Минералогия и геохимия кимберлитов Западной Якутии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.05, доктор геолого-минералогических наук Костровицкий, Сергей Иванович

• Костровицкий, Сергей Иванович
• доктор геолого-минералогических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор геолого-минералогических наук Костровицкий, Сергей Иванович

Введение

Глава 1. Петрохимические особенности кимберлитов.

1.1. Общие сведения о кимберлитовом вулканизме, о кимберлитовых породах.

1.2. Методические основы изучения кимберлитовых пород

1.3. Алакит-Мархинское поле.

1.4. Далдынское поле

1.5. Верхнемунское поле

1.6. Петрохимия кимберлитов и родственных пород Прианабарья.

1.7. О формировании пстрохимических типов кимберлитов

Глава 2. Состав минералов высокобарной ассоциации в кимберлитах и проблема генезиса мегакристов

2.1. Оливин - породообразующий минерал кимберлитов

2.2. Кристаллические включения минералов в оливинах

2.3. Пикроильменит.

2.4. Гранат. Общие сведения

2.5. Мегакристпый гранат

2.6. Шпинелиды из кимберлитов Якутской провинции.

2.7. Мегакристы флогопита

2.8. Особенности состава барофильной ассоциации минералов из слюдистых кимберлитов Далдынского поля

2.9. Особенности состава мегакристной ассоциации из кимберлитовтрубки

Гриба (Архангельская провинция)

2.10. Минералогическая паспортизация кимберлитовых трубок

Глава 3. Изотопно-геохимическая характеристика кимберлитов.

3.1. Карбонатная компонента кимберлитов

3.2. Изотопно-геохимическая систематика кимберлитов Сибирской "платформы.

Глава 4. Основные закономерности формирования кимберлитов.

4.1. Тектонический контроль и магматические очаги кимберлитового вулканизма.

4.2. О мантийных источниках формирования кимберлитов.

4.3. Проблема алмазоносности кимберлитовых трубок.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Минералогия и геохимия кимберлитов Западной Якутии»

Несмотря на непрерывный поток публикаций по кимберлитовой тематике, который начался с открытия Якутской кимберлитовой провинции, кимберлитовые породы, кимберлитовые трубочные тела остаются одним из самых интересных "загадочных" объектов исследований в геологии. Кимберлиты - основной в мире, а в России пока и единственный источник промышленных алмазов. Они же являются уникальными породами и в научном плане, поскольку предоставляют возможность изучения наиболее глубинного мантийного петрогеиезиса.

Кимберлиты чрезвычайно сложны для изучения в силу неоднородности своего состава, гибридной природы, отсутствия единого равновесного минерального парагенезиса; кроме того, они редки в природе, своеобразны по составу. Формирование кимберлитовых пород также имеет свои особенности. Кристаллизация кимберлитов была очень растянута во времени и в пространстве по сравнению с другими вулканическими породами: начало ее (протомагматическая стадия) происходило в глубинах мантии, а завершение - в приповерхностных трубочных условиях. Предполагается, что кимберлитовый расплав нес с глубин 150-200 км во взвешенном состоянии протоминералы и ксенолиты мантийных пород, что й предопределило наличие в кимберлитах наиболее барофильной ассоциации минералов, которая встречается на поверхности Земли. Хотя заключение о магматической (субвулканической) природе кимберлитов является общепризнанным, но при этом и очевидно, что в их становлении значительную роль сыграли метасоматические процессы. На 80-90 % кимберлиты, как правило, представлены серпентином и карбонатом. Именно поэтому одной из сложнейших задач исследований является выявление в кимберлитах первичной магматической компоненты. Изучению этой проблемы и посвящена настоящая работа.

Петрохимический анализ кимберлитов обычно ограничивается (Илупин и др., 1978; Василенко и др., 1994, 1997; Харькив и др., 1990) установлением основных факторов их вторичной изменчивости, а также факта существенных различий между составами кимберлитов, выполняющих южную и северную субпровинции Якутской кимберлитовой провинции. Между тем, в пределах каждого кимберлитового поля обнаруживаются трубки, в сложении которых участвуют кимберлиты с разной петрохимической характеристикой (по магнезиалыюсти, щелочности, по содержанию ТЮ2). Поскольку существенные различия по составу кимберлитов были обусловлены первичными условиями их формирования, на наш взгляд, возникает целесообразность петрохимической типизации кимберлитов.

