Витрина 48

Минералы верхней мантии

Виртуальная экскурсия по минералам верхней мантии (витрина 48)

Виртуальная экскурсия подготовлена при содействии нашего Генерального партнера алмазодобывающей компании АК "АЛРОСА" (ПАО)

Согласно геофизическим данным, под мантией Земли понимают весь вещественный комплекс, залегающий между земной корой и ядром Земли, начиная с глубин от 5 км под океанами и 70 км под континентами и доходящий до глубин около 2900 км. Выделяют верхнюю, среднюю или переходную и нижнюю мантию. О составе средней и нижней мантии мы можем только догадываться, строя гипотезы, основанные преимущественно на геофизических данных. Однако, вещество верхней мантии, достигающей глубин в 410 км, непосредственно доступно для изучения, так как слагающие ее породы поступают к поверхности Земли в виде фрагментов, захваченных базальтовой или кимберлитовой магмой. Большой редкостью являются минералы, образовавшиеся на больших глубинах (до 660км), например, некоторые включения в алмазах.
Также фрагменты мантийных пород могут быть обнаружены в тектонических зонах – это оперяющие разломы рифтовых долин Срединно-океанических хребтов либо блоки мантийных пород, поднятых на поверхность в складчатых поясах. Все эти фрагменты являются уникальным источником для прямого познания состава и свойств глубинных слоев Земли.
На выставке экспонируются образцы мантийных пород, оказавшихся доступными благодаря разным, описанным выше процессам. Однако значительная часть материала представлена фрагментами пород верхней мантии из кимберлитовых трубок Северной Якутии, которые были собраны и изучены в 70-х — 80-х годах прошлого века известным исследователем кимберлитов А.И. Пономаренко.

Верхняя мантия сложена преимущественно силикатами, главными компонентами которых являются Mg, Fe, Ca, Al. Главные минералами пород верхней мантии являются оливин, ортопироксен и клинопироксен. В значительных количествах могут присутствовать плагиоклаз, шпинель и гранат. Редким и ценным минералом верхней мантии является алмаз. Магматические породы, в которых преобладает оливин (перидот) получили обобщающее название перидотиты. Такие породы являются наиболее распространенными в составе верхней мантии. В зависимости от соотношения главных минералов среди перидотитов различают такие породы, как лерцолиты, гарцбургиты, дуниты и др.
Мантия неоднородна. Кроме перидотитов, в ней формируются такие породы, как эклогиты, пироксениты и другие. Главные минералы эклогитов – гранат и клинопироксен (омфацит), а пироксенитов — клинопироксен и ортопироксен.

Оливин (Mg,Fe²⁺)₂SiO₄ - островной силикат с переменным содержанием Mg и Fe. Для пород верхней мантии характерен оливин с преобладающим содержанием Mg (форстерит). В мантийных перидотитах содержится от 40 до 98% оливина. При изменении условий, например, при воздействии природных горячих растворов (гидротерм) оливин переходит в минерал серпентин (Mg)₃Si₂O₅(OH)₄. Поэтому свежие, неизмененные оливинсодержащие породы относительно редко встречаются на поверхности Земли.

	Зерна свежего оливина (Mg,Fe2+)2SiO4 (до 0,7 см), светло-зеленые до оливковых, просвечивающие до прозрачных, извлеченные из пород кимберлитовой трубки Удачная, Якутия.
Образец 84012 Оливин

Зерна свежего, светло-зеленого, прозрачного оливина - форстерита Mg2SiO4 в составе мантийных шпинелевых лерцолитов. Обломок лерцолитов был захвачен базальтовой лавой и выброшен в виде вулканической бомбы на поверхность при извержении вулкана. Захваченные базальтовой или кимберлитовой магмой фрагменты чужеродных пород называют ксенолитами («чужой камень» по-гречески). На срезе распиленной пополам бомбы видно, как вязкий базальт облекал ксенолит. Образец был найден на Shadwell Mt., Западная Виктория, Австралия.

Образец ОП2999 Форстерит

Пироксены составляют целое семейство минералов – силикатов переменного состава. По характеру структуры различают ромбические (ортопироксены) и моноклинные (клинопироксены). В породах верхней мантии количество ортопироксенов может достигать 35%, а клинопироксенов – 25%.

