Происхождение кимберлитов и алмаза (модель горячей аккреции Земли)

Шкодзинский В.С.

Институт геологии алмаза и благородных металлов СО РАН, Якутск, Россия

Крупным достижением планетологии в последние десятилетия является получение убедительных доказательств горячей аккреции планет земной группы и существования на них в прошлом глобальных океанов магмы. О существовании такого океана на Земле свидетельствуют установленное расположение вдоль трендов магматического фракционирования полей составов главных разновидностей мантийных ксенолитов в кимберлитах, уменьшение среднего изотопного возраста и температуры кристаллизации этих разновидностей в соответствии с последовательностью их образования при фракционировании, проекция полей Р-Т условий кристаллизации пород ксенолитов в область очень высокой температуры (до 1100 ^о С) на земной поверхности (Шкодзинский, 2012). Эти результаты приводят к принципиально новому решению проблемы генезиса кимберлитов и алмаза, хорошо согласующемуся со всеми эмпирическими данными.

По разработанной модели после завершения аккреции на Земле существовал расслоенный по составу магматический океан глубиной в среднем 240 км. Увеличение плотности с глубиной (от 2,3 до 2,9 г/см³) привело к отсутствию в нем обширной (от подошвы до поверхности) единой конвекции и к длительной его кристаллизации сверху вниз. В результате его затвердевания к концу протерозоя возникла литосфера древних платформ. Фракционирование нижнего перидотитового слоя завершалось образованием кимберлитовых остаточных расплавов и кимберлитов. Такое происхождение последних объясняет позднее их формирование (преимущественно в фанерозое), присутствие их только на древних платформах, богатство этих пород расплавофильными компонентами (летучими, редкоземельными), накапливавшимися в остаточных расплавах. Положение полей составов эклогитов из ксенолитов на единых с другими мантийными породами трендах указывает на образование их в процессе фракционирования перидотитового слоя.

Содержавшие остаточные расплавы участки в литосфере были наименее прочными. Поэтому при тектонических деформациях они выжимались, твердые фазы в них плавились под влиянием декомпрессии и фрикционного тепловыделения. Таким путем формировались кимберлитовые магмы. Различные количественные соотношения фаз в разных частях выжимавшейся смеси является причиной больших вариаций

состава кимберлитов даже в одной и той же трубке. Очень небольшой объем кимберлитовых остаточных расплавов (менее одной тысячной от объема перидотитового слоя) обусловил небольшие размеры кимберлитовых тел. Многоярусное расположение остаточных расплавов в перидотитовом слое – причина присутствия в одном и том же поле кимберлитов разного состава и алмазоносности. Кимберлитовыводящие зоны тектонических нарушений возникали в литосфере в результате подъема нижнемантийных плюмов, в которых формировалось большое количество толеитовых магм. Это является причиной широкого развития траппов в областях кимберлитового магматизма (Шкодзинский, 2009).

Формирование на поздней стадии остывания перидотитового слоя обусловило относительно невысокую температуру кимберлитовых магм. Вследствие этого потеря сильнейшего плавня, летучих компонентов, под влиянием их выкипания на малоглубинных стадиях подъема приводила к декомпрессионному затвердеванию расплава в верхних частях кимберлитовых магматических колонн и затем к их взрыву под влиянием законсервированного затвердеванием высокого внутреннего давления флюидной фазы. Это является причиной размещения кимберлитов преимущественно в виде трубок и их чаще всего обломочной текстуры.

При образовании кимберлитовых остаточных расплавов в результате фракционирования перидотитового слоя магматического океана алмазы кристаллизовались в процессе этого фракционирования и связаны с кимберлитами парагенетическими соотношениями. Это объясняет, казалось бы, несовместимые их особенности – установленную корреляцию морфологии, содержания, крупности и примесного состава алмазов с составом кимберлитов, но часто значительно более древний возраст этого минерала по сравнению с трубками. Алмазы, как и другие глубинные минералы кимберлитов, являются не аллоксенокристаллами, а автоксенокристаллами (Шкодзинский, 2012). То есть алмазы не случайно захватывались кимберлитовыми магмами, а возникли на ранних стадиях образования последних.

