научная статья по теме ФАЗОВЫЕ ОТНОШЕНИЯ В СИСТЕМЕ (MG,CA)3AL2SI3O12 NA2MGSI5O12 ПРИ 7.0 И 8.5 ГПА И 1400–1900°C Геология

Текст научной статьи на тему «ФАЗОВЫЕ ОТНОШЕНИЯ В СИСТЕМЕ (MG,CA)3AL2SI3O12 NA2MGSI5O12 ПРИ 7.0 И 8.5 ГПА И 1400–1900°C»

ГЕОХИМИЯ, 2015, № 1, с. 12-21

ФАЗОВЫЕ ОТНОШЕНИЯ В СИСТЕМЕ (Mg,Ca)3Al2Si3O12-Na2MgSi5O12

ПРИ 7.0 И 8.5 ГПа И 1400-1900°C

© 2015 г. А. М. Дымшиц* **, А. В. Бобров***, Ю. А. Литвин****

*Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН 630090 Новосибирск, просп. акад. Коптюга, 3 e-mail: a.dymshits@gmail.com **Новосибирский государственный университет 630090 Новосибирск ***Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Геологический факультет 119991 Москва, Ленинские горы ****Институт экспериментальной минералогии РАН 142432 Московская область, Черноголовка Поступила в редакцию 13.11.2013 г. Принята к печати 06.05.2014 г.

Исследована многокомпонентная система CaO—MgO—Al2O3—SiO2—Na2O при 7.0 и 8.5 ГПа на тороидальном аппарате высокого давления типа "наковальня с лункой". Изучены два бинарных сечения: пироп—гроссуляр и гроссуляр-№-мэйджорит, на их основе с использованием литературных данных построены поверхности ликвидуса системы пироп—гроссуляр—Na-мэйджорит. Поверхность ликвидуса гранатов преимущественно пиропового состава занимает доминирующее положение на диаграмме; в состав этих гранатов входит наибольшее количество минала Na2MgSi5O12. Для этой же области плавление наблюдается выше 1900°C. Солидус системы отмечен ниже 1550°С. В системе пироп—гроссуляр наблюдается разрыв смесимости для составов 50—65 мол. % пиропа с присутствием двух серий твердых растворов гранатов. Преобладающей фазой при смешении гроссуляра и Na-мэй-джорита является пироксен, а гранат кристаллизуется в довольно узком поле в области, богатой гроссуляром. Все гранаты, полученные в системах, характеризуются повышенными содержаниями Si и Na и относятся к ряду мэйджоритовых, для которых установлен единый механизм изоморфных замещений: (Mg, Ca) + Al = Si + Na.

Ключевые слова: пироп, натриевый мэйджорит, гроссуляр, эксперимент, фазовые отношения, мантия.

DOI: 10.7868/S0016752515010033

ВВЕДЕНИЕ

Система CaO-MgO-Al2O3-SiO2 (CMAS) является очень удобной моделью для исследования глубинных пород. Большое количество экспериментов, проведенных в широком диапазоне давлений для этой системы, лежит в основе практически всей глубинной петрологии. Существенным недостатком такого подхода является отсутствие в этих системах щелочных элементов и особенно натрия. Несмотря на то, что системы с Na2O уже изучались в экспериментальной петрологии для отдельно взятых модельных систем (Gasparik, 1989; 1992; 1996; Ono and Yasuda, 1996; Gasparik and Litvin, 1997; Bobrov et al., 2008a,b), физико-химическое поведение натриевых компонентов минералов в магматических процессах в условиях ман-

тийных температур и давлений остается во многом спорным. Между тем, содержание натрия в мантийных породах в ряде случаев бывает достаточно велико (Ringwood, 1991). Особенно богаты натрием эклогиты, поэтому экспериментальное изучение многокомпонентных систем, близких по составу к этим породам, позволяет более точно воспроизводить глубинные минеральные ассоциации и проливает свет на особенности состава и внутреннего строения Земли. Несомненно, важными в этой связи являются находки гранатов с повышенными содержаниями Na и Si, обнаруженные практически во всех кимберлитовых провинциях мира (Moore and Gurney, 1985; Соболев и др., 1997; Wang et al., 2000; Stachel, 2001; Davies et al., 2004; Harte and Cayzer, 2007; Шацкий и др., 2010). Согласно экспериментальным данным

(Akaogi and Akimoto, 1977; Irifune, 1987), алмазы, содержащие такие мэйджоритовые гранаты в виде включений, сформировались в диапазоне давлений 7.5—16 ГПа. В течение последних лет мы изучали простые натрийсодержащие системы в широком диапазоне давлений и температур (Bo-brov et al., 2008a,b; Бобров и др., 2009; Бобров и др., 2012; Dymshits et al., 2013) в связи с проблемой образования Na-содержащих мэйджорито-вых гранатов. Тем не менее, полученные в этих работах результаты не могут быть в полной мере приложены к природным минеральным ассоциациям. Достаточно высокие концентрации Ca в природных гранатах из включений в алмазах, особенно эклогитовой ассоциации, могут нести важную информацию об их образовании и особенностях вхождения в их состав натрия. Первоочередным этапом изучения является рассмотрение отдельно взятых компонентов гранатов, так как исследования особенностей смешения в их твердых растворах достаточно сложны и требуют особой подготовки. В результате изучения конечных членов (миналов) граната, таких как пироп и гроссуляр, а также их бинарных твердых растворов, на сегодняшний день имеется множество данных об особенностях их равновесных взаимоотношений, и в том числе термодинамических и кристаллохимических характеристик (например, Irifune and Ohtani, 1986; Geiger, 1999; Бутвина и др., 2001). При этом практически для всех твердых растворов с полной (или близкой к идеальной) смесимостью компонентов хорошо изучены все термодинамические параметры. В связи с тем, что неидеальность смешения сильно зависит от различий изоморфно замещаемых катионов, наиболее интересным и неидеальным оказывается раствор пиропа (Mg3Al2Si3O12) и гроссуляра (Ca3Al2Si3O12). Добавление в эту систему эмпирического минала (Na2Mg2Si5O12), позволяющего охарактеризовать поведение еще и примесных компонентов, позволяет более четко понять особенности изоморфизма в позиции M1 структуры граната.

