Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 507, № 2, стр. 229-235

Арагонит в интерстициях мантийного ксенолита из кимберлитовой трубки Удачная (Сибирский кратон): прямое свидетельство присутствия карбонатитовых расплавов в глубинной литосферной мантии

А. В. Головин 1*, К. А. Соловьев 1, И. С. Шарыгин 12, академик РАН Ф. А. Летников 2

1 Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук
Новосибирск, Россия

2 Институт земной коры Сибирского отделения Российской академии наук
Иркутск, Россия

* E-mail: solovkonst@igm.nsc.ru

Поступила в редакцию 01.08.2022
После доработки 07.09.2022
Принята к публикации 09.09.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

В настоящей работе сообщается о первой находке зональных индивидов арагонита, высокобарического полиморфа CaCO3, в мантийном ксенолите из кимберлита. Арагонит является самым распространенным эпигенетическим минералом в изученном ксенолите и располагается в интерстициях, где его содержания могут достигать 80 об. %. Изученный деформированный лерцолит по PT-параметрам последнего равновесия (6.9 ГПа и 1350°С) относится к наиболее глубинным мантийным ксенолитам из кимберлитов. Исходя из линий стабильности арагонита, этот минерал мог формироваться в деформированном лерцолите как in situ в литосферной мантии, так и при выносе этого ксенолита кимберлитовой магмой до глубин ~80 км. Особенностью изученных зональных индивидов арагонита являются высокие концентрации SrO (от ~0.7 до 8.3 мас. %) и Na2O (до ~1.1 мас. %). Моделирование процесса диффузии в зональных арагонитах показывает, что арагонит потеряет зональность по SrO за 1–10 лет при мантийных температурах 1000–1350°С. Поведение зональности арагонита при мантийных температурах несомненно связывает образование этого минерала в деформированном лерцолите с магматизмом, который впоследствии сформировал восточное тело трубки Удачная. В целом такие высокие содержания арагонита в интерстициях изученного ксенолита являются прямым свидетельством существования карбонатитовых расплавов в литосферной мантии древних кратонов на глубинах ниже ~230 км незадолго до формирования кимберлитов на поверхности. Представленные результаты вновь ставят вопрос о составах примитивных кимберлитовых жидкостей и истинных концентрациях в них таких щелочных компонентов, как, например, Na2O.

Ключевые слова: мантийные ксенолиты, мантийный метасоматоз, карбонатитовые расплавы, арагонит, эпигенетические минералы, кимберлиты, Рамановская спектроскопия

Присутствие разнообразных по составу, преимущественно силикатных расплавов, в литосферной мантии древних кратонов и роль таких расплавов в преобразовании мантийных пород общепризнанно, в то время как прямые свидетельства существования карбонатитовых расплавов весьма редки [1, 2]. В статье обсуждаются происхождение и вариации состава эпигенетического арагонита в мантийном ксенолите деформированного гранатового лерцолита (рис. 1), отобранного из кимберлитов трубки Удачная-Восточная с глубин 480–500 м [3]. PT-параметры последнего равновесия изученного гранатового лерцолита составляют 6.9 ГПа и 1350°С [4] (глубина положения в разрезе литосферной мантии ~215 км).

Рис. 1.

Ксенолит деформированного лерцолита (образец № UV–4/05) с мозаично-порфирокластической структурой из кимберлитовой трубки Удачная-Восточная. (a) Фотография в проходящем плоско-поляризованном свете. (б) Фотография в обратно-рассеянных электронах. Oln и Olp – необласты и порфирокласты оливина соответственно; Opx – ортопироксен; Cpx – клинопироксен; Grt – гранат.

Аналитические работы проведены в аналитическом центре многоэлементных и изотопных исследований СО РАН (Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, Новосибирск). Химические анализы, элементные карты и фотографии в отраженных электронах сделаны на сканирующем электронном микроскопе Tescan MIRA3 LMU с энергодисперсионной системой микроанализа Aztec Energy X-Max 50+ (EDS). Часть химических анализов, полученных на Tescan MIRA3 LMU, были верифицированы (см. табл. 1) на рентгеноспектральном микроанализаторе Jeol JXA-8230 (WDS). Определение полиморфной модификации карбоната кальция выполнено методом Рамановской спектроскопии на Horiba Jobin Yvon LabRAM HR800 с 532-нм Nd: YAG-лазером. Методы подробно описаны в дополнительных материалах.

Таблица 1.

