Геохимия постмагматических процессов в кимберлитах

Кузнецова Л.Г.

Институт геологии и минералогии СО РАН СССР, Новосибирск, Россия

Кимберлиты чрезвычайно интересны как производные наиболее глубинных магматических расплавов. Они содержат фрагменты пород и минералов верхней мантии и высокобарические акцессории, среди которых важнейшее значение имеет алмаз.

Наряду с традиционно практикующимся изучением ксеногенного материала кимберлитов в последнее время все большее внимание уделяется петрохимии самих кимберлитов и особенно вариациям их составов в отношении содержаний породообразующих оксидов, редких элементов и алмазоносности. Однако, эти исследования затруднены тем, что кимберлиты, как и другие магматические породы щелочно-ультраосновного состава, подвержены значительным постмагматическим изменениям. Особенности массопереноса при этих изменениях кимберлитов и эффективные критерии интенсивности их проявлений изучены недостаточно.

Нами было предпринято изучение количественных характеристик массопереноса при постмагматических изменениях кимберлитов с одновременной расчетной оценкой эквивалентного нерастворимого остатка – минералов группы кварца. Количество такого остатка  в качестве “нормативного вторичного кварца”  может быть вычислено по предложенным простым алгоритмам для любого силикатного анализа кимберлита и  использовано в качестве показателя интенсивности постмагматических процессов.

Главными породообразующими минералами кимберлитов являются оливин, кальцит и флогопит. Другие минералы обычно составляют менее 1% объема породы. Распределения оливина и флогопита определяют особенности распределений SiO₂ и MgO, связь между которыми имеет отчетливо положительный характер. Корреляционная зависимость между средними содержаниями SiO₂ и MgO в 90 кимберлитовых телах Якутской кимберлитовой провинции является достаточно тесной (r= +82).

В измененных кимберлитах встречаются как явно кристаллические, так и скрытокристаллические разности вторичного кварца. Прямое определение их количества связано с серьезными трудностями. Поэтому избыточные количества SiO₂ в измененных кимберлитах могут быть вычислены как нормативный вторичный кварц -  Q. Расчет Q произведен на основе средних составов главных породообразующих минералов кимберлита, а также минералов-примесей – диопсида и доломита.

В процессе вычисления Q использованы следующие отношения между оксидами

(мас.%) в минералах: в кальците СаО/СО₂ = 1.27; в диопсиде MgO/CaO = 0.86;  в диопсиде SiO₂/CaO = 2.69;  в флогопите MgO/K₂O = 3.72;  в флогопите SiO₂/K₂O = 5.81;  в оливине SiO₂/MgO = 0.81; в доломите MgO/CO₂ = 0.45.  

Вычисления произведены в зависимости от характера исходных данных по предлагаемым алгоритмам:

А) СаО > CO₂ , без учета доломита. В этом случае: СаО_клц= СО_{2 кмб}*1.27; 

СаО_диопс= СаО_кмб – СаО_клц;MgO_диопс = СаО_диопс * 0.86 ; SiO_2диопс = СаО_диопс *2.69;

MgO_флог = K₂O_кмб  *3.72; SiO_{2 флог} = K₂O_кмб *5.81;   MgO_ол = MgO_кмб – MgO_диопс – MgO_флог; 

SiO_{2 ол} = MgO_ол *0.81; Q = SiO_{2 кмб} – SiO_{2 ол} –  SiO_{2 диопс} – SiO_{2 флог}.

По варианту А: Q = SiO₂ – 0.81 MgO – 2.0 CaO + 2.54 CO₂ – 2.8 K₂O.

Б) с СО₂>CaO и СО₂=CaО, без учета диопсида. В этом случае: СО_{2 клц}= СаО_кмб /1.27;

MgO_дол=(СО_{2 кмб} –СО_{2 клц})*0.45; MgO_флог = K₂O_кмб *3.72; MgO_ол = MgO_кмб – MgO_дол – MgO_флог;

SiO_{2 флог} = K₂O_кмб * 5.81; SiO_{2 ол} = MgO_ол *0.81;  Q = SiO_{2 кмб} – SiO_{2 ол} – SiO_{2 флог}.

По варианту Б: Q = SiO₂ – 0.81 MgO – 0.28 CaO + 0.36 CO₂ – 2.8 K₂O.

