Алмази в перидотитах утворилися з рідких і газоподібних вуглеводнів перехідної зони мантії

Ріс. 1. Офіолітовий комплекс Нідар в Індії. Фото з обкладинки журналу Geology, в якому опублікована обговорювана стаття

Газово-рідкі включення в кристалах породотворчих мінералів — це законсервовані фрагменти розплаву, з якого формувалися гірські породи. Вивчаючи такі включення, вчені мають унікальну можливість дізнатися не тільки про температури, тиск і окислювально-відновлювальні умови в місцях утворення порід, а й отримати уявлення про геохімічний склад глибинних шарів Землі, включаючи склад летючих компонентів, які зазвичай не зберігаються. Проаналізувавши склад включень в перидотитах мантійного походження з офіолітового комплексу Нідар в Гімалаях, вчені встановили, що самі нижні горизонти верхньої мантії містять водень і рідкі вуглеводні, з яких при підйомі мантійної речовини могли утворитися алмази, а паралельно — вуглекислий газ і вода.

Зовнішня оболонка Землі не суцільна, а розбита на блоки — літосферні плити. Деякі літоферні плити складені виключно океанічною корою (наприклад, Тихоокеанська плита), інші включають фрагменти і океанічної, і континентальної кори. Тверді літосферні плити постійно рухаються поверхнею більш пластичної астеносфери. Швидкість їхнього руху зараз становить від 1 до 6 см на рік.

У зонах розтягнення (спредингу) — там, де літосферні плити розходяться, — формується нова океанічна кора. Як правило, це відбувається біля срединно-океанічних хребтів, розташованих у центральних частинах усіх океанів. У зонах стиснення плити рухаються назустріч один одному і там можливі різні варіанти взаємодії.

Поблизу континентальних околиць, де океанічні плити стикаються з континентальними, більш тонкі і важкі океанічні плити занурюються в земну мантію під край більш потужної (товстої), але при цьому і більш легкої континентальної плити. Коли між собою стикаються дві континентальні плити, їх краї дробляться, зминаються і формуються системи великих насувів, що призводить до зростання гірських структур зі складною складчато-надвиговою будовою.

Якщо ж між двома континентами знаходиться океанічна плита, то океан ніби схлопується, а океанічна кора, занурюючись в мантію, може безслідно зникнути. Але іноді буває і так, що океанічна кора «тоне» в мантії не повністю, а якась її частина видавлюється на поверхню — відбувається обдукція. При цьому формуються офіолітові комплекси — фрагменти стародавньої океанічної літосфери, що збереглася місцями на поверхні в складчастих областях (рис. 2). Офіолітові зони (або пояси) ще називають «слідами зниклих океанів», оскільки вони утворюються на місці замикання (закриття) океанічних басейнів.

Рис, 2. Передбачуваний двоетапний механізм утворення офіолітових комплексів у зонах обдукції: а — етап розтягнення та формування океанічної кори; б — етап зіткнення континентальних плит з видавлюванням на поверхню фрагментів океанічної кори і верхньої мантії. Помаранчевим показана континентальна кора, чорним — океанічна кора, жовтим — осадові відкладення, стрілками — конвективні течії у верхній мантії і рух плит, фіолетовим — офіоліти

Враховуючи те, що блоки океанічної літосфери включають океанічну кору і підстилаючу її верхню мантію, офіоліти є унікальними природними утвореннями, де породи верхньої мантії виведені на поверхню, і ці комплекси традиційно привертають увагу вчених-геологів. Офіоліти, як правило, складені у верхній (коровій) частині розрізу базальтами і габбро, а в нижній (мантійній) частині — деформованими перидотитами. Перидотити — це головні породи верхньої мантії Землі.

Група вчених з Техаського університету в Арлінгтоні (США) та Інституту геології Гімалаїв (Wadia Institute of Himalayan Geology, Дехрадун, Індія) вивчила мінеральний склад порід комплексу Нідар — найпотужнішого (товщиною близько 10 км) і добре збереженого офіолітового комплексу в Гімалаях (північно-східний Ладакх. Результати дослідження опубліковані в журналі Geology.

Спочатку інтерес вчених привернули мікрокристали алмазу, присутні в перидотитах у вигляді мікровключів. Акцесорні алмази в перидотитах знаходили і раніше. Комерційної цінності вони не представляють через крихітні розміри і низьку якість, зате важливі для вчених. Зараз вперше виявлені алмази в асоціації з мінералами-індикаторами ультрасверхвисоких тисків (UHP-мінерали), що утворюються на значно більших глибинах. Вчені поставили перед собою завдання з’ясувати джерело речовини перидотитових алмазів і спробувати зрозуміти механізм їх утворення.

Детальне вивчення породоутворюючих мінералів перидотитів Нідара — ортоенстатиту (ромбічного піроксена) і олівіну — і включень в них, проведене методом лазерної раманівської спектроскопії, дозволило виявити в перидотитах комплексу Нідар унікальну мінералого-геохімічну асоціацію, що ніколи раніше не відзначалася для офіолітів. Алмази тут зустрічаються у вигляді октаедричних кристалів з включеннями азоту (N₂) в ортоенстатиті (рис. 3, зліва). Також в ортоенстатиті були виявлені включення метану (SN₄) і клиноенстатиту (моноклінного енстатиту). Крім алмазів в них були виявлені графітові псевдоморфози по кристалах алмазу розміром 2-5 мкм (більш пізні утворення з графіту, який замістив алмази), а також вуглеводні та водневі газово-рідкі (флюїдні) включення (рис. 3, праворуч), що відображають стан середовища, в якому відбувалося утворення всіх цих мінералів. Виходить так, що вчені отримали можливість проаналізувати склад мінералоутворюючого середовища самої глибинної частини мантії з коли-небудь доступних для прямого вивчення.

