Features of counter chemical diffusion of petrogenic components (SiO₂, Al₂O₃, Na₂O, CaO, MgO, FeO) and CO₃²⁻ Anion in the Interaction of Basalt and Kimberlite Melts At P–Т Parameters of the Upper Mantle (Experimental Study)

Толық мәтін

ВВЕДЕНИЕ

Диффузия компонентов в силикатных расплавах играет решающую роль во множестве магматических процессов. Многие силикатные расплавы, представляющие геологический интерес, состоят из восьми или более оксидных компонентов (например: SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, FeO, MgO, CaO, Na₂O, K₂O, CO₂ и H₂O). Следовательно, диффузия в таких расплавах всегда носит многокомпонентный характер. Многокомпонентная химическая диффузия включает в себя массовые потоки, управляемые градиентами химического потенциала, и является важным механизмом массопереноса для многих транспортных процессов. Поскольку диффузия играет решающую роль во многих геологических процессах (Bowen, 1921), геологи и геохимики часто применяют диффузионные данные при разработке моделей в ряде проблем, включая смешивание магм разного состава, особенности загрязнения магмы вмещающими породами, рост и растворение минералов в магме, контроль размеров пузырьков в вулканических породах и процессов, влияющих на характер вулканических извержений. Одной из основных проблем, связанных с многочисленными приложениями данных о диффузии, является получение надежных экспериментальных данных (например, Liang, 2010). Особенности многокомпонентной химической диффузии петрогенных и летучих компонентов при взаимодействии магматических расплавов изучены недостаточно (Richter et al., 1998; Baker, 1990, 1991, 1992; Watson, Baker, 1991; Watson, 1994; Kress, Ghiorso, 1995; Guo, Zhang, 2016). Большинство опубликованных работ по химической диффузии петрогенных компонентов в магматических расплавах выполнены методом растворения минералов (Watson, Baker, 1991 и др.). Тогда как исследования химической встречной диффузии этих компонентов непосредственно в расплавах крайне ограничены (Yoder, 1973; Watson, Baker, 1991; Персиков и др., 2011).

 

Рис. 1. Схема ячейки аппарата – разрезная сфера типа “БАРС” с диффузионным образцом. 1 – контейнер ZrO₂; 2 – цилиндрический графитовый нагреватель; 3 – термопара PtRh6/PtRh30; 4 – образец (диффузионная пара модельный базальт–модельный кимберлит, исходное гомогенное стекло); 5 – герметичная платиновая ампула (Pt); 6 – ZrO₂ трубка; 7 – MgO трубка; 8 – Mo контакт; 9 – исходная граница раздела двух стекол.

 

И практически отсутствуют данные по многокомпонентной химической диффузии компонентов при взаимодействии базальтовых и ультраосновных карбонатсодержащих магм. В недавней нашей работе впервые получены экспериментальные данные по многокомпонентной химической диффузии при взаимодействии базальтовых и ультраосновных карбонатсодержащих расплавов при умеренных давлениях (Persikov et al., 2022). В настоящей работе методом диффузионных пар с использованием оригинальной установки высокого давления типа разрезная сфера “БАРС” получены новые экспериментальные данные по встречной химической диффузии петрогенных компонентов (SiO₂, Al₂O₃, Na₂O, CaO, MgO, FeO) и аниона CO₃²⁻ при взаимодействии кимберлитовых и базальтовых расплавов при высоком давлении 5.5 ГПа и температуре 1850^оС.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Диффузионные опыты проводились на оригинальной установке высокого давления типа разрезная сфера “БАРС” в ИГМ СО РАН в платиновых ампулах, геометрия которых не изменялась в процессе опыта при высоких давлениях и температурах (Sokol, Palyanov, 2008; Persikov et al., 2018). Эксперименты по подготовке стартовых диффузионных пар проводились с использованием установки высокого газового давления с внутренним нагревом, снабженной оригинальным внутренним устройством с уравнителем-разделителем высокого давления. Методика приготовления стартовых диффузионных пар с использованием этой установки подробно была рассмотрена ранее (Persikov et al., 2022) и в кратком виде изложена ниже. По этой методике подготовлены две заваренные платиновые ампулы с диффузионными парами: 1 – стекла модельные базальт–кимберлит (опыт № 2), 2 – стекла природный базальт–модельный кимберлит (опыт № 4). Далее платиновая ампула с диффузионной парой размещалась в ячейке высокого давления аппарата “БАРС”, схема которой приведена на рис. 1. После создания необходимого давления в аппарате “БАРС” (5.5 ГПа) осуществляли нагрев образца с диффузионной парой по схеме, приведенной на рис. 2.

