Главная – Журналы – Геология и геофизика 2015 номер 1-2

Представлен аналитический обзор основных результатов и тенденций по программе «Глубинный цикл углерода». В первом разделе рассматриваются проблемы, связанные с зонами субдукции с упором на геолого-геофизические данные по Камчатке и Кокчетавской палеосубдукционной зоне. Экспериментальным исследованиям в широком диапазоне давлений посвящен раздел «Кристаллогенезис и экспериментальная минералогия». С алмазной тематикой связаны статьи, объединенные в разделы «Кристаллогенезис алмаза» и «Алмаз и кимберлитовый магматизм» на примере Якутской алмазоносной провинции.

Представлен обзор имеющихся знаний о процессах субдукции, полученных методами геологии, петрологии и сейсмологии. Показана роль каждого из направлений в изучении зон субдукции, их сильные и слабые стороны. На основе анализа результатов многомасштабных томографических исследований делается предположение о многоуровневой системе миграции флюидов и расплавов над погружающимся слэбом. В работе приводятся возможные физико-химические сценарии эволюции глубинных источников вулканизма с учетом широкого круга геологических и геофизических данных. Рассмотрены два ключевых объекта. Первый — Камчатка и Япония, представляющие собой современную зону субдукции, которая активно изучается различными геолого-геофизическими методами. Исследования Камчатки и Японии подтверждают определяющую роль выплавления андезитов при субдукции океанической коры, а также сложность построения модели с независимой миграцией расплавов и флюидов. На примере Камчатки уточнена роль промежуточных камер на глубине 50–80 и около 30 км и показано значение малоглубинных камер как этапов подготовки к извержению. Второй объект — Кокчетавский массив, который представляет собой вынесенный на поверхность фрагмент древней зоны субдукции. Эксгумация пород, претерпевших субдукцию, дает возможность напрямую исследовать состав и возраст расплавов, сопутствовавших субдукции на протяжении всей жизни процесса.

Охарактеризованы геологические, геохимические и микробиологические особенности нефти и участка гидротермального нефтепроявления кальдеры Узон. Методом ICP–MS определено содержание широкого спектра элементов в узонской нефти, нефтяных растворах и гидротермах. Основные термальные проявления кальдеры Узон контролируются тремя направлениями разрывных нарушений, главным из которых является субширотная магмопроводящая зона между вулканами Кихпиныч и Тауншиц, насыщенная округлыми каналами просачивания растворов. Нефтяная площадка расположена на периферии горячего участка Восточного термального поля, характеризующегося наиболее высокой парогазовой активностью. На диаграмме Eh–pH точки, отражающие состав растворов кальдеры Узон, образуют области и тренды, хорошо сопоставляющиеся с границами устойчивости форм серы и железа. В пределах Нефтяной площадки установлен значительный разброс температуры и Eh-pH параметров поровых растворов. Геохимические особенности растворов Нефтяной площадки в целом близки к другим растворам кальдеры Узон. Различия заключаются в соотношениях сульфид-иона и сульфат-иона, которые возникают при смешении растворов натриево-хлоридного состава, приходящих из глубины и формирующихся при окислении сульфидсодержащего вещества. Содержания S, As и Hg в нефти Узона превышают средние содержания в земной коре. Геохимические особенности нефти и растворов характеризуются близкими содержаниями B, S, Cl, As, Se, Br, Cd, I, Hg и Pb. Концентрации Ti, V, Cr, Co, Ni, Cu, Cd, Nb, Sn в нефти и растворе различаются наиболее сильно. В пробах вещества из источников и закопушек Восточного термального поля методами 16S рРНК библиотек и пиросеквенирования определен состав архей. Их доля в исследованных микробных сообществах кальдеры Узон различна — от 2 до более 70 % от общего числа выявленных последовательностей. Во всех пробах, кроме одной, присутствует в значительном количестве тип Crenarchaeota . В четырех пробах большим числом последовательностей представлен тип Euryarchaeota, к которому относятся метанобразующие археи, экстремальные галофилы и некоторые экстремальные термофилы. Комплекс проведенных геологических, минералого-геохимических, микробиологических и физико-химических исследований нефтяных проявлений в кальдере Узон свидетельствует о характерных отличительных особенностях нефти и сложности ее формирования.

Приведены данные по различным аспектам геологии, минералогии, петрологии, геохимии и геохронологии алмазосодержащих метаморфических пород Кумдыкольского террейна, указывающие на сопоставимость их протолита с осадочными породами Кокчетавского микроконтинента. Структурное положение изученных объектов в составе аккреционно-коллизионной зоны свидетельствует, что субдукция Кокчетавского микроконтинента под венд-кембрийскую Ишимско-Селетинскую островную дугу является главным механизмом транспортировки графитосодержащих терригенно-карбонатных пород до условий превращения их в алмазоносные метаморфические породы. Осадочные породы Кокчетавского микроконтинента, обогащенные графитом, сульфидами и карбонатами железа, являются той средой, которая содержит все необходимые компоненты для кристаллизации алмазов в глубинных условиях зоны субдукции, что хорошо согласуется с данными экспериментов и составов флюидно-расплавных включений в минералах алмазоносных пород.

