Образование К-кимрита в зонах субдукции и его потенциал в транспорте калия, воды и азота в мантию

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Условия образования K-кимрита в богатом летучими пелите и частично дефлюидизированном кварц–мусковит–хлоритовом сланце экспериментально исследованы при давлении 5.5, 6.3 и 7.8 ГПа и температуре от 900 до 1090°С, отвечающих геотерме горячей субдукции. В образцах при Р-Т параметрах экспериментов образуется ассоциация Grt + Coe + Phe + Cpx + Ky, с акцессорными Po + Ru + Zrn ± Mnz, и обогащенный водой сверхкритический флюид-расплав. Анализ полученных данных свидетельствует, что стабильность фенгита и потенциальная возможность его замены на K-кимрит (KAlSi3O8 · H2O) зависит от Р-Т параметров, количества летучих в метаосадке и режима его дефлюидизации. В образцах богатого летучими пелита и сланца при 5.5 и 900°С, а также при 6.3 ГПа и 1000°С фенгит остается стабилен в равновесии с 3–13 мас. % флюида-расплава. С ростом давления до 7.8 ГПа и температуры до 1090°С доля сверхкритического флюида-расплава в пелите достигает 20 мас. %, а фенгит исчезает. В сланце при 7.8 ГПа и 1070°С появляется лишь 5 мас. % сверхкритического флюида-расплава и сохраняется большая часть фенгита. Впервые с помощью КР-картирования в образцах пелита и сланца, полученных экспериментально при 7.8 ГПа и 1070°С, установлена фазовая ассоциация с фенгитом и K-кимритом (± кокчетавитом). При пошаговой дефлюидизации пелита (с удалением на каждом шаге порции флюида-расплава, образующегося в равновесии со стабильными при конкретных P-T параметрах минералами концентраторами летучих) фенгит в образце сохраняется до 7.8 ГПа и 1090°С, однако в отсутствие флюида-расплава K-кимрит не образуется. Сделан вывод, что наиболее эффективный транспорт летучих (прежде всего воды) в метаосадке на глубины более 240 км может осуществляться при его частичной дефлюидизации до момента образования сверхкритического флюида-расплава. В этом случае, практически весь фенгит в ходе субдуцирования метаосадка может достигнуть глубин 240 км и затем трансформироваться в водный, а при наличии азота в метаосадке, и азотсодержащий K-кимрит, обеспечивая дальнейший транспорт LILE, воды и азота. При образовании значительной доли сверхкритического флюида-расплава, в нем с ростом Р-Т параметров полностью растворяется фенгит и дальнейший транспорт LILE, воды и азота становится невозможен. При глубокой многоэтапной дефлюидизации метаосадка, фенгит остается стабилен до глубин 240 км, однако при дальнейшем субдуцировании он, вероятно, превращается в безводный K-холландит (KAlSi3O8).

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Г. Сокол

Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: sokola@igm.nsc.ru
Россия, Новосибирск