 

Рис. 2. Методика нагрева диффузионного образца в опыте № 2 при 5.5 ГПа (горизонтальный участок на кривой – интервал диффузии).

 

Согласно этой методике, медленный нагрев до температуры 1600^оС обеспечивал равномерный разогрев образца еще до его плавления при практически полном отсутствии диффузии. Далее следовал быстрый нагрев (~40 с) до необходимой температуры (1800 + 50^оС) с последующей выдержкой (180 с в опыте № 2 и 300 с в опыте № 4) при указанных температуре и давлении, что обеспечивало процесс диффузии, после чего осуществлялась изобарическая закалка при выключенном внутреннем нагревателе установки. Отметим, что прибавка 50^оС к показанию термопары (см. схему) получена путем соответствующей калибровки термопары. После изобарической закалки ячейка извлекалась из аппарата “БАРС”, Pt-ампула с диффузионным образцом извлекалась из ячейки, и изготовлялась поперечная полированная пластина для последующего микрозондового анализа диффузионного профиля, который образовался в расплаве во время опыта. В качестве исходных образцов для получения стекол, используемых в диффузионных опытах, применяли растертые в агатовой ступке порошки магнезиального базальта Большого трещинного извержения 1975–1976 гг. вулкана Толбачик на Камчатке, а также порошки модельных базальта (Ab₅₀Di₅₀ мол. %) и кимберлита (силикат 82 + карбонат 18, мас. %).

Химический состав модельных безводных кимберлитовых и базальтовых расплавов (стекол), а также стекол природного базальта, используемых в работе для характеристики основных особенностей их диффузионного взаимодействия, представлен в табл. 1. Средний состав базальтов (Le Maitre, 1976) приведен в табл. 1 для сравнения в качестве представительного состава базальтовой магмы. Как ранее было отмечено (Persikov et al., 2022), состав кимберлитовых магм в мантии и при формировании даек и трубок в земной коре остается предметом многочисленных дискуссий (Wyllie, 1980; Sparks et al., 2006, 2009; Kamenetsky et al., 2009; Шарыгин и др., 2013 и др.). Изменение температуры и давления, растворение летучих компонентов и кристаллизация могут привести к значительным изменениям состава кимберлитовых расплавов в процессе их эволюции.

Так, например, предполагается, что зарождение кимберлитовых расплавов происходит за счет реакции карбонатитовых расплавов с перидотитом вблизи мантийного солидуса и последующего частичного плавления карбонатизированного перидотита при очень малых степенях плавления (≤ 1.0%), при 6–10 ГПа, глубинах 150–300 км и температуре ≤ 1500°С (Wyllie, 1980; Dalton, Presnall, 1998; Price et al., 2000; Dasgupta Hirschmann, 2006; Sparks et al., 2006, 2009; Kopylova et al., 2007; Michell, 2008; Kavanagh Sparks, 2009; Kamenetsky et al., 2009; Шарыгин и др., 2013; Persikov et al., 2018). Поэтому неизмененный кимберлит из трубки Удачная-Восточная, Якутия (Kamenetsky et al., 2009; Kopylova et al., 2007), выбранный в качестве представительного состава кимберлитовой магмы, сравнивается в табл. 1 с расплавом нашего модельного кимберлита (силикат 82 + карбонат 18, мас. %), используемого для экспериментального исследования диффузионного взаимодействия с базальтовыми расплавами. Хотя состав используемого модельного кимберлита не содержит несколько основных оксидов (TiO₂, Al₂O₃, MgO, K₂O, FеO, Fe₂O₃), и поэтому не полностью воспроизводит составы природных кимберлитов (табл. 1), ранее мы показали, что этот состав соответствует по степени валовой основности (100NBO/T = 313) природным кимберлитам (Persikov et al., 2018, 2022).

