О прогнозировании алмазоносных кимберлитовых тел

О прогнозировании алмазоносных кимберлитовых тел

на Сибирской платформе.

Вопросы прогнозирования алмазоносных кимберлитовых месторождений связаны с изучением проблем происхождения кимберлитовой магмы, механизма образования кимберлитовых тел (трубок, даек, силлов), происхождения алмазов и сопутствующих геолого-структурных и тектонических условий формирования кимберлитовых полей.

Неясностей в этих проблемах пока еще достаточно и не позволяют дать однозначных ответов прогноза на новых территориях Сибирской платформы.

Для прогнозирования принимаются во внимание региональные тектонические, структурные и другие критерии, влияющие на локализацию кимберлитов и лампроитов на соответствующей территории. Поэтому вначале рассмотрим существующие модели образования кимберлитовой магмы, механизма формирования кимберлитовых тел и самого процесса алмазообразования.

Большинство петрологических моделей образования кимберлитовой магмы построено на эволюции ультраосновных флюидных магм мантийного происхождения.   Формирование кимберлитовой магмы могло происходить за счет частичной кристаллизации ультраосновной магмы и консолидации остаточного кимберлитового расплава (П. Харрис); частичного плавления мантийного вещества (Ю. Литвин); карбонатизации мантийного перидотита (П. Уайли), воздействия водного флюида на силикатный расплав (И. Рябчиков); магматического расщепления и флюидного замещения ультраосновной серии (А, Маракушев); частичного плавления карбонатизированного, метасоматизированного, ильменитсодержащего гранатового лерцолита в присутствии водно-углекислого флюида (В. Ваганов). Практически во всех случаях для образования кимберлитового расплава мантийный материал взаимодействует с флюидами.

Глубины образования кимберлитовой магмы определяются расчетами преобладающего давления в 5,0 – 6,0 гПа и принимаются в 150-250 км глубиной. И здесь выделяются две точки зрения:

1. Кимберлитовый расплав зарождается в подкоровых глубинах планеты среди пород верхней мантии, где термодинамические условия могут обеспечить кристаллизацию алмазов, пиропов;

2. Ультраосновная магма, поднявшаяся из верхней мантии, эволюционирует и приобретает специфические особенности, обеспечивая перерождение в кимберлитовый расплав, в промежуточных очагах. В этих очагах из углеводородов вмещающих пород или газовой фазы при пульсирующих движениях земной коры могли возникнуть условия, необходимые и достаточные для кристаллизации алмаза.

О механизме формирования кимберлитовых тел существует еще больше мнений, зачастую весьма отличающихся друг от друга. Прорыв земной коры при движении магмы, находящейся под очень большим давлением, и взрывной характер образования трубки, после того как магма достигает сравнительно небольших глубин (В.Соболев); многократные взрывы с перемещением фронта формирующейся трубки к поверхности (С.Костровицкий); разработка полости диатремы динамическим и термическим воздействием сильно сжатых и нагретых газов, а также вследствии ударно-абразивному эффекту, создаваемому обломками прорванных пород, затем заполнение полости диатремы магматическим расплавом с захватом пирокластического материала (В.Милашев); подъем насыщенной газом кимберлитовой магмы по системе трещин, а с глубины 2-3 км при адиабатическом расширении растворенных в магме газов происходит взрывной процесс с заполнением системой «кимберлит + обломки вмещающих пород (Д.Доусон); первоначальных прорыв с глубины около 0,5 км и постепенное разрастание диатремы в ходе дальнейших эксплозий (С.Клемент).

В строении кимберлитовых трубок выделяются три основных элемента: воронкообразное расширение (раструб), вертикальный канал, корневая часть (подводящий канал) в виде дайкообразного тела.

Воронкообразная форма раструба имеет углы падения контактов в пределах 50 – 75^о, а глубина варьирует от состава вмещающих пород и не превышает 300 – 350м. Вертикальный канал может достигать 1500 – 2000м. Корневая часть имеет дайкоподобную форму мощностью от нескольких до десятком метров при относительно небольшой длине.

Подавляющее большинство кимберлитовых тел имеет выход на дневную поверхность. Хотя встречаются «слепые» тела (тр. Одинцова, Далдыно-Алакитское поле).

