В июле нынешнего года сотрудники Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН провели экспедицию в отдаленные районы Восточного Памира. На высоте приблизительно пять тысяч метров исследователи искали признаки (минералы, флюидные и расплавные включения), которые позволят восстановить процессы частичного плавления, затрагивающие вещество земной коры на глубинах мантии. Кроме того, целью являлась оценка потенциала для выявления месторождений метаморфогенных алмазов.
Ранее полагали, что толщина континентальной коры не превышает 60 километров. Однако обнаружение коэсита (Дэвид Смит и Кристиан Шопен) и алмазов в горных породах (Николай Леонтьевич Добрецов, Николай Владимирович Соболев и Владислав Станиславович Шацкий) показало, что вещества, из которых она состоит, могут погружаться на глубину более 120 километров и вновь подниматься к поверхности. Такие находки типичны для метаморфических комплексов, сформированных при сверхвысоком давлении (более 2,8 ГПа).
«Погружение горных пород в земной коре сопровождается выделением и обособлением флюидов (переносящих калий, рубидий, цезий, стронций, барий), а при более высоких температурах и давлениях – частичным плавлением, разделением и миграцией расплавов, которые модифицируют состав пород мантии. Данные процессы изучены недостаточно», – сообщил руководитель лаборатории теоретических и экспериментальных исследований высокобарического минералообразования ИГМ СО РАН, доктор геолого-минералогических наук Андрей Викторович Корсаков.
Согласно современным оценкам, около 80% вещества земной коры безвозвратно теряется в мантии. Этот процесс не охватывает всю планету, а наблюдается в определенных местах, таких как зоны субдукции, где одна тектоническая плита погружается под другую.
Метаморфические породы, сформированные при сверхвысоком давлении, появляются на поверхности Земли в процессе подъема. Этот подъем обычно занимает несколько миллионов лет. Если сравнивать с геологическими масштабами, это достаточно высокие скорости, однако за это время в поднимающихся породах успевает произойти существенное изменение первичных минеральных соединений и их замена на более поздние. Тем не менее, в исключительных случаях породы могут быть подняты на поверхность Земли всего за несколько дней, посредством взрывных извержений, в виде ксенолитов из мантийных глубин. На местах таких извержений могут формироваться трубки взрыва (диатремы) — трубообразные каналы в земной коре, заполненные вулканическим материалом и фрагментами пород, захваченными во время подъема.
Горы Восточного Памира – один из регионов, где можно обнаружить свидетельства вулканических извержений. В этом районе зафиксировано несколько признаков труб взрыва, что указывает на высокую вероятность нахождения метаморфических пород. Это фрагменты земной коры, которые оказались в мантии и, подвергшись воздействию высоких давлений, температур и взаимодействию с мантийным веществом, выбрались на поверхность, практически не изменившись при быстром подъеме. С целью поиска и изучения таких пород летом 2025 года Институт геологии и минералогии СО РАН организовал экспедицию на Памир.
«Благодаря поддержке Российского научного фонда, в ходе исследования уникальных горных пород, встречающихся пока только на Памире, мы стремились воссоздать процессы частичного плавления, затрагивающие коровую оболочку на глубинах мантии. Данные процессы обуславливают ряд значимых геодинамических и геологических последствий. В том числе, именно они являются причиной образования разнообразных месторождений полезных ископаемых», — сообщил Андрей Корсаков.
Одной из задач, поставленных перед исследователями в ходе экспедиции, было определение возможности существования месторождений метаморфогенных алмазов на Памире. Алмаз представляет собой не только ценный минерал, но и служит показателем ультравысоких давлений. Он формируется из углерода, причем в процессе преобразования органического вещества сначала образуется графит. По мере его погружения в мантию температура и давление возрастают, и графит, взаимодействуя с флюидами или расплавами, начинает превращаться в алмаз. Обнаружение даже небольшого кристаллического включения алмаза в породе может свидетельствовать о том, что она была вынесена из глубин не менее чем на 120 километров. Более того, алмаз, в отличие от большинства метаморфогенных пород и минералов, которые быстро разрушаются на поверхности под воздействием снижения температуры и давления, обладает устойчивостью к таким изменениям и способен предоставить геологам ценные сведения об условиях его формирования.
