Мантийная конвекция и алмазы

Объект исследования. В настоящее время в геодинамической теории возобладало представление о том, что в мантии Земли преобладает термохимическая конвекция различных уровней, в которой центробежные ветви представлены плюмами, а центростремительные - зонами субдукции. Цели и задачи исследования. Изучение алмазов позволяет понять, когда, на каком уровне в мантии, в каких Р-Т условиях, в какой геохимической обстановке родились конкретные алмазы, которые были затем вынесены центробежным конвекционным потоком к поверхности Земли, и тем самым охарактеризовать этот поток. Материалы и методы. Обобщение многочисленных опубликованных материалов, характеризующих минеральные включения в алмазах, позволяют существенно конкретизировать общую картину конвекции в мантии Земли в разные эпохи и в разных регионах. Результаты. Результаты изучения включений в алмазах в сопоставлении с экспериментальными данными о Р-Т условиях образования минеральных парагенезисов этих включений и с геофизическими данными о свойствах мантии свидетельствуют о том, что глубина образования алмазов варьирует от низов литосферы в верхах верхней мантии до основания нижней мантии. При этом доля алмазов, содержащих минеральные включения, характерные для нижней мантии, составляет лишь первые проценты от общего количества алмазов. Выводы. Вынос разноглубинных алмазов на поверхность - неоспоримое свидетельство конвекции (в виде плюмовой активности) в мантии. Таким образом, пополняется все новыми фактами независимый источник сведений, подтверждающий реальность существования плюмов, охватывающих всю мантию, что немаловажно на фоне постоянно возобновляющейся дискуссии о плюмах и их классификации по глубинности зарождения. Вместе с тем изучение минеральных включений в алмазах, особенно когда это касается сверхглубинных алмазов, сталкивается с трудностями, связанными с тем, что они на пути к поверхности испытывают ретроградные изменения, резорбцию, иногда и полное растворение. Эти обстоятельства снижают вероятность встречаемости сверхглубинных алмазов и требуют особого учета при вынесении окончательных суждений о реальности существования глубинных плюмов.

1. Батанова В.Г., Савельева Г.Н. (2009) Миграция расплавов в мантии под зонами спрединга и образование дунитов замещения: обзор проблемы. Геология и геофизика, 50(9), 992-1012.

2. Галимов Э.М., Каминский Ф.В. (2021) Алмазы в океанической литосфере. Вулканические алмазы и алмазы в офиолитах. Геохимия, 66(1), 3-14.

3. Добрецов Н.Л. (2011) Основы тектоники и геодинамики. Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т, 492 с.

4. Зорин Ю.А., Турутанов Е.Х., Кожевников В.М., Рассказов С.В., Иванов А.В. (2006) О природе кайнозойских верхнемантийных плюмов в Восточной Сибири (Россия) и Центральной Монголии. Геология и геофизика, 47(10), 1060-1074.

5. Иванов К.С. (2013) К вопросу об алмазоносности ультрабазитов Урала. Урал. геол. журн., 5(95), 32-36.

6. Лобковский Л.И., Рамазанов М.М., Котелкин В.Д. (2021) Развитие модели верхнемантийной конвекции, сопряженной с зоной субдукции, с приложениями к мел-кайнозойской геодинамике Центрально-Восточной Азии и Арктики. Геодинамика и тектонофизика, 12(3), 456-470. https://doi.org/10.5800/GT-2021-12-3-0533

7. Похиленко Н.П., Шумилова Т.Г., Афанасьев В.П., Литасов К.Д. (2019) Находки алмазов на Камчатке (вулканы Толбачик и Авачинский): природный феномен или контаминация синтетическим материалом? Геология и гео физика, 60(5), 606-618.

8. Пучков В.Н. (2009) “Великая дискуссия” о плюмах: так кто же все-таки прав? Геотектоника, (1), 3-22.

9. Пучков В.Н (2016) Взаимосвязь плитотектонических и плюмовых процессов. Геотектоника, (4), 88-104.

10. Пучков В.Н. (2017) Оставляет ли базальтоидная магма следы в мантийных перидотитах при своем перемещении к земной поверхности? Геологический сборник № 14. информ. мат-лы ИГ УНЦ РАН. СПб.: Свое издательство, 149-151.

