Лекция Л.Л. Перчука "Кимберлиты и траппы"
advertisement
Кимберлиты и траппы Kимберлиты - продукты кристаллизации насыщенной флюидом ультраосновной магмы, зарожденной в мантии Земли. У поверхности Земли они образуют конусовидные тела (трубки) и дайки, часто содержащие алмазы. Кимберлиты - лишь транспортеры алмаза, равно как и глубинных ксенолитов (включений), захваченных кимберлитовой магмой по мере ее быстрого перемещения к поверхности. По минеральному и химическому составу ксенолитов можно судить о составе верхней мантии Земли и условиях ее формирования. Траппы – тела пород основного состава, кристаллизующиеся вблизи земной поверхности. Во многих алмазоносных провинциях траппы пространственно ассоциируют с кимберлитами, и, следовательно, являются индикаторами месторождений алмаза. Кимберлиты обладают порфировой структурой, т.е. вкрапленники оливина, иногда флогопита заключены в тонкозернистую флюидальную ткань (основную массу) породы серпентин– карбонатного состава. В качестве второстепенных в ней встречаются апатит, флогопит, иногда очень редкие минералы, такие как циркон, алмаз и многие другие. Кимберлиты - продукты кристаллизации насыщенных флюидами (Н2О, СО2, N2 и др. газы) силикатных магм. Они встречаются исключительно в коре континентального типа и являются практически единственными источниками коренных месторождений алмаза. В 1887 г. они впервые были обнаружены геологом Льюисом в провинции Кимберли, что в Южной Африке. Затем крупные провинции алмазоносных кимберлитов были обнаружены в экваториальной Африке, Бразилии, в России (Якутия и Архангельской область) и, наконец, – в провинции Кимберли, но уже в Австралии. Наряду с алмазом кимберлиты содержат глубинные ксенолиты -включения коровых или мантийных кристаллических пород, захваченных и вынесенных кимберлитовой магмой к земной поверхности. Последние представлены глубинными ультраосновными породами (гранатовыми перидотитами, лерцолитами, дунитами) и эклогитами. Современные проблемы За 100 лет изучения ксенолитов из кимберлитовых трубок в них обнаружены десятки очень редких минералов, характерных исключительно для пород, сформировавшихся при высоком давлении. Сами же кимберлиты на поверхности нередко представляют собой “синюю глину”. Так что же такое кимберлит? Почему только в нем встречаются коренные месторождения полнокристаллического алмаза? Почему алмаз не окисляется, или же не переходит в графит при подъеме магмы к поверхности? Какова природа кимберлитовых магм? Геологическая позиция кимберлитов Кимберлитовые магмы внедрялись в породы земной коры начиная с палеопротерозоя (2.5-2.3 млрд. лет тому назад) и до мезозоя включительно (150 млн. лет). Обычно в пределах одного и того же региона кимберлитовый магматизм повторялся неоднократно. В Якутии, например, известны две палеозойские и одна мезозойская вспышка. Рожденная на больших глубинах кимберлитовая магма обычно затвердевает в виде кимберлитовых трубок или даек вблизи земной поверхности, нередко в осадочном чехле докембрийских платформ, либо в их кристаллическом фундаменте. Алмазоносные кимберлиты любого возраста не выходят за пределы кратонов, т.е. участков континентальной земной коры, консолидация которых завершилась в архее. В распределении коренных месторождений алмаза в кимберлитах наблюдается зональность: алмазоносность кимберлитов снижается к краям кратонов, вне зависимости от того, перекрыты они чехлом более молодых осадков или нет. Поиски кимберлитовых тел как потенциальных месторождений алмаза сосредоточены в основном на платформах. Кимберлитовая трубка «Венетия» (~ 530 Ма), в которой сосредоточено крупнейшее месторожд-ение алмазов прорывает Центральную Зону гранулитового комплекса Лимпопо (~2.65 Ma). Во второй половине прошлого века в провинции Кимберли, что в северной Австралии, в кимберлитах, богатых К2O и TiO2, – лампроитах обнаружено самое крупное в мире месторождение алмаза. Так вот некоторые тела лампроитов залегают не в кратоне, а находятся в пределах протерозойского подвижного пояса. На геологических картах скопления кимберлитовых тел располагаются линейно, вдоль региональных разломов, так или иначе связанных с крупными меридиональными разломами (рифтами) земной коре. С.В.Белов и А.А.