Каждая из частей трубки сложена породами, различающимися между собой текстурно-структурными особенностями и частично составом, обусловленными вертикальной зональностью кимберлитовых тел, различием ксеногенного материала, минералов-спутников алмаза, распределением глубинных ксенолитов, степенью вторичных изменений.

Здесь следует обратить внимание на изменение снизу вверх удлиненно-уплощенной формы в относительно изометричную и с увеличением размеров. Это возможно лишь при значимом подпоре кимберлитовой магмы снизу и быстром прохождении корневого канала этого расплава. Но если местоположение первичного очага кимберлитовой магмы находится в верхней мантии, т.е. на глубинах 150-250км, то корневая часть должна составлять десятки или даже сотни километров по протяженности. Трудно представить себе, что в маломощном дайкоподобном теле не происходило кристаллизационных перехватов, создание пробок. Возникает вопрос о происхождении даже не целиком трубки а именно корневой части трубки, чтобы обеспечить необходимую скорость продвижения кимберлитового флюидно-магматического расплава. Похоже, здесь играют роль иные вспомогательные инструменты формирования вертикальных тел значительной протяженности.

Геологам известны факты дегазации отрабатываемых алмазоносных тел (тр. Удачная, Айхал), иногда метан выходит даже при бурении скважин по трубкам (Харамайское поле), а в некоторых случаях (тр. Мир) есть соседство с углеводородной (нефтяной) залежью в контурах Иреляхско-Мочобинской нефтегазоносной структуры. Соприкосновение ультраосновной магмы с углеводородами образует инструмент формирования трубочных тел. При этом температурный фактор играет определяющую роль каталитического гидрирования углеводородов на водород и углерод, каким бы сложным соединение углеводородов не было. Скопления углеводородов образуются на границе мантия – кристаллическая кора, установлены месторождения нефти в кристаллических породах (Вьетнам), на границе платформенного чехла и осадочных породах чехла.

Пространственная связь алмазоносных кимберлитов с нефтегазоносными бассейнами подмечена многими (И.Волкодав, Р.Родин, В.Епифанов), при этом выделялась двоякая роль подобного соседства: генетическая (углеводороды могли быть поставщиком углерода и создателелем восстановительной среды в процессе алмазообразования) и алмазосохранящая.

И еще интересный факт, в нефти Мексиканского залива обнаружены нанокристаллы алмаза, своеобразные затравки будущих кристаллов. Заодно проведены эксперименты, подтверждающие образование углеводородов в термобарических условиях верхней мантии.

В свое время Соболев В.С. указывал на возможность роста алмазов при обилии свободного водорода и ювенильных углеводородов.

Каким образом взаимодействие углеводородов и ультраосновной магмы повлияло на формирование трубочных тел? Сколько бы мы не рассуждали о фугитивности кислорода в условиях верхней мантии, он постоянно взаимодействует с водородом, образуя воду или страшную «гремучую» смесь, что зависит в первую очередь от температурных условий, а углерод связывается в СО или СО₂. Смесь чистого водорода и чистого кислорода при соотношении водорода к кислороду 2 : 1 или при содержании водорода 4 – 96% становится взрывоопасной. Но при каталитическом гидрировании углеводородов происходит резкое обогащение среды свободным водородом и свободным углеводородом. Вначале водород связывает кислород ультраосновной магмы в воду, затем его избыток проникает вверх по трещинам, заполняя их и образуя «гремучую» смесь с кислородом боковых пород. Эта взаимосвязь водорода и кислорода служит своеобразным инструментом формирования полостей трубочных тел. Перемещаясь вверх взрывная смесь газов образует микро- и макровзрывы, которые расчищают проход движения ультраосновной магмы, наполняя ее при этом обломками перекрывающих горных пород. При данном механизме формирования трубок используются текстурно - структурные особенности горных пород , их слоистость (вертикальная или горизонтальная), их тектоническая трещиноватость.

При крутопадающем или вертикальном положении слоев горных пород, аналогичной трещиноватости кимберлитовые тела обычно вытянутые или дайкообразной формы. Горизонтальное распределение горных пород заставляет находить путь «гремучей смеси в зонах сочленения даже слабой трещиноватости или с зонами нарушения сплошности горных пород вследствии формирования положительных структур мелкого порядка. При утыкании подобного взрывного механизма образования в плотную, поперечную преграду (покровы или силлы базальтов, другие магматические породы) происходит частичное расширение канала, а при преодолении этой преграды»гремучая « смесь вновь начинает свой путь наверх. Возможны даже некоторые смещения формы трубочного тела.

