Примесные элементы в фазах мантии Земли: межфазовое распределение, влияние на минеральные равновесия, изоморфизм и структурные особенности минераловНИР

Minor elements in phases of the Earth's mantle: interphase partitioning, influence on mineral equilibria, isomorphism, and structural patterns of minerals

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# 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:

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".