ГЕОХИМИЯ, 2008, № 4, с. 355-363
НАНОВКЛЮЧЕНИЯ ВЫСОКОБАРНОГО ГИДРОСИЛИКАТА Mg3Si4O10(OH)2 • nH2O (10А-ФАЗА) В МАНТИЙНЫХ ОЛИВИНАХ: МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ И ТРАНСФОРМАЦИИ
© 2008 г. Н. Р. Хисина*, Р. Вирт**
*Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991 Москва, ул. Косыгина, 19 e-mail: khisina@geokhi.ru **Геологический центр, Потсдам, Германия Поступила в редакцию 03.10.2006 г.
10А-фаза (Mg3Si4O10(OH)2 ■ nH2O, где n = 0.65-2) является представителем группы высокоплотных гидросиликатов магния (фаз DHMS), полученных экспериментально и рассматриваемых как гипотетические минералы-носители Н20 в мантии. Однако в природе фазы DHMS не встречены. Единственной находкой 10А-фазы является ее обнаружение в форме нановключений в оливинах, представляющих мантийные нодули в кимберлитах. Нановключения размером в несколько десятков нанометров имеют псевдогексагональный габитус и характеризуются наличием полостей, не заполненных твердым веществом. 10А-фаза выполняет экваториальную часть включений; в большинстве включений 10А-фаза замещена низкобарной ассоциацией серпентин + тальк. Анализ электронно-микроскопических наблюдений позволил предложить модель твердофазового образования включений, протовещество которых затем перешло в 10А-фазу с отделением водного флюида. Согласно предложенной модели, образование гидроксил-содержащих нановключений и их последующая автосерпентинизация происходили без поступления Н20 из внешней среды, а только за счет мобилизации собственных гидроксил-содержащих точечных дефектов, захваченных оливином в процессе кристаллизации. Последующая "автосерпентинизация" включений происходила при декомпрессии в результате взаимодействия вещества включения с вмещающей оливиновой матрицей; процесс сопровождался частичным исчерпанием флюида и замещением вида 10А-фаза + Н20 = serp + tc. Критерием реалистичности модели является сохранение объема вещества в ходе реакции при условии P = const, T = const.
Так называемая 10А-фаза имеет состав MgзSi4O10(OH)2 ■ иЫ20 (п = 0.65-2) и представляет собой слоистый гидросиликат магния, который в химическом и кристаллографическом отношении обнаруживает большое сходство с тальком Mg3Si4O10(OH)2 (таблица 1). По сравнению с тальком, 10А-фаза характеризуется наличием молекулярной воды, количество которой варьирует в зависимости от давления, температуры и состава исходных реагентов [1, 5-8]. 10А-фаза синтезирована в системе Mg0-Si02-H20 при высоких давлениях [1, 7-10] в результате реакций, приведенных в таблице 2. Продуктами разложения 10А-фазы являются фазовые ассоциации тальк (Тс) + H20 и коэсит (Сое) + энстатит (Еп) + ^0 (рис. 1), по отношению к которым поле стабильности 10А-фазы находится в области давлений и температур >30 кбар, 400-700°С [1, 7-8]. Дегидратация 10А-фазы с образованием талька протекает при декомпрессии, разложение с образованием Сое + Еп + Н20 - при нагревании. 10А-фаза является представителем группы высокоплотных гидросиликатов магния (в английской аббревиатуре DHMS), полученных в экспериментах при высоких давлениях и температурах [11] и рас-
сматриваемых как гипотетические минералы -носители воды в мантии [12]. Однако за исключением минералов гумитовой серии, фазы DHMS в
Давление (ГПа) 8 г
7
6
5
4
3
2
200 400 600 800
Температура (°C)
Рис. 1. Поле стабильности 10 Ä-фазы в координатах Р-Т (по данным [7]). lOÄ-lOÄ-фаза, Tc — тальк, V -H2O, En - энстатит, Cs - коэсит
\Бп
10Ä Ph4 Cs * V \
\
\
Таблица 1. Гидросиликатные фазы, присутствующие в нановключениях
Фаза Химическая формула Параметры элементарной ячейки
10А-фаза MgзSi4O1o(OH)2 ■ пЫ20 а = 5.293 А
п = 1(а) Ь = 9.194 А
п = 0.65(б) с = 10.044 А
п = 2(в) в = 96.1°
V = 486 А3
г=2
Пр. гр. С2/т
Серпентин MgзSi205(0Ы)4
Лизардит а = 5.31 А
Ь = 9.20 А
с = 7.31 А
в = 90°
V = 357 А3
г = 1
Хризотил а = 5.34 А
Ь = 9.20 А
с = 14.63 А
в = 90°
V = 718 А3
г=2
Тальк MgзSi40lo(0Ы)2 а = 5.29 А
Ь = 9.15 А
с = 9.45 А
в = 98.6°
у = 90.0°
V = 452 А3
г = 2
Пр. гр. С1
Гидрооливин ^(0Ы)2 ■ Si02] ■ n[(Mg,Fe)2Si04] а = 2а01
Ь = Ь01
Ыу-2а п = 3 с = с01
а = в = у = 90°
V = 2^1
г = 2
Ссылка
[1]
[2]
[2]
[3]
[4]
природе до недавнего времени не были найдены. Первой находкой фаз БЫМ8 в веществе мантии оказались нановключения гидрооливина Mg2 _ ^ух8Ю4Ы2х (V - катионные вакансии) и 10А-фазы в оливиновых нодулях из кимберлитов трубок Удачная и Обнаженная (Якутия) [4, 13]. Электрономик-роскопические исследования, проведенные в дальнейшем на ряде других образцов оливиновых ноду-лей и мегакристов из кимберлитов Якутии (трубки Удачная, Обнаженная) и Южной Африки (трубка
ВиШоШат) [14], показали в них также наличие включений 10А-фазы, что позволило считать 10А-фазу сквозным минералом нановключений, маркирующим по давлению и температуре определенный этап кимберлитового процесса. Однако природа включений 10А-фазы оставалась неясной. В данной работе предложена модель формирования нановключений 10А-фазы и их последующего преобразования в низкобарную минеральную ассоциацию тальк + серпентин.
