Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Условия образования карбонатов и механизм миграции карбонатных расплавов в мантии Земли

ВАК РФ 25.00.05, Минералогия, кристаллография

Автореферат диссертации по теме "Условия образования карбонатов и механизм миграции карбонатных расплавов в мантии Земли"

На правах рукописи

ШАЦКИЙ Антон Фарисович

УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ КАРБОНАТОВ И МЕХАНИЗМ МИГРАЦИИ КАРБОНАТНЫХ РАСПЛАВОВ В МАНТИИ ЗЕМЛИ

25.00.05 - «минералогия, кристаллография»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

2 ОКТ 2014

НОВОСИБИРСК - 2014

005553049

005553049

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте геологии и минералогии им. B.C. Соболева Сибирского Отделения Российской академии наук (ИГМ СО РАН)

Официальные оппоненты:

ГАРАНИН Виктор Константинович, доктор геолого-минералогических наук, директор Минералогического музея им. А.Е. Ферсмана РАН (г. Москва).

ГИРНИС Андрей Владиславович - доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией геохимии Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (г. Москва).

ПЛЕЧОВ Павел Юрьевич - доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры петрологии Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (г. Москва).

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт экспериментальной минералогии Российской академии наук (г. Черноголовка).

Защита состоится 26 ноября 2014 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д003.067.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте геологии и минералогии им. B.C. Соболева СО РАН, в конференц-зале.

Адрес: 630090, г. Новосибирск, просп. ак. Коптюга, 3 Факс: 8 (383)333-21-30, e-mail: gaskova@igm.nsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБУН Института геологии и минералогии имени B.C. Соболева СО РАН (адрес сайта http://www.igm.nsc.ru в разделе «Образование»).

Автореферат разослан 16 сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.г.-м.н.

О.Л. Гаськова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования

Карбонаты являются минералами-концентраторами углерода в окисленных мантийных доменах. Поэтому информация о Р-Т области их устойчивости, фазовых превращениях и структуре чрезвычайно важна для построения моделей глобального цикла углерода нашей планеты. О присутствии карбонатов в мантии свидетельствуют их находки в виде минеральных включений в алмазах из кимберлитов (Буланова и Павлова, 1987; Sobolev et al., 1997; Stachel et al., 1998; Соболев и др., 2009) и в составе алмазсодержащих ультравысокобарических метаморфических пород эксгумированных с глубин 130-220 км (Sobolev and Shatsky, 1990; Перчук и др., 2009; Schertl and Sobolev, 2013).

Экспериментально показано, что карбонаты устойчивы вплоть до Р-Т параметров нижней мантии, где они превращаются в ортокарбонаты (Fiquet et al., 2002; Ono et al., 2007; Boulard et al., 2011; Boulard et al., 2012). Единичные находки карбонатов Mg, Ca и Fe во включениях в алмазах, содержащих сверхглубинные ассоциации, указывают на принципиальную возможность их присутствия в переходной зоне и нижней мантии (Stachel et al., 2000; Brenker et al., 2007).

На глубинах более 150 км температуры солидусов мантийных пород (эклогитов и перидотитов) на сотни градусов превышают температуры мантийной адиабаты. Присутствие карбонатов и щелочей (Na и К) понижает температуры солидусов этих пород и обеспечивает частичное плавление с образованием щелочных карбонатных расплавов (Hammouda, 2003; Dasgupta and Hirschmann, 2007; Brey et al., 2011).

Находки подобных расплавов во включениях в алмазах из кимберлитов (Navon, 1991; Schrauder and Navon, 1994; Zedgenizov et al., 2009) свидетельствуют об их присутствия в мантии. Предполагается, что данные расплавы принимали активное участие в процессах мантийного метасоматоза (Green and Wallace, 1988; Yaxley et al., 1991) и алмазообразования (Pal'yanov et al., 1999; Palyanov et al., 2013). Также отмечена тесная генетическая связь мантийных карбонатных расплавов с наиболее глубинным кимберлитовым магматизмом (Kamenetsky et al., 2004; Agashev et al., 2008; Girnis et al., 2011; Шарыгин и др., 2013).

Температуры солидуса и состав частичных расплавов в "сухой" карбонатизированной мантии определяются фазовыми

взаимоотношениями в карбонатной части систем (Luth, 2006). Вместе с тем вопросы о составе кристаллических карбонатных фаз, участвующих в реакциях плавления, а также о составах результирующих карбонатных расплавов остаются открытыми. В связи с этим представляется актуальным исследование Т-Х диаграмм состояния бинарных и тройных карбонатных систем при высоком давлении.

Средние концентрации углерода в мантии Земли оцениваются на уровне 100-230 г/т (7ауоу, 1997), что подразумевает сегрегацию карбонатных расплавов из объемов мантии в сотни раз превышающих объем результирующих магм. Однако вопрос о механизме, движущих силах и скорости сегрегации карбонатных расплавов в мантии остается открытым. Это определяет актуальность разработки проблемы миграции карбонатных расплавов в мантии. Цели и задачи исследования

Цель работы: Выявить возможные ассоциации карбонатных фаз, контролирующих начало плавления, определить составы субсолидусных карбонатных расплавов и механизм их миграции в мантии. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Экспериментально исследовать фазовые взаимоотношения и построить Т-Х диаграммы состояния бинарных карбонатных систем К2СОз-СаСОз, Ка2СОз-СаСОз, К2СОз-]У^СОз, Ма2С03-1^С03, К2СОэ-РеС03, Ка2С03-РеС03, Л^С03-СаС03 и Г^С03-РеС03 при давлении 6 ГПа.

2. Экспериментально определить фазовые взаимоотношения в псевдобинарных системах К2С03-СаГ^С03, Ма2С03-СаМ§С03, К2СЮ3-М§5(С03)4(0Н)2-4Н20, Ка2С03-№^5(С03)4(0Н)г4Н20 и построить Т-Х диаграммы состояния тройных карбонатных систем К2С03-Л^С03-СаСОз, Ма2С01-М§С03-СаС01, К2С03-М£С03-Н20, Ыа2С03-]^С03-Н20, К2С03-1^С03-РеС03, На2С03-МяС03-РеС03 и СаС03-М8С03-РеС03 при давлении 6 ГПа.

3. Разработать подход, выбрать системы и оптимизировать схему экспериментов для моделирования миграции карбонатного расплава и определения коэффициентов диффузии силикатных компонентов (М§25Ю4 и Л^БЮз) в карбонатном расплаве при давлении до 24 ГПа и температуре до 1700 °С.

4. Определить коэффициенты диффузии силикатных компонентов в карбонатных расплавах при параметрах переходной зоны и верхних горизонтов нижней мантии. На основании полученных данных рассчитать вероятные скорости миграции изолированных включений карбонатных расплавов в мантии.

Фактический материал и методы исследования

В основу работы положены результаты двух серий экспериментов: 1) при Р = 6 ГПа и Т = 900-1700 °С и 2) при Р = 17 и 24 ГПа и Т= 1500-1700 °С, проведенных автором в 2005-2013 гг. на многопуансонных аппаратах высокого давления, а также данные по всестороннему изучению продуктов опытов. В процессе работы автором разработаны новые ячейки высокого давления и созданы специальные методы проведения экспериментов.

Первая серия экспериментов проведена в лаб. Ю.Н. Пальянова (Институт геологии и минералогии СО РАН, Новосибирск) и в лаб. Э. Отани (Университет Тохоку, Сендай, Япония). Вторая серия экспериментов проведена в лаб. Э. Ито (Институт исследования Земных недр, Университет Окаяма, Мисаса, Япония). В работе использованы методы сканирующей электронной микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния, микрозондового и рентгеноструктурного анализа. При изучении структуры высокобарических карбонатных фаз использовали метод in situ рентгеновской дифракции с использованием синхротронного излучения на линии высоких давлений BL04B1 в центре синхротронного излучения Spring-8 (Хиого, Япония). Защищаемые положения

1. Системы К2СОз-СаСОз, Na2C03-CaC03, K2C03-MgC03, Na2C03-MgC03, K2C03-FeC03 и Na2C03-FeC03 при 6.0+0.5 ГПа и 900-1300 °С характеризуются наличием промежуточных соединений (двойных карбонатов): К6Са2(СОэ)5, Na4Ca(C03)3, К2Са(С03)2, K2Mg(C03)2, Na2Mg(C03)2, K2Fe(C03)2, Na2Fe(C03)2, K2Ca3(C03)4, Na2Ca3(C03)4 и Na2Ca4(C03)5. Число промежуточных соединений в данных системах возрастает с уменьшением температуры, увеличением давления (от 0.1 до 6 ГПа), а также при смене катионного состава от Fe и Mg к Са. Двойные карбонаты являются потенциальными концентраторами К, Na и С в мантии на глубинах 180-210 км при температурах не превышающих 1200-1300 °С, что соответствует значениям теплового потока 35-40 мВт/м2.

2. В системах K2C03-MgC03-CaC03 и Na2C03-MgC03-CaC03 при 6.0+0.5 ГПа частичное плавление происходит при температурах на 100200 °С ниже континентальной геотермы. В К-содержащей системе плавление субсолидусной ассоциации магнезит + арагонит + K2Ca0.iMg0.9(CO3)2 реализуется при 1000 °С и сопровождается образованием К-Са-доломитового расплава [36K2C03-64(Cao.65Mgo.3j)C03]. В Na-содержащей системе плавление субсолидусной ассоциации магнезит + Na2(Cao.9Mgo.i)4(C03)5 + Na2Cao.iMgo.9(C03)2 происходит при 1050 °С и сопровождается образованием Na-Ca-доломитового расплава [48Na2C03-52(Cao.63Mgo.37)C03]. Эти закономерности определяют возможность частичного плавления мантийного вещества и образование высоко-щелочных карбонатных расплавов в основании кратонов на глубинах 180-210 км.

3. Коэффициенты диффузии Mg2Si04 в расплаве [K2Mg(C03)2+ 17-26 мас% Mg2Si04] при 16.5 ГПа и 1600-1700 °С (480 км) и MgSi03 в расплаве [K2Mg(C03)2x2H20 + 32-47 мас% MgSi03] при 24 ГПа и 15001700 °С (670 км) составляют (2.0-2.4)х10"9 и (3.9-5.6)х10"9 м2/с, соответственно. Эти значения на 10-12 порядков превышают

коэффициенты диффузии Si в породообразующих мантийных минералах. Пластическое течение пород без расплава лимитируется твердофазной диффузией Si, а в присутствии расплава контролируется диффузией через межзерновой карбонатный расплав, что на несколько порядков понижает вязкость мантийных пород и, как следствие, может повышать скорость подъема восходящих мантийных потоков, в том числе термохимических плюмов.