Приводятся данные о существовании карбонатитового, силикатного и сульфидного расплавов и их несмесимости на различных этапах метаморфизма пород сверхвысоких давлений Кокчетавского массива (Северный Казахстан). Диагностированные нами полифазные силикатные, силикатно-карбонатные и сульфидные включения рассматриваются в данной работе как продукты раскристаллизации высокобарических расплавов. Находки реакционных симплектитовых структур гранат-калишпат-алланит-кальцит во включениях в гранате и идентичные структуры вокруг граната позволяют связывать их образование с кристаллизацией карбонатитового расплава. Предполагается, что плавление карбонатов произошло благодаря наличию свободной флюидной фазы (преимущественно Н₂О) и/или повышенному содержанию щелочей в системе. Совместное нахождение карбонатных и силикатных включений свидетельствует о разрыве смесимости между карбонатитовым и силикатным расплавами. Находки калиевого кимрита в полифазных включениях позволяют оценить минимальные давления захвата силикатного расплава ~4.5 ГПа. Максимальные давления захвата этих включений отвечают 6–7 ГПа при температуре 1000–1100 °С и соответствуют пику метаморфизма пород Кокчетавского массива. Вероятнее всего, область несмесимости карбонатитового и силикатного расплавов наблюдается при РТ–параметрах 4.5–7 ГПа и 950–1100 °С, при этом в карбонатитовом расплаве может растворяться до 18 мас. % SiO₂, а в силикатном расплаве до 4.5 об. % СаСО₃.

Выполнено комплексное исследование одного из ключевых образцов известково-силикатной породы сложного состава, относящейся к серии метаморфических пород сверхвысоких давлений Кокчетавского массива. Исследование серии новых шлифов осуществлялось с помощью катодолюминесцентной микроскопии, электронно-зондового микроанализа и просвечивающей/аналитической электронной микроскопии. Полученные результаты подтвердили присутствие микроалмазов и индикаторных признаков сверхвысоких давлений (К в клинопироксене) для семи из восьми выделенных ранее прослоев образца. Только в одном прослое с парагенезисом, в который включены форстерит, Ti-клиногумит, доломит, люминесцирующий гранат (Mg# = 86-95), клинопироксен без примеси калия и перовскита, алмазы не установлены. Симплектитовые каймы, замещающие гранат данного прослоя, представлены шпинелью, прорастающей авгитовый клинопироксен с редкой примесью сапфирина и корунда, в них отсутствуют водосодержащие минералы. В алмазсодержащих прослоях (1, 2а) и (4-8) гранаты (Mg# = 81-83) и (Mg# =38-53) соответственно не проявляют люминесценции. Они вместе с К-cодержащими клинопироксенами находятся в Mg-кальцитовом матриксе. Отличительной чертой симплектитовых кайм является обилие выделений корунда, часто иглоподобных, и сапфирина в матриксе авгитового пироксена с незначительной примесью шпинели. Характерно присутствие в симплектитовых каймах высокомагнезиальных флогопита и К-амфибола, причем последний впервые установлен в метаморфических породах вообще. Различная роль водосодержащих минералов на ранних стадиях регрессивного метаморфизма для разных прослоев отражает подвижность флюидов даже в пределах отдельно взятого образца.

Приводится анализ экспериментальных данных по фазовым взаимоотношениям в карбонатных системах. В первом разделе рассмотрены P-T диаграммы состояния простых карбонатов: MgCO ₃, CaCO ₃, FeCO ₃, BaCO ₃, SrCO ₃, K ₂CO ₃ и Na ₂CO ₃. Во втором разделе рассмотрены T-X диаграммы состояния бинарных и тройных систем: CaCO ₃-MgCO ₃, CaCO ₃-FeCO ₃, CaCO ₃-FeCO ₃-MgCO ₃, BaCO ₃-СаCO ₃, SrCO ₃-СаCO ₃, BaCO ₃-SrCO ₃, CaCO ₃-MgCO ₃-BaCO ₃, CaCO ₃-MgCO ₃-SrCO ₃, BaCO ₃-CaCO ₃-SrCO ₃, BaCO ₃-MgCO ₃-SrCO ₃, Na ₂CO ₃-CaCO ₃, K ₂CO ₃-CaCO ₃, K ₂CO ₃-Na ₂CO ₃, Na ₂CO ₃-K ₂CO ₃-CaCO ₃ и K ₂CO ₃-MgCO ₃ при давлениях до 3.5 ГПа. В третьем разделе приведены T-X диаграммы состояния в системах MgCO ₃-FeCO ₃, MgCO ₃-CaCO ₃, CaCO ₃-FeCO ₃, MgCO ₃-FeCO ₃-CaCO ₃, K ₂CO ₃-MgCO ₃, Na ₂CO ₃-MgCO ₃, K ₂CO ₃-FeCO ₃, Na ₂CO ₃-FeCO ₃, K ₂CO ₃-CaCO ₃, Na ₂CO ₃-CaCO ₃, K ₂CO ₃-FeCO ₃-MgCO ₃, Na ₂CO ₃-FeCO ₃-MgCO ₃, K ₂CO ₃-CaCO ₃-MgCO ₃ и Na ₂CO ₃-CaCO ₃-MgCO ₃ при 6 ГПа. В заключительной главе обсуждаются температуры образования и особенности состава карбонатных расплавов в верхней мантии и перспективы дальнейших исследований фазовых взаимоотношений в карбонатных системах при высоких давлениях и температурах.