11. Пущаровский Ю.М., Пущаровский Д.Ю. (2010) Геология мантии Земли. М.: ГЕОС, 140 с.

12. Рингвуд А.Е. (1981) Состав и петрология мантии Земли. (Пер. с англ. под ред. М.А. Богомолова, Т.И. Фроловой). М.: Недра, 584 с.

13. Соболев Н.В. (1974) Глубинные включения в кимберлитах и проблема состава верхней мантии. Новосибирск: Наука, 263 с.

14. Anzolini C. (2018) Depth of formation of super-deep diamonds. Plinius, 44, 1-7.

15. Ashchepkov I.V., Pokhilenko N.P., Vladykin N.V., Logvinova A.M., Afanasieva V.P., Pokhilenkova L.N., Kuligin S.S., Malygina E.V., Alymova N.A., Kostrovitsky S.I., Rotman A.Y., Mityukhin S.I., Kaipenko M.A., Stegnitsky Y.B., Khemelnikova O.S. (2010) Structure and evolution of the lithospheric mantle beneath Siberian craton, thermobarometric study. Tectonophysics, 485, 17-41.

16. Baruah A., Gupta A.K., Mandala N., Singh R.N. (2013) Rapid ascent conditions of diamond-bearing kimberlitic magmas: Findings from highpressure-temperature experiments andfinite element modeling. Tectonophysics, 594, 13-26.

17. Brenker F., Nestola F., Brenker L., Peruzzo L., Secco L., Harris J.W. (2018) Breyite, IMA 2018-062, CNMNC Newsletter No. 45, October 2018. Eur. J. Mineral., 30, 1037-1043.

18. Brenker F.E., Stachel T., Harris J.W. (2002) Exhumation of lower mantle inclusions in diamond: ATEM investigation of retrograde phase transitions, reactions and exsolution. Earth Planet. Sci. Lett., 198, 1-9.

19. Bulanova G.P., Smith C.B., Kohn S.C., Walter M.J., Gobbo L., Kearns S. (2008) Machado River, Brazil - a newly recognised ultradeep diamond occurrence. 9th international Kimberlite Conference: Extended abstract, No. 9IKC-A-00233. https://doi.org/10.29173/ikc3471

20. Bulanova G.P., Wiggers de Vries D.F., Pearson D.G., Beard A., Mikhail S., Smelov A.P., Davies R. (2014) An eclogitic diamond from Mir pipe (Yakutia), recording two growth events from different isotopic source. Chem. Geol., 381, 40-54.

21. Burgess R., Kiviets G.B., Harris J.W. (2004) Ar-Ar age determinations of eclogitic clinopyroxene and garnet inclusions in diamonds from the Venetia and Orapa kimberlites. Lithos, 77(1-4), 113-124.

22. Cid J.P., Nardi L.V.S., Cid C.P., Gisbert P.E., Balzaretti N.M. (2014) Acid compositions in a veined-lower mantle, as indicated by inclusions of (K, Na)-Hollandite + SiO2 in diamonds. Lithos, 196-197, 42-53.

23. Courtillot V., Davaille A., Besse J., Stock J. (2003) Three distinct types of hotspots in the Earth's mantle. Earth Planet. Sci. Lett., 205(3/4), 295-308. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(02)01048-8

24. Davies R.M., Griffin W.L., O’Reilly S.Y., McCandless T.E. (2004a) Inclusions in diamonds from the K14 and K10 kimberlites, Buffalo Hills, Alberta, Canada: diamond growth in a plume? Lithos, 77(1-4), 99-111.

25. Davies R.M., Griffin W.L., O’Reilly S.Y., Doyle B.J. (2004b) Mineral inclusions and geochemical characteristics of microdiamonds from the DO27, A154, A21, A418, DO18, DD17 and Ranch Lake kimberlites at Lac de Gras, Slave Craton, Canada. Lithos, 77(1-4), 39-55.

26. Doucet L.S., Li Zheng-Xiang, El Dien H.G. (2021) Oceanic and super-deep continental diamonds share a transition zone origin and mantle plume transportation. Nature Sci. Rep., 11, 16958. https://doi.org/10.1038/s41598-021-96286-8

27. Ernst R.E. (2014) Large Igneous Provinces. Cambridge, Cambridge University Press, 633 p.

28. Ernst R.E., Davies D.R., Jowitt S.M., Campbell I.H. (2018) When do mantle plumes destroy diamonds? Earth Planet. Sci. Lett., 502, 244-252.

