gtcrustГеодинамика и тектонофизикаGeodynamics & Tectonophysics2078-502XInstitute of the Earth's crust of the Russian Academy of Sciences, Siberian Branch10.5800/GT-2022-13-4-0662gtcrust-1557Research ArticleПАЛЕОГЕОДИНАМИКАPALEOGEODYNAMICSЩЕЛОЧЕСОДЕРЖАЩИЕ МИНЕРАЛЫ ИЗ РАСПЛАВНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ОЛИВИНАХ МАНТИЙНЫХ КСЕНОЛИТОВ ИЗ КИМБЕРЛИТОВ ТРУБКИ БУЛТФОНТЕЙН (КРАТОН КААПВААЛЬ): СВИДЕТЕЛЬСТВО ВЫСОКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЩЕЛОЧЕЙ В КИМБЕРЛИТОВЫХ РАСПЛАВАХALKALI-CONTAINING MINERALS WITHIN MELT INCLUSIONS IN OLIVINE OF MANTLE XENOLITHS FROM BULTFONTEIN KIMBERLITE PIPE (KAAPVAAL CRATON): EVIDENCE ON HIGH CONCENTRATIONS OF ALKALIS IN KIMBERLITE MELTSТарасовА. А.TarasovA. A.

630090, Новосибирск, пр-т Академика Коптюга, 3

630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 1

3 Academician Koptyug Ave, Novosibirsk 630090

1 Pirogov St, Novosibirsk 630090

ГоловинА. В.GolovinA. V.

630090, Новосибирск, пр-т Академика Коптюга, 3

3 Academician Koptyug Ave, Novosibirsk 630090

ШарыгинИ. С.SharyginI. S.

664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 128

128 Lermontov St, Irkutsk 664033

Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН; Новосибирский государственный университетРоссияSobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State UniversityRussian FederationИнститут геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАНРоссияSobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут земной коры СО РАНРоссияInstitute of the Earth’s Crust, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202212102022134662662Copyright © Тарасов А.А., Головин А.В., Шарыгин И.С., 20222022Тарасов А.А., Головин А.В., Шарыгин И.С.Tarasov A.A., Golovin A.V., Sharygin I.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gt-crust.ru/jour/article/view/1557

Приведены результаты изучения дочерней минеральной ассоциации вторичных раскристаллизованных расплавных включений в оливинах ксенолитов деформированных перидотитов из кимберлитов трубки Бултфонтейн (кратон Каапвааль, Южная Африка). Включения в таком типе ксенолитов по составу могут соответствовать примитивным кимберлитовым жидкостям, непосредственно связанным с магматизмом, сформировавшим трубку Бултфонтейн. Среди 32 идентифицированных во включениях дочерних фаз были выявлены как обычные породообразующие и второстепенные для кимберлитов минералы (силикаты, карбонаты, оксиды), так и «экзотические» для этих пород щелочные карбонаты, сульфаты и хлориды. Во включениях диагностировано 20 щелочесодержащих минералов, из которых 12 являются Na-содержащими и 4 – Na-K-содержащими. В частности, во включениях присутствуют ньеререит, К-ньеререит, шортит, грегориит, эйтелит, брэдлиит, нортупит, тихит, беркеит, афтиталит, арканит, тенардит, сильвин и галит. Согласно полученным результатам, кимберлитовый расплав трубки Бултфонтейн, вероятно, имел Na-спецификацию, а не Ca или K. Карбонаты, сульфаты и хлориды существенно преобладают над силикатами во включениях, содержание которых (серпентин + слюды) не превышает 16 об. %.

Полученные результаты ставят ряд фундаментальных вопросов в отношении петрогенезиса кимберлитов, в том числе: 1) о первоначальных концентрациях натрия как в кимберлитовых расплавах, так и в породах, которые «традиционно» считаются очень низкими; 2) о составе и соотношении летучих компонентов в кимберлитовых магмах, а именно о первоначальных содержаниях не только СO2, но и таких компонентов, как Сl, SO3 и H2O; 3) о первично-магматической минеральной ассоциации кимберлитовых пород, которая в результате серпентинизации, за исключением слюд, теряет подавляющую часть щелочесодержащих минералов.

The study reports the mineral assemblage of the crystallized secondary melt inclusions in the olivine of sheared peridotites xenoliths from Bultfontein kimberlite pipe (Kaapvaal Craton, South Africa). In this type of xenoliths, the inclusions may correspond in composition to primitive kimberlite melts related to the magmatism that formed the Bultfontein pipe. Among 32 daughter phases within the inclusions, there are both ordinary rock-forming and minor minerals for kimberlites (silicates, carbonates, oxides) and "exotic" (alkali carbonates, sulfates, and chlorides) for these rocks. In the inclusions, 20 alkali-containing minerals are present, 12 of which are Na-bearing and – 4 Na-K-bearing. For instance, the inclusions contain nyerereite, K-nyerereite, shortite, gregoryite, eitelite, bradleyite, northupite, tychite, burkeite, aphthitalite, arcanite, thenardite, sylvine, and halite. On the basis of these results, the kimberlite melt of the Bultfontein pipe had Na-specification rather than Ca or K ones. The carbonates, sulfates, and chlorides significantly prevail over silicates, which content (serpentine + micas) does not exceed 16 vol. %, in the inclusions.

The obtained results pose fundamental questions regarding the petrogenesis of kimberlites: (i) initial sodium concentrations in kimberlite melts and rocks, which are "traditionally" considered as very low; (ii) composition and ratio of volatile components in kimberlite magmas, namely, the initial contents of both CO2 and the components such as Cl, SO3 and H2O; (iii) primary magmatic mineral association of kimberlite rocks, which loses diverse alkali-containing minerals, but mica, due to serpentinization process.