	Агрегат гигантских зерен (до 4 см) ортопироксена - энстатита Mg2Si2O6 золотисто-коричневого цвета в эклогите, сложенном более мелкими зернами ярко-зеленого клинопироксена - омфацита и ярко-розового граната. Фрагмент ксенолита округлой формы из кимберлитов трубки Слюдянка (Якутия). Ксенолиты или другие обособления округлой формы часто называют нодулями.
Образец 61579 Энстатит

Темные, бутылочно-зеленые гигантские зерна клинопироксена — омфацита (Ca,Na)(Mg,Fe,Al)Si2O6, достигающие 4 см. Омфацит с ярко-красными полупрозрачными зернами граната - альмандин-пиропа и отдельными ярко-зелеными мелкими зернами клинопироксена составляют ксенолит гигантозернистых эклогитов из кимберлитов трубки Обнаженная, Якутия. Омфацит обладает специфическим составом: в нем содержится значительное количество Na и Al. Присутствие омфацита в породе является признаком, отличающим эклогиты от похожих на них гранатовых пироксенитов.

Образец 91994 Омфацит

Крупное (3,5 см), ярко-зеленое, трещиноватое зерно клинопироксена - хромдиопсида Ca(Mg,Cr)Si2O6 в кимберлитах трубки Второгодница, Якутия. Цвет минерала обусловлен наличием хрома в его составе. Ксенолит мантийной породы, в которой содержался хромдиопсид, был захвачен и растворен (ассимилирован) кимберлитовой магмой, но зерно хромдиопсида оказалось достаточно устойчивым и сохранилось в кимберлите в виде ксенокриста (мегакриста) - «чужого кристалла».

Образец 61581 Хромдиопсид

Гранаты составляют большую группу минералов. Для пород верхней мантии характерен гранат альмандин-пироп (Mg,Fe²⁺)₃Al₂(SiO₄)₃, в составе которого пироповый компонент (Mg₃Al₂(SiO₄)₃ достигает 70% (такие гранаты часто называют просто пиропами). Мантийный гранат нередко содержит небольшую примесь Ca и Cr; последний придает гранату глубокую малиново-красную окраску. Обычно содержание хрома в гранате растет с глубиной его формирования. Поэтому в наиболее глубинных породах верхней мантии, содержащих алмазы, часто присутствует и высокохромистый гранат (эту разновидность граната называют кноррингит). В перидотитах гранат может составлять 10-15% породы, в эклогитах его количество может превышать 50%.

Зерна пиропа Mg3Al2(SiO4)3 (до 0,5 см) - оранжевые, ярко-розовые, красные прозрачные до черных непрозрачных, извлеченные из пород трубки Мир, Якутия.
	Образец 83976 Пироп

	Крупные (до 3,5 см), прозрачные, трещиноватые фрагменты мегакристов темно оранжево-красного альмандин-пиропа (Mg,Fe2+)3Al2(SiO4)3 со следами растворения. Из щелочных базальтов диатремы (трубки взрыва) Шаварын-Царам, Монголия.
Образец 82557 Пироп

Овальный непрозрачный ксенокрист пиропа Mg3Al2(SiO4)3 (3 см) красного цвета с заметной темной внешней каймой, в кимберлитах трубки им. Гриба, Архангельская область.
	Образец М32096 Пироп

Зерна ярко-малинового, трещиноватого, прозрачного Cr-пиропа в ксенолите гранатовых лерцолитов, захваченных кимберлитовым расплавом. В состав лерцолитов входят также заметно серпентинизированный оливин с отдельными хорошо сохранившимися прозрачными светло-зелеными фрагментами зерен ортопироксена, отдельные мелкие зерна Cr-диопсида и шпинели MgAl2O4. Фрагмент нодуля с небольшим участком кимберлитов из трубки Обнаженная, Якутия. На выставке представлен также большой шлиф этих пород.

