Признаки алмазоносности кимберлитов

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. 2007, №4

ГЕОЛОГИЯ АЛМАЗА

УДК 549.2

Признаки алмазоносности кимберлитов

B.C. Шкодзинский, А.В. Толстов

На основании анализа опубликованных данных установлено существование положительной корреляции алмазоносности с содержанием в кимберлитах СО?, СаО, максимальной хромистостью граната, количеством брекчий в трубках и с долей октаэдров среди алмазов и отрицательной - с содержанием TiO2 в кимберлитах и величиной конусности диатрем. Существование этих зависимостей хорошо согласуется с данными о кристаллизации алмазов при формировании кимберлитовых остаточных расплавов в процессе фракционирования перидотитового слоя глобального магматического океана и на глубинной стадии эволюции кимберлитовых магм.

Generalization and analysis of published data shown that there is a positive correlation of diamond content in kimberlites with content of CO2, CaO in these rocks, with maximum content of Cr20j in garnet, with percentage of breccias in pipes. There is a negative correlation of diamond content with percentage ofTi02 in kimberlites and with degree of pipe extension. These results corroborated the idea of diamond crystallization during kimberlite melts formation in processes of fractionation peridotite layer of magma ocean and during deep evolution of kimderlite magmas.

Оценка степени продуктивности кимберлитов по их составу и особенностям залегания до проведения трудоемкого опробования является важной в научном и практическом отношении задачей. Однако многие исследователи [1, 2 и др.] отрицательно относятся к возможности ее решения, так как в соответствии с господствующей гипотезой кссногснного происхождения алмаза обычно предполагается, что этот минерал не формировался в кимберлитовых магмах, а захватывался ими из мантийных перидотитов и экло-гитов при подъеме. Принимается, что алмаз образовался в мантни в докембрии и содержание его в кимберлитах в основном определяется сохранностью его в мантии к моменту внедрения кимберлитовых магм, а не благоприятным для апмазообразования составом и глубинностью этих магм.

Тем не менее ряд исследователей отмечали существование корреляции алмазоносности кимберлитов с некоторыми особенностями их состава. Согласно коэффициенту потенциальной ал-

ШКОДЗИНСКИЙ Владимир Степанович - д. г.-м. н., гл.н.с. ИГАБМ СО РАН; ТОЛСТОВ Александр Васильевич - д.г.-м.н., гл. геолог Ботуобинской геологоразведочной экспедиции АК «АЛРОСА».

мазоносности В.А. Милашсва [3], для высокопродуктивных кимберлитов характерны низкие содержания титана, щелочей и глинозема. В.А. Благулькина [4) пришла к выводу, что наиболее высокоалмазоносные кимберлиты содержат повышенные количества магния и хрома. По В.Б. Василенко и др. [5], низкие содержания титана коррелируют с высокой алмазоносностью, но различные популяции кимберлитов имеют разные зависимости содержания алмазов от состава этих пород. Эти и другие зависимости мало используются при оценке потенциальной алмазоносности кимберлитов в связи с их'некоторой противоречивостью и неясностью природы.

В последние годы опубликовано большое количество новых данных по алмазоносности якутских и архангельских кимберлитов [6-9]. Анализ этих данных выявил существование отчетливого влияния состава кимберлитов на кристалломор-фологию и физические свойства алмаза, а также на состав включений в нем [10]. Это противоречит гипотезе кссногснного происхождения данного минерала и свидетельствует о его кристаллизации при формировании кимберлитовых остаточных расплавов в результате процессов фракционирования глобального магматического океана (реститовые алмазы) и при глубинном

дскомпрессионно-фрикционном преобразовании этих расплавов и части кумулатов в кимберлито-вые магмы (раннсмагматичсскис алмазы) |11]. При таком происхождении должна существовать отчетливая связь между алмазоносностью и составом кимберлитов и слаг ающих его минералов. Ниже рассматривается эта связь с учетом новых данных о генезисе этого минерала и кимберлитов.