При достижении глубин 2 – 2.5км, когда горное давление боковых пород начинает снижаться, поперечная форма трубочного тела начинает постепенно конусовидно увеличиваться. Вблизи поверхности на формирование диатремы «гремучей» водородно-кислородной смесью горное давление становится минимальным и появляется возможность разового или многоразового образования воронкообразного расширения, иногда с образованием кольцевого выброса вмещающих пород с редкой пропиткой по трещинам кимберлитовым расплавом.

Несомненно, при подобном механизме формирования трубочных тел становится важным постоянный приток водорода и кислорода, т.е. постоянное гидрирование углеводородов в течении всего периода образования трубок и подток кислорода и даже воздуха из боковых, вмещающих пород.

Однако до формирования собственно кимберлитовых тел ультраосновная магма верхней мантии проходит несколько промежуточных этапов преобразования. Вначале в виде диапира исходная кимберлитовая (лампроитовая) составляющая мантийного вещества всплывает до границы до границы мантия – кристаллическая кора и подпирает собой верхние горизонты коры, образуя крупные поднятия. Вероятно, тектонические нарушения, создаваемые при этом в коре, позволяют мантийному диапиру частично проникать достаточно высоко вглубь кристаллического фундамента, вплоть до образования локальных промежуточных камер, заполняемых ультраосновным расплавом, попутно взаимодействуя со скоплениями углеводородов, находящихся в боковых породах. Но и здесь подобные диапировые камеры формируют купольные поднятия или приподнятые жесткие блоки над собой. Далее уже из промежуточных очагов начинается формирование полей или отдельных трубочных тел, их поступление к поверхности. Таким образом, можно выделить ранжированный ряд регионального кимберлитообразования: астеносферная линза верхней мантии, корневая часть исходного кимберлитового расплава – промежуточный очаг, формирующий купольное поднятие или приподнятый жесткий литосферный блок – тектоническая радиально-концентрическая структура фундамента и перекрывающих осадочных пород, как следствие положительно структуры, сформированной промежуточным очагом – кимберлитовое поле.

Мы знаем примеры «слепых» кимберлитовых тел. С точки зрения водородно – кислородного формирования диатрем происхождение слепых трубок вполне обосновано, прекращается приток водорода и взрывной механизм перестает работать. Но, если эта гипотеза практически будет обоснована, то подобных слепых тел должно существовать гораздо больше и их верхняя часть может быть на совершенно разных глубинах.

Подобный механизм образования трубочных тел может существовать не только при участии кимберлитовой или лампроитовой магмы, но и основной, создавая тела различного петрографического наполнения.

При этом обломки боковых пород при образовании трубок могут входить в качестве ксеногенного материала в состав ультраосновного раплава на значительную глубину или образовывать небольшой слой в верхней части трубок. Это зависит от плотности и раскристаллизованности магматического раплава заполнения трубки.

Кимберлиты и лампроиты интересны еще и тем, что это потенциальные источники алмазов. Поэтому затронем немного вопросы алмазообразования.

В целом алмазы характеризуются:

- процесс роста алмазов определяется, с одной стороны, возможностью равномерного питания растущего кристалла (хорошо ограненные кристаллы), а с другой стороны, сменой, иногда многократной, роста и растворения (скульптуры растворения);

- кристаллы алмаза обнаружены не только в кимберлитах, но и в содержащих в них эклогитовых и перидотитовых ксенолитах;

- в алмазах установлены включения других минералов и их сростков, имеющие собственную или комбинированную огранку, отличную или схожую ассоциацию с кимберлитами.

В мантийных условиях при эволюции глубинных магм и при взаимодействии с углеводородами происходит образование «затравок» будущих кристаллов алмаза, многочисленных и на уровне наноразмеров в зоне термодинамической стабильности алмаза.

При подъеме мантийного диапира алмазные зародыши могут сохраняться или растворяться. Это зависит от кинетики и интенсивности движения диапира до промежуточного очага.

В пределах промежуточного очага (на границе мания – земная кора или в пределах кристаллической коры) происходит интенсивный рост алмазов на существующих уже затравках кристаллов, но только в зонах соприкосновения с углеводородными скоплениями, в условиях их каталитического гидрирования, обеднения кислородом и появления свободного углерода. Идея образования алмазов за счет углеводорода была сформулирована В.Васильевым, В.Ковальским и Н.Черским еще в 60-х годах прошлого века.

Далее происходит образование диатремы, резкое возрастание окислительного потенциала и прекращение роста алмазов.

Таким образом, рост алмазов происходит, по меньшей мере, в два этапа: создание «затравок» в мантийных условиях и формирование кристаллов в промежуточных очагах, созданных мантийными диапирами, где и окончательно оформляются кимберлитовые или лампроитовые расплавы. В процессе образования трубочного тела алмазы уже не растут, но уже имеющиеся в расплаве могут графитизироваться или растворяться с изменением кристаллической формы в условия быстрого или медленного подъема магматического материала.

Слабоалмазоносные или практически неалмазоносные кимберлиты могут образоваться по нескольким причинам:

1. Промежуточный очаг мантийного диапира находится на глубинах, где кислород активен и вместе с водородом успевает окислять углерод. При этом количество углеводородов достаточно лишь для того, чтобы на начальном этапе шло быстрое образование взрывчатой водородно-кислородной смеси, а, значит, происходило ускоренное создание диатремы. Это позволяет сделать вывод, что местонахождение промежуточного очага было достаточно высоко в кристаллической коре, что позволяло образовывать кимберлитовое поле по широкому фронту, но сами кимберлитовые тела формировались мелкими, хотя встречаются часто. Большинство кимберлитовых полей севера Сибирской платформы относятся к этому типу.

2. Возможна ситуация, когда масштаб гидрирования углеводородов, взаимодействующих с ультраосновным расплавом, недостаточен для быстрого создания канала трубки, кимберлитовый материал медленно поднимается вверх и алмазный материал успевает раствориться в магматическом расплаве или, по меньшей мере, графитизироваться.

Динамика формирования кимберлитовых тел определяет их алмазоносность, но не возрастные ограничения этапов алмазного кимберлитообразования. Собственно кимберлитовый расплав и алмазы, на ксенозатравках ультраосновной магмы верхней мантии, окончательно формируются в пределах промежуточной камеры. Трубки и дайки служат лишь механизмаит доставки их в верхние горизонты платформенного фундаиента и перекрывающего осадочного чехла.

Попытаемся выделить основные геолого-структурные и тектонические критерии, обуславливающие возможность прогнозирования кимберлитовых полей:

- Купольные поднятия диаметром 30 – 100км с амплитудами от нескольких десятков до сотен метров, проявляемые в достаточно пластичных породах чехла. При повышенной жесткости горных пород проявляются блоковые поднятия, соизмеримые по размерам с купольными. Возможна комбинация обоих типов. Впрочем, сами поднятия являются следствием образования промежуточного очага, откуда формируются тела кимберлитов.

- Положительные кольцевые морфоструктуры, кольцевые и дугообразные разломы в верхних и нижних горизонтах осадочного чехла, образующих в совокупности радиально-концентрическую систему. Подобные структуры являются следствием формирующегося купольного или блокового поднятия.

- Интенсивные глубинные положительные гравитационные аномалии, выделяемые на флангах кимберлитовых полей и определяемые остатками ультраосновного расплава промежуточной камеры.

- Наличие в земной коре повышенного числа зон с иныерсией скоростей, что уже говорит о неоднородности разреза.

- Наличие аэромагнитных и электрических аномалий 2трубочного» типа, что уже напрямую выводит на конкретные трубочные кимберлитовые тела.

Среди поисковых признаков можно отметить:

- Широкое распространение, в зависимости от эродированности кимберлитовых тел, минералов индикаторов алмаза, в том числе хорошей сохранности в промежуточных коллекторах.

- Повышение геохимического фона и выделение аномальных ореолов комплекса элементов-индикаторов кимберлитового магматизма (хром, никель, кобальт, титан, ванадий, иттрий).

Необходимо остановиться на использовании в поисковых работах промежуточных коллекторов минералов-индикаторов и самих алмазов.

По своему генезису выделяются коллекторы ближнего (элювиальный, делювиальный, пролювиальный, аллювиальный и озерный) и дальнего (морской) сноса. Коллекторы ближнего сноса чаще всего служат прямым путем обнаружения кимберлитовых тел. Коллекторы дальнего сноса распространены шире, но наибольший интерес представляют базальные конгломераты морского генезиса, которые формируются, в том числе, и за счет коллекторов ближнего сноса.