Образец 83981 Пироп

Увеличенный фрагмент предыдущего образца гранатовых лерцолитов, ширина поля зрения 30мм.
	Образец 83981 Пироп

Зерно Cr-пиропа из предыдущего образца под микроскопом: 1) - в проходящем свете (ширина поля зрения 5мм); 2) - в поляризованном свете (ширина поля зрения 3мм). Хорошо заметны ориентированные, напоминающие тончайшие иглы кристаллы минерала рутила TiO₂, образующие сетку внутри зерна пиропа. Изначально в состав пиропа в небольших количествах входил Ti; такой состав был устойчив при высоких температурах. При постепенном снижении температуры атомы Ti успели перегруппироваться и выделиться в самостоятельную фазу. Произошел так называемый распад твердого раствора: из пиропа (минерала-хозяина) выделились иголочки рутила (ламели распада).

1)	2)

Ильменит входит в отдельную группу минералов — оксидов переменного состава. Для пород верхней мантии характерна высокомагнезиальная разновидность ильменита — пикроильменит (Fe²⁺,Mg)(TiO₃)₂. Этот минерал присутствует в породах в виде отдельных небольших зерен, часто каплевидной формы, а иногда встречается в виде желваков — округлых ксенолитов в кимберлитовой магме.

Желвак, практически полностью состоящий из черного пикроильменита (Fe2+,Mg)(TiO3)2, из кимберлитов трубки Дальняя, Якутия. Пикроильменит содержит включения (до 1 см) неправильной формы, округлых очертаний, зеленого цвета (предположительно, серпентинизированный оливин).
	Образец 65171 Ильменит

Образец ОП2343 Ильменит

Черный пикроильменит (Fe²⁺,Mg)(TiO₃)₂ находится в закономерном срастании с сильно измененным светлым клинопироксеном — диопсидом CaMg[Si2O6]. Такие срастания называют графическими или письменными, так как темный минерал на светлом фоне напоминает клинопись или древние руны. Эти срастания — результат распада первичного клинопироксена с высоким содержанием Ti. С понижением температуры Ti выделился в самостоятельную фазу, образовав пластинки пикроильменита, закономерно ориентированные в кристалле клинопироксена. Новообразованного вещества не хватило для формирования целых полногранных кристаллов, образовались только отдельные грани — так называемые скелетные формы. Этот редкий ксенолит размером всего 2,5 см был найден в кимберлитах трубки Сытыканская, Якутия. Согласно исследованиям, первичный, богатый Ti клинопироксен образовался в верхней мантии и был устойчив на глубинах порядка 200 км при температурах более 1270°С. Постепенное перемещение клинопироксена в более высокие горизонты сопровождалось понижением температуры и давления. Распад первичного клинопироксена произошел при 1150°С. Подробно прочитать об этом можно в статье: А.И. Пономаренко «Происхождение ильменит-клинопироксеновых сростков (ксенолиты из кимберлитовых трубок)». ДАН, том 235, №5, 1977г.

Увеличенный фрагмент предыдущего образца, ширина поля зрения 13мм.

Алмаз С — один из наиболее редких и ценных минералов, он обладает целым рядом уникальных свойств. Главным условием образования алмаза является высокое давление более 40000 атмосфер, которое достигается на глубинах от 160 км и ниже. В таких условиях атомы углерода собираются в плотную кубическую кристаллическую решётку — собственно алмаз. Строение кристалла алмаза обуславливает его главные свойства: высочайшую среди минералов твёрдость, наиболее высокую среди твёрдых тел теплопроводность, особые оптические свойства — высокий показатель преломления и сильную дисперсию, что придает минералу яркий блеск и разноцветную игру света в огранке - бриллианте. Алмазы занимают среди источников информации о мантии особое место. Именно в алмазах в виде включений установлены самые глубинные минералы, которые, возможно, происходят даже из нижней мантии. В таком случае эти алмазы представляют собой самые глубокие фрагменты Земли, доступные непосредственному изучению.

	Бесцветный, прозрачный сложный двойник алмаза со ступенчатыми гранями, ксенокрист в кимберлитах трубки Мир, Якутия.
Образец 84707 Алмаз

Особенности химического и минерального состава пород верхней мантии, характер структуры этих пород, наличие деформаций и изменений первичных минералов является важной информацией о состоянии вещества и процессах, протекающих на разных горизонтах верхней мантии. Присутствие некоторых минералов в составе мантийных пород является надежным показателем их глубинности. Хорошо изучены особенности наиболее распространенных пород верхней мантии — перидотитов.