 

Таблица 1. Химический состав и валовая основность (100NBO/T) кимберлитовых и базальтовых расплавов

Компоненты	Модельный кимберлит*	Кимберлит**	Базальт***	Базальт модельный ****	Магнезиальный базальт*****
SiO2	34.4	26.71	49.2	62.7	49.5
Al2O3	10.3	1.75	15.74	10.65	13.18
Fe2O3	no	2.09	3.79	no	3.18
FeO	no	6.00	7.13	no	6.85
MnO	no	0.16	0.2	no	0.15
MgO	no	31.33	6.73	8.45	9.98
CaO	39.8	12.10	9.47	11.8	12.34
Na2O	4.9	3.23	2.91	6.5	2.18
K2O	no	1.33	1.1	no	0.93
TiO2	no	1.25	1.84	no	1.01
P2O5	no	0.49	0.35	no	0.25
Н2О	no	no	0.95	no	no
OH– (основание)	no	no	0.48	no	0.29
ОН– (кислота)	0.05	0.38	no	no	no
CO2	0.15	no	0.11	no	no
CO32–	10.4	9.42	no	no	no
F	no	0.15	no	no	no
Cl	no	2.38	no	no
Сумма	100	99.26	100	100.1	99.69
100NBO/T	313	352	58	67	80

Примечание.

 

Полученные данные свидетельствуют о том, что значения валовой основности 100NBO/T = 67–80 (базальтовый расплав) соответствуют диапазону основных расплавов (17 ≤ 100NBO/T < 100), а значение 100NBO/T = 313 (модельный кимберлит) соответствует диапазону ультраосновных расплавов (200 ≤ 100NBO/T ≤ 400) (Dingwell et al., 2004; Kopylova et al., 2007; Persikov et al., 2022).

Как и ранее, в опытах при умеренном давлении (Persikov et al., 2022) безводные стекла исходного модельного базальтового расплава и природного базальта синтезированы плавлением порошков стехиометрического состава (Ab₅₀Di₅₀, мол. %) и природного базальта в платиновых ампулах с использованием упомянутой установки высокого газового давления с внутренним нагревом при 1300^оС, давлении аргона 100 МПа, длительности опыта 3 ч, с последующей быстрой изобарической закалкой. Стекла модельного кимберлитового расплава синтезированы плавлением ~1.5 г порошкообразной смеси природного альбита и кальцита (Ab₃₈Cal₆₂, мас. %) в том же сосуде высокого газового давления, но под давлением безводного CO₂, равным 100 МПа. Образец выдерживался при 850°C в течение 1 ч, а затем при 1300°C в течение 3 ч. Затем осуществлялась быстрая изобарическая закалка путем выключения внутреннего нагревателя сосуда. Такая процедура приводила к быстрой реакции декарбонизации (Т = 850^оС), выражающейся в потере веса (~21 мас. %) для каждого образца. Эта потеря контролировалась также путем расчета баланса масс в каждом таком опыте.

Концентрацию силикатных (82 мас. %) и карбонатных (18 мас. %) фаз в синтезированных стеклах модельного кимберлита и, следовательно, концентрацию карбонат-иона CO₃²⁻ (10.4 мас. %) в них определяли расчетами на основе полученных данных масс-баланса, которые соответствуют реакции декарбонизации в каждом эксперименте по синтезу этих стекол. Растворение СО₂ в расплаве, преимущественно в виде карбонат-иона CO₃²⁻, было качественно подтверждено результатами спектроскопии комбинационного рассеяния (рамановская спектроскопия), которые представлены на рис. 3.

Химический состав закаленных расплавов (стекол) определен с помощью электронно-микрозондового анализа (табл. 1). Сухие стекла были оптически однородными и свободными от пузырьков и кристаллитов. Небольшое содержание воды в этих стеклах (≤ 0.05 мас. %) определялось методом Карла Фишера титрования. Эти стекла были извлечены из платиновых капсул и разрезаны на 5-мм цилиндры, в которых оба конца были отполированы. Из этих цилиндров формировались соответствующие диффузионные пары, которые размещались в Pt-ампулах того же диаметра, что и в ампулах, использованных при синтезе стартовых стекол. После этого ампулы герметизировали, приваривая плоские крышки к открытым концам ампулы с помощью электрода TIG. Приготовленную таким образом ампулу с диффузионной парой помещали в ячейку высокого давления аппарата типа “БАРС” в безградиентную зону (рис. 1).

