Проблема генезиса высокохромистых гранатов в перидотитах верхней мантии по экспериментальным данным

УДК 549.621.98 © А.А.Чепуров, А.И.Туркин, 2017

I Проблема генезиса высокохромистых гранатов в перидотитах верхней мантии по экспериментальным данным

А.А.ЧЕПУРОВ, А.И.ТУРКИН

Приведены результаты экспериментальной работы, выполненной на аппарате БАРС. Изучен состав хромистых пироповых гранатов, образующихся в ультраосновной системе при взаимодействии природного серпентина, хромита, Al2O3 и СаО-содержащего водного флюида при давлении 5 гПа и температуре 1300°С. По химическому составу полученные гранаты подобны включениям пиропов гарцбургитового парагенезиса в алмазах. Ключевые слова: хромистый пироп, хромит, высокое давление и температура.

Чепуров Алексей Анатольевич achepurov@igm.nsc.ru

Туркин Александр Иванович turkin@igm.nsc.ru

IThe problem of genesis of chromium-rich garnets in peridotites of the upper mantle by experimental data

A.A.CHEPUROV, A.I.TURKIN

The results of experiments carried out using a high-pressure BARS apparatus are given. The composition of chrome-rich pyropes that were crystallized in the system of serpentine-chromite-Al2O3 -Ca-bearing water fluid at pressure of 5 GPa and temperature of 1300°С was studied. The chemical composition of the garnets is similar to harzburgitic pyropes from inclusions in diamonds. Key words: chrome-rich pyrope, chromite, high pressure and temperature.

Пироповые перидотиты (дуниты, гарцбургиты, лер-цолиты и верлиты) - один из типов алмазоносных пород в кимберлитовых трубках. Пироп в этих породах характеризуется высоким содержанием хрома. Наиболее ранние парагенезисы представлены ассоциацией оливина и хромита, к которым затем присоединяется пироповый гранат, обогащенный кноррингитовым компонентом [2]. Химический состав гранатов в отношении СаО и Сг203 весьма разнообразен; так, в выборке из 1400 анализов гранатов из включений в алмазах диапазон массовых содержаний этих компонентов составляет 0-24 и 0,5-21%, соответственно. Причем 50% анализов попадают в область 0,5-3,5 и 6-12,5% [6]. Силикатные минералы (оливин, пироксены), с которыми ассоциируют высокохромистые пироповые гранаты, отличаются повышенной магнезиальностью [13]. Генезис высокохромистых пироповых гранатов долгое время является предметом широкой дискуссии [11, 15, 16]. Существующие гипотезы образования субкальциевых хромистых пиропов гарцбургитовой ассоциации предполагают кристаллизацию таких гранатов в условиях крайне истощенных перидотитов верхней мантии в области устойчивости граната. При этом образование

лерцолитовых хромистых пиропов более всего связывают с последующими процессами метасоматических преобразований мантийных перидотитов. Так, происходившие изменения условий кристаллизации находят отражение как в изменении содержания главных петро-генных компонентов, в первую очередь СаО, в составе гранатов, так и в распределении редкоземельных элементов [3, 17].

Экспериментальные данные, демонстрирующие кристаллизацию хромистых пиропов, по составу близких к природным гранатам перидотитового парагенезиса, весьма малочисленны, хотя широкая распространённость этого минерала, как сингенетического с алмазом, обусловливает актуальность получения таких данных. В представленной работе приведены результаты экспериментального исследования кристаллизации хром-пироповых гранатов в системе ультраосновного состава при взаимодействии природного серпентина, хромита и корунда с Са-содержащим водным флюидом.

Эксперименты выполнены на многопуансонном аппарате «разрезная сфера» (БАРС) при давлении 5±0,2 ГПа и температуре 1300±25°С, длительностью 25 часов. В качестве ячеек высокого давления исполь-

зовали контейнеры, изготовленные из смеси на основе оксидов 2Ю2 и MgO. Нагреватель в форме полого цилиндра изготовлен из графита. Методические детали подробно описаны в работе [7].