Экспериментальное моделирование процессов образования железистых карбонатно-силикатных расплавов при взаимодействии карбонат-оксид-металл проведено в системе (Mg,Ca)CO ₃-SiO ₂-Al ₂O ₃-Fe ⁰ при давлениях 6.3 и 7.5 ГПа, в интервале температур 1150-1650 °С, на беспрессовом многопуансонном аппарате высокого давления типа «разрезная сфера» (БАРС). В субсолидусной области (1150-1450 °С) параллельно реализуются реакции декарбонатизации с образованием пироп-альмандина (Fe# = 0.40-0.75) и CO ₂-флюида, а также редокс-взаимодействия карбоната и Fe ⁰, приводящие к кристаллизации карбида железа в ассоциации с магнезиовюститом (Fe# = 0.75-0.85). Установлено, что образование графита происходит при восстановлении карбоната или CO ₂-флюида карбидом железа и в ходе редокс-взаимодействия магнезиовюстит + CO ₂, в результате чего в ассоциации с графитом кристаллизуется Fe ³⁺-содержащий магнезиовюстит. В интервале 1450-1650 °С установлена генерация карбонатно-силикатных расплавов, сосуществующих с пироп-альмандином, магнезиовюститом, магнетитом, феррошпинелью и графитом. Состав полученных расплавов характеризуется концентрацией SiO ₂ ≈ 10-15 мас. %, валовым содержанием оксидов железа 36-43 мас. % и значениями Fe ³⁺/∑Fe ≈ 0.18-0.23. Эти обогащенные Fe ³⁺ карбонатно-силикатные расплавы/флюиды насыщены углеродом и являются средой кристаллизации графита. Оксидные и силикатные фазы (альмандин, феррошпинель, магнетит), сосуществующие с графитом, также характеризуются очень высокими величинами Fe ³⁺/∑Fe. Установлено, что обогащенные Fe ³⁺ карбонатно-силикатные расплавы могут возникать при взаимодействии Fe ⁰-содержащих пород с карбонатизированными породами. В условиях восстановленной мантии (в присутствии карбидов или оксидов железа) расплавы подобного состава могут являться одновременно источником углерода и средой кристаллизации графита. После отделения и подъема эти железистые карбонатно-силикатные расплавы могут быть потенциальными агентами окислительного метасоматоза в условиях литосферной мантии.

Кристаллическая структура гирвасита NaCa ₂Mg ₃(PO ₄) ₃(CO ₃)(H ₂O) ₆ уточнена на основе рентген-дифракционных данных, собранных при 173 K, что позволило уточнить кристаллохимическую формулу минерала. Минерал моноклинный, P 2 ₁/ c , a = 6.4784(2), b = 12.2313(3), с = 21.3494(6) Å, β = 89.624(2)°, V = 1691.67(8) Å ³ (при 173 K), Z = 4, R ₁ = 0.037 для 6471 независимого рефлекса. Кристаллическая структура гирвасита содержит три позиции Mg, две позиции Ca и одну позицию Na. Атомы Mg октаэдрически координированы атомами O и молекулами H ₂O. Позиции Ca координированы восемью анионами, тогда как координационное число Na равно семи. Основу кристаллической структуры составляют гетерополиэдрические слои, образованные полимеризацией октаэдров Mg, тетраэдров PO ₄ и групп CO ₃. Слои состоят из фундаментальных блоков, образованных двумя Mg-октаэдрами, формирующими димерные комплексы, декорированные тремя тетраэдрами PO ₄ и связанные с октаэдрами MgO ₆, делящими ребро с карбонатными треугольниками. Фундаментальные блоки полимеризуются с образованием цепочек, вытянутых вдоль оси a . Цепочки, в свою очередь, связаны в гетерополиэдрические слои, заполненные катионами Ca ²⁺ и Na ⁺ и молекулами H ₂O с образованием электронейтральных слоев, параллельных плоскости (001). Соседние слои связаны друг с другом посредством сложной системы водородных связей. Интересным аспектом структуры является бидентантная координация атома Mg2 группой CO ₃. Валентный угол O14-Mg2-O16 сокращается от 90° (ожидаемая величина для правильного октаэдра) до 60.46°, тогда как угол O14-C-O16 сокращается от 120° до 115.92°. Гирвасит является наиболее структурно-сложным минералом среди известных на сегодняшний день природных фосфат-карбонатов. Его высокая структурная сложность является следствием сложного химического состава и высокой степени гидратации, что связано с образованием минерала при специфических геохимических и термодинамических условиях (низкотемпературные и низкобарические взаимодействия фосфатных растворов с первичными доломитовыми карбонатитами).