Продукты опытов анализировали методом Карла Фишера титрования с использованием прибора KFT AQUA 40.00 для определения малого содержания воды в синтезированных базальтовых и кимберлитовых стеклах (≤ 0.05 мас. %). Спектроскопия комбинационного рассеяния была использована для качественной иллюстрации концентрации карбонатов, которые были растворены в виде аниона CO₃²⁻ (рис. 3).

 

Рис. 3. Спектры комбинационного рассеяния в диапазоне 1020–1120 см−1 для диффузионной пары модельный кимберлит–базальт, иллюстрирующие карбонатные пики (CO₃²⁻) при 1073 см–1. Сплошная кривая – зона кимберлита, пунктирная кривая – диффузионная зона, граница Матано.

 

Рамановские спектры синтезированных модельных кимберлитовых стекол и стекол после диффузионных опытов на границе Матано (Crank, 1975) были получены с помощью спектрометра RENIS/HAW-1000, оснащенного микроскопом Leica. Ширина зазора для получения спектров составляла 50 мкм, спектры обрабатывались с помощью стандартной программы GRAMS.

Химические составы исходных образцов и полученных в опытах стекол с диффузионными парами определяли с помощью цифрового электронного рентгеновского микроскопа CamScan MV2300 (VEGA TS 5130 MM), с приставкой для энергодисперсионного микроанализа INCA Energy 450 и WDS Oxford INCA Wave 700. Анализы проводились при ускоряющем напряжении 20 кВ, токе пучка до 400 pA и времени набора спектров 50–100 с. Следующие стандарты были использованы: кварц для Si и O, альбит для Na, микроклин для K, волластонит для Cа, корунд для Al, чистый марганец для Mn, чистое железо для Fe, периклаз для Mg. Для стандартизации данных микрозондового анализа использовались программы: INCA Energy 200 и Nekrasov INCA (табл. 1).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Два типа диффузионных пар (табл. 2) были использованы в экспериментах: 1) безводные стекла модельного базальта (Ab₅₀Di₅₀, мол. %) и модельного кимберлита (Sil₈₂Car₁₈, мас. %) вводились в контакт и плавились в заваренных платиновых ампулах при 5.5 ГПа и 1850^оС и длительности диффузионного опыта 180 с; 2) безводные стекла природного магнезиального базальта и модельного кимберлита (Sil₈₂Car₁₈, мас. %) также вводились в контакт и плавились в заваренных платиновых ампулах при 5.5 ГПа и 1850^оС и длительности диффузионного опыта 300 с.

Распределение петрогенных компонентов вдоль диффузионных профилей измерены на рентгеновском микроанализаторе. Результаты измерений диффузионных профилей для пары модельные базальт–кимберлит представлены на рис. 4, а для пары природный базальт–модельный кимберлит представлены на рис. 5.

 

Рис. 4. Диффузионные профили главных компонентов и аниона CO₃²⁻ при взаимодействии модельных расплавов базальта и кимберлита, опыт № 2 при температуре 1850оС и 5.5 ГПа общего давления, длительность опыта 180 с (пунктирная линия на диаграмме – граница Матано (Crank, 1975)).

 

Рис. 5. Диффузионные профили главных компонентов и аниона CO₃²⁻ при взаимодействии природного расплава магнезиального базальта и модельного кимберлита, опыт № 4 при температуре 1850оС и 5.5 ГПа общего давления, длительность опыта 300 с (пунктирная линия на диаграмме – граница Матано (Crank, 1975)).

 

Граница Матано (вертикальная пунктирная прямая на рис. 4 и 5) выбрана таким образом, чтобы заштрихованные для примера площади для диффузии SiO₂ были равны при постоянном объеме образца и заданном времени диффузии (Crank, 1975).

Коэффициенты встречной химической диффузии (D) всех петрогенных компонентов и аниона CO₃²⁻ в исследованных расплавах (табл. 2) определены в линейном приближении путем минимизации методом наименьших квадратов функционала:

$S=\underset{i}{}{\left[C_i-C\left(x_i,t\right)\right]}^2$,                                                                                                    (1)

где C_i – экспериментально определенные значения содержания химического компонента, C(x_i, t) – значения модельной функции, описывающей диффузионный профиль в точках с координатами x_i через время t.

В качестве модельной функции C(x, t) было использовано решение трансцендентного уравнения:

$C\left(x,t\right)=C_0+ \Delta C\times erf$$\left[\frac{x-x_0}{2\sqrt{tD\left(C\right)}}\right]$,                                                                   (2)

где $C_0=\frac{C_{\text{max}}+C_{\text{min}}}{2}$, $\Delta C=\frac{C_{\text{max}}-C_{\text{min}}}{2}$, C_min и C_max – минимальное и максимальное значения концентраций компонента, x₀ – граница Матано, t – время опыта, D(C) – функция, которая описывает зависимость коэффициента диффузии от концентрации компонента.

В настоящей работе преимущественно использовалась экспоненциальная зависимость коэффициента диффузии от концентрации компонента, т. е.:

$D\left(C\right)=D_0\text{exp}\left(\alpha C\right)$,                                                                                                      (3)

где D₀ – начальное значение коэффициента диффузии при С = 0, α – показатель экспоненты. Независимость коэффициента диффузии от концентрации компонента использовалась для сравнения, т. е. D(C) = const

Для оценки полученных результатов по диффузии различных компонентов расплавов использовались средние значения коэффициента диффузии для исследованного диапазона составов от C_min до C_max:

$\boxed{Dср}=D_0$$\frac{\text{exp}\left(\alpha C_{\text{max}}\right)-\text{exp}\left(\alpha C_{\text{min}}\right)}{\alpha \left(C_{\text{max}}-C_{\text{min}}\right)}$.                                                                      (4)

Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы. Скорости встречной химической диффузии всех петрогенных компонентов (SiO₂, Na₂O, CaO, MgO, Al₂O₃, FeO) в пределах ошибки определения (±20 отн. %) практически идентичны при взаимодействии модельных безводных базальтовых и кимберлитовых карбонатсодержащих расплавов (табл. 2, рис. 4). Такое поведение может свидетельствовать о минальном механизме встречной химической диффузии, т. е. о встречной диффузии с равными скоростями молекул кальцита и диопсида в противоположных направлениях при диффузионном взаимодействии таких расплавов. Характерно, что для диффузионной пары расплавы природного базальта–модельного кимберлита не наблюдается одинаковая скорость встречной химической диффузии всех петрогенных компонентов (SiO₂, Na₂O, CaO, MgO, Al₂O₃, FeO), как в случае чисто модельной системы (табл. 2, рис. 5). При этом диффузионная подвижность большинства компонентов в этой паре примерно на порядок величины выше по сравнению с чисто модельной диффузионной парой (табл. 2). А скорость диффузии аниона-сеткообразователя (SiO₂) примерно на два порядка величины выше по сравнению с трассерной диффузией (Watson, Baker, 1991). Напротив, скорость диффузии катионов-модификаторов (Na₂O, CaO, MgO) меньше примерно на порядок величины по сравнению с их трассерной диффузией (Watson, Baker, 1991). Скорость диффузии аниона Al₂O₃ не определена для диффузионной пары модельные базальт–кимберлит ввиду близкого значения его концентраций в этих модельных расплавах (~10.3 мас. %, табл. 2).

 

Таблица 2. Коэффициенты диффузии петрогенных компонентов и карбонат-иона CO₃²⁻ в модельных расплавах системы базальт–кимберлит и в расплавах природный базальт–модельный кимберлит при умеренных (Персиков и др., 2022) и высоких давлениях (настоящая работа)

Номер опыта	Средние значения1	Опыт № 2 (настоящая работа)	Средние значения2	Опыт № 4 (настоящая работа)
Состав диффузионных пар	Sil82Carb18–Ab50Di50		Sil82Carb18–Mg-базальт
Оксиды	Коэффициенты диффузии оксидов 10−12 м2/с ± 20 отн. %
Na2О	13.0	334	50.0	3188
MgО	14.0	477	105.0	3328
SiО2	11.5	377	29.0	2460
CaО	12.5	405	59.0	2771
CO32–	13.0	457	55.5	2752
Al2O3			30.5	2450
FeO			103.0	2937

Примечание. ^{1, 2}Недавние результаты диффузионных опытов при умеренном давлении в 100 МПа (Persikov et al., 2022).