Расстояния переноса алмазов и минералов-индикаторов в коллекторах ближнего сноса редко превышают десятки километров, но в коллекторах дальнего сноса могут достигать сотен километров, часто с сортировкой по крупности, по удельному весу, по изношенности.

Примером могут служить Эбеляхские аллювиальные россыпи, образовавшиеся по следующей схеме: коренные источники неясного местоположения – карбоновые морские россыпи, остатки которых в виде кварцевых глыб с остатками флоры и зернами пикроильменита на правобережье р.Эбелях – неоген-четвертичный пролювиальный коллектор ближнего сноса, образования которого практически полностью привело к разрушению морских россыпей – аллювиальные россыпи за счет размыва пролювиального коллектора. Здесь четко прослеживается многоступенчатая связь коллекторов разного сноса, но до сих пор не выявлено местонахождение коренных источников алмаза.

Для формирования морских алмазоносных россыпей должны существовать благоприятные условия прибрежного течения, пример Западная Африка. Хотя чаще всего при переносе алмазов и индикаторов-спутников происходит лишь разнос, разубоживание их на значительной территории.

Рассматривая регион Сибирской платформы, можно отметить выявление разновозрастных коллекторов морского генезиса (кембрийского, среднепалеозойского, раннемезозойского), однако содержания в них минералов-индикаторов и тем более алмазов совсем не впечатляют (Чернышевская и другие площади).

Возникает вопрос, можно ли по коллектору дальнего сноса с крайне разубоженными содержаниями минералов-индикаторов или алмазов выйти на источник этих минералов? Казалось бы, возможно проследить пути сноса данных минералов. Но здесь встает сразу момент дальности переноса, сохранность всего пути перемещения минералов. Многое зависит от детальности изучения, которое чаще ограничивается самим коллектором.

Таким образом, можно сделать неутешительный вывод, коллекторы дальнего сноса редко могут привести к положительному поисковому результату, их нельзя считать прямым поисковым признаком без детального изучения палеогеографии, литологии. Подобные коллекторы являются лишь показателем присутствия где-то в пределах первых сотен километров эродируемых алмазоносных тел или коллекторов ближнего сноса в масштабе крупных положительных структур и морских коллекторов по обрамлению региона.

Используя наработанный геологический и геофизический материал, информацию космических съемок различного направления, на первом этапе в целях прогнозирования местонахождения кимберлитовых полей можно выделять долгоживущие куполовидные поднятия, их сочленение с другими структурами, тектоническую нарушенность поднятий и региона в целом, но не более. Если рассматривать ранжирование поисковых критериев, то мы вряд ли добиваемся 20-процентной возможности правильного выделения потенциально кимберлитоносных структур. Для увеличения достоверности прогнозирования необходимо ориентироваться на высокоточные аэромагнитные и электроразведочные исследования масштаба 1:10000, разработки программы устранения помех плоскостного развития (покровы, силлы основных пород), использовать информацию нефтяной и газовой геологии, использовать космические материалы спектрорадиометрии, радиацонной термометрии. В противном случае прогнозирование выливается в построение красивых картинок без реализации положительного результата.

Литература.

Ваганов В.И. Алмазные месторождения России и мира (основы прогнозирования)// М, Недра, 1980.

Варламов В.А. Стркутуры кимберлитовых полей как разновидность вулканических построек центрального типа. // Геофизические методы прогноза поисков и разведки месторождений алмазов, М, 1989, тр. ЦНИГРИ, вып.237.

Васильев В.Г., Ковальский В.В., Черский Н.В. Проблема происхождения алмазов.// Якутск,1961.

Еременко А.В. О механизме формирования диатрем Архангельской алмазоносной провинции.// ВГУ, Интернет.

Милашев В.А. Трубки взрыва.// Л, Недра, 1984.

Портнов Л.М. Флюидный диапиризм и генезис алмазов в кимберлитах.// Бюлл. МОНО, отд. геол., 1984, т.59, вып.

Родин Р.С., Епифанов Б.А. О парагенетической связи алмазов, углеводородных скоплений и пород класса аллитов (на примере Сибирской платформы).// Геология и минерагения Сибири. Сборник научных трудов. СНИИГГиМС, Новосибирск, 1997.

Трофимов В.С. Геология месторождений природных алмазов.// М, Недра, 1980.