كيمبرليت­ها ( سنگ شناسی ، پتروژنز ، ژئوشیمی ، فراوانی و توزیع )

كيمبرليت­ها سنگهاي اولترمافيك آلكالن (معمولاً پتاسيك) كمياب هستند. اهميت اين سنگها بدین خاطر است كه آنها حاوی مجموعه اي از كانيهاي استثنائي و زينوليتها مي باشند كه در فشار بيشتر و در نتیجه در اعماق بيشتر تشكيل گرديده­اند. كيمبرليت­ها به واسطه داشتن الماس، از نظر اقتصادي نيز اهميت زيادي دارند. نام كيمبر ليت توسط لويس (1887) براي توصيف ميكاپريدوتيتهاي پرفيري الماس دار ناحيه كيمبرلي واقع در افريقاي جنوبي ابداع شد. كيمبر ليت­ها سنگهاي اولترمافيك نادر الماس داري هستند كه واجد مقادير متغيري زينوليت و زينوكريست مي­باشند. الماس كاني فرعي و نادر كيمبرلیتها است. حتي در انواع خيلي پر عيار، مقدار الماس در كيمبر ليتها در حدود يك پی­پی­ام  مي­باشد.

سنگ­شناسي كيمبرليتها، غيرعادي و پيچيده است زيرا اولاً كيمبرليت ها سنگهاي هيبريدي یا دورگه­ای خاصي هستند كه در آنها، كانيها، قطعات سنگي و مواد ماگمايي منجمد شده­اي يافت مي شوند كه در محيطهاي فيزيكوشيميايي مختلف تشكيل شده­اند و ثانياً تركيب مودال آنها بسيار متفاوت است. اليوين، كانيهاي گروه سرپانتين، فلوگوپيت، گارنت (عموماً پیروپ)، مونتيسليت، ايلمنيت منيزيم دار، كروميت آلومينيم ­منيزيم دار و پروسكيت كانيهايي هستند كه معمولاً در كيمبر ليت­ها يافت مي­شوند.

اخيراً كلمنت و همكاران (1984) واژه كيمبرليت را اين گونه تعريف كرده اند: "يك سنگ آذرين اولترابازيك، پتاسيك و غني از مواد فرّار كه به صورت پايپ­هاي آتشفشاني كوچك، دايك و سيل وجود دارد. اين سنگ داراي بافت دانه­اي ناهمسانی است كه خود حاصل حضور بلورهاي بسيار درشت در يك خميره ريز دانه است. اين خميره اساساً حاوي مواد زمينه­اي و فنوكريستي اوليه، اليوين و چند كاني ديگر نظير فلوگوپيت، كربناتها (عموماً كليست)، سرپانتين، كلينوپيروكسن و ديوپسيد)، مونتيسليت، آپاتيت، اسپينل­ها، پروسكيت و ايلمنيت است. بلورهاي درشت، كانيهاي بی­شكل آهن و منيزيم­داري هستند كه از گوشته مشتق شده و عبارتند از: اليوين ،فلوگوپيت، پيكروايلمنيت، اسپينل كروم دار، گارنت منيزيم دار، كلينوپيروكسن (عموماً ديوپسيد كروم دار) و ارتوپيروكسن (عموماً انستاتيت) مقدار اليوين بيشتر از ساير بلورهاي درشت (كه حضور تمام آنها در كيمبرليت الزامي نيست) است. معمولاً در اثر فرايندهاي دوتريك كه اصولاً شامل سرپانتيني­شدن و كربناتي­شدن است بلورهاي درشت و كانيهاي خميره نسبتاً قديمي­تر تجزيه مي­شوند. عموماً كيمبرليت­ها داراي زينوليت­هاي اولترامافيك مشتق شده از گوشته فوقاني و مقادير متغيري از زينوكريستها و زينوليتهاي پوسته­اي هستند. اليوين معمولاً  فراوانترين كاني کیمبرلیتها محسوب مي­گردد. اما به طور جزئي يا كامل با كانيهاي ثانويه­ای همچون كانيهاي گروه سرپانتين جانشين مي­شوند.

كيمبرليت ها به سه گروه زیر تقسيم می گردند:

الف)كيمبرليت­ها (به طور كلي)،   ب)كيمبرليت­هاي ميكايي   و ج)كيمبرليت­هاي آهكي.

اين تقسيم­بندي بر اساس مقدار اليوين، فلوگوپيت و كانيهاي كربناته پايه­گذاري شده است.بافت سنگهاي كيمبرليتي بطور معمول پرفيري يا پيروكلاستيك است. این سنگها  داراي مگاكريست­هايي هستند كه در زمينه­اي ريز دانه و متشكل از ميكروفنوكريستها قرار دارند. مگاكريستها شامل زينوكريست و فنوكريست بوده و عبارتند از: اليوين، فلوگوپيت، ايلمنيت منيزيم دار ،گارنت و پيروكسن.

اين كانيها معمولاً در زمينه­اي از كانيهاي گروه سرپانتين و يا كانيهاي كربناته و همچنين ميكروفنوكريست­هاي اكسيدهای آهن- تيتانیم، ميكاها، اسپينل­ها، پروسكيت، پيروكسن­ها، مونتيسليت و آپاتيت قرار دارند. سنگهاي دياترم­هاي كيمبرليتي عموماًً بافت ها و ساختهاي خرد شده و پيروكلاستيك دارند. در حالي كه سنگهاي كيمبرليتي موجود در دايك­ها وسيل­ها داراي بافت پرفيري معمولي هستند و حتي ممكن است داراي حاشيه انجماد سريع و ساختهاي جرياني باشند.مساحت تعدادي از دياترمهاي كيمبرليتي، بيش از يك كيلومتر مربع است و مساحت برخي از آنها كمتر از يك هكتار است. برخي داراي اشكال سطحي مدوّر هستند، در حالي كه انواع ديگر داراي اشكال طويل مي­باشند. در حالت سه بعدي، اغلب دياترمها، مخروطهاي معكوس و باريكي هستند كه با افزايش عمق به تدريج باریکتر مي­شوند. در اعماق زياد معمولأ دياترم­ها به صورت دايك در مي­آيند. سرانجام در برخي از دياترمها شواهدي وجود دارد كه نشان مي­دهد در نتيجه تزريقهاي متعدد بوجود آمده­اند. دياترمهاي كيمبرليتي عموماً به صورت خوشه­اي و مجموعه­ای از دايكها هستند. رخنمون تمام دايكها خطي نيست. اغلب دايكهاي كيمبرليتي، باريك(كمتراز 2متر عرض) اما طويل مي­باشند. سيل­هاي كيمبرليتي سنگهاي خروجي كمياب با تركيب كيمبرليتي هستند.

ژئو شيمي

تركيب عناصر اصلي اغلب سنگهاي خويشاوند كيمبرليت با سنگهاي اولترامافيك غني از اليوين خيلي شباهت دارد. ولي سنگهاي كيمبرليتي از K₂O , TiO­₂ , P₂O₅  غني هستند. در ميانگين كيمبرليتها عناصر ليتيوم، فلوئور، فسفر، پتاسيم، تيتانيم، روبيديم، استرونسيم، زيركنيم، نيوبيوم، قلع، باريم، پراسئوديميم، نئوديميم، ساماريم، یوروپيیم، گادولينيم، هافنيم، تانتاليموسربی، 10 تا100 برابر غني­تر است. در حالي­كه عناصر كربن، سزيم، لانتانيم، سريم، توريم و اورانيم در ميانگين كيمبرليت بيش از 100 برابر غني شده­اند.

بنابراين فراواني عناصر اصلي در خويشاوندان كيمبرليت با سنگهاي اولترامافيك غني از اليوين شبيه مي­باشد. اما فراواني عناصر ناسازگار بيشتر از ميانگين سنگهاي اولترامافيك است. در ميانگين تركيب شيميايي سنگهاي كيمبرليتي كه به صورت دايك و دياترم جايگزين گرديده­اند، اختلافات جزئي وجود دارد. معمولاً در دايكها، زينوليت­هاي با منشاء پوسته­اي كمترند ولي متشكّلين فرّار اوليه بيشتر مي­باشند در حالي كه در مواد كيمبرليتي دياترم­ها، معمولاً شواهدي مبني بر آن كه در حين انجماد، با آبهاي زيرزميني سطحي تلاقي كرده­اند، ديده مي­شود.

شکل 1 ) جدول تركيب شيميايي سنگهاي خويشاوندان كيمبرليت (درصد)

*آهن كل به صورت Fe ₂ O ₃ محاسبه شده است .

1- ميانگين تركيب شيميايي 623 كيمبرليت ياكوتيان(ايلوپين ولوتس، 1971). همچنين اين سنگ داراي 14/. درصد Cr₂O₃ و 28/. درصدS  است .

2- ميانگين تركيب شيميايي 25كيمبرليت لسوتو (اقتباس از ژورني وابراهيم 1973).در اين سنگ 17/.درصد Cr₂O₃ و 28/. د رصد S نيز وجود دارد .

3- ميانگين تركيب شيميايي 14 اتوليت كيمبرليتي از معدن الماس وسلتون در آفريقاي جنوبي (نقل از دانچين وهمكار 1975).همچنين اين سنگ حاوي 42 درصد  Cr₂O₃ و 51/7 درصد كمبود ماده در حرارت بالا منهاي CO₂ است.

4- تركيب شيميايي يك كيمبرليت سرشار از ميكا از معدن الماس نيوالنادز واقع در بوشوف آفريقاي جنوبي (داوسون، 1972).

5- ميانگين تركيب شيميايي 80 كيمبرليت آفريقاي جنوبي (نقل از ژورني و ابراهيم، 1973). در اين سنگ 22/. درصد  Cr₂O₃ نيز وجود دارد.

جدول تركيب شيميايي (ميانگين كيمبرليت)در مقايسه با تركيب شيميايي (ميانگين سنگهاي اولترامافيك)(ودپول و موراماتسو، 1979).

فراواني وتوزيع

سنگهاي خويشاوندان كيمبرليت در جنوب آفريقا (آفريقاي جنوبي،ناميبا،سوازيلند، لسوتو و آنگولا)، مركز (زئير، جمهوري آفريقاي مركزي و تانزانيا) و غرب آفريقا (غنا، گينه، ساحل عاج، ليبريا، مالي، گابن و سيرالئون) انتشار گسترده اي دارند. امروزه آفريقا توليد كننده اكثر الماسهاي قيمتي و صنعتي است كه در بازارهاي جهاني به فروش مي رسد.

سنگهاي كيمبرليتي آفريقا اصولاً در مناطق كراتوني قديمي مستقر مي­باشند. در نواحي ديگر واقع در ايالات متحده آمريكا، كانادا، گرينلند، فنلاند، شوروي سابق، چين، آرژانتين، استراليا و مالاتيا در جزاير سولومون، كيمبرليتها به طور مجزا يافت مي­شوند (داوسون،1980). سن سنگهاي خويشاوند كيمبرليت خيلي متفاوت است و از پروتروزوئيك تا سنوزوئيك متغير می­باشد. وقتي به انتشار جهاني سنگهاي خويشاوندان كيمبرليت توجه كنيم، در مي­يابيم كه روند آنها با روند نواحي كراتوني قاره­اي قديمي هماهنگي دارد. ماگماهاي توليد كننده سنگهاي خويشاوند كيمبرليت، در بخشي از ليتوسفر مستقر شده­اند كه گراديان زمين گرمايي آنها كم بوده است.

جايگزيني

جهت انجام پديده­هاي زير بايستي ماگماهاي كيمبرليتي در ميان ليتوسفر به سرعت حركت كنند:

الف) انتقال زينوليت­هاي نسبتاً سنگين از جنس گوشته كه در آنها وجود دارند.

ب) تحليل نرفتن يا تبديل نشدن الماسهاي موجود در آنها.

مطالعات فازهاي اوليه كيمبرليت­ها وبعضي از زينوليت­هاي گوشته­اي موجود در آنها مبيّن اين است كه ماگماهاي كيمبرليتي احتمالاً، حداقل در اعماق 200 كيلومتري با كانيهاي گوشته در تعادل بوده­اند. بنابراين تصور مي­شود كه سرعت صعود ماگماهاي مادر خويشاوند كيمبرليت از اعماق تقريبأ200 كيلومتري در ليتوسفر زياد (7 تا20 متر در ثانيه) است (اندرسون1979). ماگماي مادر فقط هنگامي مي تواند حركت سريع داشته باشد كه با شكستگي هاي عميق برخورد نمايد در اين صورت يك فاز سيال با غلظت كم از ماگما جدا مي گردد و با بالا آمدن، شكستگي باز مي شود. به نظر اندرسون (1979) سرعت بازشدگي به سرعت حركت ماگما در شكستگي بستگی دارد. تصور مي شود ابتدا يك سيستم شكستگي تدريجاً گسترش مي­يابد و سپس ماگما از اعماق و با سرعت زياد صعود مي نمايد.