Образец сравнительно свежего неравномернозернистого перидотита из рифтовой долины Срединно-океанического хребта (СОХ), Центральная Атлантика. Порода состоит из темного серо-зеленого ортопироксена и оливково-зеленых до зеленых, прозрачных зерен оливина (до 2 см), разбитых системой параллельных трещин с развитым по ним темным серпентином с примесью магнетита. Образец поднят со дна океана, где мантийные породы выходят на поверхность, при помощи специального устройства — драги во время одной из морских научных экспедиций Академии наук РАН.

Образец 92007 Форстерит

Образец плагиоклазового лерцолита из офиолитов — реликтов древней океанической коры, тектонически перемещенных на окраины материков. Образец был найден на массиве Сьеницкий Озрен, Главный офиолитовый пояс Динарид, Сербия. Порода состоит преимущественно из слабо серпентинизированного мелкозернистого оливина с зернами орто- и клинопироксенов. В породе присутствует плагиоклаз (Na,Ca)Al(Al,Si)Si2O8 в виде цепочек зерен размером около 1 мм и мелкие зерна Cr-шпинели. Наличие плагиоклаза характерно для пород верхних горизонтов верхней мантии: он устойчив до глубин около 40 км.

Образец 97212 Плагиоклазовый лерцолит

Фото шлифа предыдущего образца под микроскопом в поляризованном свете: плагиоклаз - цепочка зерен с полисинтетическими двойниками (закономерными параллельными срастаниями множества микроскопически тонких пластинок) в окружении зерен оливина.

Фрагмент ксенолита шпинелевого лерцолита в щелочных базальтах Витимского вулкана, Иркутская область. Лерцолит состоит из светло-зеленых, прозрачных, практически свежих зерен оливина (до 0,5 см), ярко-зеленого Cr-диопсида, темного бутылочно-зеленого энстатита и отдельных темных зерен шпинели MgAl2O4. Шпинель устойчива на глубинах от 40 до 100 км, т.е. эти породы сформировались в условиях верхней мантии в указанном диапазоне глубин.

Образец 92006 Форстерит, энстатит, шпинель

Фрагмент ксенолита крупнозернистого гранатового перидотита из кимберлитов трубки Обнаженная, Якутия. Перидотит состоит из крупных (до 1 см) светло-зеленых полупрозрачных трещиноватых зерен оливина, с развитыми по трещинам и вокруг зерен тонкими темными каймами (серпентин с магнетитом), малиновых зерен пиропа и мелких редких ярко-зеленых зерен предположительно хромдиопсида. Примерно половину образца составляет вмещающая порода — кимберлит. Гранат устойчив в широком диапазоне глубин — от верхних горизонтов верхней мантии, для которых характерен пироп Mg3Al2(SiO4)3, до почти 700 км под поверхностью земли. С глубиной пироп превращается в мейджорит Mg3(MgSi)(SiO4)3 — гранат особого состава, в котором часть Si в структуре находится на позиции, характерной для трехвалентных компонентов. Мейджорит устойчив в условиях ультравысоких давлений (в нижних горизонтах верхней и в средней мантии).

Образец 76576 Оливин

Фрагмент нодуля овальной формы серпентинизированного среднезернистого гранатового лерцолита из кимберлитов трубки Мир, Якутия. Лерцолит состоит из ярко-малиновых прозрачных зерен пиропа, заметно серпентинизированного оливина - Fe-форстерита, темно-зеленого ортопироксена и ярко-зеленого Cr-диопсида. По периметру нодуля заметна реакционная зона (2-3 мм), присутствуют небольшие участки вмещающих пород. Определен возраст лерцолита: 1,7 млрд. лет (Rb-Sr и Sm-Nd методы). Подробно прочитать об этом можно в статье: А.З. Журавлев, Е.Е. Лазько, А.И. Пономаренко «Радиогенные изотопы и редкоземельные элементы в минералах ксенолитов гранатовых перидотитов из кимберлитовой трубки Мир (Якутия)», «Геохимия», №7, 1991г.

Образец 92004 Пироп

Фрагмент нодуля серпентинизированного гранатового лерцолита из кимберлитов трубки Удачная, Якутия. Лерцолит состоит из округлых (до 1 см) ярко-малиновых зерен пиропа, небольших зеленоватых зерен пироксенов и интенсивно серпентинизированного оливина. Зерна пиропа представляют собой овальные вкрапленники — порфирокласты, заметно отличающиеся размерами и формой от остальных минералов в породе, испытавшие давление и дробление. Такая структура пород называется порфирокластической. По периметру нодуля заметна реакционная зона (~0,5 см). На выставке представлен также большой шлиф.

