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

Cover Page

Cite item

Abstract

The peritectic reaction of ringwoodite (Mg,Fe)2SiO4 and silicate-carbonate melt with formation of magnesiowustite (Fe,Mg)O, stishovite SiO2 and Mg, Na, Ca, K-carbonates is revealed by experimental study at 20 GPa of melting relations of the multicomponent MgO−FeO−SiO2−Na2CO3−CaCO3−K2CO3 system of the Earth’s mantle transition zone. A reaction of CaCO3 and SiO2 with the formation of Ca-perovskite CaSiO3 is also detected. It is shown that the peritectic reaction of ringwoodite and melt with the formation of stishovite physic-chemically controls the fractional ultrabasic-basic evolution of both magmatic and diamond-forming systems of the deep horizons of the transition zone up to its boundary with the Earth’s lower mantle.

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–SiO2Carb* 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, 2FeOSiO2 (для состава Fe2SiO4) и карбонатов CaCO3, Na2CO3 и К2CO3 использованы в граничных составах бинарного политермического сечения (Mg2SiO4)70(Carb*)30 ― (2FeOSiO2)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; (2FeOSiO2) ― 52.5; CaCO3 ― 10.2; Na2CO3 ― 9.9; К2CO3 ― 9.9 (мас.%); II ― Mg2SiO4 ― 3.5; (2FeOSiO2) ― 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–SiO2Carb* 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–SiO2Carb* 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 2FeOSiO2 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 (Mg2SiO4Fe2SiO4)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–SiO2Carb* 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 (2FeOSiO2)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,Karb, 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−SiO2Carb* планировались первоначально в политермическом сечении (Mg2SiO4)70Carb*30 ― (2FeOSiO2)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–SiO2Carb*–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 CaPrvx – [(2FeOSiO2 )70Carb*30]100-xCaPrvx. 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-xCaPrvx − [(2FeO∙SiO2)70Carb*30]100-x CaPrvx 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 + CarbL + FRwd + Sti + MWus + Carb* + CaPrv; для состава II ― (Fe2SiO4)66.5(Mg2SiO4)3.5(Carb*)30: L + Sti  L + MWus + Sti  L + Sti + MWus + CarbL + 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–SiO2Carb* 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

  1. Бобров A.В., Дымшиц А.М., Литвин Ю.А. (2009) Условия магматической кристаллизации Na-содержащих мэйджоритовых гранатов в мантии Земли по экспериментальным и природным данным. Геохимия (10), 1011−1026.
  2. Bobrov A.V., Dymshits A.M., Litvin Yu.A. (2009) Condition of magmatic crystallization of Na-bearing majoritic garnets in the Earth mantle evidence from experimental and natural data. Geоchem. Int. 47 (10), 951−965.
  3. Дымшиц А.М., Бобров А.В., Литвин Ю.А. (2015) Фазовые отношения в системе (Mg,Ca)3Al2Si3O12 ― Na2MgSi5O12 при 7.0 и 8.5 ГПа и 1400−1900°С. Геохимия (1), 12−21.
  4. Dymshits A.M., Bobrov A.V., Litvin Yu.A. (2015) Phase relations in the system (Mg,Ca)3Al2Si3O12 ― Na2MgSi5O12 at 7.0 and 8.5 ГПа and 1400−1900°С. Geоchem. Int. 53 (1), 9−18.
  5. Литасов К.Д. (2011) Физико-химические условия плавления мантии Земли в присутствии С-О-Н-флюида по экспериментальным данным. Геология и геофизика 52 (5), 613-635.
  6. Литвин Ю.А., Спивак А.В., Кузюра А.В. (2016) Основы мантийно-карбоатитовой концепции генезиса алмаза. Геохимия (10), 873−892.
  7. Litvin Yu.A., Spivak A.V., Kuzyura A.V. (2016) Fundamentals of the mantle carbonatite concept of diamond genesis. Geоchem. Int. 54 (10), 839−857.
  8. Литвин Ю.А., Спивак А.В., Симонова Д.А., Дубровинский Л.С. (2017) Стишовитовый парадокс в эволюции нижнемантийных магм и алмазообразующих расплавов (эксперимент при 24 и 26 ГПа). ДАН 473 (5), 596−599.
  9. Палатник Л.С., Ландау А.И. (1961) Фазовые равновесия в многокомпонентных системах. Харьков: Издательство Харьков. гос. ун-та, 405 с.
  10. Райнз Ф. (1960) Диаграммы фазового равновесия в металлургии. М.: Металлургиздат, 376 с.
  11. Akaogi M. (2007) Phase transformations of minerals in the transition zone and upper part of the lower mantle. Advances in High-Pressure Mineralogy (Ohtani E., ed.): Geological Society of America Special Paper 421, 1−13.
  12. Fabrichnaya O., Saxena S.K., Richet P., Westrum E.F. Jr (2004) Thermodynamic data, models, and phase diagrams in multicomponent oxide systems. New York: Springer, 198 р.
  13. Fei Y., Mao H.-K., Mysen B.O. (1991) Experimental determination of element partitioning and calculation of phase relations in the MgO-FeO-SiO2 system at high pressure and high temperature. J. Geophys. Res. B2, 2157-2169.
  14. Frost D.J., Poe B.T., Tronnes R.G., Libske C., Duba F., Rubie D.C. (2004) A new large-volume multianvil system. Phys. Earth Planet. Inter. 143, 507−514.
  15. Harte B. (2010) Diamond formation in the deep mantle: the record of mineral inclusions and their distribution in relation to mantle dehydration zones. Mineral. Mag. 74 (2), 189−215.
  16. Ishii T., Kojitani H., Akaogi, M. (2011) Post-spinel transitions in pyrolite and Mg2SiO4 and akimotoite-perovskite transition in MgSiO3: Precise comparison by high-pressure high-temperature experiments with multi-sample cell technique. Earth Planet. Sci. Lett. 309, 185−197.
  17. Ito E., Takahashi E. (1989) Postspinel transformation in the system Mg2SiO4-Fe2SiO4 and some geophysical implications. J. Geophys Res. 94, 10637-10646.
  18. Jacobs M.H.G., Schmid-Fetzer R., van den Berg A.P. (2019) Thermophysical properties and phase diagrams in the system MgO-SiO2-FeO at upper mantle and transition zone conditions derived from a multiple-Einstein method. Phys. Chem. Miner. 46 (5), 513−534; doi.org/10.1007/s00269-018-01020-y.
  19. Kaminsky F.V. (2012) Mineralogy of the lower mantle: a review of “super-deep” mineral inclusions inclusions in diamond. Earth Sсi. Rev. 110, 127−147.
  20. Kaminsky F.V. (2017) The Earth’s lower mantle. Composition and structure. Cham, Switherland: Springer Nature, 331 p.
  21. Matsuzaka K., Akaogi M., Suzuki T., Suda T. (2000) Mg-Fe partitioning between silicate spinel and magnesiowüstite at high pressure: experimental determination and calculation of phase relations in the system Mg2SiO4-Fe2SiO4. Phys. Chem. Miner. 27, 310-319.
  22. Ohtani E., Kumazawa M., Kato T., Irifune T. (1982) Melting of various silicates at elevated pressures. In High Pressure Research in Geophysics (Eds. Akimoto S., Manghnani M.H). Tokyo: Center of Academic Publication, 259−270.
  23. Ringwood A.E. (1975) Composition and petrology of the Earth’s mantle. New York: McGraw-Hill, 618 p.
  24. Ringwood A.E., Major A. (1970) The system Mg2SiO4-Fe2SiO4 at high pressure and temperature. Phys. Earth Planet. Sci. Lett. (5), 89−108.
  25. Spivak A.V., Litvin Yu. A. (2019) Evolution of magmatic and diamond-forming systems of the earth’s lower mantle. Cham, Switherland: Springer Nature, 95 p.
  26. Tomioka N., Fujino K., Ito E., Katsura T., Sharp T., Kato T. (2002) Microstructures and structural phase transition in (Mg,Fe)SiO3 majorite. Eur. J. Mineral. 14, 7−14.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Fig. 1. Subsolidus associations of the MgO – FeO – SiO2 – Carb * system at 20 GPa and 1100 ° C (based on available experimental data and the results of this work). Symbols: Per - periclase, Sti - stishovit, Wus - wustite, Rwd - ringwoodite, Aki - akimotoit, FPer - ferropericlase, MWus - magnesiouvustite, FRwd - solid solutions (Mg, Fe) 2SiO4, FAki - solid solutions of akimotoite (Mg, Fe, Fe ) SiO3, Carb * is a simplified notation for the carbonate system CaCO3 – Na2CO3 – K2CO3, which is taken out of the diagram as common for all phase associations of the system; diamonds - starting compositions of the experimental series at 20 GPa and 1000–1700 ° С; P - peritectic point; arrows with a dotted line indicate the direction of lowering the temperature of the cotectic curves; crosses - compositions in oxides for unstable compounds: FeO ∙ SiO2 for FeSiO3 and 2FeO ∙ SiO2 for Fe2SiO4. The arrows indicate the position of the polythermal section (Mg2SiO4) 70Carb * 30 - (2FeO ∙ SiO2) 70Carb * 30.

Download (168KB)
2. Fig. 2. SEM images of experimental samples in the polythermal section (Mg2SiO4) 70Carb * 30 - (2FeO ∙ SiO2) 70Carb * 30 at 20 GPa after quenching: (a) - Sample. S6873-1 at 1700 ° C; (b) - arr. S6875-2 at 1400 ° C; (c) - arr. S6880-1 at 1500 ° C; (d) - arr. S6886-1 at 1000 ° C. Symbols: L - melt, CaPrv - Ca-perovskite, Mag - magnesite.

Download (336KB)
3. Fig. 3. A preliminary diagram of phase relations during melting in the polythermal section [(Mg2SiO4) 70Carb * 30] 100-xCaPrvx - [(2FeO ∙ SiO2) 70Carb * 30] 100-x CaPrvx at 20 GPa. The experimental conditions are marked with black dots. P is the peritectic point L + Rwd + MWus + Sti + CaPrv + Carb * with the key reaction L + Rwd = Sti + MWus.

Download (135KB)

Copyright (c) 2019 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies