Введение

Кимберлит, магматическая порода и редкий вариант перидотита, наиболее известен как основная вмещающая порода для алмазов. Он назван в честь города Кимберли в Южной Африке, где в 1869 году было обнаружено алмаз весом 83,5 карата (16,70 г), получивший название «Звезда Южной Африки», что вызвало алмазную лихорадку и привело к разработке открытого карьера, известного как «Большая дыра». Ранее термин «кимберлит» ошибочно применялся к оливиновым лампроитам, обозначаемым как «Кимберлит II». Кимберлит встречается в земной коре в вертикальных структурах, известных как кимберлитовые трубки, а также в виде магматических даек и может также встречаться в виде горизонтальных жил. Кимберлитовые трубки являются наиболее важным источником добываемых алмазов на сегодняшний день. Считается, что кимберлиты формируются глубоко в мантии. Формирование происходит на глубинах от 150 до 450 километров, возможно, из аномально обогаченных экзотических составов мантии, и они извергаются быстро и взрывоопасно, часто с высоким содержанием углекислого газа и других летучих компонентов. Именно такая глубина плавления и образования делает кимберлиты благоприятной средой для алмазных ксенокристаллов. Несмотря на относительную редкость, кимберлит привлек внимание, поскольку он служит переносчиком алмазов и ксенолитов мантии гранатового перидотита на поверхность Земли. Вероятное происхождение кимберлита из глубин, превышающих глубины образования любого другого типа магматических пород, и его экстремальный состав магмы, характеризующийся низким содержанием кремнезема и высоким уровнем обогащения несовместимыми микроэлементами, делают изучение петрогенеза кимберлита важным. В связи с этим изучение кимберлита может предоставить информацию о составе глубокой мантии и процессах плавления, происходящих на или вблизи границы между кратонной континентальной литосферой и лежащей в основе конвективной астеносферной мантией.

Морфология и вулканология

Многие кимберлитовые структуры внедряются в виде каротообразных вертикальных интрузий, называемых "трубами". Эта классическая каротообразная форма образуется в результате сложного процесса внедрения кимберлитовой магмы, которая содержит большое количество CO2 (и меньшее количество H2O) в системе, что приводит к глубокой взрывной стадии вскипания, вызывающей значительное вертикальное расширение. Классификация кимберлитов основана на выделении различных фаций горных пород. Эти фации связаны с определенным стилем магматической активности, а именно кратерными, диатремовыми и гипабиссальными породами. Морфология кимберлитовых труб и их классическая каротообразная форма являются результатом взрывного диатремового вулканизма из очень глубоких источников мантии. Эти вулканические взрывы формируют вертикальные колонны горных пород, поднимающиеся из глубоких резервуаров магмы. Извержения, образующие эти трубы, разрушают окружающие породы при взрыве, поднимая на поверхность неповрежденные ксенолиты перидотита. Эти ксенолиты предоставляют геологам ценную информацию об условиях и составе мантии. Морфология кимберлитовых труб разнообразна, но включает в себя комплекс прожилковых тел в корне трубы, состоящий из табличных, вертикально падающих питающих жилы, простирающихся до мантии. Вблизи поверхности, магма под высоким давлением взрывается вверх и расширяется, образуя коническую или цилиндрическую диатрему, которая извергается на поверхность. Поверхностные проявления редко сохраняются, но обычно напоминают вулканы маарского типа. Кимберлитовые жилы и силлы могут быть тонкими (1–4 метра), в то время как диаметр труб варьируется от примерно 75 метров до 1,5 километров.

Петрология

Как местоположение, так и происхождение кимберлитовых магм остаются предметом дискуссий. Их крайнее обогащение и геохимия породили множество гипотез об их происхождении, с моделями, указывающими на источник в субконтинентальной литосферной мантии (SCLM) или даже на глубине переходной зоны. Механизм обогащения также представляет интерес, и предлагаемые модели включают частичное плавление, ассимиляцию осадочных пород, ушедших в субдукцию, или происхождение из первичного источника магмы. Исторически кимберлиты классифицировались на два различных типа – "базальтовые" и "микацевые" – на основании преимущественно петрографических наблюдений. Позднее К. Б. Смит пересмотрел эту классификацию, переименовав эти типы в "группу I" и "группу II" на основе изотопного состава пород, используя системы Nd, Sr и Pb. Роджер Митчелл впоследствии предположил, что кимберлиты группы I и II демонстрируют настолько выраженные различия, что, возможно, не связаны так тесно, как считалось ранее. Он показал, что кимберлиты группы II имеют большее сходство с лампроитами, чем с кимберлитами группы I. В связи с этим он переклассифицировал кимберлиты группы II как оранжиты, чтобы избежать путаницы.

Кимберлиты группы I

Кимберлиты группы I – это ультрамафические калийные магматические породы, богатые CO2, в которых преобладают первичные оливины, близкие по составу к форстериту, и карбонатные минералы, с незначительными количествами магниевого илменита, хромового пиропа, альмандинового пиропа, хромового диопсида (в некоторых случаях субкальциевого), флогопита, энстатита и хромита с низким содержанием Ti. Кимберлиты группы I характеризуются отчетливой неравномернозернистой текстурой, обусловленной макро- и мегакристаллическими включениями (фенокристами) оливина, пиропа, хромового диопсида, магниевого илменита и флогопита в мелко- и среднезернистой основной массе. Минеральный состав основной массы, который более точно отражает истинный состав магматической породы, характеризуется преобладанием карбонатов и значительным содержанием оливина, близкого по составу к форстериту, а также меньшими количествами пиропового граната, хромового диопсида, магниевого илменита и шпинели.

Оливковые лампроиты

Оливинские лампроиты ранее назывались кимберлитами группы II или оранжитами из-за ошибочного представления об их приуроченности исключительно к Южной Африке. Однако их распространение и петрология идентичны во всем мире и не должны ошибочно относиться к кимберлитам. Оливинские лампроиты – это ультракалийные, перщелочные породы, богатые летучими компонентами (преимущественно H2O). Характерной особенностью оливинских лампроитов являются макро- и микрофенокристы флогопита, а также слюды основной массы, состав которых варьируется от флогопита до "тетраферрифлогопита" (аномально бедного алюминием флогопита, требующего включения железа в тетраэдрическую позицию). Резорбированные макрокристаллы оливина и идиоморфные первичные кристаллы оливина основной массы встречаются часто, но не являются обязательными компонентами. К типичным первичным фазам основной массы относятся зональные пироксены (сердцевины диопсида, окаймленные титан-эгирином), минералы шпинелевой группы (от магнезиального хромита до титанистого магнетита), перовскит, обогащенный стронцием и редкоземельными элементами, апатит, богатый стронцием, редкоземельные фосфаты (монацит, дациншанит), минералы группы потассиево-бариевого голландита, рутил, содержащий ниобий, и ильменит, содержащий марганец.

Кимберлитические индикаторные минералы

Кимберлиты – это уникальные магматические породы, поскольку они содержат разнообразные минеральные виды с химическим составом, указывающим на их образование под высоким давлением и температурой в мантии Земли. Эти минералы, такие как хромовый диопсид (пироксен), хромовые шпинели, магнезиальный ильменит и пиропы, богатые хромом, обычно отсутствуют в большинстве других магматических пород, что делает их особенно ценными индикаторами кимберлитов.

Геохимия

Кимберлиты демонстрируют уникальные геохимические особенности, отличающие их от других изверженных пород и отражающие их формирование в глубинах земной мантии. Эти характеристики позволяют получить представление о составе мантии и процессах, связанных с образованием и извержением кимберлитовой магмы.

Состав

Кимберлиты классифицируются как ультрамафические породы из-за высокого содержания оксида магния (MgO), которое обычно превышает 12%, и часто – 15%. Такая высокая концентрация MgO свидетельствует о мантийном происхождении, богатом оливином и другими минералами, доминирующими по содержанию магния. Кроме того, кимберлиты являются ультракалийными, с молярным соотношением оксида калия (K2O) к оксиду алюминия (Al2O3) больше 3, что указывает на значительные изменения или процессы обогащения в их мантийных источниках.

