MgCO3 + SiO2 reaction at pressures to 32 GPa studied using in situ X-ray diffraction and synchrotron radiation

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Температуры плавления мантийных силикатов и солидусы «сухих» перидотитовых и эклогитовых систем (Литасов, 2011; Litasov, Shatskiy, 2018) существенно превышают температуру мантийной адиабаты, оцененную по фазовым переходам в оливине на границах 410 и 660 км (Stacey, Davis, 2008; Katsura et al., 2010). Разогрев мантии поднимающимися плюмами, также скорее всего, недостаточен для достижения температур плавления. Это означает, что для плавления вещества в переходном слое и нижней мантии необходима добавка легкоплавкого компонента. Это условие является необходимым, но недостаточным для миграции вещества в глубинных слоях Земли. Вторым ключевым параметром является механизм транспорта вещества через мантию, так как расплав, обогащенный легкоплавким компонентом, может быть рассеян в окружающей мантии в результате реакций с тугоплавкими силикатами.

Кандидатами на роль легкоплавкого компонента в мантии Земли являются Н₂О, СО₂, восстановленные соединения системы С-О-Н и щелочесодержащие соединения. На сегодняшний день из всех отмеченных компонентов только СО₂ в виде карбонатов является подходящим компонентом, обеспечивающим плавление вещества мантии и его миграцию сквозь окружающую низкопористую силикатную матрицу. На фазовых диаграммах перидотит-СО₂ и эклогит-СО₂ область карбонатитовых расплавов занимает температурный интервал 500 К на уровне переходного слоя мантии, при этом солидусы пород находятся ниже мантийной адиабаты, а на ее уровне расплав имеет карбонатитовый состав с содержаниями SiO₂ не более 5 мас.% (Litasov et al., 2013a; Litasov et al., 2013b; Shatskiy et al., 2013a; Ghosh et al., 2014; Safonova et al., 2015; Похиленко et al., 2015; Litasov, Shatskiy, 2018).

В результате экспериментов при давлениях до 21 ГПа по карбонатно-силикатным системам сделан вывод о плавлении карбонатов субдукционных плит на уровне переходного слоя мантии Земли. В результате образуются карбонатитовые диапиры, которые могут всплывать сквозь мантию по механизму «растворения−переотложения», приводить к созданию вертикальных окисленных каналов и являться эффективным механизмом образования глубинных алмазов за счет восстановления углерода из расплава. Механизм «растворения−переотложения» может быть доминирующим при миграции расплавов в астеносферной мантии Земли в глобальном масштабе и иметь ключевое значение для заложения источников магматических пород на границе литосфера-астеносфера (Litasov et al., 2013a; Litasov, Shatskiy, 2018).

В связи с этим экспериментальное исследование простых и многокомпонентых систем с карбонатами является чрезвычайно важной задачей. При давлениях, превышающих 10 ГПа, ранее проводились исследования перидотитовых, эклогитовых и пелитовых систем с СО₂ с помощью многопуансонной техники (Ghosh et al., 2009; Litasov, Ohtani, 2009a; Litasov, Ohtani, 2010; Grassi, Schmidt, 2011; Kiseeva et al., 2013; Ghosh et al., 2014; Thomson et al., 2016). В экспериментах с помощью алмазных наковален исследовались упрощенные системы MgCO₃ + MgSiO₃ и MgCO₃ + CaCO₃ (Thomson et al., 2014).

Ключевые петрологические реакции в системах MgCO₃ + SiO₂ и CaCO₃ + SiO₂ определяют температурный предел сосуществования карбонатов с полиморфами SiO₂. Реакция MgCO₃ + SiO₂ была исследована в широком интервале давлений: в экспериментах на аппарате цилиндр-поршень при 0.2−4.3 ГПа (Johannes, 1969; Haselton et al., 1978; Koziol, Newton, 1995), на многопуансонных прессовых аппаратах при 4−26 ГПа (Kakizawa et al., 2015), а также в экспериментах с алмазными наковальнями при 30−80 ГПа (Seto et al., 2008), 35−152 ГПа (Maeda et al., 2017) и 50−90 ГПа (Drewitt et al., 2019). Термодинамический расчет реакции MgCO₃ + SiO₂ = MgSiO₃ + CO₂ проведен в работе (Litasov et al., 2008a).

