Кіріспе
Кейде алмаздарды қамтитын магмалық тау жыныстары. Кимберлит – магмалық тау жынысы және перидотиттің сирек кездесетін түрі, көбінесе алмаздардың негізгі қалыптасу ортасы болып табылады. Ол Оңтүстік Африкадағы Кимберли қаласының атымен аталады, онда 1869 жылы «Оңтүстік Африка жұлдызы» деп аталған 83,5 караттық (16,70 г) алмас табылғаннан кейін алмас асыру қарқыны күшейіп, «Үлкен Шұңқыр» деп аталатын ашық карьерді қазуға әкелді. Бұрын кимберлит термині оливин лампроиттеріне «Кимберлит II» ретінде қолданылған, бірақ бұл қате болды. Кимберлит Жер қыртысында «кимберлит құбырлары» деп аталатын тік құрылымдарда, сондай-ақ магмалық дикелерде кездеседі және көлденең интрузиялар түрінде де болуы мүмкін. Кимберлит құбырлары бүгінгі таңда кенді алмас өндірілімінің ең маңызды көзі болып табылады. Кимберлиттердің пайда болуына қатысты басым пікір – олар мантияның терең қабаттарында қалыптасады. Қалыптасу 150 мен 450 километр (93 мен 280 миль) тереңдікте, ықтимал аномальды түрде байытылған экзотикалық мантиялық құрастардан жүреді, және олар жылдам және күшті жарылыстармен, көбінесе көмірқышқыл газы және басқа ұшқыш компоненттердің көп мөлшерімен ілеседі. Дәл осы балқу тереңдігі мен пайда болуы кимберлиттерді алмастың ксенокристалдарын қабылдауға бейім етеді. Сирек кездесетініне қарамастан, кимберлит алмаздар мен гранатты перидотит мантиясының ксенолиттерін Жер бетіне жеткізуші ретінде назар аударады. Оның басқа магмалық тау жыныстарына қарағанда тереңде пайда болуы және кремнийдің төмен құрамымен және үйлеспейтін іздік элементтердің жоғары деңгейімен сипатталатын ерекше магмалық құрамы кимберлит петрогенезін зерттеуді маңызды етеді. Осы тұрғыдан алғанда, кимберлитті зерттеу терең мантияның құрамы және кратондық құрлықтық литосфера мен астыңғы конвективті астеносфералық мантия арасындағы шекарада немесе оған жақын жерде жүретін балқу процестері туралы ақпарат беруге мүмкіндік береді.
Kimberlite, an igneous rock and a rare variant of peridotite, is most commonly known to be the main host matrix for diamonds. It is named after the town of Kimberley in South Africa, where the discovery of an 83.5 carat (16.70 g) diamond called the Star of South Africa in 1869 spawned a diamond rush and led to the excavation of the open pit mine called the Big Hole. Previously, the term kimberlite has been applied to olivine lamproites as Kimberlite II, however this has been in error. Kimberlite occurs in the Earth's crust in vertical structures known as kimberlite pipes, as well as igneous dykes and can also occur as horizontal sills. Kimberlite pipes are the most important source of mined diamonds today. The consensus on kimberlites is that they are formed deep within the mantle. Formation occurs at depths between 150 and 450 kilometres (93 and 280 mi), potentially from anomalously enriched exotic mantle compositions, and they are erupted rapidly and violently, often with considerable carbon dioxide and other volatile components. It is this depth of melting and generation that makes kimberlites prone to hosting diamond xenocrysts. Despite its relative rarity, kimberlite has attracted attention because it serves as a carrier of diamonds and garnet peridotite mantle xenoliths to the Earth's surface. Its probable derivation from depths greater than any other igneous rock type, and the extreme magma composition that it reflects in terms of low silica content and high levels of incompatible trace element enrichment, make an understanding of kimberlite petrogenesis important. In this regard, the study of kimberlite has the potential to provide information about the composition of the deep mantle and melting processes occurring at or near the interface between the cratonic continental lithosphere and the underlying convecting asthenospheric mantle.