پتروژنز

مطالعات تجربي وايلي وهوانگ (1975) و ديگران نشان داده است كه ماگماهاي كيمبرليتي، در صورتي از ذوب بخشي مواد پريدوتيتي مناسب به وجود مي­آيند كه در ناحيه منشاء CO₂ و H₂ O وجود داشته باشند. اگلر و وندلانت(1979) اين مطلب را تأييد كردند و مطالعات آزمايشگاهي آنها نشان داد كه در فشارهاي بين 0/5 و0/6 ژيگاپاسكال و با حضور  CO₂ وH₂ O، مذاب اوليه حاصل از ذوب­بخشي يك سنگ منشاء از نوع گارنت لرزوليت فلوگوپيت­دار احتمالأ تركيب كيمبرليتي خواهد داشت. آنها همچنين پيشنهاد كرده­اند كه ممكن است در فشارهاي بيشتر از 0/5 ژيگاپاسكال مايعات كيمبرليتي به طور معمول در گوشته بوجود آيند ولي كميابي كيمبرليت­ها ممكن است به علت كميابي شرايط تكتونيكي خاصي باشد كه براي هدايت وصعود ماگماهاي كيمبرليتي الزامي است.

براي توضيح اين مسئله كه چرا در سنگهاي كيمبرليتي مقدار عناصر ناسازگار زياد است و نيز در حالت عادي چرا داراي مگاكريستها و زينوليتهايي هستند كه در فشارهاي بالا متعادل مي­باشند، هاريس و ميدلموست (1970) فرض كرده اند كه ماگماهاي كيمبرليتي طي يك فرايند دو مرحله­اي توليد مي­شوند. در اولين مرحله، ماگماي رقيق و غني از مواد فرّار (اصولاً انواع متعلق به زير سيستمH-C-O)) احتمالاً بر اثر خروج مواد فرّار از گوشته عميق (از عمق تقريبي 600 كيلومتر) و در اثر ذوب منطقه­اي تشكيل مي­گردد و به طرف بالا صعود مي كند. خصوصيت منحصر به فرد ذوب منطقه­اي، اين است كه قادر است عناصر ناسازگار را از حجم عظيمي از مواد كاملاً جامد، در حجم نسبتاً كمي از ماگما متمركز نمايد. در سطوح بالاتر گوشته فوقاني (260 كيلومتر)، ماگماي رقيق و غني از عناصر ناسازگار و فرّار و در عين حال داغ باعث ذوب­بخشي گوشته گارنت­لرزوليتی مي­شود. ماگماي جديد مزبور كه با فازهاي جامد موجود در اين عمق از گوشته فوقاني در تعادل است، از نظر عناصر اصلي، تركيب پيكريتي دارد. اما به طور قابل توجهي از عناصر ناسازگار غني مي­باشد (وايلي 1980). در شرايط ايده­ال، اين ماگماي كيمبرليتي از عمق حداقل 200 كيلومتري سريعاً (با سرعت 12 متر بر ثانيه) به سطح زمين صعود مي­كند .مواد كيمبرليتی در عمق 200 كيلومتري اساساً به حالت ماگما است ولي به محض صعود به مناطق بالاتر، به يك مخلوطی از ماگماي مايع، فنوكريست، زينوكريست و زينوليت همراه با مقادير زيادي فاز سيال مجزا با غلظت كم تبديل خواهد شد. با صعود اين شبه ماگما به سمت بالا و عبور از محيطهاي فيزيكي و شيميايي متفاوت، تغييراتي در فازهاي سازنده آن ايجاد مي­شود و بدين وسيله تا حدي با شرايط فيزيكي و شيميايي محيط تعديل و هماهنگ مي­گردد. به علاوه فازهاي مزبور با يكديگر و با سنگهاي ديواره اطراف واكنش مي­كنند. اولين بخش از شبه ماگمايي كه در حين رسيدن به سطح زمين به طور انفجاري خارج مي­شود، احتمالاً مآر يا كراتر مخروطي كم ارتفاعي توليد مي­نمايد كه اطراف دهانه حلقوي آن را مواد پيروكلاستيك كيمبرليتي احاطه مي­كند. با خروج بيشتر شبه ماگما، مواد موجود در سطح دهانه­ها و دايك­هاي تغذيه كننده مجاور به حركت در مي آيند. سرانجام سيستم روان شده مزبور متلاشي شده و مواد مختلف موجود در شبه ماگمايي كه گازهاي خود را از دست داده بهم جوش مي­خورد و در نتيجه اين فرايند سنگهاي خاص خويشاوندان كيمبرليت بوجود مي آيد كه البته تبلور و رشد انواع مختلف كانيهاي ثانويه متعلق به محیطهای دما و فشار کم نيز صورت مي گيرد.

شکل 2 ) الف -نمودار ترکیب شیمیایی کیمبرلیت ها و لامپروئیتها ب - نمایش بخش های مختلف دیاترم وحالت های مختلف سنگ های کیمبرلیتی

شکل 3 ) نمودار عناصر کمیاب کیمبرلیت ، آلکالی بازالت و لامپروئیت