Karbonatiitit ovat magmakiviä, joista vähintään puolet on karbonaattimineraaleja. Karbonatiitit esiintyvät plutoneina, juonina, breksioina ja laavoina. Karbonatiittikompleksilla on karbonatiittikeskus tai syeniittibreksiaa, jota reunustaa kehämäiset tai ovaalin muotoiset tai kartiomaiset juonet. Karbonatiittiesiintymiä syntyy magmaattisissa tai magmaattis-hydrotermisissä prosesseissa tai näiden yhdistelmänä ekstensionaalisessa tektonisessa ympäristössä Sillanpää 2016.
Maailmalta tunnetaan 527 karbonatiittiesiintymää Woolley ja Kjarsgaard 2008a Woolley ja Kjarsgaard 2008b , joista 10 % (49 esiintymää) on ekstrusiivisia Woolley ja Church 2005. Iältään karbonatiitit ovat arkeeiselta eonilta kvartäärikaudelle; maailman vanhin karbonatiittiesiintymä Tupertalik (3007 Ma) sijaitsee Grönlannissa Downes et al. 2012. Bose (1884) kuvasi karbonatiitit ensimmäisen kerran Narmadan laaksossa Intiassa Bose 1884. Karbonatiitteihin liittyy usein alkalikivi-intruusioita, ja monissa tapauksissa karbonatiitit ovat nuorempia kuin paikalliset alkalikivet.
Mineralogia Karbonatiitit koostuvat vähintään 50 t-% karbonaateista, kuten kalsiitista, dolomiitista, sideriitistä ja ankeriitista, ja kivessä on alle 20 p-% SiO2 Winter 2001 Le Maitre et al. 2002. Yleisesti karbonatiittiesiintymiin liittyvät kivet ovat pyrokseniitti, feniitti, ijoliitti, duniitti, pikriittiporfyyri, Na-K-feniittiytynyt gneissi ja paikallisesti pintasyntyiset alkalikivet. Karbonatiitit ovat usein intrudoituneet gneisseihin ja kiilleliuskeisiin tai suprakrustisiin kiviin . Streckeisenin (1980) mukaan karbonatiitit voidaan vielä luokitella seuraavasti Streckeisenin 1980: kalsiittikarbonatiitti – söviitti (karkearakeinen syväkivi); alvikiitti (keski- tai hienorakeinen juonikivi) dolomiittikarbonatiitti – beforsiitti (juonikivi) tai rauhaugiitti (syväkivi) ferrokarbonatiitti – Fe-karbonaattia (sideriitti) natrokarbonatiitti.
Feniittiytyminen Metasomatoosi on prosessi, joka tapahtuu kiinteässä tilassa fluidifaasin ollessa läsnä. Metasomatoosi on kemiallista muuttumista, jossa kiven koostumus muuttuu siksi, että fluidin mukana kiveen tuodaan tai siitä viedään alkuaineita Fettes et al. 2007. Feniittiytyminen on yksi metasomatoosin alaluokista. Se tuottaa alkalipitoisia metasomaattisia kiviä eli feniittejä Zharikov et al. 2007. Feniittejä syntyy alkalikivi- ja karbonatiittikomplekseissa, joissa metasomatoosi tuottaa isäntä- ja sivukiviin magmaattis-hydrotermisten fluidien vaikutuksesta vyöhykkeellistä muuttumista Zharikov et al. 2007Le Bas 2008. Feniittien tyyppimineraalit ovat egiriini, egiriini-diopsidi, alkaliamfibolit (riebeckiitti, richteriitti), nefeliini, biotiitti, flogopiitti, kalimaasälpä (pertiitti), plagioklaasi (albiitti) ja karbonaatti sekä aksessoriset mineraalit apatiitti ja titaniitti. Feniitin vyöhykkeellisyys voi ulottua intruusiosta metreistä muutamien kilometrien päähän Zharikov et al. 2007.
Geokemia Karbonatiittimagman pääkomponentit ovat Ca, Mg, Fe ja CO2. Karbonatiittien kiteytymisjärjestys on yleensä Ca-, Mg- ja ferrokarbonatiitti Bailey 1993. Karbonatiiteista suurin osa sijoittuu Sr-Nb-diagrammissa köyhtyneen vaipan kenttään, mikä viittaa pitkäjaksoiseen vaipan köyhtymiseen yhteensopimattomien alkuaineiden suhteen O’Brien 2015. Karbonatiitit ovat tyypillisesti rikastuneet U, Ba, P, Th, Ta, Nb, REE, Sr ja Y ja köyhtyneet Zr, Rb, K, Cs, Hf ja Ti alkuaineiden suhteen Woolley ja Kempe 1989. Karbonatiiteissa on myös kohtuullisen korkeita pitoisuuksia alkuaineita S, Cl, F ja Mn verrattuna silikaattikiviin Ridley ja Dawson 1975. Karbonatiiteissa on yleensä tuhatkertaisia pitoisuuksia LREE-alkuaineita verrattuna kondriitteihin Jones et al. 2013. LREE-pitoisuus on karbonatiiteissa tavallisesti yli 500 ppm per alkuaine. Keskimääräinen REE-pitoisuus on 3600 ppm, mutta se voi olla jopa 8 % Woolley ja Kempe 1989 Samoilov 1991.