Недавние экспериментальные исследования показали предпочтительную устойчивость Fe ₃C при параметрах ядра Земли по отношению к Fe ₇C ₃. Теоретический расчет при 0 К, в свою очередь, показывает возможную стабильность карбида Fe ₂C при давлениях ядра Земли. В связи с этим было проведено теоретическое моделирование карбидов железа при давлениях до 500 ГПа. Установлены давления магнитных переходов и энергетически устойчивые фазы при 0 К. Для карбидов Fe ₇C ₃ и Fe ₃C параметры магнитных переходов согласуются с предыдущими данными. Фазовый переход в карбиде Fe ₂C от пространственной группы Pnnm к Pnma определен при давлении 28 ГПа. Выше давления 100 ГПа у Fe ₂C будет наблюдаться исчезновение магнитного момента. При допущении, что углерод является единственным легким элементом в системе, данные первопринципных расчетов показывают содержание углерода 2.7-2.9 и 2.0-2.2 мас. % при 5000 и 7000 К соответственно на границе внутреннего ядра.

Путем совместного анализа существующих экспериментальных измерений изобарной теплоемкости, модулей сжатия, термического расширения в зависимости от температуры при атмосферном давлении, а также объема на комнатной изотерме и при повышенных температурах построены уравнения состояния форстерита, вадслеита, рингвудита, MgSiO ₃-перовскита, акимотоита и MgSiO ₃-постперовскита. В качестве термодинамической модели были использованы модифицированные уравнения состояния на основе свободной энергии Гельмгольца. Полученные уравнения состояния позволяют рассчитать любые термодинамические функции рассматриваемых минералов в зависимости от температуры и объема или от температуры и давления. По реперным экспериментальным точкам определена разница в энергии Гиббса между этими фазами и построена фазовая диаграмма в системе MgSiO ₃-MgO. На основании фазовых переходов были интерпретированы сейсмические границы Земли на глубинах 410 и 520 км, а также в области зоны D″ . Под вопросом остается глобальный раздел верхней и нижней мантии на границе 660 км, который плохо согласуется с экспериментальными и расчетными данными по диссоциации рингвудита на перовскит и периклаз.

Скорости прохождения звуковых волн в hcp-Fe определены методом неупругого рассеяния рентгеновских лучей с высоким разрешением одновременно с рентгенодифракционным анализом в алмазной ячейке с резистивным нагревом при давлениях до 174 ГПа и 298 K, а также при давлениях до 88 ГПа и 700 K и до 62.5 ГПа и 1000 K. Данные, полученные при 298 K и при высокой температуре, свидетельствуют о линейной зависимости плотности железа от температуры, расширяя диапазон действия закона Бёрча относительно предыдущих работ. Сравнение полученных данных с моделью PREM показывает, что состав ядра может отличаться от традиционной модели с легкими элементами, т.е. включать тяжелые элементы. В качестве альтернативной гипотезы можно предположить изменение линейной зависимости плотности от давления при температурах 1000 K, что требует дальнейшей экспериментальной проверки.

Экспериментальные исследования по кристаллизации алмаза в кимберлитовом расплаве проведены на многопуансонной аппаратуре высокого давления «разрезная сфера» при давлении 6.3 ГПа в интервале температур 1300-1570 °С и при давлении 7.5 ГПа в интервале температур 1450-1570 °С, длительностью 40 ч. В качестве исходных составов был использован кимберлит I группы из тр. Удачная-Восточная и синтетическая мультикомпонентная смесь, моделирующая усредненный состав кимберлитов II группы. Экспериментально установлено, что рост кристаллов на затравках в кимберлитовом расплаве, равновесном с оливином, пироксеном и гранатом, реализуется, начиная с температуры 1400 °С при 7.5 ГПа и 1520 °С при 6.3 ГПа. Для нуклеации алмаза требуются более высокие Р - Т параметры: 1570 °C и 7.5 ГПа. По данным экспериментов, производные кимберлитовых расплавов, обогащенные щелочами и обедненные силикатными компонентами, обеспечивают рост и нуклеацию алмаза при меньших Р - Т параметрах, составляющих 1400 °С при 7.5 ГПа и 1520 °С при 6.3 ГПа. Полученные результаты позволяют утверждать, что основными факторами, контролирующими алмазообразующие процессы в кимберлитовых расплавах и их производных, являются температура, давление и состав среды кристаллизации.

