Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 1, стр. 46-51

Кимберлиты – уникальные магматические породы, возникшие в результате кристаллизации расплавов, имеющих наиболее глубинное происхождение (>150 км) [1, 2]. Вопрос о составе родительских расплавов кимберлитов до сих пор является дискуссионным [2, 3]. Сложность решения данной проблемы заключается в том, что валовый состав кимберлитов не отвечает составу их родительских расплавов, так как они содержат большое количество ксеногенного материала и практически повсеместно преобразованы вторичными процессами [2, 3].

Одним из подходов, используемых для реконструкции состава родительских расплавов, является исследование первичных расплавных включений в минералах магматических пород [3, 4]. В последнее время первичные расплавные включения были обнаружены в магматических минералах (оливин, перовскит, апатит, кальцит, монтичеллит и шпинелиды) кимберлитов как Сибирского кратона (трубка Удачная-Восточная, Далдынское поле) [5, 6], так и других кратонов мира в пределах Канады, Гренландии, Финляндии и ЮАР [3, 5, 7–12]. Однако для реконструкции составов родительских кимберлитовых расплавов наибольшую важность представляют включения в оливине и хромшпинелиде, которые являются ранними ликвидусными минералами [1, 3, 12]. Следует отметить, что хромшпинелид сохраняется при вторичных изменениях кимберлитов в отличие от оливина, который часто полностью замещается серпентином.

В данной работе представлены результаты исследования первичных расплавных включений в хромшпинелиде основной массы кимберлитов трубки Заполярная (Верхнемунское поле, Сибирский кратон). Верхнемунское поле располагается в бассейне р. Улах-Муна, правого притока р. Муна, в ее верхнем течении. Возраст алмазоносной трубки Заполярная определен U–Pb-методом по перовскиту как ~366–367 млн лет [13], что соответствует среднепалеозойскому (D₃–C₁) циклу кимберлитового магматизма на Сибирском кратоне [14]. На поверхности трубка имеет форму вытянутой восьмерки (азимут простирания 305°) [14]. Исследованные в данной работе кимберлиты были отобраны в северо-западной части трубки из бортов разведочных канав и относятся к порфировому типу согласно [14]. Структура пород обусловливается присутствием макрокристаллов (до 2 мм) оливина, практически всегда полностью замещенных серпентином, в количестве 20–30 об. %. Минералы основной массы, размером до 150 мкм, представлены шпинелидами, перовскитом, апатитом и флогопитом, находящимися в матрице кальцита и серпентина. Редко встречаются зерна минералов мантийных пород и пород кристаллического фундамента (ксенокристаллы).

Шлифовка и полировка образцов производилась без воды, с использованием минерального масла в качестве лубриканта и петролейного эфира для очистки. Диагностика кристаллических фаз во включениях проводилась с помощью комбинации двух методов – сканирующей электронной микроскопии, совмещенной с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (СЭМ–ЭДС), и конфокальной спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС-спектроскопии). СЭМ–ЭДС-исследования выполнены в ЦКП “Изотопно-геохимических исследований” (ИГХ СО РАН) на сканирующем электронном микроскопе “TESCAN MIRA” 3 LMU с системой ЭДС-микроанализа “OXFORD INSTRUMENTS” ULTIM MAX 40. КРС-спектры были получены в ИЗК СО РАН с применением системы для конфокальной КРС-спектроскопии WITec alpha 300R (WITec GmbH), оборудованной Nd:YAG-лазером с длиной волны 532 нм. Фокусировка лазерного луча на образец осуществлялась через объектив “Zeiss” 100x/NA0.9, обеспечивающий пространственное разрешение менее 1 мкм. Спектральное разрешение составляло 1.6 см^–1. Калибровка спектров проводилась по линии 520.7 см^–1 кристаллического кремния. Для идентификации минералов полученные КРС-спектры сравнивались с эталонными спектрами из базы данных RRUFF (http://rruff.info/) и литературных источников [2, 15–17].

Шпинелиды основной массы кимберлитов трубки Заполярная образуют идиоморфные зональные зерна размером до 150 мкм. Выделяется ядро, представленное хромшпинелидом, вокруг которого имеется кайма, сложенная магнетитом/магнезиоферритом, с многочисленными включениями перовскита (рис. 1). По составу хромшпинелид соответствует магнезиохромиту (Cr# = Cr/(Cr + Al) = 0.72–0.90, Mg# = Mg/(Mg + + Fe²⁺) = 0.51–0.63). От центра к краю ядра в магнезиохромите уменьшаются значения Cr# и Mg# и значительно растет концентрация TiO₂ (от 1.1 до 18.8 мас. %).

Рис. 1.

Магнезиохромит (Mchr) в основной массе кимберлитов трубки Заполярная, содержащий поликристалли-ческие включения (ПВ). Prv – перовскит, Cal – кальцит, Mgt – магнетит. Изображение в обратно-рассеянных электронах (BSE) и карты распределения элементов.