Другой важной проблемой петрогенезиса кимберлитов является их взаимоотношения с так называемыми родственными породами, широко развитыми в пределах северных полей Якутской провинции, в том числе, с карбонатитами. К сожалению, до сих пор существует терминологическая путаница с определением этих пород. Разными исследователями (Никишов и др., 1984; Корнилова и др., 1983; Милашев, 1963; Бородин и др., 1976; Лапин и др., 2004) одни и те же породы называются кимберлитами, альнеитами, пикритовыми порфиритами, кимпикритами, альпикритами. Кимберлитовые поля Прианабарья явились полигоном для изучения данной проблемы.

Особое место в исследованиях уделено решению дискуссионного вопроса происхождения минеральных макрокристов в кимберлитах и в первую очередь, минералов-спутников алмаза. Предполагаемое отсутствие различий по составу между ними и минералами, слагающими ксенолиты мантийных пород, - сильный довод сторонников ксеногенной гипотезы их генезиса. Однако, решить этот вопрос (так же, как и другие, касающиеся расшифровки условий, механизмов зарождения, восхождения и становления кимберлитов) можно только изучив особенности пространственного распределения состава минералов. Задача это непростая. При относительно небольшом содержании первичных минералов большинство из них характеризуется широкой вариацией состава (Соболев, 1974; Доусон, 1983). Учитывая критерий представительности анализов, для корректного изучения закономерностей распределения состава минералов-спутников в пределах одного Далдынского поля потребовалось около 10000 микрозондовых определений. Между тем, изучение изменчивости типохимизма барофильной ассоциации минералов в пределах кимберлитового поля важно не только в научном, но и в практическом отношении. Общеизвестно значение минералов-спутников алмаза при поисковых работах, при оценке потенциальной алмазоносности тех или иных перспективных участков или конкретных трубочных тел. Несмотря на относительно высокий уровень изученности алмазоносных кимберлитовых полей, до сих пор отсутствуют работы, обобщающие и систематизирующие данные по составу минералов-спутников из разных трубок одного поля. Знание типохимизма минералов-спутников из трубочных кимберлитов необходимо при установлении коренных источников спутников из тех или иных четвертичных коллекторов, развитых в пределах изучаемого кимберлитового поля.

Минералы кимберлитов исследованы далеко не равноценно. Исторически сложилось так, что акцессорные минералы (спутники алмаза) оказались более изученными, чем породообразующие. В связи с этим в работе уделено внимание и изучению оливина, кальцита и серпентина.

Общепризнанна значительная роль летучих в петрогенезисе кимберлитов, в составе которых устанавливаются чрезвычайно высокие количества Н20, С02. Тем более важно знать, какое количество летучих, фиксируемых в породе, имеет эндогенное происхождение. Поскольку подавляющая часть углекислоты и воды заключена в карбонате и серпентине, то проблема источника летучих в кимберлитах сводится к вопросу происхождения данных минералов. Мнения по нему разные: одни исследователи признают юлько ювенильное происхождение летучих, другие - только поверхностное, гидротермалыю-метасоматическое. Изучение закономерностей пространственного распределения неизмененного оливина и карбонатов в пределах трубки - один из путей выяснения спорного вопроса. Но самый эффективный и надежный путь решения проблемы летучих - изотопные исследования.

Основной целью проведенных исследований являлось выяснение закономерностей формирования кимберлитов, уточнение наших знаний о природе кимберлитов. Мантийные источники вещества, эволюция состава кимберлитов в процессе заполнения трубок, типохимизм минералов-спутников, происхождение мегакристной ассоциации минералов, роль летучих в становлении кимберлитов, роль гидротермально-метасомагических процессов в преобразовании первичного состава кимберлитов, - вот неполный круг вопросов, которые стояли перед исследователем и которые нашли то или иное решение в работе. Основой решения многих из этих вопросов явилась предпринятая автором изотопно-геохимическая систематика кимберлитов и родственных пород, развитых в пределах Сибирской платформы. Актуальность разрабатываемой темы определяется и тем, что исследование типохимизма состава минералов, являющееся основой работы, это путь как к выявлению минерало-геохимических критериев поиска новых кимберлитовых трубок, так и к познанию природы глубинных пород.

