Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 512, № 2, стр. 242-250

ВВЕДЕНИЕ

Расплавные включения в минералах щелочно-ультрамафических пород могут быть использованы для получения информации о составе материнских мантийных расплавов и их эволюции. Например, изучение расплавных включений в оливине, в минералах группы шпинели, перовските, монтичеллите, ильмените, флогопите и др. минералах из кимберлитов, позволило дать оценку состава первичного кимберлитового расплава и проследить его эволюцию (обзор в [1]), указывающую на то, что кимберлитовые расплавы генерировались и далее эволюционировали преимущественно в пределах Na₂O–K₂O–CaO–MgO–СO₂–Cl-системы, т.е. представляли собой обогащенные щелочами карбонатитовые/карбонат-хлоридные жидкости. В последнее время данный подход к расшифровке состава и эволюции расплавов применяется для изучения происхождения родственных кимберлитам щелочно-ультрамафических пород – айликитов и ассоциирующих карбонатитов.

Айликиты – ультрамафические щелочные лампрофиры, состоящие из макрокристов оливина, флогопита, а также основной массы, содержащей первичный карбонат, флогопит, шпинель, ильменит, рутил, перовскит, обогащенный титаном гранат, клинопироксен и апатит [2]. В отличие от кимберлитов, айликиты могут широко варьировать по содержанию флогопита и карбонатов, образуя переходные разновидности до карбонатитов [3]. Помимо этого, в ультрамафических щелочных лампрофирах может происходить накопление калинатровой компоненты, что приводит к кристаллизации фельдшпатоидов и/или полевых шпатов в основной массе и формированию дамтьернитов [2]. В этом случае расплавы дамтьернитов можно рассматривать как переходные от ультрамафических щелочных лампрофиров к щелочным лампрофирам и к расплавам, формирующих нефелин-содержащие ультраосновные породы крупных щелочных комплексов.

Первые результаты исследования состава расплавных включений в минералах айликитов из щелочно-карбонатитовых комплексов [4–8] показали, что состав дочерних фаз силикатно-карбонатных расплавных включений в оливине тождественен минеральному составу основной массы. При этом составы дочерних фаз включений нередко лежат в начале трендов эволюции породообразующих минералов, указывая на ювенильность состава захваченного расплава. Последующая эволюция щелочных расплавов в виде захваченных включений в минералах основной массы лампрофиров показывает наличие отделившейся фракции преимущественно щелочно-карбонатного состава, что впоследствии приводит к формированию солевых флюидов/расплавов сульфатно-фосфатно-хлоридно-карбонатного составов.

Изучению расплавных включений в минералах трубок взрыва дамтьернитов ранее практически не уделялось внимание. Однако их исследование может иметь значительный фундаментальный вклад в вопросы петрологии щелочно-ультрамафических пород, в частности в вопросы, связанные с накоплением калинатровой щелочной компоненты в расплавах, приводящее к началу кристаллизации нефелина. Последний вопрос важен с точки зрения перехода щелочно-ультрамафических пород к породам щелочных лампрофиров и нефелин-содержащим ультраосновным породам.

С целью расшифровки эволюции щелочно-ультрамафического расплава дамтьернитов и их взаимосвязи с кимберлитовыми и айликитовыми расплавами были изучены полифазные расплавные включения в макрокристах оливина, магнезиальной Cr-шпинели и монтичеллите из образца монтичеллит-нефелинового дамтьернита трубки Виктория, Анабарский алмазоносный район.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анабарский алмазоносный район расположен в северной части Якутской алмазоносной провинции в пределах архей-протерозойского Хапчанского террейна на восточном склоне Анабарской антеклизы [9, 10]. В этом районе выделяется несколько полей трубок взрыва и дайковых тел щелочно-ультрамафических пород, в большинстве триасового (231–215 млн лет) и юрского (171–156 млн лет) возрастов [11, 12].

Трубка Виктория расположена в Старореченском поле Анабарского алмазоносного района, в котором преобладают трубки взрыва и дайковые тела щелочно-ультрамафических пород триасового возраста [12]. Породы Старореченского поля показывают широкую вариацию состава по содержанию силикатных (оливин, флогопит, монтичеллит, клинопироксен, нефелин и др.) и карбонатных фаз. Изучение состава оливина, флогопита, а также присутствие нефелина позволило диагностировать породы поля как щелочно-ультрамафические  лампрофиры ряда айликиты-дамтьерниты [13].

Породы трубки Виктория представлены двумя пирокластическими разновидностями с высоким содержанием макрокристов оливина [13]: (1) умеренно карбонатизированный айликит и (2) слабо серпентинизированный монтичеллит-нефелиновый дамтьернит (образец ВК-2147). В последнем случае порода характеризуется высокой степенью сохранности макрокристов оливина и минералов основной массы магмакластов и связующего матрикса, что позволило классифицировать породы как дамтьерниты и провести исследование расплавных включений в породообразующих минералах.

В образце ВК-2147 макрокристы оливина, размером до 2 мм, представлены гипидиоморфными, реже неправильной формы, зернами, и как правило, формируют ядра магмакластов (рис. 1 а). Оливин по краям замещается монтичеллитом (рис. 1 б). Магмакласты, как правило, имеют изометричную форму и микропорфировую структуру: небольшие фенокристы оливина (до 0.02 мм) погружены в основную массу размером менее 0.01 мм и состоящую из небольших зерен монтичеллита (около 35 об. %), перовскита, рудных минералов (<5 об. %), апатита, единичных чешуек флогопита (<5 об. %), ксеноморфных зерен нефелина, скрытокристаллических сростков апатита и фельдшпатоидов (рис. 1 в–г). В матриксе дамтьернита, по сравнению с основной массой магмакластов, происходит уменьшение доли рудных минералов и увеличение содержания фельдшпатоидов и апатита.

Рис. 1.

Пирокластический монтичеллит-нефелиновый дамтьернит, образец ВК-2147: (а) – микрофотография в проходящем свете, николи параллельны: макрокристы оливина (Ol) в центре магмакласта; (б–г) – изображения в обратно рассеянных электронах (BSE): (б) макрокристы оливина (Ol), обрастающие каймой монтичеллита (Mtc), погруженные в основную массу, состоящую из зерен монтичеллита (Mtc), перовскита (Prv), шпинели (Spl) (магнезиальная хром-шпинель), скрытокристаллического агрегата фельдшпатоидов (Fsp) (в основном нефелин) и апатита; (в–г) – увеличенные фрагменты основной массы магмакластов (в) и связывающего матрикса (г), демонстрирующие взаимоотношение минералов между собой.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение полифазных расплавных включений в минералах дамтьернитов трубки Виктория выполнено на базе ЦКП многоэлементных и изотопных исследований СО РАН (Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева (ИГМ) СО РАН, г. Новосибирск) и Университета Тасмании (Австралия). КР-спектры для кристаллических фаз невскрытых включений были получены с использованием спектрометра LabRam HR800 Horiba “Jobin Yvon” (ИГМ, Новосибирск), оснащенного оптическим микроскопом Olympus BX 41. Для возбуждения  спектров  использовали  линию Ar⁺-лазера 514.5 нм. Для идентификации спектров минералов использовалась база данных RRUFF (http://rruff.info). Состав вскрытых включений был определен на сканирующем электронном микроскопе TESCAN MIRA 3 LMU “JSM”-6510LV с приставкой для микрозондового анализа Energy-Prex X-Max производства “Oxford Instruments” (ИГМ, Новосибирск). Условия съемки: энергия электронного пучка 20 кэВ, ток электронного зонда 1.5 нА. Для количественной оптимизации применялся металлический Co. А также – сканирующий электронный микроскоп “Hitachi” SU-70 с использованием Oxford INCA EnergyXMax 80 анализатора в Central Science Laboratory (Австралия).