Поликристаллические включения обнаружены в магнезиохромите (рис. 1). Часто в плоскости полировки наблюдаются группы включений (рис. 1, Приложение 1 ). Включения не связаны с какими-либо трещинами/прожилками и, как правило, располагаются неравномерно, редко – вдоль зон роста в магнезиохромите (рис. 1). Форма включений разнообразная – изометричная, неправильная, вытянутая, но при этом частично ограненная (Приложение 1 ). Часто встречаются включения, имеющие хорошо выраженную форму “отрицательного” кристалла (рис. 2). Размер отдельных включений на плоскости полировки достигает 30 мкм по вытянутой оси, однако в большинстве случаев не превышает 5–10 мкм.

Рис. 2.

Изображение в обратно-рассеянных электронах (BSE) и карты распределения элементов для индивидуального вскрытого поликристаллического включения в магнезиохромите из трубки Заполярная. Cal – кальцит, Ol – оливин, Ny – ньеререит, Mgt – магнетит, Dj – джерфишерит.

Исследован минеральный состав более 50 поликристаллических включений в магнезиохромите. Размер зерен минералов внутри включений в основном не превышает 3–5 мкм, в редких случаях достигает 10 мкм (рис. 2, Приложение 1 ). Небольшой размер зерен затрудняет идентификацию минералов посредством только СЭМ–ЭДС, так как возможно искажение анализа из-за захвата соседних фаз электронным пучком. Одновременное использование СЭМ–ЭДС и конфокальной КРС-спектроскопии позволило определить минералы во включениях на основе совокупности информации об их элементном составе (рис. 2, Приложение 1 ) и о положении характерных линий на КРС-спектрах (рис. 3). Среди минералов во включениях были идентифицированы кальцит, доломит, щелочные карбонаты (ньеререит Na₂Ca(CO₃)₂, грегориит (Na,K)₂CO₃ и нортупит Na₃Mg(CO₃)₂Cl), карбонат-фосфат – брэдлиит Na₃Mg(PO₄)(CO₃), апатит, флогопит, оливин и магнетит; встречены единичные зерна хлоридов (сильвин и/или галит) и джерфишерита K₆(Fe,Cu,Ni)₂₅S₂₆Cl.

Рис. 3.

Представительные КРС-спектры минералов из поликристаллических включений в магнезиохромите из трубки Заполярная. а – ньеререит (Ny), б – ньеререит (Ny) с пиком нортупита (Nrt), в – грегориит (Gr), г – брэдлиит (Brd) с пиком доломита (Dol). Для сравнения спектров см. [2, 15–17].

На картах распределения элементов (рис. 2) во включениях наблюдаются фазы с высокими концентрациями кальция и щелочей, в которых отсутствует кремний. Эти фазы представлены щелочными карбонатами. КРС-спектры Na–K–Ca-карбоната из некоторых включений характеризуются наличием сближенных сильных пиков на 1072–1075 и на 1084–1088 см^–1 (рис. 3а) и слабого пика на 710–712 см^–1. Данные моды соответствуют колебаниям карбонат-иона и характерны для ньеререита Na₂Ca(CO₃)₂ [15, 16]. В других случаях на КРС-спектрах Na–K–Ca-карбоната присутствуют ассиметричный сильный пик на 1083–1085 см^–1 с плечом ~1072–1073 см^–1 (рис. 3б) и слабый пик на 710–711 см^–1, что также отвечает ньеререиту [15, 16]. Количественно измерить состав Na–K–Ca-карбоната не удалось, так как в его ЭДС-спектрах наблюдаются пики элементов от минерала-хозяина и соседних фаз во включении. Однако отношение (Na + K)/Ca (ат. %) в этом карбонате, согласно СЭМ–ЭДС-анализу, близко 2 при отношении Na/K > 8 (ат. %), что отвечает стехиометрии ньеререита.

На КРС-спектрах Na–K-карбоната присутствует сильный пик на 1079–1081 см^–1 (рис. 3в), что соответствует грегорииту (Na,K)₂CO₃ [17]. Этот минерал характеризуется Na/K = 8–10 (ат. %) и небольшой примесью кальция.

На некоторых КРС-спектрах щелочных карбонатов проявляется пик на 1112–1114 см^–1 (рис. 3б). Данный пик не принадлежит ньеререиту и грегорииту, однако является наиболее интенсивным для нортупита Na₃Mg(CO₃)₂Cl.

Минерал, демонстрирующий одновременное присутствие натрия, магния и фосфора на картах распределения элементов (Приложение 1 ), по КРС-спектрам идентифицируется как карбонато-фосфат – брэдлиит Na₃Mg(PO₄)(CO₃). Сильные пики на 970–971 и 1076–1078 см^–1 на его КРС-спектрах отвечают колебаниям фосфат-иона и карбонат-иона соответственно (рис. 3г).

Джерфишерит во включениях имеет размер менее 1 мкм, что затрудняет количественный анализ его состава. Однако на картах распределения элементов и ЭДС-спектрах этот сульфид характеризуется присутствием калия, железа, никеля, меди и хлора (рис. 2, Приложение 1 ).