Условия образования алмаза могут быть определены по остаточному давлению во включениях, захваченных в алмазе, измеренному при обычных условиях, и уравнениям состояния (УС) минерального включения и алмаза-хозяина. Таким образом, параметры УС алмаза и фазы включения, имеют решающее значение для определения точности и достоверности расчета условий формирования алмазов. Вопросы, которые мы затрагиваем в работе, - как точны расчеты и, в частности, знаем ли мы параметры УС алмаза с точностью и аккуратностью, которые не вносят существенного вклада в неопределенности в геологических выводах из этих расчетов? Мы представляем обзор самых последних данных по сжатию, моделированию и прямых измерений упругих свойств алмаза и показываем, что они согласуются с объемным модулем упругости K _{0 T} = 444 (2) ГПа при комнатной температуре и производной по давлению K′ = 4.0. В сочетании с моделью теплового давления (a _{V 300,0} = 2.672(3)·10 ^-6 K ^-1, температура Эйнштейна θ _E = 1500 К) изменение объема алмаза от комнатных условий до давлений и температур, превышающих значения для переходной зоны Земли, описывается в пределах неопределенностей, присущих как экспериментальным, так и расчетным определениям. На примере включений оливина в алмазе эти неопределенности в параметрах УС алмазов приводят к неточностям в давлениях захвата не более 0.001 ГПа при низких температурах и 0.008 ГПа при более высоких температурах.

Экспериментально определены коэффициенты межфазового распределения K _р ^РЭ представительного набора редких элементов (РЭ) в частично расплавленной перидотит-эклогит-карбонатитовой алмазообразующей системе при 7.0-8.5 ГПа. Данные свидетельствуют, что распределение редких элементов практически не зависит от состава расплава, при этом тяжелые редкоземельные элементы концентрируются преимущественно в гранате. Основываясь на концентрации редких элементов в минералах перидотитового и эклогитового перагенезисов во включениях в алмазах, с одной стороны, и экспериментально определенных K _р ^РЭ, с другой, - рассчитаны модельные концентрации РЭ в природных алмазообразующих карбонатитовых расплавах мантийных очагов. В результате обнаруживается, что основной вклад РЭ в материнские среды связан с компонентами мантийных перидотитов, при этом материнские среды обеднены средними (Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd) и тяжелыми (Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Hf) редкими элементами по сравнению с примитивным перидотитом. Повышенное содержание Sr, Nb, Ce в полностью смесимых карбонатно-силикатных расплавах можно связать с участием метасоматического агента в формировании очагов алмазообразующих карбонатитовых магм.

Для выяснения особенностей протогенетических включений графита в природном алмазе изучены кристаллы алмаза с включениями графита, полученные в экспериментах по моделированию природного алмазообразования в хлоридных и карбонатных системах при мантийных Р - Т параметрах. Установлено, что включения как исходного графита, так и графита, образующегося при разложении оксалата натрия, формируют в алмазе плотные скопления различных по форме зерен и пластинок графита. При большом количестве включений кристаллы алмаза становятся черными и непрозрачными. Отличительным признаком таких алмазов являются значительное низкочастотное смещение (до 1328 см ^-1) и уширение (до 6.5 см ^-1) рамановской линии алмаза, свидетельствующие о высокой величине остаточных деформаций. По материалам предшествующих экспериментальных исследований и результатам, полученным в настоящей работе, обсуждаются отличительные особенности протогенетических, сингенетических и эпигенетических включений графита в алмазе и возможность использования этих особенностей в качестве типоморфных признаков при исследовании природных алмазов и реконструкции их генезиса.

Системные экспериментальные исследования фракционирования изотопов углерода при кристаллизации алмаза в модельных системах в области буферов IW и ССО позволили установить эффективные коэффициенты разделения изотопов углерода между алмазом и средой кристаллизации. В системах Fe(Ni,Co)-C около буфера IW при 5.5 ГПа и 1400-1500 °С алмаз тяжелее раствора углерода в расплаве металла на 4.5 ‰. В системе (Na ₂CO ₃·CO ₂)-С около буфера ССО при 7.5 ГПа и 1400-1700 °С алмаз на 2.6 ‰ легче карбонатного флюида. Величины фракционирования близки, но не равны расчетным равновесным значениям и уменьшаются при увеличении скорости кристаллизации алмаза. Учитывая низкую эффективность диффузии изотопов углерода в алмазе, эффективные коэффициенты разделения изотопов углерода, полученные при реальной кристаллизации алмаза, являются наиболее информативными для интерпретации природных данных. На основе результатов экспериментов предложена схема первичной изотопной специализации алмазов. В областях существования металлических расплавов кристаллизуются изотопно-тяжелые алмазы (δ ¹³C от 0 до -5 ‰ VPDB), а при проявлении изотопного исчерпывания до -10 ‰ VPDB и ниже. В более окисленных областях мантии кристаллизуются изотопно-легкие (δ ¹³C от -10 до -7 ‰ VPDB) алмазы. Взаимодействие вещества доменов мантии с контрастными окислительно-восстановительными характеристиками обусловливает возникновение широких вариаций изотопного состава углерода алмаза и широкого спектра составов включений в них.