 

Увеличение скорости встречной химической диффузии петрогенных компонентов связано, видимо, с меньшей вязкостью граничного расплава (граница Матано на рис. 4 и 5), формирующегося при взаимодействии природного базальтового и модельного кимберлитового расплавов. Характерно, что подобная особенность многокомпонентной диффузии была установлена ранее не только для указанных диффузионных пар при умеренном давлении (100 МПа, Persikov et al., 2022), но также была определена при изучении многокомпонентной диффузии для пар водосодержащих расплавов: модельный андезит–модельный базальт и модельный андезит–природный базальт при давлении воды 160 МПа (Персиков и др., 2011). Механизм этого явления еще строго не установлен, и это – предмет дальнейших исследований. Вероятно, что эта особенность многокомпонентной диффузии связана, прежде всего, с различием в структуре расплавов модельного и природного базальта (природный базальт более основной, значения валовой основности 100NBO/T см. в табл. 1) и, соответственно, с различием в значениях энергии активации вязкого течения и вязкости (ƞ) этих расплавов. Отметим, что на основе теоретического анализа многолетних систематических экспериментальных исследований вязкости магматических расплавов была разработана структурно-химическая модель достоверных прогнозов и расчетов концентрационной, температурной и барической зависимостей энергии активации вязкого течения и вязкости магматических расплавов в полном ряду их основности от кислых до ультраосновных при термодинамических параметрах земной коры и верхней мантии (Persikov et al., 2020). Теоретический анализ ранее полученных данных по многокомпонентной диффузии петрогенных компонентов, а также воды в расплавах в ряду андезит–базальт и их вязкости позволил установить закономерную взаимосвязь двух важнейших транспортных свойств магм. Эта взаимосвязь качественно согласуется с законом Стокса–Энштейна и соотношением Эйринга об обратно пропорциональной зависимости между вязкостью жидкости и диффузией компонентов в ней (Персиков и др., 2011). Поэтому для сравнительной оценки особенностей многокомпонентной диффузии при мантийных давлении и температуре (5.5 ГПа и 1850^оС, настоящая работа) и при умеренных давлении и температуре (100 МПа и 1300^оС, Persikov et al., 2022) использованы установленные ранее обобщенные закономерности температурной и барической зависимостей вязкости основных и ультраосновных расплавов, детально изложенные ранее в работе (Persikov et al., 2020). Напомним кратко, что согласно этим закономерностям, вязкость указанных выше расплавов, экспоненциально уменьшается с ростом температуры и, соответственно, возрастает диффузионная подвижность компонентов в них. Тогда как зависимость вязкости магматических расплавов, а следовательно, и диффузионной подвижности компонентов в них от давления имеет экстремальный характер. При этом было установлено, что значение давления в точках минимума вязкости (Р_min) зависит от валовой основности расплава и значительно уменьшается с ее ростом. С использованием упомянутой выше структурно-химической модели были получены количественные данные по вязкости граничных расплавов при мантийных и умеренных давлениях (табл. 3).

 

Таблица 3. Химические составы, валовая основность (100NBO/T) и вязкость расплавов на границе Матано

Оксиды	Средние значения1	Опыт № 2 (настоящая работа)	Опыт № 4 (настоящая работа)
Na2O	6.23	4.84	3.53
MgO	4.28	3.61	5.2
SiO2	49.58	46.18	43.02
CaO	25.51	29.94	27.71
FeO			4.97
Al2O3	9.58	9.94	11.62
CO32-	5.02	6.48	3.96
Сумма	100	100	100
100NBO/T	161	189	177
Вязкость, пуаз	22.15	3.9	4.24

Примечание. ¹Недавние результаты диффузионных опытов при 100 МПа и 1300^оС (Persikov et al., 2022). ² Опыты № 2 и № 4 при 5.5 ГПа и 1850^оС.

 

Анализ полученных результатов свидетельствует, что определяющее влияние на снижение вязкости этих расплавов и, соответственно, на рост диффузионной подвижности компонентов в них более чем на порядок величины оказывает значительное увеличение температуры опытов при мантийном давлении. Тогда как повышение давления в опытах приводит, напротив, к росту вязкости граничных расплавов в три с половиной раза и к соответствующему уменьшению диффузионной подвижности компонентов в них.

 

Рис. 6. Пример сравнения двух концентрационных зависимостей диффузии CaO и CO₃²⁻ при взаимодействии кимберлитового и базальтового расплавов (опыт № 4, сплошные линии, параллельные оси абсцисс: D_i – const; пунктирная линия – экспоненциальная зависимость).

 

Концентрационная зависимость диффузионной подвижности компонентов установлена на основе численных расчетов по принятой методике (выражения (2), (3), (4)). Согласно полученным результатам, диффузионная подвижность всех компонентов в пределах ошибки определения (±20 отн. %) практически не зависит от их концентрации в расплавах диффузионных пар. Так, например, на рис. 6 представлена концентрационная зависимость диффузии CaO и CO₃²⁻ при взаимодействии модельного кимберлитового и природного базальтового расплавов с расчетной погрешностью 1 отн. %, которая существенно меньше реальной погрешности экспериментов (~20 отн. %). Тем не менее даже в этом случае два типа концентрационной зависимости (D_i – constant и D_i – экспонента) практически не различимы.

Отметим новые результаты по диффузионной подвижности аниона CO₃²⁻ при взаимодействии карбонатсодержащих расплавов с базальтовыми модельными и природными расплавами при давлении на уровне мантии. Выше отмечено, что на основе результатов спектроскопии комбинационного рассеяния установлено полное отсутствие молекулярного CO₂ в процессе взаимодействия диффузионной пары (рис. 2). Установлено, что диффузионная подвижность карбонат-иона (CO₃²⁻) в этих условиях в пределах ошибки (~20 отн. %) равна скорости диффузии CaO (табл. 2). Это свидетельствует о минальном характере диффузии молекул кальцита из карбонатсодержащего расплава (модельный кимберлит) в базальтовый расплав (модельный и природный). Подобный характер диффузии карбоната натрия с радиоактивной меткой (Na₂¹⁴CO₃) в модельный базальтовый расплав был получен ранее в работе (Watson et al., 1982) при 500 МПа. Авторы получили значение коэффициента диффузии карбоната натрия, который примерно на порядок величины больше по сравнению с нашими данными по диффузии карбоната кальция (CaCO₃) в базальтовые расплавы (табл. 2), что прежде всего может быть связано с различной вязкостью расплавов в указанных системах.

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

Получены новые экспериментальные данные по встречной химической диффузии петрогенных компонентов (SiO₂, Na₂O, CaO, MgO, Al₂O₃, FeO) и аниона CO₃²⁻ при непосредственном взаимодействии расплавов карбонатсодержащего модельного кимберлита и базальта (модельного и природного) при высоком давлении 5.5 ГПа и температуре 1850^оС. Установлен минальный характер диффузии карбоната кальция из расплава модельного кимберлита в модельный и природный базальтовые расплавы. Слабая экспоненциальная концентрационная зависимость химической диффузии всех изученных компонентов взаимодействующих расплавов, близкая к D_i = const, характерна как для модельной системы, так и для системы модельный кимберлит–природный базальт при мантийных давлениях.

 

Благодарности. Авторы признательны Г.В. Бондаренко (ИЭМ РАН) за помощь в использовании спектроскопии комбинационного рассеяния (рамановская спектроскопия) при анализе форм растворения CO₂ в расплавах модельного кимберлита и на границе Матано, которые формируются при взаимодействии расплавов кимберлита и базальта. Авторы признательны Л.Я. Арановичу (ИГЕМ РАН) за ценные замечания, которые, несомненно, способствовали улучшению качества статьи.

Источники финансирования. Работа выполнена в рамках темы НИР № FMUF-2022-0004 ИЭМ РАН.

Авторлар туралы

E. Persikov

Korzhinskii Institute of Experimental Mineralogy RAS

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: sokola@igm.nsc.ru
Ресей, Chernogolovka, Moscow District

P. Bukhtiyarov

Korzhinskii Institute of Experimental Mineralogy RAS

Email: persikov@iem.ac.ru
Ресей, Chernogolovka, Moscow District

A. Sokol

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch Russian Academy of Sciences

Email: pavel@iem.ac.ru
Ресей, Novosibirsk

A. Nekrasov

Korzhinskii Institute of Experimental Mineralogy RAS

Email: alex@iem.ac.ru
Ресей, Chernogolovka, Moscow District

D. Sultanov

Korzhinskii Institute of Experimental Mineralogy RAS

Email: Dilshod.Soultanov@iem.ac.ru
Ресей, Chernogolovka, Moscow District

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар