Thickness and thermal state of the lithospheric mantle beneath the yubileynaya pipe (Alakit-Markha kimberlite field, Siberian craton)

Texto integral

Введение

В пределах Алакит-Мархинского среднепалеозойского кимберлитового поля (АМКП, Сибирский кратон) (рис. 1 а) [1] обнаружено свыше 100 кимберлитовых тел, в том числе алмазоносные кимберлитовые трубки Юбилейная, Комсомольская, Сытыканская, Айхал, Заря и Краснопресненская (рис. 1 б) [2]. Добыча алмазов в настоящее время происходит на трубках Юбилейная, Айхал и Заря, трубки Сытыканская и Комсомольская к настоящему времени отработаны, а трубка Краснопресненская относится к категории резервных месторождений. Трубка Юбилейная по своим размерам относится к уникальным телам; её размеры составляют 1293×741 м, площадь на поверхности ~560 000 м². Трубка прорывает толщу нижнепалеозойских субгоризонтально залегающих пород осадочного чехла, представленную отложениями кембрия, нижнего и среднего ордовика и нижнего силура. Перекрывающая трубку толща представлена терригенными отложениями верхнего отдела каменноугольной системы и осадочными отложениями нижней перми. Возраст внедрения кимберлитов трубки определен U–Pb-методом по перовскиту с использованием SHRIMP (356±7 млн лет) [3]. Трубка Юбилейная представляет собой яркий пример типичной воронки взрыва (центральная часть) и дайкообразных тел (на флангах), формирующих в её структуре три обособленных “рудных столба” [4]. Диатрема центрального столба и фланговые тела выполнены в различных пропорциях порфировым кимберлитом (ПК), автолитовой кимберлитовой брекчией (АКБ) и реже образцами кимберлитовой брекчии (КБ). В центральном рудном столбе доминирует АКБ, а фланги сложены ПК. Алмазоность кимберлитов различная, в породах, слагающих фланги алмазоносность ниже, чем в центральном столбе. В целом, по трём столбам алмазоносность кимберлитов повышенная – 0.89 кар/т [5].

 

Рис. 1. А – Схематическая карта Сибирского кратона [1] с изменениями; 1 – границы кратона, 2 – границы тектонических провинций, 3 – местоположение Алакит-Мархинского кимберлитового поля (АМКП) в пределах кратона. Б – Схема расположения кимберлитовых тел в АМКП [2]; 1 – коренные месторождения алмазов, 2 – реки, 3 – контур АМКП

 

Алмазоносность кимберлитов зависит от многих факторов, и в том числе от мощности кратонной литосферы, опробуемой кимберлитовой магмой, и от мощности опробуемого “алмазного окна”. Одним из способов оценки мощности кратонной литосферы является определение глубины пересечения расчётной кондуктивной геотермы с адиабатой конвектирующей мантии. Мощность “алмазного окна” определяется по пересечению линии палеогеотермы с линией графит–алмаз [6] и линией пересечения границы литосфера–астеносфера. Для выяснения мощностей литосферы и “алмазного окна” традиционно используется метод реконструирования палеогеотермы с применением методов минеральной геотермобарометрии, как по ксенолитам перидотитов, так и по отдельным выборкам минералов – клинопироксенов, гранатов и т.д. Кимберлиты трубки Юбилейная интенсивно серпентинизированы; свежие неизменённые ксенолиты в трубке отсутствуют. Вследствие этого расчёт палеогеотермы по традиционным методам минеральной термобарометрии для ксенолитов произвести не представляется возможным. Однако в концентрате тяжёлой фракции кимберлитов трубки Юбилейная присутствуют гранаты и клинопироксены мантийных парагенезисов подходящие для проведения расчетов РТ-параметров методами мономинеральной термобарометрии.

В данной работе мы приводим результаты реконструирования палеогеотермы с помощью мономинеральной геотермобарометрии для клинопироксенов [7, 8] из концентрата тяжёлой фракции трубки Юбилейная. Этот метод позволяет реконструировать мантийные палеогеотермы и оценить тепловое состояние мантии в период кимберлитового магматизма, а также мощность субконтинентальной литосферной мантии (СКЛМ) в отдельных районах кратона. Оценка мощности СКЛМ и “алмазного окна” исключительно важны как на ранних стадиях поисковых работ для предварительной оценки потенциальной алмазоносности отдельного кимберлитового тела/поля, так и для отдельных блоков/террейнов в пределах древних кратонов. Первые и единственные надёжные оценки палеогеотермы для кимберлитовых тел Алакит-Мархинского кимберлитового поля (АМКП) были даны в работе [9] с применением метода мономинеральной гранатовой геотермобарометрии. Для оценки PT-параметров в гранатах в работе [9] был использован Ni-in-Gar-геотермометр и Cr-in-Gar-геобарометр [10]. Реконструированная палеогеотерма соответствует типичным “холодным” кратонным кондуктивным геотермам с значением теплового потока ~35 мВт/м². Мощность литосферы в пределах АМКП составила 230 км [9]. Мономинеральная гранатовая термобарометрия надёжно работает только для ксенокристов гранатов, которые находились в химическом равновесии с хромитом в мантии. В них рассчитанные значения РТ-параметров (Ni и Cr в гранате), пригодны для построения палеогеотермы. В свою очередь мономинеральная клинопироксеновая термобарометрия работает для любых гранатсодержащих перидотитов. Цель данной работы – оценить палеогеотерму, мощности литосферы и “алмазного окна” под трубкой Юбилейная на основе изучения клинопироксенов из концентрата тяжелой фракции кимберлитов.

Материалы и методы

В работе приведены результаты исследования 199 зёрен хромдиопсидов из концентрата тяжёлой фракции (КТФ) выделенного из автолитовых кимберлитовых брекчий (АКБ), слагающих центральный рудный столб и из порфировых кимберлитов (ПК) западного рудного столба трубки Юбилейная. Исследовано 150 зёрен хромдиопсидов из АКБ и 49 зёрен из ПК.

Анализ химического состава клинопироксенов выполнен методом рентгеноспектрального микроанализа на электронно-зондовом микроанализаторе JEOL JXA-8100 в Центре коллективного пользования “Многоэлементных и изотопных исследований” ИГМ СО РАН (г. Новосибирск). Препараты для анализа были изготовлены в виде шашек из эпоксидной смолы с вмонтированными минеральными зёрнами. Полированная алмазными пастами поверхность шашек, покрывалась проводящим углеродным покрытием толщиной около 25 нм. Условия съёмки: ускоряющее напряжение 20 кВ, ток зонда 30-100 нА, диаметр пучка зонда 1–3 мкм, время набора спектров на пике составило 10 с для Mg, Ti, Ca, Si, Fe, Mn и 20 с для Na, Cr, K, Al. Для того чтобы избежать выгорания Na во время анализа, ток зонда при анализе Na составлял 30 нА. Матричные поправки рассчитывались по методу ZAF. В качестве эталонных материалов использовали аттестованные стандарты минералов.

PT-параметры равновесия клинопироксенов рассчитывались с применением термобарометра NT00 [7], а мантийная палеогеотерма на момент внедрения кимберлитов ~356 млн лет была реконструирована с помощью программы FITPLOT [11]. Были использованы следующие входные параметры: значение теплогенерации в мантии – 0 мВт/м³ [11], а значение температуры мантийной адиабаты на поверхности 1315°С [11]. Использованные значения мощности верхней (ВК) и нижней коры (НК) были приняты по [12] – 12 км и 29 км, соответственно. Теплогенерация в ВК составляет 0.76 мкВт/м³, а в НК – 0.36 мкВт/м³, согласно [13].

Результаты

Метод РТ-расчета NT00 [7] применим только для клинопироксенов из гранатовых перидотитов. Для идентификации клинопироксенов из гранатовых перидотитов использовалась классификационная диаграмма [14], основанная на содержании Cr₂O₃ и Al₂O₃ в хромдиопсидах. На основании этой диаграммы 174 зерна (87.4%) идентифицированы как клинопироксены из кратонных гранатовых перидотитов, и, таким образом, подходят для РТ-расчётов данным методом (рис. 2). Тринадцать зёрен (6.5%) содержат менее 0.5 мас. % Cr₂O₃ и относятся к эклогитам, мегакристам и связанным с ними клинопироксенам; двенадцать зёрен (6%) попадают в поле шпинелевых перидотитов и внекратонных гранатовых перидотитов (см. рис. 2).

 

Рис. 2. Дискриминационная диаграмма Cr₂O₃–Al₂O₃ [14] и состав изученных клинопироксенов из трубки Юбилейная. 1 – хромдиопсиды, которые не прошли отбор по фильтрам [7, 8] (111 зёрен) а также хромдиопсиды из поля эклогитов, мегакристов и связанных с ними клинопироксенов (13 зёрен) и хромдиопсиды из поля шпинелевых перидотитов и внекратонных гранатовых перидотитов (12 зёрен). 2 – высокотемпературные хромдиопсиды со значениями T > 1200 °С (32 зерна) (см. рис. 3 А), 3 – хромдиопсиды со значениями T от 700 до 1200 °С (23 зерна), 4 – низкотемпературные хромдиопсиды со значениями Р < 30 кбар (8 зёрен)

 

Для отбраковки клинопироксенов, не находящихся в равновесии с гранатом и ортопироксеном в условиях мантии, а также зёрен, которые были значительно метасоматизированы, использовались фильтры, предложенные в [7, 8]. После применения фильтров 111 анализов клинопироксенов были исключены из процедуры расчёта PT-параметров. Оставшиеся 63 отфильтрованных зерна (см. рис. 2) были идентифицированы как хромдиопсиды с вариациями состава: Ca# = 100×Ca/(Ca+Mg+Fe) = 32–49; Mg# = 100×Mg/(Mg + Fe) = 88–96; Cr₂O₃ = 0.5–4.4 мас. %, Na₂O = 0.9–4 мас. %.

С использованием термобарометра NT00 для 63 хромдиопсидов рассчитанные значения температур варьируют от 725 до 1369 °С, значения давлений варьируют от 20 до 69 кбар. По полученным PT-параметрам с использованием программы “FITPLOT” реконструирована палеогеотерма под трубкой Юбилейная. Результирующий поверхностный тепловой поток составил 35.5 мВт/м², при мощности литосферы 218 км, и мощности “алмазного окна” 93 км. Мощность “алмазного окна”, определенная по “Y-краю” в гранатах согласно [9] составляет 65 км (от 125 до ~190 км) (рис. 3 а).

На глубинах от 167 до 213 км под трубкой Юбилейная (см. рис. 3 а) выделяется группа высокотемпературных точек (красные кружки) с рассчитанными температурами >1200 °С. Данное обстоятельство связано либо с особенностями термобарометра NT00, так как экспериментальные данные использованные для калибровки барометра [7] были получены только до 60 кбар [7, 8], либо с локальным тепловым воздействием астеносферы на глубинную часть литосферной мантии [15, 16]. Считается, что высокотемпературные хромдиопсиды могут представлять вторично обогащённые породы, подвергшиеся воздействию астеносферных расплавов [15]. Наличие таких клинопироксенов может быть связано с деформацией пород и образованием так называемых катаклазированных перидотитов. Мы склоняемся ко второму варианту, поэтому высокотемпературные хромдиопсиды были исключены из дальнейших построений, так как их PT-параметры завышают значение теплового потока, занижают мощность литосферы и не относятся к положению кондуктивной палеогеотермы на момент кимберлитового магматизма.

 

Рис. 3. Реконструированная палеогеотерма под трубкой Юбилейная. А – палеогеотерма реконструированная по 63 хромдиопсидам, тепловой поток 35.5 мВт/м², мощность литосферы 218 км, мощность “алмазного окна” 93 км; Б – палеогеотерма реконструированная по 23 хромдиопсидам, тепловой поток 34/8 мВт/м², мощность литосферы 230 км, мощность “алмазного окна” 105 км. Мощность “алмазного окна” по “Y-краю” [9] – 65 км (А) и 75 км (Б). Пунктирные линии – погрешность реконструкции геотермы. 1 – низкотемпературные хромдиопсиды со значениями Р < 30 кбар (8 зёрен), 2 – хромдиопсиды со значениями T от 700 до 1200 °С (23 зерна), 3 – высокотемпературные хромдиопсиды со значениями T >1200 °С (32 зерна). Красная пунктирная линия – распространённость хромдиопсидов по глубине

 

Среди 63 хромдиопсидов присутствует восемь зёрен с низкими параметрами давления (20–27 кбар) и температурами от 725 до 846 °С. (см. рис. 3 а, ромбики). Возможно, что эти малоглубинные хромдиопсиды не характеризуют первоначальные свойства литосферной мантии [15]. По-видимому, эти хромдиопсиды происходят из горизонта, где восходящие расплавы останавливаются на достаточно долгое время и реагируют с более холодной литосферой, образуя текстурно уравновешенные крупнозернистые гибридные породы до извержения вмещающего их кимберлита [16]. Поэтому эти хромдиопсиды также были исключены из процедуры построения палеогеотермы.

Значения температур равновесий оставшихся 23 зёрен хромдиопсидов варьируют от 752 до 1175 °С, а значения давлений от 32 кбар до 62 кбар, что соответствует глубинам ~100–194 км. Результирующий тепловой поток составил 34.8 мВт/м², а мощность литосферы и “алмазного окна” 230 км и 105 км, соответственно (рис. 3 б), мощность “алмазного окна”, определённая по “Y-краю” в гранатах, согласно [9], составляет 75 км (от 125 до 200 км). Таким образом палеогеотерма реконструированная по PT-параметрам 23 хромдиопсидов, представляет собой среднюю часть разреза, с наиболее холодным тепловым потоком [16, 15], который вероятней всего отображает стабильную кондуктивную геотерму, не подвергшуюся разогреву мантийными расплавами [16, 17].

Обсуждение

Реконструированная палеогеотерма под трубкой Юбилейная характеризуется холодным тепловым потоком 34.8 мВт/м², что соотносится с рассчитанной ранее палеогеотермой для трубки Юбилейная по перидотитовым хромистым гранатам [9]. Полученные данные указывают на существование мощной холодной литосферы под трубкой Юбилейная на момент внедрения кимберлитовой магмы.

Для АМКП поля мало данных, так как мантийные ксенолиты, найденные на поверхности кимберлитовых трубок сильно изменены, однако в соседнем Далдынском поле есть трубка Удачная, в которой обнаружено много свежих неизменённых ксенолитов и для которой проведено большое количество исследований. Для трубки Удачная в работах [16–18] приведены результаты исследования мантийных ксенолитов, а также с помощью различных термобарометров рассчитаны PT-параметры этих ксенолитов. В работе [16] приведены PT-оценки хромдиопсидов из ксенолитов трубки Удачная в том числе и по мономинеральному клинопироксеновому термобарометру NT00. Мы использовали приведённые в работе [16]. PT-оценки клинопироксенов для реконструирования палеогеотермы под трубкой Удачная для того чтобы сравнить палеогеотерму, мощности литосферы и “алмазного окна” под трубками Юбилейная и Удачная. Исследованные ксенолиты трубки Удачная [16–18] представлены крупнозернистыми перидотитами (рис. 4, зелёные кружки), а также переходными и катаклазированными перидотитами (рис. 4, красные кружки). Переходные и катаклазированные перидотиты характеризуются высокими температурами равновесия (>1200 °С), что может быть связано с локальным тепловым воздействием астеносферы на глубинную часть литосферной мантии. Для реконструирования палеогеотермы использованы хромдиопсиды только из ксенолитов, где клинопироксен находится в равновесии с ортопироксеном и гранатом [16]. Были использованы такие же значения теплогенерации и мощности верхней и нижней коры как для трубки Юбилейная. Результирующий поверхностный тепловой поток для трубки Удачная составил 35.1 мВт/м², при мощности литосферы 224 км, и мощности “алмазного окна” 99 км (см. рис. 4). По причине высоких температур равновесия мы исключили хромдиопсиды из переходных и катаклазированных перидотитов и использовали только хромдиопсиды из крупнозернистых перидотитов. В результате тепловой поток составил 34.7 мВт/м², мощность литосферы 233 км, мощность “алмазного окна” 108 км, а мощность “алмазного окна”, определённая по “Y-краю” в гранатах согласно [9] составляет 70 км (от 125 до 195 км) (см. рис. 4).

 

Рис. 4. Реконструированная палеогеотерма под трубкой Удачная (Далдынское поле). PT-оценки из [16]. Красные кружки – переходные и катаклазированные перидотиты, зелёные кружки – крупнозернистые перидотиты. Красная сплошная линия – палеогеотерма, реконструированная по хромдиопсидам из переходных, катаклазированных и крупнозернистых перидотитов. Тепловой поток – 35.1 мВт/м², мощность литосферы 224 км, мощность “алмазного окна” 99 км. Зелёная сплошная линия – палеогеотерма реконструированная по хромдиопсидам только из крупнозернистых перидотитов. Тепловой поток – 34.7 мВт/м², мощность литосферы 233 км, мощность “алмазного окна” 108 км, мощность “алмазного окна”, определённая по “Y-краю” в гранатах, согласно [9], составляет 70 км. Красная и зелёная пунктирные линии – граница астеносфера-литосфера. Чёрная пунктирная линия – распространённость клинопироксенов по глубине. Модельные кондуктивные геотермы из [20]

 

Полученные результаты указывают на то, что палеогеотермы трубок Юбилейная и Удачная характеризуются близкими значениями теплового потока, а также мощностью литосферы и мощностью “алмазного окна”. Однако алмазоносность кимберлитов трубки Удачная значительно отличается от трубки Юбилейная – 1.47 к/т и 0.89 к/т [5], соответственно. Следовательно, разница в алмазоносности может быть связана не только с мощностью опробуемой литосферы, но и также с другими петрологическими параметрами, такими как степень проявления алмазо-генерирующего и алмазо-деструктивного метасоматоза [19]. В работе [9] приведены данные о распространённости гарцбургитовых гранатов под трубками АМКП и Далдынского поля. Согласно [9], в пределах АМКП в диапазоне глубин 105–205 км доля гарцбургитовых гранатов среди перидотитовых ассоциаций превышает 30%. В пределах Далдынского поля доля гарцбургитовых гранатов также превышает 30%, но в интервале глубин от 145 до 210 км. Такие различия в распределении гранатов свидетельствуют о том, что характер метасоматических преобразований перидотитов литосферной мантии уникален под отдельными кимберлитовыми трубками. По-видимому, в мантийном разрезе под трубкой Удачная содержится более высокая пропорция гарцбургит-дунитовых гранатов, чем в разрезе мантии под трубкой Юбилейная.

Стоит отметить, что мантийная палеогеотерма под трубкой Юбилейная с использованием программы FITPLOT была реконструирована впервые. Это исследование представляет ценные данные о литосферной мантии под трубкой Юбилейная, в том числе о составе мантии, термическом состоянии и мощности. Дальнейшие исследования состава минералов, таких как гранат, хромшпинелид, ильменит, а также использование более широкого спектра геотермобарометров и учёт дополнительных параметров, например, сейсмических данных, могут расширить представление о строении и эволюции литосферы в исследуемом регионе.

Благодарности

Авторы признательны АК “АЛРОСА” (ПАО) за предоставленные зёрна клинопироксенов из концентрата тяжёлой фракции кимберлитов трубки Юбилейная и любезного разрешения на публикацию результатов данных исследований.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Источники финансирования

Исследования проводились при поддержке гранта РНФ 22-27-00724.

Sobre autores

M. Milaushkin

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; PJSC “ALROSA”

Autor responsável pela correspondência
Email: milaushkinmv@igm.nsc.ru
Rússia, Novosibirsk; Novosibirsk

V. Malkovets

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; PJSC “ALROSA”

Email: milaushkinmv@igm.nsc.ru
Rússia, Novosibirsk; Novosibirsk

A. Gibsher

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; PJSC “ALROSA”

Email: milaushkinmv@igm.nsc.ru
Rússia, Novosibirsk; Novosibirsk

A. Dymshits

Institute of the Earth’s crust, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Geological Institute

Email: milaushkinmv@igm.nsc.ru
Rússia, Irkutsk; Apatity

I. Yakovlev

PJSC “ALROSA”

Email: milaushkinmv@igm.nsc.ru
Rússia, Novosibirsk

N. Pokhilenko

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: milaushkinmv@igm.nsc.ru

Academician of the RAS

Rússia, Novosibirsk

Bibliografia

Arquivos suplementares