29. Fedortchouk Y., Liebske C., McCammon C. (2019) Diamond destruction and growth during mantle metasomatism: An experimental study of diamond resorption features. Earth Planet. Sci. Lett., 506, 493-506.

30. Foulger G.F. (2018) Are mantle plumes real? Durham Workshop on Realism & the Earth Sciences, 15-16 January. URL: http://www.mantleplumes.org/PPPs.html

31. Frost D.J. (2008) The upper mantle and transition zone. Elements, 4, 171-176.

32. Harte B. (2010) Diamond formation in the deep mantle: the record of mineral inclusions and their distribution in relation to mantle dehydration zones. Mineral. Mag., 74(2), 189-215.

33. Harte B., Hudson N.C.F. (2013) Mineral Associations in Diamonds from the Lowermost Upper Mantle and Uppermost Lower Mantle. Proc. 10th int. Kimberlite Conf. Vol. 1. (Eds D.G. Pearson et al.). New Delhi, Springer, 235-253. https://doi.org/10.1007/978-81-322-1170-9

34. Hayman P.C., Kopylova M.G., Kaminsky F.V. (2005) Lower mantle diamonds from Rio Soriso (Juina area, Mato Grosso, Brazil). Contrib. Mineral. Petrol., 149, 430-445. https://doi.org/10.1007/s00410-005-0657-8

35. Hunt L., Stachel T., Morton R., Grutter H., Crease R.A. (2009) The Carolina kimberlite, Brazil-Insights into an unconventional diamond deposit. Lithos, 112S, 843-85.

36. Joswig W., Stachel T., Harris J.W., Baur W.H., Brey G.P. (1999) New Ca-silicate inclusions in diamonds - tracers from the lower mantle. Earth Planet. Sci. Lett., 173, 1-6.

37. Kaminsky F. (2012) Mineralogy of the lower mantle: a review of ’super-deep’ mineral inclusions in diamond. Earth Sci. Rev., 110(1), 127-147.

38. Kaminsky F. (2020) Basic problems concerning the composition of the Earth’s lower mantle. Lithos, 364-365, 105515. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2020.105515

39. Kaminsky F., Wirth R. (2011) Iron carbide inclusions in lower-mantle diamond from Juina, Brazil. Canad. Mineral., 49(2), 555-572.

40. Kaminsky F., Wirth R. (2017) Nitrides and carbonitrides from the lowermost mantle and their importance in the search for Earth’s “lost” nitrogen. Amer. Mineral., 102, 1667-1676.

41. Kaminsky F., Wirth R., Schreiber A. (2013) Carbonatitic inclusions in deep mantle diamond from Juina, Brazil: New minerals in the carbonate-halide association. Canad. Miner., 51(5), 669-688. https://doi.org/10.3749/canmin.51.5.669

42. Kaminsky F., Ryabchikov I.D., Wirth R. (2015) A primary natrocarbonatitic association in the Deep Earth. Mineral. Petrol., 110. https://doi.org/10.1007/s00710-015-0368-4

43. Kaminsky F., Khachatryan G.K., Andreazza P., Araujo D., Griffin W.L. (2009a) Superdeep diamonds from kimberlites in the Juina area, Mato Grosso State, Brazil. Lithos, 112S(2), 833-842.

44. Kaminsky F., Wirth R., Matsyuk S., Schreiber A., Thomas R. (2009b) Nyerereite and nahcolite inclusions in diamond: evidence for lower-mantle carbonatitic magmas. Mineral. Mag., 73(5), 797-816.

45. Kaminsky F., Sablukov S.M., Belousova E.A., Andreazza P., Tremblay M., Griffin W.L. (2010) Kimberlitic sources of super-deep diamonds in the Juina area, Mato Grosso State, Brazil. Lithos, 114(1-2), 16-29.

46. Kerschhofer L., Scharer U., Deutsch A. (2000) Evidence for crystals from the lower mantle: baddeleyite megacrysts of the Mbuji Mayi kimberlite. Earth Planet. Sci. Lett., 179, 219-225.

