Алмазы в перидотитах образовались из жидких и газообразных углеводородов переходной зоны мантии

Рис. 1. Офиолитовый комплекс Нидар в Индии. Фото с обложки журнала Geology, в котором опубликована обсуждаемая статья

Газово-жидкие включения в кристаллах породообразующих минералов — это законсервированные фрагменты расплава, из которого формировались горные породы. Изучая такие включения, ученые имеют уникальную возможность узнать не только о температурах, давлении и окислительно-восстановительных условиях в местах образования пород, но и получить представление о геохимическом составе глубинных слоев Земли, включая состав летучих компонентов, которые обычно не сохраняются. Проанализировав состав включений в перидотитах мантийного происхождения из офиолитового комплекса Нидар в Гималаях, ученые установили, что самые нижние горизонты верхней мантии содержат водород и жидкие углеводороды, из которых при подъеме мантийного вещества могли образоваться алмазы, а параллельно — углекислый газ и вода.

Внешняя оболочка Земли не сплошная, а разбита на блоки — литосферные плиты. Некоторые литосферные плиты сложены исключительно океанической корой (например, Тихоокеанская плита), другие включают фрагменты и океанической, и континентальной коры. Твердые литосферные плиты постоянно движутся по поверхности более пластичной астеносферы. Скорость их движения в настоящее время составляет от 1 до 6 см в год.

В зонах растяжения (спрединга) — там, где литосферные плиты расходятся, — формируется новая океаническая кора. Как правило, это происходит у срединно-океанических хребтов, расположенных в центральных частях всех океанов. В зонах сжатия плиты движутся навстречу друг другу и там возможны разные варианты взаимодействия.

Вблизи континентальных окраин, где океанические плиты сталкиваются с континентальными, более тонкие и тяжелые океанические плиты погружаются в земную мантию под край более мощной (толстой), но при этом и более легкой континентальной плиты. Когда между собой сталкиваются две континентальные плиты, их края дробятся, сминаются и формируются системы крупных надвигов, что приводит к росту горных структур со сложным складчато-надвиговым строением.

Если же между двумя континентами находится океаническая плита, то океан как бы схлопывается, а океаническая кора, погружаясь в мантию, может бесследно исчезнуть. Но иногда бывает и так, что океаническая кора «тонет» в мантии не полностью, а какая-то ее часть выдавливается на поверхность — происходит обдукция. При этом формируются офиолитовые комплексы — фрагменты древней океанической литосферы, сохранившейся местами на поверхности в складчатых областях (рис. 2). Офиолитовые зоны (или пояса) еще называют «следами исчезнувших океанов», так как они образуются на месте замыкания (закрытия) океанических бассейнов.

Рис. 2. Предполагаемый двухэтапный механизм образования офиолитовых комплексов в зонах обдукции: а — этап растяжения и формирования океанической коры; б — этап столкновения континентальных плит с выдавливанием на поверхность фрагментов океанической коры и верхней мантии. Оранжевым показана континентальная кора, черным — океаническая кора, желтым — осадочные отложения, стрелками — конвективные течения в верхней мантии и движение плит, фиолетовым — офиолиты

Учитывая то, что блоки океанической литосферы включают океаническую кору и подстилающую ее верхнюю мантию, офиолиты являются уникальными природными образованиями, где породы верхней мантии выведены на поверхность, и эти комплексы традиционно привлекают внимание ученых-геологов. Офиолиты, как правило, сложены в верхней (коровой) части разреза базальтами и габбро, а в нижней (мантийной) части — деформированными перидотитами. Перидотиты — это главные породы верхней мантии Земли.

Группа ученых из Техасского университета в Арлингтоне (США) и Института геологии Гималаев (Wadia Institute of Himalayan Geology, Дехрадун, Индия) изучила минеральный состав пород комплекса Нидар — самого мощного (толщиной около 10 км) и хорошо сохранившегося офиолитового комплекса в Гималаях (северо-восточный Ладакх, Индия). Результаты исследования опубликованы в журнале Geology.

Изначально интерес ученых привлекли микрокристаллы алмаза, присутствующие в перидотитах в виде микровключений. Акцессорные алмазы в перидотитах находили и раньше. Коммерческой ценности они не представляют ввиду крошечных размеров и низкого качества, зато важны для ученых. Сейчас впервые обнаружены алмазы в ассоциации с минералами-индикаторами ультрасверхвысоких давлений (UHP-минералы), образующимися на значительно больших глубинах. Ученые поставили перед собой задачу выяснить источник вещества перидотитовых алмазов и попытаться понять механизм их образования.