Сравнение химических анализов (в мас. %) арагонита, полученных при помощи ЭДС-анализатора (EDS) и волнового детектора (WDS)

  1 2 3 4 5 6 7 8
EDS WDS EDS WDS EDS WDS EDS WDS EDS WDS EDS EDS EDS
CaO 53.3 53.2 53.6 52.5 49.6 49.6 48.1 47.7 52.4 52.6 54.2 52.8 50.1
MgO 0.30 0.09 0.39 0.20 0.18 0.05 0.27 0.10 0.27 0.27 0.38 0.61 0.17
SrO 0.66 0.70 0.81 0.71 6.41 7.85 7.79 8.26 0.79 0.61 0.67 0.72 6.84
Na2O 0.81 0.77 0.74 0.64 0.16 0.28 0.35 0.22 1.13 1.09 0.67 0.70 0.34
K2O n.d. 0.03 n.d. 0.02 n.d. 0.01 n.d. 0.03 n.d. 0.02 n.d. n.d. n.d.
MnO n.d. 0.03 n.d. 0.03 n.d. 0.01 n.d. 0.00 n.d. 0.01 n.d. n.d. n.d.
FeO 0.35 0.23 0.36 0.25 0.26 0.24 0.44 0.25 0.40 0.37 0.44 0.36 0.35
P2O5 n.d. 0.21 n.d. 0.05 n.d. 0.01 0.21 0.03 n.d. 0.07 n.d. n.d. n.d.
SO3 n.d. 0.02 n.d. 0.02 0.12 0.11 n.d. 0.00 n.d. 0.02 n.d. n.d. 0.10
Cl n.d. 0.02 0.05 0.01 n.d. 0.00 n.d. 0.02 n.d. 0.01 0.08 0.06 0.07
SiO2 n.d. 0.02 n.d. 0.02 n.d. 0.01 n.d. 0.03 n.d. 0.03 n.d. n.d. n.d.
BaO n.d. 0.00 n.d. 0.05 n.d. 0.09 n.d. 0.00 n.d. 0.00 n.d. n.d. n.d.
Σ 55.5 55.3 55.9 54.5 56.7 58.3 57.2 56.6 55.0 55.1 56.5 55.2 58.0

Примечание. Сначала в точке снимался EDS-анализ, потом в этой же точке выполнялся WDS-анализ. Колонки 1–5 – анализы пяти отдельных зерен. В колонках 6–8 показаны вариации состава (EDS-анализы) зонального арагонита на рис. 2 а; 6 – центр, 7 – промежуточная зона, 8 – край. n.d. – ниже предела обнаружения.

В результате проведенных исследований в интерстициях мантийного ксенолита были установлены следующие эпигенетические минералы: арагонит, минералы группы шпинели, перовскит, фтор-апатит, флогопит, тетраферрифлогопит, монтичеллит, доломит и джерфишерит.

Среди минеральных включений в арагоните обнаружены: фтор-апатит, перовскит и флогопит (рис. 2 a). Арагонит, размером до 100 мкм, является самым распространенным эпигенетическим минералом из интерстиций ксенолита, где объемные содержания арагонита могут достигать 80% (рис. 2 a и б). Рамановский спектр арагонита характеризуется высокоинтенсивной полосой на 1085 см–1, полосой средней интенсивности на 152 см–1 и отчетливыми полосами низкой интенсивности на 190, 206, 247, 262, 702, 706 и 1461 см–1 (рис. 2 в–е). Положение полос низкой интенсивности в Рамановском спектре арагонита позволяет отличать этот высокобарический полиморф CaCO3 от низкобарического кальцита. В зональных индивидах арагонита выделяется минимум три зоны (врезка на рис. 2 а): 1) ядро, 2) низко-Sr (<~1.5 мас. % SrO) и 3) высоко-Sr (от ~1.5 до 8.3 мас. % SrO) зоны. В целом концентрации SrO варьируют в интервале ~0.7–8.3 мас. %. Изученные арагониты также характеризуются повышенным содержанием Na2O (~0.1–1.1 мас. %) (табл. 1).

Рис. 2.

Фотография в отраженных электронах участка ксенолита с необластами оливина, интерстиции между которыми заполнены преимущественно арагонитом. Arg – арагонит, Mnt – монтичеллит, Prv – перовскит, Ap – апатит, Tphl – тетраферрифлогопит, Chr – хромит. На врезке в желтой рамке на рис. 2 а представлен зональный индивид арагонита из интерстиций: 1 – центр (SrO ~ 0.7, MgO ~ 0.4 в мас. %, колонка 6 табл. 1), 2 – более магнезиальная зона (MgO ~ 0.6 мас. %, колонка 7 табл. 1), 3 – кайма высоко-Sr арагонита (SrO ~ 7 мас. %, колонка 8 табл. 1). (б) Рентгеноспектральная карта распределения Ca, демонстрирующая объемные содержания арагонита в интерстициях. (в) Рамановский спектр высоко-Sr (SrO ~ 7 мас. %) арагонита. (г) – (д) увеличенные участки спектра из рис. 2 в, масштаб для интенсивности пиков (х) указан относительно рис. 2 в.