Гранат имеет кубическую структуру, и его пространственная группа (Ia3d) не предусматривает высокого упорядочения катионов дальнего порядка, что связано с ограниченностью независимых кристаллографических позиций (додекаэдр, октаэдр и тетраэд). При этом любое упорядочение в структуре граната должно приводить к понижению его симметрии. Представляет интерес определение смесимости многокомпонентных растворов с участием достаточно разных по ионным радиусам катионов в позиции M1, чему отвечает смешение пиропа и гроссуляра.

В ходе экспериментального изучения многокомпонентной системы пироп—гроссуляр—Na-мэйджорит нами исследованы краевые бинарные сечения при 7 ГПа, причем наибольшее внима-

ние уделено изучению именно пироп-гроссуля-ровых твердых растворов и получению поверхности ликвидуса тройной системы. Дополнительно для ряда составов при давлении 8.5 ГПа были синтезированы гранаты с существенной примесью натрия.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Эксперименты проводились при давлениях 7.0 и 8.5 ГПа и температурах 1400-1900°С в Институте экспериментальной минералогии РАН (Черноголовка) с использованием аппарата высокого давления НЛ-13Т с тороидальным уплотнением типа "наковальня с лункой", представляющим собой модификацию камеры высокого давления Бриджмена (Литвин, 1991). Рабочая ячейка имеет общий диаметр 30 мм и изготавливается из литографского камня (основной компонент CaCO3). Внутрь ячейки помещается графитовый нагреватель диаметром 6 мм, и высотой 7.2 мм. Нагреватель в центральной части имеет полость размером 2 х 2 мм, куда помещается экспериментальный материал, после эксперимента рабочий объем составляет около 1 мм3. Для большей химической инертности ячейки и улучшения поля стабильности температуры и давления в камере синтеза используется втулка из прессованной смеси порошков периклаза и борнитрида в отношении 3 : 1 (MgO : BN = 3 : 1). Перед началом работы была выполнена специальная серия калибровочных экспериментов, обеспечивающая максимальную точность задаваемых температур (±20° C) и давлений (±0.1 ГПа) в рабочем объеме (Bobrov et al., 2008b).

В качестве исходных веществ в экспериментах использовались гели со стехиометрией заданных силикатов, приготовленные нитратным способом (Hamilton and Henderson, 1968). Гели смешивались в необходимых пропорциях, растирались до гомогенного состояния в присутствии этилового спирта. Затем тщательно просушенный гель помещали в подготовленную ячейку с нагревателем и в камере высокого давления при 7.0 или 8.5 ГПа нагревали до заданной температуры. После эксперимента образцы закаливались путем мгновенного снижения мощности и постепенно разгружались. Каждый образец изначально изучали под бинокуляром, затем разделяли на несколько частей, одну из которых запрессовывали в эпоксидную смолу и полировали. Детальное изучение образцов проводилось в лаборатории локальных методов изучения вещества Геологического факультета МГУ, на микрозондовом комплексе на базе растрового (сканирующего) электронного микроскопа "JEOL JSM-6480LV" с комбинированной системой рентгеноспектрального микроанализа, объединяющий энергодисперсионный "INCA-Ener-

Таблица 1. Условия и результаты экспериментов в системе Mg3Al2Si3Oi2—Ca3Al2Si3Oi2 при 7.0 ГПа

Номер опыта Состав смеси (мол. %) t, °C Время, мин Продукты опытов

Mg3Al2Si3O12 Ca3Al2Si3O12

1703 30 70 1900 5 L

1704 30 70 1850 5 L

1705 30 70 1800 5 L

1711 30 70 1750 5 L

1712 30 70 1700 15 Grsss + L

1730 30 70 1600 30 Grsss + Px

1748 40 60 1800 15 L

1749 40 60 1750 15 Px + L

1750 40 60 1700 30 Px

1708 50 50 1900 1 L

1699 50 50 1850 5 L

1709 50 50 1800 5 L

1710 50 50 1750 5 Prpss + Px + L

1682 50 50 1700 30 Prpss + Px + L

1745 50 50 1600 30 Prpss + Px + Crn

1744 50 50 1500 90 Prpss + Px + Crn

1755 60 40 1700 30 Prpss + Px + L

1754 60 40 1600 60 Prpss + Px + Crn

1733 70 30 1800 15 Prpss + L

1735 70 30 1700 15 Prpss

1734 70 30 1600 30 Prpss

gy 350" (окно ATW-2) и волновой дифракционный четырехкристальный спектрометр "INCA-wave 500" (кристаллы LiF200, TAP, PET и LSM-80N). Обработка результатов произведена при помощи профессионального лицензионного программного обеспечения: "SEM Control User Interface", версия 7.11. Все полученные фазы характеризовались структурно-текстурной, а также химической однородностью, что подтверждалось сходимостью анализов в центральной и краевой частях зерен. Это, в свою очередь, позволяет сделать вывод о достижении равновесия в проведенных опытах. Появление расплава в продуктах опытов фиксировалось по закалочному агрегату пироксена, ко-эсита и, в меньшей степени, граната. Его составы были получены путем сканирования с поверхности 10 х 10 мкм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Краевое сечение пироп-гроссуляр. Условия и результаты экспериментов

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком