СУЩЕСТВУЮЩИЕ ОЦЕНКИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФОРМИРОВАНИЯ КИМБЕРЛИТОВОЙ ТРУБКИ УДАЧНАЯ-ВОСТОЧНАЯ

Калашникова Т.В.  

Кимберлитовая трубка Удачная находится в Далдыно-Алакитском районе Якутской кимберлитовой провинции. Она была открыта 15 июня 1955 г. отрядом В. Н. Щукина [Харькив с соавторами, 1997]. Предварительная разведка трубки Удачная до 400 м была закончена в 1960 г. и подтвердила ее высокую алмазоносность и промышленное значение. Уникальность трубки в том, что она состоит из двух сопряженных тел, которые образовались не одновременно. Большинство геологов считают, что Западное тело сформировалось на несколько миллионов лет раньше Восточного. Установлена сложная природа трубок и многофазный процесс их внедрения, который прослеживается при анализе внутреннего строения тела. Породы тел отличаются по ряду признаков – в кимберлитах Восточного тела отмечаются меньшая степень измененности процессами серпентинизации, меньшее содержание ксенолитов осадочных пород и повышенное содержание мантийных ксенолитов. В Восточном теле также отмечается большее содержание TiO₂, MgO, Fe₂O₃ и меньшее содержание CaO, CO₂ и K₂O, чем в Западном.
Геологическое положение, минеральный состав, химический состав пород отдельных тел трубки Удачная достаточно хорошо изучены [Илупин с соавторами, 1990; Харькив с соавторами, 1991;  Зинчук с соавторами, 1993]. После разработки методов геотермобарометрии на материале образцов из данной трубки неоднократно проводились определения Т-Р условий формирования, результаты которых связывались с известными экспериментальными данными по синтезу алмазов.
Существуют прямые и косвенные методы определения Т-Р условий формирования минералов. К прямым методам относятся такие, как декрипитация и гомогенизация жидких и газово-жидких включений. Однако использование данных методик ограничено для кимберлитов, испытавших интенсивное, по-существу повсеместное изменение в результате гидротермально метасоматических вторичных процессов. К косвенным методам относятся расчеты, использующие различные зависимости конституционных свойств минералов, а также химического состава совместно кристаллизующихся минералов от температуры и давления.  Первые геотермометры были созданы на основе экспериментальных данных по определению коэффициентов распределения элементов в процессе кристаллизации определенных минералов [Перчук, 1973; Перчук, Рябчиков, 1976]. Для пород ультраосновного и основного состава (к которым относятся кимберлиты) используются следующие ассоциации минералов [Симаков, 2003]:

- Гранат – клинопироксен (распределение Fe-Mg)
- Оливин – пироксен (распределение Fe-Mg)
- Гранат-оливин (распределение Fe-Mg и Ca)
- Клинопироксен-ортопироксен (реакция сольвуса Са-Mg)
- Геобарометр ортопироксен-гранат (содержание алюминия в пироксене).

В качестве геобарометров используются свойства, имеющие зависимость от давления  (например, распределение магний - кальций в гранате и структурное распределение алюминия в пироксене). Разновидностью геотермометров являются изотопные геотермометры, основанные на особенностях фракционирования стабильных изотопов между фазами от температуры. В настоящее время опубликовано более 150 различных геотермометров и геобарометров. Однако расхождения могут достигать сотен градусов и десятков килобар, что объясняется взаимной несогласованностью термодинамических свойств минеральных твердых растворов и распределением отдельных элементов (так как минеральные реакции в различной степени чувствительны к изменению температуры и давления), а также некорректностью методик, описывающих мультикомпонентные растворы. Менакер И. Г. выделяет 4 группы минералогических термометров: оливиновые, двупироксеновые, пироксен-шпинелевые и пироксен-гранатовые. Одними из самых популярных геотермобарометров являются двупироксеновые, использующие распределение Ca и Mg по эквивалентным позициям пироксенов, либо фазовые равновесия в модельной системе CaO-MgO-SiO₂. Примерами таких геотермометров являются работы Wells, 1977; Kretz, 1982; Lindsley and Andersen, 1983; Brey and Kohler, 1990; Mercier, 1980 [Менакер, 1993]. К этой же группе можно отнести мономинеральный термометр Nimis and Taylor, 2000.
При определении термодинамических параметров расплава на начальных стадиях формирования кимберлитов используется макро-мегакристная ассоциация (как наиболее первичные образования из расплава). Также используются мантийные ксенолиты – для определения параметров верхней мантии. Можно предположить, что параметры их формирования являются близкими.
В трубке Удачная наиболее распространенными разновидностями мантийных ксенолитов являются катаклазированные гранатовые лерцолиты, а также зернистые лерцолиты и гарцбургиты [Соловьева, 1994; Зинчук с соавторами, 1993]. Шпинелевые лерцолиты находятся в подчиненном количестве. Из первичных минералов сохраняются гранат, хромит и пикроильменит, оливин и пироксены превращаются в агрегат серпентина и хлоритоподобного минерала. В перидотитах часто отмечается реакция оливина с пиропом. Отмечается, что количество гранатовых перидотитов составляет приблизительно 15-20% от общего числа, подавляющее большинство (около 80%) относится к лерцолитам. Похиленко Н.П. [Похиленко, 2007] предполагает, что пироп-хромшпинелевые перидотиты образовывались во время реакции гранатизации перидотитов в интервале глубин 60-170 км. Пироповые перидотиты развивались на глубинах 65-220 км, где давления были достаточными для завершения реакции гранатизации.
Соловьевой Л.В.[1994] были оценены термодинамические параметры образования ксенолитов различных типов и построен петрологический разрез трубки Удачная. Для расчета температуры использовалась кривая сольвуса пироксена (Finnerty and Boyd, 1984), для расчета давления использовалась зависимость содержания Al₂O₃  в пироксене. В качестве образцов были взяты деформированные лерцолиты, зернистые гранатовые и шпинелевые лерцолиты, а также пироксениты и вебстериты. При этом разновидностью с наиболее высокими термодинамическими параметрами образования являются деформированные лерцолиты. Зернистые гранатовые лерцолиты из гарцбургит-лерцолитовой серии имеют существенно более низкие параметры. Шпинель-гранатовые лерцолиты показывают близкие величины. Гранатовые пироксениты демонстрируют еще более низкие величины. Для пироксенитов и вебстеритов определены самые низкие значения термодинамических параметров из выборки. Соотнесение давлений образования ксенолитов и геофизических данных позволило построить разрез трубки Удачная. Нижнему слою пониженных скоростей (170-150 км) отвечают деформированные лерцолиты. Слою пироксенитов соответствует слой 142-177 км. К глубинам 40-85 км приурочена большая часть пироксенитов и вебстеритов.

