ИСТИНА

Проект направлен на решение фундаментальной геохимической проблемы эволюции глубинного вещества в условиях мантийной динамики и предусматривает проведение комплексных экспериментальных и теоретических (термодинамические расчеты, атомистическое и ab initio компьютерное моделирование) исследований многокомпонентных систем, моделирующих процессы минералообразования в условиях корово-мантийного взаимодействия на различных глубинах мантии Земли.

The project is aimed on solution of the fundamental geochemical problem of the evolution of deep matter under the conditions of mantle dynamics and includes the complex experimental and theoretical (thermodynamic calculations, atomistic and ab initio computer modeling) investigations of multicomponent systems relevant to the mineral-forming processes under the conditions of crust–mantle interaction at different depths of the Earth’s mantle.

(1) В результате обработки обширного объема данных по экспериментальному изучению модельных и многокомпонентных систем с природным химизмом с участием основных фаз переходной зоны и нижней мантии Земли, а также анализа данных о включениях ультравысокобарных фаз в природных алмазах будет составлена база данных («ассоциации переходной зоны и нижней мантии в природе и эксперименте»), учитывающая состав и структурные особенности высокобарических фаз, в том числе водосодержащих. На основе анализа этой информации будут сформулированы новые экспериментальные задачи и обоснована возможность использования экспериментальных результатов по изучению образования водосодержащих фаз и вхождения примесных элементов в состав минералов переходной зоны и нижней мантии для уточнения влияния корово-мантийного взаимодействия на состав глубинных оболочек Земли и выявления фаз-концентраторов тех или иных химических элементов. (2) По результатам экспериментального изучения фазовых отношений в модельной системе GLOSS (субдуцированный осадок)–перидотит при 12–24 ГПа и 1300–2000°С будут выявлены особенности межфазового распределения главных и примесных элементов на различных уровнях мантии Земли, причем впервые для переходной зоны и верхней части нижней мантии. При различных давлениях будут синтезированы и структурно изучены высокоглиноземистые водосодержащие фазы, запланирована оценка условий и диапазона вхождения примесных элементов в их состав. (3) Обработка результатов опытов по изучению межфазового распределения REE в ходе частичного плавления модельного пиролита с добавлением в систему (а) воды и (б) щелочных карбонатов при 21-24 ГПа и 1500-2200°С позволит нам получить недостающую информацию для наглядного отображения поведения REE при параметрах переходной зоны и нижней мантии Земли. Методом LA-ICP-MS будут проанализированы содержания REE в ассоциациях гранат + рингвудит, рингвудит + расплав, бриджманит + ферропериклаз + расплав. В результате проведения расчетов индивидуальных равновесных коэффициентов межфазового распределения редких элементов для двух- и трехфазовых ассоциаций минералов будет впервые получена фундаментальная информация для геохимически и петрологически важных фаз, образующихся на границе переходной зоны и нижней мантии Земли. В результате изучения межфазового распределения REE при частичном плавлении модельного пиролита в этих условиях будут протестированы главные механизмы возникновения нижнемантийных расплавов с участием воды и щелочных карбонатов. Полученные данные будут использованы для реконструкции процессов дифференциации глубинного вещества Земли. (4) По результатам экспериментального изучения системы Mg2SiO4–Mg2TiO4 при 10–24 ГПа будет впервые построена фазовая P–X диаграмма при 1600°С. Будет установлена зависимость состава титансодержащих твердых растворов от давления и стартового состава системы. Составы синтезированных фаз будут сопоставлены с составами соответствующих титанистых минералов, образующих включения в природных алмазах, а также с фазами, полученными нами в ходе экспериментального изучения системы энстатит–гейкилит при 10–24 ГПа [Matrosova et al., 2020]. Будет установлен набор мантийных фаз, для которых вхождение титана может служить индикатором участия корового вещества в их образовании. Для ряда богатых титаном фаз будет впервые установлена связь состава с параметрами элементарной ячейки. (5) Усовершенствование методики компьютерного моделирования применительно к твердым растворам при высоком давлении позволит модернизировать скорость поиска неупорядоченной репрезентативных конфигураций с требуемой степенью порядка; увеличить размерность моделируемых неупорядоченных сверхъячеек; впервые провести модельные расчеты, демонстрирующие корректность работы модернизированных алгоритмов на ряде изоморфных систем, довести программный продукт до сертифицированного пакета. С помощью новых методических приемов будет проведено моделирование твердых растворов титанистых бриджманитов в системе MgSiO3–MgTiO3. Полученные данные будут сопоставлены с результатами экспериментов [Matrosova et al., 2020]. (6) По результатам изучения межфазового распределения Cr и Ni в условиях частичного плавления модельного пиролита при 7 ГПа и 1300-1700°С, будут установлены фазы-концентраторы этих элементов и рассчитаны коэффициенты их распределения. Полученные данные будут использованы для реконструкции эволюции мантийных расплавов в алмазной фации глубинности. Изучение модельной системы перидотит + GLOSS при тех же параметрах позволит установить закономерности межфазового распределения элементов в ходе мантийно-корового взаимодействия в условиях глубинной субдукции. В результате будут установлены минералы-индикаторы корового вещества в мантийных условиях. (7) Ожидается, что будут синтезированы водосодержащие постшпинелевые фазы со структурами типа кальциоферрита и кальциевого титаната (CaAl2O4, MgAl2O4, MgCr2O4, NaAlSiO4). Их широкая распространенность при высокобарическом преобразовании систем типа MORB позволяет рассматривать эти соединения как минералогические индикаторы корового субстрата в веществе мантии Земли. Полученные результаты будут использованы для интерпретации фазовых отношений в хромсодержащих (перидотитовых), а также богатых Al, Si, Na, K («эклогитовых») системах при РТ-параметрах нижней мантии. (8) Для фазы D (MgSi2O6H2), полученной в модельной системе MgO–Al2O3–SiO2–H2O (MASH) при 15–24 ГПа и 1000–1400°С) будут установлены закономерности связи ее состава (содержаний Al2O3, H2O и Mg/Si) и структурных особенностей от условий образования. На диаграммах P-X и T-X будет показано влияние алюминия на параметры стабильности этой фазы в системе MASH. Полученные данные будут сопоставлены с результатами изучения состава и условий образования фазы D в более сложной системе GLOSS-перидотит. (9) Ожидается разработка корректного набора потенциалов для статического и динамического моделирования водосодержащих фаз, согласованного с предыдущими авторскими наборами в частично-ионном приближении. Результативность нового набора будет продемонстрирована на тестовых соединениях – гидрогранатах, водных редкоземельных рабдофанах и других объектах (10) Ожидается, что в ходе экспериментов по изучению растворимости примесных элементов – индикаторов мантийного (Cr) и корового (Ti, Na, Mn) субстратов, в высокоплотных магнезиальных силикатах (фазах Egg, Delta, B и D) при 18-24 ГПа и 900-1400°С в модельных системах MASH и MSH) удастся уточнить их предпочтительное накопление в тех или иных фазах и их влияние (при высоких концентрациях) на стабильность этих фаз. Полученные результаты можно будет использовать для обоснования наблюдаемых фазовых отношений в экспериментальных системах по моделированию корово-мантийного взаимодействия. (11) Ожидается проведение теоретических полуэмпирических и квантовомеханических расчетов структур, фазовой стабильности и свойств смешения в твердом растворе D–Al2O3. (12) В результате изучения P-V уравнения состояния богатого хромом (кноррингитового) граната с использованием алмазных наковален и синхротронного излучения будут впервые получены значения изотермического модуля объёмного сжатия и изотермический коэффициент объёмного сжатия. Сжимаемость данной фазы будет сопоставлена с имеющимися в литературе данными по гранатам другого состава (пироп, мэйджорит и пр.), а также с результатами атомистических расчетов и полуэмпирического моделирования. (13) Результаты, полученные в ходе выполнения работ по проекту, будут использованы для уточнения моделей химического и фазового состава глубинных оболочек Земли при развитии процесса корово-мантийного взаимодействия в условиях зон «холодной» субдукции. Построенные диаграммы изменения мантийных фазовых ассоциаций с глубиной в водосодержащих модельных системах GLOSS и GLOSS-перидотит будут сопоставлены с аналогичными схемами для систем перидотит, MORB/эклогит [например, Litasov, Ohtani, 2007]. Полученные нами расчетные оценки потерь воды в ходе корово-мантийного взаимодействия на различных глубинах в зонах «холодной» субдукции будут сопоставлены с имеющимися оценками содержания воды в нижней мантии Земли [например, Каминский, 2018]. Новые данные по условиям образования водосодержащих фаз и межфазовому распределению примесных элементов в условиях частичного плавления будут приложены к проблеме эволюции мантийных магм.

Практически все члены коллектива имеют большой опыт в реализации научных проектов по экспериментальному изучению минералов глубинных геосфер, в частности, полученный в ходе выполнения работ по гранту РНФ № 17-17-01169 «Примесные элементы в фазах мантии Земли: межфазовое распределение, влияние на минеральные равновесия, изоморфизм и структурные особенности минералов». У авторов проекта имеется существенный задел планируемой работы, выражаемый в апробации экспериментальных и теоретических методов исследования минеральных систем как с упрощенными модельными, так и многокомпонентными составами с химизмом, приближающимся к природному. Авторами проекта разработан подход к исследованию поведения примесных компонентов, согласно которому в состав простой модельной системы вводятся заведомо высокие концентрации примесного элемента, позволяющие более наглядно проследить его влияние на кристаллохимические особенности фаз и их минеральные равновесия. За последние 5 лет коллективом экспериментально исследованы различные модельные системы с добавлением хрома, натрия и титана (более 15 публикаций А.В. Боброва, Е.А. Сироткиной (Матросовой), А.П. Тамаровой, Л.С. Исмаиловой в международных журналах), что позволило установить условия и механизмы вхождения примесных элементов во все основные фазы переходной зоны и нижней мантии Земли. Разработана методика изучения межфазового распределения REE в условиях ключевых твердофазовых реакций на границе переходной зоны и нижней мантии Земли [Tamarova et al., 2020]. А.А. Бенделиани проведены первые успешные эксперименты по синтезу водосодержащих фаз нижней мантии в модельной системе субдукционного осадка.