содержащие расплавы (карбонатный или силикатно-карбонатный) являются эффективными транспортерами серы, растворимость которой в таких расплавах увеличивается в окисленных условиях, а также зависит от температуры и состава [13, 14]. Таким образом, альтернативным вариантом образования сульфидов может быть их кристаллизация из метасоматизирующего карбонат-содержащего расплава в результате снижения температуры или смещения окислительно-восстановительных условий в более восстановленную область, о чем свидетельствует присутствие включений графита в изученных ксенокристаллах пиропа (табл. 1) [2].

Мы предполагаем, что образование сульфидсодержащих полиминеральных включений в изученных пиропах связано с воздействием на перидотиты литосферной мантии карбонат-содержащего метасоматического расплава/флюида. Об этом свидетельствуют сопутствующие сульфидам минералы, богатые летучими и несовместимыми элементами (табл. 1), и ранее проведенные исследования полиминеральных включений в хромистых пиропах из кимберлитов и лампрофиров Сибирского кратона [2, 9, 15]. К сожалению, отсутствие экспериментальных данных при высоких давлениях по фазовым отношениям в богатых Cu системах Fe–Ni–Cu–S, соответствующих валовому составу исследованных сульфидных включений, не позволяет надежно установить, было ли исходное сульфидное вещество включений расплавом.

Высокие концентрации меди и отсутствие богатых Fe минералов (пирротина и троилита) отличают изученные мантийные сульфидные ассоциации Чомполинского поля от преобладающего большинства включений в мантийных минералах и алмазах, а также сульфидов мантийных ксенолитов в кимберлитах Сибирского кратона [11] (рис. 3). Это, вероятно, указывает на существенные отличия в характере метасоматических процессов, протекавших в литосферной мантии южной и центральной частей Сибирского кратона.