Peculiarities of Fe penetration into the matrix of CaCO3 ± olivine ± serpentine at a pressure of 4 GPa and temperature of 1400-1500°C (experimental data)

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Research subject. We present the first results on modeling of the interaction of CaCO3 with metallic Fe in the presence of olivine and serpentine at high P-T parameters in comparison with the CaCO3-Fe system. The relevance of the study is related to the need to study decarbonatization reactions during subduction of crustal matter into the Earth's reduced mantle within the context of the global carbon cycle. Methods. The experiment was carried out using a BARS high-pressure apparatus at a pressure of 4.0 GPa and temperatures of 1400-1500°С with a subsequent study of the obtained samples on a scanning electron microscope equipped with a chemical microanalysis system. Results. CaCO3 was found to be unstable under the implemented conditions. The reaction products were iron carbide and Ca-wustite or Ca-magnesiowustite in the presence of silicate phases. Conclusions. The interaction of CaCO3 with metallic Fe at high pressure occurs even if the components are in the solid state. High reaction rates during interaction are provided by the appearance of liquid metal due to the relatively low melting temperature of the eutectic in Fe-C systems. The influence of gravity on the penetration of Fe into the carbonate matrix, which consists in the predominant infiltration of liquid metal between carbonate grains, was established. The presence of H2O significantly reduces the melting point of carbonate, which leads to an increase in the diffusion of components and decarbonization reaction rate, while the effect of gravity also takes place due to the difference in the density of liquid Fe in comparison with other components in a highly fluidized environment.

