A mantle origin for sulfates in the unusual “salty” Udachnaya-East kimberlite from sulfur abundances, speciation and their relationship with groundmass carbonates

Étude minéralogique et géochimique du soufre (sulfates et sulfures) dans les kimberlites diamantifères de Udachnaya-Est (Yakutie, Sibérie) : une origine mantélique pour ces roches magmatiques alcalines “salées”

¹ Université de Lorraine, Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, 15 Rue Notre Dame des Pauvres, BP 20, 54 501 Vandoeuvre-Lès-Nancy, France
² V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch, Russian Academy of Science, Prosp. Ak. Koptyuga 3, 630090 Novosibirsk, Russia and Novosibirsk State University, Novosibirsk 630090, Russia
³ Novosibirsk State University, Pirogova st. 2, Novosibirsk 630090, Russian Federation
⁴ Géosciences Montpellier, Université de Montpellier & UMR-CNRS 5243, 34095 Montpellier, France

^* corresponding author : Tel : +33 (0)38 359 4880. E-mail : emilie@crpg.cnrs-nancy.fr

Received: 30 December 2015
Accepted: 16 April 2016

Abstract

The Udachnaya-East pipe in Yakutia in Siberia hosts a unique dry (serpentine-free) body of hypabyssal kimberlite (<0.64wt% H₂O), associated with a less dry type of kimberlite and a serpentinized kimberlitic breccia. The dry kimberlite is anomalously rich in salts (Na₂O and Cl both up to 6wt%) whereas the slightly less dry and the breccia kimberlite are salt free. Yet the Udachnaya kimberlite is a group-I kimberlite, as is the archetypical kimberlite from Kimberley, South Africa. Samples were studied from the three different types of kimberlite (dry-salty, n=8, non-salty, n=5 and breccia, n=3) regarding their mineralogy, geochemistry, and more specifically their sulfur content. Our results show the salty kimberlite is unprecedentedly rich in sulfur (0.13-0.57wt%) compared to the non-salty kimberlite (0.04-0.12wt%) and the breccia (0.29-0.33wt%). In the salty kimberlite, most of the sulfur is present as sulfates (up to 97% of S_total) and is disseminated throughout the groundmass in close association with Na-K-bearing carbonates. Sulfates occur within the crystal structure of these Na-K-bearing carbonates as the replacement of (CO₃) by (SO₃) groups, or as Na- and K-rich sulfates (e.g. aphtitalite, (K,Na)₃Na(SO₄)₂). The associated sulfides are djerfisherite; also Na- and K-rich species. The close association of sulfates and carbonates in these S-rich alkaline rocks suggests that the sulfates crystallized from a mantle-derived magma, a case that has strong implication for the oxygen fugacity of kimberlite magmatism and more generally for the global S budget of the mantle.

Résumé

La mine de Udachnaya-Est (Yakutie, Sibérie) est située dans une kimberlite hypabyssale unique, sans serpentine et décrite comme « sèche » au vue de sa teneur en eau (< 0.64 pds% H₂O). Cette kimberlite anhydre, anormalement riche en sels (Na₂O et Cl jusqu’à 6 pds%), est associée, dans le conduit volcanique, à un type de kimberlite pauvre en sels et une brèche kimberlitique également exempte de sels. La teneur en soufre a été déterminée pour des échantillons des trois types (anhydre-salé, n=8; non-salé, n=5; et brèche, n=3). Les résultats montrent que le type salé est particulièrement riche en soufre (0.13-0.57 pds%) comparé au type non-salé (0.04-0.12 pds%) et à la brèche (0.29-0.33 pds%). Dans la kimberlite salée, le soufre est essentiellement sous la forme de sulfates (jusqu’à 97% du S_total) et est disséminé dans la matrice en association avec les carbonates de Na et K. Les sulfates sont particulièrement riches en Na et K (aphtitalite, (K,Na)₃Na(SO₄)₂), ou intégrés dans la structure de carbonates alcalins par la substitution du groupe (CO₃) par le groupe (SO₃). Les sulfures associés sont des djerfisherites, également riches en Na et K. La présence de sulfates dans les réseaux cristallins des carbonates suggère une origine profonde de ces sulfates; ce qui a de grandes implications pour la fugacité d’oxygène des magmas kimberlitiques et plus généralement pour le bilan chimique (et par extension bilan isotopique) du soufre dans le manteau.