Использование рамановской спектроскопии для характеристики состава минеральных включений перидотитового парагенезиса в алмазах

Объект исследования. Спектроскопические характеристики минералов мантийных перидотитов и создание неразрущающей методики экспрессной оценки химического состава минеральных включений в природных алмазах перидотитового парагенезиса с использованием данных рамановской спектроскопии. Материалы и методы. В работе были исследованы алмазы как с единичными минеральными включениями, так и с ассоциациями включений перидотитового парагенезиса (оливин, ортопироксен, клинопироксен, гранат) из разных месторождений Якутской алмазоносной провинции. Химический состав минеральных включений в алмазах определялся с помощью рентгеноспектрального микроанализа, рамановские спектры включений были получены на спектрометре, оснащенном Nd:YAG лазером с длиной волны 532 нм. Результаты. Спектроскопические характеристики минеральных включений в природных алмазах отражают особенности их химического состава: смещение положений рамановских пиков DB1 и DB2 в спектрах оливина демонстрирует изоморфизм форстерит-фаялит (Mg-Fe); изменение положений валентных колебательных мод в КР-спектрах клинопироксена Si-O_nbr (ν₁₆) и Si-O_br (ν₁₁) и ортопироксена (ν₁₇) отражает изоморфизм диопсид-жадеит (CaMg-NaAl) и энстатит-ферросилит (Mg-Fe), смещения положений деформационных (ν₂) и валентных (ν₁, ν₃) мод колебательных энергий связи Si-O в гранатах отражают изоморфизм пар Al-Cr и Ca-Mg соответственно. Выводы. Выявленные корреляции были использованы при построении регрессионных линий, которые можно применять для количественного определения содержаний главных химических компонентов минеральных включений граната и клинопироксена перидотитового парагенезиса in situ в алмазах. Разработанная методика оценки химического состава включений граната и клинопироксенов потенциально может быть использована при разделении включений клинопироксенов и гранатов разных мантийных парагенезисов.

1. Гудимова А.И., Агашева Е.М., Агашев Е.В., Похиленко П.И. (2022) Состав, строение и термальный режим литосферной мантии в районе высокоалмазоносной кимберлитовой трубки им. В. Гриба (архангельская алмазоносная провинция): данные по химическому составу ксенокристов граната и хромдиопсида. Докл. РАН, 505(1), 38-45. https://doi.org/10.31857/S2686739722070088

2. Зедгенизов З.А., Рагозин А.Л., Калинина В.В., Мальковец В.Г., Помазанский Б.С. (2015) Минеральные включения в алмазах из кимберлитовой трубки Нюрбинская (Якутия). Геология и минерально-сырьевые ресурсы Северо-востока России: всерос. науч.-практ. конф. Якутск: ИГАБМ СО РАН, 173-176.

3. Соболев Н.В. (1974) Глубинные включения в кимберлитах и проблема состава верхней мантии. М.: Наука, 264 с.

4. Соболев Н.В., Логвинова А.М., Зедгенизов Д.А., Ефимова Э.С., Лаврентьев Ю.Г., Усова Л.В. (2000) Аномально высокое содержание примеси никеля во включениях оливина из микроалмазов кимберлитовой трубки Юбилейная (Якутия). Докл. АН, 375(3), 393-396.

5. Соболев Н.В., Харькив А.Д., Лаврентьев Ю.Г., Поспелова Л.Н. (1973) Хромит-пироксен-гранатовые сростки из кимберлитовой трубки “Мир”. Геол. и геофиз., (12), 15-20.

6. Bersani D., Ando S., Vignola P., Moltifiori G., Marino I.-G., Lottici P.P., Diella V. (2009) Micro-Raman spectroscopy as a routine tool for garnet analysis. spectrochim. Acta, 73(3), 484-491. https://doi.org/10.1016/j.saa.2008.11.033

7. Cameron M., Papike J.J. (1981) Structural and chemical variations in pyroxenes. Amer. Miner., 66(1-2), 1-50.

8. Chaplin T., Price G.D., Ross N.L. (1998) Computer simulation of the infrared and Raman activity of pyrope garnet, and assignment of calculated modes to specific atomic motions. Amer. Miner., 83(7-8), 841-847. https://doi.org/10.2138/am-1998-7-816

9. Chopelas A. (1991) Single crystal Raman spectra of forsterite, fayalite, and monticellite. Amer. Miner., 76(7-8), 1101-1109.

10. Chopelas A. (1999) Estimates of mantle relevant Clapeyron slopes in the MgSiO3 system from high-pressure spec troscopic data. Amer. Miner., 84(3), 233-244. https://doi.org/10.2138/am-1999-0304

11. Compomenosi N., Mazzucchelli M.L., Mihailova B., Scambelluri M., Angel R.J., Nestola F., Reali A., Alvaro M. (2018) How geometry and anisotropy affect residual strain in host-inclusion systems: Coupling experimental and numerical approaches. Amer. Miner., 103(12), 2032-2035. https://doi.org/10.2138/am-2018-6700CCBY

12. Domeneghetti M.C., Molin G.M., Tazzoli V. (1985) Crystal-chemical implications of the Mg2+−Fe2+ distribution in orthopyroxenes. Amer. Miner., 70(9-10), 987-995.

13. Grutter H.S., Gurney J.J., Menzies A.H., Winter F. (2004) An updated classification scheme for mantle–derived garnet, for use by diamond explorers. Lithos, 77(1-4), 841-857. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2004.04.012

14. Gubanov N., Zedgenizov D., Sharygin I., Ragozin A. (2019) Origin and evolution of high-Mg carbonatitic and low-Mg carbonatitic to silicic high-density fluids in coated diamonds from Udachnaya kimberlite pipe. Minerals, 9(1), 734. https://doi.org/10.3390/min9120734

15. Guyot F., Boyer H., Madon M., Velde B., Poirier J.P. (1986) Comparison of the Raman microprobe spectra of (Mg, Fe)2SiO4 and Mg2GeO4 with olivine and spinel structures. Phys. Chem. Miner., 13(2), 91-95. https://doi.org/10.1007/BF00311898

16. Huang E., Chen C.H., Huang T., Lin E.H., Xu J.A. (2000) Raman spectroscopic characteristics of Mg-Fe-Ca pyroxenes. Amer. Miner., 85(3-4), 473-479. https://doi.org/10.2138/am-2000-0408

17. Ishibashi H., Arakawa M., Yamamoto J., Kagi H. (2012) Precise determination of Mg/Fe ratios applicable to terrestrial olivine samples using Raman spectroscopy. J. Raman Spectroscopy, 43(2), 331-337. https://doi.org/10.1002/jrs.3024

18. Kalugina A.D., Zedgenizov D.A. (2021) Micro-Raman Spectroscopy Assessment of Chemical Compounds of Mantle Clinopyroxenes. Minerals, 10(12), 1084. https://doi.org/10.3390/min10121084

19. Kolesov B.A., Geiger C.A. (1998) Raman spectra of silicate garnets. Phys. Chem. Miner., 25(2), 142-151. https://doi.org/10.1007/s002690050097

20. Kolesov B.A., Geiger C.A. (1997) Raman scattering in silicate garnets: an investigation of their resonance intensities. J. Raman Spectroscopy, 28(9), 659-662. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-4555(199709)28:9<659::AID-JRS156>3.0.CO;2-7

21. Kuebler K.E., Jolliff B.L., Wang A., Haskin L.A. (2006) Extracting olivine (Fo-Fa) compositions from Raman spectral peak positions. Geochim. Cosmochim. Acta, 70(24), 6201-6222. https://doi.org/10.1016/j.gca.2006.07.035

22. McKeown D.A., Bell M.I., Caracas R. (2010) Theoretical determination of the Raman spectra of single-crystal forsterite (Mg2 SiO4). Amer. Miner., 95(7), 980-986. https://doi.org/10.2138/am.2010.3423

23. McMillan P. (1984) Structural studies of silicate glasses and melts-applications and limitations of Raman spectroscopy. Amer. Miner., 69(7-8), 622-644.

24. McMillan P.F., Hofmeister A.M. (1988) Infrared and Raman spectroscopy. Rev. Mineral. Geochem., 18, 99-159. https://doi.org/10.1016/c2010-0-68479-3

25. Mernagh T.P., Hoatson D.M. (1997) Raman spectroscopic study of pyroxene structures from the Munni Munni layered intrusion, Western Australia. J. Raman Spectroscopy, 28(9), 647-658. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-4555(199709)28:9<647::AID-JRS155>3.0.CO;2-H

26. Mingsheng P., Dien M.L., Chao E.C.T. (1994) Raman spectroscopy of garnet-group minerals. Chinese J. Geochem., 13(2), 176-183. https://doi.org/10.1007/BF02838517

27. Moore R.K., White W.B., Long T.V. (1971) Vibrational spectra of the common silicates: I. The garnets. Amer. Miner., 56(1-2), 54-71.

28. Prencipe M., Maschio L., Kirtman B., Salustro S., Erba A., Dovesi R. (2014) Raman spectrum of NaAlSi2O6 jadeite. A quantum mechanical simulation. J. Raman Spectroscopy, 45(8), 703-709. https://doi.org/10.1002/jrs.4519

29. Rutstein M.S., White W.B. (1971) Vibrational spectra of high-calcium pyroxenes and pyroxenoids. Amer. Miner., 56(5-6), 877-887.

30. Schulze D.J. (2003) A classification scheme for mantle-derived garnets in kimberlite: a tool for investigating the mantle and exploring for diamonds. Lithos, 71(2-4), 195-213. https://doi.org/10.1016/S0024-4937(03)00113-0

31. Shatsky V.S., Zedgenizov D.A., Ragozin L.A., Kalinina V.V. (2015) Diamondiferous subcontinental lithospheric mantle of the northeastern Siberian Craton: Evidence from mineral inclusions in alluvial diamonds. Gondwana Res., 28(1), 106-120. https://doi.org/10.1016/j.gr.2014.03.018

32. Shirey S.B., Cartigny P., Frost D.J., Keshav S., Nestola F., Nimis P., Walter M.J. (2013) Diamonds and the geology of mantle carbon. Rev. Mineral. Geochem., 75(1), 355-421. https://doi.org/10.2138/rmg.2013.75.12

33. Smith D.C. (2015) The RAMANITA1© method for non-destructive and in situ semi-quantitative chemical analysis of mineral solid-solutions by multidimensional calibration of Raman wavenumber shifts. spectrochim. Acta, 61(10), 2299-2314. https://doi.org/10.1016/j.saa.2005.02.029

34. Sobolev N.V., Fursenko B.A., Goryainov S.V., Shu J., Hemley R.J., Mao H.K., Boyd F.R. (2000) Fossilized high pressure from the Earth's deep interior: The coesite-in-diamond barometer. Proc. National academy of Sciences of the USA, 97(22), 11875-11879. https://doi.org/10.1073/pnas.220408697

35. Stachel T., Harris J.W. (2008) The origin of cratonic diamonds-constraints from mineral inclusions. Ore Geol. Rev., 34(1-2), 5-32. https://doi.org/10.1016/j.oregeo-rev.2007.05.002

36. Wang A., Jolliff B.L., Haskin L.A., Kuebler K.E., Viskupic K.M. (2001) Characterization and comparison of structural and compositional features of planetary quadrilateral pyroxenes by Raman spectroscopy. Amer. Miner., 86(7-8), 760-806. https://doi.org/10.2138/am-2001-0703

37. Zedgenizov D.A., Ragozin A.L., Logvinova A.M., Yurimoto H., Sakamoto N., Kuroda M. (2017) Trace element chemistry of peridotitic garnets in Siberian diamonds. Magmatism of the Earth and related strategic metal deposits: Proc. XXXIV int. Conf. (Ed. by V.A. Zaitsev, V.N. Ermolaeva). Moscow, GEOKHI RAS, 319-321.