Изотопный состав углерода и кислорода карбонатов карбонатитов Косьюского массива (Средний Тиман)

Проблема формирования алмазов в природе относится к одному из важных и актуальных вопросов в области геологии и минералогии. В настоящее время известно несколько типов коренных источников алмазов, ведущее место среди которых занимают кимберлиты и лампроиты. Установлена высокая алмазоносность импактитов и некоторых специфических регионально-метаморфических пород [3, 5, 9]. В конце XX века выявлены алмазоносные кимберлиты с высоким содержанием карбонатов, которые можно рассматривать как образования, переходные к собственно карбонатитам, названные карбонатитовыми кимберлитами [13]. К этому типу принадлежат и некоторые богатые трубки, например Нюрбинская. Кро ме того, есть сведения и о находках алмазов непосредственно в карбонатитах о. Фуэртевентура (Канарский архипелаг, Испания) [23] и Чагатайского комплекса (Узбекистан) [10], которые позволили более оптимистично оценивать перспективы алмазоносно-сти различных карбонатитов, включая классические.

Общеизвестно, что на территории Среднего Тимана коренные источники алмаза до сих пор не обнаружены. Отдельные исследователи пытаются связать этот алмазоносный объект с проявлением атипичной коренной алмазоносности аналогично объектам уральского типа [18], однако фактических сведений, позволяющих утверждать о проявлении туффи-зитового магматизма, для этой гипо тезы явно недостаточно. В то же время по предварительным показателям наиболее перспективным объектом на выявление коренных алмазов на Среднем Тимане являются породы Четласского комплекса [12, 25].

Косьюский массив карбонатитов расположен в юго-восточной части Четласского Камня Среднего Тимана и в настоящее время отличается наименьшей степенью изученности по сравнению с другими карбонатитовыми объектами. В тесной пространственной, временной и структурной связи с косьюскими карбонатитами находятся дайки магматитов щелоч-но-ультраосновного состава, щелочные метасоматиты и гидротермальные гетит-полевошпатовые и кварц-гетит-гематитовые образования (рис. 1). Их

Рис. 1. Геологический разрез Косьюского массива по М. Н. Костюхину и В. И. Степаненко [8] с дополнениями.

Условные обозначения: 1 — кварцито-песчаники; 2 — сланцы; 3 — фенитизирован-ные брекчии осадочно-метаморфических пород; 4 — флогопитовые слюдиты; 5 — карбонатиты; 6 — меланократовые фениты; 7 — гетит-полевошпатовые жилы; 8 — кварц-гетит-гематитовые жилы; 9 — контакты: а — достоверные, б — предполагаемые; 10 — тектонические зоны: а — достоверные, б — предполагаемые; 11 — номера точек опробования керна

детальная характеристика приведена в работах Ю. П. Ивенсена [6], М. Н. Костюхина, В. И. Степаненко [8], А. Б. Макеева с соавторами [12], И. Л. Недосековой с соавторами [14] и других. По данным М. Н. Костюхина и В. И. Степаненко эта ассоциация пород формировалась в условиях субплатформенного тектонического режима, она тяготеет к зонам разломов северо-восточного простирания, длительное время сохранявшим тектоническую активность и имеющим глубинное заложение. Согласно В. И. Степаненко и Н. В. Суханову [19] карбонатиты Косьюского массива имеют метасоматическое происхождение по фенитам и полевошпатовым метасо-матитам с мантийным источником углекислоты. По мнению И. Л. Недосековой с соавторами [14, 15], на основе геохимических исследований предполагается существование в пределах Четласского комплекса айки-лит-карбонатитовой ассоциации, являющейся продуктом первичной богатой карбонатом магмы. Несмотря на многочисленные работы, особенности формирования Косьюского массива не были достаточно изучены, в частности в плане механизма образования свободного углерода.

С целью установления особенностей формирования косьюских карбонатитов и оценки перспективности

Косьюского массива на предмет возможной алмазоносности нами проведен анализ изотопного состава углерода и кислорода карбонатов.

