Evolution of diamond-forming systems of the mantle transition zone: ringwoodite peritectic reaction (Mg,Fe)2SiO4 (experiment AT 20 GPa)

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Многокомпонентное вещество глубинных горизонтов мантии, недоступное для изучения in situ, фрагментарно доставлено к поверхности кимберлитовыми магмами в виде первичных включений в алмазах. Вместе с тем в концепции изохимической мантии допускается, что ее состав является постоянным для всех глубин и соответствует химическому составу модельного верхнемантийного пиролита (Ringwood, 1975). Действительно, при изучении субсолидусных превращений пиролита (аналога гранатового лерцолита) в опытах при Р-Т-условиях переходной зоны (Akaogi, 2007) обнаруживается, что экспериментальные фазы минералогически подобны минералам включений в алмазах с этих глубин. Это позволяет предположить, что в формировании алмазообразующих сред принимали участие минеральные компоненты коренного вещества переходной зоны, растворяясь в первичных карбонатных расплавах метасоматического происхождения (Литвин и др., 2016). На стадии алмазообразования растворенные компоненты кристаллизовались в виде парагенных с алмазами минералов (с их фрагментарным захватом растущими алмазами), которые аналогичны минералам переходной зоны. Данный подход позволяет определить общие составы мантийных и алмазообразующих систем по составам парагенных включений в алмазах переходной зоны (Spivak, Litvin, 2019).

По главным компонентам коренные магматические породы переходной зоны относятся к системе MgO–FeO–Al₂O₃–CaO–Na₂O, а алмазообразующей является система MgO–FeO–Al₂O₃–CaO–Na₂O–MgCO₃–FeCO₃–CaCO₃–Na₂СO₃–K₂CO₃–С. При этом составы систем как мантийных, так и алмазообразующих очень изменчивы. Об этом свидетельствует то, что среди минералов включений наблюдаются такие индикаторные фазы, как рингвудит (Mg,Fe)₂SiO₄ (минерал ультрабазитовых пород) и стишовит SiO₂ (минерал базитовых пород). К ассоциации минералов первичных включений в алмазах переходной зоны принадлежат мэйджоритовые гранаты, т. е. твердые растворы с участием компонентов мэйджорита Mg₄Si₄O₁₂ (Ringwood, Major, 1970) и Na-мэйджорита Na₂MgSi₅O₁₂ (Бобров и др., 2009; Дымшиц и др., 2015). Обнаружены Са-перовскит CaSiO₃ и магнезиовюстит (Fe,Mg) O, также карбонаты Mg, Fe, Ca, Na и K (Harte, 2010; Kaminsky, 2012; 2017) и другие минералы.

Экспериментальные исследования субсолидусных превращений в системе Mg₂SiO₄–Fe₂SiO₄ показали, что твердый раствор рингвудита (Mg₂SiO₄∙Fe₂SiO₄)_ss в условиях переходной зоны мантии является ограниченным, поскольку при давлении выше 17 ГПа его железистый компонент Fe₂SiO₄ неустойчив и диспропорционирует с образованием вюстита FeO и стишовита SiO₂ (Ito, Takahashi, 1989; Matsuzaka et al., 2000). При этом подобный распад распространяется и на область обедненных магнезиальным компонентом составов. С этим связано формирование двух стишовитсодержащих субсолидусных ассоциаций: (1) рингвудит (Mg,Fe)₂SiO₄ + стишовит SiO₂ + ферропериклаз-магнезиовюститовые твердые растворы (Mg,Fe)O↔(Fe,Mg)O и (2) магнезиовюстит (Fe,Mg)O + стишовит SiO₂.

Между тем физико-химические механизмы, контролирующие процессы ультрабазит-базитовой эволюции составов коренных магм и алмазообразующих расплавов переходной зоны мантии, не очевидны из минералогических аналитических данных и результатов экспериментального изучения субсолидусных превращений минералов переходной зоны и их компонентов. Данные механизмы могут быть раскрыты только в физико-химическом эксперименте при исследовании фазовых превращений при плавлении минеральных систем переходной зоны с представительными в данных случаях граничными составами.