Выполнен обзор экспериментальных данных, полученных при давлении 5.5-6.5 ГПа и характеризующих условия плавления и мультифазного насыщения систем, моделирующих реконструированные составы первичных кимберлитовых магм. Температуры ликвидуса таких систем существенно превышают максимальные температуры (~1400 °С), типичные для субкратонной литосферной мантии. При этом наблюдается значительное (на 150-200 °С) снижение температуры ликвидуса исследованных составов при уменьшении CO ₂/(СO ₂ + H ₂O). Тугоплавкость систем свидетельствует в пользу вывода об участии дополнительного источника тепла в процессе образования кимберлитовых магм. Вблизи ликвидуса кимберлитоподобных составов границы стабильности отдельных фаз и мультифазного насыщения в целом зависят как от концентрации основных петрогенных компонентов, так и от X _{CO 2} в стартовом составе. Оливинсодержащая мультифазная ассоциация в основном стабильна вблизи ликвидуса при X _{CO 2} < 0.5 (здесь и далее - мольном отношении CO ₂/(СO ₂ + H ₂O)). Для таких составов увеличение весового отношения MgO/CaO от 1.8 до > 4.0 приводит к смене равновесных с расплавом ассоциаций: Ol + Grt + + Cpx ® Ol + Grt + Opx + Cpx ® Ol + Grt + Opx. Сопоставление имеющихся экспериментальных данных и результатов реконструкций первичных магм свидетельствует о том, что их потенциальный протолит был существенно или полностью верлитизирован. Для значительной части составов первичных магм с X _{CO 2} < 0.5 протолитом может быть карбонатизированный гранатсодержащий лерцолит. Генерация части первичных магм с высоким содержанием кальция (MgO/CaO < 2) и X _{CO 2} < 0.5 возможна из карбонатизированного гранатсодержащего верлита. Метасоматические расплавы/флюиды за счет многостадийного преобразования и окисления (карбонатизации и флогопитизации) протолита, как минимум, на начальном этапе могли обеспечить условия для буферирования фугитивностей CO ₂ и H ₂O в образующемся кимберлитовом расплаве. На заключительных этапах основным источником воды для этих процессов могли быть номинально безводные минералы, содержащие в своей структуре ОН-дефекты.

Неизмененный магнезиальный оливин (Fo _85-94) является основным минералом блока кимберлита трубки Удачная-Восточная, практически не содержащим серпентина. Он преобладает в ксенолитах перидотитов, а также в качестве включений в алмазах. В кимберлите указанной трубки, так же как и в серии гипабиссальных кимберлитов других регионов земного шара, выделяются два главных типа вкрапленников оливина в соответствии с размерами и морфологией: ксенокристаллы (макрокристаллы) округлой или неправильной формы - оливин I и идиоморфные вкрапленники - оливин II, размеры которых не превышают, как правило, 0.5 мм и очень редко достигают 1 мм. Объектом настоящего исследования явились несколько тысяч образцов оливина из вкрапленников, относимых как к оливину I, так и к оливину II с постепенными переходами между ними. Особое внимание уделялось поискам минеральных включений в оливине и поискам вкрапленников с четко выраженной зональностью. В центральных однородных по составу зонах серии вкрапленников выявлены включения ортопироксена, а также клинопироксена (хромдиопсида и хромомфацита) с широкими вариациями содержаний примесей Na ₂O и Cr ₂O ₃, существенно превышающих ранее установленные и достигающих 6.00 мас. % Na ₂O и 4.23 мас. % Cr ₂O ₃. Убедительным свидетельством высокобарической природы центральных зон вкрапленников оливина является выявление в шести образцах включений пиропа, содержащего от 1.41 до 9.14 мас. % Cr ₂O ₃ и от 4.64 до 6.61 мас. % СаО и характеризующегося высокой магнезиальностью с Mg# 75.6-83.7, что, несомненно, доказывает высокобарический лерцолитовый парагенезис вкрапленников. Составы центральных зон изученных вкрапленников оливина полностью совпадают по содержанию примесей Ni, Co, Ca, Cr и Mn с составами оливинов из алмазов и ксенолитов перидотитов. Однако значимые отличия наблюдаются в устойчивом повышенном содержании примеси Ti, составляющем 100-300 г/т для абсолютного большинства вкрапленников, включая и те, которые содержат включения пироксена и пиропа.