Морфология және вулканология
Көптеген кимберлит құрылымдары "құбырлар" деп аталатын сәбіз пішіндес тік интрузиялар түрінде орналасады. Бұл классикалық сәбіз пішіні, CO2-нің көп мөлшерімен (H2O-ның аз мөлшерімен) сипатталатын кимберлиттік магманың күрделі интрузиялық процесінің нәтижесінде қалыптасады, бұл жүйеде терең жарылғыш қайнау сатысын тудырады және вертикальды жалындауға себеп болады. Кимберлиттердің жіктелуі әртүрлі тау жыныстарының фацияларын анықтауға негізделген. Бұл әртүрлі фациялар кратерлік, диатремалық және гипабиссальдық тау жыныстары сияқты магмалық белсенділіктің нақты стилімен байланысты. Кимберлит құбырларының морфологиясы және олардың классикалық сәбіз пішіні, өте терең мантиядан шыққан көздерден болатын жарылғыш диатремалық вулканизмнің нәтижесі болып табылады. Бұл вулканизмнің жарылыстары терең магма резервуарларынан көтерілетін тік тас бағаналарын жасайды. Осы құбырларды қалыптастыратын жарылыстар айналадағы тау жыныстарын сыңдырып, өзгермеген перидотит ксенолиттерін жер бетіне шығарады. Бұл ксенолиттер геологтарға мантияның жағдайы және құрамы туралы маңызды ақпарат береді. Кимберлит құбырларының морфологиясы әртүрлі, бірақ құбырдың түбінде мантияға дейін созылатын, тік еңісті тақта тәрізді азық беру бөгеттерінен тұратын қабатты бөгет кешенін қамтиды. Жер бетіне жақын, жоғары қысымды магма жоғары қарай жарылып, конус немесе цилиндр пішіндес диатремаға кеңейеді, ол жер бетіне шығады. Жер бетіндегі көрінісі көбінесе сақталмайды, бірақ әдетте маар вулканына ұқсайды. Кимберлит бөгеттері мен есік жақтаулары жұқа болуы мүмкін (1-4 метр), ал құбырлардың диаметрі шамамен 75 метрден 1,5 километрге дейін жетеді.
Петрология
Кимберлитті магманың орналасуы және пайда болуы даулы мәселе болып табылады. Олардың өте байытылуы мен геохимиясы олардың шығу тегі туралы көптеген болжамдарға әкелді, модельдер олардың бастауын субконтиненттік литосфералық мантияда (SCLM) немесе тіпті өтпелі аймақта деп қарастырады. Байыту механизмі де қызығушылық тудырды, соның ішінде ішінара балқу, субдукцияланған шөгінділерді сіңіру немесе бастапқы магма көзінен пайда болу сияқты модельдер бар. Тарихи тұрғыдан алғанда, кимберлиттер негізінен петрографиялық байқауларға сүйене отырып, екі ерекше түрге бөлінді: "базальтты" және "микалы". Кейіннен Смит бұл жіктемелерді Nd, Sr және Pb жүйелерін қолдана отырып, осы тау жыныстарының изотоптық жақындығына негізделген "I топ" және "II топ" деп қайта атады. Роджер Митчелл кейіннен I және II топтағы кимберлиттердің айқын айырмашылықтарын көрсетіп, олар бұрынғыдай тығыз байланысты болмауы мүмкін екенін ұсынды. Ол II топтағы кимберлиттердің I топтағы кимберлиттерге қарағанда лампроиттерге жақын екенін көрсетті. Сондықтан, ол II топтағы кимберлиттерді оранжиттер деп қайта жіктеді, осылайша шатасуды болдырмақ болды.