С) Упрощенный алгоритм без учета диопсида и доломита: MgO_флог=К₂О_кмб*3.72;

SiO_{2 флог}=К₂О_кмб * 5.81; MgO_ол = MgO_кмб – MgO_флог; SiO_{2 ол} = MgO_ол * 0.81;

Q = SiO_{2 кмб} – SiO_{2 флог} – SiO_{2 ол} По варианту С: Q = SiO₂ – 0.81 MgO –2.8 K₂O.

Использование алгоритмов А и Б оптимально при наличии определений СО₂. Для наиболее широко используемых рентгено-флюоресцентных анализов (без определения летучих компонентов) рекомендуется использование алгоритма С.

Алгоритмы вычисления нормативного кварца позволют для каждого химического анализа вычислить Q. Совокупность Q для данного кимберлитового тела дает возможность построить модель постмагматического массопереноса, где распределению частот значений Q соответствуют частоты значений содержаний других химических элементов. Величина классового интервала для распределений Q выбрана произвольно и остается неизменной для всех кимберлитовых тел. Всего выделено 6 стадий с последовательно увеличивающимися степенями изменения пород при возрастании Q. В стадии 0 Q изменяется от -1.0 % до больших отрицательных значений. Породы этой стадии  отнесены к кимберлитам, доломитизированным в процессе вторичного изменения. Об этом свидетельствует их существенно доломитовый состав и наличие минералов зоны гипергенеза: гипса, диоктаэдрических слюд и, возможно, терригенного кварца. Остальные стадии включают значения Q от -0.99% до 85.00%. Стадия 1 включает значения Q от -0.99% до 3.99%; стадия 2 – от 4.00% до 5.99%; стадия 3 – от 6.00% до 11,99%; стадия 4 – от 12.00% до 19.99%; стадия 5 включает значения Q более 20.00%.  Примером модели маасопереноса при постмагматическом изменении кимберлита может служить модель трубки Айхал (табл.1)

Таблица 1

Модель постмагматического массопереноса кимберлитов трубки Айхал (n*=331)

Примечание: *n -  количество анализов, ** n^F доля анализов, попавших в данный кластер.

Результаты изучения количественных характеристик массопереноса при постмагматичских изменениях кимберлитов на основе содержаний Q в алмазоносных трубках Якутии к следующему:

Породообразующе оксиды. С увеличением Q уменьшается содержание MgO, а при сильном проявлении процессов изменения – все остальные компоненты, кроме SiO₂ и Al₂O₃.

Элементы группы железа (FeO, Fe₂O₃, _Cr2O3, NiO, CoO) при постмагматическом изменении могут как накапливаться в реакционных зонах, так и выноситься. Как правило, окончание процессов вторичного изменения пород заканчивается повышением основности среды (Превышение FeO над Fe₂O₃).

Редкоземельные элементы. Содержания редкоземельных элементов (РЗЭ) интенсивно изменяются в постмагматическую стадию, что хорошо прослеживается на фоне возрастания нормативного вторичного кварца. Главными петрохимическими факторами накопления РЗЭ являются содержания в кимберлитах фосфора и титана. Наибольший вынос РЗЭ происходит в породах богатых фосфором и бедных титаном.

Изотопные отношения. Отношения ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd, ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd и ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr при накоплении вторичного нормативного кварца в породах уменьшают свои значения (табл.2)

Таблица 2

Средние содержания изотопных отношений в кимберлитах с  разной степенью вторичного изменения (трубки Интернациональная, Айхал, Удачная-западная, Удачная-восточная, Комсомольская-магнитная, Поисковая)

Алмазоносность. Изменение содержаний алмазов в измененных кимберлитах наиболее подробно описано для трубки Ботуобинская. Здесь на большом фактическом материале показано, что увеличение нормативного кварца сопровождается уменьшением размеров зерен алмазов в результате чего резко падает алмазоносность пород. Аналогичный эффект описан нами в трубке Нюрбинская. Таким образом постмагматические гидротермально-метасоматические процессы вызывают разубоживание алмазоносных руд.

В заключение необходимо отметить, что процессы вторичного изменения кимберлитов развиты в большей степени в приповерхностных частях трубок, но присутствуют также и в кимберлитах глубинных горизонтов.

Как показано выше, вторичные изменения кимберлитов коренным образом меняют геохимические характеристики кимберлитов, что необходимо учитывать при петрологических построениях. К неизмененным кимберлитам мы относим породы с -0.99<Q<3.99%. Именно такие кимберлиты должны использоваться для геохимических сопоставлений.