РЕЗУЛЬТАТЫ

В макрокристах оливина (Fo_81-89) обнаружены расплавные включения размером 10–15 мкм (рис. 2). В большинстве случаев это единичные включения или группы включений, расположенные в пределах зерна оливина без видимой закономерности, т.е. являющиеся первичными (рис. 2 а–б). Методом КР-спектроскопии в расплавных включениях этого типа установлены нефелин, флогопит, кальсилит, монтичеллит, фторапатит и кальцит, являющиеся дочерними фазами (рис. 2 а–б, 2 г). Также в оливине отмечаются цепочки вторичных включений, имеющих преимущественно карбонатный состав. Они содержат магнетит и кальцит (рис. 2 в).

Рис. 2.

Результаты диагностики дочерних кристаллических фаз расплавных включений (MI) в макрокристах оливина трубки Виктория. Фотографии силикатно-карбонатных (а, б) и существенно карбонатных (в) включений в проходящем свете; КР-спектры кристаллических фаз (г): кальсилита (Kls), монтичеллита (Mtc), нефелина (Nph), фторапатита (Ap), флогопита (Phl) и кальцита (Cal).

Методами сканирующей электронной микроскопии во вскрытых расплавных включениях в оливине диагностированы монтичеллит, нефелин, флогопит (с вариациями BaO – первые мас. %), фторапатит, а также перовскит, шпинелиды, пирротин  и Zr–Ti-фаза, вероятно, кальциртит (рис. 3 a–в). Во многих вскрытых включениях в оливине наблюдается замещение первичных фаз вторичными. Так, на рис. 3 б во включении присутствует апатит 2 генераций, а на рис. 3 в – поздний апатит. Ко вторичным минералам можно отнести и серпентин, нередко образующий с апатитом второй генерации мелкозернистые агрегаты. Гидротермальное изменение, вероятно, происходило при разгерметизации включений.

Рис. 3.

Результаты диагностики кристаллических фаз во вскрытых расплавных, минеральных и поликристаллических включений в оливине (Fo), фото BSE (a–в), шпинели (MUM) (г–ж) и монтичеллите (Mtc) (з) – изображения в обратно-рассеянных электронах. Обозначения минералов: Ap – фторапатит (Sr-Ap – Sr-апатит); Bdl – бадделеит; Foid – фельдшпатоиды; sulf – сульфаты; carb – карбонаты; phosph – фосфаты; MUM – магнезиальная ульвошпинель-магнетит; Nph – нефелин; Phl – флогопит; Prv – перовскит.

Полифазные расплавные и поликристаллические включения в шпинелидах и монтичеллите основной массы пирокластов варьируют по форме от округлых, вытянутых, амебообразных до угловатых и имеющих отрицательную форму кристалла, размер их, как правило, не превышает 10 мкм (рис. 3 ж–к). Вскрытые включения имеют сильные вариации по составу слагающих их кристаллических фаз. Были диагностированы фельдшпадоиты, кальсилит, флогопит, апатит (включая F- и Sr-разновидности), перовскит, пирротин, в единичном количестве бадделеит и труднодиагностируемые Na–Ca-фосфаты, щелочные карбонаты (K–Na–Ca), K–Na-соли – сульфаты и хлориды, реже сульфаты Ba и Sr (рис. 3 г–к).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Изучение расплавных включений в макрокристах оливина и минералах основной массы пирокластов позволило проследить эволюцию состава щелочно-ультрамафического расплава, сформировавшего дамтьерниты трубки Виктория, а также обсудить процессы формирования монтичеллита, который является нетипичным породообразующим минералом дамтьернитов [2].

Особенности эволюции дамтьернитового расплава. Первичные расплавные включения в макрокристах оливина из дамтьернитов трубки Виктория, которые могут отражать ранние этапы эволюции исходного расплава, показывают, что расплавы дамтьернитов имели калинатровый карбонатно-силикатный состав. При этом важно отметить, что K и Na входят в состав исключительно силикатных дочерних фаз, таких как флогопит, кальсилит и нефелин. Присутствие фельдшпатоидов во включениях хорошо согласуется с минеральным составом основной массы дамтьернитов и является отличительной особенностью состава включений в оливинах дамтьернитов от расплавных включений в оливинах из айликитов (табл. 1). Также в этих включениях присутствуют Zr-фазы, которые были впервые отмечены для дамтьернитов и установлены для редкометалльных щелочно-карбонатитовых комплексов (например, рудоносные карбонатиты и фоскориты комплекса Арбарастах [5]).

Во включениях в шпинелидах и монтичеллите из основной массы пирокластов щелочи (Na и K) входят не только в силикатные дочерние фазы, но также, образуют щелочные фосфаты, карбонаты, сульфаты и галогениды. По своему составу изученные включения сопоставимы с составом оцелле из айликитов и дамтьернитов комплекса Чадобец (юг Сибирского кратона), состоящих из Na-алюмосиликатов, обогащенных Cl, F, S, H₂O (натролит, содалит, скаполит), карбонатных минералов и полевых шпатов [14]. Данные включения также могут отражать ход эволюции исходного щелочно-ультрамафического расплава дамтьернитов в сторону образования специфичного по составу ортомагматического флюидного рассол-расплава щелочно-сульфатно-фосфатно-хлоридно-карбонатного состава. На поздних стадиях происходило увеличение доли карбонатной составляющей части в расплаве, о чем могут свидетельствовать вторичные включения карбонатного состава в виде поликристаллических включений с кальцитом в макрокристах оливина.

Сопоставление с данными по расплавным включениям в минералах айликитов и кимберлитов. Исходный калинатровый карбонатно-силикатный состав первичных расплавных включений в макрокристах оливина сближает их с расплавными включениями в оливинах из айликитов неопротерозойского щелочно-ультраосновного комплекса с карбонатитами Арбарастах [5], девонского комплекса Ильбокич [7] и щелочно-карбонатитового комплекса Чадобец пермо-триасового возраста [4, 15] и различных проявлений кимберлитов [1]. Однако основной их отличительной особенностью является присутствие фельдшпатоидов в виде дочерних фаз, которые концентрируют основной объем K и Na. Присутствие фельдшпатоидов подчеркивает более щелочной характер расплавов, по сравнению с айликитами и кимберлитами и предполагает в случае формирования пород трубки Виктория существование обособленного дамтьернитового расплава на стадии формирования макрокристов оливина, исключая их генерацию за счет фракционирования айликитовых расплавов. Также вхождение K и Na во включениях в макрокристах оливина исключительно в состав силикатных фаз, отличает изученные включения от включений в оливинах из кимберлитов, где калинатровая составляющая входит в состав как силикатных, так и в состав щелочно-карбонатных фаз [1].

Состав расплавных включений в шпинелидах и монтичеллите дамтьернитов трубки Виктория, отражающий эволюцию расплава в сторону солевого ортомагматического щелочно-сульфатно-фосфатно-хлоридно-карбонатного расплава, имеет сходство с включениями щелочно-хлоридно-сульфатно-карбонатного состава, изученных в оливине и минералах связывающего матрикса айликитов Сибирского кратона (табл. 1) – комплекса Чадобец [4, 6, 8] и комплекса Арбарастах [5], а также кимберлитов различных проявлений, например, трубка Удачная-Восточная [1].

Подобное сходство состава включений предполагает единый механизм эволюции щелочно-ультрамафических расплавов, включая ультрамафические лампрофиры и кимберлиты, в сторону щелочных карбонатных и солевых сульфатно-фосфатно-хлоридно-карбонатных расплавов.