Фролов провели специальное статистическое исследование распределения кимберлитов в породах чехла Сибирской и ВосточноЕвропейской платформ по отношению к крупным рифтовым структурам. Они установили, что подавляющая масса кимберлитов располагается не в пределах рифтов, а в оперяющих их разломах, проходящих через синеклизы, – глубокие континентальные прогибы, заполненные мощными толщами осадочных пород, либо через их фланги. Сопряженность кимберлитового и траппового магматизма Наиболее распространенная форма залегания кимберлитовых тел – трубка. В структуре трубки различают её кратерную часть – раструб (воронку диаметром до 900 м, высотой в 300-350 м, и углами наклона поверхности от 50 до 75 градусов), вертикальный канал (высота его не более 2000 м) и корневую часть, представленную подводящим каналом в форме дайки, мощность которой варьирует от нескольких до первых десятков метров. Формирование трубок может происходить в один или же несколько этапов. Многие трубки имеют выход на дневную поверхность, где их кратер заполнен кимберлитовым веществом, края кратера переходят в кольцевой вал, возникший в результате взрыва и выброса туфов и прорванный кимберлитовой магмой. Рис. 1. Обобщенная модель кимберлитовой трубки (красное и розовое) Якутии, залегающей в осадочном чехле Сибирской платформы (желтое) Долериты трех трапповых формаций показаны фиолетовым (ранний кембрий), голубым (девон) и зеленым (Р3-Т1) цветами. Формирование трубок может происходить в один или же несколько этапов. Многие трубки имеют выход на дневную поверхность, где их кратер заполнен кимберлитовым веществом. Края кратера обычно переходят в кольцевой вал, возникший в результате взрыва и выброса туфов и прорванный кимберлитовой магмой. На рис. 1 показана обобщенная модель якутской кимберлитовой трубки. На ней хорошо выражен переход вертикального канала в дайку, а также структура самой трубки и ее сателлита, взаимоотношения кимберлитов с траппами и осадочными породами. Многие кимберлитовые трубки сформированы в две фазы внедрения (рис.1): первая представлена массивными порфировидными разновидностями, а вторая – также массивными автолитовыми брекчиями. От главного кимберлитового тела обычно ответвляются множество даек и жил, уходящих далеко за пределы трубки. Маломощные жилы – спутники кимберлитовых трубок предельно обогащены алмазом. Это связано с быстрой закалкой кимберлитовой магмы. Трубки создают кусты, либо поля, причем алмазоносные кимберлиты приурочены к центральным частям таких полей. Кимберлиты, как правило, пространственно ассоциируют с траппами. Это правило дает возможность прогнозировать крупные кимберлитовые провинции. Так, на основе сравнительного изучения трапповых формаций Восточной Сибири и Южной Африки В.С.Соболев предсказал развитие кимберлитового магматизма на севере Сибирской платформы и его прогноз блестяще оправдался. Траппом называлась любая порода основного состава (базальт, диабаз), залегающая в виде пластовой интрузии (силла) или покрова. и благодаря более интенсивному выветриванию переслаивающихся с ней осадочных или туфогенных пород трапп напоминает лестницу (trappa по-шведски лестница). Однако уже в 30-х годах прошлого столетия термин “трапп” определяет генетически связанную группу пород основного состава. Иначе говоря этот термин приобрел собирательный смысл. Практически во всех кимберлитовых провинциях мира трапповый магматизм проявлялся неоднократно. Причем разрыв во времени внедрения траппов и кимберлитов достигал миллионы лет. Так, в Якутии алмазоносные кимберлиты внедрились приблизительно 380 млн. лет тому назад, а формирование трапповой формации растянулось на весь палеозой и ранний мезозой с тремя наиболее активными вспышками (пиками) магматизма (рис.1): раннекембрийская (С1), девон-карбоновая (D3-C1) и пермо-трасовая (Р2–Т1). Эта последняя с возрастом 250 млн. лет не смотря на столь значительный разрыв во времени с внедрением кимберлитовой магмы произвела сильное воздействие на алмазоносные трубки. Обнаружено несколько вариантов взаимоотношений пород пермо-трасовых траппов с кимберлитами. В одних случаях маломощные силлы долеритов и/или габбро прорывают верхние горизонты перекрывающих кимберлиты осадочных пород, а за пределами трубки они сливаются в единую мощную пластовую интрузию. В других – мощные, до 100 м и более, интрузии трапповой формации, бронирующие палеозойские вулканогенноосадочные породы, при приближении к кимберлитовой трубке разветвляются на множество мелких