Элементарное изобилие

Характерной чертой кимберлитов является высокое содержание почти первозданных элементов, таких как никель (Ni), хром (Cr) и кобальт (Co), при концентрациях, часто превышающих 400 ppm для никеля, 1000 ppm для хрома и 150 ppm для кобальта. Эти высокие уровни отражают первозданный характер их мантийного источника, который подвергся минимальной дифференциации.

Редкие земли и литофильные элементы

Кимберлиты характеризуются повышенным содержанием редкоземельных элементов (REEs), которые играют ключевую роль в понимании их генезиса и эволюции. Это обогащение РЗЭ, в сочетании с умеренным или высоким обогащением крупноионными литофильными элементами (LILE) (ΣLILE > 1000 ppm), включая такие элементы, как калий, барий и стронций, свидетельствует о значительном вкладе метасоматизированных мантийных источников, в которых состав пород был изменен флюидами.

Летучее содержание

Характерной особенностью кимберлитов является высокое содержание летучих компонентов, в особенности воды (H2O) и углекислого газа (CO2). Присутствие этих летучих компонентов определяет взрывной характер кимберлитовых извержений и способствует переносу алмазов из глубин мантии на поверхность Земли. Высокие концентрации H2O и CO2 указывают на глубокомантийное происхождение, где эти соединения встречаются в большем количестве.

Методы разведки

Методы разведки кимберлита охватывают многосторонний подход, объединяющий геологические, геохимические и геофизические методы для поиска и оценки потенциальных алмазоносных залежей.

Отбор проб минеральных веществ-индикаторов

Методы разведки кимберлитов в основном основаны на выявлении и анализе минералов-индикаторов, связанных с наличием кимберлитовых трубок и их потенциального алмазного содержания. Отбор проб осадочных пород – это базовый подход, при котором кимберлитовые индикаторные минералы (КИМ) распространяются по ландшафтам в результате геологических процессов, таких как поднятие, эрозия и оледенение. Ломбардирование и аллювиальный отбор проб используются в различных условиях местности для извлечения КИМ из почв и речных отложений соответственно. Понимание палеодранажных систем и геологического строения помогает проследить путь КИМ к их источнику – кимберлитовым трубкам. В оледеневших районах для извлечения КИМ, погребенных под мощными ледниковыми отложениями, применяются методы, такие как отбор проб из эскеров, морен и аллювиальных отложений. После сбора тяжелые минералы отделяются и сортируются вручную для идентификации этих индикаторов. Химический анализ подтверждает их состав и позволяет их классифицировать. Методы, такие как термобариметрия, помогают понять условия формирования этих минералов и их происхождение из мантии Земли. Анализируя эти индикаторы и геологические данные, ученые могут оценить вероятность обнаружения алмазов в кимберлитовой трубке. Эти методы помогают определить приоритетные участки для бурения при поиске ценных алмазных месторождений.

Геофизические методы

Геофизические методы особенно полезны в районах, где непосредственное обнаружение кимберлитов затруднено из-за значительной толщи пустых пород или выветривания. Эти методы используют различия в физических свойствах между кимберлитовыми телами и вмещающими породами, позволяя выявлять незначительные аномалии, указывающие на возможные месторождения кимберлитов. Для эффективного получения геофизических данных на больших площадях обычно применяются аэрогеофизические и наземные исследования, включая магнитометрию, электроразведку и гравиразведку. Магнитометрические исследования регистрируют изменения магнитного поля Земли, вызванные магнитными минералами в кимберлитах, которые, как правило, имеют отличные магнитные характеристики по сравнению с окружающими породами. Электроразведочные исследования измеряют изменения электрической проводимости, при этом проводящие кимберлитовые тела вызывают аномальные реакции. Гравиразведочные исследования фиксируют изменения гравитационного притяжения, обусловленные различиями в плотности между кимберлитом и вмещающими породами. Анализируя и интерпретируя эти геофизические аномалии, геологи могут выделить перспективные участки для дальнейшей разведки, например, для бурения. Однако интерпретация геофизических данных требует внимательного учета геологического контекста и возможных маскирующих эффектов со стороны окружающей геологии, что подчеркивает важность интеграции геофизических результатов с другими методами разведки для точного определения целей и успешного обнаружения алмазов.

3D моделирование

Трехмерное (3D) моделирование предоставляет комплексную основу для понимания внутренней структуры и распределения ключевых геологических элементов в потенциальных алмазоносных месторождениях. Этот процесс начинается со сбора и объединения различных наборов данных, включая данные бурения, наземные геофизические исследования и информацию геологического картирования. Эти данные затем интегрируются в единую цифровую платформу, часто с использованием специализированного программного обеспечения для геологического моделирования. Благодаря передовым методам визуализации геологи могут создавать детальные трехмерные модели геологического строения недр, выделяя распределение и геометрию кимберлитовых тел, а также других важных геологических элементов, таких как разломы, трещины и литологические границы. В рамках модели предпринимаются усилия для точного отображения внутреннего строения кимберлитовых трубок, включая различные фации, ксенолиты вмещающих пород и мантийные ксенолиты, идентифицированные путем тщательной интерпретации данных бурения и геофизических исследований. После верификации, трехмерная модель становится ценным инструментом для принятия решений, предоставляя информацию о потенциальной алмазоносности, определяя приоритетные цели бурения и направляя стратегии разведки для увеличения вероятности успешного обнаружения алмазов.

Историческое значение

Кимберлиты являются ценным источником информации о составе мантии Земли и динамических процессах, происходящих в ней. Изучение кимберлитов внесло вклад в наше понимание глубоких геохимических циклов Земли и механизма мантийных плюмов – восходящих потоков аномально горячей породы в мантии Земли. Более того, кимберлиты уникальны своей способностью доставлять материал из мантии Земли на поверхность. Этот процесс, известный как перенос ксенолитов, предоставляет геологам образцы мантии Земли, которые в противном случае были бы недоступны. Анализ этих образцов привел к значительному прогрессу в наших знаниях о глубоком строении Земли, включая ее физические условия, состав и эволюционную историю планеты. Роль кимберлитов в разведке алмазов трудно переоценить. Алмазы формируются в условиях высокого давления и высокой температуры в мантии Земли. Кимберлиты служат переносчиками этих алмазов, доставляя их на поверхность Земли. Открытие алмазоносных кимберлитов в 1870-х годах в Кимберли спровоцировало алмазную лихорадку, превратив этот район в один из крупнейших в мире регионов по добыче алмазов. С тех пор связь между кимберлитами и алмазами имеет решающее значение в поиске новых алмазных месторождений по всему миру. Кимберлиты также служат окном в прошлое Земли, предоставляя информацию о формировании континентов и динамических процессах, формирующих нашу планету. Их распространение и возраст могут дать представление о древних движениях континентов и формировании и распаде суперконтинентов.

Экономическое значение

Кимберлиты являются наиболее важным источником первичных алмазов. Многие кимберлитовые трубки также формируют богатые аллювиальные или элювиальные алмазные россыпи. В мире обнаружено около 6400 кимберлитовых трубок, из них около 900 классифицированы как алмазоносные, а из этих лишь немногим более 30 оказались достаточно экономически выгодными для разработки. Первые месторождения были обнаружены в Кимберли (Южная Африка), оттуда и произошло название. Изначально алмазы в Кимберли находили в выветренном кимберлите, окрашенном в жёлтый цвет лимонитом, и поэтому его называли "жёлтой землёй". Более глубокие разработки приводили к обнаружению менее изменённых пород, таких как серпентинизированный кимберлит, который шахтёры называют "голубой землёй". Жёлтая земля легко поддавалась разработке и была первым источником алмазов, добываемых открытым способом. Для извлечения алмазов из голубой земли необходимо использовать дробильное оборудование. См. также рудник Мир и кимберлитовая трубка Удачная, оба расположены в Республике Саха (Якутия), Сибирь. И голубая, и жёлтая земля были высокопродуктивными источниками алмазов. Когда запасы жёлтой земли были исчерпаны, шахтёры в конце XIX века случайно вышли на голубую землю и обнаружили там крупные алмазы ювелирного качества. Экономическая ситуация того времени была такова, что обилие найденных алмазов привело к демпингу цен между шахтёрами, в результате чего стоимость алмазов в короткий срок упала до себестоимости.