На картах распределения элементов во включениях также наблюдаются области совместного нахождения щелочей и хлора (Приложение 1 ), что дает возможность предполагать наличие зерен сильвина и/или галита размером менее 1 мкм.

Поликристаллические включения в хромшпинелиде трубки Заполярная интерпретированы нами как первичные раскристаллизованные расплавные включения. Данный вывод основан на следующем: 1) включения полуограненные и часто имеют форму “отрицательного” кристалла; 2) включения располагаются незакономерно или декорируют зоны роста в магнезиохромите; 3) включения не соединены прожилками шпинелида, отличного по составу от хромшпинелида-хозяина, как это наблюдалось бы в случае вторичных расплавных включений, располагающихся вдоль залеченных трещин. Кроме того, морфологические характеристики и минеральный состав исследованных включений подобны поликристаллическим включениям в хромшпинелиде из кимберлитов Канады, ЮАР и трубки Удачная-Восточная, которые ранее были отнесены к первичным расплавным включениям [7–12].

Анализ более 50 первичных расплавных включений в магнезиохромитах трубки Заполярная показал, что в плоскости полировки наиболее распространенными дочерними минералами являются карбонаты (кальцит, доломит, ньеререит и грегориит), причем щелочные карбонаты диагностированы практически в каждом вскрытом включении. Силикатные минералы присутствуют в меньшем количестве относительно карбонатов. Таким образом, результаты исследования свидетельствуют о том, что родительский кимберлитовый расплав трубки Заполярная был обогащен щелочами и CO₂ и, возможно, являлся щелочно-карбонатитовым.

В начале 2000-х гг. в трубке Удачная-Восточная на глубине более 410 м были обнаружены уникальные неизмененные кимберлиты, не затронутые постмагматическими процессами [6, 15, 18, 19]. Эти кимберлиты характеризуются отсутствием серпентина и других вторичных водосодержащих минералов; содержание воды в них не превышает 0.6 мас. % [6, 15, 18]. Неизмененные кимберлиты также характеризуются необычно высокими концентрациями щелочей (Na₂O + K₂O до 8 мас. %) и хлора (до 6 мас. %). В отличие от других кимберлитов мира, где в основной массе доминирующими минералами являются вторичные серпентин и кальцит, основная масса неизмененных кимберлитов трубки Удачная-Восточная обогащена щелочными (в основном натровыми) карбонатами, сульфатами и хлоридами (до 30 об. %). Такие же минералы были найдены среди дочерних фаз в первичных и псевдовторичных расплавных включениях в магматических минералах как неизмененных, так и частично серпентинизированных кимберлитов трубки Удачная-Восточная [5, 6, 19]. На основании этих данных был сделан вывод, что в основной массе серпентинизированных кимберлитов трубки Удачная-Восточная также изначально присутствовали щелочные карбонаты, сульфаты и хлориды, которые были уничтожены в результате вторичных изменений [6]. Таким образом, комплексные исследования как неизмененных, так и частично серпентинизированных кимберлитов свидетельствуют о том, что родительский кимберлитовый расплав трубки Удачная-Восточная мог изначально иметь щелочно-карбонатитовый состав с высоким содержанием натрия [5, 6, 15].

В отличие от неизмененных кимберлитов трубки Удачная-Восточная другие кимберлиты мира характеризуются низкими концентрациями натрия. Присутствие первичных расплавных включений, содержащих натровые карбонаты, такие как ньеререит, грегориит и нортупит, в хромшпинелиде из среднепалеозойской трубки Заполярная и различных кимберлитов мира, имеющих разный возраст [3, 6, 8, 10–12], свидетельствует о том, что высокие содержания натрия и СО₂ являются неотъемлемой чертой родительских расплавов кимберлитов в целом, а не только трубки Удачная-Восточная. Низкие концентрации натрия и преобладание калия в большинстве кимберлитов объясняется тем, что основной калийсодержащий минерал кимберлитов – флогопит, является более устойчивым, чем щелочные карбонаты при вторичных изменениях пород.

Следует отметить, что недавние работы показали присутствие включений раскристаллизованных щелочно-карбонатитовых расплавов в ксенолитах деформированных перидотов, вынесенных с основания литосферной мантии, из кимберлитов Сибирского и Каапваальского кратонов [2, 16, 17, 20]. Данные включения, вероятно, являются реликтами наиболее примитивных кимберлитовых расплавов [2, 16, 17, 20].

Таким образом, наличие первичных включений щелочно-карбонатитового расплава в оливине и хромшпинелиде из разновозрастных кимберлитов различных регионов мира позволяет распространить модель эволюции состава кимберлитового расплава, изначально предложенной в работах [2, 3, 16, 19] для трубки Удачная-Восточная, на кимберлиты мира в целом: кимберлитовый расплав зарождается как щелочно-карбонатитовый, затем при подъеме эволюционирует в область увеличения кремнезема за счет растворения ксеногенных силикатов, в первую очередь ортопироксена.