4. На глубинах свыше 150 км миграция включений карбонатного расплава через мантийные породы реализуется путем растворения силиката на фронте движения, диффузии растворенного силиката через расплав и его кристаллизации. Основной движущей силой, А,и, данного процесса является градиент механических напряжений в конвективной мантии, достигающий 0.1-10 МПа, что соответствует значениям А ¡л = 1100 Дж/мол. При данных значениях движущей силы скорости миграции включений карбонатного расплава составляют 10_1-102 м/год, что достаточно для быстрой сегрегации дисперсных включений карбонатных расплавов в апикальных частях мантийных плюмов. Научная новизна

Основные результаты, полученные автором, являются новыми и не имеют аналогов в научной литературе.

1. Экспериментально исследованы фазовые взаимоотношения и построены Т-Х диаграммы состояния для бинарных карбонатных систем К2С03-СаС03, Na2C03-CaC03, K2C03-MgC03, Na2C03-MgC03, К2С03-FeC03, Na2C03-FeC03, MgC03-CaC03 и MgC03-FeC03 при мантийном давлении.

2. Построены Т-Х диаграммы состояния тройных карбонатных систем K2C03-MgC03-CaC03, Na2C03-MgC03-CaC03, K2C03-MgC03-Н20, Na2C03-MgC03-H20, K2C03-MgC03-FeC03, Na2C03-MgC03-FeC03 и CaC03-MgC03-FeC03 при давлении 6 ГПа.

3. Впервые показано, что миграция изолированных порций карбонатного расплава через поликристаллический силикатный агрегат при Р-Т параметрах верхней и нижней мантии реализуется путем растворения силиката на фронте движения, диффузионного массопереноса силиката через расплав и его кристаллизации.

4. Определены коэффициенты диффузии силикатных компонентов в сухом и водосодержащем карбонатном расплаве при параметрах переходной зоны и верхних горизонтов нижней мантии. На основании полученных данных рассчитаны вероятные скорости миграции изолированных включений карбонатных расплавов в мантии. Практическая значимость работы

1. Данные о фазовых взаимоотношений в карбонатных системах при мантийных Р-Т параметрах необходимы для всестороннего исследования физико-химических свойств карбонатных расплавов, их структуры, плотности, вязкости,

смачиваемости, диффузии компонентов, электропроводности, коэффициентов распределения элементов, фракционирования изотопов углерода, окислительно-восстановительных реакций.

2. Полученные автором данные о влиянии давления и катионного состава на стехиометрию и структуру простых и бинарных карбонатов пополняют систематику простых химических соединений.

3. Рамановские спектры высокобарических карбонатных фаз необходимы для их идентификации в микровключениях в мантийных минералах, а также в продуктах высокобарических экспериментов в сложных карбонат-силикатных системах.

4. Установленные в данной работе коэффициенты диффузии силикатных компонентов в карбонатных расплавах могут быть использованы при построении численных моделей подъема термохимических плюмов.

5. Предложенный автором механизм миграции карбонатных расплавов при высоких давлениях может быть применен при построении моделей мантийного массопереноса и сегрегации карбонатных (протокимберлитовых) расплавов в мантии.

Апробация результатов исследования

Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, были представлены на следующих конференциях: XVI Российское совещание по экспериментальной минералогии (Черноголовка, Московская область, 2010); Международный семинар DCO-3 (Алтай, 2011); IX международная школа по наукам о Земле (Одесса, 2013); 3-я международная конференция по кристаллогенезису и минералогии (Новосибирск, 2013); ежегодная конференция AGU (Сан-Франциско, США, 2005); 19-е совещание Международной минералогической ассоциации IMA-2006 (Кобе, Япония, 2006); семинар по физике минералов при высоких давлениях (Мацушима, Япония, 2007); международный симпозиум СОЕ-21 (Мисаса, Япония, 2006-2008); Международный симпозиум G-COE (Сэндай, Япония, 2010-2012); Генеральная Европейская ассамблея по геологическим наукам (Вена, Австрия, 2010); международная конференция JPGU (Макухари, Япония, 2010-2013); Гольдшмитовская конференция (Прага, Чехия, 2011); 9-я международная кимберлитовая конференция (Бангалор, Индия, 2012). Публикации

Соискатель имеет 56 работ, опубликованных в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень Web of Science и ВАК, в том числе по теме диссертации 38 работ. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 590 наименований. Объем диссертации составляет 359 страниц, включая 143 иллюстрации и 42 таблицы.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность своим учителям д.г.-м.н. Ю.Н. Пальянову, к.г.-м.н. Ю.М. Борздову, д.г.-м.н. А.Ф. Хохрякову, д.г.-м.н. А.Г. Соколу, проф. Т. Катсура, проф. Е. Ито, проф. Е. Отани. Автор очень признателен академикам РАН Н.В. Соболеву и H.JI. Добрецову за обсуждение материала диссертации, д.г.-м.н. Г.Г. Лепезину, д.г.-м.н. А.И. Туркину, к.г.-м.н. Н.В. Суркову за помощь в работе над текстом диссертации. Автор выражает искреннюю благодарность своим коллегам д.г.-м.н. К.Д. Литасову, И.С. Шарыгину, к.г.-м.н. П.Н. Гаврюшкину, проф. Д. Ямазаки, проф. К-И. Фунакоши, проф. А. Йонеда, М.В. Хлестову, к.г.-м.н. Н.С. Карманову, проф. Ю. Хиго и Т. Матсузаки.

Работа выполнена при финансовой поддержке российских и международных научных проектов: базовые НИР №11.7.5.8 и №67.3.1, интеграционный №97, РФФИ №12-05-01167, Минобрнауки РФ №14.В37.21.0601 и №14.В25.31.0032, СОЕ-21 (Университет Окаяма) и G-СОЕ (Университет Тохоку).

Глава 1. АНАЛИЗ ДАННЫХ, СВИДЕТЕЛЬСТВУЮЩИХ О ПРИСУТСТВИИ КАРБОНАТОВ В МАНТИИ, И СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ФАЗОВЫХ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ В КАРБОНАТНЫХ СИСТЕМАХ

О присутствии карбонатов в мантии свидетельствуют находки кальцита (Sobolev et al., 1997), доломита (Stachel et al., 1998; Соболев и др., 2009), магнезита (Буланова и Павлова, 1987) и сидерита (Stachel et al., 2000) во включениях алмазах из кимберлитов. Различные количества карбонатов (кальцита, арагонита, доломита и магнезита) обнаружены в алмазсодержащих ультравысокобарических метаморфических (UHPM) породах (Sobolev and Shatsky, 1990; Schertl and Sobolev, 2013), эксгумированных с глубин 130-220 км (Dobretsov and Shatsky, 2004; Mikhno and Korsakov, 2013), а также в виде мономинеральных включений арагонита и магнезита в микроалмазах из UHPM пород (Dobrzhinetskaya et al., 2006). Единичные находки карбонатов Mg, Ca и Fe во включениях в алмазах, содержащих сверхглубинные ассоциации, указывают на принципиальную возможность их присутствия в переходной зоне и нижней мантии (Stachel et al., 2000; Brenker et al., 2007).

Перераспределение Na и К из силикатов в карбонаты понижает минимальные температуры плавления мантийных пород вызывая их частичное плавление с образованием щелочных карбонатных расплавов (Hammouda, 2003; Dasgupta and Hirschmann, 2007; Brey et al., 2011). Подобные расплавы установлены в микровключениях в алмазах из кимберлитов (Navon, 1991; Schrauder and Navon, 1994; Zedgenizov et al., 2009; Shirey et al., 2013), в оливинах из ксенолитов деформированных гранатовых лерцолитов (Sharygin et al., 2008; Golovin et al., 2012) и во

вкрапленниках оливина и хромшпинели из кимберлитов (Головин и др., 2003; Kamenetsky et al., 2013).

Состав основной массы неизмененных гипабиссальных кимберлитов группы I указывает на щелочной карбонатитовый состав протокимберлитового расплава (Kamenetsky et al., 2004; Kamenetsky et al., 2009), что также согласуется с экспериментальными данными (Литасов et al., 2010; Шарыгин и др., 2013). Геохимические исследования распределения радиогенных и стабильных изотопов в карбонатитах указывают на сублитосферный источник материнских расплавов, связанный либо с апвелингом (подъемом вещества) в верхней мантии либо с более глубинным плюмовым источником (Harmer and Gittins, 1998; Zaitsev and Keller, 2006; Bell and Simonetti, 2010). Совокупность теоретических (Haggerty, 1989; Yaxley et al., 1991; Menzies and Chazot, 1995; Shatsky et al., 2008) и экспериментальных данных (Green and Wallace, 1988; Sweeney et al., 1995; Dasgupta et al., 2009) указывает на то, что карбонатитовые расплавы являются эффективными метасоматическими агентами, изменявшими геохимию мантийных пород и вносившими важный вклад в геохимические особенности базальтов горячих точек и срединно-океанических хребтов (Yaxley et al., 1991; Hauri et al., 1993; Harmer et al., 1998; Faul, 2001).

Несмотря на очевидность существования карбонатитовых расплавов в глубинной мантии, состав и структура карбонатных минералов, способных контролировать температуры солидуса мантийных пород, остаются малоизученными, за исключением карбонатов Mg и Ca.

MgC03. Ниже 2.3 ГПа при нагреве выше 1550 °С магнезит разлагается на MgO + СОг. В интервале 2.3-2.7 ГПа магнезит плавится инконгруэнтно с образованием расплава и MgO (Irving and Wyllie, 1975). Выше по давлению MgC03 плавится конгруэнтно при температурах выше 1600 °С (Huang and Wyllie, 1976; Katsura and Ito, 1990). Установлено, что магнезит устойчив по меньшей мере до 80 ГПа (Fiquet et al., 2002) и трансформируется в новую фазу выше 100 ГПа (Isshiki et al., 2003).

СаСО}. В интервале 700-1000 °С кальцит R3c переходит в разупорядоченную форму R3m (Ishizawa et al., 2013), которая разлагается на СаО + С02 при 1230 °С. Выше по давлению СаС03 плавится инконгруэнтно с образованием расплава и С02 (Irving and Wyllie, 1975). Выше 0.1-0.7 ГПа СаСОэ плавится конгруэнтно (Irving and Wyllie, 1975; Suito et al., 2001). Граница между R3m кальцитом и арагонитом неопределенна. Выше 40 ГПа при 1200-2200 °С СаСО, арагонит (Ртсп) переходит в пост-арагонит (Рттп), а выше 130 ГПа в структуру подобную пироксену (С2220 с углеродом в четверной координации, С044' (Ono et al., 2007).

Фазовые взаимоотношения в системе CaC03-MgC03 детально исследованы до 6 ГПа (Рис. 1).

10 20 30 40 50 _|_

70 80 90

10 20 30 40 50 60 70 80 90 -V

;—1-г- 1 ■ 1900' —i—i—i—r— 6 ГПа -I d.

L Cals s+V

\ MgSss+L'1

MgsJ18 «V \ 1350*___-*."-"* V 48 Arg(?)

\ Dol3S r-

, / MgSss+DolsA . / . // \1/ Dolss+ArgJ

У50

1 Mgs3s+Arg3s \

1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900

10 20 30 40 50 60 70 МдС03 мол%

90

СаС03 МдСО

10 20 30 40 50 60 70 80 90

мол% СаСО,

Рис. 1. Изобарические Т-Х диаграммы системы CaC03-MgC03 при 0.5 ГПа (Irving and Wyllie, 1975) (а), при 1 ГПа (Byrnes and Wyllie, 1981) (b), при 3 ГПа (Irving and Wyllie, 1975) и при 6 ГПа: серые линии (Логвинов и Дорошев, 1983), черные линии (Buob et al., 2006).

Фазовые взаимоотношения в системах содержащих карбонаты N3 и К исследованы при давлениях до 0.1 ГПа (Рис. 2).

\ «+7 \ 489"

/34 Л7 361*

/ / /!

V+<5/ <5 ' /

/ д+Е —i- £

с.

К2СО,

77 с

1200

1000

800

600

400

80 70 60 50 40 30 20 10 мол%

—i—i—1—i—I—I—i—I—;

Р=0.1 ГПа (Cooper etal., 1975)/'

\ /Caf+

MgCO, К2СО

т;с

K,Ca,+L

/ Cal°+L

Cal+L

K,+Bu

— Bu+KjCa, Bu+Cal

1200 1000 800 600 400 200

1-1-1-1-1-1-1-r-1—

90 80 70 60 50 40 30 20 10 i мол% Na2C03

-r-|-1-1-1-1-1-1-1-1-

uj P = 0.1 ГПа (Cooperetal., 1975),

\ UF /'. \ /Cap*

■ Na23S+L Na2Ca+L 'y:...L*f.:

•'' Cal"+L -

L

„725>-

Cal+L.

: 78

/ Na-ss+NajCa

335* Na-Ca+Na^Ca, -

Na;Ca+Cal 33 «

90 K,CO,

so

Na2+Na2Ca;

_i_i_i_i_i_L.

Na2Ca2 +Cal

80 70 60 50 40 30 20 10 90 80 70 60 50 40 30 20 10

моп% CaC03 Na2CO: мол% CaCO,

Рис. 2. Изобарические T-X диаграммы систем K2C03-MgC03 при 0.1 ГПа (Ragone et al„ 1966) (a), K2C03-Na2C03 при 1 атм (Reisman, .1959) (b), К2С03-СаС03 (с) и К2С03-СаС03 (d) при 0.1 ГПа (Cooper et al„ 1975). К2 = К2СОэ; K2Mg = K2Mg(C03)2; Mgs = MgC03; Per = MgO; Bu - бючлиит (buetschliite), K2Ca(C03)2; Fc - файчилдит (fairchildite), K2Ca(C03)2; K2Ca2 - К2Са2(СОэ)3; K4Ca5 -K4Ca5(C03)7; Na2 = Na2C03; Na2Ca - ниеререит, Na2Ca(C03)2; Na2Ca2 - шортит, Na2Ca2(C03)3; Cal - кальцит; CalD - разупорядоченный кальцит; ss - твердый раствор; L = жидкость; F - C02 флюид.

Глава 2. АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ МИГРАЦИИ НАСЫЩЕННОГО

РАСТВОРА В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОРОДЕ И МОДЕЛЕЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОРОДЫ В ПРИСУТСТВИИ МЕЖЗЕРНОВОГО

РАСТВОРА

Общепринятые модели миграции расплавов и их влияние на реологию пород в мантии рассматривают частичный расплав, как инертную по отношению к вмещающей породе жидкость. То есть допускается, что силикат не растворяется и не перекристаллизовывался в жидкой фазе. При этом любое изменение объемной фракции расплава контролируется скоростью пластического течения породы, лимитируемого скоростью твердофазной диффузии (Cooper and Kohlstedt, 1984; Riley et al., 1990). Данный механизм справедлив для сегрегации силикатных расплавов при высоких степенях плавления, характерных для сравнительно малых глубин (например, базальты в астеносфере) (Connolly et al., 2009). Вместе с тем перенос данной модели на большие глубины (>100-150 км) проблематичен в виду ряда принципиальных ограничений. Прежде всего это проблема начального этапа сегрегации, на котором дисперсные порции расплава перемещаются через монолитную силикатную мантию, которая не содержат готовых межзерновых каналов (McKenzie, 1985). Другая проблема связана с вкладом диффузионного транспорта силиката через межзерновой расплав в процесс пластического течения породы, игнорируемая общепринятыми моделями.

Модель миграции включений насыщенного раствора. Для того чтобы осуществить движение раствора в сторону монолитной кристаллической матрицы должен существовать встречный поток растворенного вещества. Величина потока растворенного вещества определяется транспортными свойствами раствора (скоростью диффузии растворенных компонентов в растворе) и движущей силой процесса (концентрационным градиентом). На примере модельных солевых систем экспериментально показано, что в качестве движущей силы процесса диффузионного массопереноса растворенного вещества могут выступать анизотропия поверхностной энергии (Cline, 1981), температурный градиент (Whitman, 1926; Гегузин и Кружанов, 1973) или механические напряжения (Гегузин и Кружанов, 1979).

Модели инфильтрация насыщенного раствора-расплава в "сухую" породу. Смоченная порода имеет меньшую поверхностную энергию, чем "сухая" порода. Поэтому, при малых углах смачивания в < 60°, расплавы стремятся пропитать вмещающую породу (Watson, 1982). Поток расплава во вмещающую породу лимитируется скоростью встречного потока вещества породы. Процесс просачивания (т.е., образование межзерновых каналов) включает растворение породы на границах зерен, диффузионный транспорт растворенного вещества через

интерстиционный расплав и его последующую кристаллизацию в камере с расплавом (Watson, 1982; Hammouda and Laporte, 2000). В случае карбонатитового расплава просачивание контролируется скоростью диффузии силикатных компонентов в расплаве (Hammouda and Laporte, 2000).

Влияние механических напряжений на распределение расплава в породе. В деформируемой породе внутрикристаллические включения раствора имеют тенденцию перераспределяться в интерстиционное пространство (Urai, 1983; Drury and Urai, 1990). Это связанно с тем, что в ходе деформации напряжения концентрируются на контактах зерен и включения раствора перемещаются в сторону максимальных напряжений путем механизма растворения-переотложения (Гегузин и Кружанов, 1979).

Модели деформации породы в присутствии межзернового раствора. В ходе деформации поликристаллического агрегата (породы) механические напряжения концентрируются на границах зерен. В следствии этого эти участки имеют больший химический потенциал и большую растворимость в растворе-расплаве по сравнению с не деформированными участками. Процесс растворения-переотложения включает растворение породы в напряженных участках, диффузию растворенного материала через раствор-расплав вдоль градиента концентраций и переотложение растворенного материала (Kingery, 1959; Weyl, 1959). Данный процесс приводит к достаточно быстрому (по сравнению с "сухой" системой) растеканию породы. Движущей силой процесса является разность химических потенциалов или разность растворимостей напряженных участков на границах зерен и участков свободных от напряжений (Karcz et al„ 2008).

Глава 3. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И МНОГОПУАНСОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Исследование фазовых взаимоотношений в карбонатных системах проведено при давлении 6 ГПа в интервале температур 900-1700 °С. В экспериментах использовали беспрессовые аппараты разрезная сфера БАРС и прессовые аппараты Каваи типа. В качестве материала ячейки использовали керамику на основе Zr02. Ячейку для БАРС изготавливали в форме тетрагональной призмы (20.4x20.4x25.2 мм) и сжимали шестью пуансонами с площадками 16x16 мм и 16x20 мм. В качестве нагревателя использовали графитовую трубку диаметром 12.0/13.0 мм и высотой 19.0 мм. Температуру образца контролировали с помощью термопары Pt94Rh6/Pt7oRh30. Калибровку по давлению проводили при высокой температуре в системе Ni-C, используя линию равновесия графит-алмаз (Kennedy and Kennedy, 1976) (Рис. 3).

-Токоввод Масло || Вода

1) стальной полукорпус, 2) стальная полумуфта или разрезная рама, 3) разрезная сфера (внешняя ступень стальных пуансонов), 4) разрезной октаэдр (внутренняя ступень WC пуансонов), 5) масло, 6) электроконтакг.

Рис. 3. Конструкция беспрессового аппарата разрезная сфера (БАРС) (Ран и др., 1977; МаИпоу.чкп е1 а1„ 1989; Пальянов и др., 1990, 1997) (а) и ячейки высокого давления (ЗЬа151ау е1 а1., 2014<3) (Ь).

В экспериментах на прессовом оборудовании ячейка имела форму октаэдра с длиной ребра 20.5 мм. Сжатие ячейки осуществляли кубическими WC пуансонами с треугольными площадками с ребром 12 мм. Нагрев производили с помощью трубчатого графитового нагревателя диаметром 4.0/4.5 мм и длиной 11 мм Температуру образца контролировали с помощью термопары W97Re3/W75Re25. Калибровка по давлению проведена с использованием фазовых переходов в Si02 (кварц-коэсит) при 1100 °С (Bohlen and Bettcher, 1982) и CaGe03 при 1100 °С (Ono et al., 2011) (Рис. 4). Каждая ячейка в БАРС и Каваи содержала 42 и 16 образцов диаметром 1 мм, соотвественно (Рис. ЗЬ и 4Ь). Образцы размещали в графитовых касетах. Максимальная разница температур между образцами не превышала 20 °С.

Эксперименты по измерению скоростей диффузии силикатных компонентов в карбонатитовом расплаве проведены с использованием прессового аппарата разрезная сфера USSA-5000 (Рис. 5а,Ь). В данных экспериментах использовали увеличенный многопуансонный блок, с пуансонами 47 мм, треугольными площадками 6 мм и октаэдрическую ячейку из MgO с ребром 14 мм. Калибровку по давлению провели с использованием фазовых превращений в Si02 (коэсит-стишовит), в (Mg[. „Fen)2Si04 (оливин-вадслеит, вадслеит-рингвудит) и в MgSi03 (ильменит-перовскит) (Shatskiy et al., 2011а). Нагрев образцов осуществляли с

использованием трубчатого нагревателя из ЬаСЮ3. Образец размещали в платиновой капсуле. Высота и диаметр капсулы составляли 2.5 мм. Капсулы с образцами загружали таким образом, чтобы слой силиката и растворителя располагались в горячей и холодной зоне, соответственно (Рис. 5с) (БЬа151ау е1 а1„ 20Ш).

Рис. 4. Конструкция 01А пресса (Об^ с! а1., 1964), оснащенного многопуансонным блоком типа Каваи (01иат е1 а1., 1989), (а) и ячейки высокого давления (5На1як1у ее а!., 2013а).

Рис. 5. Конструкция прессового аппарата разрезная сфера (иББА) (Ка\уа> ее а1., 1973) (а,Ь) и ячейки высокого давления (ЗЬаГвЙу « а1., 2007) (с).