Данная работа направлена на экспериментальные и теоретические исследования фазовых отношений при плавлении граничной алмазообразующей системы MgO–FeO–SiO₂–Na₂СO₃–CaCO₃–K₂CO₃ при давлении 20 ГПа, обеспечивающем структурную устойчивость рингвудита (Mg,Fe)₂SiO₄ как главного минерала наиболее глубинных ультрабазитовых пород переходной зоны мантии. Поскольку компонент Fe₂SiO₄ неустойчив на таких глубинах и распадается по реакции Fe₂SiO₄ = 2FeO + SiO₂, это целесообразно отразить в граничных составах оксид-силикатной составляющей исследуемой системы как Mg₂SiO₄ ― (2FeO∙SiO₂). Вместе с тем состав карбонатной составляющей может быть упрощенно обозначен как Carb*.

Таким образом, главной целью экспериментальных исследований при 20 ГПа являются фазовые отношения при плавлении псевдотройной многокомпонентной системы (MgO + Carb*) – (FeO + Carb*) – (SiO₂ + Carb*) в ее двумерном политермическом сечении [(Mg,Fe)₂SiO₄ + Carb*] – [(2FeO·SiO₂) + Carb*)]. Ожидается определение природы физико-химических механизмов, обеспечивающих ультрабазит-базитовую эволюцию алмазообразующих расплавов и формирование соответствующих субсолидусных минеральных ассоциаций.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Экспериментальные исследования фазовых отношений при плавлении системы MgO–FeO–SiO₂–Carb* выполнялись при 20 ГПа, что соответствует условиям стабильности рингвудита (который устойчив в интервале 18−24 ГПа на глубинах 520−660 км). Эксперименты проведены при 20 ГПа и 1000–1700°C с использованием многопуансонного кубического аппарата высоких давлений и температур в Баварском институте геохимии и геофизики Университета Байройта, Германия. При этом применена стандартная ячейка 7.3 мм с нагревателем из хромита лантана LaCrO₃, исследуемые вещества помещались в капсулы из Pt или Re фольги. Применен способ высокоскоростной закалки при Р-Т-условиях экспериментов. Погрешности при определении значений давления и температуры оценены как ±0.5 ГПа и ±50°C соответственно. Полное описание методических деталей и экспериментальных процедур дано в работе (Frost et al., 2004). Условия и результаты экспериментов приведены в таблице.

 

Таблица. Условия и представительные результаты экспериментов по изучению фазовых отношений при плавлении в системе MgO–FeO–SiO₂–(Na,Ca,K)CO₃ при 20 ГПа

