2011

Тезисы международной конференции

Рудный потенциал щелочного, кимберлитового

 и карбонатитового магматизма

Abstracts of International conference

Ore potential of alkaline, kimberlite

and carbonatite magmatism

Экспериментальное изучение близликвидусных равновесий кимберлитов и возможные содержания CO₂ и H₂O в первичных магмах

Булатов В.К.*, Гирнис А.В.**, Брай Г.П.***

*Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Москва, Россия; ** Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и Геохимии РАН, Москва, Россия; ***Университет им. В.-И. Гете, Франкфурт на Майне, Германия

bulatov@bk.ru

Экспериментальное изучение плавления мантийных пород показывает, что кимберлитоподобные расплавы могут быть получены при низких степенях плавления карбонатизированных перидотитов при давлении 5-10 ГПа. Однако детальное сравнение экспериментальных и природных составов показывает, что примитивные кимберлиты заметно отличаются от составов частичных выплавок (Brey et al, 2008). При этом последние сильно зависят от условий плавления и содержаний летучих компонентов в источнике. Определение состава первичной кимберлитовой магмы представляет собой сложную задачу в связи с большим количеством ксеногенного материала и значительными вторичными изменениями. Тем не менее, оценки первичных магм базальтовых (низко-K) кимберлитов на основании детального изучения петрографических, минералогических и геохимических особенностей пород (напр. Kopylova et al., 2007; Becker, LeRoex, 2006) приводят к сравнительно компактному полю составов, содержащих ~30 мас % MgO и ~30 мас % SiO2 (в пересчете на состав без летучих). Содержания летучих компонентов (CO₂ и H₂O) характеризуются особенно большой неопределенностью, поскольку они всегда связаны с вторичными минералами (кальцит и серпентин). Поэтому экспреиментальные исследования кимберлитов проводились при различных соотношениях летучих компонентов. В экспериментально обоснованных моделях образования кимберлитов содержания летучих в первичных магмах варьируют от >30 мас % CO₂ и 0% H₂O (Brey et al., 1991) до 0% CO₂ и >10 мас % H₂O (Kawamoto, Holloway, 1998).

Мы исходили из предположения, что первичная кимберлитовая магма образуется при частичном плавлении перидотитового материала, обогащенного летучими и некогерентными элементами. В этом случае, параметры генерации первичного расплава должны отвечать условиям равновесия с остаточной мантийной ассоциацией. Выбор модельного первичного расплава был основан на соотношениях нелетучих компонентов в оценках, основанных на природных наблюдениях. Задача экспериментального исследования заключалась в определении T-P условий и содержаний CO₂ и H₂O, при которых возможно одновременное насыщение кимберлитового расплава оливином и низко-Ca пироксеном (ромбический при давлениях до 8 ГПа и моноклинный при более высоких давлениях) в интервале 4-10 ГПа. Были изучены четыре синтетические смеси с идентичными соотношениями главных силикатных компонентов (масс %): ~32 SiO2, 3 Al2O3, 10 FeO, 16 CaO, 0.5 Na2O, 1 K2O и различными содержаниями CO₂ и H₂O: 0 H₂O + 33 CO₂, 0 H₂O + 18 CO₂, 10 H₂O + 10 CO₂ и 12 H₂O + 5 CO₂. Исходные материалы помещались в платиновую ампулу, футерованную Re фольгой для предотвращения потери железа. Эксперименты проводились на многопуансонном аппарате, детально описанном в (Brey et al., 2008). Составы закаленных расплавов и кристаллических фаз определялись с помощью электронного микрозонда Jeol Superprobe 8900. Содержания CO₂ и H₂O в расплаве оценивались на основании анализов фаз, используя метод баланса масс.

Опыты проводились вблизи ликвидуса при 6-12 ГПа и 1200-1800°С. Выдержка составляла 8-48 часов в зависимости от температуры. При высоких температурах такие выдержки были достаточны для получения однородных (равновесных) составов минералов и расплавов и позволяли минимизировать потерю водорода и окисление образца.

Результаты экспериментов показывают сильную зависимость близликвидусных фазовых отношений от содержаний флюидных компонентов. Растворимость CO₂ в кимберлитовом расплаве при высоких давлениях очень высока. Флюидная фаза была отмечена в продуктах опытов только в смеси c 33 мас % CO₂ при температуре ~1700°C. Ликвидусной фазой этого материала при давлении более 6 ГПа является коэсит, к которому добавляется гранат, низко-Ca пироксен и магнезит при снижении температуры. В смесях с меньшим содержанием CO₂ коэсит не был получен даже при 12 ГПа, и основной ликвидусной фазой является низко-Ca пироксен. Добавление воды приводит к некоторому снижению температуры ликвидуса, хотя она остается высокой даже в наиболее богатых водой составах. Помимо снижения температуры ликвидуса, наблюдается сокращение поля пироксена, так что гранат становится доминирующей ликвидусной фазой. Ликвидусным минералом при 6 ГПа в смеси с 12 мас % H₂O является оливин, который сменяется гранатом при увеличении давления.