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВЫХ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ В КАРБОНАТНЫХ СИСТЕМАХ ПРИ 6

ГПа и 900-1700 °С FeC03-MgC03. Фазовые взаимоотношения в псевдобинарной системе MgC03-FeC03 описываются Т-Х диаграммой с непрерывными рядами твердых и жидких растворов (Рис. 6Ь). При 6 ГПа температура плавления MgC03 и FeC03 составляют 1900 °С (Katsura and Ito, 1990) и 1670 °С (Shatskiy et al., 2014c,f), соответственно.

Рис. 6. Фазовые взаимоотношения в системах СаС03-РеС03 (а) и СаС03-РеС03-МяСОз ^(ШхМу е1 а1„ 20140 (Ь) при 6 ГПа.

¥еС0уСаС03. Фазовые взаимоотношения в системе СаС03-РеС03 описываются Т-Х диаграммой с твердыми растворами и температурным минимумом (Х(СаС03) = 56 мол% и Т= 1280 °С) на кривых ликвидуса и солидуса (Рис. 6а). При низких температурах область существования твердых растворов ограничена полем сидерит + анкерит около 900 °С и полем анкерит + арагонит ниже 1000 °С. Образование С02 флюида и присутствие оксида железа в продуктах закалки карбонатного расплава в интервале Х(СаСОэ) = 0-30 мол% и 1500-1700 °С указывает на

инконгруэнтное растворение сидерита в расплаве выше 1500 °С (Shatskiy et al., 2014f).

a. (Shatskiy et al., 2013c, 2014c) b. (Shatskiy et al., 2013a, 2014d)

Y°C —'—'—'—i—'—'—7п—т—i— T°C-------

1400(V в11:Лерцалит, $/6 ГПа

1300

1200

1100

1000

900

(Shatskiy et al., 2013a) (Shatskiy 6t 3i.,2014d}

_i_L

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 О

к2со3 c.

mol%

Mg/FeCOj Na2C03

т; с

1400

1300

1200

1100 ■

1000

900

(Shatskiy et al., 2014b)

d.

1 Г 1- — i ■ t—i 6 ГПа 1 i

L /" /Arg . у / +L

K2+L \ /L+ p-—^/K2Ca3 23

J 44 K6Ca2+L K^Ca^ K2Ca3

64 Kj+KsCaj Arg+ -K2Ca3 .

. КдСаг+К2Са-i i i • K2Ca+ " i K2Ca, i , , ■ ■

mol% Mg/FeC03 (Shatskiy et al., 2013d)

т; с

1400

1300

1200

1100

1000

900

1 1-r I-----r-1-1 6 ГПа 1 l—ri—

/ Arg

L / +L '

L+ \Na4Ca+L /Г+ 21

Na2SS^ Д___ /\Na2Ca3 Arg+ -

8 70 52 Na2Ca3

*

-1 Na2SS Na„Ca+ ■

/ Na-Ca3

" Na2SS+ Na2Ca,

• Na4Ca +Arg '

i i i Na2Ca3+Na2Ca-i i i t -

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 О К2С03 мол% СаС03 Na2C03 мол% СаС03

Рис. 7. Фазовые взаимоотношения в системах K2C03-MgC03, K>COi-FeCO; (а), Na2C03-MgC03, Na:C0.;-FcC03 (b), K2C03-CaC03 (с) и Na2C03-CaC03 (d) при 6 ГПа. В11 = составы расплавов, полученные при частичном плавлении К-карбонатизированного лерцолита при 6 ГПа (Brey et al., 2011). К2 = К2С03, Na2SS = твердый раствор СаС03 в Na2C03, K2Mg/i c = K2Mg(C03)2/K2Fe(C03)2, Na2Mg/Fc = Na2Mg(COj)2/Na2Fe(.COib Mgs/Sd = магнезит/сидерит, КбСа2 = K„Ca2(C03)5, K2Ca = K2Ca(CÖ3)2, К2Са3 = К2Са3(С03)4, Na4Ca = Na4Ca(C03)3, Na2Ca3 = Na2Ca3(C03)4, Na2Ca4 = Na2Ca4(C03)5, Arg = арагонит.

MgCO3-FeCO ¡-CaCO3. Топология T-X диаграммы для системы MgC03-FeC03-CaC03 при 6 ГПа проиллюстрирована на рисунке 6Ь. Добавление FeC03 в систему MgC03-CaC03 расширяет область твердых растворов доломит-анкерит в низкотемпературную часть (Рис. 6Ь). При 6 ГПа температурный минимум плавления в системе FeC03-CaC03 составляет -1280 °С, что на 70 °С ниже температурного минимума в системе MgC03-CaC03 (-1350 °С) (Shatskiy et al., 2014f).

K2COyMgC03. В системе K2C03-MgC03 установлены две эвтектики при Х(К2С03) = 75 мол% и Т = 1200 °С и при Х(К2СОэ) = 48 мол% и Т = 1300 °С. В системе устойчива одна промежуточная фаза, K2Mg(C03)2, плавящаяся конгруэнтно при 1250 °С (Shatskiy et al., 2013а) (Рис. 7а).

Na2C0rMgC03. В системе Na2C03-MgC03 установлены две эвтектики при X(Na2C03) = 71 мол% и Т= 1200 °С и при X(Na2C03) = 48 мол% и Т = 1250 °С. В системе устойчива одна промежуточная фаза, Na2Mg(C03)2, плавящаяся конгруэнтно при 1225 °С. На диаграмме присутствует область граничных твердых растворов MgC03 в Na2C03, содержащих до 10 мол% СаСОэ (Shatskiy et al., 2013b) (Рис. 7b).

K2C0rFeC03. В системе K2C03-FeC03 установлены две эвтектики приХ(К2С03) = 74 мол% и Т = 1200 "Си при ДК2С03) = 48 мол% и Т = 1250 °С. В системе устойчива одна промежуточная фаза, K2Fe(C03)2, плавящаяся конгруэнтно при 1210 °С (Shatskiy et al., 2014с) (Рис. 7а).

Na2C03-FeC03. В системе Na2C03-FeC03 установлены одна эвтектика при X(Na2C03) = 66 мол% и Т= 1000 °С и одна промежуточная фаза, Na2Fe(C03)2, плавящаяся инконгруэнтно при 1050 °С с образованием расплава, содержащего 55 мол% Na2C03 и сидерита (Shatskiy et al., 2014b) (Рис. 7b).

К2СОз-СаСОз. В системе К2С03-СаС03 установлены три эвтектики при Х(К2С03) = 63 мол% и Т = 1180 °С, при Х(К2СОэ) = 44 мол% и Т = 1200 °С и при Х(К2С03) = 23 мол% и Т = 1300 °С. Две промежуточные фазы, КйСа2(С03)5 и К2Са3(С03)4, плавятся конгруэнтно при 1225 °С и 1350 °С, соответственно (Shatskiy et al., 2014d) (Рис. 7c).

Na2C0rCaC03. В системе Na2C03-CaC03 установлены три эвтектики при X(Na2C03) = 70 мол% и Т= 1200 °С, при X(Na2C03) = 52 мол% и Т = 1200 °С и при X(Na2C03) = 21 мол% и Т= 1300 °С. В системе устойчивы две промежуточные фазы, Na4Ca(C03)3 и Na2Ca3(C03)4, плавящиеся конгруэнтно при 1210 и 1310 °С, соответственно. На диаграмме присутствует область граничных твердых растворов СаС03 в Na2C03, содержащих до 6-8 мол% СаСОэ (Shatskiy et al., 2013с, 2014е) (Рис. 7d).

K2COrFeCOrMgCO}. Т-Х диаграмма системы K2C03-FeC03-MgC03 приведена на рисунке 8а (Shatskiy et al., 2014с). Сечение K2Fe(C03)2-K2Mg(C03)2 является псевдобинарной системой с непрерывными рядами твердых и жидких растворов. Плавление контролируется двумя

котектиками. С увеличением железистости от Fe/(Fe+Mg) = 0 до 1, состав и температура первой котектики изменяются от Х(К2С03) = 48 мол% и Т = 1250 °С до Х(К2С03) = 46 мол% и Т = 1150 °С, а второй котектики от Х(К2С03) = 74 мол% и Т= 1200 "С до Х(К2С03) = 65 мол% и Т = 1100 °С.

Na2C03-FeC03-MgC03. Т-Х диаграмма системы Na2C03-FeC03-MgC03 приведена на рисунке 8b (Shatskiy et al., 2014b). При X(Na2C03) > 50-55 мол%, плавание тройной системы контролируется котектикой. С увеличением железистости от Fe/(Fe+Mg) = 0 до 1, состав и температура котектики изменяются от X(Na2C03) = 71 мол% и Т = 1200 °С до X(Na2C03) = 66 мол% и Т = 1000 "С. При X(Na2C03) < 50-55 мол%, плавление контролируется котектикой в магнезиальной части системы и перитектикой в железистой части. Значимые концентрации MgC03 (до 9 мол%) и FeC03 (до 3 мол%) в Na2C03 свидетельствуют о существовании граничных твердых растворов Na2C03.

Рис. 8. Изобарические Т-Х диаграммы системы K2C03-MgC03-FeC03 (а) и Na2C03-MgC03-FeC03 (b) при 6 ГПа.

К2СОз-СаСОз-М%СОз. Пространственная диаграмма состояния системы К2С03-СаС03-1^С03 характеризуется наличием двух точек минимума на поверхности ликвидуса (Рис. 9Ь).

•"i-—--т---1 ' ■■—г-'-1—1—1-'"i---1-' i i—-f——i-r—»YI.U

MgCOj 02 04 °-6 08 K2CO, MgCOj 02 06 08 K2C03

Рис. 9. Фазовые взаимоотношения в системе К2С0з-СаС03-МиС03 при 6 ГПа. Результаты сопоставлены с составами карбонатных расплавов, полученных при частичном плавлении системы К-карбонатизированный лерцолит, В11 = (Brey et al., 2011) и системы К-карбонатизированный пелит, GS 11 = (Grassi and Schmidt, 2011). K2 = K2C03; К3Са = КбСа2(С03)3; K2Mg = K2Mg(C03)2; I^CaMg =

K2Ca05Mg05(CO,)2; K2Ca3 = К2Саз(С03)4; Arg = арагонит; Mgs = магнезит; L = жидкость.

Обе точки расположены около 1000 °С и имеют следующие составы: 36K2C03'64(Cao.65Mgo.35)C03 и 62K2C03-38(Cao.72Mgo.28)C03. При этой температуре в качестве субликвидусных фаз установлены К2С03, K2Mg(C03)2, магнезит, доломит, К2Са3(С03)4 и К6Са2(С03)5. Данный набор субликвидусных фаз сохраняется до 1200 °С. При 1300 °С субликвидусные фазы представлены К2С03, магнезитом, доломитом, арагонитом и К2Са3(С03)4. При 1400 °С субликвидусные фазы представлены только простыми карбонатами: К2С03, магнезитом, магнезиальным кальцитом и арагонитом (Рис. 9).