Образец М32004 Пироп

	Фрагмент ксенолита серпентинизированного гранатового перидотита из кимберлитов трубки Удачная, Якутия. Перидотит состоит из округлых (до 0,5 см), трещиноватых, прозрачных, ярко-малиновых зерен пиропа, мелких, частично измененных ярко-зеленых зерен пироксена и почти полностью серпентинизированного оливина. Местами по периметру ксенолита сохранилась заметная реакционная зона (~1 см).
Образец 84004 Пироп

Фрагмент ксенолита крупнозернистого гранатового гарцбургита из кимберлитов трубки Обнаженная, Якутия. Гарцбургит состоит из светло-оливковых, прозрачных, трещиноватых зерен оливина, темного серо-зеленого ортопироксена, редких отдельных зерен ярко-зеленого клинопироксена, розового граната и шпинели. Гарцбургиты такого состава весьма редки.
	Образец 92001 Форстерит

Пироксениты — породы, содержащие более 60% пироксенов (орто-, клинопироксена или их комбинации). В качестве породообразующих минералов в пироксенитах могут присутствовать оливин и гранат обычно альмандин-пиропового ряда, в меньших количествах - шпинель, плагиоклаз. Как породы верхней мантии, встречаются существенно реже, чем перидотиты.

Фрагмент нодуля среднезернистого гранатового пироксенита из кимберлитов трубки Мир, Якутия. Форма нодуля близка к овальной, сохранился фрагмент вмещающих пород. Пироксенит состоит из коричнево-зеленых, полупрозрачных трещиноватых до частично измененных золотистых непрозрачных зерен энстатита (до 0,5 см), мелких красных зерен альмандин-пиропа и ярко-зеленых зерен Al-диопсида. По периметру нодуля заметная реакционная зона (~1 см).

Образец 83965 Энстатит

Фрагмент ксенолита крупнозернистого гранатового пироксенита в кимберлитах трубки Чомур, Якутия. Пироксенит состоит из розово-фиолетовых, прозрачных, трещиноватых зерен пиропа (до 1 см), ярко-зеленого Cr-диопсида и частично измененного темно-зеленого до золотистого энстатита. Ксенолит находится во вмещающей породе, местами на контакте заметна реакционная кайма.
	Образец 63779 Пироп

Эклогиты — породы, состоящие из граната альмандин-пиропового ряда (до 60%) и омфацита — клинопироксена, в составе которого присутствует значительное количество Na и Al. Второстепенные минералы эклогитов - оливин, ортопироксен (энстатит), кианит, рутил. Известны редкие алмазоносные эклогиты; особый интерес представляют эклогиты, содержащие коэсит.
Существует представление, что эклогиты образуются из обычных вулканических пород (базальтов), которые вместе с океанической литосферой в зоне субдукции погружаются в мантию. Под воздействием высоких давлений и температур базальты преобразуются (метаморфизуются) в эклогиты - самые плотные из всех распространенных горных пород.

	Фрагмент ксенолита эклогита из кимберлитов трубки Мир, Якутия. Эклогит состоит из розово-красных, прозрачных, трещиноватых зерен Сa-альмандин-пиропа (до 0,8 см), темно-зеленых, прозрачных, трещиноватых, слабо измененных зерен омфацита и множества мелких зерен сульфидов. Сохранился небольшой участок вмещающих пород.
Образец 92003 Пироп

Увеличенный фрагмент предыдущего образца эклогита, ширина поля зрения 40мм.

Фрагмент нодуля гигантозернистого эклогита из кимберлитов трубки Обнаженная, Якутия. Эклогит состоит из красно-розовых, трещиноватых, прозрачных зерен Ca-альмандин-пиропа (до 1,5 см) с массой ориентированных иголочек рутила (ламели распада) и из крупных (до 3 см) темно-зеленых зерен клинопироксена - омфацита с массой ориентированных пластинок пикроильменита (ламели распада). В породе присутствуют отдельные мелкие зерна пирротина Fe1-xS с развивающимся по ним редким минералом джерфишеритом K6Na(Fe,Cu,Ni)24S26Cl.

