Магматическое окно в глубины Земли

Неоднородная мантия, или там, где рождаются алмазы.

Для расшифровки состава и особенностей мантии в районах распространения калиевых пород были использованы индикаторы, преимущественно редкие металлы и их изотопы (особенно стронция и неодима). Много ценной и полезной информации удалось получить при изучении поведения так называемых несовместимых (некогерентных) с основными породообразующими минералами элементов, содержание которых в расплаве и источнике остается практически неизменным, - Rb, Ba, Th, Sr, K, Nb, La, Ce, Zr, Ti, Y. Оказалось, что сообщества калиевых пород, сохраняя выдержанные геохимические характеристики в пределах отдельных районов, имеют заметные различия между такими элементами. Это, к примеру, достаточно хорошо видно на диаграммах их распределения по отношению к первичной мантии для Алданской и Австралийской провинций. На графике для калиевых пород Центрального Алдана отчетливо видны минимумы элементов с высокой энергией кристаллического поля - Nb, Ta, Ti, иногда Zr, Hf, при высоких концентрациях элементов с низкой энергией кристаллического поля, а именно K, Rb, Ba и высоком отношении вторых к первым. Характер распределения несовместимых элементов в калиевых породах Алдана в основном повторяется в аналогичных породах Италии, Индонезии, запада США. В то же время ультракалиевые породы плато Кимберли (Австралия) имеют более плавный характер распределения некогерентных элементов, в том числе высокие концентрации элементов с высокой энергией. Обнаруженные геохимические особенности - один из критериев, позволяющий полагать, что мантия под Алданским щитом имела иной состав, чем под плато Кимберли.

Рис.2 Распределение несовместимых элементов в калиевых породах Алдана и Австралии (на графиках показаны отношения концентраций элементов в калиевых породах и примитивной мантии).

Об этом же свидетельствуют и изотопные отношения Sr и Nd в калиевых породах Алдана и Австралии. Для Центрального Алдана - это низкие отрицательные отношения такой индикаторной величины изотопных отношений неодима, как . Эта очень информативная величина, характеризующая состав мантии Земли, тесно привязана к возрасту горных пород. Положительные ее значения указывают на обеднение мантии легкоплавкими элементами, отрицательные значения, наоборот, - на обогащение. Так, все ультракалиевые породы - своеобразные "рекордсмены": в них достигает -30. Отношение изотопов стронция для "первичной Земли" и метеоритов около 0.700. Более высокие отношения указывают на дифференциацию магмы, модификацию источников и т.д. Для лампроитов Алдана Sr⁸⁷/Sr⁸⁶ колеблется в интервалах 0.7048- 0.7070. Такие значения говорят о том, что состав источника калиевых пород Алдана соответствует обогащенной мантии так называемого первого типа (EMI). Судя по изотопному составу Sr и Nd, калиевые породы Алдана схожи с калиевыми породами запада США. Вместе с тем проявления калиевого магматизма Австралии и Африки образуют более пологий тренд на диаграмме, соответствующий иному составу мантийного источника - обогащенной мантии второго типа (EMII). Именно лампроиты из мантии этого второго типа богаты алмазами. Со временем состав мантии менялся. С одной стороны, мантия все больше и больше обеднялась легкоплавкими элементами (деплетировалась). С другой - происходили процессы обогащения мантии за счет метасоматоза (преобразования химического и минерального состава с обязательным привносом вещества). И только из такой обогащенной мантии могли выплавляться высококалиевые породы.

Рис.3 Изотопные отношения стронция и неодима в калиевых породах Алдана, Австралии и некоторых других регионах Земли. (Отношение изотопов стронция рассчитано на момент образования пород.)

Геохимические и изотопные исследования калиевого магматизма показали, что в большинстве регионов Земли их мантийный источник формировался полистадийно, причем иногда со значительными промежутками во времени между отдельными геологическими событиями. Для Центрального Алдана нами была разработана одна из моделей образования мантийного источника калиевых пород. Было показано, что формирование калиевого магматизма Алдана имеет сложную историю, в которой могут быть выделены по крайней мере две стадии.