Изотопные исследования карбонатов карбонатитов выполнены в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН (аналитик И. В. Смолева). Разложение карбонатов в ортофосфорной кислоте и измерение изотопного состава углерода и кислорода в режиме непрерывного потока гелия производились на аналитическом комплексе фирмы Termo Fisher Scientific (Бремен, Германия), включающем систему подготовки и ввода проб Gas Bench II, соединенную с масс-спектрометром DELTA V Advantage. Значения 513C даны в промилле относительно стандарта PDB, 518О — стандарта SMOW. При калибровке использованы международные стандарты NBS 18 и NBS 19. Ошибка определения 513C и 518О составляет ±0.1 %с (1ст).

В целом карбонатиты Косьюского массива характеризуются существенными вариациями изотопного состава углерода и кислорода: 5¹³С = -3.6 - -6.5 ^; 5¹⁸О = +8.6 - +21.1 %_с (см. таблицу).

Среднее значение 513C карбонатов косьюских карбонатитов составляет -4.6 %о. По данным Й. Хёфса [20] большинство карбонатитов и кимберлитов характеризуются величиной 813С

Результаты анализа изотопного состава углерода и кислорода карбонатов карбонатитов (Косьюский массив)

п	Номер образца	513С, %о РОВ	§18О, %О SMOW
1	С 344-1	-3.7	11.9
2	С 344-2	-3.7	13.1
3	С 347-1	-3.6	10.4
4	С 347-2	-3.7	10.9
5	С 354	-3.6	14.1
6	С 378	-4.4	12.4
7	С 180-1	-6.5	20.8
8	С 180-2	-6.2	21.1
9	С 188-1	-5.8	17.1
10	С 188-2	-5.0	18.1
11	С 200	-6.1	18.4
12	С 206	-6.2	20.5
13	С 222-1	-4.2	11.6
14	С 222-2	-4.1	11.5
15	С 230-1	-3.9	12.6
16	С 230-2	-3.6	13.2
17	С 239-1	-4.5	15.4
18	С 239-2	-3.9	16.7
19	С 246	-4.6	10.0
20	С 250	-5.0	18.8
21	С288-1	-4.4	9.2
22	С 288-2	-3.9	10.0
23	С 289-1	-4.5	8.8
24	С 289-2	-3.6	9.9
25	С 298	-4.7	8.6
26	С 305	-5.8	12.1
	Среднее	-4.6	13.7

от -4.0 до -7.0 %о, свидетельствуя о глубинном источнике углерода. Значения, выходящие за эти пределы, могут быть связаны с процессами выветривания или гидротермального изменения. При этом более высокие значения 513C объясняются термодинамическим эффектом фракционирования изотопов углерода, вызываемым снижением температуры процесса карбонати-тообразования [19].

Изотопный состав кислорода в косьюских карбонатитах отличается большим разбросом значений на фоне сравнительно однообразного изотопного состава углерода. Кислородные метки охватывают диапазон от мантийных значений до области интенсивного низкотемпературного преобразования карбонатитов вследствие гидротермально-метасоматических процессов [11]. В скв. 4112 карбонатное вещество отличается наиболее высокой степенью сохранности и изотопные характеристики с хорошей точностью попадают в мантийный квадрат, при петрографическом исследовании в соответствующих образцах нами выявлены первичные магматические структуры карбонатита (рис. 2, а ).

Имеющийся каменный материал позволил проследить особенности из-

Рис. 2. Косьюские карбонатиты, шлифы, проходящий свет, николи скрещены: а — первичный (1-я стадия), обр. C-289; б — слабо измененный (2-я стадия), обр. C-347; в — сильно измененный (3-я стадия), обр. C-188

менения изотопного состава углерода и кислорода косьюских карбонатитов по разрезу (рис. 3). Наблюдается неравномерное распределение значений изотопов углерода и кислорода в карбонатитах по скв. 4110 на глубину более 200 м, где прослеживается обратная корреляция между значениями изотопного состава углерода и кислорода.

Вниз по разрезу наблюдается чередование изотопных составов, отвечающих малоизмененным магматическим карбонатитам и сильноизме-ненным разностям, что подтверждается также данными петрографических наблюдений и особенностями геологического разреза (рис. 1, 2, 3).

В интервале 110—150 м выявлены существенные вариации значений 513C и 518О, где наблюдается значительное утяжеление кислорода при некотором облегчении углерода. Согласно М. Н. Костюхину и В. И. Степаненко [8] выше по разрезу в интервале 89.5—134.8 м отмечается зона

Рис. 3. Распределение изотопов углерода и кислорода карбонатов карбонатитов Кось-юского массива по разрезу. Усл. обозн. к колонке см. на рис. 1

предполагаемого тектонического нарушения. Выявленные особенности изотопного состава 5¹³C и 5¹⁸О свидетельствуют о проявлении в интервале 110—150 м более поздней низкотемпературной стадии гидротермально-метасоматического преобразования карбонатитов, что хорошо отражается в структуре породы (рис. 2, •, , ).

Для сравнительного анализа возможных условий образования с карбонатитовыми объектами с уже выявленными алмазами нами построена диаграмма соотношений изотопного состава углерода и кислорода карбонатитов Косьюского массива, Чагатайского комплекса и о. Фуэртевентура (рис. 4).

Рис. 4. Вариации изотопного состава углерода и кислорода карбонатов в карбонатитах: 1 — Косьюского массива; 2 — о. Фуэртевентура (Испания); 3 — Чагатайского комплекса (Узбекистан) на диаграмме К. И. Лохова [11]. Пунктирными стрелками показаны условные тренды эволюции косьюских карбонатитов

Точки составов изотопов углерода и кислорода карбонатитов о. Фуэртевентура ложатся в контур области значений, характерных для отщепленных от мантии магматических карбонатитов, представляющих собой начальную стадию кристаллизации, не подвергшейся более позднему автоме-тасоматическому преобразованию [17]. Канарские карбонатиты являются типичными порождениями несиликатных дифференциатов щелочно-ультраосновных магм, это классические магматические карбонатиты, представленные интрузивными и субвулканическими фациями океанического типа, приуроченными к подня- тию океанической коры, проявляющему современную активную тектоническую деятельность [23].

По данным [4,27] изотопный состав углерода чагатайских карбонатитов 313C находится в пределах от —4.3 до —5.2 %о. Полученные нами значения изотопного состава углерода и кислорода для этого же объекта образуют область, выходящую за пределы мантийного квадрата с пределами значений 313C = —0.4 + —3.5 %с и 318О = 6.5 + 13.2 %с (рис. 4). Данное несоответствие вероятно связано с различными выборками, которые являются результатом опробования в различной степени измененных карбонатитов — первично магматических в первом случае и затронутых высокотемпературным автометасоматозом во втором, что вполне согласуется с выделенными ранее стадиями формирования чагатайских карбонатитов [27]. В то же время, по мнению А. В. Лапина с соавторами [10], данные карбонатиты представляют собой особый тип карбонатитоподобных алмазоносных магматитов немантийного происхождения, образование алмазов в которых связывается с восстановленными глубинными флюидами, аномальными стрессовыми нагрузками и высокими температурами, свойственными мощным коллизионным зонам.

Карбонатиты Косьюского массива местами существенно обогащены легким кислородом и попадают в интервал характерный для мантийных образований (рис. 4). Однако в большинстве случаев отмечается обогащение карбонатов в той или иной мере тяжелым изотопом кислорода. Анализируя положение точек опробования в разрезе, характер соотношения изменений изотопных данных с геологическими особенностями разреза, значения составов изотопов углерода и кислорода косьюских карбонатитов условно можно разделить на два тренда. Первая группа точек формирует тренд в сторону небольшого утяжеления 313С (от —4.7 до —3.6 %о) и утяжеления 318О (до 14.1 %о), что, вероятно, может свидетельствовать о первичной магматической природе карбонатита с небольшими проявлениями автоме-тосамотоза вследствие взаимодействия с остаточной флюидной фазой. Вторая — образует тренд в сторону заметного облегчения 313С (до —6.5 %о) при значительном утяжелении 318О (до 21.1 %о), отвечая тренду гидротермальной стадий преобразования карбонатитов [17].

В целом косьюские карбонатиты характеризуются мантийными или близкими к ним значениями 313С, но варьируют по значениям 318О. Наблюдаемое разделение отражает фракционирование в процессе формирования и изменения карбонатитов [20].

Полученные нами результаты в определенной мере согласуются с данными В. И. Степаненко, Н. В. Суханова [19] и А. Б. Макеева с соавторами [12], карбонатиты характеризуются изотопным составом углерода и кислорода, свидетельствующем о ювенильном источнике углекислоты.

В то же время по сравнению с более ранними представлениями о метасоматическом генезисе карбонатитов [12, 19] на основании совокупного анализа геологических, изотопных и петрографических наблюдений нами выделяются три стадии формирования карбонатитов: 1) магматическая, 2) автометасоматическая, 3) гидротермальная. Первично магматическая природа косьюских карбонатитов также хорошо согласуется с последними геохимическими данными [14].

Диагностика первично магматического карбонатита в большинстве случаев затрудняется проявлениями автометасоматоза, вызванного предположительно отделившейся водой при дифференциации и кристаллизации щелочно-силикат-карбонатито-вого расплава, обогащенного водой и углекислотой. Последнее подтверждается проведенными ранее исследованиями флюидной составляющей карбонатитов [24]. Согласно изучению газово-жидких включений с использованием газовой хроматографии, было установлено, что флюидная фаза, содержащаяся в карбонатите, преимущественно представлена H 2 O и CO₂ при существенно подчиненном содержании СО и еще меньшем количестве H 2 и углеводородов. Несмотря на существенную изменен-ность карбонатитов в целом, выявленные реликты первичных структур, коррелирующие с изотопным составом, позволяют свидетельствовать о магматической стадии формирования карбонатитов.

Известные на сегодняшний день данные об условиях собственно магматической стадии образования карбонатитов охватывают диапазон температур в среднем от 600 до 900 °С, при этом непосредственно карбонатитовый парагенезис образуется при 625 °С [2]. Автометасоматоз предположительно протекает при незначительно пони женных температурах относительно раскристаллизации расплава. Гидротермально-метасоматический процесс характеризуется существенно пониженными температурами — порядка 100—400 °С, источником флюида для которых являются продукты дистилляции остывающего магматического очага [2].

Наличие самородного углерода (графита и его псевдоморфоз по алмазу) в карбонате косьюских карбонатитов в совокупности с составом флюида, позволило сделать вывод о геохимически благоприятной природе косьюских карбонатитов для формирования алмазов [25]. Учитывая достаточно высокую температуру первого этапа образования карбонатитов, можно предположить, что самородный углерод из карбонатитов Косьюского массива образовался за счет восстановленных компонентов флюида [22] или посредством восстановления углерода двухвалентным железом из CO2 [1].

Полученные нами результаты демонстрируют, что Косьюский комплекс характеризуется формированием карбонатитов в три стадии, включая собственно магматическую. На данный момент еще недостаточно ясно, на какой стадии формируется самородный углерод. Его образование может быть теоретически связано с любой стадией, включая кристаллизацию в карбонатном расплаве [26] и образование алмазов из флюидной фазы при пониженных термодинамических параметрах, возможность образования которых подтверждена многочисленными экспериментальными данными по синтезу алмазов как из газообразной, так и в жидкой среде, не требует сверхвысокого давления [22] и позволяет получать крупные монокристаллы алмазов [28, 29]. Образование свободного углерода, в том числе алмазов в косьюских карбонатитах может быть связано с воздействием восстановленных глубинных флюидов в условиях аномальных стрессовых нагрузок, подобно алмазоносным карбонатитам Чагатайского комплекса [10], анализ тектонической истории исследуемой территории [16] демонстрирует в достаточной степени сходные черты с проявлением мантийного магматизма с постмагматическими и активными гидротермально-метасоматическими процессами.

Таким образом, в процессе исследований выявлены три стадии формирования косьюских карбонатитов, включая собственно магматическую, автометасоматическую и низкотемпературную гидротермально-метасоматическую. Сравнительный анализ изотопного состава углерода и кислорода карбонатов карбонатитов Косьюского массива, Узбекистана и о. Фуэртевентура, геохимические особенности флюидных включений, а также наличие графита и его псевдоморфоз по алмазу в косьюских карбонатитах, позволяют сделать вывод о перспективности Косьюского массива на обнаружение коренных алмазов.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов Уральского отделения РАН для молодых учёных и аспирантов (2010—2011 гг.) и проекта УрО РАН № 12-У-5-1026.