Petrogeneesis ja tektoniset ympäristöt
Tutkijat uskovat yleisesti, että karbonatiitit muodostuvat erittäin vähäisen (0,1–5 %) osittaissulamisen tuloksena McKenzie 1985 Downes et al. 2005 Jung et al. 2012 runsaasti hiilidioksidia sisältävästä vaipan peridotiitista Gittins ja Harmer 1997 Mitchell 2005. Karbonatiittisulat ovat hyvin volatiilipitoisia (H2O ja CO2). Hiilidioksidi kuluu karbonaattien kiteytymiseen Keppler 2003. Karbonatiittimagmalla on erittäin alhainen viskositeetti jopa 11 GPa:ssa Mitchell 2005. Karbonatiitteja on stabiilien kratonien keskiosissa (esim. Fennoskandian kilpi), mutta tunnetaan muutamia merellisessä kuoressa olevia karbonatiittejakin Silva et al. 1981 Kogarko 1993 Jørgensen ja Holm 2002. Karbonatiitteja on usein ohentuneessa kuoressa, kuten vulkaanisen kaaren tausta-altaassa, anorogeenisessa tektonisessa ympäristössä sekä riftiytymis- tai siirrosvyöhykkeissä, joita pitkin magma kohoaa dekompressionaalisessa osittaissulamisessa Woolley ja Kjarsgaard 2008a Chakhmouradian ja Zaitsev 2012. Itä-Afrikan hautavajoaman alueella Tansaniassa on aktiivinen karbonatiittitulivuori, 2950 m korkea Oldoinyo Lengai, josta purkautuu koostumukseltaan poikkeuksellista natriumkarbonatiittilaavaa Keller ja Zaitsev 2012.
Taloudellinen merkitys Karbonatiitit ovat harvinaisten maametallien ja fosforin osalta tärkeitä malmikiviä, joissa on myös korkeita pitoisuuksia Nb, Th, U, F, Fe, Ba, Sc, Zr, Ti ja Ta. Karbonatiitit ovat hyvin potentiaalisia REE- ja P-isäntäisiä esiintymiä Smith et al. 2016. Harvinaiset maametallit rikastuvat karbonatiitteihin magmaattis-hydrotermisissä prosesseissa moninkertaisiksi vaippaan verrattuna. Karbonatiiteista louhitaan harvinaisia maametalleja; tällaisista kaivoksista voi mainita mm. Bayan OboYang et al. 2009, Mountain PassCastor 2008, MaoniupingXie et al. 2009 ja Mount WeldLottermoser 1990.
Lähteet Bailey, D.K. 1993. Carbonate magmas. Journal of the Geological Society 150, s. 637–651. Bose, P.N. 1884. Geology of the Lower Narbada Valley between Nimáwar and Káwant. Geological Survey of India 21, s. 1–72. Castor, S.B. 2008b. The Mountain Pass Rare Earth carbonatite and associated ultrapotassic rocks, California. Canadian Mineralogist 46, s. 779–806. Chakhmouradian, A.R. ja Zaitsev, A.N. 2012. Rare earth mineralization in igneous rocks: sources and processes. Elements 8, s. 347–353. Downes, H., Balaganskaya, E., Beard, A., Liferovich, R. ja Demaiffe, D. 2005. Petrogenetic processes in the ultramafic, alkaline and carbonatitic magmatism in the Kola Alkaline Province: a review. Lithos 85, s. 48–75. Fettes, D.J., Desmons, J. ja Árkai, P. 2007. Metamorphic rocks: a classification and glossary of terms: recommendations of the International Union of Geological Sciences Subcommission on the Systematics of Metamorphic Rocks. Cambridge University Press. Cambridge, Iso-Britannia, 244 s. Gittins, J. ja Harmer, R.E. 1997. What is ferrocarbonatite? A revised classification. Journal of African Earth Sciences 25, s. 159–168. Jones, A.P., Genge, M. ja Carmody, L. 2013. Carbonate Melts and Carbonatites. Reviews in Mineralogy & Geochemistry 75, s. 289–322. Jørgensen, J.Ø. ja Holm, P.M. 2002. Temporal variation and carbonatite contamination in primitive ocean island volcanics from São Vicente, Cape Verde Islands. Chemical Geology 192, s. 249–267. Keller, J. ja Zaitsev, A.N. 2012. Geochemistry and petrogenetic significance of natrocarbonatites at Oldoinyo Lengai, Tanzania: composition of lavas from 1988 to 2007. Lithos 148, s. 45–53. Keppler, H. 2003. Water solubility in carbonatite melts. American Mineralogist 88, s. 1822–1824. Kogarko, L.N. 1993. Geochemical characteristics of oceanic carbonatites from the Cape Verde Islands. South African Journal of Geology 96, s. 119–125. Le Bas, M.J. 2008. Fenites associated with carbonatites. The Canadian Mineralogist 46, s. 915–932. Le Maitre, R.W., Streckeisen, A., Zanettin, B., Le Bas, M.J., Bonin, B. ja Bateman, P. 2002. Igneous rocks: a classification and glossary of terms: recommendations of the International Union of Geological Sciences Subcommission on the Systematics of Igneous Rocks. Cambridge University Press. 