Исследование минеральных включений в алмазах показывает, что алмазы образовывались на разных уровнях глубин, вплоть до нижней мантии Земли. Однако большинство алмазов, которые выносятся на поверхность кимберлитовой магмой, формируется в литосферной части мантии. Кристаллизация литосферных алмазов U-типа связана с начальными стадиями карбонатитового метасоматоза восстановленных ( f _{O 2} на уровне буфера железо-вюстит) деплетированных перидотитов корневой части древних платформ. Свидетельства метасоматических событий запечатлены в химическом составе гранатов из перидотитовых ксенолитов и включений в алмазах. Дальнейшее воздействие карбонатитовых расплавов на перидотиты приводит к изменению модального состава пород и исчезновению алмазов за счет окисления породы ( f _{O 2} становится близким к буферу ССО). Эпизоды силикатного метасоматоза деплетированных перидотитов (базанитоподобными расплавами) не связаны с алмазообразованием, однако могут иметь отношение к генерации кимберлитов группы I. Частичное плавление подобного метасоматизированного субстрата, претерпевшего несколько стадий метасоматического преобразования со степенями плавления не выше 1 %, приводит к образованию кимберлит-карбонатитовой магматической ассоциации (характерным примером является дайка Снэп Лэйк, Канада). Более редким случаем преобразования мантии являются реакции восстановления с участием карбонатов и Н ₂О и образованием разнообразных углеводородных соединений. При этом вопрос о глубинном происхождении углеводородов в качестве компонентов жидкой фазы в мантии остается дискуссионным. Обзор экспериментальных данных по плавлению карбонатсодержащих систем показывает, что наиболее реальным агентом переноса вещества в мантии является карбонатитовый расплав с малым содержанием Н ₂О. На основании экспериментов сделан вывод о плавлении карбонатов субдукционных плит на уровне переходной зоны, что приводит к образованию карбонатитовых диапиров, которые могут всплывать сквозь мантию по механизму растворения-осаждения. В свою очередь, эти процессы могут приводить к созданию окисленных каналов в мантии и являться эффективным механизмом образования глубинных алмазов в тылу диапиров за счет восстановления углерода из карбонатитового расплава. На уровне границы литосфера-астеносфера подобные диапиры формируют источник кимберлитовых и родственных магм. Аргументируется, что первичный состав кимберлитовых расплавов может быть во многих случаях близок к карбонатитовому с содержанием SiO ₂ не выше 10-15 %.

Методом дифракции обратнорассеянных электронов получены свидетельства фазовых переходов минеральных включений в сверхглубинных алмазах из аллювиальных россыпей бассейна р. Сао-Луис (Бразилия). Показано, что вблизи включений MgSi-, CaSi- и CaTiSi-перовскитов, SiO₂ (стишовита?) и Mg₂SiO₄ (рингвудита?) кристаллическая структура сверхглубинных алмазов сильно искажена. В то же время значительных пластических деформаций алмаза вокруг включений оливинов, ферропериклазов и майджоритовых гранатов не выявлено. Отсутствие пластических деформаций вокруг включений этих минералов указывает на то, что каких-либо фазовых превращений с увеличением объема не происходит. Предполагается, что сверхглубинные алмазы могут образовываться на разных уровнях сублитосферной верхней мантии, переходной зоны и нижней мантии.

Исследован уникальный ксенолит алмазоносного пиропового перидотита, состоящий из энстатита (Al ₂O ₃ - 0.39-0.43 мас. %, Cr ₂O ₃ - 0.20-0.23 мас. %, FeO - 4.81-5.10 мас. %, магнезиальность составляет в среднем 92.7) и пиропа (Cr ₂O ₃ от 4.43 до 5.11 мас. %, СaO от 4.15 до 4.80 мас. %, магнезиальность варьирует от 83.6 до 84.1). При небольшом размере (10.5 г) ксенолит содержит более 30 000 микрокристаллов алмаза (10-700 мкм). Методом рентгеновской томографии высокого разрешения получены двух- и трехмерные снимки, показывающие объемные соотношения породообразующих минералов и неравномерное распределение алмазов в объеме ксенолита (энстатит - 38 об. %, пироп - 35 об. %, алмаз - 9.5 об. % и сульфиды - 4 об. %), причем алмазы и сульфиды расположены в одной зоне. Сульфиды представлены пентландитом и джерфишеритом. Изотопными и ИК-Фурье спектроскопическими исследованиями показано, что алмазы характеризуются резко облегченным изотопным составом углерода (δ ¹³С _ср. = -22.9 ‰) и незначительными концентрациями примеси азота (< 15 ррm). Азот находится в основном в агрегированной форме. Фазовый состав наноразмерных включений в алмазах исследован методом просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ), включающим электронную дифракцию и аналитическую электронную микроскопию (АЕМ). Показано, что все наноразмерные включения представляют собой полифазные образования, состоящие из обогащенных Mg-Al-силикатных фаз, Са-карбоната, графита и флюида. Флюидная фаза содержит высокие концентрации K, Cl, O. Из минеральных включений в алмазах идентифицирован высокомагнезиальный оливин. Полученные данные свидетельствуют, что процесс образования алмазов в изученном ксенолите являлся одноактным, а флюид/расплав, метасоматизирующий ультраосновной субстрат, обладал соответствующими коровыми метками. Это подтверждает важную роль глубинных метасоматических процессов в формировании кимберлитовой тр. Удачная.