В данной работе система MgCO₃ + SiO₂ исследована с помощью in situ рентгеновской дифрактометрии и синхротронного излучения при давлениях 3−32 ГПа. Результаты исследования существенно отличаются от работы (Kakizawa et al., 2015) за счет более детального опробования интервала давлений и температур.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Эксперименты проводились на станции BL04B1 источника синхротронного излучения SРring-8 (Япония). На станции установлены многопуансонные аппараты, позволяющие проводить in situ рентгенодифракционные эксперименты при давлениях до 30−35 ГПа и температурах до 2500 К с использованием пуансонов из высокопрочного карбида вольфрама. Кроме этого, проведена серия лабораторных экспериментов с целью точного определения состава расплавов.

Стартовый материл приготавливали, смешивая порошки магнезита (99.9%) и SiO₂ (99.9%) в пропорции 1:1. Готовый стартовый материал смешивали с 10 мас.% Au или Pt, которые использовали в качестве маркера давления. Давления по Au и Pt были рассчитаны с помощью уравнений состояния из работы (Sokolova et al., 2016). Опыты на ускорителе проводили в графитовых капсулах, в то время как в лабораторных опытах использовали запаянные платиновые капсулы. В опыты при 3 и 6 ГПа одновременно загружали два образца (второй образец представлял собой смесь CaCO₃ + SiO₂). Образцы разделяли графитовой перегородкой толщиной 0.2 мм.

Использовали несколько конфигураций ячейки высокого давления (рис. 1). При 3−6 ГПа применяли ячейку с ребром октаэдра 20 мм и ребром треугольных рабочих площадок 12 мм (далее 20/12 мм). Схема ячейки приведена в работе (Shatskiy et al., 2013b). При 9−15 ГПа использовали конфигурацию 10/5 мм (Litasov, Ohtani, 2009b), при 20 ГПа ― 8/3.5 мм (Litasov et al., 2008b), при 25−32 ГПа ― 6.2/2.0 мм (Litasov et al., 2005).

 

Рис. 1. Ячейки высокого давления, использумые в экспериментах на ускорителе SPring-8: (а) TEL-12 мм (TEL ― длина треугольной площадки скошенного угла пуансона); (б) TEL-5 мм; (в) TEL-2 мм ― сечение вдоль рентгеновского луча; (г) TEL-2 мм ― сечение перпендикулярно рентгеновскому лучу.

 

Ячейки изготавливали из полуспеченной керамики ZrO₂ (Shatskiy et al., 2010) с рентгенопрозрачной вставкой из MgO. Ячейку для экспериментов при 25−32 ГПа изготавливали из MgO, легированного кобальтом с рентгенопрозрачной вставкой из алмазного порошка со стороны нагревателя и MgO со стороны прокладок (деформируемых уплотнений из пирофиллита) (рис. 1г). Нагрев образца осуществляли с помощью цилиндрического графитового нагревателя (ячейка 20/12 мм) и из хромита лантана (ячейки 10/5, 8/3.5 и 6.2/2 мм). В одном из опытов использовали нагреватель из TiB₂ (Mst-8). Температуру контролировали с помощью W-Re_3−25% термопары, спай которой размещали над капсулой, а холодные концы выводили через нагреватель и прокладки за пределы аппарата. В опытах при 3−6 ГПа термопару изолировали от нагревателя трубкой из Al₂O₃.

Опыты на ускорителе SPring-8 проводили с одним циклом нагрева. Скорость нагрева составляла 100 K/мин со съемкой нескольких дифрактограмм длительностью 300 сек при каждой температуре с шагом 50−100 K (табл. 1).