апофиз, создавая над поверхностью погребенных тел своеобразные окна. Нередко дайки долеритов прорывают кимберлитовые трубки, а силлы порой срезают верхние их части. Наконец, известны случаи протыкания (“протрузии”) кимберлитами пород чехла и трапповых тел (трубки “Восток” и “Москвичка”). Иногда такие кимберлиты появляются на дневной поверхности, на одном гипсометрическом уровне с траппами. Приведенные на Рис.2 взаимоотношения свидетельствуют о том, что магмы трапповой формации наследуют пути внедрения кимберлитов в осадочный чехол кратона. Часто траппы, прорывая кимберлитовые трубки, производят на них термальное и химическое воздействие. Это воздействие хорошо изучено в кимберлитовой трубке Краснопресненская, где дайка долерита рассекла ствол трубки и произвела глубокое гидротермальное изменение вмещающих ее пород (рис. 2). Рис.2. Геологический разрез через кимберлитовую трубку «Краснопресненская» в Якутии. Дайка долерита (Р2-Т1) прорывает тело кимберлита. В раструбе трубки содержатся крупные блоки вмещающих осадочновулканогенных пород чехла. Видна также зона гидротермального изменения пород чехла платформы (коричневое) под воздействием долеритового траппа. Интрузии долеритов мезозойской трапповой формации производят на кимберлиты не только химическое (гидротермальное), но и механическое воздействие. В якутской кимберлитовой провинции известно несколько примеров срезания кратерных частей трубок долеритовыми силлами и перемещение их в горизонтальной плоскости на несколько сотен метров. Наиболее хорошо изучен такой отторженец от трубки “Юбилейная” (рис.3). В ней хорошо выражены обе рассмотренные выше фазы внедрения кимберлитов. С севера и юга навстречу друг другу к трубке подходят два долеритовых силла, возраст которых оценен как позднепермский (Р2). На удалении 1200 м от трубки их мощность составляет 100 10 м, но по мере приближения к трубке она сокращается до 3-10 м. Механическое воздействие силла на вмещающие породы очень сильное. Рис.3. Геологический разрез через кимберлитовую трубку «Юбилейная» в Якутии. Более поздняя (Р2 –Т1) долеритовая магма (силл) при внедрении в расплавленном состоянии отторгла и переместила в сторону небольшую часть трубки отторженец. Южный силл переместил мощные (до 22 м) пласты известняков в сторону трубки на расстояние от 20 до 130 м, а также срезал приповерхностную часть кимберлитов мощностью до 20 м и переместил ее на несколько сот метров. Этот отторженец оказался на 35 метров выше первоначального гипсометрического уровня. В южной Африке в отличие от Якутии, поздние интрузии трапповой формации производят лишь термальное воздействие на кимберлиты. При этом наблюдается их сильное уплотнение, а также окисление алмазов, проявленное в форме образования на поверхности кристаллов матовых участков и каверн. Наиболее ярко такие соотношения проявлены в трубке “Премьер”, которая на глубине 330 м пересекается габбровым силлом, мощность которого около 80 м. По мере приближения к контакту содержание алмаза в кимберлитах резко снижается. что обусловлено интенсивным окислением алмаза при нагреве. Области зарождения кимберлитовых магм Кимберлитовые магмы – понятие неоднозначное. В чистом виде кимберлиты в земной коре не встречаются, поскольку содержат в себе большое количество разнородных ксенолитов пород коры и верхней мантии. Механическая их дезинтеграция порой настолько велика, что кимберлит представляют собой неоднородную смесь отдельных зерен граната, пироксена, шпинели, оливина, ильменита, алмаза и других минералов, утративших признаки химического равновесия. Из кимберлитовой магмы кристаллизовалась лишь та часть породы, которая явилась цементом этих минералов. И тем не менее, между разновидностями кимберлитов существуют постепенные переходы: богатые гидросиликатами (Phl, Srр, Chl) породы постепенно переходят в карбонатные, вплоть до чистых карбонатитов (Рис. 4). Рис. 4. Составы палеозойских кимберлитов и карбонатитов Якутии, спроектированные на плоскость SiO2-CO2-H2O образуют единый петрохимический тренд [4]. На рис. 4 составлена диаграмма в координатах SiO2-CO2-H2O для палеозойских кимберлитов Якутии. Точки составов этих пород образуют четкий тренд от водно-силикатной до карбонатной породы. На этот тренд попадают все алмазоносные кимберлиты Якутии. Завершается он карбонатитами, в которых алмазы пока не найдены, но уже появились экспериментальные работы по стабильности алмаза в карбонатно-силикатных системах при давлениях до 110 000 атм. Эти сведения, а также широкое развитие автолитовых структур в кимберлитах свидетельствует о том, что они являются продуктами кристаллизации низкоплотной магмы переменного состава, от гидросиликатной до карбонатной. Вместе с тем, из самих кимберлитовых расплавов алмаз не кристаллизуется: в них он ксеногенный (чужеродный), возникший при дезинтеграции глубинных ксенолитов. Следовательно, кимберлитовые магмы – лишь транспортеры разнообразных ксенолитов, в том числе и алмазоносных, захваченных при подъеме кимберлитовой магмы к поверхности Земли с разных уровней глубинности. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Кимберлитовые магмы хоть и зарождаются на очень больших глубинах, но остаются бесплодными в отношении алмаза. При этом они являются замечательным его экспресс-курьером. Скоростным транспортером не только алмаза, но и любых горных пород, которые встречаются на пути стремительного подъема кимберлитовой магмы к поверхности Земли и могут быть захвачены этой магмой в виде ксенолитов. Именно эти мантийные ксенолиты служат источником алмаза в кимберлитах. В ходе подъема кимберлитовой магмы они разрушаются механически и обогащают ее минералами мантийных эклогитов и гранатовых перидотитов. Чем ниже скорость подъема кимберлитовой магмы, тем меньше кристаллов алмаза сохраняется при ее застывании вблизи поверхности земной коры. И чем выше скорость закалки магмы, тем богаче алмазам вмещающая его порода: во всех кимберлитовых провинциях мира обнаружена одна и та же закономерность: с увеличением глубины одной и той же кимберлитовой трубки количество алмаза уменьшается. Это обусловлено более длительным процессом кристаллизации магмы на глубине, в ходе которого алмаз успевает окислиться и превратиться в СО2. История познания природы кимберлитов и алмаза в них на этом не закончилась. Долгое время петрологи стояли перед проблемами, возникшими в связи с находками коренных месторождений алмаза не в кимберлитах, а в кристаллических породах земной коры, возникших при умеренных значениях температуры (Т < 700С) и высокого давления (Р > 20 кбар) в ходе метаморфизма более древних пород. Как оказался алмаз в них, если его кристаллизация возможна при давлении не менее 40 000 атм? Как оказались там некоторые минералы, кристаллизация которых возможна лишь при еще большем давлении? Чудес в природе не бывает! На эти вопросы сейчас успешно отвечает численное моделирование геодинамических процессов. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА Геологический словарь. М.: Госгеолтехиздат, 1955, Т.1. Василенко В.Б., Зинчук Н.Н., Кузнецова Л.Г. Петрохимические модели алмазоносных кимберлитов. Н.: Наука. 1997. 568 с. Перчук Л.Л. Геотермобарометрия и перемещение кристаллических пород в земной коре // Соросовский Образовательный Журнал, 1997. № 7. С. 64-72. Перчук Л.Л. Глубинные флюидные потоки и рождение гранита // Соросовский Образовательный Журнал, 1997. № 6, С.56-64. Перчук Л.Л. Теория фазового соответствия и геотермобарометрия // Там же, 1996. № 6, С. 74-83 Перчук Л.Л., Япаскурт В.О. Глубинные ультракалиевые жидкости // Геология и геофизика.1998. № 12. С. 1756-1765. Рамберг Х. Сила тяжести и деформации в земной коре. М.: Недра, 1983. Соболев В.С. Избранные труды: петрология траппов. Новосибирск: Наука, 1986. Соболев Н.В. Глубинные включения в кимберлитах и проблема состава верхней мантии. Новосибирск: Наука, 1974. 264 с. Фролова Т.И. Вулканизм и его роль в эволюции нашей планеты // Соросовский Образовательный Журнал,, 1996. № 2. С. 74-81 Харькив А.Д., Зинчук Н.Н., Крючков А.И. Геолого-генетические основы шлихо-минералогического метода поисков алмазных месторождений // М.: Недра, 1995. Perchuk L.L., Vaganov V.I, Petrochemical and thermodynamic evidence on the origin of kimberlites // Contributions to Mineralogy and Petrology. 1980. 72, P.219-228. Perchuk L.L., Safonov O.G., Yapaskurt V.O., Barton J.M., Jr. Crystal – melt equilibria involving potassium-bearing clinopyroxene as indicator of mantle-derived ultrahigh-potassic liquids: an analytical review // Lithos. 2002. V.60, No3-4, P.89-112. Sobolev, N.V., Shatsky V.S. Diamond inclusions in garnets from metamorphic rocks: a new environment for diamond formation // Nature, 1990, V. 343 (6260), 742-746.