В качестве исходных материалов для исследования использовали природные образцы серпентина (антиго-рита), хромита и корунда. Серпентин представлял собой тонкозернистый порошок с размером зерен около 5 мкм, и в качестве модельной среды он был выбран из следующих соображений. Как известно, крайней стадией регрессивного метаморфизма перидотитов является серпентинизация. Серпентинит - типичный продукт гидротермального преобразования ультраосновных пород. Вследствие выщелачивания он обеднен кальцием и имеет достаточно высокое значение Mg/(Mg+Fe) для того, чтобы в ходе субдукционного погружения раскри-сталлизоваться при соответствующих Р-Т условиях в гарцбургит-дунитовый парагенезис. При этом процессы преобразования стимулируются за счет выделяемой при разложении серпентина воды [22].

Зерна низкоглиноземистого (массовая доля А1203 составляет 6,1%) хромита размером 1-2 мм были взяты из ксенолитов перидотитов трубки Удачная (Якутия). Несколько зерен А1203 размером 0,1-0,3 мм были добавлены в исходную систему для увеличения валового количества глинозема. Это обеспечивало кристаллизацию пироповых гранатов в ходе эксперимента. Как было показано ранее, образование пиропов в подобной системе при заметном дефиците А1203 не происходит [8]. Составы исходных минералов приведены в табл. 1.

Схема сборки реакционного объема показана на рис. 1. В качестве источника кальция использовали химически чистый реактив оксида кальция, который смешивали с 2Ю2 (ХЧ) в весовой пропорции 1:19. Смесь равномерно перемешивали и прессовали в виде шайбы. Такая схема подготовки образца моделировала сторонний источник СаО, который, по предположению авторов, должен был обеспечить привнос кальция в систему посредством переноса флюидом в ходе эксперимента при высоких Р-Т параметрах. Диоксид циркония использовали в качестве матрицы ввиду его тугоплавкости и химической инертности по отношению к имеющимся и новообразованным фазам в образце. Исходные зерна хромита и корунда располагали в центральной части цилиндрического образца серпентина и совместно опрессовывали. Для предотвращения прямого контакта серпентина с шайбами из 2г02 их дополнительно изолировали от образца графитовыми дисками (см. рис. 1).

Открытая схема сборки (без изолирующей Р^ампу-лы) позволяет водному флюиду свободно перемещаться по объему образца во время эксперимента. Частичная потеря воды в ходе опытов могла происходить. Однако это не влияет на конечный результат: как было показано ранее, появление водосодержащих фаз в подобных опытах не наблюдается, а водный флюид уча-

1. Состав исходных компонентов для экспериментов

Компонент Серпентин Хромит

SiO2 41,53 0

TiO2 0,02 0,67

Al2O3 0,95 6,10

0 54,04

FeO 2,74 26,97

MnO 0,14 0

MgO 42,15 11,51

CaO 0,05 0

Na2O 0,30 0

NiO 0 0

K2O 0,02 0

P2O5 0,00 0

П/пп-Н20 12,42 0

Сумма 100,32 99,29

Рис. 1. Схема ячейки высокого давления:

1 - торцевая шайба с электрическим контактом; 2 - контейнер; 3 - графитовый нагреватель; 4 - шайба из смеси ZrO2 и СаО; зерна: 5 - А1203 и 6 - хромита; 7 - серпентин

ствует в химических реакциях лишь как транспортер компонентов [1].

Образцы после экспериментов распиливали вдоль вертикальной оси и исследовали под оптическим микроскопом MC2-Zoom. Составы фаз определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа MIRA LMU и X-ray микроанализатора JXA-8100.

Образцы после опытов состояли из плотного мелкозернистого агрегата темно-зеленого цвета. В центральной, самой горячей, зоне по периметру образца образовалась узкая каемка (~2 мм) рыхлого мелкозернистого (<100 мкм) агрегата серого цвета - характерная структура закалочного расплава. Частичное плавление не превышало 15%. В продуктах опытов были идентифицированы оливин и гранат. Оливин занимал большую часть объема образца. Исходные зерна хромита хорошо сохранились и частично замещены новообразованным гранатом, который также представлен зернами размером до 0,5-0,7 мм, раскристаллизованными в объеме

Рис. 2. Зерна новообразованного граната

образцов (рис. 2). Гранат выделяется на фоне основной массы ярким малиновым цветом.

В табл. 2 приведены составы новообразованных фаз, зафиксированных в продуктах экспериментов. Оливин характеризуется высокой магнезиальностью: массовое содержание FeO составляет 2,78-3,54%. В синтезированных гранатах массовые содержания ТЮ2 и МпО незначительны и колеблются в интервалах: от 0,02 до 0,05% и от 0,17 до 0,27% соответственно. Все новообразованные гранаты характеризуются высокой хромистостью: массовое содержание Сг2О3 колеблется в интервале 6,47-12,34%, массовое содержание СаО в гранатах изменяется в интервале от 3,61 до 4,91%.

Проведенные эксперименты, по мнению авторов, наглядно продемонстрировали роль водного флюида как транспортера петрогенных компонентов, в частности кальция, алюминия и хрома, при метасоматическом преобразовании образцов модельных перидотитов. На начальной стадии экспериментов при температуре 700°С происходила дегидратация серпентина по реакции [20]:

2М3^12О5](ОН)4^2^Ю4+^12О6+4Н!О с образованием высокомагнезиального оливина и ортопироксена, по химическому составу близким к минералам природного гарцбургита, и водного флюида. Усредненная скорость миграции флюида, обусловленная просачиванием в интерстициях между минеральными зернами, составляет ~1,5 мм/час [9]. Таким образом, за время проведения опытов (25 часов) флюид, по всей видимости, полностью проникает в торцевые 2Ю2 -таблетки, содержащие СаО, и служит агентом переноса захваченных им из хромита, корунда и торцевых таблеток компонентов, прежде всего алюминия, хрома и кальция. Процесс кристаллизации граната и шпинели происходил при достижении штатных Р-Т параметров эксперимента в динамическом режиме переноса флюидом компонентов по схеме:

2. Составы новообразованных фаз при Р 5 ГПа и Т 1300°С

Номер анализа SiO2 тю2 А1203 СГ2°3 Мп° Мй° СаО Сумма

Гранат

СР/0-20 41,75 0,02 14,09 12,34 2,60 0,22 23,81 4,28 99,11

СР/О-21 42,39 0,03 16,35 9,44 2,78 0,22 24,63 3,80 99,64

СР/О-22 42,39 0,02 17,31 8,14 2,85 0,26 23,73 4,72 99,42

СР/О-23 42,47 0,04 17,42 8,16 2,98 0,26 24,12 4,37 99,82

СР/О-24 42,38 0,05 18,30 6,47 3,33 0,27 23,72 4,91 99,43

СР/О-25 42,49 0,02 17,18 8,81 2,93 0,18 23,51 4,42 99,54

СР/О-26 42,64 0,02 17,08 9,57 2,52 0,17 24,29 3,61 99,90

Оливин

СР/0-10 41,32 0 0,04 0,24 2,78 0,07 54,82 0,01 99,28

СР/О-11 41,48 0 0,04 0,18 3,35 0,09 54,65 0 99,79

СР/О-12 41,80 0 0,03 0,14 3,54 0,07 54,29 0,04 99,91

Рис. 3. Соотношение Са0-Сг203 в гранатах:

1 - результаты данной работы с добавлением CaO в систему;

2 - ранее полученные авторами результаты [10]; 3 - область гранатов лерцолитового парагенезиса по Н.В.Соболеву [4]

Mg2SiO4+Mg2Si2O6+xCaO+0,5(y+xz+z)Cr2O3+[2+ +x-0,5(y+xz+z)]Al2Oз=(М^СахХА^уСГу^зО^

+(х+1)М^А^&)О4.

Образовавшиеся гранаты по составу (СаО=3,61-4,91%) подобны наиболее распространенным включениям хромистых пиропов в алмазах [5, 19]. На диаграмме СаО/Сг2О3 видно (рис. 3), что составы полученных гранатов попадают в верхнюю часть области гарцбургитовых пиропов и лежат заметно выше субкальциевых хромистых пиропов, которые авторами были ранее экспериментально продемонстрированы в сильно обедненной по кальцию системе [10]. Характерные для опытов в данной системе, отдельные небольшие зерна новообразованной хромистой шпинели авторам здесь проанализировать не удалось; это произошло из-за малого количества данной фазы в продуктах опытов, которая просто не попала на срез образцов при анализах.

Выбранная авторами данной статьи система моделировала субдуцирующую серпентинитовую породу, которая подверглась метаморфическим и метасомати-ческим изменениям на глубинах более 120 км, отвечающим параметрам опытов. Так, результаты экспериментов продемонстрировали, что в данной системе при выбранных Р-Т параметрах происходит частичное плавление образца. Можно предположить, что в природных условиях частичное плавление пород, отделение и перемещение флюидной фазы являлись ведущими факторами в ходе процессов геохимической трансформации

ультрабазитов и кристаллизации высокохромистых пироповых гранатов. Такие флюиды имели сложный состав, причем роль флюида преимущественно водного состава при образовании высокохромистых гранатов могла быть достаточно высока. Флюиды, транспортирующие кальций, вероятнее всего связаны с субдуци-рующими карбонатсодержащими породами. Таким образом, в аспекте субдукционной природы протолита кимберлитов следует отметить существенное влияние процессов метасоматоза, с которыми может быть связано образование высокохромистых пироповых гранатов, ассоциирующих с алмазами.

Самые низкокальциевые хромистые пиропы гар-цбургитовой ассоциации кристаллизовались вместе с высокомагнезиальным оливином и ортопироксеном, что подтверждают многочисленные данные по включениям в природных алмазах [14, 18]. Этот этап относится к наиболее древним временам в истории нашей планеты. Высокохромистые гранаты с повышенным содержанием кальция (СаО до 5-7%) могли образовываться в условиях привноса кальция в истощенную гарцбургитовую породу. Этот процесс происходил позже образования гранатов гарцбургитовой ассоциации и связан, вероятнее всего, с метасоматическими преобразованиями перидотитов в условиях верхней мантии [21]. Данные по изучению включений минералов в природных алмазах демонстрируют резкое преобладание гарцбургитового парагенезиса среди включений (>80%) [12], что также косвенно указывает на протекание метасоматических процессов уже после образования низкокальциевых гранатов гарцбургитовой ассоциации, захваченных алмазами при их росте.

Авторы выражают благодарность рецензенту за сделанные ценные замечания.

Работа выполнена в Институте геологии и минералогии им. В.С.Соболева СО РАН в рамках проекта № 0330-2016-0012. Исследования фаз были проведены в ЦКП Многоэлементных и изотопных исследований СО РАН.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Консервация водного флюида во включениях в минералах и межзерновом пространстве при высоких Р-Т параметрах в процессе разложения антигорита / А.И.Че-пуров, А.А.Томиленко, Е.И.Жимулёв и др. // Геология и геофизика. 2012. Т. 53. № 3. С. 305-320.

2. Маракушев А.А., Вахрушев В.А. Интрателлурическая кристаллизация минералов и проблема состава мантии Земли // Записки ВМО. 1991. Ч. СХХ. № 5. С. 1-15.

3. Пиропы и хромиты из кимберлитов Накынского поля (Якутия) и района Снэп-Лейк (провинция Слейв, Канада): Свидетельства аномального строения литосферы / Н.П.Похиленко, Н.В.Соболев, С.Д.Черный и др. // ДАН. 2000. Т. 372. № 3. С. 356-360.

4. Соболев Н.В. О минералогических критериях алмазо-носности кимберлитов // Геология и геофизика. 1971. Т. 3. С. 70-79.

5. Соболев Н.В. Парагенезисы алмаза и проблема глубинного минералообразования // Записки ВМО. 1983.

4. CXII. Вып. 4. С. 389-396.

6. Туркин А.И., Соболев Н.В. Пироп-кноррингитовые гранаты: обзор экспериментальных данных и природных парагенезисов // Геология и геофизика. 2009. Т. 50. № 12. С. 1506-1523.