Таким образом, можно отметить, что использование различных геотермометров приводит к разным значениям термодинамических параметров образования, которые  могут отличаться до 200°С.  Наиболее глубинные параметры образования характерны для деформированных лерцолитов.
Нами проведена оценка термодинамических параметров образования нескольких образцов включений клинопироксена в оливине трубки Удачная [по Костровицкий, 1986]. Параметры образования рассчитывались по мономинеральному клинопироксеновому термометру (Nimis and Teylor, 2000).

Значения термодинамических параметров, полученные для включений пироксена в макро-, мегакристах оливина, соответствуют различным глубинам образования и различным стадиям внедрения кимберлитов. Большая часть образцов сформировалась на больших глубинах (более 170 км). При анализе таблицы прослеживаются следующие тенденции: при уменьшении глубины кристаллизации пироксенов и связанным с подъемом магмы снижением температуры отмечается уменьшение содержания магния и железа, увеличение содержания кальция и хрома. Таким образом, образование представленных образцов оливиновых макро-, мегакристов трубки Удачная происходило на глубинах 150-200 км.    
Сложность исследований заключается в том, что кимберлиты неизбежно были изменены вторичными процессами, преимущественно метасоматического, а затем гидротермального характера: серпентинизацией, карбонатизацией, хлоритизацией. Вторичные процессы также влияли на перераспределение элементов в породе. Обменные реакции между сосуществующими минералами могут заметно изменить минеральный состав тел. Соответственно, применение известных геотермометров может дать искаженные результаты. Поэтому необходимо учитывать степень измененности породы вторичными процессами. В данном случае Удачная-Восточная представляет пример трубки, которая незначительно изменена процессами серпентинизации и позволяет добиться большей точности при определении Т-Р условий формирования.     
Следует отметить, что при определении температуры образования минералов, кроме вышеперечисленных способов, можно использовать следующие температурные реперы: точки распада твердых растворов отдельных минералов (например, пикроильменитов), температуры существования несмешивающихся жидкостей и другие точки конституционных трансформаций в минералах.

Литература:

1. Агашев А.М. Геохимическая эволюция пород основания литосферной мантии по результатам изучения ксенолитов деформированных перидотитов из кимберлитов трубки Удачная/ А.М. Агашев, Н.П. Похиленко, Ю.В. Черепанова, А.В. Головин. – Доклады Академии Наук - 2010, Т. 432, №4 – С. 510-513.
2. Зинчук Н.Н., Специус З.В., Зуенко В.В., Зуев В.М. Кимберлитовая трубка Удачная. Вещественный состав и условия формирования. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского Университета, 1993. – 147 с.
3. Костровицкий С.И. Геохимические особенности минералов кимберлитов. – Новосибирск: Наука, 1986.
4. Менакер И.Г. Геотермобарометрия ультраосновных пород. – Новосибирск: ВО Наука, 1993. -121 с.
5. Милашев В.А., Третьякова Ю.В. Режим и факторы образования кимберлитов. – СПб: ЯНИГП ЦНИГРИ АК «АЛРОСА», 2003. – 112 с.
6.  Петрохимия кимберлитов. Сост.: А.Д. Харькив, В.В. Зуенко, Н.Н. Зинчук и др. – М.: Недра, 1991. – 304 с. Мин-во геол. СССР, Центр. Науч.-исслед. Геол.-развед. Ин-т цветных и благородных металлов. Якутский ф-л.
7. Перчук Л.Л. Термодинамический режим глубинного петрогенеза. – М.: Наука, 1973. – 318 с.
8. Перчук Л.Л., Рябчиков И. Д. Фазовое соответствие в минеральных системах. – М.: Недра, 1976. – 287 с.
9. Похиленко Н.П., Малыгина Е.В. Неравновесные ассоциации в ксенолитах зернистых перидотитов кимберлитовой трубки Удачная// Кристаллохимия и кристалломорфология минералов [сб. ст.] – Новосибирск, 2007. – С. 296-298.
10. Симаков С.К. Физико-химические условия образования алмазоносных пара-генезисов эклогитов в породах верхней мантии и земной коры. – Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 2003. – 187 с.
11. Соболев Н.В. Глубинные включения в кимберлитах и проблема состава верхней мантии. – Новосибирск: Наука, 1974. – 264 с.
12. Соловьева Л.В., Владимиров Б.М., Днепровская Л.В. и др. В кн.: Кимберлиты и кимберлитоподобные породы: Вещество верхней мантии под древними платформами. – Новосибирск: ВО Наука, 1994. – 256 с.
13. Харькив А.Д., Зинчук Н.Н., Зуев В.М. История алмаза. – М.: Недра, 1997. – 601 с.

Файл с полным текстом: Калашникова.doc