Потеря флюидной компоненты и формирование монтичеллита. Основной петрографической особенностью изученных образцов дамтьернитов трубки Виктория является повышенное содержание монтичеллита, который развивается как в основной массе магмакластов и матриксе брекчии, так и замещает макрокристы оливина по краям (рис. 1 б). Помимо широкого распространения монтичеллита в кимберлитах, для лампрофиров монтичеллит характерен в основном для мелилит-содержащих разновидностей [16, 17], а в щелочно-ультрамафических лампрофирах, таких как айликиты, встречается не так часто [2], но в некоторых проявлениях может достигать до 20 об. %, например, айликиты Tikiusaaq Западной Гренландии [3]. В этих образцах монтичеллит также замещает макрокристы оливина и интенсивно развивается в основной массе совместно с карбонатными минералами и флогопитом. Однако в дамтьернитах монтичеллит не описывается в качестве основного минерала [2], поэтому такое широкое распространение монтичеллита в изученных образца трубки Виктория является их уникальной особенностью и расширяет возможный минеральный состав дамтьернитов.

Как правило, формирование монтичеллита связано с замещением оливина: монтичеллит может образоваться в ходе реакции оливина с преимущественно силикатным щелочным расплавом, в результате чего образуется ассоциация монтичеллита и флогопита [18], а также в ходе реакции оливина с преимущественно карбонатным щелочным расплавом, что приводит к процессам декарбонатизации и отделению CO₂ [19]. Первый механизм характерен для мелилит-содержащих ультраосновных лампрофиров в первую очередь альнеитов [16, 20], а второй – для кимберли-тов [19].

Изучение расплавных включений показывает, что в ходе эволюции дамтьернитового расплава образовывались дериваты щелочно-карбонатных и солевых сульфатно-фосфатно-хлоридно-карбонатных расплавов, взаимодействие оливина с которыми могло послужить причиной реакции с образованием монтичеллита и процессами дегазации. Подобный сценарий согласуется с практически полным отсутствием карбонатных минералов в дамтьернитах трубки Виктория [13].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение первичных и вторичных расплавных включений в макрокристах оливина и минералах основной массы пирокластов дамтьернитов трубки Виктория, Анабарский алмазоносный район, позволило сделать следующие выводы об эволюции щелочно-ультрамафического расплава:

1. Исходные расплавы дамтьернитов имели калинатровый карбонатно-силикатный состав, при этом в первичных включениях в оливине K и Na входят в состав исключительно силикатных дочерних фаз, таких как флогопит, кальсилит и нефелин, что отличает их по составу от аналогичных включений в оливинах из айликитов и кимберлитов и подчеркивает более щелочной характер материнских расплавов дамтьернитов.

2. На последующих стадиях эволюции расплава, на стадии формирования трубки и образования магмакластов, K и Na в изученных включениях входят не только в силикатные дочерние фазы, но также и в щелочные фосфаты, карбонаты, сульфаты и галогениды, что приводит к образованию щелочно-карбонатных и солевых сульфатно-фосфатно-хлоридно-карбонатных расплавов, что сближает эволюцию расплавов дамтьернитов с расплавами айликитов и карбонатитов, и может служить единым механизмом эволюции щелочно-ультрамафических расплавов.

3. В ходе последующей эволюции дериваты щёлочно-карбонатных и солевых сульфатно- фосфатно-хлоридно-карбонатных расплавов взаимодействовали с оливином, что послужило причиной реакции с образованием монтичеллита и процессами дегазации, что, в свою очередь, привело к формированию монтичеллита в качестве породообразующего минерала дамтьернитов. Пример дамтьернитов трубки Виктория позволяет рассматривать монтичеллит не только как характерный минерал для кимберлитов и альнеитов, но и для ультрамафических лампрофиров.

Полученные результаты исследований расплавных включений в дамтьернитах трубки Виктория согласуются с данными по включениям в айликитах и кимберлитах, при этом определяют специфику и уникальность состава родоначального расплава и его эволюции для полевошпатовых щелочно-ультраосновных лампрофиров Сибирского кратона и аналогичных щелочных комплексов мира.