Особенности проникновения Fe в матрицу из СаСО3 ± оливин ± серпентин при давлении 4 ГПа и температуре 1400-1500°С (экспериментальные данные)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Объект исследований. В представленном сообщении приводятся первые результаты по моделированию при высоких Р-Т параметрах взаимодействия СаСО3 с металлическим Fe в присутствии оливина и серпентина в сравнении с системой CaCO3-Fe. Это связано с необходимостью изучения реакций декарбонатизации при субдукции корового вещества в восстановленную мантию Земли в рамках проблематики глобального цикла углерода. Методы. Эксперимент проведен на аппарате высокого давления типа “разрезная сфера” (БАРС) при давлении 4.0 ГПа и температуре 1400-1500°С с последующем изучением полученных образцов на сканирующем электронном микроскопе, оборудованном системой химического микроанализа. Результаты. Установлено, что СаСО3 неустойчив в реализованных условиях. Продуктами реакций являются карбид железа и Са-вюстит или Са-магнезиовюстит в присутствии силикатных фаз. Выводы. Взаимодействие СаСО3 с металлическим Fe при высоком давлении имеет место, даже если компоненты находятся в твердом состоянии. Высокие скорости реакции при взаимодействии обеспечиваются появлением жидкого металла вследствие относительно низкой температуры плавления эвтектики в системе Fe-С. Установлено влияние силы тяжести на проникновение Fe в карбонатную матрицу, которое заключается в преимущественной инфильтрации жидкого металла между зернами карбоната. Присутствие Н2О значительно снижает температуру плавления карбоната, что приводит к увеличению диффузии компонентов и скорости реакции декарбонатизации, при этом влияние силы тяжести также имеет место вследствие разности удельного веса жидкого Fe в сравнении с другими компонентами в сильно флюидизированной среде.

Об авторах

В. М. Сонин

Институт геологии и минералогии СО РАН

Email: sonin@igm.nsc.ru

Е. И. Жимулев

Институт геологии и минералогии СО РАН

А. А. Чепуров

Институт геологии и минералогии СО РАН

А. И. Туркин

Институт геологии и минералогии СО РАН

А. И. Чепуров

Институт геологии и минералогии СО РАН

Список литературы

  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

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Сонин В.М., Жимулев Е.И., Чепуров А.А., Туркин А.И., Чепуров А.И., 2023

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».