І топтағы кимберлиттер
І топтың кимберлиттері – CO2-ге қаныққан ультрамафикалық калийлі магмалық тау жыныстары, олар негізінен бастапқы форстеритті оливин мен карбонат минералдарынан тұрады, сонымен қатар магнийлі илменит, хром пиропы, альмандин пиропы, хром диопсиді (кейде субкальцилік), флогопит, энстатит және Ti-ға кедей хромит сияқты іздік минералдар да кездеседі. І топтың кимберлиттерінде оливин, пироп, хромды диопсид, магнийлі илменит және флогопиттың макрокристалдықтан мегакристалдыққа дейінгі фенокристалдарынан туындаған ерекше теңдәнді емес текстура байқалады, бұл текстура майда және орташа дәнді негізгі массада көрінеді. Негізгі массаның минералдық құрамы, магмалық тау жынысының нақты құрамына жақынрақ келеді, онда карбонаттар мен форстеритті оливин басым, ал пироп гранаты, Cr диопсиді, магнийлі илменит және шпинель азырақ мөлшерде кездеседі.
Оливиндік лампроиттер
Оливиндік лампроиттер бұрын II топтағы кимберлит немесе оранжиит деп аталған, себебі олар тек Оңтүстік Африкада ғана кездеседі деген жаңылыс пікірге байланысты. Бірақ олардың кездесуі мен петрологиясы жаһандық деңгейде бірдей және оларды кимберлит деп жаңылыстыруға болмайды. Оливиндік лампроиттер – ұшқыш заттарға (көбінесе H2O) бай, ультрапотазды, пергалькалы тау жыныстары. Оливиндік лампроиттердің ерекшелігі – флогопит макрокристалдары мен микрофенокристалдары, сондай-ақ, флогопиттен "тетраферрифлогопит" құрамына (аномалиялық түрде алюминийге кедей флогопит, тетраэдрлік орынға темірдің енуін қажет етеді) дейін өзгеретін жер массасы микалары. Резорбцияланған оливин макрокристалдары және жер массасы оливинінің эугедральды бастапқы кристалдары жиі кездеседі, бірақ міндетті құрауыш емес. Жер массасындағы негізгі бастапқы фазаларға аймақталған пироксендер (диопсид ядросы, сыртында титанды эгирин), спинель тобы минералдары (магнезиялы хромиттен титанды магнетитке дейін), стронций және сирек жер элементтеріне (REE) бай перовскит, стронцийге бай апатит, сирек жер элементтеріне (REE) бай фосфаттар (моназит, дакиншанит), калий-барий голландит тобы минералдары, ниобийлі рутил және марганецті илменит жатады.
Кимберлитті индикаторлы минералдар
Кимберлиттер – ерекше магмалық жыныстар, себебі олардың құрамында мантияда жоғары қысым мен температурада пайда болғандығын көрсететін әртүрлі минерал түрлері кездеседі. Мысалы, хромды диопсид (пироксен), хромды шпинельдер, магнийлі илменит және хромға бай пироп гранаттары сияқты минералдар көбінесе басқа магмалық жыныстарда табылмайды, осы себепті олар кимберлиттерді анықтау үшін өте пайдалы.
Геохимия
Кимберлиттердің басқа магмалық тау жыныстарынан ерекшеленетін бірегей геохимиялық қасиеттері бар, олар Жердің мантиясының терең қабаттарында пайда болғандығын көрсетеді. Бұл ерекшеліктер мантияның құрамы және кимберлиттік магманың қалыптасуы мен жарылу процестері туралы мәліметтер береді.
Құрамы
Кимберлиттер жоғары магний оксиді (MgO) мөлшерімен сипатталатын ультрамафикалық тау жыныстары болып саналады, бұл көрсеткіш әдетте 12%-дан асып, көбінесе 15%-дан да жоғары болады. Мұндай жоғары MgO концентрациясы олардың оливин мен басқа магнийге бай минералдарға қанық мантиядан пайда болғанын көрсетеді. Сонымен қатар, кимберлиттер ультракалийлі болып табылады, калий оксидінің (K2O) алюминий оксидіне (Al2O3) молярлық қатынасы 3-тен жоғары, бұл олардың мантиялық бастапқы аймақтарында маңызды өзгерістер немесе байыту процестері болғанын көрсетеді.
Элементтердің мол болуы
Кимберлиттердің ерекшелігі – никель (Ni), хром (Cr) және кобальт (Co) сияқты дерлік бастапқы элементтерге бай болуы, олардың концентрациясы көбінесе Ni үшін 400 ppm, Cr үшін 1000 ppm және Co үшін 150 ppm-нен асып түседі. Мұндай жоғары деңгейлер олардың мантиялық көзінің бастапқы сипатын көрсетеді, ол минималды дифференциацияға ұшыраған.
Сирек кездесетін жерлер мен литофилді элементтер
Кимберлиттерде сирек кездесетін жер элементтерінің (СЖЕ) жоғары концентрациясы байқалады, бұл олардың генезісі мен эволюциясын түсіну үшін өте маңызды. СЖЕ-нің осы байытуы, сондай-ақ калий, барий және стронций сияқты элементтерді қоса алғанда, орташа немесе жоғары мөлшердегі ірі ионды литофилді элементтердің (LILE) байытуы (ΣLILE > 1,000 ppm), тау жыныстарының құрамы сұйықтықтардың әсерінен өзгерген метасоматизацияланған мантия көздерінің маңызды үлесін көрсетеді.
Ұшпалы мазмұны
Кимберлиттердің ерекше қасиеті – олардың жоғары мөлшердегі ұшқыш заттарға ие болуы, әсіресе суға (H2O) және көмірқышқыл газына (CO2). Осы ұшқыш заттардың болуы кимберлиттердің жарылыс сипатындағы атқылауларына әсер етеді және мантияның терең қабаттарынан алмастарды Жер бетіне жеткізуге көмектеседі. H2O және CO2-нің жоғары деңгейі терең мантиялық генезиске нұсқайды, онда осы қосылыстар көптеп кездеседі.
Барлау әдістері
Кимберлитті барлау техникалары алмазға бай болуы мүмкін кен орындарын табу және бағалау үшін геологиялық, геохимиялық және геофизикалық методологияларды интеграциялайтын көп қырлы тәсілді қамтиды.
Көрсеткіш минералдардан сынама алу
Кимберлиттерді барлау әдістері негізінен кимберлит түтікшелерінің болуымен байланысты индикаторлық минералдарды анықтау және талдауға негізделген. Седименттен үлгі алу – бұл маңызды тәсіл, онда кимберлит индикаторлық минералдары (КИМ) геологиялық процестер, мысалы, көтерілу, эрозия және мұз басу салдарынан ландшафттарға таралады. Әртүрлі жер бедерлерінде КИМ-ді топырақтан және өзен шөгінділерінен алу үшін саздық және аллювиалды үлгі алу қолданылады. Палеоарналардың схемаларын және геологиялық жабын қабаттарын түсіну КИМ-ді олардың бастапқы кимберлит түтікшелеріне дейін іздеуге көмектеседі. Мұздық аймақтарда қалың мұздықтардың астында жатырған КИМ-ді алу үшін эскерден, тілден және аллювиалды үлгі алу сияқты әдістер қолданылады. Үлгілер жиналғаннан кейін ауыр минералдар қолмен бөлініп, осы индикаторларды анықтау үшін сұрыпталады. Химиялық талдау олардың табиғатын растайды және жіктейді. Термобарометрия сияқты әдістер бұл минералдардың қалай пайда болғанын және Жер мантиясының қай бөлігінен келгенін түсінуге көмектеседі. Осы индикаторлар мен геологиялық қисықтарды талдау арқылы ғалымдар кимберлит түтікшесінде алмаз табу мүмкіндігін бағалай алады. Бұл әдістер алмастың құнды кен орындарын іздеу кезінде қай жерді бұрғылау керектігін анықтауға көмектеседі.
Геофизикалық әдістер
Геофизикалық әдістер, әсіресе кимберлиттерді тікелей анықтау қиын болған аймақтарда, қалың жамылғы немесе тозғандық салдарынан өте пайдалы. Бұл әдістер кимберлит денелері мен оларды қоршаған қабылдаушы тау жыныстары арасындағы физикалық қасиеттердің айырмашылықтарын пайдаланады, бұл потенциалды кимберлит кен орындарын көрсететін ұсақ аномалияларды анықтауға мүмкіндік береді. Әуедегі және жердегі іздеу жұмыстары, соның ішінде магниттік, электромагниттік және гравитациялық іздеулер, үлкен аумақтарда геофизикалық деректерді тиімді алу үшін жиі қолданылады. Магниттік іздеулер кимберлиттердегі магниттік минералдардың әсерінен Жердің магниттік өрісіндегі өзгерістерді анықтайды, олар әдетте айналадағы тау жыныстарымен салыстырғанда ерекше магниттік сипаттамаларды көрсетеді. Электромагниттік іздеулер электр өткізгіштігінің өзгерістерін өлшейді, өткізгіш кимберлит денелері аномальды жауаптар тудырады. Гравитациялық іздеулер кимберлит пен оны қоршаған тау жыныстары арасындағы тығыздық айырмашылықтарынан туындаған гравитациялық тартылыстың өзгерістерін анықтайды. Осы геофизикалық аномалияларды талдау және интерпретациялау арқылы геологтар бұрғылау сияқты қосымша зерттеулер үшін потенциалды кимберлиттік нысаналарды анықтай алады. Дегенмен, геофизикалық деректерді интерпретациялау үшін геологиялық контексті және айналадағы геологиядан туындаған маскировкалау эффектілерін мұқият қарастыру қажет, бұл геофизикалық нәтижелерді дұрыс нысана табу және алмастарды табысты табу үшін басқа іздеу техникаларымен интеграциялаудың маңыздылығын көрсетеді.
3D модельдеу
Үш өлшемді (3D) модельдеу, потенциалды алмазға толы кен орындарындағы негізгі геологиялық ерекшеліктердің ішкі құрылымын және таралуын түсіну үшін толыққанды ақпараттық база ұсынады. Бұл процеске әртүрлі деректер жиынтығын жинау және біріктіру кіреді, соның ішінде бұрғылау тесіктерінен алынған мәліметтер, жер бетіндегі геофизикалық зерттеулер және геологиялық карталар. Бұл деректер жиынтығы геологиялық модельдеуге арналған мамандандырылған бағдарламалық қамтамасыз етуді пайдалана отырып, біртұтас цифрлық платформаға біріктіріледі. Осылайша, геологтар кеңейтілген визуализация техникаларын қолданып, жер асты геологиясының егжей-тегжейлі 3D бейнелерін құра алады, олар кемберлит денелерінің таралуын, геометриясын, сондай-ақ жарықтар, сынықтар және литологиялық шекаралар сияқты маңызды геологиялық ерекшеліктерді көрсетеді. Модельде кемберлит құбырларының ішкі құрамының нақты бейнеленуіне күш салынады, оған бұрғылау өзегінің деректері мен геофизикалық зерттеулердің нәтижелеріне сүйене отырып анықталған әртүрлі фациялар, қоршаған тау жыныстарының ксенолиттері және мантия ксенолиттері кіреді. Дұрыс екені расталғаннан кейін, 3D модель шешім қабылдау үшін құнды құрал болып табылады, алмазға толу мүмкіндігін бағалауға, жоғары басымдыққа ие бұрғылау нысандарын анықтауға және алмаз ашу мүмкіндігін арттыруға бағытталған іздеу стратегияларын жоспарлауға көмектеседі.
Тарихи маңызы
Кимберлиттер Жердің мантиясының құрамы және оның ішінде жүретін динамикалық процестер туралы маңызды мәліметтердің көзі болып табылады. Кимберлиттерді зерттеу Жердің терең геохимиялық циклдарын және Жердің мантиясындағы аномальды ыстық тау жыныстарының жоғары көтерілуін көрсететін мантиялық қалыңдықтардың механизмін түсінуге үлкен үлес қосты. Сонымен қатар, кимберлиттер Жердің мантиясынан жер бетіне материал жеткізу қабілетімен ерекше. Бұл процесс, ксенолит тасымалы деп аталады, геологтарға Жердің мантиясының үлгілерін ұсынып, оларды алу мүмкін болмаған жағдайда зерттеуге мүмкіндік береді. Осы үлгілерді талдау Жердің терең құрылысы туралы білімімізді, оның физикалық жағдайларын, құрамын және планетаның эволюциялық тарихын дамытуға ықпал етті. Алмазды іздеуде кимберлиттердің маңызын бағалап тоқтауға болмайды. Алмаздар Жердің мантиясының жоғары қысым және жоғары температура жағдайында пайда болады. Кимберлиттер осы алмаздарды Жер бетіне жеткізетін көліктің рөлін атқарады. 1870 жылдары Кимберлиде алмазға толы кимберлиттердің табылуы алмаз асыруға жол ашты, бұл аймақты әлемдегі ең ірі алмаз өндіруші аймақтардың біріне айналдырды. Осыдан бері кимберлиттер мен алмаздардың байланысы жаңа алмаз кен орындарын табуда маңызды рөл атқарып келеді. Кимберлиттер Жердің өткеніне терезе ретінде де қызмет етеді, континенттердің қалыптасуы және планетамызды қалыптастыратын динамикалық процестер туралы ақпарат береді. Олардың таралуы мен жасы ежелгі континенттердің қозғалысы, суперконтиненттердің құрастырылуы және ыдырауы туралы түсініктерді ұсынады.
Экономикалық маңызы
Кимберлиттер – алмаздың ең маңызды бастапқы көзі. Көптеген кимберлит түтікшелері бай аллювиалды немесе элювиалды алмаздық плацерлік кен орындарын да тудырады. Әлемде шамамен 6400 кимберлит түтікшесі табылды, олардың 900-і алмазға бай деп жіктеліп, олардың 30-дан астамы алмаз өндіруге экономикалық тұрғыдан тиімді. Оңтүстік Африкадағы Кимберлидегі кен орындары алғаш рет танылып, осы атаудың шығу тегі болды. Кимберли алмаздары бастапқыда лимонитпен сары түске боялған, сол себепті "сары топырақ" деп аталған, ауа райына ұшыраған кимберлитте табылды. Төмен қазғанда кеншілер "көк топырақ" деп атаған, серпентинизацияланған, аз өзгерген кимберлит тауларына кездесті. Сары топырақты кимберлитті бұзу оңай, ол алмазды алғашқы қазба көзі болды. Көк кимберлиттен алмаз алу үшін оны тас ұнтақтағыш машинадан өткізу қажет. Сондай-ақ, Сібірдегі Саха Республикасындағы Мир кеніші мен Удачная түтікшесін қараңыз. Көк және сары топырақ алмаз өндіруде өнімді болды. XIX ғасырдың соңында сары топырақ таусылғаннан кейін, кеншілер көк топырақты кездейсоқ қазып, көптеген асыл тастар сапасындағы алмаздарды тапты. Сол кездегі экономикалық жағдай алмаздардың көп табылуына байланысты, кеншілер бір-бірінің бағасын төмендетіп, алмаздың құнын қысқа мерзімде өндіріс құнына дейін түсірді.