 

Таблица 1. Результаты экспериментов в системе магнезит-SiO₂

№ эксп.	V (МД), Å3	P, ГПа	T, K	Продукты
Mst-1 (Au)	69.81	3.0	1323	Мзт, Кв
–	69.99	3.0	1373	Мзт, Кв
–	–	3.0 a	1423	Эн, CO2
–	–	3.0 a	1473	Эн, CO2
Mst-2 (Au)	68.82	6.8	1573	Мзт, Коэс
–	–	6.8 a	1623	Мзт, Коэс
–	–	6.8 a	1673	Мзт, Коэс
–	–	6.8 a	1723	Эн, Коэс, Р, CO2
Mst-3 (Pt)	60.41	10.4	1673	Мзт, Ст
–	60.56	10.5	1773	Мзт, Ст
–	60.71	10.6	1873	Мзт, Ст
–	60.87	10.7	1973	Кэн, Р, СО2
Mst-4 (Pt)	60.13	12.4	1773	Мзт, Ст
–	60.27	12.5	1873	Мзт, Ст
–	60.44	12.6	1973	Кэн, Р, СО2
Mst-5 (Pt)	59.22	16.0	1673	Мзт, Ст
–	59.35	16.1	1773	Мзт, Ст
–	59.49	16.2	1873	Вд, Ст, СО2
–	59.61	16.4	1973	Ст, Р, СО2
Mst-6 (Pt)	58.57	21.3	1773	Мзт, Ст
–	58.67	21.6	1873	Мзт, Ст
–	58.79	21.8	1973 б	Ак, Р, СО2
Mst-7 (Au)	63.31	24.8	1873	Мзт, Ст
–	63.58	24.5	1973	Мзт, Ст
–	63.77	24.5	2073	Бр, Р, СО2
Mst-8 (Pt)	57.39	27.7	1873	Мзт, Ст
–	57.49	27.8	1973	Мзт, Ст
–	57.57	28.1	2073	Бр, Р, СО2
–	57.67	28.3	2173	Бр, Р, СО2
Mst-9 (Au)	62.03	30.1	1873	Мзт, Ст
–	62.10	30.4	1973	Мзт, Ст
–	62.18	30.8	2073	Бр, Ст, Р, СО2
–	62.27	31.1	2173	Ст, Р, СО2
Mst-L1	–	6.5	1673	Мзт, Коэс
Mst-L2	–	6.5	1773	Эн, Коэс, Р, СО2
Mst-L3	–	20	1873	Мзт, Ст
Mst-L4	–	20	1973	Ак, Ст, Р, СО2
Mst-L5	–	32	1873	Мзт, Ст
Mst-L6	–	32	2073	Бр, Ст, Р, СО2
Mst-L7	–	32	2273	Ст, Р, СО2

Примечания. В скобках указан маркер давления (МД). Давление расчитано по уравнению состояния Au или Pt по (Sokolova et al., 2016). ^а ― давление экстраполировано из-за плавления Au; ^б ― финальная температура могла быть выше (до 2050 K). Мзт ― магнезит, Кв ― кварц, Коэс ― коэсит, Ст ― стишовит, Эн ― энстатит, Кэн ― клиноэнстатит, Вд ― вадслеит, Ак ― акимотоит, Бр ― бриджманит, Р ― расплав. Mst-1–Mst-9 ― опыты на ускорителе Spring-8, Mst-L1–Mst-L7 ― лабораторные опыты (Университет Тохоку). Длительность лабораторных опытов составляет 1 час, за исключением Mst-L6 и L7 ― 20 мин.