Детальное изучение породообразующих минералов перидотитов Нидара — ортоэнстатита (ромбического пироксена) и оливина — и включений в них, проведенное методом лазерной рамановской спектроскопии, позволило выявить в перидотитах комплекса Нидар уникальную минералого-геохимическую ассоциацию, никогда ранее не отмечавшуюся для офиолитов. Алмазы здесь встречаются в виде октаэдрических кристаллов с включениями азота (N₂) в ортоэнстатите (рис. 3, слева). Также в ортоэнстатите были обнаружены включения метана (СН₄) и клиноэнстатита (моноклинного энстатита). Помимо алмазов в них были обнаружены графитовые псевдоморфозы по кристаллам алмаза размером 2–5 мкм (более поздние образования из графита, заместившего алмазы), а также углеводородные и водородные газово-жидкие (флюидные) включения (рис. 3, справа), отражающие состояние среды, в которой происходило образование всех этих минералов. Получается так, что ученые получили возможность проанализировать состав минералообразующей среды самой глубинной части мантии из когда-либо доступных для прямого изучения.

Рис. 3. Микрофотографии алмаза в зерне ортоэнстатита и включений в оливине из перидотитов. С-Н и Н₂ — первичные газово-жидкие (флюидные) включения; Graphitic carbon — псевдоморфозы графита по алмазу. Изображения из обсуждаемой статьи в Geology

Изучение внутренней структуры и состава главных породообразующих минералов перидотитов Нидара — ортоэнстатита (ромбического пироксена) и оливина — подтвердило предположение о том, что источник вещества этих пород находился в зоне так называемой переходной зоны мантии, расположенной на глубине около 410 км на границе между верхней и нижней мантией. Это подтверждается наличием включений ультравысокобарического клиноэнстатита (моноклинного энстатита) в ортоэнстатите, а также ориентированных минеральных фаз гематита (α-Fe₂O₃) и игольчатых образований Cr-шпинели в кристаллах оливина. Дело в том, что α-оливин (форстерит) верхней мантии (α-Mg₂SiO₄) не может содержать в своей кристаллической структуре трехвалентное железо, а ультравысокобарический β-оливин (вадслеит, см. Wadsleyite) переходной зоны мантии (β-Mg₂SiO₄) — может (H. St. C. O’Neill et al., 1993. Mossbauer spectroscopy of mantle transition zone phases and determination of minimum Fe³⁺ content). Гематитовая фаза в оливине обособилась в процессе декомпрессии при подъеме мантийного материала, когда вадслеит переходил в форстерит (рис. 4).

Рис. 4. Схема подъема мантийного вещества (мантийного апвеллинга) под спрединговым центром палеоокеана Неотетис из переходной зоны мантии (показана серым) с глубины примерно 410 км. Красным подписаны глубинные уровни, на которых формировались микрокристаллы алмазов (Diamond), включения углеводородов (С-Н) и водорода (Н₂). Темно-сиреневым слева подписаны границы устойчивости различных модификаций оливина: рингвудита (γ-Mg₂SiO₄), вадслеита (β-Mg₂SiO₄) и форстерита (α-Mg₂SiO₄). Темно-сиреневым справа подписаны границы устойчивости различных модификаций энстатита (клиноэнстатит/ортоэнстатит), углерода (алмаз/графит) и диоксида кремния (коэсит/кварц). На глубине около 300 км отмечена зона насыщения металлов (Metal saturation zone), в которой происходило обособление фаз гематита (α-Fe₂O₃) и Cr-шпинели в оливине. Авторы считают, что алмазы, обнаруженные ими в перидотитах, сформировались из углеводородных флюидов (жидких и газообразных легкоподвижных компонентов магмы) во время подъема мантии под спрединговым центром океана Неотетис, образовавшегося после очередного раскола Гондваны в начале кайнозоя и закрывшегося при столкновении Индостанской плиты (оранжевая) и Лавразии (зеленая) примерно 55 млн лет назад, в результате чего и произошло образование горного массива Гималаев. Рисунок из обсуждаемой статьи в Geology

Итак, по всей видимости, алмазы в перидотитах офиолитового комплекса Нидар формировались на значительных глубинах, а наличие в этих же минералах включений углеводородов в газовой и жидкой фазах указывает на то, что на этих глубинах расплав содержал углерод, служивший источником вещества алмазов.

Эти включения скорее всего формировались при окислении мантийного вещества в процессе его подъема (мантийного апвеллинга). Параллельно могли образовываться вода и углекислота, способствующие плавлению перидотитов и образованию магмы, которая уже выносила воду и углекислоту на поверхность Земли. Таким образом, эти важнейшие для эволюции всего земного — как живого, так и неживого — вещества могли иметь в том числе глубинное, эндогенное происхождение. Согласно доминировавшим ранее гипотезам, вода была привнесена на Землю извне. Впрочем, в вопросе о происхождении воды на Земле точку ставить еще рано. Что касается углекислого газа, присутствовавшего в больших объемах уже в составе первичной атмосферы Земли, то его всегда считали продуктом дегазации земных недр, однако сам механизм образования углекислоты, выбрасываемой вулканами, был до конца не понятен. По мнению авторов обсуждаемого исследования, жидкие и газообразные (флюидные) углеводороды нижних слоев верхней мантии при ее конвекционном подъеме под зонами спрединга могли также быть источником углекислого газа, который был впоследствии включен в глобальный цикл углерода.

Источник: 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 Стрекопытов