Причиной кристаллизации алмазов является рост содержания углерода в остаточных расплавах и пересыщение этим компонентом в связи с резким уменьшением их объема по мере фракционирования. Исходная перидотитовая магма была недосыщена углеродом, что объясняет отсутствие алмазов в большинстве перидотитовых ксенолитов. Примерно 3,5 – 3,6 млрд. лет назад было достигнуто ее пересыщение, что является причиной начала образования алмазов в это время. Вследствие еще очень высокой температуры сначала мог кристаллизоваться графит. Это объясняет присутствие включений этого минерала в центрах роста некоторых алмазов. В дальнейшем уменьшение количества расплава поддерживало пересыщение его углеродом и привело к очень длительному формированию алмаза. Небольшая растворимость углерода в расплаве видимо является причиной незначительного содержания этого минерала (менее 1 г/т) даже в самых богатых кимберлитах. В случае обычно предполагаемого привноса углерода в мантию гипотетическими флюидными потоками или опускающимися блоками океанической коры в зонах субдукции в ней существовали бы высокоалмазоносные линзы и жилы и содержания алмаза в кимберлитах могли бы иногда достигать больших величин.

Вследствие возрастания содержания кремнекислоты на ранних и средних стадиях фракционирования вязкость остаточных расплавов сильно (на 2 – 3 порядка) возрастала. Это приводило к уменьшению скорости диффузии углерода и к увеличению степени пересыщения им остаточных расплавов. Следствием этого было уменьшение роли тангенциального послойного роста кристаллов алмаза и возрастание роли нормального радиального. Уменьшение площади образующихся слоев приводило к возникновению выпуклых граней, а проявление радиального роста – к формированию на них различных скульптур. В результате морфология растущих кристаллов изменялась в последовательности октаэдры – ромбододекаэдры – кубы и октаэдры с гладкими гранями – с выпуклыми ламинарными – с полицентрическими – блочные кристаллы – округло- ступенчатые – округлые.

Такое происхождение этих разновидностей алмазов подтверждается уменьшением в приведенных последовательностях величин удельной интенсивности рентгенолюминисценции алмазов (Аргунов, 2005), обусловленной ростом содержания в них примесей и дефектов по мере фракционирования. Ростовое происхождение скульптур и округлых алмазов согласуется с установленным возрастанием среднего размера их кристаллов в приведенной последовательности в кимберлитовых трубках и россыпях. Раннее образование октаэдров подтверждается присутствием только этой разновидности в ксенолитах перидотитов и появлением кубов о ромбододекаэдров в ксенолитах более поздних эклогитов.

Возрастание в остаточных расплавах концентрации летучих компонентов, легкого изотопа углерода и редкоземельных элементов по мере фракционирования объясняет установленное увеличение их среднего содержания от ранних алмазов к поздним.

По мере фракционирования часть кристаллов алмаза захоронялась в кумулатах и почти переставала расти вследствие уменьшения притока углерода из расплавов. При подъеме кимберлитовых магм часть из этих алмазов попадала в магмы в результате декомпрессионного и фрикционного плавления кумулатов. Остававшиеся в расплаве кристаллы иногда продолжали расти, что объясняет присутствие в кимберлитах небольшого количества алмазов-гигантов. Процессы осаждения кристаллов алмаза в придонные мало дифференцированные участки перидотитового слоя приводили к нарастанию октаэдрических слоев на ромбододекаэдрические и кубические кристаллы. Это приводило к образованию кристаллов сложного строения.

Список литературы

Аргунов К.П. Алмазы Якутии. Новосибирск: изд. СО РАН, 2005. 402 с

Шкодзинский В.С. Генезис кимберлитов и алмаза. Якутск: Медиа-холдинг Якутия, 2009. 352 с.

Шкодзинский В.С. Происхождение мантии, магм, кимберлитов и алмаза. Модель горячей аккреции Земли. Saarbrücken: Palmarium academic publishing, 2012. 579 с.