Полученные результаты приводят к следующим выводам, важным для оценки условий и механизмов образования кимберлитовых магм. (1) Несмотря на сравнительно высокое содержание CaO в исходных составах, высоко-Ca пироксен был отмечен только в самых низкотемпературных опытах в равновесии с существенно дифференцированными остаточными расплавами. Это означает, что кимберлитовые расплавы, содержащие ~15 мас % CaO, могут быть продуктами плавления только бесклинопироксеновых (гарцбургитовых) источников. (2) Увеличение содержания (активности) CO₂ приводит к значительному повышению активности SiO₂ вследствие протекания реакции карбонатизации в расплаве, MgSiO₃ + CO₂ = MgCO₃ + SiO₂. Результатом этого является смена ликвидусных фаз при постоянном соотношении основных компонентов от коэсита при максимальном содержании CO₂, через низко-Ca пироксен и до оливина в самой бедной CO₂ системе. Одновременное насыщение изученного состава оливином и низко-Ca пироксеном возможно при сравнительно небольших содержаниях летучих (~15 мас % CO₂ + H₂O) и различных отношениях CO₂/H₂O. Более высокие содержания летучих возможны в том случае, если первичные магмы были беднее SiO₂, чем изученный нами состав. В этом случае содержание CO₂ в исходном расплаве лимитируется условиями насыщения в отношении магнезита и может превышать 20 мас %. Предположение о низком содержании SiO₂ (составе промежуточном между кимберлитами и карбонатитами) в исходной кимберлитовой магме вполне оправдано, поскольку увеличение содержания SiO₂ в магме может быть следствием взаимодействия с вмещающим перидотитом при подъеме к поверхности. Действительно, если первичные магмы находились в зоне генерации в равновесии с оливином и низко-Ca пироксеном, при снижении давления расплавы оказываются пересыщены оливином и недосыщены пироксеном. Таким образом, взаимодействие с вмещающими придотитами приведет к растворению пироксена и отложению оливина, т.е. увеличению содержания SiO₂ в расплаве без заметного изменения соотношений других компонентов. (3) Увеличение давления выше 8 ГПа приводит во всех случаях к значительному расширению поля кристаллизации граната, который в большинстве случаев становится ликвидусной фазой. Кристаллизация остальных силикатов начинается только после существенного удаления глинозема. Это означает, что плавление карбонатизированного гранатового перидотита при давлении ~10 ГПа и выше приведет к образованию расплавов значительно обедненных Al по сравнению с оценками составов первичных магм. Этот же вывод был получен и в экспериментах по частичному плавлению перидотитов (Brey et al., 2008). (4) Даже при высоких содержаниях H₂O (>10 мас %), температуры ликвидуса кимберлитового расплава оказываются очень высокими (>1500°C при 8 ГПа). Эти значения заметно превышают модельные геотермы для кратонов при значениях тепловых потоков 40-44 мвт/м² (Pollack, Chapman, 1977). Это означает, что образование кимберлитовых магм требует значительного термального события, в то время как в термально невозмущенной мантии кратонов возможно только образование карбонатных расплавов, содержащих <10 мас % SiO₂.

Данное исследование было поддержано грантами РФФИ и Президиума РАН.

Литература:

Becker M., Le Roex A.P. Geochemistry of South African on- and off-craton, group I and group II kimberlites: Petrogenesis and source region evolution // Journal of Petrology, 2006. Vol. 47, P. 673–703.

Brey G.P., Kogarko L.N., Ryabchikov I.D. Carbon dioxide in kimberlitic melts // N. Jahrb., Mineral. Monatsh. 1991. No. 4. P. 159-168.

Brey G.P., Bulatov V.K., Girnis A.V., Lahaye Y. Experimental melting of carbonated peridotite at 6-10 GPa // Journal of Petrology, 2008. Vol. 49. P. 797-821.

Kawamoto T., Holloway J.R. (1997) Melting Temperature and Partial Melt Chemistry of H₂O-Saturated Mantle Peridotite to 11 Gigapascals // Science, 1997. Vol. 276. P. 240-243.

Kopylova M.G., Matveev S., Raudsepp M. Searching for parental kimberlite melt // Geochim. Cosmochim. Acta, 2007. Vol. 71. P. 3616-3629.

Pollack H.N., Chapman D.S. On the regional variation of heat flow, geotherms, and lithospheric thickness // Tectonophysics, 1977. Vol. 38. P. 279–296.