Na2C03-CaC03-MgC03. В системе Na2C03-CaC03-MgC03 имеются два температурных минимума на поверхности ликвидуса. Обе точки расположены между 1000 и 1100 "С и имеют следующие составы: 48Na2C03-52(Cao.63Mgo.37)C03 и 62Na2CO3-38(Ca0.62Mg0.38)CO3. При 1000 °С в качестве субликвидусных фаз установлены Na2C03, Na2Mg(C03)2, магнезит, Na2Ca,(C03)4 и Na4Ca(C03)3. При 1200 °С набор субликвидусных фаз пополняется доломитом. При 1250 и 1300 °С субликвидусные фазы представлены Na2C03, магнезитом, доломитом, арагонитом и Na2Ca3(C03)4. При 1400 °С субликвидусные фазы представлены только щелочноземельными карбонатами: магнезитом, магнезиальным кальцитом и арагонитом (Рис. 10).

Глава 5. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ДИФФУЗИИ СИЛИКАТНЫХ КОМПОНЕНТОВ В ЩЕЛОЧНОМ КАРБОНАТНОМ РАСПЛАВЕ ПРИ ПАРАМЕТРАХ ВЕРХНЕЙ И НИЖНЕЙ МАНТИИ

Проведены эксперименты по установлению скоростей массопереноса силикатных компонентов через расплав KMC [K2Mg(C03)2 + 25.7 мас% Mg2Si04] при 16.5 ГПа и 1700 °С и через расплав КМСН [K2Mg(C03)2x2H20 + 31.7 мас% MgSi03] при 24 ГПа и 1500 °С. Дополнительно поставлены аналогичные опыты в водно-силикатном расплаве-флюиде НМ [Н20 + 47.4 и 75.7 мас% MgSi03] при 24 ГПа и 1350 и 1500 °С. В ходе экспериментов силикат (MgSi03 перовскит и Mg2Si04 вадслеит) рекристаллизовывали через слой насыщенного раствора силиката в расплаве в поле температурного градиента (величиной 20 °С/мм) (Рис. 11).

В экспериментах различной длительности определен временной интервал, в котором массоперенос осуществляется в стационарном

а. 900,1000°C CaCOj Ь. 1100°С СаСО,

Рис. 10. Фазовые взаимоотношения в системе Na2C03-CaC03-MgC03 при 6 ГПа. Результаты сопоставлены с составами карбонатных расплавов, полученных при частичном плавлении системы Na-содержащий карбонатизированный эклогит: YB04 = (Yaxley and Brey, 2004), Н03 = (Hammouda, 2003), и системы Na-содержащий карбонатизированный перидотит: В08 = (Brey et al., 2008), DH07 =

(Dasgupta and Hirschmann, 2007). Na2 = Na2C03; Na4(Ca,Mg) = Na4Ca2(C03)3; Na2Mg = Na2Mg(C03)2; Na2Ca4 = Na2Ca4(C03)5; Arg = арагонит; Mgs = магнезит; Dol = доломит; L = расплав.

режиме (т.е., не меняется во времени) (Рис. 12). Установлено, что в стационарном режиме процесс массопереноса лимитируется скоростью диффузии силиката в растворе-расплаве, а не поверхностной кинетикой, т.е. диффузионный поток силиката, fD - - DAC/l, где D - коэффициент диффузии, АС - градиент концентраций и I - толщина слоя раствора. Величину /о определяли при достижении стационарных условий из приращения массы рекристаллизованного силиката, dm, перемещенной за время, dt, через сечение капсулы, А используя уравнение:/= dml{A-df). На основании полученных результатов, рассчитаны коэффициенты диффузии Mg2Si04 в расплаве КМС при 16.5 ГПа и 1700 °С, MgSi03 в расплавах КМСН и НМ при 24 ГПа и 1500 °С. В данных условиях

коэффициенты диффузии составили ^кмс°* = 2х10"9 м2/с, Кис°н =4х10-9 м2/с и =5x10"8 м2/с (Рис. 13).

а 50 мин b 120 мин с 180 мин

LI РпГ^-"1 ^Sti Раствор № Раствор M^kJIt, Раствор

HT Prv источник Prv ИСТОЧНИК " Prv источник

d 50 мин е 120 мин f 180 мин

Скелетный рост Плоскогранный рост

Рис. 11. Схема рекристаллизации Г^БЮ3 перовскита через слой раствора КМСН (К2Г^(С03)2х2Н20+31.7 мас% К^5Ю3) в градиентном поле температур 20 °С/мм при 24 ГПа и 1500 °С (а-с). Ниже приведены фотографии полученных кристаллов в обратно рассеянных электронах НТ и ЬТ = высоко и низкотемпературная область (АТ~50 °С). Ргу = перовскит; Бй = стишовит.

.\tg5iO, в КМС

500

0 100 200 300 100 200 300 400

Длительность, мин Длительность, мин

Рис. 12. Временная зависимость потока растворенного силиката, / (кружки), и максимальные скорости роста кристаллов, Яс(Мах) (квадраты).

Перекристаллизацию силиката осуществляли через слой раствора толщиной 0.81.3 мм и диаметром 1.9-2.0 мм. В качестве движущей силы рекристаллизации выступал осевой температурный градиент, ~20°С/мм. (а) М§5Ю3 перовскит перекристаллизовывали в К2Мя(С03)2х2Н20 при 24 ГПа и 1500°С. (Ь) Г^28Ю4 вадслеит перекристаллизовывали в К2Г^(С03)2 при 16.5 ГПа и 1700°С.

2000 1500 1200 1000 800 700 600 500

П - МдгЗЮ4 в КгМд(СО,)г при 16.5 ГПа;

А - Мд8Ю, в

К2Мд(СО,)г*2НгО при 24 ГПа;

О -МдвЮзВ

н2о

при 24 ГПа.

8 9 10 10,000/Т[К]

Рис. 13. Диаграмма Арениуса, показывающая зависимость коэффициентов диффузии в карбонатитовом (1), водно-карбонатитовом (2) и водно-силикатном (3) расплавах, полученные автором при параметрах переходной зоны и нижней мантии (ЗЬа15к1у е1 а1., 2013(1). Для сравнения приведены литературные данные по коэффициентам диффузии в водном суперкритическом флюиде, водно-силикатном и сухом силикатном расплавах и карбонатных расплавах, полученные при повышенном и атмосферном давлении.

Глава 6. ПРОИСХОЖДЕНИЕ МАНТИЙНЫХ КАРБОНАТНЫХ

РАСПЛАВОВ

Частичное плавление карбонатизированной мантии.

Минимальные температуры солидусов карбонатизированных мантийных пород в безводных условиях контролируются плавлением их карбонатной составляющей. Состав карбонатов и, как следствие, температуры солидуса мантийных пород зависят от конкретной литологии: перидотитовой, эклогитовой или метапелитовой (Yaxley and Brey, 2004; Brey et al., 2011; Grassi and Schmidt, 2011).

Плавление в системе эклогит-СОг в присутствии натрия. Температуры солидуса Na-содержащего карбонатизированного эклогита по разным оценкам составляют 1225 °С при 6 ГПа, 975 °С при 6.5 ГПа (Hammouda, 2003) и 1080 °С при 6.1 ГПа (Dasgupta et al., 2004). В то же время температуры начала плавления в системе CaC03-MgC03-FeC03 составляют 1300-1350 °С при 6 ГПа (Buob et al., 2006; Shatskiy et al., 2014a). Различие связано с присутствием Na20. В эклогитах Na преимущественно концентрируется в виде жадеитового минала в клинопироксене (Соболев, 1974). Вблизи солидуса Na перераспределяется в карбонатную часть системы, инициируя плавление согласно реакции (Yaxley and Brey, 2004): 4NaAlSi206 (CPx) + CaMg(C03)2 (Dolss) = 2Na2C03 (L) + CaAl2Si06 (CPx) + 6Si02 (Сое).

Понижение температур солидуса карбонатизированного эклогита с 1340 °С (YB04) до 1060 °С (D04) и 980 °С (Н03) коррелирует с увеличением соотношения Na20/(Na20+C02) (Hammouda, 2003; Dasgupta et al., 2004; Yaxley and Brey, 2004). Указанный температурный интервал совпадает с температурными минимумами плавления в системе СаС03-MgC03 (1350 °С) и Na2C03-CaC03-MgC03 (1050 °С).

Плавление системы лерцолит-С02 в присутствии натрия. Солидус Na-содержащего карбонатизированного лерцолита DH07 (Dasgupta and Hirschmann, 2007) на 100 °С ниже температуры образования соответствующего расплава (с такими же соотношениями Ca, Mg и Fe) в системе CaC03-MgC03-FeC03. В лерцолите клинопироксен является основным концентратором натрия (Dasgupta and Hirschmann, 2007). Увеличение соотношения Na20/(Na20+C02) от 4.0 до 17.3 мол% в эклогитовой системе сопровождается понижением температуры солидуса от 1315+15 до 1205+15 °С при 6.6 ГПа (Dasgupta and Hirschmann, 2007). Частичные расплавы, сосуществующие с магнезитом в карбонатизированном лерцолиты В08 при 6 ГПа и 1400 °С и в лерцолите DH07 при 6.6 ГПа и 1330 °С, близки по составу к ликвидусному расплаву, сосуществующему с магнезитом в системе Na2C03-CaC03-MgC03 при 6 ГПа и 1400 °С (Рис. lOf).

Температурные тренды изменения состава расплавов при частичном плавлении Na-содержащего карбонатизированного

эклогита и лерцолита. Составы расплавов, полученных при температурах ниже 1350 °С в Na-содержащих карбонатизированных эклогите и лерцолите в большинстве случаев неопределенны по причине сложности анализа межзерновых пленок расплава при малых степенях плавления (Dasgupta et al., 2004; Dasgupta and Hirschmann, 2007). Имеющиеся фрагментарные данные свидетельствуют о том, что ниже 1350 °С состав расплава смещается от доломитового в сторону СаСОэ (в случае эклогита), либо в сторону MgC03 (в случае перидотита), при этом концентрация натрия в расплаве не меняется и не превышает 1 мол% (Hammouda, 2003; Brey et al., 2008). Эти результаты противоречат топологии системы CaC03-MgC03-FeC03 и не согласуются с топологией системы Na2C03-CaC03-MgC03 (Рис. 6Ь и 10е). Вероятнее всего данное несоответствие связанно с аналитическими проблемами в карбонат-силикатных системах. (1) При малом размере анализируемой области (< 5 мкм) невозможно расфокусировать электронный пучок, чтобы предотвратить "выгорание" Na и карбонатной составляющей образца. (2) Малый размер интерстиций, заполненных продуктами закалки расплава, приводит к неизбежному вовлечению силикатной матрицы в анализируемую область.

Сходство состава расплавов (Рис. 100, а также близкие температуры начала плавления, указывают на то, что закономерности плавления в Na-содержащих карбонат-силикатных системах близки к закономерностям, установленным в системе Na2C03-CaC03-MgC03. Это позволяет сделать следующие выводы.

1) При частичном плавлении Na-содержащего карбонатизированного эклогита состав частичного расплава меняется от Na-Ca-доломитового [48Na2C03-52(Cao.63Mgo.37)C03] при 1050 °С до Са-доломитового [1.2Na2CO3-98.8(Ca0.64Mg0.36)CO3] при 1400 °С (Рис. 14).

2) При плавлении Na-содержащего карбонатизированного перидотита состав частичного расплава меняется от Na-Ca-доломитового [30Na2C03-70(Cao.65Mgo.35)C03] при 1200 °С до Mg-доломитового [0.5Na2C03-99.5(Cao.6oMgo.3o)C03] при 1400 °С (Рис. 14).

Плавление системы лерцолит-С02 в присутствии калия. В системе лepцoлит-K2C03-MgCOз (В 11) при 6 ГПа в интервале 1200-1600 °С частичный расплав сосуществует с ассоциацией Ol + ОРх + Grt (Brey et al., 2011). С увеличением температуры от 1200 до 1400 °С состав расплава меняется от [42K2C03-58Cao.iMgo.8Feo.iC03 + 1.1 мол% Si02] до [29K2C03-71Cao.iMgo.7Feo.2C03 + 4.8 мол% Si02]. Тренд изменения состава расплава в системе В11 близок к ликвидусу псевдобинарной системы K2C03-(Mg,Fe)C03 (Рис. 7а) (Shatskiy et al., 2013, 2014b).

На основании вариации объемной фракции расплава Брай с соавторами заключили, что солидус В11 расположен около 1100 °С при 6 ГПа (Brey et al., 2011), что на 100-150 °С ниже температуры начала

плавления ассоциации K2(Mg,Fe)(C03)2 + магнезит (Рис. 7а). Также сообщается, что при 10 ГПа и 1262 °С данная ассоциация сосуществует с карбонатным расплавом (Brey et al., 2011). Это указывает на участие дополнительного, кальциевого, компонента в реакции плавления в системе В11. Перераспределение Ca из силикатной в карбонатную составляющую системы В11 происходит по реакции CaMgSi206(CPx) + 2MgC03(Mgs) = CaMg(CO)2(Dol) + Mg2Si206(0Px), которая реализуется выше 3-4 ГПа (Brey et al., 1983).

Согласно фазовым взаимоотношениям, установленным в системе K2C03-CaC03-MgC03 при 6 ГПа, K2Mg(C03)2 и MgC03 могут сосуществовать с расплавом в интервале 1000-1200 °С (Рис. 9b-d). На основании этих данных минимальная температура солидуса системы К-лерцолит-С02 может составлять 1000 °С при 6 ГПа. По нашим данным при этих параметрах околосолидусный расплав имеет К-Са-доломитовый состав [36K2C03-64Cao.65Mgo.35C03]. С увеличением температуры до 1300 °С состав расплава смещается в сторону К-магнезитового [42K2CO3-58(Ca0.iMg0.9)CO3] (Рис. 14Ь), близкого по составу к частичным расплавам в системе В11: [42K2C03-58Cao.iMgo8Feo iC03] при 1200 °С и [37K2C03-63Cao.i5Mgo.75Feo.,C03] при 1300 °С (Brey et al., 2011) (Рис. 9d,e).

а. СаС03 Ь. СаСО,

Рис. 14. Предполагаемые тренды изменения составов частичных расплавов в Na-содержащем карбонатизированном эклогите и перидотите (а) и К-содержащем карбонатизированном перидотите и пелите (Ь), на основании данных по фазовым взаимоотношениям в системе Na2C03-CaC03-MgC03 и в системе К2С03-СаС03-MgC03 при 6 ГПа и данных по плавлению в модельных карбонат-силикатных системах: Na-перидотит-СОг (Dasgupta and Hirschmann, 2007; Brey et al., 2008), Na-эклогит-СОг (Yaxley and Brey, 2004), К-перидотите (Brey et al., 2011) и K-пелите (Grassi and Schmidt, 2011). Цифрами обозначены температуры в °С.

Плавление карбонатизированного полита в присутствии калия. В интервале 5.5-6.5 ГПа температура солидуса системы калиевый

карбонатизированный пелит (GS11) составляет 1070 °С, а состав субсолидусной ассоциации представлен калиевым полевым шпатов (Kfs), доломитом (Dol), гранатом (Grt), клинопироксеном (СРх), кианитом (Ку) и коэситом (Сое). Частичное плавление данной ассоциации сопровождается исчезновением Kfs и Dol, понижением содержания кальция в гранате и образованием К-Са доломитового расплава. Плавление контролируется реакцией KAlSi308 (Kfs) + Ca3Al2Si30i2 (Grt) + NaAlSi206 (СРх) + CaMg(C03)2 (Dol) -» Mg3Al2Si3012 (Grt) + Al2SiOs (Ky) + Si02 (Сое) + K-Ca-Mg карбонатный расплав (Grassi and Schmidt, 2011).

Состав расплава в системе GS11 очень чувствителен к температуре и меняется от [37(Ko.94Nao.o6)2C03-63(Cao.62Mgo.38)C03 + 0.6 мол% Si02] при 1100 °С и 8 ГПа до [l^Ko^Nao^COj- 86(Cao.58Mgo.42)C03 + 6.2 мол% Si02] при 1180 °С и 5.5 ГПа (Grassi and Schmidt, 2011). Несмотря на разные субсолидусные калийсодержащие фазы (KAlSi308 и K2Mg(C03)2), составы расплавов в системе GS 11 совпадают с полученными в системе K2C03-CaC03-MgC03: [36K2C03-64(Cao.65Mgo.35)C03] при 1000 °С и [16K2C03-84(Cao.58Mgo.42)C03] при 1200 °С и 6 ГПа (Рис. 9b-d и 14). Таким образом, состав субсолидусного расплава в пелитовой системе определяется ее карбонатной составляющей, моделируемой системой K2C03-CaC03-MgC03.

Механизм и скорость миграции карбонатитовых расплавов в мантии. На глубинах свыше 100-150 км мантия не содержит непрерывной сети готовых каналов, через которые может осуществляться направленное перемещение расплава и его сегрегация, как это происходит в случае базальтов в астеносферной мантии. В этой связи механизм растворения-переотложения, обеспечивающий движение расплава-раствора через монолитную породу, является наиболее адекватной моделью миграции расплавов в глубинной мантии. Этот механизм, включает растворение силиката на фронте движения —» диффузию растворенного силиката через слой расплава —* кристаллизацию силиката позади включения или слоя расплава. Скорость перемещения расплава в породе прямо пропорциональна потоку растворенного силиката через расплав. Поток силикатного компонента пропорционален его коэффициенту диффузии в расплаве и градиенту концентраций: /D = DxAC/l. Градиент концентраций определяется величиной движущей силы. Далее рассмотрим движущие силы, которые можно ожидать в мантии, а именно поверхностное натяжение (Watson, 1982), температурный градиент (Whitman, 1926) и градиент напряжений (Гегузин и Кружанов, 1979).

Роль поверхностного натяжения и модель инфильтрации. При 1 ГПа и 1300 °С скорость инфильтрации натрокарбонатитового расплава в агрегат дунита описывается уравнением: v,nf =dx!dt = у¡D^ It . гДе x ~

длина диффузионного пробега и D0 = 1.8х10~9 м2/с - коэффициент диффузии фракции расплава в породу (Hammouda and Laporte, 2000). Хамуда и Лапорте отмечают, что значения D0 близки к значениям диффузии компонентов (D) в карбонатном расплаве. Поскольку коэффициенты диффузии, полученные автором, согласуются в пределах порядка cD0b работе (Hammouda and Laporte, 2000), в глубинной мантии следует ожидать столь же высоких скоростей инфильтрации. Очевидно, что быстрая инфильтрация расплава во вмещающую породу должна приводить к исчезновению магматических камер.

Однако, высокие скорости инфильтрации, наблюдаемые в миллиметровых экспериментальных объемах (Hammouda and Laporte, 2000), быстро убывают при увеличении глубины инфильтрации до геологически значимых масштабов. Это связано с увеличением длины диффузионного пробега молекул от места растворения на фронте инфильтрации до камеры с расплавом. Кроме этого, поверхностное натяжение является наиболее слабой движущей силой по сравнению с направленными силами к которым, например, относятся механические напряжения в конвективной мантии (Jin et al., 1994; Schenk and Urai,

2005). Поэтому полное рассеивание магматических камер маловероятно,

0 чем свидетельствуют извержения кимберлитов и лампроитов.

Миграция расплава в поле температурного градиента. Максимальные значения температурного градиента (TG) в мантии локализованы в плюмах и достигают 1 °С/км (Steinberger and Antretter,

2006). Исходя из значений fD максимальные скорости миграции карбонатных расплавов под действием TG в мантии не превышают 4х10"8 - 8x10"7 м/год. Эти значения на 4-7 порядков медленнее, чем скорости мантийной конвекции и скорости подъема мантийных плюмов (Smith and Lewis, 1999; Steinberger and Antretter, 2006). В среднем длительность подъема плюмов от границы ядро-мантия (слоя D") до переходной зоны не превышает 50 млн. лет. За этот период максимально возможная длина пробега включений не превышает 10 м для расплава KMC и 30 м для расплава КМСН. Очевидно, что столь незначительные расстояния не позволяют рассматривать температурный градиент в качестве потенциальной движущей силы сегрегации расплавов в мантии.

Миграция в поле механических напряжений. Типичные значения механических напряжений в конвективной мантии оцениваются на уровне 0.1-10 МПа (Karato, 2010). Скорость миграции включений расплава зависит от длины диффузионного пробега (т.е. размера включений) и величины напряжений. Увеличение размера включений от

1 до 100 мкм на два порядка понижает скорость миграции, в то время как увеличение напряжения с 0.1 до 10 МПа оказывает равный по величине обратный эффект.

Для типичного мантийного напряжения (1 МПа) и размера включений 10 мкм скорость миграции KMC расплава составляет 2 м/год при 16.5 ГПа и 1600 °С, а КМСН расплава - 9 м/год при 24 ГПа и 1700 °С. Для сравнения скорость подъема мантийных плюмов не превышает 0.1 м/год (Smith and Lewis, 1999), что на 1-2 порядка медленнее, чем скорости миграции расплавов.

В экспериментах автора в случае водно-силикатного расплава и карбонатного расплава при температурном градиенте 20 °С/мм разность химических потенциалов {Ац) составляет 600 и 1900 Дж/мол, соответственно. Для сравнения в случае максимального мантийного температурного градиента (103 °С/мм) при аналогичных РиГф едва превышает 10"4 Дж/мол. В отличии от этого, в случае градиента напряжений, характерных для мантии, А ¡л достигает 2 - 400 Дж/мол. Следовательно, градиент напряжений является наиболее эффективной и распространенной движущей силой в мантии, которая может обеспечивать направленное движение и сегрегацию расплавов путем механизма растворения-переосаждения.

