Кимберлиты - это вулканические породы, которые происходят из глубины земной мантии, но природа их источника неясна.
Изучение эволюции этого источника в течение двух миллиардов лет даёт ценную информацию о его свойствах.
Редкие вулканические породы, известные как кимберлиты, образуются из магм, которые берут начало в мантии Земли и затем прорываются на поверхность планеты.
Эти породы имеют характер сильного извержения и химический и минералогический состав, который не похож ни на один другой магматический камень на Земле. В частности, кимберлиты могут содержать сантиметровые кристаллы редких минералов, таких как гранаты, цирконы и, прежде всего, алмазы. Они имеют большое количество несовместимых микроэлементов - тех, которые преимущественно попадают в магму, образованную в результате плавления мантии. Эти специфические характеристики поднимают вопрос о природе источника кимберлита и его расположении в мантии.
Исследователи предполагают, что все кимберлиты происходят из одного глубокого резервуара, который сохранился на протяжении большей части истории Земли.
Существует общее согласие по нескольким аспектам кимберлитового образования.
- Во-первых, кимберлиты должны быть чрезвычайно обогащены водой и углекислым газом, чтобы объяснить их стиль сильного извержения и наличие связанных диатрем - конических или трубчатых структур, которые простираются от поверхности Земли до глубины более одного километра.
- Во-вторых, некоторые кимберлиты должны образовываться исключительно глубоко в мантии, о чем свидетельствуют включения в кимберлитовые алмазы минералов, которые неустойчивы на поверхности планеты.
К этим минералам относятся рингвудит, который стабилен только в переходной зоне между верхней и нижней мантией (на глубинах 410–660 км) и бриджманит, который является доминирующим минералом в нижней мантии.
- В-третьих, помимо содержания минералов, кристаллизовавшихся из восходящих магм, кимберлиты содержат большое количество минералов и ксенолитов (фрагментов породы), которые были собраны из окружающего материала во время быстрого подъема из источника кимберлита.
Некоторые полезные ископаемые, такие как алмазы, которые имеют включения рингвудита, происходят из глубокой мантии, некоторые - из более мелкой мантии, а некоторые - из коры планеты.
Напротив, нет единого мнения о точном местонахождении источника кимберлита в мантии и, что еще более важно, о природе этого источника.
Это может быть довольно примитивный материал - который выжил в глубине мантии вскоре после образования Земли. В качестве альтернативы, это может быть материал, который на некоторой стадии присутствовал на поверхности планеты или около нее и с тех пор был переработан в глубокую мантию.
Обе интерпретации существуют в научной литературе и очевидным аргументом в пользу существования двух типов источников является наличие двух групп кимберлитов, которые имеют противоположную минералогию и геохимию.
Минералы в первой группе, часто называемые архетипическими кимберлитами, имеют составы изотопов стронция и неодима, которые напоминают таковые в примитивной мантии.
Те, кто во второй группе, обычно называемые аплинитами, имеют гораздо более обогащенные изотопные составы стронция и неодима, которые напоминают составы континентальных материалов. Обогащенная природа обычно объясняется взаимодействием магм с континентальной корой или самой верхней твердой частью мантии во время подъема и, вероятно, не отражает состав источника кимберлита.
Исследователи представляют сборник недавно полученных и ранее опубликованных изотопных данных по неодиму и гафнию, измеренных на архетипических кимберлитах. Эти кимберлиты охватывают большой возрастной диапазон, от менее 200 миллионов лет до 2 миллиардов лет. Авторы демонстрируют, что в течение этого длительного периода времени кимберлиты, похоже, всегда используют источник, изотопный состав которого напоминает состав примитивной мантии.
Это наблюдение накладывает ограничения на природу источника кимберлита и способствует созданию первозданного резервуара, который сохранился нетронутым глубоко в мантии на протяжении большей части истории Земли.
Идея о том, что часть глубокой мантии осталась изолированной от своего окружения, подтверждается обнаружением следов примитивного материала в вулканических породах, называемых базальтами океанических островов, которые могут происходить из областей, известных как сейсмически аномальные зоны, которые находятся в ядре-мантии.
Первобытный источник также был приписан многим другим типам горных пород, таким как гранитоиды. Случай с примитивным кимберлитовым источником подкрепляется свидетельством того, что этот источник глубокий.
Для других типов пород почти примитивный изотопный состав может быть объяснен наличием переработанной коры в источнике породы.
Исследователи отклонили эту интерпретацию для кимберлитов, утверждая, что вклад переработанной океанической коры должен был быть постоянным в течение двух миллиардов лет истории человечества. Более того, они предполагают, что наличие высоких отношений гелия в алмазах некоторых кимберлитов указывает на глубокий источник, близкий к границе ядро-мантия.
Другой потенциальной проблемой является неизвестная связь между высоким отношением гелия и изотопами, образующимися в результате радиоактивного распада, которые измеряются в алмазах.
Некоторые алмазы имеют низкое соотношение гелия и изотопные составы стронция и свинца, которые аналогичны составам земной коры. Но нет данных по изотопам стронция и свинца для ранее проанализированных алмазов, которые имеют высокое отношение гелия. В результате, такие высокие отношения могут или не могут проследить первозданный глубокий источник.
Наконец, кимберлитовые алмазы извлекаются из мантии во время подъема, и информация, которую они предоставляют, может быть неактуальной с точки зрения источника кимберлита.
Чтобы подтвердить нетронутое и глубокое происхождение кимберлитов, необходимо продемонстрировать, что сами кимберлитовые магмы обладают нетронутыми характеристиками, такими как высокие соотношения гелия, изотопные аномалии вольфрама, которые могут отслеживать взаимодействие магм с ядром планеты и так далее.
Так что предстоит еще много работы.