47. Kesson S.E., Fitz Gerald J.D. (1992) Partitioning of MgO, FeO, NiO, MnO and Cr2O3 between magnesium silicate perovskite and magnesiowustite: implications for the origin of inclusions in diamond and the composition of the lower mantle. Earth Planet. Sci. Lett., 111(2-4), 229-240. https://doi.org/10.1016/0012-821X(92)90181-T

48. Kogarko L.N. (2022) Plume related kimberlites and carbonatites. Mineral. Petrol., https://doi.org/10.1007/s00710-022-00789-9

49. Kogarko L.N., Veselovskiy R. (2017) Geodynamic regime of the carbonatites (absolute paleotectonic reconstructions). Magmatism of the Earth and related strategic metal deposits. Proc. of XXXIV International Conference. Moscow: GEOKHI RAS, 105-108.

50. Lyakhov A., Oganov A., Stokes H., Zhu Q. (2012) New developments in evolutionary structure prediction algorithm USPEX. Computer Phys. Communications, 184. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2012.12.009

51. Maruyama S., Safonova I. (2019) Orogeny and mantle dynamics - role of tectonic erosion and second continent in the mantle transition zone. Novosibirsk: IPC NSU, 208 p.

52. Moore R.U., Utter M.L., Rickard R.S., Harris J.W., Gurney J.J. (1986) The occurrence of moissanite and ferro-periclase as inclusions in diamond. 4th international Kimberlite Conference Extended abstracts. Perth: Geological Society of Australia Abstracts, 16, 409-411. https://doi.org/10.29173/ikc1186

53. Morgan W.J. (1971) Convective Plumes in the Lower Mantle. Nature, 230, 42-43.

54. Navon O., Wirth R., Schmidt C., Jablon B.M., Schreiber A., Emmanuel S. (2017) Solid molecular nitrogen (6-N2) inclusions in Juina diamonds: Exsolution at the base of the transition zone. Earth Planet. Sci. Lett., 464, 237-247. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.01.035

55. Nestola F., Burnham A., Peruzzo L., Tauro L., Alvaro M., Walter M., Gunter M., Anzolini Ch., Kohn S. (2016) Tetragonal almandine-pyrope phase, TAPP: Finally a name for it, the new mineral jeffbenite. Mineral. Mag., 80. https://doi.org/10.1180/minmag.2016.080.059

56. Nestola F., Korolev N., Kopylova M., Rotiroti N., Pearson D.G., Pamato M.G., Alvaro M., Peruzzo L., Gurney J.J., Moore A.E., Davidson J. (2018) CaSiO3 perovskite in diamond indicates the recycling of oceanic crust into the lower mantle. Nature, 555, 237-241. https://doi.org/l0.1038/nature25972

57. Puchkov V.N., Ernst R.E., Ivanov K.S. (2021) The importance and difficulties of identifying mantle plumes in orogenic belts: An example based on the fragmented large igneous province (LIP) record in the Ural fold belt. Precamb. Res., 361, 106186.

58. Qin F., Qin S., Prakapenka V.B. (2020) High pressure behaviors and novel high-pressure phase of Si3N4 and TiN. lithos, 372-373(1), 105677. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2020.105677

59. Richardson S.H., Shirey S.B., Harris J.W. (2004) Episodic diamond genesis at Jwaneng, Botswana, and implications for Kaapvaal craton evolution. Lithos, 77(1-4), 143-154.

60. Rudolph M.L., Lekic V., Lithgow-Bertelloni C. (2015) Viscosity jump in Earth's mid-mantle. science, 350(6266), 1349-1352. https://doi.org/10.1126/science.aad1929

61. Schulze D.J., Harte B., Valley J.W., De R. Channer D.M. (2004) Evidence of subduction and crust-mantle mixing from a single diamond. Lithos, 77(1-4), 349-358. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2004.04.022

62. Scott Smith B.H., Danchin R.V., Harris J.W., Stracke K.J. (1984) Kimberlites near Orroroo, South Australia. Kimberlites 1: Kimberlites and Related Rocks. (Ed. J. Kornprobst). Amsterdam, Elsevier, 121-142. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-42273-6.50017-1

63. Smith E.M., Shirey S.B., Richardson S.H., Nestola F., Bullock E.S., Wang J., Wang W. (2018) Blue boron-bearing diamonds from Earth's lower mantle. Nature, 560, 84-86.