С целью выявления соотношений между алмазами и включенными в них оливинами впервые исследованы кристаллографические взаимосвязи четырех алмазов из кимберлитовой трубки Юбилейная (Якутия) и включенных в них в общей сложности восьми кристаллов оливина методом дифракции обратнорассеянных электронов (EBSD). Кристаллографические совпадения между оливином и алмазом выявлены в 15 случаях, хотя однозначный вывод о последовательности кристаллизации указанных минералов на данном количестве образцов сделать не удалось. Подтверждена перспективность нового метода подхода к выявлению закономерностей взаимной ориентировки алмаза и включения, однако решение вопроса о том, образовались ли оливины раньше алмазов (протогенетические включения) либо одновременно с алмазами (сингенетические включения), требует привлечения более представительного количества образцов.

Приведены новые данные о главных и дополнительных оптически-активных дефектах в алмазах с облакоподобными микровключениями из кимберлитовой трубки Мир. Полученные данные свидетельствуют о том, что переогранение алмазов могло происходить как в закрытой системе при деплетировании азотом и водородом, так и при привносе новых порций алмазогенерирующего флюида/расплава. Особенности внутреннего строения и распределение оптически-активных дефектов указывают на возможность как непрерывного роста подобных алмазов, так и многостадийного процесса роста с рядом посткристаллизационных изменений, включающих растворение, высокотемпературный отжиг и деградацию никель-азотных комплексов.

Представлены результаты исследований ИК-поглощения, фото- и катодолюминесценции алмазов из перидотитовых и эклогитовых ксенолитов тр. Нюрбинская. Проанализированы особенности внутреннего строения алмазов разного генезиса и изменения их примесного состава по объему кристаллов. Проведено сравнение спектральных характеристик кристаллов из ксенолитов разного генезиса и кимберлитов этой трубки. Исследование внутреннего строения алмазов (класс -4…+2 мм) выполнено для 38 эклогитовых и 4 перидотитовых кристаллов, из которых были изготовлены плоскопараллельные пластинки толщиной 0.4-0.8 мм. В работе приведены результаты детального исследования алмазов с различными характеристиками из четырех эклогитовых и двух перидотитовых ксенолитов тр. Нюрбинская. Площадное картирование алмазных пластин из ксенолитов показало варьирующее содержание общего азота и его агрегации, а также водорода и их зональное распределение в исследованных кристаллах. Перидотитовые алмазы обычно мало- и среднеазотистые, с высокой степенью агрегации азота и малыми концентрациями водорода, у них редки признаки прерывания роста. Кристаллы из эклогитов характеризуются высокими концентрациями азота и водорода, среди них много зональных алмазов с признаками мультистадийного роста, что указывает на наличие нескольких генераций роста. Состав включений и особенности распределения примеси азота и его агрегации в алмазах свидетельствуют о большом вкладе кристаллов эклогитового парагенезиса в совокупность алмазной продукции тр. Нюрбинская. Особенности внутреннего строения кристаллов из эклогитов, расположение алмазов в ксенолитах эклогитов и ряд других фактов свидетельствуют в пользу их более позднего, по сравнению с минералами ксенолитов, образования в процессе метасоматоза из флюида или флюид-расплава, что определило типоморфизм алмазов этого коренного источника и обусловило его высокую продуктивность.

Дефекты в желтовато-зеленых, желтых и оранжевых алмазах кубического габитуса из россыпей северо-востока Сибирской платформы изучены с помощью ИК-спектроскопии. Помимо основных А-, С- и, возможно, В-дефектов в изученных алмазах присутствуют также центры X и Y, полосы 1240, 1270 и 1290-1295 см ^-1, пики в интервале 1350-1380 см ^-1, янтарные дефекты разных типов и серия линий в области 3100-3300 см ^-1. При этом алмазы с различными типами окраски содержат разные ассоциации структурных дефектов, хотя и относятся к одной и той же II разновидности, по классификации Орлова. Согласно интегральным спектрам целых кристаллов, данные алмазы характеризуются невысоким содержанием структурных примесей азота в диапазоне 60-265 ppm. Однако спектроскопическое исследование пластин с пространственным разрешением показало исключительно неоднородное распределение структурных дефектов по объему всех изученных алмазов. Общей закономерностью для них является падение как общего количества азота, так и относительной доли основного А-дефекта от центра к периферии кристалла. В центре кристаллов содержание структурных примесей азота достигает 990 ppm, что превышает среднюю концентрацию азота в широко распространенных октаэдрических кристаллах алмазов. Присутствие С-, Y-, Х-дефектов в большинстве образцов свидетельствует о малой продолжительности постростового отжига этих алмазов. Обсуждается генетическое значение полученных данных о структурных дефектах.