В глобальном масштабе процессы магмообразования в мантии совпадают во времени и в пространстве с интенсивными деформациями мантийных пород (Kohlstedt and Holtzman, 2009). Предполагается, что наиболее значимые эпизоды плавления в мантии связанны с активностью плюмов (Добрецов и Шацкий, 2012) в периферических частях которых происходили интенсивные деформации мантийных пород (van Thienen et al., 2003). Примерами таких пород являются деформированные гранатовые лерцолиты, вынесенные кимберлитами с глубин 170-230 км (Boyd, 1973; Sobolev, 1977; Agashev et al., 2008). Эти породы несут следы интенсивных метасоматических изменений (Agashev et al., 2013) и содержат включения щелочно-карбонатитовых расплавов (Sharygin et al., 2013). Предполагается, что деформация этих пород происходила на фронте поднимающегося плюма в субкратонной мантии непосредственно перед их выносом на поверхность кимберлитами (Green and Gueguen, 1974). Наши данные свидетельствуют о том, что в условиях интенсивных деформаций, характерных для конвективной мантии и плюмов, дисперсные включения карбонатитовых расплавов, заключенные в монолитной силикатной породе, способны мигрировать путем механизма растворения-переосаждения и концентрироваться в деформируемом слое пород на фронте плюма и в его периферических частях. Этот механизм объясняет сегрегацию мантийных расплавов на ранней стадии на глубинах превышающих 150 км. Более того, данный механизм объясняет эффективный обмен редкими и рассеянными элементами между расплавом и силикатной породой, через которую он движется.

Пластификация пород в присутствии межзернового расплава. В процессе деформации породы напряжения концентрируется на границах

зерен. Напряженные участки кристаллов менее энергетически выгодны, чем свободные от напряжений. Поэтому минимизируя энергию система стремится избавиться от напряженных (деформированных) участков путем их рекристаллизации в зонах свободных от напряжений. В результате этой рекристаллизации осуществляется пластическое течение породы. В случае породы не содержащей расплава, пластическое течение лимитируется твердофазной диффузией (Herring, 1950; Coble, 1963), а именно, диффузией кремния в случае силикатной мантии (Yamazaki et al., 2000). Коэффициенты диффузии кремния в мантийных породообразующих минералах при Р-Т параметрах соответствующих кратонной геотерме, оцениваются на уровне 10"21 - 10"18 м2/с. Следуя допущению, о том, что ширина межзерновых границ составляет Ю"10 -10"9 м (Atkinson and Taylor, 1979; Ricoult and Kohlstedt, 1983; Farver et al., 1994), коэффициенты межзерновой диффузии на 4 порядка выше и соответствуют интервалу вязкости 1018 - 1022 Па-с (Yamazaki et al., 2000; Yamazaki and Karato, 2001; Shatskiy et al., 2010; Fei et al., 2012). Если межзерновое пространство содержит расплав (равновесный раствор породы в расплаве или флюиде), обеспечивающий быстрый диффузионный транспорт силикатных компонентов, то твердофазная рекристаллизация (дислокационная или диффузионная ползучесть) сменяется рекристаллизацией через жидкую фазу в межзерновом пространстве.

Вклад жидкофазной рекристаллизации в пластическое течение породы пропорционален доле межзерновой поверхности, смоченной расплавом. Тенденция расплавов к сегрегации в области максимальных напряжений (деформаций), малые углы смачивания силикатов карбонатитовым расплавом при высоких Р и Т (Mibe et al., 1998; 2004; Yoshino et al., 2007), а также общая тенденция к увеличению смачиваемости породы при ее деформации (Hier-Majumder and Kohlstedt, 2006) указывают на преобладание смоченных межзерновых границ над сухими. Поскольку диффузия силикатных компонентов в жидкой фазе (10 9 - 10"7 м2/с) на 11-13 порядков выше, чем диффузия кремния в твердой фазе (силикатных породообразующих минералах), присутствие межзернового расплава должно вызывать значительную пластификацию породы.

Таким образом, сегрегация даже малых количеств карбонатного расплава в деформируемом слое породы, окружающем плюм, должна менять механизм пластического течения с лимитируемого твердофазной диффузией (Karato and Wu, 1993; van Thienen et al., 2003), на лимитируемый скоростью диффузии силикатных компонентов в межзерновом расплаве (Weyl, 1959; Rutter, 1983; Urai et al., 1986; Karcz et al., 2008). Данный механизм объясняет большую скорость подъема термохимических плюмов, в разы превышающую скорости

среднемантийной конвекции (Burke et al., 2008; Добрецов и Шацкий,

2012). Поскольку карбонатит является одним из вероятных составов жидкого компонента термохимических плюмов, последние могут является эффективными каналами доставки сегрегированных порций карбонатитовых расплавов к основанию кратонной мантии. Недавняя находка щелочных карбонатитовых включений в ксенолите деформированного гранатового лерцолита из трубки Удачная-Восточная, вынесенного с глубины 150-230 км (Sharygin et al., 2013), а также Na-K-Са-доломитовый состав протокимберлитового расплава (Шарыгин и др.,

2013) являются прямым доказательством данного предположения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе приводится анализ экспериментальных данных, по фазовым взаимоотношениям в системах: К2СОз-СаСОз, Ыа2СОз-СаСОз, К2С03-MgC03, Na2C03-MgC03, K2C03-FeC03, Na2C03-FeC03, MgC03-CaC03 и MgC03-FeC03, K2C03-CaMgC03, Na2C03-CaMgC03 K2C03-Mg5(C03)4(0H)2-4H20 и Na2C03-Mg5(C03)4(0H)2-4H20 при 6 ГПа в интервале температур 900-1700 °С. На основании полученных результатов, построены бинарные и тройные диаграммы для карбонатных систем при 6 ГПа. Установлены основные ассоциации карбонатных фаз, контролирующих плавление. Помимо известных двойных карбонатов, K2Mg(C03)2 и Na2Mg(C03)2, выявлено восемь новых соединений К6Са2(С03)5, К2Са3(СЮ3)4, N3403(003)3, Na2Ca3(C03)4, N33034(003)5, K2C3o.5Mgo.5(C03)2, K2Fe(C03)2, N32Fe(C03)2 и серия полиморфных превращений, как в бинарных, так и в простых карбонатах Na2C03 и К2С03.

Минимальные температуры плзвления в системе СаС03-(Mg>0.5Fe<0.5)CO3 превышают 1300 °С при 6 ГПа. Это означает, что карбонатные рзсплавы анкерит-доломитового состава могут образовываться только при Р-Т парзметрах окезнической геотермы, в то время как при параметрах континентальной геотермы они не устойчивы. Минимальные температуры плавления в системах K2C03-CaC03-MgC03 (1000 °С) и Na2C03-CaC03-MgC03 (1050 °С) при 6 ГПа находятся ниже континентальной геотермы. При этом частичные расплзвы имеют К-Сз доломитовый [36K2CO3-64(C30.65Mg035)CO3] и N3-03 доломитовый [48N32C03-52(C3o.63Mgo.37)C03] составы. Высокие концентрации Na, К и Са являются неотъемлемой характеристикой карбонатных расплавов, образующихся в основании литосферной мзнтии (1000-1200 °С и 6.0 ± 0.5 ГПа). С увеличением темперзтуры до 1300-1400 °С частичные рзсплавы становятся малощелочными эволюционируя до Сз-доломитовых в случае Na-эклогитз и К-пелита, Mg-доломитовых в случае Na-лерцолитз и К-магнезитовых в случае К-лерцолита.

В работе также приводится анализ экспериментальных данных по скоростям массопереноса силикатных компонентов (Mg2Si04 и MgSi03) через карбонатитовый, KMC [K2Mg(C03)2 + 25.7 мас% Mg2Si04], и водосодержащий карбонатитовый, KMCH [K2Mg(C03)2x2H20 + 31.7 мас% MgSi03], расплавы при Р-Т параметрах переходной зоны и верхних горизонтов нижней мантии. Установлено, что при установлении стационарных условий процесс массопереноса лимитируется скоростью диффузии силикатных компонентов в расплаве. На основании полученных данных рассчитаны коэффициенты диффузии Mg2Si04 в расплаве KMC при 16.5 ГПа и 1700 °С и MgSi03 в расплаве КМСН при

24 ГПа и 1500 °С. Коэффициенты диффузии составили = 2х10~9

м2/с, и D^ch =4х10"9 м2/с. Полученные коэффициенты согласуются в

пределах порядка с коэффициентами диффузии компонентов в щелочных карбонатных расплавах при атмосферном давлении и температурах 8001500 °С.

Используя полученные коэффициенты диффузии, автором рассчитаны скорости миграции изолированных включений расплавов в мантии под действием различных движущих сил. В качестве единственно возможного механизма миграции принят механизм растворения-переотложения. Показано, что температурный градиент (TGMax = 1 °С/км в плюмах) является очень слабой движущей силой не способной обеспечить сегрегацию капель карбонатитового расплава в геологически значимых объемах (скорость миграции = 4х10"8 - 8х10"7 м/год). С другой стороны, скорости миграции в поле механических напряжений (~1 МПа) в мантии и при размере включений 0.01 мм оцениваются на уровне 1-10 м/год, что на 1-2 порядка быстрее скоростей подъема плюмов. Это означает, что рассеянные включения расплава на пути плюма и в его непосредственной близости должны сегрегироваться в интенсивно деформируемом слое пород в апикальной части плюма. Этот механизм объясняет сегрегацию мантийных магм с источником глубже 150-230 км, таких как кимберлиты.

Основные публикации по теме диссертации Статьи в журналах по перечню Web of Science и ВАК

1. Shatskiy A., Borzdov Y.M., Litasov K.D., Kupriyanov I.N., Ohtani E. and Palyanov

Y.N. Phase relations in the system FeC03-CaC03 at 6 GPa and 900-1700 °C and its relation to the system CaC03-FeC03-MgC03 // American Mineralogist. -2014f. - V. 99. - P. 773-785.

2. Litasov K.D., Shatskiy A. and Ohtani E. Melting and subsolidus phase relations in

peridotite and eclogite systems with reduced C-O-H fluid at 3-16 GPa // Earth and Planetary Science Letters. - 2014. - V. 391. - P. 87-99.

3. Zedgenizov D.A., Shatskiy A., Ragozin A.L., Kagi H. and Shatsky V.S. Merwinite

in diamond from Sao Luis, Brazil: A new mineral of the Ca-rich mantle environment // American Mineralogist. - 2014. - V. 99. - P. 547-550.

4. Shatskiy A., Sharygin I.S., Gavryushkin P.N., Litasov K.D., Borzdov Y.M.,

Shcherbakova A.V., Higo Y., Funakoshi K., Palyanov Y.N. and Ohtani E. The system K2C03-MgC03 at 6 GPa and 900-1450 °C // American Mineralogist. -2013a. -V. 98. - P. 1593-1603.

