ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Проект направлен на решение фундаментальной геохимической проблемы эволюции глубинного вещества в условиях мантийной динамики и предусматривает проведение комплексных экспериментальных и теоретических (термодинамические расчеты и ab initio компьютерное моделирование) исследований многокомпонентных систем, соответствующих термодинамическим условиям мантии Земли, с использованием установки типа «наковальня с лункой» (тороида), многопуансонных аппаратов и алмазных наковален с лазерным нагревом. За основу будут взяты известные геофизически значимые мантийные реакции и фазовые равновесия – рингвудит (Mg,Fe)2SiO4 = перовскит (Mg,Fe)SiO3 + ферропериклаз (Mg,Fe)O; мэйджорит – MgSiO3 ильменит - MgSiO3 перовскит; пироксен CaMgSi2O6 – CaSiO3 перовскит + MgSiO3 перовскит; Mg(Al,Cr)2O4 со структурой шпинели = MgAl2O4 со структурой кальциоферрита + MgCr2O4 со структурой титаната кальция и др.). Проектом впервые в мировой практике предусмотрено установление влияния целого ряда примесных компонентов (Cr, Ti, K, Na и др.) на физико-химические параметры этих равновесий, а также кристаллохимические особенности (параметры элементарной ячейки) и упругие свойства участвующих в реакциях фаз с целью получения их P-V уравнений состояния. Определение параметров элементарной ячейки будет проводиться методом монокристальной ренгеновской дифракции, в том числе in situ с использованием алмазных наковален и синхротронного рентгеновского излучения. Одновременно для модельных стартовых составов (перидотит, пиролит, перидотит + GLOSS, эклогит) экспериментально будут решаться задачи по установлению фаз-концентраторов тех или иных примесных элементов и распределению этих элементов (включая РЗЭ) между сосуществующими минералами мантии Земли. Полученные данные будут использованы для реконструкции процессов дифференциации глубинного вещества Земли.
Our project is aimed on the solution of the fundamental geochemical problem of the evolution of deep matter under the conditions of mantle dynamics and includes complex experimental and theoretical (thermodynamic calculations and ab initio computer modeling) investigations of multi-component systems relevant to the thermodynamic conditions of the Earth’s mantle. We plan to use the “anvil-with-hole” (toroid), multi-anvil apparatus and diamond-anvil cells with laser heating. The study will be based on the known, geochemically important mantle reactions and phase equilibria including ringwoodite (Mg,Fe)2SiO4 = perovskite (Mg,Fe)SiO3 + ferropericlase (Mg,Fe)O; majorite – MgSiO3 ilmenite – MgSiO3 perovskite; pyroxene CaMgSi2O6 – CaSiO3 perovskite + MgSiO3 perovskite; Mg(Al,Cr)2O4 with spinel-type structure = MgAl2O4 with calcium ferrite-type structure + MgCr2O4 with calcium titanate-type structure, etc.). The project originally includes the study of the influence of a number of minor components (Cr, Ti, K, Na, and others) on the physicochemical parameters of these equilibria, as well as on the crystallochemical peculiarities (cell parameters) and elastic properties of the phases participating in the reactions, which is aimed on obtaining of the P-V equations of state. The study of cell parameters will be performed by the method of single-crystal X-ray diffraction, including investigations in situ using diamond-anvil cells and X-ray synchrotron radiation. At the same time, we will reveal experimentally the phases accumulating minor elements and study the distribution of these elements (including REEs) between coexisting minerals in the model starting materials (peridotite, pyrolite, peridotite + GLOSS, eclogite) Earth’s mantle. The data obtained will be applied to reconstruction of the processes of differentiation of deep matter of the Earth.
(1) 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. При рассмотрении результатов опытов основное внимание будет уделено расплавам основного состава, кристаллизация которых приведет к появлению эклогитов магматического типа. (2) В ходе экспериментов по изучению возможности вхождения натрия и калия в состав MgSiO3 и CaSiO3 перовскитов при 18-25 ГПа и 1600-2000°С будут изучены кристаллохимические особенности синтезированных фаз и предложены механизмы вхождения щелочей в фазы со структурой типа перовскита. По результатам экспериментов по изучению межфазового распределения калия и натрия между MgSiO3 и CaSiO3 прогнозируется накопление щелочей в составе кальциевого перовскита, что будет подтверждено расчетами коэффициентов распределения в широком диапазоне РТ-параметров. Вместе с тем, мы ожидаем, что добавление в состав магнезиального перовскита трехвалентных катионов (Al, Cr, Fe3+) может изменить эту картину и привести к накоплению щелочей в составе магнезиального перовскита. (3) По результатам экспериментального изучения геофизически значимой фазовой реакции рингвудит (Mg,Fe)2SiO4 = перовскит (Mg,Fe)SiO3 + ферропериклаз (Mg,Fe)O с участием хрома и титана в качестве примесных компонентов, методом монокристальной рентгеновской дифрации будут выявлены количественные вариации параметров элементарных ячеек синтезированных фаз в зависимости от содержания примесей, а также установлена зависимость РТ-условий реакции от состава участвующих в ней фаз. Расчет коэффициентов распределения хрома и титана между участвующими в реакции фазами позволит установить фазы-концентраторы хрома и титана в условиях переходной зоны и нижней мантии Земли. В ходе экспериментального изучения системы Mg2SiO4 – Na2MgSiO4 при 15-20 ГПа будет установлен предельный уровень вхождения натрия в состав рингвудита и установлено влияние Na на структурные особенности фазы. (4) В ходе экспериментального изучения фазового превращения Mg(Al,Cr)2O4 со структурой шпинели = MgAl2O4 со структурой кальциоферрита + MgCr2O4 со структурой титаната кальция при 15-20 ГПа будут установлены РТ-параметры этой реакции и диапазоны изоморфизма для этих структурных типов в системах с участием Fe, Mg, Al, Cr, Si, Na и К, будут рассчитаны коэффициенты распределения щелочных компонентов между фазами двух структурных типов. Полученные результаты будут использованы для интерпретации фазовых отношений хромсодержащих (пиролитовых), а также богатых Al, Si, Na, K (эклогитовых) системах при РТ-параметрах нижней мантии. (5) При введении в алюмосиликатные системы рингвудит (Mg,Fe)2SiO4 - перовскит (Mg,Fe)SiO3 - ферропериклаз (Mg,Fe)O и MgSiO3–CaSiO3 со структурами типа перовскита малого контролируемого количества оксидов редких элементов (La, Eu, Ho, Yb), будет количественно оценено их перераспределение между образующимися кристаллическими фазами. После изучения поведения тестового набора редких элементов в экспериментальных образцах, в случае получения кристаллов достаточного размера, планируется повтор этих опытов с добавлением расширенной смеси редких и редкоземельных элементов в виде их оксидов и последующее исследование их межфазового распределения с помощью метода LA ICP-MS. 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 переходной зоны и нижней мантии Земли. В результате изучения межфазового распределения REE при частичном плавлении модельного пиролита при 16-24 ГПа будут протестированы главные механизмы возникновения нижнемантийных расплавов с участием воды и щелочных карбонатов. Полученные данные будут использованы для реконструкции процессов дифференциации глубинного вещества Земли. (6) В результате проведения термодинамических расчетов на основе наших экспериментальных результатов будут получены термодинамические характеристики (стандартные термодинамические параметры и параметры смешения) для крайних членов твердых растворов, которые не могут быть синтезированы или имеют ограниченную стабильность в условиях эксперимента, что необходимо для развития методов термобарометрии мантийных минеральных ассоциаций. В ходе реализации проекта такие параметры будут получены для крайних членов хром- (кноррингит, MgCr2O4 со структурой титаната кальция) и титан-(Ti-бриджманит, гейкилит) содержащих фаз, а также для недавно синтезированного Fe-бриджманита. (7) Полученная экспериментальная информация, касающаяся распределения элементов в основных мантийных фазах будет дополнена теоретическими расчетами, что позволит уточнить целый ряд фазовых диаграмм (в том числе изученных в ходе данного проекта), получить дополнительные данные о кристаллохимических особенностях изучаемых соединений, включая их локальную структуру и термоупругие свойства. (8) Планируется решить вопрос о условиях существования и термодинамичекой стабильности алюминатных фаз в нижней мантии Земли, уточнить их кристаллохимические особенности. Будет теоретически и экспериментально обоснована возможность этих фаз служить концентраторами рассматриваемых в настоящем проекте примесных элементов при высоких температурах и давлениях. (9) С использованием атомистических и квантовохимических подходов будет проведено теоретическое исследование поведения алюминия в термодинамической обстановке нижней мантии, а именно: оценка его изоморфной емкости в основных мантийных фазах (MgSiO3 и CaSiO3 перовскиты), возможность выделения при данных термодинамических параметрах собственных пост-кальциоферритовых фаз. Для решения последней задачи будет применен эволюционный механизм поиска энергетически оптимальных кристаллических структур. Результаты, полученные в ходе выполнения работ по проекту, будут использованы для уточнения моделей химического и фазового состава глубинных оболочек Земли, а также для развития методов термобарометрии мантийных фазовых ассоциаций. Новые данные по межфазовому распределению примесных элементов в условиях частичного плавления будут приложены к проблеме эволюции мантийных магм. Все ожидаемые результаты вполне соответствуют мировому уровню экспериментального исследования глубинного вещества Земли. По результатам проекта планируется опубликовать 10 статей в журналах (American Mineralogist - IF 2.204, Physics and Chemistry of Minerals - IF 1.304, Physics of the Earth and Planetary Interiors - IF 2.383, Геохимия - IF 0.471 и др.), индексируемых в системах цитирования, и подготовить 1 монографию.
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. Ранее авторами проекта была комплексно изучена магматическая кристаллизация Na-содержащего мэйджоритового граната, установлена роль главных факторов (температуры, давления и щелочности расплавов) в его формировании и экспериментально обоснована модель формирования Na-гранатов в результате осуществления схемы гетеровалентного изоморфизма типа (Mg, Ca) + Al = Na + Si, при которой формирование Na-содержащих мэйджоритовых гранатов связано с появлением в их составе натриевого мэйджорита Na2MgSi5O12 [Bobrov et al., 2008; Бобров и др., 2009]. Недавно гранатовая фаза стехиометрического состава Na2MgSi5O12 была получена нами в экспериментах при 17,5 ГПа и 1700°С, установлены PT-параметры равновесия гранат (Na-мэйджорит) – пироксен [Дымшиц, Бобров и др., 2010] и с помощью монокристальной рентгеновской дифракции определена тетрагональная симметрия натриевого мэйджорита [Bindi, Bobrov et al., 2011]. Экспериментально изучено вхождение натрия в рингвудит и влияние Na на структурные особенности этой фазы [Bindi, Tamarova, Bobrov et al., 2016]. Также были выполнены экспериментальные работы по изучению пироксеновой системы CaMgSi2O6-CaFeSi2O6-NaAlSi2O6 при давлениях от 7 до 24 ГПа и температурах 1600–2200°С [Bobrov et al., 2008].
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 февраля 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Примесные элементы в фазах мантии Земли: межфазовое распределение, влияние на минеральные равновесия, изоморфизм и структурные особенности минералов |
Результаты этапа: В 2017 г. был проведен большой объем экспериментальных и теоретических исследований. Эксперименты проводились с использованием многопуансонного пресса и высокобарной тороидальной установки типа «наковальня с лункой». Теоретический анализ вхождения примесных компонентов производился с помощью компьютерных расчетов полуэмпирическим методом межатомных потенциалов с использованием программы GULP в сверхъячейках различных размеров. Члены проекта выполняли исследования по нескольким взаимосвязанным направлениям в рамках общей цели проекта: установление фазовых отношений в модельных и многокомпонентных мантийных системах с участием примесных компонентов; синтез и структурные исследования мантийных фаз со значительными концентрациями примесных компонентов, установление их влияние на структурные особенности минералов и параметры фазовых превращений; компьютерное моделирование параметров вхождения примесных элементов в мантийные фазы. В дополнение к плановым исследованиям были проведены сопутствующие (в том числе, поисковые эксперименты), имеющие непосредственное отношение к проблеме примесного состава мантийных фаз, которые позволяют уточнить уже существующие и сформулировать новые задачи проекта. | ||
2 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Примесные элементы в фазах мантии Земли: межфазовое распределение, влияние на минеральные равновесия, изоморфизм и структурные особенности минералов |
Результаты этапа: В 2018 г. был проведен большой объем экспериментальных и теоретических исследований. Эксперименты проводились с использованием многопуансонного пресса и высокобарной тороидальной установки типа «наковальня с лункой». Теоретический анализ вхождения примесных компонентов производился с помощью компьютерных расчетов полуэмпирическим методом межатомных потенциалов с использованием программы GULP в сверхъячейках различных размеров. Члены проекта выполняли исследования по нескольким взаимосвязанным направлениям в рамках общей цели проекта: установление фазовых отношений в модельных и многокомпонентных мантийных системах с участием примесных компонентов; синтез и структурные исследования мантийных фаз со значительными концентрациями примесных компонентов, установление их влияние на структурные особенности минералов и параметры фазовых превращений; компьютерное моделирование параметров вхождения примесных элементов в мантийные фазы. В дополнение к плановым исследованиям были проведены сопутствующие (в том числе, поисковые эксперименты), имеющие непосредственное отношение к проблеме примесного состава мантийных фаз, которые позволяют уточнить уже существующие и сформулировать новые задачи проекта. Экспериментальное изучение геофизически значимой фазовой реакции рингвудит (Mg,Fe)2SiO4 = перовскит (Mg,Fe)SiO3 + ферропериклаз (Mg,Fe)O с добавлением примесных элементов позволило установить влияние хрома и титана на структурные особенности главных мантийных фаз (оливина, вадслеита, рингвудита, бриджманита). Показано, что добавление 1 мас. % Cr2O3 смещает границы фазовых превращений оливин/вадслеит на 50 км, а вадслеит/рингвудит на 10 км в область более низких давлений по сравнению с системами, не содержащими хром. Установлены общие особенности топологии системы SiO2–MgO–Cr2O3 при 1600°С в диапазоне давлений 10–24 ГПа. Экспериментально показано, что содержание хрома во всех фазах повышаются с давлением, причем увеличение содержания Cr2O3 фиксируется в следующем ряду: бриджманит (до 6,5 мас.% при 24 ГПа) – рингвудит (до 18,5 мас. %, 23 ГПа) – периклаз (22,5 мас.%, 24 ГПа). Для вышеуказанной реакции выявлена сильно отличающаяся изоморфная емкость полученных фаз в плане титана. Содержание TiO2 в рингвудите не превышает 1,5 мас.% при 22 ГПа и почти не зависит от валового содержания титана в системе. В фазах перовскитовой структуры, синтезированных при давлении более 17 ГПа, не наблюдается полной смесимости, а выделаются титансодержащий бриджманит (до 20 мол. % MgTiO3) и фаза Mg(Si,Ti)O3 с содержанием MgSiO3 до 70 мол. %. Таким образом, вхождение титана в состав MgSiO3 бриджманита способно существенно расширять устойчивость этой фазы в область низких давлений (по крайней мере, до 17 ГПа). В ходе экспериментального изучения фазового превращения Mg(Al,Cr)2O4 со структурой шпинели = MgAl2O4 со структурой кальциоферрита + MgCr2O4 со структурой титаната кальция при 10-24 ГПа и 1600°C была установлена следующая смена фазовых ассоциаций с давлением: шпинель Mg(Al,Cr)2O4 (10–14 ГПа) – Mg2(Al,Cr)2O5 с искаженной структурой людвигита (mLd) и корунд (Cor) (15–18 ГПа) – mLd + Cor + Mg(Cr,Al)2O4 со структурой титаната кальция (Ct) (>18 ГПа). При 20 ГПа в богатой глиноземом части системы фиксируется появление Mg(Cr,Al)2O4 со структурой кальциоферрита. Установлено предпочтительное вхождение натрия в состав фазы со структурой кальциоферрита (до 28 мол. % при 24 ГПа), в то время как в Ct входит не более 2 мол. % NaAlSiO4; калий не входит ни в одну из Mg(Cr,Al)O4 фаз. В связи с поиском возможных фаз-концентраторов алюминия в условиях переходной зоны и нижней мантии Земли, в модельной системе Ca–Al–O при 15–20 ГПа и 1600°С синтезированы CaAl2O4 и новая, ранее не известная фаза Ca2Al6O11. Фаза CaAl2O4 имеет ромбическую сингонию и пространственную группу Pnma. Параметры ячейки: а=8.86 Å, b=2.86 Å, c=10.25 Å, V=259.6 Å3, Z=6. Два атома Al1 и Al2 находятся в октаэдрической координации атомов кислорода, а катионы Ca находятся в шестерной координации. Впервые полученная фаза Ca2Al6O11 имеет тетрагональную сингонию и пространственную группу P42/mnm. Параметры ячейки: а=11.17 Å, b=11.17 Å, c=2.83 Å, V=353.2 Å3, Z=8. В этой структуре также присутствуют два независимых атома Al1 и Al2. Al1 находится в тетраэдрической координации, а Al2 в октаэдрической координации. Шесть тетраэдров и два октаэдра окружают два атома Ca, каждый из которых находится в окружении восьми атомов кислорода. Методами атомистического моделирования с использованием сверхъячеек рассчитаны термодинамические характеристики твердых растворов MgSiO3, CaSiO3 и (Mg,Fe)O, содержащих в своем составе редкоземельные элементы. Впервые рассчитаны коэффициенты распределения REE ряда La-Lu относительно перовскитов нижней мантии и зависимости энтальпии смешения от состава твердых растворов исследуемых минеральных фаз с гипотетическими РЗЭ миналами. Согласно полученным данным, тяжелые редкоземельные элементы Er, Tm, Yb и Lu аккумулируются преимущественно в MgSiO3, а более легкие лантаноиды в CaSiO3. Такое распределение элементов по Сa- и Mg-перовскитам может быть объяснено близостью ионных радиусов Er, Tm, Yb и Lu к Mg, по сравнению с Ca. В результате изучения взаимодействия перидотита с модельным GLOSS при 7, 18 и 24 ГПа и 1000-1400˚С было выявлено зональное строение экспериментальных образцов с отчетливым выделением промежуточной реакционной зоны. Полученные результаты показали важность рассмотрения поведения примесных элементов при корово-мантийном взаимодействии, так как многие из них (например, хром в перидотитовых фазах – гранате и бриджманите; кальций и титан в фазах преобразованного GLOSS – гранате, пироксене, акимотоите и бриджманите) являются надежными индикаторами протолита. В зоне взаимодействия между перидотитом и GLOSS получены высокоглиноземистые (в том числе, водосодержащие) фазы широкого диапазона составов: HAL – Mg2AlSi3O9(OH) со структурой криновита; Mg2AlSi(Si2O7)(OH)5 (до 12 мас.% H2O); ((Mg0.09,Fe0.07)Si0.15Al0.69)OOOH –твердый раствор MgSiO2(OH)2 (фаза H)–AlOOH (фаза δ). Можно предполагать, что образование водонасыщенных фаз при субдукции может привносить до 8 мас.% H2O в нижнюю мантию Земли. В многокомпонентной системе рингвудит Mg2SiO4–Fe2SiO4–щелочной карбонат (Na2CO3–CaCO3–K2CO3) при 20 ГПа и 1000–1700°C установлены фазовые отношения, рассчитаны коэффициенты межфазового распределения химических элементов в экспериментальных образцах, и впервые в равновесии со щелочным расплавом получен богатый щелочами рингвудит (до 1,20 мас.% К2О и до 0,76 мас.% Na2O). Методом межатомных потенциалов проведена оценка вхождения примеси хрома в состав мантийных минералов со структурой перовскитового типа в диапазоне давлений 18–25 ГПа и температур 1873–2223 К. Показано, что для CaSiO3- и MgSiO3-перовскитов энергетически предпочтительной является стехиометричная схема изоморфизма Ca(Mg) + Si → Cr + Cr, что находится в хорошем соответствии с экспериментальными данными. Полученные данные позволяют на количественной основе обсуждать вопросы вхождения хрома в состав перовскитовых фаз и более полно рассматривать особенности изоморфизма в CaSiO3-перовските и бриджманите. В результате детального структурного изучения и определения упругих свойств в алмазных наковальнях с использованием синхротронного излучения, проведенного на двух кристаллах натриевых пироксенов составов (Na0.886Fe0.03Mg0.085)(Fe0.168Mg0.39Si0.442)Si2O6 и (Na0.86Mg0.14)(Mg0.57Ti0.43)Si2O6 для них установлена моноклинная сингония, пространственная группа C2/c и величины модуля упругости KTo 106.8(2) и 122.1(7) ГПа, соответственно. Na-Ti-пироксен характеризуется существенно более высокой сжимаемостью, из-за того, что в составе Na-Mg-Si пироксена присутствует железо, для которого при высоком давлении октаэдры FeO6 значительно более упруги по сравнению с полиэдрами MgO6. Показано, что образование богатых натрием пироксенов на мантийных глубинах связано с кристаллизацией карбонатно-силикатных расплавов малых степеней плавления в ходе мантийно-корового взаимодействия при погружении океанической плиты в мантию Земли и ее стагнации в переходной зоне. | ||
3 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Примесные элементы в фазах мантии Земли: межфазовое распределение, влияние на минеральные равновесия, изоморфизм и структурные особенности минералов |
Результаты этапа: |
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".