А. В. Корсаков

Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук

Email: korsakov@igm.nsc.ru
Россия, Новосибирск

А. Н. Крук

Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук

Email: krukan@igm.nsc.ru
Россия, Новосибирск

Список литературы

  1. Карпенко Ю.В., Паутов Л.А., Агаханов А.А., Хворов П.В. (2001). О содержании азота в сланцах хребта Мань-Хамбо (С. Урал). Уральский минералогический сборник. Миасс: ИМин УрО РАН, с. 80–87.
  2. Корсаков А.В., Михайленко Д.С., Серебрянников А.О., Логвинова А.М., Гладкочуб Д.П. (2024). Включение кокчетавита в кристалле алмаза из Венесуэлы ‒ свидетельство субдукции материала континентальной коры. ДАН. 515(7), 133–141.
  3. Перчук А.Л., Сердюк А.А., Зиновьева Н.Г., Шур М.Ю. (2020). Плавление и минеральные парагенезисы глобального субдукционного осадка, обогащенного водой, в условиях закрытой и открытой системе: эксперимент и термодинамическое моделирование. Геология и геофизика. 61(5), 701–724.
  4. Рябчиков И.Д., Орлова Г.П., Каленчук Г.Ю., Ганеев И.И., Удовкина Н.Г., Носик Л.П. (1989). Взаимодействие шипнелевого лерцолита с водно-углекислым флюидом при 20 кбар и 900 °С. Геохимия. (3), 56–62.
  5. Сокол А.Г., Крук А.Н., Козьменко О.А. Пальянов Ю.Н. (2023а). Стабильность карбонатов при субдукции: влияние режима дефлюидизации хлорсодержащего метапелита. ДАН. 509(3), 50–55.
  6. Сокол A.Г., Козьменко О.А., Крук А.Н., Нечепуренко С.Ф. (2023б). Состав флюида в карбонат- и хлорсодержащем пелите вблизи второй критической точки: результаты экспериментов с применением методики алмазной ловушки. Геология и геофизика. (8), 1106–1120.
  7. Bebout G.E., Fogel M.L. Cartigny, P. (2013). Nitrogen: Highly volatile yet surprisingly compatible. Elements, 9(5), 333–338.
  8. Chapman, T., Clarke, G.L., Daczko, N.R. (2019). The role of buoyancy in the fate of ultra-high-pressure eclogite. Sci. Reports. 9(1), 1–9.
  9. Domanik K.J., Holloway J.R. (1996). The stability and composition of phengitic muscovite and associated phases from 5.5 to 11 GPa: implications for deeply subducted sediments. Geochim. Cosmochim. Acta. 60 (21), 4133–4150.
  10. Grassi D., Schmidt M.W. (2011). The melting of carbonated pelites from 70 to 700 km depth. J. Petrol. 52 (4), 765–789.
  11. Harlow G.E., Davies R. (2004). Status report on stability of K-rich phases at mantle conditions. Lithos. 77 (1–4), 647–653.
  12. Hermann J., Green D.H. (2001). Experimental constraints on high pressure melting in subducted crust. Earth Planet. Sci. Lett. 188 (1–2), 149–168.
  13. Hermann J., Spandler C.J. (2008). Sediment melts at sub-arc depths: an experimental study. J. Petrol. 49 (4), 717–740.
  14. Hermann J., Zheng Y.F., Rubatto D. (2013). Deep fluids in subducted continental crust. Elements. 9 (4), 281–287.
  15. Hwang S.L., Shen P., Chu H.T., Yui T.F., Liou J.G., Sobolev N.V., Zhang R.-Y., Shatsky V.S., Zayachkovsky A.A. (2004). Kokchetavite: a new potassium-feldspar polymorph from the Kokchetav ultrahigh-pressure terrane. Contrib. Mineral. Petrol. 148, 380–389.
  16. Irifune T., Ringwood A.E., Hibberson W.O. (1994). Subduction of continental crust and terrigenous and pelagic sediments — An experimental study. Earth Planet. Sci. Lett. 126, 351–368.
  17. Johnson M.C., Plank T. (1999). Dehydration and melting experiments constrain the fate of subducted sediments. Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 1 (12).
  18. Konzett J., Ulmer P. (1999). The stability of hydrous potassic phases in lherzolite mantle — An experimental study to 9.5 GPa in simplified and natural bulk compositions. J. Petrology. 40, 629–652.
  19. Korsakov A.V., Romanenko A.V., Sokol A.G., Musiyachenko K.A. (2023). Raman spectroscopic study of the transformation of nitrogen‐bearing K‐cymrite during heating experiments: Origin of kokchetavite in high‐pressure metamorphic rocks. Journal of Raman Spectroscopy, 54(11), 1183–1190.
  20. Kupriyanov I.N., Sokol A.G., Seryotkin Y.V., Kruk A.N., Tomilenko A.A., Bul’bak T.A. (2023). Nitrogen fractionation in mica metapelite under hot subduction conditions: Implications for nitrogen ingassing to the mantle. Chemical Geology, 628, 121476.
  21. Massonne, H.J. (2011). Phase relations of siliceous marbles at ultrahigh pressure based on thermodynamic calculations: examples from the Kokchetav Massif, Kazakhstan and the Sulu terrane. China. Geol. J. 46 (2–3), 114–125.
  22. Mikhno A.O., Schmidt U., Korsakov A.V. (2013). Origin of K-cymrite and kokchetavite in the polyphase mineral inclusions from Kokchetav UHP calc-silicate rocks: evidence from confocal Raman imaging. Eur. J. Mineral. 25 (5), 807–816.
  23. Ono S. (1998). Stability limits of hydrous minerals in sediment and mid-ocean ridge basalt compositions: Implications for water transport in subduction zones. J. Geophys. Res. 103: 18253–18267.
  24. Palyanov Y.N., Kupriyanov I.N., Khokhryakov A.F., Borzdov Y.M. (2017). High-pressure crystallization and proper- ties of diamond from magnesium-based catalysts. CrystEngComm. 19, 4459–4475.
  25. Plank T. (2014). The chemical composition of subducting sediments. in: Holland HD, Turekian KK (Eds) Treatise on Geochemistry, Elsevier, Amsterdam, 607–629.
  26. Plank T., Manning C.E. (2019). Subducting carbon. Nature. 574 (7778), 343–352.
  27. Romanenko A.V., Rashchenko S.V., Sokol A.G., Korsakov A.V., Seryotkin Y.V., Glazyrin K.V., Musiyachenko K. (2021). Crystal structures of K-cymrite and kokchetavite from single-crystal X-ray diffraction. Am. Mineral. 106 (3), 404–409.
  28. Romanenko A.V., Rashchenko S.V., Glazyrin K.V., Korsakov A.V., Sokol A.G., Kokh K.A. (2024). Compressibility and pressure-induced structural evolution of kokchetavite, hexagonal polymorph of KAlSi3O8, by single-crystal X-ray diffraction. Am. Mineral. 109 (7), 1284–1291
  29. Schmidt M.W., Vielzeuf D., Auzanneau E. (2004). Melting and dissolution of subducting crust at high pressures: the key role of white mica. Earth Planet. Sci. Lett. 228 (1–2), 65–84.
  30. Schmidt M., Poli S. (2014). Devolatilization during subduction. Treatise on Geochemistry. Elsevier, p. 669—701.
  31. Sokol A.G., Kupriyanov I.N., Seryotkin Y.V., Sokol E.V., Kruk A.N., Tomilenko A.A., Bul’bak T.A., Palyanov Y.N. (2020). Cymrite as mineral clathrate: An overlooked redox insensitive transporter of nitrogen in the mantle. Gondwana Res. 79, p. 70—86.
  32. Sokol A.G., Kupriyanov I.N., Kotsuba D.A., Korsakov A.V., Sokol E.V., Kruk A.N. (2023a). Nitrogen storage capacity of phengitic muscovite and K-cymrite under the conditions of hot subduction and ultra high-pressure metamorphism. Geochim. Cosmochim. Acta, 355, 89–109.
  33. Sokol A.G., Kozmenko O.A., Kruk A.N. (2023b). Composition of supercritical fluid in carbonate-and chlorine-bearing pelite at conditions of subduction zones. Contrib. Mineral. Petrol. 178(12), 90.
  34. Sokol A.G., Kozmenko O.A., Kruk A.N., Skuzovatov S.Y., Kiseleva, D.V. (2024). Trace-element mobility in pelite-derived supercritical fluid-melt at subduction-zone conditions. Contrib. Mineral. Petrol. 179(5), 1–18.
  35. Sokol E., Kokh S., Kozmenko O, Novikova S., Khvorov P., Nigmatulina E., Belogub E., Kirillov M. (2018). Mineralogy and geochemistry of mud volcanic ejecta: a new look at old issues. Minerals. 8 (8), 344.
  36. Sudo A., Tatsumi Y. (1990). Phlogopite and K-amphibole in the upper mantle: Implication for magma genesis in subduction zones. Geophys. Res. Lett. 17, 29–32.
  37. Trønnes R.G. (2002). Stability range and decomposition of potassic richterite and phlogopite end members at 5–15 GPa. Mineral. Petrol. 74, 129–148.
  38. Ulmer P., Trommsdorff V. (1995). Serpentine stability to mantle depths and subduction-related magmatism. Science. 268(5212), 858–861.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Р-Т-условия экспериментов, фазовый состав полученных образцов и имеющиеся данные об условиях образования калийсодержащих фаз высокого давления — потенциальных минералов концентраторов LILE, воды и азота в упрощенных водосодержащих системах на основе калиевого полевого шпата, а также мультикомпонентных пелитовых и гранитных системах. Шестиугольники с красными секторами показывают фазовый состав образцов со сланцем, шестиугольники с синими секторами — с пелитом (закрашенный и не закрашенный цветом сектора означают присутствие и отсутствие фазы, соответственно). В шестиугольнике с синими секторами, окрашенный розовым сектор означает присутствие лишь единичных зерен фенгита. DH04 — Harlow and Davies, (2004); S04 — Schmidt et al. (2004); Ch19 — Chapman et al. (2019). Граница стабильности K-кимрита (K-Cym) в пелитовой системе приведена по нашим данным. Обозначения основных фаз приведены в табл. 2. K-Wad — калиевый вадеит, K-Hol — калиевый холландит, Sti — стишовит, Crn — корунд. Состав сверхкритического флюида-расплава (SCFM), в присутствии которого образуется K-кимрит в пелитовой системе, оценен на основании данных работы (Sokol et al., 2023b)