Иногда наличие этого минерала в исследуемых образцах не обусловлено естественными процессами формирования алмазов. Практически на всех этапах отбора и подготовки образцов применяются инструменты, содержащие алмазы (буровые коронки, отрезные диски и шлифовальные порошки), которые способны стать причиной загрязнения. Каждый раз, когда геологи находят частичку алмаза, возникает вопрос об ее происхождении: является ли это природный минерал или он попал в материал во время пробоподготовки? Подобные кристаллы обнаруживались и в образцах из Памира. Сибирские геологи, имеющие большой опыт работы с комплексами сверхвысокого давления, стремились убедиться в наличии или отсутствии там метаморфогенных алмазов.
«Наши выводы оказались отрицательными. Безусловно, предоставить абсолютную уверенность невозможно, однако все имеющиеся признаки указывают на то, что метаморфогенные алмазы вряд ли могли там сформироваться: глубина, с которой поднялись исследуемые горные породы, была недостаточной. Некоторые особенности состава минералов-сопутников, например, состав граната, структура которого может содержать натрий, или примесь калия, который входит в структуру клинопероксена только при высоком давлении, необходимом для образования алмаза, могли бы свидетельствовать о глубинном происхождении минералов ксенолитов. Однако ни в одном из изученных образцов эти особенности состава не были выявлены. Кроме того, для появления алмаза требуется источник углерода: графит, карбонаты либо углекислота в исходном протолите (исходной, неметаморфизованной горной породе. — Прим. ред.) или сосуществующих в расплавах и флюидах. В трубках взрыва Восточного Памира графит был обнаружен исключительно в ксенолитах гранулитов, которые формируют менее глубинную часть разреза земной коры. Таким образом, рассчитывать на обнаружение там алмазов не приходится», — отметил Андрей Корсаков.
Экспедиция длилась почти месяц. Чтобы добраться из Душанбе до отдаленного, даже по местным стандартам, района, ученым пришлось преодолеть около тысячи километров по Памирскому тракту. В условиях возможных непредвиденных обстоятельств не всегда можно было рассчитывать на поддержку, поэтому для экспедиции арендовали два автомобиля. Благодаря опыту местных водителей и высокой проходимости транспортных средств, базовый лагерь удалось установить как можно ближе к местам исследований.
Лагерь был расположен на отметке 4200 метров над уровнем моря (уже для жителей равнинных районов это достаточно сложная высота из-за недостатка кислорода в воздухе), откуда ежедневно осуществлялись радиальные выходы к геотермальным трубкам. Исследователи преодолевали в одну сторону пять и более километров, набирая от 500 до 700 метров высоты, и однажды им пришлось работать на отметке свыше 5000 метров. На исследуемых объектах отбирались показательные образцы, которые вечером транспортировались в базовый лагерь, при этом каждый участник экспедиции нес на себе от 30 до 40 килограммов груза: для получения достоверных результатов требовалось собрать достаточно материала. В этот раз ученым удалось избежать некоторых трудностей, поскольку организацию быта полностью взяли на себя таджикские водители, и каждый вечер их встречали в базовом лагере с горячим и питательным ужином. «Это, в общем-то, не самая простая задача, поскольку на такой высоте вода закипает при температуре 85 градусов Цельсия, и приготовление ужина занимает продолжительное время», — подчеркивает Андрей Корсаков.
В результате было отобрано свыше 600 килограммов образцов. Они доставлены в Новосибирск, где в Институте геологии и минералогии СО РАН специалисты проведут распиловку, изготовят шлифы и начнут проводить подробные минералогические исследования.
«Перед нами поставлена задача изучения процессов частичного плавления литосферного материала. В большинстве пород, присутствующих в собранных ксенолитах, можно обнаружить стекловатые расплавные включения — расплав, который затвердел вследствие быстрого подъема. Необходимо определить, в каких минералах встречаются данные включения, как протекают процессы частичного плавления и какой состав имеют полученные расплавы. Главная цель нашего проекта, финансируемого грантом РНФ, заключается в реконструкции процессов минералообразования при высоком давлении, — подчеркнул Андрей Корсаков.
Работа выполняется по гранту Российского научного фонда (проект № 24-17-00164, посвященный исследованию плавления коренных пород при высоком давлении (~3 ГПа) и формированию различных типов расплавов в орогенных структурах»).
Материалы подготовлены Управлением СО РАН, занимающимся продвижением и освещением научных разработок