About the authors

V. M. Sonin

V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, SB RAS

Email: sonin@igm.nsc.ru

E. I. Zhimulev

V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, SB RAS

A. A. Chepurov

V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, SB RAS

A. I. Turkin

V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, SB RAS

A. I. Chepurov

V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, SB RAS

References

  1. Артемов В.Р., Кузнецова В.Н. (1976) Классификация серпентинов. вопросы методики поисков, разведки и промышленной оценки месторождений хризотил-асбеста. Свердловск: Уральск. территор. геол. упр., 38-54.
  2. Варлаков А.С. (1986) Петрология процессов серпентинизации гипербазитов складчатых областей. Свердловск: УНЦ АН СССР, 224 с.
  3. Добрецов Н.Л. (2010) Петрологические, геохимические и геодинамические особенности субдукционного магматизма. Петрология, 18(1), 84-106.
  4. Жимулев Е.И., Сонин В.М., Чепуров А.А., Чепуров А.И., Похиленко Н.П. (2022) Детализация взаимодействия СаСО3 с Fe при 4 ГПа и 1400-1500°C. Докл. АН, 506(1), 38-42. https://doi.org/10.31857/S2686739722600576
  5. Кочержинский Ю.А., Кулик О.Г., Туркевич В.З., Ивахненко С.А., Чипенко Г.В., Черепенина Е.С., Крючкова А.Р. (1992) Фазовые равновесия в системе железо-углерод при высоких давлениях. Сверхтвердые материалы, (6), 3-9.
  6. Мартиросян Н.С., Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Отани Э. (2015) Исследование реакций железа с карбонатом кальция при 6 ГПа и 1273-1873 К и их роль при восстановлении карбонатов в мантии Земли. Геология и геофизика, 56(9), 1681-1692. https://doi.org/10.15372/GiG20150908
  7. Чепуров А.И., Сонин В.М., Жимулев Е.И., Чепуров А.А., Томиленко А.А. (2011) Об образовании элементного углерода при разложении СаСО3 в восстановительных условиях при высоких Р-Т параметрах. Докл. АН, 441(6), 806-809.
  8. Чепуров А.И., Томиленко А.А., Жимулев Е.И., Сонин В.М., Чепуров А.А., Сурков Н.В., Ковязин С.В. (2010) Проблема воды в верхней мантии: разложение антигорита. Докл. АН, 434(3), 391-394.
  9. Чепуров А.И., Томиленко А.А., Жимулев Е.И., Сонин В.М., Чепуров А.А., Ковязин С.В., Тимина Т.Ю., Сурков Н.В. (2012) Консервация водного флюида во включениях в минералах и межзерновом пространстве при высоких Р-Т параметрах в процессе разложения антигорита. Геология и геофизика, 53(3), 305-320.
  10. Chepurov A., Zhimulev E., Chepurov A., Sonin V. (2021) Where did the largest diamonds grow? The experiments on percolation of Fe-Ni melt through olivine matrix in the presence of hydrocarbons. Lithos, 404-405, 106437-10. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2021.106437
  11. Clift P.D. (2017) A revised budget for Cenozoic sedimentary carbon subduction. AGU Rev. Geophys., 55, 97-125. https://doi.org/10.1002/2016RG000531
  12. Gromilov S., Chepurov A., Sonin V., Zhimulev E., Sukhikh A., Chepurov A., Shcheglov D. (2019) Formation of two crystal modifications of Fe7C3-x at 5.5 GPa. J. Appl. Cryst., 52, 1378-1384. https://doi.org/10.1107/S1600576719013347
  13. Huang R., Sun W., Ding X., Zhao Y., Song M. (2020) Effect of pressure on the kinetics of peridotite serpentinization. Phys. Chem. Miner., 47, 33. https://doi.org/10.1007/s00269-020-01101-x
  14. Irving A.J., Wyllie P.J. (1975) Subsolidus and melting relations for calcite, magnesite and join CaCO3-MgCO3 to 36 kb. Geochim. Cosmochim. acta, 39(1), 35-53.
  15. Koster van Groos A.F. (1982) High pressure differential analysis in the system CaO-CO2-H2O. Amer. Miner., 67, 234-237.
  16. Li Z., Li J., Lange R., Liu J., Militzer B. (2017) Determination of calcium carbonate and sodium carbonate melting curves up to Earth's transition zone pressures with implication for the deep carbon cycle. Earth Planet. Sci. lett., 457, 395-402. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.10.027
  17. Liu Y., Chen C., He D., Chen W. (2019) Deep carbon cycle in subduction zones. Sci. China. Earth Sci., 62, 1764-1782. https://doi.org/10.1007/s11430-018-9426-1
  18. Martirosyan N.S., Litasov K.D., Shatskiy A., Ohtani E. (2015) The reactions between iron and magnesite at 6 GPa and 1273-1873 K: Implication to reduction of subducted carbonate in the deep mantle. J. Miner. Petrol. Sci., 110, 49-59. https://doi.org/10.2465/jmps.141003a
  19. Martirosyan N.S., Yoshino T., Shatskiy A., Chanyshev A.D., Litasov K.D. (2016) The CaCO3-Fe interaction: Kinetic approach for carbonate subduction to the deep Earth's mantle. Phys. Earth Planet. Inter., 259, 1-9. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2016.08.008
  20. Martirosyan N.S., Shatskiy A., Chanyshev A.D., Litasov K.D., Podborodnikov I.V., Yoshino T. (2019) Effect of water on magnesite-iron interaction, with implications for the fate of carbonates in the deep mantle. Lithos, 326-327, 435-445. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2019.01.004
  21. McCammon C., Bureau H., Cleaves H.J. II, Cottrell E., Dorfman S.M., Kellogg L.H., Li J., Mikhail S., Moussallam Y., Sanloup C., Thomson A.R., Vitale Brovarone A. (2020) Deep Earth carbon reactions through time and space. Amer. Miner., 105, 22-27. https://doi.org/10.2138/am-2020-6888CCBY
  22. Palyanov Yu.N., Bataleva Yu.V., Sokol A.G., Borzdov Yu.N., Kupriyanov I.N., Reutsky V.N., Sobolev N.V. (2013) Mantle-slab interaction and redox mechanism of diamond formation. PNAS, 110(51), 20408-13. https://doi.org/10.1073/pnas.1313340110
  23. Poli S., Schmidt M.W. (1995) H2O transport and release in subduction zones - experimental constraints on basaltic and andesitic systems. J. Geophys. Res., 100, 22299-314.
  24. Rohrbach A., Schmidt M.W. (2011) Redox freezing and melting in Earth's deep mantle resulting from carboniron redox coupling. Nature, 472, 209-214. https://doi.org/10.1038/nature09899
  25. Stagno V., Frost D.J. (2010) Carbon speciation in the asthenosphere: Experimental measurements of the redox conditions at carbonate-bearing melts coexist with graphite or diamonds in peridotite assemblages. Earth Planet. Sci. Lett., 300, 72-84. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2010.09.038
  26. Stagno V., Frost D.J., McCammon C.A., Mohseni H., Fei Y. (2015) The oxygen fugacity at which graphite or diamond forms from carbonate-bearing melts in eclogitic rocks. Contrib. Miner. Petrol., 169:16. https://doi.org/10.1007/s00410-015-1111-1
  27. Suito K., Namba J., Horikawa T., Taniguchi Y., Sakura N., Kobayashi M., Onodera A., Shimomura O., Kikegawa T. (2001) Phase relations of CaCO3 at high pressure and temperature. Amer. Miner., 86(9), 997-1002.
  28. Ulmer P., Trommsdorff V. (1995) Serpentine stability to mantle depths and subduction-related magmatism. Science, 268, 858-861.
  29. Weidendorfer D., Manning C.E., Schmidt M.W. (2020) Carbonate melts in the hydrous upper mantle. Contrib. Miner. Petrol., 175, 72-17. https://doi.org/10.1007/s00410-020-01708-x
  30. Whittaker E.J.W., Zussman J. (1956) The characterization of serpentine minerals X-ray diffraction. Miner. Mag., 31, 107-126.
  31. Wicks F.J., Zussman J. (1975) Microbeam X-ray diffraction patterns of the serpentine minerals. Canad. Miner., 13, 244-258.
  32. Wunder B., Schreyer W. (1997) Antigorite: high-pressure stability in the system MgO-SiO2-H2O (MSH). Lithos, 41, 213-227.
  33. Wyllie P.J., Boettcher A.L. (1969) Liquidus phase relationships in the system CaO-CO2-H2O to 40 kilobars pressures with petrological applications. amer. J. Sci., 267-A, 489-508.
  34. Zhao S., Schettino E., Merlini M., Poli S. (2019) The stability and melting of aragonite: An experimental and thermodynamic model for carbonated eclogites in the mantle. Lithos, 324-325, 105-114. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2018.11.005
  35. Zhimulev E.I., Chepurov A.I., Sonin V.M., Litasov K.D., Chepurov A.A. (2018) Experimental modeling of percolation of molten iron through polycrystalline olivine matrix at 2.0-5.5 GPa and 1600°C. High Pressure Res., 38, 153-164. https://doi.org/10.1080/08957959.2018.1458847

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Sonin V.M., Zhimulev E.I., Chepurov A.A., Turkin A.I., Chepurov A.I.

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».