Рис, 3. Мікрофотографії алмаза в зерні ортоенстатиту і включень в олівіні з перидотитів. С-Н та N₂ — первинні газово-рідкі (флюїдні) включення; Graphitic carbon — псевдоморфози графіту з алмазу. Зображення з обговорюваної статті в Geology

Вивчення внутрішньої структури і складу головних породоутворюючих мінералів перидотитів Нідара — ортоенстатиту (ромбічного піроксена) і олівіну — підтвердило припущення про те, що джерело речовини цих порід знаходилося в зоні так званої перехідної зони мантії, розташованої на глибині близько 410 км на кордоні між верхньою і нижньою мантією. Це підтверджується наявністю включень ультрависокобаричного клиноенстатиту (моноклінного енстатиту) в ортоенстатиті, а також орієнтованих мінеральних фаз гематиту (α-Fe₂O₃) і голкових утворень Cr-шпинелі в кристалах олівіну. Справа в тому, що лід-олівін (форстерит) верхньої мантії (α-Mg₂SiO₄) не може містити у своїй кристалічній структурі тривалентне залізо, а ультрависокобаричний лід-олівін (вадслеїт, див. Wadsleyite) перехідної зони мантії (β-Mg₂SiO₄) — може (H. St. C. O’Neill et al., 1993. Mossbauer spectroscopy of mantle transition zone phases and determination of minimum Fe³⁺ content). Гематитова фаза в олівіні відокремилася в процесі декомпресії при підйомі мантійного матеріалу, коли вадслеїт переходив у форстерит (рис. 4).

Ріс. 4. Схема підйому мантійної речовини (мантійного апвеллінгу) під спрединговим центром палеоокеана Неотетіс з перехідної зони мантії (показана сірим) з глибини приблизно 410 км. Червоним підписані глибинні рівні, на яких формувалися мікрокристали алмазів (Diamond), включення вуглеводнів (С-Н) і водню (Н₂). Темно-бузковим ліворуч підписані межі стійкості різних модифікацій олівіну: рінгвудиту (_{лід-Мg2SiO4}), вадслеїту (β-Mg₂SiO₄) і форстериту (_{лід-Мg2SiO4}). Темно-бузковим праворуч підписані межі стійкості різних модифікацій енстатиту (клиноенстатит/ортоенстатит), вуглецю (алмаз/графіт) і діоксиду кремнію (коесит/кварц). На глибині близько 300 км відзначена зона насичення металів (Metal saturation zone), в якій відбувалося відокремлення фаз гематиту (α-Fe₂O₃) і Cr-шпинелі в олівіні. Автори вважають, що алмази, виявлені ними в перидотитах, сформувалися з вуглеводневих флюїдів (рідких і газоподібних легкоподвижних компонентів магми) під час підйому мантії під спрединговим центром океану Неотетіс, що утворився після чергового розколу Гондвани на початку кайнозою і закрився при зіткненні Індостанської плити (помаранчева) і Лавразії (приблизно млн) Малюнок з обговорюваної статті в Geology

Отже, очевидно, алмази в перидотитах офіолітового комплексу Нідар формувалися на значних глибинах, а наявність в цих же мінералах включень вуглеводнів в газовій і рідкій фазах вказує на те, що на цих глибинах розплав містив вуглець, що служив джерелом речовини алмазів.

Ці включення швидше за все формувалися при окисленні мантійної речовини в процесі її підйому (мантійного апвелінгу). Паралельно могли утворюватися вода і вуглекислота, що сприяють плавленню перидотитів і утворенню магми, яка вже виносила воду і вуглекислоту на поверхню Землі. Таким чином, ці найважливіші для еволюції всього земного — як живого, так і неживого — речовини могли мати в тому числі глибинне, ендогенне походження. Згідно з гіпотезами, що домінували раніше, вода була привнесена на Землю ззовні. Втім, у питанні про походження води на Землі крапку ставити ще рано. Що стосується вуглекислого газу, присутнього у великих обсягах вже в складі первинної атмосфери Землі, то його завжди вважали продуктом дегазації земних надр, проте сам механізм утворення вуглекислоти, що викидається вулканами, був до кінця не зрозумілий. На думку авторів обговорюваного дослідження, рідкі і газоподібні (флюїдні) вуглеводні нижніх шарів верхньої мантії при її конвекційному підйомі під зонами спредингу могли також бути джерелом вуглекислого газу, який був згодом включений в глобальний цикл вуглецю.

Джерело: S. Das, A. R. Basu, B. K. Mukherjee. In situ peridotitic diamond in Indus ophiolite sourced from hydrocarbon fluids in the mantle transition zone // Geology. 2017. DOI:  10.1130/G39100.1.

Владислав Стрекопитов