Алмаз является высокобаричсским минералом, поэтому большие его содержания должны быть характерны для наиболее глубинных ким-берлитовых магм. Видимо, наиболее надежным показателем глубинности этих магм является максимальная хромистость содержащихся в алмазах гранатов. Рост их хромистости с увеличением давления обусловлен расширением поля устойчивости за счет других минералов, в том числе хромистых шпинелей. По аналогичной причине с ростом давления увеличивается максимальное содержание в гранатах кремнекисло-ты и натрия. Содержание алмаза в кимберлитах, действительно, резко возрастает с увеличением максимального количества Сг:0, во включениях гранатов в алмазах в среднем от 44 условных единиц (у.е.) при 2-6 % СгзОзДО 728 у.е. при 12-16% (рис. 1).

Очевидно, что количество алмаза в кимберлитах определяется содержанием в них свободного углерода. Последнее при прочих равных условиях возрастает с увеличением в кимберлитах суммарного содержания различных его соединений, в первую очередь, углекислоты. Поэтому должна существовать прямая зависимость между количествами этого компонента и алмаза в глубинных кимберлитовых магмах. Действительно, содержание алмаза в кимберлитах сильно возрастает в среднем от 227 у.е. при 0-5 % СО: до 538 у.е. при 10-16 % (рис. 1). Положительную корреляцию алмазоносности кимберлитов с содержанием в них углекислоты отмечал В.И. Ваганов [12].

Существование этой зависимости не означает, что большие содержания алмазов должны быть типичны и для карбонатитов, так как подавляющее большинство магм этих пород, видимо, формировалось за счет ликвации силикатно-карбонатных расплавов при давлении меньшем, чем в поле устойчивости алмаза. Карбонатные минералы хорошо растворимы во флюиде и при процессах автометасоматоза способны переотла-

гаться в кимберлитовых трубках. Поэтому в них может возникать вторичная отрицательная корреляция алмазоносности с содержанием углекислоты.

у.е.

800

600-

400

200

СаО

СО,

11

18

25

Сг20,

о

10

20 %

Рис. I. Соотношение алмазоносности кимберлитов

Прямая зависимость алмазоносности от первичного количества углекислоты должна приводить к существованию корреляции содержания алмазов с количеством брекчий в кимберлитовых трубках и величиной конусности последних. Это связано с тем, что приводящие к формированию брекчий и диатрсм взрывы кимберлитовых магм на малоглубипных стадиях подъема обусловлены консервацией декомпрессионным затвердеванием расплава высокого внутреннего давления газовой фазы, выделяющейся из расплава после его вскипания [13]. Поэтому с увеличением содср-

ПРИЗНАКИ АЛМАЗОНОСНОСТИ КИМБРРЛИТОВ

жания углекислоты в кимбсрлитовых магмах в среднем должна возрастать как их алмазонос-ность, так и степень эксплозивной дезинтеграции при подъеме. Действительно, алмазоносность трубок с содержанием брекчий 0-33,3 % составляет в среднем 154 у.е., 66,6-100 % - 450 у.е. (рис. 2). т. с. положительно коррелирует с степенью эксплозивной дезинтегрированное™ кимберлитов.

у.е. 400

200

31

29

15

33

66

6%

Рис. 2. Соотношение алмазоносности кимберлитов с содержанием брекчий в трубках

С увеличением содержания углекислоты возрастает глубина вскипания и эксплозивной дезинтеграции кимбсрлитовых магм. А с увеличением глубинности взрывов формируются все более протяженные «морковковидные» диатрс-мы, мало расширяющиеся в малоглубинной части. Поэтому величина конусности кимбсрлитовых трубок, т. е. степени расширения с уменьшением глубины, должна отрицательно коррелировать с их алмазоносностью. Это подтверждает рис. 3, на котором величина конусности выражена отношением падения ширины трубок с глубиной. На нем алмазоносность кимберлитов уменьшается в среднем от 384 у.е. при конусности 0-0,5 до 101 у.е. при конусности 1,5-2,0. Повышенную алмазоносность протяженных кимбсрлитовых диатрем отмечал В.И. Ваганов [12].

По современным данным о горячем образовании Земли и существовании и фракционировании на ней глобального океана магмы, кимбер-литовыс по составу остаточные расплавы начали формироваться в протерозое [131 и образуются до сих пор в результате фракционирования наибо-

Рис. 3. Соотношение алмазоносности кимберлитов с величиной конусности

лее глубинного первоначально перидотитового нижнего слоя этого Оксана при высоком давлении, при котором силикатные и карбонатитовые расплавы являются полностью смссимыми. На конечной стадии такого фракционирования возникают карбонатитовые расплавы, на прсдсоли-дусной стадии - кимбсрлнтовыс. При таком фракционировании наряду с благоприятным для алмазообразования накоплением углекислоты в остаточных расплавах возрастает содержание СаО и уменьшается количество ИеО и ТЮ: при почти постоянстве содержания 1^0. Поэтому алмазоносность кимберлитоз должна в среднем увеличиваться с ростом содержания в них СаО и величины ГУ^О/Ре и уменьшаться с возрастанием количества Т102. Действительно, алмазоносность кимберлитов резко увеличивается в среднем от 213 у.е. при содержании СаО 0-8 % до 970 у.е. при содержании 16-24 % и от 70 у.е. при величине МйО/Ре, равной 1,5-2,65, до 867 у.е. при величине этого отношения 3,8-4,95 (рис. 4). Существование последней тенденции отмечали А.А.Фролов и др. [7]. Среднее содержание алмазов резко уменьшается с ростом титанистости кимберлитов от 1004 у.е. при 0-0,5 % ТЮ2 до 93 у.е. при 2-2,5 % (рис. 3). В свете сказанного связь алмазоносности с содержаниями СаО, ТЮд и величиной Л^О/Ре является парагснетичсской, а не генетической. Она обусловлена увеличением количества СаО и уменьшением количеств Ие и ТЮ: при высокобарической карбонатитовой тенденции дифференциации, характерной для магм с молекулярным отношением С02 к НдО+СО; более 0,6. Непосредственной причиной роста алмазоносности является увеличение количества

СО; в остаточных расплавах при такой дифференциации. К сожалению, содержание этого компонента в кимберлитах в последнее время обычно не определяется в связи с ошибочным постулатом о его второстепенной роли в петрологии кимберлитов.

у. е.

800

600 -

400

200

21

11

12

2 3 4 МдО/Ге

Рис. 4. Соотношение алмазоносности кимберлитов с величиной в них 1^0/Ре

На первый взгляд, степень окисленности железа в кимберлитах должна иметь обратную связь с алмазоносностью, поскольку с ее возрастанием должно уменьшаться отношение восстановленных форм углерода в расплавах к окисленным. Однако в действительности такой связи не наблюдается (рис. 5). Это может быть связано с тем, что степень окисленности железа не является независимым фактором и в наиболее глубинных частях перидотитового слоя является

у.е.

400

200

с Г,О,

Ге,0,/Ре0

Рне. 5. Соотношение величины Ре2ОуРеО с алмазоносностью кимберлитов и с максимальным содержанием Сг203 во включениях граната в алмазе

повышенной в остаточных расплавах за счет вытеснения в них трехвалентного железа из хром-шпинслидов при замещении их гранатом. При этом отрицательное влияние на алмазоносность повышенного окислительного потенциала с избытком компенсируется положительным влиянием высокого давления. Это подтверждает рис. 5, на котором повышение окисленности железа в кимберлитах прямо коррелирует с ростом максимальной хромистости во включениях граната в алмазе, что свидетельствует чаше всего о высоком давлении при зарождении высокоокислен-ных кимберлитовых магм.

Ранее было показано [14], что понижение вязкости остаточных расплавов при приближении их по составу к карбонатитовым сопровождается возрастанием доли октаэдров среди кристаллизующихся алмазов. При прочих равных условиях увеличивается также содержание в них углекислоты и алмазов. Поэтому алмазоносность должна положительно коррелировать с долей октаэдров среди алмазов. Это согласуется с тем, что содержание алмазов на рис. 6 в среднем растет от 192 у.е. при доле октаэдров 25-50 % до 1500 у.е. при доле 75-100 %. Однако при доле октаэдров 0-25 % содержание алмазов также является несколько повышенным - 362 у.е. Такое явление, видимо, связано с тем, что в некоторых частях перидотитового слоя вследствие пониженного первичного отношения СО; к Н;0 фракционирование не сопровождалось формиро-

у.е.

1200

800

400

О

22

11

18

25

50

75 %

Рис. 6. Соотношение алмазоносности кимберлитов с содержанием октаэдров среди алмазов

ПРИЗНАКИ АЛМАЗОНОСНОСТИ КИМБЕРЛИТОВ

ванием карбонатитовых остаточных расплавов, поэтому в них формировалось пониженное количество октаэдров при повышенной алмазоносно-сти. определяемой большой глубинностью.

Важной особенностью кимберлитового магматизма является резкое возрастание его интенсивности во времени (рис. 7). С учетом низкотемпературное! и кимберлитовых расплавов это

Sep, т

0,1

0,05

fs—

г 1

П

60

20

800 400 0

Возраст, млн лет

Рис. 7. Соотношение количества (п) и средней площади (Scp) кимберлитовых трубок с их возрастом

свидетельствует о продолжающихся до сих пор и ускоряющихся процессах их образования в результате фракционирования наиболее глубинных остатков магматического океана. В наиболее низкотемпературных участках континентальной литосферы такое фракционирование происходит только в самых глубинных ее частях. Тектонические деформации континентальной литосферы под влиянием подъема мантийных плюмов приводят к выжиманию этих глубинных остаточных расплавов по зонам растяжения с формированием небольшого количества высокоалмазоносных кимберлитов. В менее остывших участках литосферы фракционирование остатков магматического океана происходит и в менее глубинных частях литосферы с образованием большого количества преимущественно слабоалмазоносных и непродуктивных кимберлитов и кимберлито-подобных пород. Поэтому алмазоносность кимберлитов должна находиться в обратной зависимости от общего количества кимберлитовых тел в полях. Это полностью подтверждает рис. 8, иллюстрирующий, что при количестве кимберлитовых тел в полях менее 10 все из них могут

С, %

80

40

0 20 60 100 140 Л

Рис. 8. Зависимость содержания алмазоносных кимберлитовых трубок

быть алмазоносными, а при 40 телах - в среднем лишь 10 %, при 80 - примерно только 4 %. Ярким примером высокоалмазоносных кимберлитовых полей является Иакынскос в Западной Якутии.

Алмазоносные кимберлиты являются наиболее глубинными магматическими породами, поэтому они должны быть связаны с наиболее глубинными линсаментами континентальной литосферы, трассируемыми поясами основных даек и гравиомагнитными аномалиями. Анализ опубликованных данных [7) показал, что из 308 установленных тектонических нарушений, контролирующих размещение кимберлитов. 119 являются субмсридиональными, 87 имеют северо-западное простирание, 85 - северо-восточное и лишь 17 - субширотнос. Связь кимберлитов с субмсридиональными разломами отмечали А.А. Фролов и др. [7|. Алмазоносность кимберлитов, контролируемых северо-восточными нарушениями, составляет в среднем 306 у.е., меридиональными - 268 у.е., северо-западными -236 у.е. и субширотными - 124 у.е.

Наиболее высокая алмазоносность кимберлитов, контролируемых северо-восточными тектоническими разломами, является вполне закономерной и обусловлена влиянием силы Кореолиса на подъем мантийных плюмов. Как известно, подъем этих плюмов является главной движущей силой тектонических процессов на Земле. Даже в самых фундаментальных исследованиях как само собой разумеющееся принимается, что плюмы поднимаются субвертикально. Однако данные сейсмической томографии [15] достаточно определенно показывают, что этот подъем является