№ обр.	Т, оС	t, мин	Экспериментальные результаты
			Фаза	SiO2	FeO	MgO	CaO	Na2O	K2O	CO2*	Сумма
				мас. %
Состав I ― (Fe2SiO4)52.5(Mg2SiO4)17.5(Carb*)30
S6873-1	1700	30	L	10.47	9.79	8.70	18.57	18.69	12.47	21.32	100.00
			Rwd**	34.42	34.73	27.02	1.55	0.95	1.32	-	99.99
S6880-1	1500	20	L	7.26	10.63	11.64	11.97	6.16	8.80	43.54	100.00
			Rwd	33.86	35.02	25.87	1.90	1.50	1.82	-	99.98
			MWus	0.49	87.47	5.50	2.25	2.55	1.73	-	99.98
			Sti	98.15	1.27	н.о.	0.14	н.о.	н.о.	-	99.56
S6877-1	1200	40	L	12.64	5.40	7.79	18.33	9.32	12.72	33.52	100.00
			Rwd	33.78	30.02	32.40	1.63	1.11	1.06	-	99.99
			MWus	0.55	92.68	5.33	0.49	0.23	0.32	-	99.84
			Sti	95.93	1.82	0.29	0.84	0.63	0.47	-	99.99
			CaPrv	48.57	1.64	0.55	46.32	0.92	1.79	-	99.97
			Mag	0.43	2.40	40.27	0.35	0.16	0.22	56.00	100.00
			Ca,K-Carb	0.73	1.43	6.72	12.27	5.31	17.82	55.69	100.00
S6886-1	1000	60	MWus	2.93	87.49	2.79	1.36	2.08	3.35	-	99.99
			Sti	97.12	1.20	0.16	0.14	0.61	0.77	-	99.98
			CaPrv	48.70	1.27	0.24	46.26	0.99	2.13	-	99.59
			Mag	1.81	3.27	42.25	0.90	1.18	1.69	48.91	100.00
			Ca,K,Na-Carb	1.44	1.68	1.03	20.21	9.59	8.57	57.48	100.00
Состав II ― (Fe2SiO4)66.5(Mg2SiO4)3.5(Carb*)30
S6873-2	1700	30	L	11.66	18.62	1.94	10.26	6.66	8.89	41.85	100.00
			MWus	0.82	97.43	1.13	0.22	0.34	н.о.	-	99.95
			Sti	98.43	1.39	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	-	99.82
S6875-2	1400	10	L	3.19	5.74	2.89	19.62	9.58	11.72	47.26	100.00
			MWus	0.44	98.15	0.98	0.15	0.26	н.о.	-	99.98
			Sti	96.92	2.28	н.о.	0.36	0.15	0.21	-	99.92
S6877-2	1200	40	L	11.28	4.39	3.44	17.12	6.00	10.69	47.08	100.00
			MWus	0.50	97.26	1.46	0.39	0.16	0.17	-	99.98
			Sti	95.27	1.29	0.32	1.39	0.85	0.87	-	99.99
			Ca,K-Carb	0.74	3.45	3.01	21.20	9.49	13.53	48.59	100.00
S6886-2	1000	60	MWus	0.62	92.06	0.79	0.20	1.05	0.41	-	99.99
			Sti	97.88	1.06	0.33	0.18	н.о.	0.53	-	99.99
			Mag	н.о.	4.83	39.94	1.33	1.10	3.60	49.21	100.00
			Ca,K-Carb	0.58	0.89	0.20	38.67	3.04	14.62	42.01	100.00
			Ca,K,Na-Carb	0.95	1.13	0.64	19.51	15.72	12.18	49.87	100.00

Примечания. Приведены усредненные значения составов по отдельным фазам. * ― расчетные данные, ** ― закалочная фаза.

 

Наибольший интерес в отношении генезиса алмаза и ассоциированных минералов представляют фазовые отношения алмазообразующей оксид-силикат-карбонатной системы MgO–FeO–SiO₂–Na₂СO₃–CaCO₃–K₂CO₃. В качестве карбонатной составляющей использована легкоплавкая смесь модельного состава Na₂CO₃−CaCO₃−K₂CO₃, в которой не повторяется катионная часть оксид-силикатных компонентов. Однородные гелевые смеси Mg₂SiO, 2FeO∙SiO₂ (для состава Fe₂SiO₄) и карбонатов CaCO₃, Na₂CO₃ и К₂CO₃ использованы в граничных составах бинарного политермического сечения (Mg₂SiO₄)₇₀(Carb*)₃₀ ― (2FeO∙SiO₂)₇₀(Carb*)₃₀, где Carb* отвечает составу CaCO₃ ― 34, Na₂CO₃ ― 33, К₂CO₃ ― 33 (мас.%). В опытах при изучении фазовых отношений при плавлении исследованы два состава: I ― Mg₂SiO₄ ― 17.5; (2FeO∙SiO₂) ― 52.5; CaCO₃ ― 10.2; Na₂CO₃ ― 9.9; К₂CO₃ ― 9.9 (мас.%); II ― Mg₂SiO₄ ― 3.5; (2FeO∙SiO₂) ― 66.5; CaCO₃ ― 10.2; Na₂CO₃ ― 9.9; К₂CO₃ ― 9.9 (мас.%).

Исследование мантийных систем со сложными составами в физико-химическом эксперименте может быть продуктивным только с использованием теоретических методов физической химии многокомпонентных многофазовых систем (Райнз, 1960; Палатник, Ландау, 1961).

Экспериментальные образцы исследовались на сканирующем электронном микроскопе CamScan M2300 (VEGA TS 5130MM) со спектральным анализатором Link INCA Energy-350 в Институте экспериментальной минералогии РАН (операторы ― Д.А. Варламов, А.А. Вирюс). Полированные образцы изучались под углеродным напылением толщиной ~15 мкм. Растровые электронные изображения получены в отраженных электронах с ускоряющим напряжением 20 кВ с увеличениями от 8.5 до 2500 раз. Количественный микроанализ выполнен при ускоряющем напряжении 20 кВ и токе зонда ~15 нA со средней погрешностью ±0.2 мас%. Размер электронного зонда 115−140 нм при сканировании до 60 нм, диаметр области возбуждения до 5 мкм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Решение проблемы физико-химических механизмов ультрабазит-базитовой эволюции мантийных и алмазообразующих расплавов переходной зоны мантии становится возможным при экспериментальном исследовании фазовых отношений при плавлении многокомпонентных систем, граничные составы которых представительны для соответствующего глубинного вещества. Единственным источником информации в данном случае являются первичные включения в алмазах переходной зоны (Kaminsky, 2017). Прежде в физико-химическом эксперименте установлено (Литвин и др., 2017; Spivak, Litvin, 2019), что в случае нижней мантии ультрабазит-базитовая эволюция мантийных и алмазообразующих систем контролируется перитектической реакцией главного минерала бриджменита (Mg,Fe)SiO₃ и расплава с образованием магне-зиовюстита (Mg,Fe)O и стишовита SiO₂.

Главное значение для настоящего исследования имеет граничная система MgO–FeO–SiO₂–Carb* с триангуляционным разбиением (рис. 1). Диаграмма субсолидуса данной системы при 20 ГПа основана на имеющихся экспериментальных данных и результатах настоящей работы и включает фазовые ассоциации, стабильные в условиях Р-Т-параметров опытов при 1000–1700°С. По экспериментальным оценкам (Ishii et al., 2011), фазовая граница при 20 ГПа между полями стабильности акимотоита MgSiO₃ со структурой ильменита и изохимического мэйджоритового граната Mg₄Si₄O₁₂ находится в интервале 1500–1600°C, поэтому на рис. 1 указан акимотоит как возможное стабильное соединения в интервале температур 1000–1700°С. Твердые растворы системы MgO–FeO–SiO₂–Carb* представлены неограниченным твердым раствором периклаза и вюстита (Mg,Fe)O FPer/MWus, ограниченными твердыми растворами железосодержащего рингвудита (Mg,Fe)₂SiO₄ FRwd и железистого акимотоита (Mg,Fe)SiO₃ FAki. В системе устойчиво соединение Mg₂SiO₄ и неустойчиво Fe₂SiO₄, распадаясь на 2FeO∙SiO₂ при 20 ГПа (Ohtani et al., 1982; Ito, Takahashi, 1989). Вместе с тем при образовании ограниченных твердых растворов рингвудита стехиометрия Fe₂SiO₄ сохраняется в твердых растворах (Mg₂SiO₄∙Fe₂SiO₄)_ss. Предел растворимости железистого компонента в рингвудите по экспериментальным данным достигает ~55−65 мол.% (Ito, Takahashi, 1989; Matsuzaka et al., 2000), расчетные данные показывают более низкое значение – ~30−45 мол.% (Fei et al., 1991; Fabrichnaya et al., 2004). Железосодержащий компонент FeSiO₃ вовлечен как стабильный в твердый раствор (Mg,Fe)SiO₃. При этом соединение FeSiO₃ является нестабильным в качестве промежуточной фазы двойной системы FeO–SiO₂ при 20 ГПа (обзор в Jacobs et al., 2019). Экспериментально определено, что железосодержащий компонент может входить в состав (Mg,Fe)SiO₃ до 20−40 мол%, тем самым определяя предел растворимости данного компонента (Tomioka et al., 2002).

 

Рис. 1. Субсолидусные ассоциации системы MgO–FeO–SiO₂–Carb* при 20 ГПа и 1100°С (на основе имеющихся экспериментальных данных и результатов настоящей работы). Символы: Per ― периклаз, Sti ― стишовит, Wus ― вюстит, Rwd ― рингвудит, Aki ― акимотоит, FPer ― ферропериклаз, MWus ― магнезиовюстит, FRwd ― твердые растворы (Mg,Fe)₂SiO₄, FAki ― твердые растворы акимотоита (Mg,Fe)SiO₃, Carb* ― упрощенное обозначение для карбонатной системы CaCO₃–Na₂CO₃–K₂CO₃, которое вынесено за пределы диаграммы как общее для всех фазовых ассоциаций системы; ромбы ― стартовые составы экспериментальных серий при 20 ГПа и 1000–1700°С; Р ― перитектическая точка; стрелки с пунктиром ― направление понижения температуры котектических кривых; крестики ― составы в оксидах для нестабильных соединений: FeO∙SiO₂ для FeSiO₃ и 2FeO∙SiO₂ для Fe₂SiO₄. Стрелками показано положение политермического сечения (Mg₂SiO₄)₇₀Carb*₃₀ − (2FeO∙SiO₂)₇₀Carb*₃₀.

 

Симптоматично, что при 20 ГПа экспериментальные и расчетные данные обнаруживают последовательность субсолидусных полей FRwd + FPer + Carb, FRwd + FAki + Carb*, FAki + Sti + Carb*, FRwd + FAki + Sti + Carb*, FRwd + Sti + Carb, FRwd + Sti + MWus + Carb*, Sti + MWus + Carb* при возрастании FeO компонента в составе системы MgO–SiO₂–FeO–Carb* (рис. 1).

В эксперименте при 20 ГПа изучены ликвидусные фазовые отношения системы рингвудит Rwd Mg₂SiO₄ – железистый компонент (2FeO·SiO₂) – карбонат Carb* (Na,Ca,K)CO₃, в особенности физико-химическое поведение силикатных компонентов при повышенных содержаниях железистых компонентов.

Экспериментальные исследования раскрывают фазовые отношения при плавлении в политермическом сечении ((Mg,Fe)₂SiO₄)₇₀Carb*₃₀ − (2FeO·SiO₂)₇₀Carb*₃₀ алмазообразующей системы при 20 ГПа. Что особенно важно, установлено перитектическое взаимодействие рингвудита с карбонатсодержащим расплавом, в результате которого в субсолидусе данной системы образуется базитовая ассоциация стишовита, магне-зиовюстита, Са-перовскита и карбонатов. Условия и результаты экспериментов приведены в таблице и на рис. 2 и 3.

 

Рис. 2. СЭМ-снимки экспериментальных образцов в политермическом сечении (Mg₂SiO₄)₇₀Carb*₃₀ − (2FeO∙SiO₂)₇₀Carb*₃₀ при 20 ГПа после закалки: (a) ― обр. S6873-1 при 1700°С; (б) ― обр. S6875-2 при 1400°С; (в) ― обр. S6880-1 при 1500°С; (г) ― обр. S6886-1 при 1000°С. Символы: L ― расплав, CaPrv ― Са-перовскит, Mag ― магнезит.

 

При температуре 1700°С происходит плавление стартового состава (2FeO·SiO₂)_52.5(Mg₂SiO₄)_17.5 (Carb*)₃₀. Образец представлен силикатно-карбонатным агрегатом с отчетливо выраженными закалочными кристаллами рингвудита FRwd* (рис. 2а). Рингвудит FRwd является ликвидусной фазой. Со стороны высокожелезистого стартового состава (2FeO∙SiO₂)_66.5(Mg₂SiO₄)_3.5(Carb*)₃₀ при 1700°С имеет место совместная кристаллизация стишовита Sti и магнезиовюстита MWus из карбонат-силикатного расплава (рис. 2б). Для высокожелезистого состава ликвидусной фазой является стишовит. С понижением температуры до 1400°С происходит формирование ассоциаций Rwd + MWus + Sti + L (рис. 2в) и MWus + Sti + L. Присутствие легкоплавких карбонатов Na₂CO₃ и К₂CO₃ в системе снижает температуру плавления: например, при 1200°С наблюдается частичное плавление обоих стартовых составов. Необходимо обратить внимание на то, что обнаружена также сопряженная реакция CaCO₃ и Mg₂SiO₄ с образованием Ca-перовскита CaSiO₃ и магнезита MgCO₃ (рис. 2г). Ранее сообщалось о подобной реакции карбоната кальция с кремнеземом (Литасов, 2011). Из карбонатных фаз при данных параметрах обнаружен также K,Ca-карбонат. При температуре 1000°С система не плавится, формируется субсолидусная ассоциация магнезиовюстит MWus, стишовит Sti, Ca-перовскит CaPrv и набор карбонатных фаз ― магнезит Mag, Ca,K- и Ca,K,Na-карбонаты. Рингвудит Rwd в условиях высокожелезистых субсолидусных составов не идентифицирован.

Кристаллы рингвудита FRwd обнаруживаются среди продуктов частичного плавления в экспериментах со стартовым составом (I). Кристаллы рингвудита представляют собой твердый раствор компонентов Mg₂SiO₄ и 2FeO·SiO₂, стехиометрия которых кристаллохимически стабизизирована как Fe₂SiO₄. Обогащенные железистым компонентом стартовые составы влияют на магнезиальность рингвудита, которая колеблется в пределах 0,39−0,66. Компоненты Са, Na и К являются примесными. Средние их содержания определяются для CaO ― 1.90, Na₂O ― 1.50, К₂О ― 1.82 мас.% при 1500°С.

Магнезиовюстит MWus присутствует в экспериментальных образцах двух стартовых составов и представляет собой твердые растворы периклаза и вюстита. Магнезиовюститы серии (I) содержат MgO до 6.51 мас.% (в среднем 4.10 мас.%), серии (II) ― до 2.11 мас.% (в среднем 0.99 мас.%). Содержание примесных компонентов не превышает первых процентов для высокожелезистых магнезиовюститов, в то время как для вюститов серии (I) средние значения CaO определены как 2.25, Na₂O ― 2.55, К₂О ― 1.73 (мас.%) при 1500°С.

Стишовит Sti обнаружен в экспериментальных образцах в ассоциации с магнезиовюститом и может содержать до 2.28 мас.% FeO. Остальные компоненты системы или не обнаружены, или определяются на пределе обнаружения.

Ca-перовскит CaPrv, который формируется в результате взаимодействия Сa-карбоната с силикатными компонентами исследуемой системы, содержит примеси FeO до 1.64 мас.% и К₂О ― 1.79 мас.%, а также незначительное количество примесей оксидов Са и Na.

Среди карбонатных фаз Carb* первой образуется магнезит Mag, затем Ca,K-карбонат Ca,K-Сarb, а в условиях субсолидуса к ним присоединяется Ca,K,Na-карбонат Ca,K,Na-Carb. В магнезите Mag установлены примеси карбонатных компонентов железа, кальция, натрия и калия. При этом среднее содержание FeO составляет 4.83 мас.%, для оксидов Са, Na и К ― в пределах первых процентов. Ca,K- и Ca,K,Na-карбонаты отличаются по аналитическим соотношениям оксидов калия и натрия. Среднее содержание K₂O в калиевом арагоните достигает 17.82 при 5.31 мас.% Na₂O, в то время как в натриево-калиевом арагоните Na₂O ― 15.72 и К₂О ― 12.18 мас.%.

Экспериментальные исследования при 20 ГПа фазовых отношений при плавлении системы MgO−FeO−SiO₂−Carb* планировались первоначально в политермическом сечении (Mg₂SiO₄)₇₀Carb*₃₀ ― (2FeO∙SiO₂)₇₀Carb*₃₀, исходное положение которого показано стрелками на диаграмме ее субсолидуса (рис. 1). Однако реакционное появление Са-перовскита в продуктах эксперимента как дополнительной индивидуальной фазы ведет к изменению граничных составов исследуемой системы в виде MgO–FeO–SiO₂–Carb*–СaSiO₃. Аналитические и экспериментальные данные, сочетаемые с методами физико-химического анализа, раскрывают закономерности кристаллизации расплавов исследуемой системы, определяемые в ее политермическом сечении [(Mg₂SiO₄)₇₀Carb*₃₀]_{100- x} CaPrv_x – [(2FeO∙SiO₂ )₇₀Carb*₃₀]_100-xCaPrv_x. При этом индекс «х» относится к концентрации СаPrv, а «100-х» ― суммарно к остальным компонентам сечения. Таким образом, Са-перовскит является новой дополнительной фазой исследуемой системы, что отражено в граничных составах экспериментальной фазовой диаграммы (рис. 3).

 

Рис. 3. Предварительная диаграмма фазовых отношений при плавлении в политермическом сечении [(Mg₂SiO₄)₇₀Carb*₃₀]_100-xCaPrv_x − [(2FeO∙SiO₂)₇₀Carb*₃₀]_100-x CaPrv_x при 20 ГПа. Условия экспериментов отмечены черными точками. Р ― перитектическая точка L + Rwd + MWus + Sti + CaPrv + Carb* с ключевой реакцией L + Rwd = Sti + MWus.

 

Диаграмма позволяет проследить следующие последовательности кристаллизации изучаемых карбонат-силикатных систем: для состава I ― (2FeO·SiO₂)_52.5(Mg₂SiO₄)_17.5(Carb*)₃₀: L  L + FRwd  L + FRwd + Sti  L + FRwd + Sti + MWus  L + FRwd + Sti + MWus + Carb*  L + FRwd + Sti + MWus + Carb* + CaPrv; для состава II ― (Fe₂SiO₄)_66.5(Mg₂SiO₄)_3.5(Carb*)₃₀: L + Sti  L + MWus + Sti  L + Sti + MWus + Carb*  L + Sti + MWus + Carb* + CaPrv. Данные последовательности свидетельствуют о начале кристаллизации карбонатных фаз в близсолидусных условиях, а Са-перовскит впервые появляется в солидусных ассоциациях.

Главная особенность фазовых отношений при плавлении исследуемой системы при давлении 20 ГПа заключается в перитектической реакции рингвудита и расплава с образованием магнезиовюстита и стишовита FRwd + L = MWus + Sti. В исследуемой многокомпонентной системе формируется многофазовая квазинонвариантная перитектическая ассоциация «расплав L + рингвудит FRwd + магнезиовюстит MWus + стишовит Sti + карбонатные минералы Carb* + Са-перовскит CaPrv». В перитектической реакции рингвудит полностью исчезает, и устойчивой при дальнейшем понижении температуры становится моновариантная ассоциация L + MWus + Sti + Carb* + CaPrv. Перитектическая реакция рингвудита происходит в присутствии карбонатных минералов и Ca-перовскита CaPrv, которые можно рассматривать как сопутствующие фазы. В итоге в условиях субсолидуса образуются две парагенные ассоциации – FRwd + MWus + Sti + Carb* + CaPrv и MWus + Sti + Carb* + CaPrv.

Таким образом, для вещества глубинных горизонтов переходной зоны определяющее значение в процессах плавления−кристаллизации имеет перитектическая реакция рингвудита. Данным реакционным физико-химическим механизмом обеспечивается при понижении температуры непрерывная ультрабазит-базитовая эволюция не только алмазообразующих силикат-карбонатных расплавов, но и коренных магм глубинных горизонтов переходной зоны мантии. Однако в равновесных условиях ультрабазит-базитовое изменение составов кристаллизующихся расплавов не может быть реализовано, так как исходный общий состав системы должен сохраняться постоянным во всех эпизодах плавления – кристаллизации от начала до конца. В реальных мантийных условиях это затруднение может быть преодолено в режиме фракционной кристаллизации, когда удаление из расплава кристаллизующихся фаз непрерывно изменяет общий состав системы, который сравнивается с составами остаточных расплавов. Таким образом, при совместном действии перитектической реакции рингвудита и условий фракционной кристаллизации становится возможной ультрабазит-базитовая эволюция коренных магматических и алмазообразующих систем переходной зоны и, соответственно, формирование непрерывных серий рингвудитсодержащих и стишовитсодержащих пород и минеральных ассоциаций первичных включений в алмазах переходной зоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментально при 20 ГПа и 1100–1700°С изучены фазовые отношения при плавлении многокомпонентной силикат-оксид-карбонатной системы MgO–FeO–CaO–SiO₂–Carb* переходной зоны мантии Земли в ее двухмерном политермическом сечении [(Mg,Fe)₂SiO₄ + Carb* + CaSiO₃] − [(2FeO·SiO₂) + Carb* + CaSiO₃] (где символ Carb* отвечает карбонатной составляющей Na₂CO₃–CaCO₃–K₂CO₃). Впервые установлена перитектическая реакция рингвудита (Mg,Fe)₂SiO₄ и расплава с образованием ассоциации магнезиовюстита (Mg,Fe)O и стишовита SiO₂. Этим раскрывается физико-химический механизм, который в сочетании с режимом фракционной кристаллизации контролирует ультрабазит-базитовую эволюцию как коренных магматических, так и алмазообразующих систем переходной зоны. Появление в системе Са-перовскита CaSiO₃ как самостоятельной граничной фазы связано с сопутствующим метасоматическим взаимодействием Сa- карбонатного компонента исследуемой системы с ригвудитом.

Перитектическая реакция рингвудита и расплава с образованием магнезиовюстита и стишовита, раскрытая в алмазообразующей силикат-оксид-карбонатной системе, характерна и для ее граничной системы MgO–FeO–SiO₂. Данная система относится к коренному силикат-оксидному веществу переходной зоны, и определяющее значение в процессах его магматизма принадлежит перитектической реакции рингвудита. Экспериментальные исследования и интерпретация их результатов выполнены в равновесном приближении состояния исследуемой системы, когда стартовый состав системы должен сохраняться постоянным во всех процессах плавления-кристаллизации от их начала до конца. Поэтому в условиях равновесной кристаллизации исходный фиксированный ультрабазитовый состав системы не может становиться базитовым, несмотря на то, что кристаллизующая система является перитектической. В режиме фракционной кристаллизации исходный состав системы становится изменчивым, так как кристаллизующиеся фазы выводятся из системы, изменяя ее общий состав (который совпадает с составами остаточных расплавов). О реалистичности режима фракционной кристаллизации и, соответственно, ультрабазит-базитовой эволюции алмазообразующих расплавов переходной зоны свидетельствуют первичные включения рингвудита (ультрабазитового минерала) и стишовита (базитового минерала) в алмазах с соответствующих глубин мантии Земли. Однако установленная в настоящей работе перитектическая реакция рингвудита не может быть распространена без специальных физико-химических экспериментальных исследований на сравнительно меньшие глубины переходной зоны, на которых устойчив вадслеит Mg₂SiO₄ – полиморфная модификация рингвудита.

Благодарности

Авторы признательны В.Е. Антонову (Институт физики твердого тела РАН), А.В. Боброву (Геологический факультет МГУ) и Ф.В. Каминскому (Институт геохимии и аналитической химии РАН) за полезные замечания при рецензировании рукописи статьи.

Источник финансирования

Данное исследование получило финансовую поддержку Программы Президиума РАН I.08.П. Содержание статьи соответствует теме исследований АААА-А18-118020590140-7 НИР ИЭМ РАН.

About the authors

А. V. Spivak

D.S. Korzhinskii Institute of Experimental Mineralogy of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: spivak@iem.ac.ru
Russian Federation, 142432 Chernogolovka, Moscow region, Acad. Osip’yan str., 4

Yu. А. Litvin

D.S. Korzhinskii Institute of Experimental Mineralogy of Russian Academy of Sciences

Email: spivak@iem.ac.ru
Russian Federation, 142432 Chernogolovka, Moscow region, Acad. Osip’yan str., 4

Е. S. Zakharchenko

D.S. Korzhinskii Institute of Experimental Mineralogy of Russian Academy of Sciences

Email: spivak@iem.ac.ru
Russian Federation, 142432 Chernogolovka, Moscow region, Acad. Osip’yan str., 4

D. А. Simonova

Bavarian Research Institute of Experimental Geochemistry and Geophysics, University of Bayreuth

Email: spivak@iem.ac.ru
Germany, D-95440 Bayreuth

L. S. Dubrovinsky

Bavarian Research Institute of Experimental Geochemistry and Geophysics, University of Bayreuth

Email: Leonid.Dubrovinsky@edu-ubayreuth.de
Germany, D-95440 Bayreuth

References

Supplementary files