мантийные ксенолитыкимберлитырасплавные включениящелочные карбонатысостав примитивных расплавовmantle xenolithskimberlitesmelt inclusionsalkali carbonatescomposition of primitive meltsИсследование выполнено по государственному заданию ИГМ СО РАН и ИЗК СО РАН и при финансовой поддержке РФФИ (проект № 20-35-70058). В работе задействовалось оборудование ЦКП «Геодинамика и геохронология» ИЗК СО РАН в рамках гранта № 075-15-2021-682 и ЦКП «Многоэлементных и изотопных исследований» ИГМ СО РАН.The study was carried out as part of state assignment of IGM SB RAS and IEC SB RAS and with financial support from RFBR (project 20-35-70058). We used equipment of the Analytical Center for Multi-Elemental and Isotope Research SB RAS (IGM SB RAS) and the Shared Research Facilities "Geodynamics and Geochronology" at the IEC SB RAS (grant 075-15-2021-682).ReferencesBrett R.C., Russell J.K., Andrews G.D.M., Jones T.J., 2015. The Ascent of Kimberlite: Insights from Olivine. Earth and Planetary Science Letters 424, 119–131. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2015.05.024.Brett R.C., Russell J.K., Andrews G.D.M., Jones T.J., 2015. The Ascent of Kimberlite: Insights from Olivine. Earth and Planetary Science Letters 424, 119–131. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2015.05.024.Giuliani A., Soltys A., Phillips D., Kamenetsky V.S., Maas R., Goemann K., Woodhead J.D., Drysdale R.N., Griffin W.L., 2017. The Final Stages of Kimberlite Petrogenesis: Petrography, Mineral Chemistry, Melt Inclusions and Sr-C-O Isotope Geochemistry of the Bultfontein Kimberlite (Kimberley, South Africa). Chemical Geology 455, 342–356. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2016.10.011.Giuliani A., Soltys A., Phillips D., Kamenetsky V.S., Maas R., Goemann K., Woodhead J.D., Drysdale R.N., Griffin W.L., 2017. The Final Stages of Kimberlite Petrogenesis: Petrography, Mineral Chemistry, Melt Inclusions and Sr-C-O Isotope Geochemistry of the Bultfontein Kimberlite (Kimberley, South Africa). Chemical Geology 455, 342–356. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2016.10.011.Golovin A.V., Sharygin I.S., Kamenetsky V.S., Korsakov A.V., Yaxley G.M., 2018. Alkali-Carbonate Melts from the Base of Cratonic Lithospheric Mantle: Links to Kimberlites. Chemical Geology 483, 261–274. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2018.02.016.Golovin A.V., Sharygin I.S., Kamenetsky V.S., Korsakov A.V., Yaxley G.M., 2018. Alkali-Carbonate Melts from the Base of Cratonic Lithospheric Mantle: Links to Kimberlites. Chemical Geology 483, 261–274. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2018.02.016.Golovin A.V., Sharygin I.S., Korsakov A.V., Kamenetsky V.S., Abersteiner A., 2020. Can Primitive Kimberlite Melts Be Alkali‐Carbonate Liquids: Composition of the Melt Snapshots Preserved in Deepest Mantle Xenoliths. Journal of Raman Spectroscopy 51 (9), 1849–1867. https://doi.org/10.1002/jrs.5701.Golovin A.V., Sharygin I.S., Korsakov A.V., Kamenetsky V.S., Abersteiner A., 2020. Can Primitive Kimberlite Melts Be Alkali‐Carbonate Liquids: Composition of the Melt Snapshots Preserved in Deepest Mantle Xenoliths. Journal of Raman Spectroscopy 51 (9), 1849–1867. https://doi.org/10.1002/jrs.5701.Kamenetsky V.S., Kamenetsky M.B., Golovin A.V., Sharygin V.V., Maas R., 2012. Ultrafresh Salty Kimberlite of the Udachnaya–East Pipe (Yakutia, Russia): A Petrological Oddity or Fortuitous Discovery. Lithos 152, 173–186. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2012.04.032.Kamenetsky V.S., Kamenetsky M.B., Golovin A.V., Sharygin V.V., Maas R., 2012. Ultrafresh Salty Kimberlite of the Udachnaya–East Pipe (Yakutia, Russia): A Petrological Oddity or Fortuitous Discovery. Lithos 152, 173–186. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2012.04.032.Liu Z., Ionov D.A., Nimis P., Xu Y., He P., Golovin A.V., 2022. Thermal and Compositional Anomalies in a Detailed Xenolith-Based Lithospheric Mantle Profile of the Siberian Craton and the Origin of Seismic Midlithosphere Discontinuities. Geology 50 (8), 891–896. https://doi.org/10.1130/G49947.1.Liu Z., Ionov D.A., Nimis P., Xu Y., He P., Golovin A.V., 2022. Thermal and Compositional Anomalies in a Detailed Xenolith-Based Lithospheric Mantle Profile of the Siberian Craton and the Origin of Seismic Midlithosphere Discontinuities. Geology 50 (8), 891–896. https://doi.org/10.1130/G49947.1.Logvinova A., Zedgenizov D., Wirth R., 2019. Specific Multiphase Assemblages of Carbonatitic and Al-Rich Silicic Diamond-Forming Fluids/Melts: TEM Observation of Microinclusions in Cuboid Diamonds from the Placers of Northeastern Siberian Craton. Minerals 9 (1), 50. https://doi.org/10.3390/min9010050.Logvinova A., Zedgenizov D., Wirth R., 2019. Specific Multiphase Assemblages of Carbonatitic and Al-Rich Silicic Diamond-Forming Fluids/Melts: TEM Observation of Microinclusions in Cuboid Diamonds from the Placers of Northeastern Siberian Craton. Minerals 9 (1), 50. https://doi.org/10.3390/min9010050.Mercier J.-C.C., 1979. Peridotite Xenoliths and the Dynamics of Kimberlite Intrusion. In: F.R. Boyd, H.O.A. Meyer (Eds), The Mantle Sample: Inclusion in Kimberlites and Other Volcanics. Vol. 16. American Geophysical Union, p. 197–212. https://doi.org/10.1029/SP016p0197.Mercier J.-C.C., 1979. Peridotite Xenoliths and the Dynamics of Kimberlite Intrusion. In: F.R. Boyd, H.O.A. Meyer (Eds), The Mantle Sample: Inclusion in Kimberlites and Other Volcanics. Vol. 16. American Geophysical Union, p. 197–212. https://doi.org/10.1029/SP016p0197.Mitchell R.H., Giuliani A., O’Brien H., 2019. What is a Kimberlite? Petrology and Mineralogy of Hypabyssal Kimberlites. Elements 15 (6), 381–386. https://doi.org/10.2138/gselements.15.6.381.Mitchell R.H., Giuliani A., O’Brien H., 2019. What is a Kimberlite? Petrology and Mineralogy of Hypabyssal Kimberlites. Elements 15 (6), 381–386. https://doi.org/10.2138/gselements.15.6.381.Nickel K.G., Green D.H., 1985. Empirical Geothermobarometry for Garnet Peridotites and Implications for the Nature of the Lithosphere, Kimberlites and Diamonds. Earth and Planetary Science Letters 73 (1), 158–170. https://doi.org/10.1016/0012-821X(85)90043-3.Nickel K.G., Green D.H., 1985. Empirical Geothermobarometry for Garnet Peridotites and Implications for the Nature of the Lithosphere, Kimberlites and Diamonds. Earth and Planetary Science Letters 73 (1), 158–170. https://doi.org/10.1016/0012-821X(85)90043-3.Taylor R.W., 1998. An Experimental Test of Some Geothermometer and Geobarometer Formulations for Upper Mantle Peridotites with Application to the Thermobarometry of Fertile Lherzolite and Garnet Websterite. Neues Jahrbuch für Mineralogie: Abhandlungen 172 (2–3), 381–408. https://doi.org/10.1127/njma/172/1998/381.Taylor R.W., 1998. An Experimental Test of Some Geothermometer and Geobarometer Formulations for Upper Mantle Peridotites with Application to the Thermobarometry of Fertile Lherzolite and Garnet Websterite. Neues Jahrbuch für Mineralogie: Abhandlungen 172 (2–3), 381–408. https://doi.org/10.1127/njma/172/1998/381.Zaitsev A.N., Keller J., Spratt J., Perova E.N., Kearsley A., 2008. Nyerereite – Pirssonite – Calcite – Shortite Relationships in Altered Natrocarbonatites, Oldoinyo Lengai, Tanzania. The Canadian Mineralogist 46 (4), 843–860. https://doi.org/10.3749/canmin.46.4.843.Zaitsev A.N., Keller J., Spratt J., Perova E.N., Kearsley A., 2008. Nyerereite – Pirssonite – Calcite – Shortite Relationships in Altered Natrocarbonatites, Oldoinyo Lengai, Tanzania. The Canadian Mineralogist 46 (4), 843–860. https://doi.org/10.3749/canmin.46.4.843.Zedgenizov D.A., Rege S., Griffin W.L., Kagi H., Shatsky V.S., 2007. Composition of Trapped Fluids in Cuboid Fibrous Diamonds from the Udachnaya Kimberlite: LAM-ICPMS Analysis. Chemical Geology 240, 151–162. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2007.02.003.Zedgenizov D.A., Rege S., Griffin W.L., Kagi H., Shatsky V.S., 2007. Composition of Trapped Fluids in Cuboid Fibrous Diamonds from the Udachnaya Kimberlite: LAM-ICPMS Analysis. Chemical Geology 240, 151–162. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2007.02.003.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.