Логика изложения материала в диссертации следующая. В первой главе обращается внимание на петрохимическую неоднородность кимберлитов в пределах разных полей Якутской провинции, выделяются разные петрохимические типы, образование которых обусловлено первичными причинами. Вторая глава, в основном, посвящена описанию особенностей состава барофильных ассоциаций минералов, встречаемых в кимберлитах в качестве акцессорных, и образование которых предположительно связано с формированием кимберлитовых трубок. В первых разделах главы приводится обоснование такой связи для низкохромистого парагенезиса мегакристов (граната, пикроильменита, флогопита и оливина), встречаемого в магнезиально-железистом и железисто-титанистом петрохимических типах кимберлита. В последующих двух разделах описываются высокомагнезиальный, высокохромистый парагенезис макрокрисгных минералов из высокомагнезиального, высококалиевого кимберлита трубки Загадочная и высокохромистый, высокотитанистый парагенезис мегакристных минералов из трубки Гриба (Архангельская провинция). Третья глава содержит изотопно-геохимическую информацию, которая служит как для понимания источников карбонатной компоненты кимберлитов, так и для создания модели формирования самих кимберлитовых пород.

В основу работы положены материалы, полученные автором в течение почти 40-летних исследований, которые проводились с 1970 по 1986 г. в Институте земной коры СО АН СССР, а с 1986 по настоящее время - в Институте геохимии СО РАН. Автор последовательно занимался, работая непосредственно в карьерах крупнейших месторождений алмазов, сначала изучением внутреннего строения кимберлитовых трубок Мир, Интернациональная, Айхал, Удачная, затем исследованием отдельных вопросов по петрохимии и минералогии кимберлитов перечисленных трубок. В последние годы основное внимание автора было обращено на минерально-геохимические и изотопные исследования кимберлитов. Особый акцент исследований был сделан на изучении мегакристной ассоциации минералов, а также на проведении минералогической паспортизации кимберлитовых трубок алмазоносных кимберлитовых полей. При выполнении планов НИР СО РАН, а также договорных работ с объединением "Якуталмаз',! КТЭ "Архангельскгеология", "Аэрогеология", Амакинской экспедицией автором был собран каменный и шлиховой материал практически со всех трубок Малоботуобинского, Далдынского, Алакит-Мархинского, Куойкского полей и со значительного числа трубок Малокуонамского, Лучаканского, Ары-Мастахского, Староречинского, Номохтоохского и Орто-Ыаргинского полей Якутской провинции и ряда трубок, силлов Северо-Русской провинции.

Защищаемые положения:

1) Кимберлиты Якутской провинции отличаются широкой изменчивостью составов. В пределах провинции, отдельных полей трубок по содержанию РеОШа!, ТЮ2 и К20 устанавливается региональная неоднородность кимберлитов, - выделяется 5 пегрохимических типов. В пределах кустов и отдельных трубок кимберлиты проявляют локальную неоднородность, являющуюся следствием дифференциации расплава-флюида при образовании трубочных тел, а также вторичных гидротермально-метасоматических процессов.

2) Характерная для кимберлитов Якутской провинции высокая насыщенность С02 обязана, в основном, гидротермально-метасоматическим процессам и в меньшей мере, первичной магматической карбонатной компоненте.

3) Кимберлиты разных петрохимических типов содержат разные ассоциации макро-, мегакристных барофильных минералов, происхождение которых связано с ранним этапом кристаллизации в мантийных условиях: а) низкохромистая, высокотитанистая (титансодержащий гранат (0,4-1,5 мае. % ТЮ2), пикроильменит, железистый оливин (>9% Fa), флогопит); б) магнезиально-хромистая (хромистый пироп, хромшпинелид); в) калиевая магнезиально-хромистая (флогопит, хромдиопсид, хромистый пироп); г) титан-магнезиально-хромистая (высокохромистый пикроильменит (до 8 мае. % Сг203), хромисто-титанистый гранат, хромдиопсид, флогопит; Архангельская провинция).