2. painos. Cambridge, Iso-Britannia, 236 s. Mitchell, R.H. 2005. Carbonatites and Carbonatites and Carbonatites. The Canadian Mineralogist 43, s. 2049–2068. O’Brien, H. 2015. Chapter 4.1 – Introduction to Carbonatite Deposits of Finland. Teoksessa: Lahtinen, R., Maier W.-D. ja O’Brien, H (toim). Mineral Deposits of Finland, Elsevier Amsterdam, s. 291–303. McKenzie, D. 1985. The extraction of magma from the crust and mantle. Earth and Planetary Science Letters 74, s. 81–91. Ridley, W.I. ja Dawson, J.B. 1975. Lithophile trace element data bearing on the origin of peridotite xenoliths, ankaramite and carbonatite from Lashaine volcano, N. Tanzania. Physics and Chemistry of the Earth 9, s. 559–569. Samoilov, V.S. 1991. The main geochemical features of carbonatites. Journal of Geochemical Exploration 40, s. 251–262. Smith, M.P., Moore, K., Kavecsánszki, D., Finch, A.A., Kynicky, J. ja Wall, F. 2016. From mantle to critical zone: A review of large and giant sized deposits of the rare earth elements. Geoscience Frontiers 7, s. 315–334. Sillanpää, S. 2016. Tonni- ja pitoisuusmallit Suomen karbonatiitti- ja alkalikivi-isäntäisille REE- ja P-esiintymille. Turun yliopisto, maantieteen ja geologian laitos, geologian osasto, pro gradu -tutkielma, 195 s., 64 kuvaa, 31 taulukkoa ja 6 liitettä. Silva, L.C., Le Bas, M.J. ja Robertson, A.H.F. 1981. An oceanic carbonatite volcano on Santiago, Cape Verde Islands. Nature 294, s. 644–645. Streckeisen, A. 1980. Classification and nomenclature of volcanic rocks, lamprophyres, carbonatites and melilitic rocks IUGS Subcommission on the systematics of igneous rocks. Geologische Rundschau 69, s. 194–207. Trofanenko, J., Williams-Jones, A.E., Simandl, G.J. ja Migdisov, A.A. 2016. The Nature and Origin of the REE Mineralization in the Wicheeda Carbonatite, British Columbia, Canada. Economic Geology 111, s. 199–223. Winter, J.D. 2001. An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall Inc. New Jersey, Yhdysvallat, 697 s. Woolley, A.R. ja Church, A.A. 2005. Extrusive carbonatites: A brief review. Lithos 85, s. 1–14. Woolley, A.R. ja Kjarsgaard, B.A. 2008a. Carbonatite occurrences of the world: map and database. Geological Survey of Canada, Raportti 5796, 28 s. Woolley, A.R. ja Kjarsgaard, B.A. 2008b. Paragenetic types of carbonatite as indicated by the diversity and relative abundances of associated silicate rocks: evidence from a global database. Canadian Mineralogist 46, s. 741–752. Woolley, A.R. ja Kempe, D.R.C. 1989. Nomenclature, Average Chemical Compositions, and Element Distribution. Teoksessa: Bell, K. (toim.) Carbonatites, Genesis and Evolution, Unwin Hyman, Lontoo, Iso-Britannia, s. 1–14. Woolley, A.R. ja Kjarsgaard, B.A. 2008b. Paragenetic types of carbonatite as indicated by the diversity and relative abundances of associated silicate rocks: evidence from a global database. Canadian Mineralogist 46, s. 741–752. Xie, Y., Hou, Z., Yin, S., Dominy, S.C., Xu, J., Tian, S. ja Xu, W. 2009. Continuous carbonatitic melt-fluid evolution of a REE mineralization system: Evidence from inclusions in the Maoniuping REE Deposit, Western Sichuan, China. Ore Geology Reviews 36, s. 90–105. Zharikov, V.A, Pertsev, N.N., Rusinov, V.L., Callegari, E. ja Fettes, D.J. 2007. 9. Metasomatism and metasomatic rocks. Recommendations by the IUGS Subcommission on the Systematics of Metamorphic Rocks: Web version 01.02.07, 17 s. Yang, X.Y., Sun, W.D., Zhang, Y.X. ja Zheng Y.F. 2009. Geochemical constraints on the genesis of the Bayan Obo Fe-Nb-REE deposit in Inner Mongolia, China. Geochimica et Cosmochimica Acta 73, s. 1417–1435.
Viitteet
Aiheesta muualla
Sillanpää, Sauli: Tonni- ja pitoisuusmallit Suomen karbonatiitti- ja alkalikivi-isäntäisille REE- ja P-esiintymille. Turun yliopisto, maantieteen ja geologian laitos, geologian osasto, pro gradu -tutkielma, 195 s.