сильно наклонным 116]. Это связано с большим влиянием силы Корсолиса на все перемещения вещества. Линейная скорость вращения поверхности Земли с запада на восток в районе экватора составляет 463.5 м/с. а в центре нашей планеты она равна нулю. Очевидно, что всплывающее вещество под влиянием инерции будет стремиться сохранить свою небольшую линейную скорость вращения и поэтому должно отклоняться к западу. По этой причине большинство океанических плит движется на запад, островодужныс зоны субдукции размещаются только в западной части Тихого океана, а срединно-оксаничсский хребет - в восточной [16]. Преимущественно западное движение океанических плит приводит к дрейфу в этом направлении континентов (за исключением Антарктиды) по оценкам Лс Пишона со скоростью 5 см в год. Вследствие такого дрейфа континентальные литосферные плиты скользят по мантии, что приводит к возникновению в тыловой их части перпендикулярных направлению движения зон растяжения. По этим зонам выжимаются полузакристаллизованныс алмазоносные кимберлитовые расплавы. В северной части Тихого океана и в центральной -Индийского океанические плиты в настоящее время движутся в основном в северо-западном направлении, что является причиной северо-восточного простирания наиболее глубинных разломов на Сибирской и Африканской платформах. Такая обстановка, видимо, существовала и в недалеком прошлом, что обусловило повышенную алмазоносность кимберлитов, контролируемых этими разломами.

Таким образом, результаты проведенных исследований свидетельствуют о существовании положительной корреляции алмазоносности с содержанием в кимберлитах СО:, СаО, величиной МлО/Те, максимальной хромистостью граната. количеством брекчий в трубках, долей октаэдров среди алмазов и с северо-восточным простиранием кимберлитоконтролирующих тектонических нарушений и отрицательной - с содержанием ТЮ: в кимберлитах и с величиной конусности диатрем. Существование этих зависимостей хорошо согласуется с данными о кристаллизации алмазов при формировании кимбер-литовых остаточных расплавов в процессе фракционирования перидотитового слоя гло-

бального магматического океана и на глубинной стадии эволюции кимберлитовых магм.

Литература

1. Mitchell R.II. Kimberlites: Mineralogy. Geochemistry and Petrology. - New York: Plenum Press. 1986. -442 p.

2. Петрохимия кимберлитов / А.Д. Харькив. B.B. Зуенко, H.H. Зинчук и др. - М.: Наука, 1991. - 304 с.

3. Милашев В.А. Петрохимия кимберлитов Якутии и факторы их ал.мазоноеноетн. - Л.: Недра. 1965. -176 с.

4. Благулькина В.А. Петрохимические типы кимберлитов Сибири // Сов. геология. - 1969. - № 9. -С. 82-91.

5. Василенко В.Б.. Зинчук H.H., Кузнецова Л. Г. Петрохимические модели алмазных месторождений Якутии. - Новосибирск: Наука, 1997. - 574 с.

6. Зинчук H.H., Коптиль В.И. Типоморфизм алмазов Сибирской платформы. - М.: Недра, 2003. - 603 с.

7. Фролов A.A., Лапин A.B., Толстое A.B. и др. Карбонатиты и кимберлиты (взаимоотношения, ми-нерагения, прогноз). - М.: НИА-Природа, 2005. -540 с.

8. Аргунов К.П. Алмазы Якугии: физические, морфологические и геммологические особенности. - Новосибирск: ГЕО СО РАН, 2005. - 402 с.

9. Аргунов К.П. Результаты изучения алмазоносности территории главных алмазодобывающих стран мира. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН. 2006. - 176 с.

10. Шкодзинский B.C.. Алтухова З.А. Влияние химического состава кимберлитов и ламироитов на кри-сталломорфологию алмаза // Отечественная геология.

- 2006. - № 5. - С. 53-57.

11. Шкодзинский B.C. Происхождение земной мантии и алмаза // Наука и образование. - 2006. -№4.-С. 5-11.

12. Ваганов В.И. Алмазоносные месторождения России и мира. - М.: Геоинформмарк, 2000. - 371 с.

13. Шкодзинский B.C. Проблемы глобальной петрологии. - Якутск: Сахагюлиграфиздат, 2003. - 240 с.

14. Шкодзинский B.C. Влияние вязкости расплавов на кристалломорфологию алмаза // Записки РМО. -2005. Ч. CXXXIL. - № 5. - С. 51-56.

15. Sil W., Woodward R.L., Dziewonski A.M. Degree 12 model of shear velocity heterogeneity in the mantle // Journal of Geophysical Research. - 1994. - V. 75, № 10.

- P. 6945-6980.

16. Шкодзинский B.C. Роль ротационных сил в эндогенных геологических процессах II Геодинамика формирования подвижных поясов Земли. - Екатеринбург, 2007. - С. 375-377.