4) Микроэлементный (по группе несовместимых элементов) состав кимберлитов, в основном, не зависит от вариаций химического состава пород, что указывает на существование разных источников макро- и микрокомпонентов при формировании магнезиального и магнезиально-железистого типов кимберлитов. Химический состав кимберлитов этих типов в значительной мере зависел от участия в их формировании обломочного материала литосферной . мантии. Высокий уровень насыщенности кимберлитов несовместимыми элементами (REE, HFSE, U, Th и др.) независимо от петрохимического типа определялся единым астеносферным источником.

5) Изотопный состав Sr и Nd в кимберлитах и родственных породах Якутской провинции характеризует мантийный источник как слабо истощенный, близкий по значению к источнику PREMA. Выдержанность его состава свидетельствует о высоком уровне однородности астеносферы под Сибирской платформой.

Аналитические работы, включающие силикатный анализ и микроэлементные определения (Ni, Со, Cr, V, Zn, Си, Pb, Li, Rb, F, Cl, Sr, Ba, Zr, Nb) были проведены, в основном, в лабораториях Института геохимии СО РАН, частично - в Институте земной коры и в Сосновской экспедиции ИТГУ. Химический состав пород определялся, в основном, методом РФ А, дополняемым определениями FeO, Fe203, Н20 С02 методами мокрой химии. Редкоэлементный состав кимберлитов изучался *методами ICP, спектрального количественного анализа, атомной абсорбции, пламенной фотометрии. Таким образом, изучено около 600 проб кимберлитовых пород. Изучение REE было осуществлено (70 проб) в Институте геохимии (предварительное обогащение, спектральный анализ). Мономинеральные фракции оливина, граната, пикроильменита изучены на рентгеновском микроанализаторе (более 10000 анализов) в ЦАЛ

Ботуобинской экспедиции AK «AJTPOCa», Институте геохимии СО РАН, Институте геологии ЯФАН, МГУ, Лэйкхедском университете (Канада), Геологической Службе ЮАР (г. Претория). Редкоэлементный состав гранатов, клинопироксенов, флогопитов (более 60 определений) изучался методом вторично-ионной спектрометрии (SIMS) на микроанализаторе «Carneca IMS ion probe» в Институте микроэлектроники РАН (г. Ярославль). Изучение карбонатной составляющей кимберлитов (около 400 проб) было осуществлено методом кальцитометрии, разработанным в Институте геохимии СО РАН Е.И. Воробьевым. Комплексное изотопное изучение кимберлитов Якутской и СевероРусской провинций на Sr, С, О и Pb (более 50 проб) выполнено в лабораториях Института земной коры, Института геохимии СО РАН, а также в Институте геохимии им. Вернадского (г. Москва). Определение изотопного состава Sr и Nd для валовых проб кимберлита было осуществлено (32 пробы) в японском Университете города Шинши на масс-спектрометре Finnigan МАТ 262. Был также изучен изотопный состав Sr и Nd для мономинеральных фракций гранатов, клинопироксенов и флогопитов (около 30 определений) на масс-спектрометре Finnigan в лаборатории Института геохимии СО РАН. Изотопный состав кислорода в силикатных минералах был выполнен (58 проб) в аналитическом центре ДВГИ ДВО РАН на масс-спектрометре Finnigan МАТ 252.

Благодарности. Проведенные исследования являются итогом многолетних творческих исканий, на длинном пути которых автор не только встречался, но и работал в тесном контакте со многими геологами — алмазниками, ветеранами труда и на производственном, и на научном поприще. Данная работа посвящается их памяти - как ныне здравствующих, так и тех, кого уже нет в живых.

Большую помощь в организации исследований кимберлитовых трубок -месторождений постоянно оказывали геологи рудников Мир, Айхал, Удачная - В.В. Заборовский, В.В. Готовцев, Г.А. Капитонов, Н.И. Степанов, Т.Г. Насурдинов,

В.И. Волчепко, Г.П. Шмаров, И.В. Маковчук, М.Л. Меркулов, М.А. Карпенко во главе с главными геологами Объединения «Якуталмаз», а в настоящее время АК «АЛРОСа» - А.И. Богкуновым, В.М. Зуевым, С.М. Безбородовым, С.И. Митюхиным.

Можно со всей определенностью сказать, что без внимания к научным исследованиям, сопровождаемым существенной финансовой поддержкой со стороны Амакинской, Ботуобинской экспедиций, а также алмазной лаборатории ЦНИГРИ АК «АЛРОСа» данная работа не состоялась бы. Автор выражает свою признательность всем геологам этих организаций, и в частности, PI.Я. Богатых, М.М. Богатых, В.Н. Щукину, М.И. Лелюх, И.В. Лашкевичу, A.B. Герасимчуку, А. Я. Ротману, A.A. Кисляку, A.B. Толстову, С.Д. Черному, A.C. Фомину, A.M. Хмелькову. Хочется подчеркнуть, что особо неоценимая помощь в организации полевых работ и в обсуждении полученных результатов на научно-технических советах была оказана геологами Амакинской экспедиции и, прежде всего, ее гл. геологом В.П. Серовым.

Безусловно, определяющую роль в формировании основных идей на природу кимберлитов сыграли тесные очные и заочные (через книги, статьи) научные контакты с корифеями по алмазной тематике — М.М. Одинцовым, B.C. Соболевым, Б.М. Владимировым, А.Д. Харькивым, A.B. Ухановым, В.К. Гараниным, Г.П. Кудрявцевой, Г.В. Золышковым, Б.А. Мальковым, В.К. Маршинцевым, В.А. Милашевым, К.Н. Никишовым, Е.В. Францессон.

Особую признательность автор выражает ушедшему из жизни И.П. Илупину, который был пионером в изучении минералогии и геохимии якутских кимберлитов. Скрупулезный стиль исследований Иосифа Петровича, его честность, добросовестность в сборе фактурной аргументации стали для автора примером в работе; многочисленные тропы, которые он пробивал к трубкам, стали и тропами автора; многие из его идей по глубокой связи барофильных минералов с кимберлитами были развиты в настоящем исследовании.

Автор очень благодарен всем аналитикам за высокую квалификацию, доброжелательность и проявленную терпимость к заказчику. Изотопные исследования кимберлитов проводились Ю.А. Пахольчепко, Г.П. Сандимировой под руководством Г.С. Плюснина и С.И. Дриля, М.Н. Масловской, В.С, Лепиным, Л.В. Днепровской под руководством С.Б. Брандта. В изучении карбонатной составляющей кимберлитов непосредственное участие принимал Е.И. Воробьев. Микрозондовые анализы выполнялись Л.Ф. Сувор9вой A.C. Ивановым. Всем им автор выражает благодарность.

Автор признателен коллегам - Л.В. Соловьевой, З.А. Алтуховой, А.И. Альмухамедову, И.В. Ащепкову, О.М. Глазунову, М.А. Горновой, К.Д. Литасову, В.Г. Мальковцу, А .Я. Медведеву, A.C. Мехоношину, О.Б. Олейникову, А.П. Смелову, а также друзьям алмазникам - A.A. Амиржанову, В.П. Корниловой, В.И. Никулину, А.И. Пономаренко, Н.П. Похиленко, С.А. Прокопьеву, З.В. Специусу, В.П. Серенко, И.В. Серову, Г.С., Фон дер Флаассу за действенную помощь в исследованиях. Большая неоценимая помощь в проведении исследований получена мной от сотрудников лабораторий (в которых я работал) и от моих бывших и настоящих учеников - К.Н. Егорова, В.Т. Подвысоцкого, Н.В. Алымовой, Д.А. Яковлева. Автор благодарен и зарубежным коллегам, научные контакты с которыми были весьма плодотворны - Деону де Бруину (Претория, ЮАР), Р. Митчеллу (Канада), Т.Морикиуо (Япония).

Автор очень признателен академикам Л.В. Таусону, М.И. Кузьмину за создание творческой атмосферы в институте, чрезвычайно важной для успеха любой научной работы, академику Н.В. Соболеву за постоянное внимание и поддержку проводимых исследований. Неоценимую помощь на всех этапах исследования оказывала жена и коллега Л.В. Фивейская.