5. Shatskiy A., Gavryushkin P.N., Sharygin I.S., Litasov K.D., Kupriyanov I.N., Higo

Y., Borzdov Y.M., Funakoshi K., Palyanov Y.N. and Ohtani E. Melting and subsolidus phase relations in the system Na2C03-MgC03+-H20 at 6 GPa and the stability of Na2Mg(C03)2 in the upper mantle // American Mineralogist. - 2013b. -V.98.-P. 2172-2182.

6. Shatskiy A., Sharygin I.S., Litasov K.D., Borzdov Y.M., Palyanov Y.N. and Ohtani

E. New experimental data on phase relations for the system Na2C03-CaC03 at 6 GPa and 900-1400 °C // American Mineralogist. - 2013c. - V. 98. - P. 2164-2171.

7. Litasov K.D., Shatskiy A., Gavryushkin P.N., Sharygin I.S., Dorogokupets P.I.,

Dymshits A.M., Ohtani E„ Higo Y. and Funakoshi K. P-V-T equation of state of siderite to 33 GPa and 1673 К // Physics of the Earth and Planetary Interiors. -2013. - V. 224. - P. 83-87.

8. Litasov K.D., Shatskiy A., Ohtani E. and Yaxley G.M. The solidus of alkaline

carbonatite in the deep mantle // Geology. - 2013. - V. 41. - P. 79-82.

9. Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Овчинников С.Г., Попов З.И., Пономарев Д.С.

and Отани Е. Фазовые превращения нитридов железа Fe3N-Fe4N при давлении до 30 ГПа, исследованные методом in situ рентгеновской дифрактометрии//Письма в ЖЭТФ. - 2013. - Т. 98. - С. 907-911.

10. Shatskiy A., Litasov K.D., Borzdov Y.M., Katsura Т., Yamazaki D. and Ohtani E.

Silicate diffusion in alkali-carbonatite and hydrous melts at 16.5 and 24 GPa: Implication for the melt transport by dissolution-precipitation in the transition zone and uppermost lower mantle // Physics of the Earth and Planetary Interiors. -2013d. - V. 225. - P. 1-11.

11. Шарыгин И.С., Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Головин А.В., Отани Е. and Похиленко Н.П. Экспериментальное исследование плавления кимберлита трубки Удачная-восточная при 3-6.5 ГПа и 900-1500 °С // Доклады академии наук. - 2013. - Т. 448. - С. 452-457.

12. Добрецов Н.Л. и Шацкий А.Ф. Глубинный цикл углерода и глубинная геодинамика : роль ядра и карбонатитовых расплавов в нижней мантии // Геология и Геофизика. - 2012. - Т. 53. - С. 1455-1475.

13. Yoneda A., Cooray Т. and Shatskiy A. Single-crystal elasticity of stishovite: New

experimental data obtained using high-frequency resonant ultrasound spectroscopy and a Gingham check structure model // Physics of the Earth and Planetary Interiors. - 2012. - V. 190. - P. 80-86.

14. Shatskiy A., Katsura Т., Litasov K.D., Shcherbakova A.V., Borzdov Y.M., Yamazaki D., Yoneda A., Ohtani E. and Ito E. High pressure generation using scaled-up Kawai-cell // Physics of the Earth and Planetary Interiors. - 201 la. - V. 189.-P. 92-108.

15. Shatskiy A., Borzdov Y.M., Litasov K.D., Ohtani E„ Khokhryakov A.F., Pal'yanov Y.N. and Katsura T. Pressless split-sphere apparatus equipped with

scaled-up Kawai-cell for mineralogical studies at 10-20 GPa // American Mineralogist. - 201 lb. - V. 96. - P. 541-548.

16. Литасов К.Д., Шацкий А.Ф. и Похиленко Н.П. Фазовые соотношения и плавление в системах перидотит-Н20-С02 и эклогит-Н20-С02 при давлениях 3-27 ГПа // Докалады Академии Наук. - 2011. - Т. 437. - С. 669674.

17. Litasov K.D., Shatskiy A., Ohtani Е. and Katsura Т. Systematic study of hydrogen

incorporation into Fe-free wadsleyite // Physics and Chemistry of Minerals. -2011.-V. 38.-P. 75-84.

18. Shatskiy A., Borzdov Y.M., Yamazaki D„ Litasov K.D., Katsura T. and Palyanov

Y.N. Aluminum Nitride Crystal Growth from an Al-N System at 6.0 GPa and 1800 °C // Crystal Growth & Design. - 2010a. - V. 10. - P. 2563-2570.

19. Shatskiy A., Litasov K.D., Terasaki H„ Katsura T. and Ohtani E. Performance of

semi-sintered ceramics as pressure-transmitting media up to 30 GPa // High Pressure Research. - 2010b. - V. 30. - P. 443-450.

20. Shatskiy A., Yamazaki D„ Borzdov Y.M., Matsuzaki Т., Litasov K.D., Cooray Т.,

Ferot A., Ito E. and Katsura T. Stishovite single-crystal growth and application to silicon self-diffusion measurements // American Mineralogist. - 2010c. - V. 95. -P. 135-143.

21. Ito E„ Yoshino Т., Yamazaki D„ Shatskiy A., Shan S., Guo X., Katsura Т., Higo

Y. and Funakoshi K. High pressure generation and investigation of the spin transition of ferropericlase (Mg083Fe0.i7)O // Journal of Physics: Conference Series. - 2010. - V. 215. - P. 012099.

22. Shatskiy A., Litasov K.D., Matsuzaki Т., Shinoda K„ Yamazaki D., Yoneda A., Ito

E. and Katsura T. Single crystal growth of wadsleyite // American Mineralogist. -2009a.-V. 94.-P. 1130-1136.

23. Shatskiy A., Yamazaki D., Morard G., Cooray Т., Matsuzaki Т., Higo Y„ Funakoshi K, Sumiya H„ Ito E. and Katsura T. Boron-doped diamond heater and its application to large-volume, high-pressure, and high-temperature experiments // Review of Scientific Instruments. - 2009b. - V. 80. - P. 023907.

24. Litasov K.D., Shatskiy A., Fei Y„ Suzuki A., Ohtani E. and Funakoshi K. Pressure-

volume-temperature equation of state of tungsten carbide to 32 GPa and 1673 К // Journal of Applied Physics. - 2010. - V. 108. - P. 053513-053513-7.

25. Литасов К.Д., Шарыгин И.С., Шацкий А.Ф., Отани Э. и Похиленко Н.П. Роль

хлоридов в образовании и эволюции кимберлитовой магмы по данным экспериментальных исследований // Докалады Академии Наук. - 2010. - Т. 435. - С. 667-672.

26. Matsuzaki Т., Hagiya К., Shatskiy A., Katsura Т. and Matsui М. Crystal structure

of anhydrous phase X, K,.93(Mg2 02Cro.o2)Si2.oo07 // Journal of Mineralogical and Petrological Sciences. - 2010. - V. 105. - P. 303-308.

27. Katsura Т., Shatskiy A., Manthilake M„ Zhai S., Yamazaki D„ Matsuzaki Т., Yoshino Т., Yoneda A., Ito E„ Sugita M., Tomioka N„ Nozawa A. and Funakoshi K. P-V-T relations of wadsleyite determined by in situ X-ray diffraction in a large-volume high-pressure apparatus // Geophysical Research Letters. - 2009. - V. 36. -P. LI 1307.

28. Katsura Т., Shatskiy A., Manthilake M„ Zhai S„ Fukui H„ Yamazaki D., Matsuzaki Т., Yoneda A., Ito E. and Kuwata A. Thermal expansion of forsterite at

high pressures determined by in situ X-ray diffraction: The adiabatic geotherm in the upper mantle // Physics of the Earth and Planetary Interiors. - 2009. - V. 174. -P. 86-92.

29. Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Катсура Т. и Отани Э. Вхождение водорода в

структуру форстерита в системах Mg2Si04-K2Mg(C03)2-H20 и Mg2Si04-Н20-С при давлении 7,5-14,0 ГПа // Геология и геофизика. - 2009. - Т. 50. -С. 1456-1469.

30. Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Катсура Т. и Отани Э. Растворимость воды в

форстерите при давлении 8-14 ГПа // Доклады Академии Наук. - 2009. - Т. 425. - С. 522-526.

31. Yoshino Т., Matsuzaki Т., Shatskiy A. and Katsura Т. The effect of water on the

electrical conductivity of olivine aggregates and its implications for the electrical structure of the upper mantle // Earth and Planetary Science Letters. - 2009. - V. 288.-P. 291-300.

32. Xue X., Kanzaki M. and Shatskiy A. Dense hydrous magnesium silicates, phase D,

and superhydrous B: New structural constraints from one-and two-dimensional 29Si and 1H NMR// American Mineralogist. - 2008. - V. 93. - P. 1099-1 111.

33. Katsura Т., Yokoshi S., Kawabe K„ Shatskiy A., Okube M., Fukui H„ Ito E„ Nozawa A. and Funakoshi K.-i. Pressure dependence of electrical conductivity of (Mg, Fe)Si03 ilmenite // Physics and Chemistry of Minerals. - 2007. - V. 34. - P. 249-255.

34. Litasov K.D., Kagi H., Shatskiy A., Ohtani E., Lakshtanov D.L., Bass J.D. and Ito

E. High hydrogen solubility in Al-rich stishovite and water transport in the lower mantle // Earth and Planetary Science Letters. - 2007. - V. 262. - P. 620-634.

35. Shatskiy A., Fukui H., Matsuzaki Т., Shinoda K„ Yoneda A., Yamazaki D., Ito E.

and Katsura T. Growth of large (1 mm) MgSi03 perovskite single crystals: A thermal gradient method at ultrahigh pressure // American Mineralogist. - 2007. -V. 92.-P. 1744-1749.

36. Zhang В., Katsura Т., Shatskiy A., Matsuzaki T. and Wu X. Electrical conductivity

of FeTi03 ilmenite at high temperature and high pressure // Physical Review B. -2006.-V. 73.-P. 134104.

37. Шацкий А.Ф., Борздов Ю.М., Сокол А.Г. и Пальянов Ю.Н. Особенности фазообразования и кристаллизации алмаза в ультракалиевых карбонат-силикатных системах с углеродом // Геология и Геофизика. - 2002. - Т. 43. -С. 936-946.

38. Pal'yanov Y.N., Sokol A.G., Borzdov Y.M., Khokhryakov A.F., Shatsky A.F. and

Sobolev N.V. The diamond growth from Li2C03, Na2C03, K2C03 and Cs2C03 solvent-catalysts at P-l GPa and Г=1700-1750 °C II Diamond and Related Materials. - 1999. - V. 8. - P. 1118-1124.

Технический редактор O.M. Вараксина

Подписано к печати 25 августа 2014 Формат 60x84/16. Печать офсетная. Печ. л. 2,0. Тираж 110. Зак. № 208

Издательство СО РАН, Морской пр., 2, 630090 Новосибирск