 

После опытов образцы полировали и исследовали на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Tescan MYRA 3 LMU при параметрах ускоряющего напряжения 1٥ кВ и током 1.٥ нА. Химический состав минералов определяли с помощью энергодисперсионной рентгеновской приставки INCA Energy 450 X-Max 80 Oxford Instruments, совмещенной с СЭМ, и программы микроанализа Oxford Instruments INCA 5.05. Время накопления сигнала спектра составляло 30 сек.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты экспериментов суммированы в табл. 1 и проиллюстрированы на рис. 2. При 3 ГПа реакция MgCO₃ + SiO₂ протекает при 1400±25 K с образованием энстатита и СО₂-флюида, на появление которого указывают расчет баланса масс и округлые полости в образцах. Расплава в продуктах опыта не обнаружено. Температура реакции согласуется с данными работ (Haselton et al., 1978; Koziol, Newton, 1995).

 

Рис. 2. Р-Т-диаграмма, показывающая положение реакции MgCO₃ + CO₂ (черная линия). Залитыми значками показана устойчивость реагентов, пустыми значками ― продуктов реакции. Данные настоящей работы показаны квадратами (эксперименты на ускорителе) и треугольниками (лабораторные эксперименты). Кружки ― данные других работ: 0.2−4.3 ГПа ― (Johannes, 1969; Haselton et al., 1978; Koziol, Newton, 1995), 4−26 ГПа ― (Kakizawa et al., 2015) (линия реакции из этой работы также показана тонкой сплошной линией К-15). Данные экспериментов в алмазных наковальнях: 1 ― (Seto et al., 2008), полный интервал давлений 30−80 ГПа; 2 ― (Maeda et al., 2017), 35−152 ГПа; 3 ― (Drewitt et al., 2019), 50−90 ГПа. Кривые разложения и плавления магнезита (Расп./Мзт): S-18 ― (Shatskiy et al., 2018); S-15 ― (Solopova et al., 2015). Сплошные серые линии ― фазовые соотношения в системе MgSiO₃ (Gasparik, 2003). Пунктирные серые линии ― в системе CO₂ (Litasov et al., 2011). Точечные черные линии ― в системе SiO₂ (Gasparik, 2003). Широкой серой линией показана мантийная адиабата по (Litasov, Shatskiy, 2018). Эн ― энстатит, Кэн ― клиноэнстатит, Вд ― вадслеит, Ст ― стишовит, Рв ― рингвудит, Мд ― мэйджорит, Ак ― акимотоит, Бр ― бриджманит, α-Кв и β-Кв ― α- и β-кварц, Коэс ― коэсит; Пер ― периклаз, Фл ― СО₂-флюид.

 

При 6.8 ГПа реакция протекает при 1700±25 K, при этом в продуктах опытов появляется закаленный расплав (табл. 2, рис. 3а). Кроме этого, в опыте встречены редкие зерна коэсита. В лабораторных опытах при 6.5 ГПа продукты реакции ― энстатит, расплав и СО₂-флюид ― обнаружены при 1773 К. Так же как и в опыте на ускорителе, присутствуют редкие зерна коэсита. Состав расплава соответствует эвтектике при ~75 мол.% MgCO₃ (рис. 4).

 

Рис. 3. Микрофотографии продуктов опытов после экспериментов в отраженных электронах: (а) Mst-2, 6.8 ГПа, 1723 K, энстатит (En) + СО₂ + расплав (L); (б) Mst-5, 16.4 ГПа, 1973 K, расплав + стишовит (St), видны пустоты, свидетельствующие о выделении СО₂; (в) Mst-8, 28.3 ГПа, 2173 K, бриджманит (Brd) + расплав; (г) Mst-L7, 32 ГПа, 2273 K, стишовит + расплав. Белые включения ― Pt или Au маркеры давления.

 

Рис. 4. Схематические фазовые диаграммы, показывающие положение эвтектики и составы расплавов в системе MgCO₃−SiO₂ при различных давлениях – 6, 10 и 28 ГПа (а). Отдельно вынесена диаграмма для 16 ГПа (б). Мзт ― магнезит, Р ― расплав, Эн ― энстатит, Кэн ― клиноэнстатит, Бр ― бриджманит, Коэс ― коэсит, Ст ― стишовит, Вд ― вадслеит. Черной точкой показан состав эвтектики при 26 ГПа в работе (Kakizawa et al., 2015).

 

Таблица 2. Модальный состав продуктов опытов и составы расплавов (мас.%) в системе магнезит-SiO₂

№ эксп.	P, ГПа	T K	Модальный состав продуктов				Химический состав расплава
			Расплав	MgSiO3	SiO2	CO2	SiO2	TiO2	Al2O3	Cr2O3	MgO	CaO	ZrO2	CO2	Mg/Si	C/Mg	Мзт, мол.
Mst-2	6.8	1723	12	59	4	25	20	–	–	–	35.9	0.46	–	43.6	2.68	1.11	72.8
Mst-L2	6.5	1773	8	63	2	27	17.1	–	–	–	38		–	44.9	3.31	1.08	76.8
Mst-3	10.7	1973	16	61	–	23	14.9	–	–	–	42.3	0.35	–	42.2	4.25	0.91	80.9
Mst-5	16.4	1973	69	–	20	12	32.4	–	–	0.19	40.7	0.24	–	26.5	1.87	0.6	65.2
Mst-L4	20	1973	58	12	26	4	10.7	–	–	–	44.4	–	–	44.9	6.18	0.93	86.1
Mst-6	21.8	1973	25	52	–	23	30.7	–	–	0.28	41.8	0.32	0.17	26.8	2.03	0.59	67
Mst-8	28.3	2173	9	64	–	28	15.7	0.34	0.53	–	49.6	0.33	–	33.5	4.7	0.62	82.4
Mst-L7	32	2273	68	–	29	4	19.9	–	–	–	40.9	–	–	39.3	3.07	0.88	0.75

Примечания. Мзт, мол. = 100 Mg/(Mg+Si). Содержание CO₂ рассчитано из дефицита суммы анализов.

 

При 10.7 и 12.6 ГПа реакция протекает одинаково при 1900±25 K с образованием энстатита, расплава и СО₂-флюида. Среди продуктов опытов пузырей СО₂ практически не видно, однако масс-балансовый расчет свидетельствует о его выделении (табл. 2). Эвтектика смещается в сторону магнезита и соответствует ~81 мол.% MgCO₃ (рис. 4). Эти данные отличаются от результатов в работе (Kakizawa et al., 2015), где при 9 и 13 ГПа и 1973 K продуктами опытов являются SiO₂ (коэсит, стишовит) и расплав. При этом состав эвтектического расплава смещается от 58 мол.% MgCO₃ при 9 ГПа до 90 мол.% MgCO₃ при 13 ГПа. Мы не наблюдали подобного сдвига состава расплавов. На данный момент довольно сложно объяснить разницу в результатах опытов. В работе (Kakizawa et al., 2015) приводятся фотографии образцов, где хорошо виден переход от ассоциации магнезит + коэсит к ассоциации коэсит + расплав, поэтому вряд ли пропущен температурный интервал, в котором стабильна ассоциация энстатит + расплав. Единственным объяснением может являться влияние материала капсулы: в лабораторных опытах Какидзавы и др. ― Pt-капсула, а в наших опытах на ускорителе ― графитовая. К сожалению, в работе (Kakizawa et al., 2015) нет информации по масс-балансовым расчетам и наличию избытка СО₂ в продуктах опытов. В любом случае проблема требует дальнейшего исследования, так как схожая ситуация наблюдается и в опытах при 25−32 ГПа (см. ниже).

В опыте при 16.0−16.4 ГПа была обнаружена очевидная аномалия (табл. 1). Реакция протекала при более низкой температуре 1820±40 K, чем при 10 ГПа, с образованием вадслеита и быстрым исчезновением магнезита. При этом пики вадслеита исчезли при 1973 K (рис. 5). Среди продуктов опытов зафиксировано стекло аномального состава, стишовит и большое количество пузырей СО₂-флюида (табл. 2, рис. 3б). Стекло имеет состав 65 мол.% MgCO₃, но при этом сильно обеднен СО₂ (табл. 2). Вероятно, что это связано с кристаллизацией вадслеита. Экстраполяция данных на более низкую температуру свидетельствует о составе эвтектики вблизи 80 мол.% MgCO₃ (рис. 4б), что находится в стороне от общего тренда смещения состава эвтектики в сторону MgCO₃. Образование вадслеита по реакции MgCO₃ + SiO₂ = Mg₂SiO₄ + расплав + CO₂, очевидно, связано со стабильностью ассоциации вадслеит−стишовит на фазовой диаграмме MgSiO₃ (рис. 2).

 

Рис. 5. Представительные рентгенограммы образца из опыта Mst-5 при 1773−1973 K. Видно исчезновение пиков магнезита (Мзт) и появление пиков вадслеита (Вд) при 1873 K и последующее исчезновение пиков вадслеита при 1973 K. Cт ― стишовит, Pt ― пики маркера давления.

 

Рис. 6. Представительные рентгенограммы образца из опыта Mst-8 при 1973 и 2073 K. Видно исчезновение пиков стишовита (Ст) и магнезита (Мзт) и появление пиков бриджманита (Бр). Pt ― пики маркера давления.

 

При более высоком давлении составы расплавов и температура эвтектики возвращаются на продолжение тренда наблюдавшегося при 10−12 ГПа (рис. 2, 4). В лабораторном опыте при 20 ГПа и 1973 K среди продуктов опытов зафиксированы акимотоит, стишовит и расплав с составом 86 мол.% MgCO₃. В опыте на ускорителе при 21.8 ГПа и 1973 K образуется акимотоит, но с избытком СО₂, который не фиксируется наличием пузырьков и составом расплава 67 мол.% MgCO₃. Мы предполагаем, что в данном опыте была утечка СО₂ перед закалкой. Подобное несоответствие между лабораторным опытом и опытом на ускорителе зафиксировано в единственном случае.

При давлениях выше 25 ГПа хорошо фиксируется кристаллизация бриджманита (рис. 3в, 6), который в свою очередь плавится с образованием ассоциации стишовит + расплав (рис. 3г). Температура эвтектики остается примерно одинаковой на уровне 2000±50 K (рис. 2). Состав эвтектики при 28 ГПа соответствует 91 мол.% MgCO₃. Это близко к составу эвтектики 95 мол.% MgCO₃ при 26 ГПа, установленному в работе (Kakizawa et al., 2015). При 26 ГПа линия реакции в работе (Kakizawa et al., 2015) проходит на 150 K выше, чем в настоящей работе. Однако интервал плавления при этом давлении увеличивается. Если экстраполировать линию Какидзавы и др. до 32 ГПа, то она хорошо согласуется с результатом опыта Mst-L7 при 32 ГПа и 2273 K (рис. 2). По-видимому, промежуточная реакция магнезит + стишовит = бриджманит + расплав не фиксируется в работе (Kakizawa et al., 2015) из-за сдвига состава от идеального соотношения магнезит и стишовита 1:1 в сторону стишовита. Мы наблюдали ассоциацию бриджманит + расплав как в лабораторных опытах, так и в in situ опытах на ускорителе при более низкой температуре, чем эксперименты в работе (Kakizawa et al., 2015).

 

Рис. 7. Р-Т-диаграмма, показывающая положение реакции MgCO₃ + CO₂ на глубинах нижней мантии Земли. Черная сплошная линия ― данная работа и (Drewitt et al., 2019). Серые пунктирные линии ― (Maeda et al., 2017). 1 ― магнезит + коэсит = энстатит + CO₂; 2 ― магнезит + стишовит = MgSiO₃/SiO₂ + расплав; 3 ― магнезит + стишовит = бриджманит + СО₂-V, 4 ― MgCO₃ + SiO₂ = бриджманит + С + О₂. Черные пунктирные линии ― плавление и разложение магнезита (Solopova et al., 2015). Черная точечная линия ― фазовые границы в системе СО₂ (Litasov et al., 2011). Сплошные серые линии ― мантийная адиабата и Р-Т-профиль холодной субдукции по (Litasov, Shatskiy, 2018). Фл ― СО₂-флюид, IV ― фаза СО₂-IV; Ст ― стишовит, CS–SiO₂ со структурой CaCl₂, Мзт ― магнезит.

 

Существует целый блок данных по реакции MgCO₃ + SiO₂, выполненный разными авторами в экспериментах с алмазными наковальнями (Seto et al., 2008; Maeda et al., 2017; Drewitt et al., 2019). При давлении 30−40 ГПа результаты этих экспериментов согласуются с нашими опытами и свидетельствуют об образовании ассоциации бриджманит + СО₂ (рис. 2). Однако продукты опытов не исследовались на предмет наличия расплава ни в одной из этих работ. Следует отметить, что при давлении около 35 ГПа линия реакции пересекает границу стабильности СО₂-флюида и переходит в область твердой фазы CO₂-V или диссоциированной ассоциации алмаз + О₂ (Litasov et al., 2011) (рис. 2). Поэтому обратный переход от реакции плавления к реакции декарбонатизации при давлениях выше 35−40 ГПа вполне возможен. В работе (Drewitt et al., 2019) линия реакции магнезит + стишовит = бриджманит + С + О₂ совпадает с линией CO₂-V = C + O₂ (рис. 7). Эти данные наиболее близко соответствуют линии реакции, полученной в данной работе, и отличаются от данных работы (Maeda et al., 2017), где линия реакции магнезит + стишовит = бриджманит + С + О₂ показана при более высокой температуре (рис. 7). Кроме этого, в работе (Drewitt et al., 2019) не обнаружено труднообъяснимого с позиции термодинамики излома линии реакции (Maeda et al., 2017) в районе 75 ГПа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе приводятся результаты экспериментального исследования реакции декарбонатизации и плавления в системе MgCO₃−SiO₂ при давлениях до 32 ГПа с использованием многопуансонной техники, рентгеновской дифрактометрии и синхротронного излучения. При давлениях 3−7 ГПа реакция идет с выделением углекислоты и образованием энстатита. При 9−13 ГПа продуктами реакции являются энстатит, карбонатно-силикатный расплав и СО₂.

Специфическая реакция происходит при 16 ГПа и 1825 K с образованием вадслеита и далее расплава, близкого состава, стишовита и СО₂. При этом давлении, которое совпадает с полем стабильности вадслеит-стишовит на фазовой диаграмме MgSiO₃, образуется провал по температуре реакции примерно на 100 K.

При более высоких давлениях реакция проходит с образованием ассоциации MgSiO₃ (акимотоит или бриджманит) + расплав. Температура реакции при 25−35 ГПа не меняется и составляет около 2000 K. При дальнейшем повышении температуры до 2100 K бриджманит плавится инконгруэнтно, реагируя с карбонатно-силикатным расплавом с образованием стишовита.

Состав эвтектической смеси с повышением давления смещается в сторону MgCO₃. Исследованная реакция маркирует верхний температурный предел стабильности магнезита и свободной фазы SiO₂ в эклогитоподобных парагенезисах мантии Земли и в целом совпадает с мантийной адиабатой на глубинах 300−900 км.

На глубинах нижней мантии возможен обратный переход от реакции плавления К реакции декарбонатизации с образованием бриджманита, алмаза и О₂ из-за ограниченной температурной устойчивости твердой фазы СО₂-V.

Источник финансирования

Работа выполнена по государственному заданию ИГМ СО РАН.

About the authors

K. D. Litasov

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State University

Author for correspondence.
Email: klitasov@igm.nsc.ru
Russian Federation, 630090 Novosibirsk, Koptyuga Avenue, 3; 630090 Novosibirsk, Pirogova str., 2

A. F. Shatskiy

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State University

Email: shatskiy@igm.nsc.ru
Russian Federation, 630090 Novosibirsk, Koptyuga Avenue, 3; 630090 Novosibirsk, Pirogova str., 2

References

Supplementary files