Экспериментальное моделирование образования и эволюции алмазообразующих карбонатно-силикатных расплавов (магм) в перидотитовом веществе мантии ЗемлиНИР

Experimental modeling of diamond formation and evolution of diamond forming carbonate-silicate melts (magmas) within the Earth mantle peridotite substance

Источник финансирования НИР

грант Президента РФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Моделирование эффекта карбонатизации вещества верхней мантии в эксперименте при 7 ГПа путем исследования системы мантийный перидотит – модельный метасоматический агент.
Результаты этапа: В условиях верхней мантии материнскими средами природных алмазов и первичных включений являются изменчивые химически и парагенетически карбонатно-силикатные (карбонатитовые) расплавы с растворенным углеродом. Эти факты не противоречат идее, что образование и эволюция верхне-мантийных очагов материнских магм алмазов и включений происходит в 3 стадии: (1) метасоматически-магматическая, когда под воздействием химически агрессивного метасоматического агента в мантийном перидотите происходит его высокотемпературная карбонатизация и генерация карбонатных расплавов, при этом размеры алмазообразующих очагов определяются «метасоматизирующей емкостью» агента; (2) растворно-магматическая, когда формируются собственно материнские среды алмазов и включений в виде очагов первичных карбонатитовых расплавов с силикатной перидотитовой составляющей; это происходит в результате того, что в карбонатных расплавах растворяются как главные (оливин, ортопироксен, клинопироксен, гранат), так и растворимые акцессорные минералы перидотитов, летучие соединения и углерод, а также в них механически проникают нерастворимые фазы (прежде всего, сульфиды); (3) фракционно-кристаллизационная, когда охлаждение материнских магм в очаге вызывает сингенетическую кристаллизацю алмаза и минеральных включений (представляющих собой «перекристаллизованные» минералы мантийного перидотита), при этом также происходит ультрабазит-базитовая эволюция материнских магм, отмеченная перидотит-эклогитовым парагенетическим переходом для минералов силикатной составляющей (о чем свидетельствует минералогия включений в алмазах). За отчетный период для моделирования перечисленных этапов были проведены эксперименты и получены следующие результаты: 1) Были обобщены и проанализированы опубликованные минералогические и экспериментальные данные по проблеме мантийного метасоматоза. Это позволило подобрать оптимальный состав экспериментальных смесей, отражающий состав вещества перидотитовой мантии и метасоматического агента. Модельное вещество перидотитовой мантии было представлено смесью Ol48Opx16Cpx16Grt20; Граничный состав многокомпонентного карбонатита является модельным (CaCO3)20(MgCO3)20(FeCO3)20(Na2CO3)20(K2CO3)20 и согласуется с изменчивой карбонатитовой составляющей материнской среды, обоснованными экспериментальными данными. Такой состав, учитывающий активное участие щелочных компонентов, призван моделировать состав карбонатного расплава, образующегося при метасоматической реакции примитивной мантии с метасоматическим агентом. 2) В начальной экспериментальной серии при давлении 6 ГПа и температурах 1200 - 1800°С были изучены граничные системы «перидотит», «карбонат», «перидотит – углерод» и «карбонат-углерод», отсечены основные фазовые границы. Получены равновесные фазовые ассоциации: при плавлении перидотита - Ol+ Lsil, Ol+OPx+ Lsil, Ol + OPx+CPx+Lsil, Ol+OPx+CPx+Grt+Lsil; при плавлении карбонатита – Lcarb+Mg-Fe-Carb, Lcarb+Mg-Fe-Carb+Na-Arag, Lcarb + Mg-Fe-Carb+Na-Arag + K-Carb. Далее при этих же параметрах изучены фазовые отношения в мантийной системе перидотит – карбонат Per70Carb30, отражающей состав перидотитовой мантии, взаимодействующей с карбонатным расплавом, образовавшимся в ней в результате взаимодействия ее с метасоматическим агентом. Микрозондовое изучение образцов после плавления этой системы продемонстрировало карбонатизацию магнезиальных силикатных минералов, перидотитовых минералов, «перекристаллизованных» из карбонатно-силикатного расплава. Наиболее эффективно карбонатизация проявляется в гранатах. Она проявляется в ярко выраженной зональности зерен, снаружи они менее магнезиальные. Кроме того, можно отметить, что мелкие зерна гранатов «проработаны» карбонатным расплавом интенсивнее. Также исследуемая карбонатная система на предмет способности карбонатного расплава системы к нуклеации алмазной фазы. При давлении 7 ГПа и температуре 1430 - 1650°С получены спонтанные кристаллы и рост алмаза на затравку 3) По результатам исследований была построены фазовые диаграммы перидотит-углеродной и карбонат-углеродной систем, а также предварительная «рабочая» фазовая диаграмма перидотит – карбонатной системы (рис. 1), которые демонстрируют фазовые поля при различных температурах. Фазовая диаграмма граничной системы карбонат – углерод характеризуется кривой растворимости алмаза в карбонатитовых расплавах, которая разделяет области ненасыщенных углеродом расплавов (слева на диаграмме) и насыщенных (справа). Кривая растворимости контролирует условия нуклеации и кристаллизации алмаза. Вместе с тем, она физико-химически сопряжена с фазовыми областями формирования ассоциаций парагенных карбонатных минералов, чем обеспечивается их совместная кристаллизация с алмазами и, соответственно, захват их фрагментов растущими алмазами в виде сингенетических включений. Граничная система перидотит – алмаз отличается полной несмесимостью компонентов перидотита и углерода в твердом и жидком состояниях и является поставщиком компонентов, обеспечивающих сингенезис алмаза и перидотитовых минералов в базовой тройной системе перидотит – карбонат – алмаз. Фазовая диаграмма перидотит-карбонатитовой системы на настоящий момент считается эвтектической с образованием эвтектического поля Ol+OPx+CPx+Grt+Carb*+Lcarb-sil, но существуют экспериментальные основания полагать, что плавление системы характеризуется образованием перитектики с «потерей» оливина, в случае подтверждения этого факта диаграмма будет иметь другой вид. 4) Для объяснения перехода от Ol-нормативных алмазоносных пород к SiO2-насыщенным потребовалось провести исследовании фракционной кристаллизации тройной системы мантийный перидотит – эклогит – SiO2. Прежде всего, возникла необходимость провести изучение граничных бинарных систем, в частности, эклогит – перидотит. Проведена серия экспериментов при давлении 7 ГПа и Т = 1200-1800°С в многокомпонентной верхнее-мантийной перидотит-эклогитовой системе. Система перидотит-эклогит важна для проблемы происхождения перидотит-эклогитовых серий пород верхней мантии, включая алмазоносные. Выяснилось, что при температуре 1650-1750°С в составах богатых эклогитовой составляющей наблюдается полное плавление системы, так что образцы представлены однородным силикатным закалочным расплавом с хорошо выраженными дендритовыми структурами. Фазой ликвидуса в этой системе является Ol, который зафиксирован при температуре выше 1750-1800°С в составах богатых перидотитовой составляющей и 1600-1650°С в составах богатых эклогитовой составляющей. При снижении температуры к Ol последовательно присоединяются Opx (1650-1800°С), Grt (1550-1700°С ) и Cpx (1400-1500°С) в расплавах с преобладанием перидотитового компонента (рис. 2а), а в расплавах с преобладанием эклогитового компонента Grt (1550-1700°С) и Cpx (1475°С) (рис. 2б). В субсолидусе (ниже 1450°С) реализованы две ассоциации Ol+Opx+Grt+Cpx и Ol+Grt+Cpx. 5) По результатам экспериментов была построена диаграмма фазовых отношений в перидотит-эклогитовой верхне-мантийной системе (рис. 3). Ликвидусная фаза для всех составов системы – оливин к которому при понижении температуры присоединяется ортопироксен, гранат и клинопироксен. Фазовые отношения солидуса характеризуются псевдо-нонвариантной перитектической точкой, в основе которой реакция Opx + L = Cpx c исчезновением ортопироксена. В результате в субсолидусе реализованы две фазовые ассоциации: Ol+Opx+Grt+Cpx и Ol+Grt+Cpx. Это значит, что при любом стартовом составе расплава системы Per – Ecl выйти фигуративной точке системы за пределы оливин-насыщенных составов и из перидотитового тетраэдра составов перидотит-эклогитового фазового комплекса в условиях равновесной кристаллизации невозможно. Становится ясно, что только процесс фракционной кристаллизации и, соответственно, фазовая диаграмма фракционной кристаллизации способны объяснить переход из области мантийных перидотитов в область эклогитов
2 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Физико-химический анализ и экспериментальное моделирование эволюции алмазообразующих карбонатно-силикатных расплавов в условиях фракционной кристаллизации
Результаты этапа: Согласно существующим представлениям [Литвин, 1998; Yaxley et al, 1998], карбонатные расплавы играют важную роль в процессах мантийного метасоматоза, они образуются при реактивном воздействии «метасоматического агента», формирующегося на фронте мантийного плюма в результате фракционной дифференциации расплавленного вещества плюма в гравитационном поле Земли, на силикатную мантию. Понятно, что, эти два источника («метасоматический агент» и многокомпонентная многофазовая силикатная порода верхней мантии) определяют составы алмазообразующих расплавов. Сопоставление составов природных материнских сред [Schrauder, Navon, 1994] и мантийного перидотита (пиролита) [Рингвуд, 1981] приводит к выводу, что «метасоматические агенты» привнесли в состав материнских алмазообразующих сред в заметных количествах следующие компоненты: K2O, Na2O, CaO, FeO, TiO2, CO2, P2O5, Cl, H2O, редкие элементы (Sc, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Ba). Наибольший интерес представляет К как некогерентный элемент, не входящий в составы минералов верхне-мантийных перидотитов в заметных количествах и поэтому накапливающийся в остаточных магматических расплавах. В результате взаимодействия с также накапливающимся в магме СО2 вероятно образование К-карбонатных компонентов в магматических резервуарах-источниках «метасоматических агентов». В рамках данного проекта в эксперименте при 7 ГПа было начато изучение реакционного взаимодействия модельного «метасоматического агента» на основе K2CO3 с форстеритом Mg2SiO4 (как главным компонентом мантийного перидотита). Продукты взаимодействия K2CO3 с Mg-Fe-оливином при 1500оС представлены на СЭМ-снимкахобразца после закалки (рис. 1). Наблюдается карбонатизация оливина с образованием полностью смесимого щелочного карбонатно-силикатного расплава (точки 2, 3) с высокими содержаниями К- (до 23.96 мас %), Mg- (до 27.15 мас%) и Fe- (до 5.57 мас%) компонентов. При закалке расплав превратился в мелкозернистый агрегат, в котором обнаруживаются, кроме мелких стеклоподобных зерен, карбонатные фазы K2Mg(CO3)2 (точка 1) и K2CO3 (точки 4, 8), а также кристаллы оливина, часто с выраженной закалочной дендритной текстурой (точки 6, 7). При 1400оС в закалочном образце (рис. 2) обнаруживаются закалочные карбонатные фазы K2Mg(CO3)2, иногда в виде 6-лепестковых образований (точка 1), и K2CO3 (точка 2), присутствующие в основной массе из мелких стекловидных зерен (точка 7), но обычны и крупные участки стекла (точки 4, 5). При 1200 оС присутствуют полностью смесимые карбонатно-силикатные расплавы, твердые фазы мелки. По результатам микрозондового исследования установлены следующая реакция карбонатизации форстерита: Mg2SiO4 + 2K2CO3 = K2Mg(CO3)2 + K2SiO3 + MgO. Таким образом, в результате карбонатизации форстерита образуется K2Mg(CO3)2. Построена фазовая диаграмма системы Mg2SiO4 - K2CO3 (рис. 3), определены фазовые отношения карбонатных и силикатных фаз с расплавами, которые являются эвтектическими. Образованный карбонатный расплав мгновенно растворяет в себе минералы вмещающей его силикатной мантии и, вероятно, углерод, благодаря чему формируется полностью смесимая карбонат-силикат-углеродная магма. Такой расплав может производить алмазы и всю совокупность сингенетических силикатных и карбонатных минералов-включений в алмазах, что доказано экспериментально ранее [Litvin, 2007]. Невысокая вязкость карбонатитовых расплавов способствует их объединению и консолидации в самостоятельные очаги алмазообразующих полностью смесимых карбонатно-силикатных магм. При естественном охлаждении этих очагов компоненты перидотитовых минералов, растворенных в материнских карбонатно-силикатно-углеродных магмах, парагенетически кристаллизуются в виде минеральных фаз, подобных минералам вмещающего мантийного перидотита, оливину, пироксену, гранату. Фрагменты таких «перекристаллизованных» минералов перидотита герметически включаются в растущие алмазы и обнаруживаются в составе сингенетических включений. Дальнейшая эволюция силикатно-карбонатных магм связана с их подъемом в верхние мантийные зоны и земную кору. Известны проявления мантийных карбонатитов, источники расплавов которых относятся к глубинам около 100-150 км [например, Bailey et al., 2006]. Результаты выполнения данного проекта заключаются в демонстрации с использованием диаграммного метода на базе эксперимента процесса эволюции магматического алмазообразующего очага, подобного описанному выше. В качестве стартового вещества использовался модельный перидотит состава Ol48Opx16Cpx16Grt20, близкого к расчетным составам примитивной мантии и реальных мантийных ксенолитов, сложный карбонатит состава (CaCO3)20(Na2CO3)20(FeCO3)20(Na2CO3)20(K2CO3)20, который моделирует состав флюидных включений в природных алмазах, а также спектрально чистый графит МГОСЧ на основе изотопа 12С как источник углерода в системе. При 6 ГПа и температурах 1100 - 1750°С были исследованы фазовые отношения граничных бинарных систем карбонатит – углерод, перидотит – карбонатит и перидотит – углерод. По результатам экспериментов отстраивались фазовые диаграммы систем. Система карбонатит – углерод (рис. 4) характеризуется эвтектическим плавлением и присутствием кривой растворимости алмаза в карбонатных расплавах, которая разделяет области ненасыщенных углеродом расплавов (слева на диаграмме) и насыщенных (справа). Кривая растворимости контролирует условия нуклеации и кристаллизации алмаза. Вместе с тем, она физико-химически сопряжена с фазовыми областями формирования ассоциаций парагенных карбонатных минералов (железосодержащего магнезита Fe-Ms, натрийсодержащего арагонита Na-Arag, калиевого карбоната K2CO3), чем обеспечивается их совместная кристаллизация с алмазами и, соответственно, захват их фрагментов растущими алмазами в виде сингенетических включений. Четко определить границы появления карбонатных минералов оказалось сложно из-за характерной текстуры карбонатной массы и малых размеров отдельных кристаллов, часто карбонаты оказываются как смесь всех пяти компонентов. Но нам удалось четко зафиксировать появление Fe-Ms, а также «уловить» тенденцию появления Na-Arag и калиевого карбоната (K2CO3) последним. Известно, что силикатный расплав слабо взаимодействует с алмазом и графитом и не обеспечивает образование алмаза [Борздов и др., 1999]. Поэтому данная система, граничная система перидотит – углерод (рис. 5) отличается полной несмесимостью компонентов перидотита (оливина Ol, ортопироксена Opx, клинопироксена Cpx, граната Grt и перидотитового расплава Lper) и углерода (алмаза, графита Graph и графитового расплава Lgraph) в твердом и жидком состояниях и является поставщиком компонентов, обеспечивающих сингенезис алмаза и перидотитовых минералов в базовой тройной системе перидотит – карбонатит – алмаз. Система перидотит-карбонатит также характеризуется эвтектическим типом плавления (рис. 6а). На данной диаграмме экспериментально определены фазовые поля: Ol+L, Ol + OPx+L, Ol+OPx+CPx+L, Ol+Opx+CPx+Grt+L. Пироксены обнаруживаются часто в тесных срастаниях, поэтому линия ликвидуса клинопироксена здесь проведена пунктиром. Для определения фазовых границ учитывались также экспериментальные данные Боброва А.В. с соавторами [Бобров и др., 2011], который определял появление сингенетических алмазу силикатных минералов в экспериментах для составов Per30Carb70, отвечающих выявленному положению концентрационного барьера нуклеации алмаза КБНА [Бобров, Литвин, 2009]. Наглядно эволюцию алмазообразующего карбонатно-силикатного очага от полного либо частичного расплава (зависит от того, при какой температуре он образовался) вплоть до полного субсолидуса можно проследить по диаграмме-сечению тройной системы перидотит – карбонатит – углерод, Per70Carb30 – C (рис. 6б). Однако, поскольку известно, что исследуемое соотношение карбоната и силиката Per70Carb30 находится ниже КБНА (Per70Carb30), или левее этой кинетической границы на тройной диаграмме перидотит-карбонатит-углерод (рис. 7), то, скорее всего, спонтанной нуклеации алмаза в таком очаге происходить не будет, алмазы могут в этом случае расти на затравку, исследуемое сечение располагается в области метастабильных пересыщений ОМП. Система перидотит-карбонатит-углерод ответственна за образование алмаза (контролируется кривой его растворимости в карбонатитовых магмах) и парагенных минералов (контролируется границами фазовых полей минеральных ассоциаций при частичном плавлении), соответственно. На проекции поверхности ликвидуса тройной системы обозначены экспериментально обоснованные термодинамические и кинетические точки и границы (концентрационный барьер нуклеации алмаза КБНА, растворимость алмаза в полностью смесимых перидотит-карбонатитовых расплавах, области метастабильно и лабильно пересыщенных к алмазу перидотит-карбонатит-углеродных расплавов, соответственно, ОЛР и ОМП. Таким образом: 1) экспериментально смоделировано зарождение магматического карбонатно-силикатного расплавного очага, показано, что при взаимодействии метасоматического агента с веществом силикатной мантии происходит образование карбонатного расплава; 2) экспериментально смоделирована магматическая стадия эволюции алмазообразующего очага в процессе его естественного охлаждения. С использованием диаграммного метода показана последовательность кристаллизации парагенных перидотитовых, эклогитовых и карбонатитовых минералов - оливина (Ol), оротопироксена (Opx), клинопироксена (Cpx), граната (Grt), железосодержащего магнезита (Fe-Ms), натрий-содержащего арагонита (Na-Arag), калиевого карбоната (K2CO3), а также метастабильного графита (Graph), а также фазовые отношения в тройной системе перидотит – карбонатит – углерод, имитирующей состав алмазообразующей среды. 3) полученные данные подтверждают мантийно-карбонатитовую версию алмазообразования, построенные диаграммы позволят проследить эволюцию магматического очага от полного расплава до его полного затвердевания.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".