Согласно экспериментальным данным [5, 6], арагонит является высокобарическим полиморфом CaCO3 и широко используется в петрологии пород высокобарических метаморфических комплексов как индикатор высоких давлений их образования/преобразования [9]. В петрологии магматических пород и содержащихся в них ксенолитах, до настоящего момента, линия перехода арагонит-кальцит использовалась очень редко потому, что находки арагонита в этих породах единичны. В кимберлитах находок магматического арагонита не известно; этот минерал был идентифицирован только среди дочерних фаз в некоторых расплавных включениях [9, 10]. Арагонит также был найден в алмазе из кимберлитов трубки Комсомольская [12], что свидетельствует, по мнению авторов этой находки, о возможности образования алмазов в мантийном субстрате на глубинах ниже 300 км.

Деформированные перидотиты из кимберлитов трубки Удачная-Восточная располагаются в литосферной мантии на глубинах от 160 до 230 км [1, 8], т.е. в области стабильности арагонита (рис. 3). Таким образом, арагонит в интерстициях изученного ксенолита мог кристаллизоваться in situ в мантии (рис. 3) при просачивании карбонатитовых расплавов через мантийные породы. Поскольку общепринято, что деформированные перидотиты образуются незадолго до их захвата кимберлитовой магмой [10, 11], эти карбонатитовые расплавы должны быть непосредственно связаны с кимберлитовым магматизмом.

Рис. 3.

Диаграмма в координатах температура–давление, отражающая положение деформированного лерцолита (желтый круг) и линий, ограничивающих поля стабильности различного по составу арагонита в литосферной мантии [5, 6]. Пути подъема кимберлитового расплава карбонатитового состава по [7]. Область (закрашена светло-красным цветом) деформированных перидотитов по [1, 8]. Arg – арагонит, Cal – кальцит, Dia – алмаз, Grp – графит.

Вторая модель связывает образование арагонита в нодулях с инфильтрацией кимберлитовых расплавов, транспортирующих мантийные ксенолиты к поверхности. В последние десятилетия, в противовес “традиционным” моделям об ультраосновном обогащенном SiO2 и MgO (SiO2 + + MgO ≥ 50 мас. %) составе примитивных кимберлитовых расплавов, на основе различных данных, развиваются модели, свидетельствующие о карбонатитовой/щелочно-карбонатитовой/щелочно-карбонатно-хлоридной природе примитивных кимберлитовых расплавов [10, 11, 1316]. Поскольку карбонатитовые расплавы обладают очень низкой вязкостью и высокой способностью смачивать поверхность мантийных силикатов, инфильтрация кимберлитовых расплавов в интерстиционное пространство ксенолитов может происходить в очень короткий промежуток времени после их захвата кимберлитовой магмой. Согласно второй модели, во время транспортировки нодулей выносящей магмой, арагонит в мантийных ксенолитах мог кристаллизоваться в широком интервале глубин от ~230 до 80 км (рис. 3).

С целью определения времени кристаллизации арагонита в мантийном ксенолите было проведено математическое моделирование процесса диффузии в зональных индивидах арагонита (рис. 4). Для расчета времени гомогенизации зонального индивида использовано уравнение многокомпонентной диффузии Ca и Sr в изотропном шаре (рис. 4) [17, 18]. Мы оценивали время переуравновешивания зональных арагонитов при температурах 1350°С (температура равновесия изученного ксенолита) и 1000°С (пересечение температурного профиля подъема кимберлитовой магмы с линией высоко-Sr арагонит-кальцит, рис. 3). Расчеты показывают, что при температуре 1350°С арагонит уравновесится (потеряет зональность по Sr) за период времени в 1 год, а при 1000°С – за 10 лет. Поскольку изученный зональный арагонит: 1) может сохранять зональность не более 1–10 лет в поле стабильности при мантийных температурах 1000–1350°С, 2) находится в ассоциации с обычными минералами основной массы  кимберлитов,  такими  как  шпинелиды, перовскит, фтор-апатит, флогопит, тетраферрифлогопит, монтичеллит, доломит и джерфишерит; мы считаем, что есть непосредственная генетическая и временная связь между кристаллизацией арагонита в наиболее глубинных ксенолитах с кимберлитовым магматизмом, в результате которого в очень короткий промежуток времени после кристаллизации арагонита в ксенолитах была сформирована трубка Удачная-Восточная. В любой из двух представленных выше моделей состав расплавов, взаимодействующих с наиболее глубинными мантийными перидотитами, может быть отнесен к примитивным, а соотношение арагонита к другим эпигенетическим минералам в интерстициях является еще одним свидетельством карбонатитовой природы примитивных кимберлитовых расплавов трубки Удачная-Восточная, которые генерировались на глубинах >230 км.

Рис. 4.

Схематичный рисунок модели в разрезе, которая применялась для расчета времени перехода в равновесие зонального арагонита. Зерно арагонита представлялось как зональный шар диаметром 60 мкм. Диаметр центральной части 30 мкм (0.7 мас. % SrO), который окружен 15 мкм оболочкой с содержанием SrO 8.3 мас. %.

Высокие концентрации в арагоните таких примесных компонентов, как Na2O и SrO позволяют продвинуться в решении следующих двух вопросов мантийной петрологии. Первым вопросом является проблема истинных концентраций щелочей в кимберлитовых расплавах. В частности, известно, что калий в валовом составе кимберлитов, за исключением некоторых проявлений [3, 13], существенно преобладает над натрием (<~0.5 мас. % Na2O; ≤~3.0 мас. % K2O). Эти концентрации и соотношение щелочей не соответствую результатам изучения расплавных включений в минералах кимберлитов и ксенолитов из этих пород [3, 10, 11, 1316] и поэтому широко обсуждаются как в проблемах петрогенезиса кимберлитов, так и в экспериментах по частичному плавлению разнообразных силикатных пород литосферной мантии, допированных некоторыми другими компонентами.

Максимальное содержание Na2O в арагоните достигает ~1.1 мас. %. Это свидетельствует об очень высоком содержании Na2O в расплаве, из которого кристаллизовался арагонит, так как коэффициент распределения натрия между карбонатом и карбонатным расплавом значительно меньше единицы. Как показали эксперименты [19], при температуре 1350–1440°С и давлении 6 ГПа, коэффициент распределения Na2Oкарбонат/Na2Oрасплав находится в пределах 0.14–0.30. Следовательно, при этих PT-параметрах, исходя из коэффициентов распределения, содержание Na2O в расплаве будет находиться в пределах от ~4 до 8 мас. %.

Другой проблемой мантийной петрологии является то, что валовые концентрации элементов-примесей в ксенолитах бывают на порядок/порядки выше, чем таковые в сумме в породообразующих минералах-концентраторах элементов примесей в мантийных породах – гранатах и клинопироксенах [20]. Для ксенолитов из кимберлитов Каапваальского кратона предполагалось, что существенные концентрации элементов-примесей содержится в трещинах, вдоль границ породообразующих минералов или во флюидных включениях. Однако “микрообъекты”, концентрирующие элементы-примеси, не были установлены в этих мантийных ксенолитах [20]. Как показали проведенные исследования, именно присутствие эпигенетического арагонита в мантийных ксенолитах из кимберлитов как минерала концентратора Sr может объяснять, по крайней мере, повышенные концентрации Sr при валовом анализе мантийных пород.

Список литературы

  1. Agashev A.M., Ionov D.A., Pokhilenko N.P., Golovin A.V., Cherepanova Yu., Sharygin I.S. Metasomatism in lithospheric mantle roots: Constraints from whole-rock and mineral chemical composition of deformed peridotite xenoliths from kimberlite pipe Udachnaya // Lithos. 2013. V. 160. P. 201–215.

  2. Ionov D.A., Doucet L.S., Xu Y., Golovin A.V., Oleini-kov O.B. Reworking of Archean mantle in the NE Siberian craton by carbonatite and silicate melt metasomatism: evidence from a carbonate-bearing, dunite-to-websterite xenolith suite from the Obnazhennaya kimberlite // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2018. V. 224. P. 132–153.

  3. Abersteiner A., Kamenetsky V.S., Golovin A.V., Kamenetsky M., Goemann K. Was crustal contamination involved in the formation of the serpentine-free Udachnaya-East kimberlite? New insights into parental melts, liquidus assemblage and effects of alteration // Journal of Petrology. 2018. V. 59. P. 1467–1492.

  4. Brey G.P., Köhler T. Geothermobarometry in four-phase lherzolites II. New thermobarometers, and practical assessment of existing thermobarometers // Journal of Petrology. 1990. V. 31. № 6. P. 1353–1378.

  5. Carlson W.D. The calcite–aragonite equilibrium: effects of Sr substitution and anion orientational disorder // American Mineralogist. 1980. V. 65. № 11–12. P. 1252–1262.

  6. Gavryushkin P.N., Sagatov N., Belonoshko A.B., Bana-ev M.V., Litasov K.D. Disordered Aragonite: The New High-Pressure, High-Temperature Phase of CaCO3 // The Journal of Physical Chemistry C. 2020. V. 124. № 48. P. 26467–26473.

  7. Kavanagh J.L., Sparks R.S.J. Temperature changes in ascending kimberlite magma // Earth and Planetary Science Letters. 2009. V. 286. № 3–4. P. 404–413.

  8. Liu Z., Ionov D.A., Nimis P., Xu Y., He P., Golovin A.V. Thermal and compositional anomalies in a detailed xenolith-based lithospheric mantle profile of the Siberian craton and the origin of seismic midlithosphere discontinuities // Geology. 2022. V. 50 (8). P. 891–896.https://doi.org/10.1130/G49947.1

  9. Korsakov A.V., De Gussem K., Zhukov V.P., Perraki M., Vandenabeele P., Golovin A.V. Aragonite-calcite-dolomite relationships in UHPM polycrystalline carbonate inclusions from the Kokchetav Massif, northern Kazakhstan // European Journal of Mineralogy. 2009. V. 21. № 6. P. 1301–1311.

  10. Golovin A.V., Sharygin I.S., Kamenetsky V.S., Korsakov A.V., Yaxley G.M. Alkali-carbonate melts from the base of cratonic lithospheric mantle: Links to kimberlites // Chemical Geology. 2018. V. 483. P. 261–274.

  11. Golovin A.V., Sharygin I.S., Korsakov A.V., Kamene-tsky V.S., Abersteiner A. Can primitive kimberlite melts be alkali-carbonate liquids: Composition of the melt snapshots preserved in deepest mantle xenoliths // J. Raman Spectrosc. 2020. V. 51 (9). P. 1849–1867.

  12. Логвинова А.М., Вирт Р., Зедгенизов Д.А., Тэйлор Л.А. Карбонат-силикат-сульфидная ассоциация включения в алмазе из кимберлитовой трубки Комсомольская (Якутия) // Геохимия. 2018. № 4. С. 299–307.

  13. Kamenetsky V.S., Kamenetsky M.B., Sobolev A.V., Golovin A.V., Demouchy S., Faure K., Sharygin V.V., Kuz-min D.V. Olivine in the Udachnaya-East kimberlite (Yakutia, Russia): types, compositions and origins // Journal of Petrology. 2008. V. 49. № 4. P. 823–839.

  14. Шарыгин И.С., Головин А.В., Дымшиц А.М., Калугина А.Д., Соловьев К.А., Мальковец В.Г., Похиленко Н.П. Реликты глубинного щелочно-карбонатитового расплава в мантийном ксенолите из кимберлитовой трубки Комсомольская-Магнитная (Верхне-Мунское поле, Якутия). // Доклады Российской академии наук. Науки о Земле. 2021. V. 500. № 2. P. 161–167.

  15. Sharygin I.S., Golovin A.V., Tarasov A.A., Dymshits A.M., Kovaleva E. Confocal Raman spectroscopic study of melt inclusions in olivine of mantle xenoliths from the Bultfontein kimberlite pipe (Kimberley cluster, South Africa): Evidence for alkali-rich carbonate melt in the mantle beneath Kaapvaal Craton. // Journal of Raman Spectroscopy. 2022. V. 53. № 3. P. 508–524.

  16. Abersteiner A., Kamenetsky V.S., Golovin A.V., Goemann K., Kamenetsky M. Olivine in Kimberlites: Magma evolution from deep mantle to eruption. // Journal of Petrology. 2022. https://doi.org/10.1093/petrology/egac055

  17. Fisler D.K., Cygan R.T. Diffusion of Ca and Mg in calcite // American Mineralogist. 1999. V. 84. № 9. P. 1392–1399.

  18. Cherniak D.J. An experimental study of strontium and lead diffusion in calcite, and implications for carbonate diagenesis and metamorphism // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1997. V. 61. № 19. P. 4173–4179.

  19. Sieber M.J., Wilke F., Koch-Müller M. Partition coefficients of trace elements between carbonates and melt and suprasolidus phase relation of Ca-Mg-carbonates at 6 GPa // American Mineralogist. 2020. V. 105. № 6. P. 922–931.

  20. Grégoire M., Bell D.R., Le Roex A.P. Garnet lherzolites from the Kaapvaal Craton (South Africa): trace element evidence for a metasomatic history // Journal of Petrology. 2003. V. 44. № 4. P. 629–657.

Дополнительные материалы отсутствуют.