7. Устойчивость ромбического и моноклинного пироксе-нов, оливина и граната в кимберлитовой магме / А.И.Че-пуров, Е.И.Жимулев, А.В.Агафонов и др. // Геология и геофизика. 2013. Т. 54. № 4. С. 533-544.

8. Чепуров А.А., Тычков Н.С., Соболев Н.В. Экспериментальное моделирование условий кристаллизации субкальциевых хромистых пиропов // ДАН. 2013. Т. 452. № 6. С. 664-668.

9. Экспериментальная оценка реальности просачивания (миграции) летучих компонентов (H2 + CO2) в породах мантийного клина / А.И.Чепуров, В.М.Сонин, Н.С.Тычков, И.Ю.Кулаков // ДАН. 2015. Т. 464. № 1. С. 100-104.

10. Chepurov A.A., Turkin A.I., Dereppe J.M. Interaction of serpentine and chromite as a possible formation mechanism of subcalcic chromium garnet in the upper mantle: an experimental study // European Journal of Mineralogy. 2016. Vol. 28. Iss. 2. Pp. 329-336.

11. Chrome-pyropes from Yakut diamonds / N.V.Sobolev, Yu.G.Lavrent'ev, I.N.Pospelova, E.V.Sobolev // Doklady Akademii Nauk SSSR. 1969. Vol. 189. Pp. 162-165.

12. Diamonds through Time / J.J.Gurney, H.H.Helmstaedt,

5.H.Richardson, S.B.Shirey // Economic Geology. 2010. Vol. 105. Pp. 689-712.

13. Gurney J.J., Harris J.W., Rickard R.S. Minerals associated with diamonds from the Roberts Victor Mine / J.Kornprobst

(Ed.) // Kimberlites. II. The Mantle and Crust-Mantle Relationships. - Amsterdam: Elsevier, 1984. Pp. 25-35.

14. Inclusions in Premier Mine diamonds / J.J.Gurney, J.W.Harris, R.S.Rickard, R.O.Moore // Trans. Geol. Soc. S. Afr. 1985. Vol. 88. Pp. 301-310.

15. Kesson S.E., Ringwood A.E. Slab-mantle interactions 1. Sheared and refertilised garnet peridotite xenoliths - samples of Wadati-Benioff zones? // Chemical Geology. 1989. Vol. 78. Pp. 83-96.

16. Klein-BenDavid O., Pearson D.G. Origins of subcalcic garnets and their relation to diamond forming fluids-Case studies from Ekati (NWT-Canada) and Murowa (Zimbabwe) // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2009. Vol. 73. Pp. 837-855.

17. Metasomatic processes in lherzolitic and harzburgitic domains of diamondiferous lithospheric mantle: REE in garnets from xenoliths and inclusions in diamonds / T.Stachel, K.S.Viljoen, G.Brey, J.W.Harris // Earth and Planetary Science Letters. 1998. Vol. 159. Pp. 1-12.

18. Origin of diamonds in old enriched mantle / S.H.Richardson, JJ.Gurney, AJ.Erlank, J.W.Harris //Nature. 1984. Vol. 310. Pp. 198-202.

19. Petrology and geochemistry of a diamondiferous lherzolite from the Premier diamond mine, South Africa / K.S.Viljoen, R.Dobbe, B.Smit, E.Thomassot et al. // Lithos. 2004. Vol. 77. Pp. 539-552.

20. Problem of water in the upper mantle: antigorite breakdown / A.I.Chepurov, A.A.Tomilenko, E.I.Zhimulev et al. // Doklady Earth Sciences. 2010. Vol. 434. № 1. Pp. 12751278.

21. Richardson S.H., Harris J.W., Gurney J.J. Three generations of diamonds from old continental mantle // Nature. 1993. Vol. 366. Pp. 256-259.

22. Ulmer P., Trommsdorff V. Serpentine stability to mantle depths and subduction-related magmatism. Science. 1995. Vol. 268. Iss. 5212. Pp. 858-861.