Таблица 2. Реакции экспериментального синтеза 10А-фазы
Реакция P, GPa T, °C Ссылка
(I) Tc + H2O = lOÄ-фаза >5.0 650 [9]
6.3 500 [7]
5.0 550 [7]
>3.2 >375 [6]
>3.0-5.5 470-725 [8]
(II) MgO + SiO2 + H2O = lOÄ-фаза 5.0 500 [l]
(III) Serp = Fo + lOÄ-фаза 5.0 620 [10]
5.5 600 [10]
(IV) Tc = lOÄ-фаза + En + Cs 6.1-6.2 500 [7]
ХАРАКТЕРИСТИКА НАНОВКЛЮЧЕНИЙ
Наблюдавшиеся в оливиновых нодулях и мега-кристах нановключения 10А-фазы размером в несколько десятков нанометров имеют псевдогексагональный габитус отрицательного кристалла (рис. 2) и приурочены к деформационным дефектам в оливине-хозяине, которые в мегакристах ориентированы параллельно плоскостям (100), (001), (101) и (-101) и могут быть интерпретированы как полосы скольжения или сдвига. В плоскости (010) оливина, границы включений параллельны направлениям [001], [100], [101] и [10-1] вмещающего оливина. Характерной особенностью включений является наличие полостей, не заполненных твердым веществом. Твердое вещество выполняет экваториальную плоскость включений, параллельную плоскости (100) оливиновой матрицы, тогда как полости наблюдаются на полюсах, ось которых соответственно параллельна направлению [100] оливина-хозяина (рис. 2). Многократные наблюдения привели к выводу, что эти полости не являются артефактом и не возникли в процессе препарирования. Логично предположить, что наблюдаемые пустоты заполнены флюидом. На основе данных просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ), которые приведены в [ 4 ], установлено, что твердое вещество включений представлено 10А-фазой и продуктами ее изменения - тальком (7с) и серпентином (Бвтр). При замещении 10А-фазы на Бвгр + Тс серпентин (хризотил) разрастается вглубь вмещающего оливина (рис. 3), а реликты 10А-фазы в экваториальной плоскости наблюдаются в форме тонкого переслаивания с тальком, которое выявлено на картинах высокого разрешения и установлено по данным микродифракции электронов. Наблюдения показали, что обычно при замещении 10А-фазы на Бвтр + Тс пустоты на полюсах нановключений сохраняются (рис. 3а). Как 10А-фаза, так и продукты ее замещения кристаллографически строго ориентированы по отношению к оливиновой матрице, с1оА II ао1 || е(с || е8егр, что позволяет говорить о топо-
таксическом характере срастаний. Данные ТЕМ свидетельствуют, что нановключения не имеют каналов сообщения с поверхностью кристалла, которые могли бы служить транспортными путями для поступления Ы20 извне оливина в процессе образования включений.
МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ ВКЛЮЧЕНИЙ
Для объяснения механизмов и реакций образования 10А-фазы и последующего ее преобразования в низкобарную ассоциацию Бвгр + Тс, необходимо понять природу пустот в нановключениях, ис-
Рис. 2. Нановключение 10А-фазы в оливине (мантийный нодуль из кимберлита трубки Удачная). 10А-фаза выполняет срединную часть включения, которая характеризуется полосчатым контрастом; на границе включения с вмещающим оливином наблюдаются полости, не заполненные твердым веществом (белые участки в правой и левой частях включения). Плоскость изображения (010) оливина. ОЬ - оливин, Ь-Н2О (флюид).
ОЬ
Рис. 3. Нановключения, в которых 10А-фаза частично замещена на серпентин и тальк с неполным "зарастанием" пустот. Наблюдается "разрастание" включения в глубь вмещающего оливина (в направлении юг-север на фотографиях, обозначено стрелками). Плоскость изображения (010) оливина. (а) - оливин из мантийного ксенолита 9206 (трубка Удачная); (б) - оливиновый мегакрист (трубка Удачная).
точник Н20 и механизм образования самих нановключений. Можно предположить, что нановключения, содержащие 10А-фазу, образовались или в результате раскристаллизации расплавно-флюидных включений, захваченных при кристаллизации оливина (модель 1), или в процессе водного метасоматоза (модель 2). Однако, топотаксический характер срастаний 10А-фазы и оливина, а также строгая стехиометрия с отношением Mg/Si = 3 : 4 и однофазный характер твердого вещества несерпен-тинизированных включений свидетельствует не в пользу модели 1. С другой стороны, отсутствие каналов сообщения включений с внешней средой, которыми могли бы служить микротрещины, свидетельствуют против модели 2. Это заставило нас искать другие механизмы образования нановключений. В настоящей работе мы выдвинули гипотезу образования нановключений в результате твер-дофазового превращения по типу распада твердого раствора, путем нуклеации и роста фаз (модель (3). Приведенные выше аргументы, свидетельствующие против моделей (1) и (2) образования нановключений, являются аргументами в пользу предложенной модели (3).
Модель (3) предполагает, что все реакции образования нановключений происходили в закрытой системе, каковой является кристалл-хозяин оливина, изначально содержащий изолированные точечные дефекты {уМ+е, 20Н-}, где уМ+е - катионные вакансии. Эти дефекты возникли в результате про-тонизации оливина на стадии его кристаллизации из водосодержащего расплава. Формирование включений происх
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.