Ранняя (докембрийская) стадия - формирование источника калиевых расплавов. На его древний возраст указывает, в частности, рассчитанный возраст некоторых образцов (до 2.2 млрд лет), который характеризует время обогащения мантии целым рядом нехарактерных для нее элементов. Судя по высоким концентрациям K, Ba, Rb, Cs в калиевых породах, мантия в этом регионе была изменена под воздействием флюидов, источником которых могла быть только кора. Механизм поступления блоков коры на высокие глубины достаточно хорошо обоснован для современных тектонических обстановок (поддвиг океанической коры вместе с осадками под континенты - так называемые зоны субдукции). Однако этот механизм не столь подробно разработан для докембрия, хотя вероятность субдукции в докембрии отмечалась в ряде публикаций3. Ряд признаков, в частности изотопно-геохимические особенности калиевых пород, указывает на то, что, по-видимому, и в раннем докембрии существовали геодинамические процессы, которые обеспечивали поступление корового материала (в том числе калия) с поверхности Земли на мантийные глубины (до 150-200 км). Позднее, в мезозойскую эру, на Алдане произошел интенсивный всплеск калиевого магматизма. Геодинамический режим в этот период определяли процессы сжатия с последующим растяжением, подъем температур, плавление древнего мантийного источника. Образовавшиеся при этом на разных глубинах разломы доставляли к поверхности Земли разные по составу расплавы. Судя по K-Ar и Rb-Sr возрастам, период наиболее активного магматизма проходил 155-135 млн лет назад. Крупные массивы (около 30-40 км²) формировались поэтапно с интервалом около 10 млн лет между отдельными импульсами магматизма.

Что же касается присутствия или отсутствия алмазов в глубинных породах, то здесь, на наш взгляд, задействовано несколько факторов, в первую очередь физико- химических. Во многом это зависит от высокой активности кислорода. При транспортировке алмаза углерод окисляется, т.е. попросту сгорает, превращаясь таким образом в углекислый газ. Поэтому нередко типичные кимберлиты и лампроиты не содержат алмазов.

Заключение, или что же видно через "калиевое окно" в мантии земли?

Итак, кимберлиты и лампроиты позволили нам заглянуть в верхнюю мантию Земли, на глубины 150-200 км. Оказалось, что и на таких глубинах, как и на поверхности, состав Земли неоднороден. Вариации состава мантии вызваны, с одной стороны, многократным выплавлением магматических горных пород (обедненная мантия), с другой - ее обогащением глубинными флюидами и коровым материалом (обогащенная мантия). Эти процессы достаточно сложны и зависят от многих факторов: состава привносимых флюидов и осадков, степени плавления вещества мантии и др. Как правило, они накладываются один на другой, вызывая сложные многостадийные преобразования. А интервалы между этими стадиями могут составлять сотни миллионов лет.

Теоретически все магмы, поднимающиеся с глубин 150-200 км (поле устойчивости алмаза), должны выносить мантийные алмазы, однако это далеко не так. Чтобы найти алмазоносные объекты и удешевить их поиски, разработан целый комплекс геологических, геофизических (с привлечением не только наземных, но и аэрогеологических и космических методов), геохимических признаков, которые помогают решать эту задачу. Наука постоянно развивается, предлагая новые методы (например, изотопию инертных газов и др.) для познания земных процессов. Изучая лампроиты, кимберлиты и другие глубинные горные породы, получая через них новую информацию о мантийных глубинах Земли, можно (и частично это уже сделано) выработать дополнительные критерии оценки потенциальной алмазоносности перспективных регионов. Необходимо, чтобы в ближайшем будущем особенности состава мантии включались в число критериев для поисков полезных ископаемых на территории России.

Работа поддержана грантами РФФИ 96-15-98518, 97-05-64037.

Назад