Скачать (214KB)
Метаданные
3. Рис. 2. BSE-изображения образцов пелита (а, б) и сланца (в) после экспериментов. а — обр. 1103_4_7 (7,8 ГПа, 1090°С); б — обр. 2176_2_1 (7.8 ГПа, 1090°С); в — обр. 2077_2_3 (7.8 ГПа, 1070°С). Обозначения фаз приведены в табл. 2

Скачать (534KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Представительные составы граната (а), клинопироксена (б) и фенгита (в) из образов с пелитом и сланцем после экспериментов. На рисунках оранжевым пунктиром показана специфика изменения состава граната с ростом температуры (а) и клинопироксена с ростом давления (б) в системе GLOSS по данным (Hermann, Spandler, 2008)

Скачать (153KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменения фазового состава образцов пелита (а) и сланца (б) с ростом Р-Т-параметров вдоль горячей субдукционной геотермы

Скачать (154KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Фотография фаз, синтезированных в опыте 2077_2_3 (а), КР-карта (б) и индивидуальные КР-спектры (в), диагностированных минералов. Цвета на КР-карте и цвета индивидуальных спектрах идентичны. Epoxy = эпоксидная смола, Rutile = рутил, K-cym = К-кимрит, Mica = слюда, Coe = коэсит

Скачать (251KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Фотография фаз, синтезированных в опыте 2077_2_1 (а), КР-карта (б) и индивидуальные КР-спектры (в), диагностированных минералов. Цвета на КР-карте и цвета индивидуальных спектрах идентичны. Grt = гранат, Gr = графит, Coe = коэсит, K-cym = К-кимрит, Kok = кокчетавит, Dia = алмаз (следы алмазной пасты), Xen = ксенотим, Ky = кианит

Скачать (329KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».