Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 501, № 1, стр. 26-33

Хромшпинелиды являются постоянными акцессорными минералами широкой серии ультраосновных пород, представленных дунитами, гарцбургитами, лерцолитами, вебстеритами и верлитами в различных геологических обстановках и относящихся к различным фациям глубинности. Наряду с оливином и пиропом они относятся к наиболее характерным минералам кимберлитов и зафиксированы практически во всех кимберлитовых телах не только Якутии [1, 2], но и всех алмазоносных провинций земного шара, а также в алмазоносных лампроитах Австралии [3]. В отличие от оливина, полностью серпентинизированного в подавляющем большинстве кимберлитовых тел, хромшпинелиды, составляющие незначительную часть концентрата тяжелой фракции кимберлитов, обычно фиксируются, в основном, в виде редких неизмененных, либо частично измененных [1] зерен, а также с отчетливыми реакционными соотношениями с пиропом [4]. Уже первые обстоятельные исследования особенностей состава хромшпинелидов, ассоциирующих с алмазами в монокристаллах и поликристаллических агрегатах, а также в ксенолитах ультраосновных пород и концентратах кимберлитов Якутии, впервые выполненные почти для 1000 образцов с помощью рентгеновского микроанализатора с электронным зондом, позволили выявить исключительное разнообразие в содержании Cr₂O₃, Al₂O₃, MgO, FeO и TiO₂, не имеющее аналога ни в одном типе горных пород [1, 2]. В концентратах алмазоносных кимберлитов существенная роль принадлежит высокохромистым магнезиохромитам, аналогичным по составу включениям в алмазах и поликристаллических агрегатах алмаза [1, 2].

По аналогии с оливинами магнезиохромиты относятся к наиболее распространенным включениям в алмазах, что подтверждено многолетними исследованиями как визуальными, так и инструментальными, и продемонстрировано в серии обобщений [1–3, 5].

Дополнительным следствием повышенного внимания к хромшпинелидам являются попытки выявления взаимной ориентировки с алмазом, соответствующей эпитаксиальному критерию, методом монокристальной рентгеновской дифрактометрии минералов, включенных в алмазах. Такие попытки проводились в ряде работ [6–9] и не привели к положительному результату, хотя в ранних обобщениях в отдельных случаях указывается на закономерную ориентировку включений и алмаза [5]. Новейшими исследованиями было установлено, что только отдельные включения магнезиохромита в нескольких алмазах демонстрируют в разнообразных комбинациях включений перидотитового парагенезиса ориентировку, близкую к ориентировке алмаза-матрицы [9]. Аналогичные результаты были получены авторами работ [7, 8], причем было впервые отмечено [8], что вокруг каждого включения имеется тонкая пленка флюида, вероятно, препятствующая получению положительного результата, что было также показано для наноразмерных включений оливина [6].

В настоящем сообщении приводятся новые данные по исследованию вариаций химического состава множественных включений магнезиохромитов и ассоциирующих минералов в шести кристаллах алмаза из четырех главных коренных месторождений алмаза Якутии: кимберлитовых трубок Мир, Интернациональная, Юбилейная и Комсомольская.

Алмазы, имеющие размеры до 2 мм, содержащие визуально непрозрачные ограненные множественные включения, отобраны для наших исследований из специальных фондов. Алмазы относятся к разновидности I [5] и представлены плоскогранными октаэдрами, частично кристаллами комбинационной формы, образованными в результате ступенчато-пластинчатого развития граней {111}, и додекаэдроидом (рис. 1, 2).

Рис. 1.

Общий вид кристаллов алмаза из кимберлитовых трубок Комсомольская (Kms-81), Мир (Mts-31), Интернациональная (I-5-15 и I-5-23) перед шлифованием (а, г, ж, к), КЛ изображения тех же алмазов с номерами пришлифованных включений (б, д, з, л); положение пришлифованных включений в каждом алмазе (в, е, и, м). Условные обозначения: Mchr – магнезиохромит, Ol – оливин. Номера включений соответствуют номерам анализов в табл. 1.

Рис. 2.

Общий вид двух кристаллов алмаза из кимберлитовых трубок Юбилейная (Yubk-235) и Мир (Mts-30) перед шлифованием (а, г), КЛ-изображения тех же алмазов с номерами пришлифованных включений, положение пришлифованных включений в каждом алмазе. Условные обозначения: Prp – пироп, Phl – флогопит. На рис. (в, е) пунктиром и стрелками показано положение увеличенных врезок редких включений.

В процессе работы всего исследовано 23 кристалла алмаза размером до 2 мм с множественными включениями магнезиохромита. Исследование выведенных в единую полировку с алмазом-матрицей включений выявило тенденцию изменения химического состава в зависимости от нахождения их в разных ростовых зонах алмаза. В большинстве случаев состав включений практически не различался, только в трех кристаллах алмаза были зафиксированы включения магнезиохромита, расположенные согласно катодолюминесценции (КЛ-изображениям) в разных зонах. Из-за ограниченности требуемого объема публикации в статье приведены 6 образцов с наиболее показательным соотношением зоны локализации включений в кристалле-матрице и их химического состава.

Для исследования состава минеральных включений кристаллы алмаза-матрицы (рис. 1, 2) были пришлифованы на специальном оборудовании с использованием шлифовального круга с порошковым алмаз-железным напылением до выведения включений, имеющих размеры от 10 до 200 мкм в единую полировку с алмазом-матрицей. Этот весьма трудоемкий процесс требует множества дополнительных специальных приспособлений, включающих наличие специальных зажимных цанг разного размера, нескольких зажимных устройств, фиксирующих цангу и, непосредственно, сам алмаз в определенном положении и т.д. и навыков в его проведении.

Отдельные зоны роста исследованных алмазов, а также зоны с преимущественным расположением включений выявлены методом катодолюминесценции с использованием сканирующего электронного микроскопа LEO-1430 с энергодисперсионным рентгеновским спектрометром. Химический состав минеральных включений определялся с помощью микроанализаторов с электронным зондом Camebax-micro фирмы “CAMECA” и JXA-8100 фирмы “JEOL” с применением стандартной методики. Особое внимание уделялось определению микропримесей, таких, как Ni, Zn, Mn, Si и V в хромшпинелидах [10]. Аналитические исследования проводились в “ЦКП Многоэлементных и изотопных исследований СО РАН”.

Различная ростовая история изученных шести кристаллов алмаза отражена на рис. 1 (б, д, з, л) и рис. 2 (б, д) в КЛ-изображениях различной интенсивности. Номера, представленные на КЛ-изображениях алмазов, а также в правой части рисунков вместе с символами включенных минералов демонстрируют общий вид и расположение включений на пришлифованной поверхности каждого алмаза-матрицы. Морфология зерен включенных минералов отражает влияние вмещающих алмазов в разной степени: от полного или почти полного сохранения первичной огранки (обр. Mts-31, I-5-15, Yubk-235) до почти полностью резорбированных зерен (обр. Kms-81, I-5-23, Mts-30).

В отличие от рис. 1, на котором показаны множественные включения магнезиохромита в четырех образцах алмаза, причем в двух из них (Kms-84 и Mts-31) в магнезиохромите зафиксированы также включения оливина, рис. 2 демонстрирует редкие парагенезисы магнезиохромита: с пиропом лерцолитового парагенезиса (обр. Yubk-235) и с флогопитом (обр. Mts-30). Химические составы ассоциирующих минералов представлены в табл. 1. Номера анализов идентичны номерам включений на рис. 1 и 2.

Уникальным по представительности доступных для анализа включений магнезиохромита и оливина является обр. Mts-31 (рис. 1г, 1д, 1е), в котором на пришлифованной поверхности видны четыре включения магнезиохромита, причем три из них содержат оливин в виде включений и сростка. Анализы включений представлены в табл. 1 и характеризуются близкими составами оливина (см. табл. 1) с Fo 93.4–93.6, но с различиями в составах магнезиохромита от 60.1–61.1 мас. % Cr₂O₃ и 8.47–8.78 мас. % Al₂O₃ во внутренней зоне алмаза (ан. 2 и 5) до 63.1–63.2 мас. % Cr₂O₃ и 6.82–6.88 мас. % Al₂O₃ во внешней зоне (ан. 1 и 3). Содержание Cr₂O₃ приведено только для изолированного включения оливина (ан. 4), во избежание влияния фона от ассоциирующих магнезиохромитов.

Достаточно четкие различия в содержании Cr₂O₃ и Al₂O₃, а также Mg# характерны для обр. Kms-81 с уменьшением Mg# и увеличением Cr# к внешней части образца.

Остальные два образца, представленные на рис. 1, I-5-15 (ж, з, и) и I-5-23 (к, л, м) содержат по три включения магнезиохромита, приуроченных к внутренним зонам алмазов. Составы включений в каждом из образцов (см. табл. 1) практически не различаются.

В двух алмазах, представленных на рис. 2, обнаружены редкие включения. В образце Yubk-235 (рис. 2а, 2б, 2в) выявлен пироп в магнезиохромите. В отличие от преобладающих в алмазах высокохромистых субкальциевых пиропов, относящихся к дунит-гарцбургитовому парагенезису без клинопироксена с существенной примесью кноррингитового (MgCr) компонента, являющихся четким индикатором присутствия алмазов при поисковых работах [11], обнаруженный пироп по соотношению содержания (мас. %) Cr₂O₃ 6.05 и CaO 5.37 (см. табл. 1) относится к лерцолитовому парагенезису [1], а хромшпинелид, ассоциирующий с ним, существенно отличается по составу (<60 мас. %) от типичных магнезиохромитов, включенных в алмазы [1, 12, 13], характеризующихся содержанием Cr₂O₃, превышающим 60–62 мас. % (рис. 3). Такой парагенезис зафиксирован в алмазе впервые.

Рис. 3.

Вариации состава включений магнезиохромита в процессе роста изученных алмазов: Kms-81 (1), Mts-31 (2), I-5-15 (3), I-15-23 (4), Yubk-235 (5), Mts-30 (6). Положение точек состава магнезиохромитов, извлеченных из внешней части четырех образцов крупных алмазов трубки Удачная (7) по [14]. Стрелками указано общее направление понижения температуры роста алмазов. Пунктирная линия оконтуривает область вариаций состава магнезиохромитов в алмазах по [9, 19].

Ранее нами была предпринята попытка оценки распространенности включений в крупных алмазах из трех промышленных месторождений Якутии кимберлитовых трубок Мир, Удачная и Айхал из специальных фондов [14]. Масса каждого из этих кристаллов превышает 10.8 карата. Среди крупных алмазов резко возрастает количество октаэдрических кристаллов (более 90%). Для серии образцов при их изучении были выявлены обнажающиеся на поверхности алмаза включения пиропа и хромшпинелида. Фрагменты этих включений были извлечены из 56 кристаллов алмаза и проанализированы. Основной особенностью состава пиропа является преобладание высокохромистых пиропов, бедных кальцием, что типично для всех алмазов перидотитового парагенезиса [1, 11, 13, 15]. Хромшпинелиды также характеризуются типичным составом, присущим включениям в алмазах [1, 2, 8, 12]. Вместе с тем отмечено присутствие в отдельных образцах магнезиохромитов аномального состава с содержанием (мас. %) Cr₂O₃ 67.3–68.6 и Al₂O₃ 2.02–2.68 (Cr# 94.5–95.8 и Mg# 47.2–50.0). Не исключено, что часть необычных составов магнезиохромитов может относиться к вторичным хромшпинелидам, как это показано для образца МР-9 из поликристаллического агрегата алмаза [1].

Флогопит, обнаруженный в образце Mts-30, относится к числу наиболее редких включений в алмазах, подтверждая участие летучих в их образовании [16]. Для трети изученных авторами 34 образцов алмазов с включениями флогопита и биотита [16] флогопит ассоциирует с магнезиохромитом, содержащим Cr₂O₃ от 61.7 до 66.3 мас. %, причем в трех образцах установлен Cl от 0.25 до 0.49 мас. %. В представленном в настоящей работе обр. Mts-30 также содержится 0.18 мас. % Cl, что вносит дополнительный вклад в дискуссию о роли хлора в образовании кимберлитов и алмазов [16]. Здесь зафиксирована примесь BaO до 0.57 мас. % (см. табл. 1). По низкому Cr# 8.7, высокому Mg# 93.7 и низкой примеси TiO₂ 0.62 мас. % флогопит относится к дунит-гарцбургитовому парагенезису.

Следует подчеркнуть, что разнообразие выявленных в настоящем исследовании минералов, ассоциирующих с магнезиохромитом в алмазах, не исчерпывается приведенными примерами. В работе [17] описывается пример находки включения перовскита в ассоциации с четырьмя включениями магнезиохромита, содержащими от 64.1 до 64.6 мас. % Cr₂O₃ и оливином (Fo 93), а также титаната серии LIMA в ассоциации с магнезиохромитом, энстатитом и пиропом в полиминеральном включении в алмазе.

Дискуссия, обсуждающая соотношение алмаза и включенных минералов, практически не затрагивает проблему сложного характера роста самих алмазов, выявляемого рядом подходов, в число которых входят катодолюминесценция, анализ изменения состава включенных минералов (см. рис. 3) [12, 18–20], а также сопоставление соотношения алмазов и ассоциирующих минералов в известных ксенолитах алмазосодержащих перидотитов в кимберлитах [9, 15].

В период роста индивидуальных кристаллов алмаза происходит постепенное снижение температуры, что убедительно показано применением Zn-геотермометра для хромшпинелидов, включенных в алмазы с определением температурного интервала при росте конкретного кристалла алмаза до 400°С при понижении температуры, а интервал >100°C является обычным [9, 12, 19], что успешно использовано в работе [19].

Присутствие в неизмененном образце мегакристаллического алмазоносного дунита включений магнезиохромита и оливина в алмазе, полностью включенном в оливине, позволяет рассматривать оливин в качестве сингенетического включения по отношению к алмазу [15]. То же самое относится к магнезиохромиту, изменяющему свой состав в процессе роста алмаза, хотя в ряде работ часть таких включений характеризуется в качестве протогенетических [7–9]. Для обсуждаемой коллекции шести алмазов следует учитывать количество зон роста и размеры кристаллов, которые (2 мм) являются минимальными для установления вероятной эволюции состава включений в процессе роста. К сожалению, незначительный размер изученных нами алмазов, не превышающий 2 мм, позволяет отметить только тенденцию к понижению температуры во время роста, показанную на рис. 3 стрелками. Эта тенденция полностью соответствует выявленной закономерности понижения температуры в процессе роста индивидуальных алмазов [9, 12, 14, 19, 20].

На конкретном примере алмаза из трубки Удачная [20] продемонстрировано, что применение метода дифракции обратно-рассеянных электронов (EBSD) в сочетании с трехмерным катодолюминесцентным изображением является исключительно важным при решении вопроса о времени роста включения. Получено доказательство сингенетического характера магнезиохромита в алмазе из трубки Удачная [20].

Сложная история роста алмаза, сопровождаемая его зональностью, с вариациями состава включений оливина и, особенно, магнезиохромита в разных зонах свидетельствует о связи роста алмаза с ростом и переменным составом минеральных включений и возможности сосуществования сингенетических и протогенетических минеральных включений в одном и том же алмазе.