Образец 92003 Пироп

В природе крайне редко встречаются минералы, не содержащие примесей, чей состав соответствует теоретической химической формуле. Приведем реальный состав минералов описанного образца, полученный с помощью электронно-зондового анализа:
Гранат: (Mg_2.19Fe²⁺_0.36Ca_0.34Fe³⁺_0.09Mn_0.02)(Al_1.87Fe³⁺_0.08Cr_0.04Ti_0.01)[(Si_2.90Al_0.10)O₁₂]
Клинопироксен: (Ca_0.72Na_0.23Mg_0.05)(Mg_0.71Al_0.20Fe³⁺_0.06Ti_0.02Cr_0.01)[(Si_1.89Al_0.11)O₆]

Фрагмент ксенолита оливинового эклогита в кимберлитах трубки Мир, Якутия. Порода состоит из темно-зеленых, трещиноватых, слабо измененных, местами прозрачных зерен омфацита (до 1,5 см), густо-красных, трещиноватых, прозрачных зерен альмандин-пиропа, окруженных тонкими темными каймами, и желтовато-коричневых, практически полностью замещенных глинистым минералом (корренситом) зерен оливина. Гранат содержит небольшие включения омфацита.

Образец 83970 Энстатит

	Фрагмент ксенолита энстатитового эклогита из кимберлитов трубки Обнаженная, Якутия. Эклогит состоит из ярко-красных, прозрачных, трещиноватых зерен альмандин-пиропа, темно-зеленого омфацита и оливкового Fe-энстатита. В гранате присутствуют ориентированные иглы рутила (ламели распада), в пироксенах — пластинки пикроильменита (ламели распада).
Образец 61576 Пироп

Фрагмент ксенолита крупнозернистого энстатитового эклогита из кимберлитов трубки Мир, Якутия. Порода состоит из ярко-зеленых зерен Cr-омфацита, ярко-красных, округлых с тонкой темной каймой зерен альмандин-пиропа и золотисто-коричневых зерен интенсивно измененного энстатита.
	Образец 83968 Диопсид

Крайне редко среди мантийных ксенолитов из кимберлитов встречаются так называемые высокоглиноземистые эклогиты: составляющие их минералы содержат Al. В таких эклогитах, помимо альмандин-пиропа и омфацита, присутствует заметное количество минерала кианита Al₂SiO₅.

Фрагмент ксенолита кианитового эклогита (гроспидита) из кимберлитов трубки Удачная, Якутия. Порода состоит из сильно трещиноватых оранжево-коричневых зерен граната, окруженных темными каймами, омфацита, практически полностью замещенного беловатым фарфоровидным веществом, голубого кианита (до 4 мм), с разной степенью интенсивности замещенного белыми волокнистыми агрегатами муллита Al6Si2O13 и корунда Al2O3. Породы характеризуются широким развитием вторичных минералов. Подробнее об этом можно прочитать в статье: А.И. Пономаренко «Переход кианита — Al2SiO5 в корунд — Al2O3 + SiO2», ДАН, т.303, №6, 1988г.

Образец 84008 Муллит

Увеличенный фрагмент предыдущего образца, ширина поля зрения 18мм.

Увеличенный фрагмент ксенолита коэсит-кианитового эклогита из кимберлитов трубки Удачная, Якутия, ширина поля зрения 15мм. Порода состоит из сильно трещиноватых зерен бурого граната, омфацита, практически полностью замещенного беловатым фарфоровидным веществом и бледно-голубого, частично измененного кианита. Зерна граната содержат единичные включения бесцветных овальных зерен редкого минерала коэсита SiO2 (до 0,3мм), частично замещенных кварцем (коэсит указан стрелкой). Состав коэсита такой же, как у кварца, но коэсит обладает более плотной структурой, так как образуется при очень высоких давлениях. При изменении условий при подъеме пород к поверхности коэсит преобразуется в кварц. Породы характеризуются псевдополосчатой структурой и широким развитием вторичных минералов. Подробнее об этом можно прочитать в статье: А.И. Пономаренко, З.В. Специус, В.А. Любушкин «Кианитовый эклогит с коэситом», ДАН, т. 236, №1, 1977г.

Образец 83999 Коэсит