64. Stachel T., Brey G.P., Harris J.W. (2005) Inclusions in Sublithospheric Diamonds: Glimpses of Deep Earth. Elements, 1(2), 73-78.

65. Stachel T., Harris J.W., Brey G.P., Joswig W. (2000) Kankan diamonds (Guinea) II: lower mantle inclusion parageneses. Contrib. Mineral. Petrol., 140, 16-27.

66. Stachel T., Harris J.W., Aulbach S., Deines P. (2002) Kankan diamonds (Guinea) III: 61JC and nitrogen characteristics of deep diamonds. Contrib. Mineral. Petrol., 142(4), 465-475.

67. Stixrude L., Lithgow-Bertelloni C. (2007) Influence of phase transformations on lateral heterogeneity and dynamics in Earth's mantle. Earth Planet. Sci. Lett., 263, 45-55.

68. Tappert R., Stachel T., Harris J.W., Shimizu N., Brey G.P. (2005a) Mineral inclusions in diamonds from the Slave Province, Canada. Europ. J. Mineral., 17(3), 423-440.

69. Tappert R., Stachel T., Harris J.W., Muehlenbachs K., Ludwig T., Brey G. (2005b) Diamonds from Jagersfontein (South Africa): messengers from the sublithospheric mantle. Contrib. Mineral. Petrol., 150(5), 505-522.

70. Tappert R., Foden J., Stachel T., Muehlenbachs K., Tappert M., Wills K. (2009) The diamonds of South Australia. Lithos, 112S, 806-821.

71. Torsvik T.H., Burke K., Steinberger B., Webb S.J., Ashwal L.D. (2010) Diamonds sampled by plumes from the core-mantle boundary. Nature, 466, 352-355. https://doi.org/10.1038/nature09216

72. Tschauner О., Ma Ch., Beckett J.R., Prescher C., Prakapenka V.B., Rossman G.R. (2014) Discovery of bridgmanite, the most abundant mineral in Earth, in a shocked meteorite. Science, 346(6213), 1100-1102. https://doi.org/10.H26/science./259369

73. Tschauner О., Huang S., Greenberg E., Prakapenka V.B., Ma Ch., Rossman G.R., Shen A.H., Zhang D., Newville M., Lanzirotti A., Tait K. (2018) Ice-VII inclusions in diamonds: evidence for aqueous fluid in Earth's deep mantle. Science, 359(6380), 1136-1139. https://doi.org/10.1126/science.aao3030

74. Walter M.J., Kohn S.C., Araujo D., Bulanova G.P., Smith C.B., Gaillou E., Wang J., Steele A., Shirey S.B. (2011) Deep mantle cycling of oceanic crust: evidence from diamonds and their mineral inclusions. science, 334, 54-57.

75. Wirth R., Dobrzhinetskaya L., Harte B., Schreiber A., Green H.W. (2014) High-Fe (Mg, Fe)O inclusion in diamond apparently from the lowermost mantle. Earth Planet. Sci. Lett., 404, 365-375.

76. Zedgenizov D.A., Litasov K.D. (2017) Looking for “missing” nitrogen in the deep Earth. Mineralogist, 102, 1769-1770.

77. Zedgenizov D.A., Kagi H., Shatsky V.S., Ragozin A.L. (2014) Local variations of carbon isotope composition in diamonds from Sao-Luis (Brazil): Evidence for heterogenous carbon reservoir in sublithospheric mantle. Chem. Geol., 363, 114-124. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2013.10.033

78. Zedgenizov D.A., Ragozin A.L., Kagi H., Yurimoto H., Shatsky V.S. (2019) SiO2 Inclusions in Sublithospheric Diamonds. Geochem. Int., 57(9), 964-972.

79. Zedgenizov D., Kagi H., Ohtani E., Tsujimorie T., Komatsu K. (2020) Retrograde phases of former bridgmanite inclusions in superdeep diamonds. Lithos, 370-371, 105659. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2020.105659