Инд. авторы:	Баталева Ю.В., Пальянов Ю.Н., Борздов Ю.М., Баюков О.А., Соболев Н.В.
Заглавие:	Условия образования графита и алмаза из карбида железа при р, т-параметрах литосферной мантии
Библ. ссылка:	Баталева Ю.В., Пальянов Ю.Н., Борздов Ю.М., Баюков О.А., Соболев Н.В. Условия образования графита и алмаза из карбида железа при р, т-параметрах литосферной мантии // Геология и геофизика. - 2016. - Т.57. - № 1. - С.225-240. - ISSN 0016-7886.
Внешние системы:	DOI: 10.15372/GiG20160112; РИНЦ: 25239741;
Реферат:	rus: Экспериментальное моделирование редокс-взаимодействия в системах Fe 3C-Fe 2O 3 и Fe 3C-Fe 2O 3-MgO-SiO 2, направленное на оценку условий стабильности карбида железа в окислительных обстановках и определение возможности образования элементарного углерода в результате взаимодействия карбида железа и оксидов, проведено на многопуансонном аппарате высокого давления «разрезная сфера» при 6.3 ГПа в интервале 900-1600 °C, длительностью 18-20 ч. Установлено, что при взаимодействии карбид-оксид в системе Fe 3С-Fe 2O 3 происходит кристаллизация графита в ассоциации с Fe 3+-содержащим вюститом. Основным механизмом образования графита из углерода карбида является окисление когенита по реакциям Fe 3C + 3Fe 2O 3 → 9FeO + C 0 и FeO + Fe 3C → (Fe 2+,Fe 3+)O + C 0. При температурах выше солидуса (≥ 1400 °C) при окислении металл-углеродного расплава вюститом реализуется редокс-механизм кристаллизации графита и алмаза с образованием ассоциации Fe 3+-содержащий вюстит + графит/алмаз. Взаимодействие в системе Fe 3С-Fe 2O 3-MgO-SiO 2 приводит к образованию ассоциации Fe 3+-содержащего магнезиовюстита, оливина и графита. При Т ≥ 1500 °C происходит генерация двух контрастных по ƒ O2 расплавов - металл-углеродного и силикатно-оксидного, окислительно-восстановительное взаимодействие которых приводит к кристаллизации графита и росту алмаза. Установлено, что в окислительных условиях карбид железа в присутствии оксидов Fe, Si и Mg неустойчив, даже при относительно низких температурах. Взаимодействие карбида железа с оксидами при мантийных P, T -параметрах является углеродпродуцирующим процессом, при этом основными механизмами образования графита из углерода карбида являются редокс-реакции когенита (или металл-углеродного расплава) с Fe 2O 3 и FeO, а также взаимодействие металл-углеродного и силикатно-оксидного расплавов. Полученные результаты позволяют рассматривать когенит в качестве потенциального источника углерода в процессах образования графита (алмаза) в условиях литосферной мантии, а взаимодействие карбида железа с оксидами Fe, Si и Mg, в ходе которого реализуется экстракция углерода, как один из возможных процессов глобального углеродного цикла. eng: To estimate conditions for the stability of iron carbide under oxidation and to assess the possibility of formation of elemental carbon by interaction between iron carbide and oxides, experimental modeling of redox interaction in the systems Fe 3C-Fe 2O 3 and Fe 3C-Fe 2O 3-MgO-SiO 2 was carried out on a “split-sphere” high-pressure multianvil apparatus at 6.3 GPa and 900-1600 °C for 18-20 h. During carbide-oxide interaction in the system Fe 3C-Fe 2O 3, graphite crystallizes in assemblage with Fe 3+-containing wüstite. Graphite forms from carbide carbon mainly by cohenite oxidation: Fe 3C + 3Fe 2O 3 → 9FeO + C 0 and FeO + Fe 3C → (Fe 2+, Fe 3+)O + + C 0. At above-solidus temperatures (≥1400 °C), when metal-carbon melt is oxidized by wüstite, graphite and diamond crystallize by the redox mechanism and form the Fe 3+-containing wüstite + graphite/diamond assemblage. Interaction in the system Fe 3C-Fe 2O 3-MgO-SiO 2 results in the Fe 3+-containing magnesiowüstite-olivine-graphite assemblage. At ≥1500 °C, two melts with contrasting f O2 values are generated: metal-carbon and silicate-oxide; their redox interaction leads to graphite crystallization and diamond growth. Under oxidation conditions, iron carbide is unstable in the presence of iron, silicon, and magnesium oxides, even at low temperatures. Iron carbide-oxide interaction at the mantle temperature and pressure leads to the formation of elemental carbon; graphite is produced from carbide carbon mainly by redox reactions of cohenite (or metal-carbon melt) with Fe 2O 3 and FeO as well as by interaction between metal-carbon and silicate-oxide melts. The results obtained suggest that cohenite is a potential source of carbon during graphite (diamond) formation in the lithospheric mantle and the interaction of iron carbide with iron, silicon, and magnesium oxides, during which carbon is extracted, is a process of the global carbon cycle.
Ключевые слова:	Lithospheric mantle; high-pressure experiment; карбид железа; графит; алмаз; оксиды; оливин; субдукция; olivine; subduction; вюстит; высокобарический эксперимент; литосферная мантия; oxides; diamond; graphite; iron carbide; Redox interaction; Wüstite; редокс-взаимодействие;
Издано:	2016
Физ. характеристика:	с.225-240
Цитирование:	1. Баталева Ю.В., Пальянов Ю.Н., Сокол А.Г., Борздов Ю.М., Баюков О.А. Роль пород, содержащих самородное железо, в образовании железистых карбонатно-силикатных расплавов: экспериментальное моделирование при Р-Т-параметрах литосферной мантии // Геология и геофизика, 2015а, т. 56 (1-2), с. 188-203. 2. Баталева Ю.В., Пальянов Ю.Н., Борздов Ю.М., Баюков О.А., Соболев Н.В. Взаимодействие карбида железа и серы при Р-Т параметрах литосферной мантии // ДАН, 2015б, т. 463, № 2, с. 192-196. 3. Добрецов Н.Л., Шацкий А.Ф. Глубинный цикл углерода и глубинная геодинамика: роль ядра и карбонатитовых расплавов в нижней мантии // Геология и геофизика, 2012, т. 53 (11), с. 1455-1475. 4. Зедгенизов Д.А., Ефимова Э.С., Логвинова А.М., Шацкий В.С., Соболев Н.В. Включения ферропериклаза в микроалмазе из кимберлитовой трубки Удачная, Якутия // ДАН, 2001, т. 377, № 3, с. 381-384. 5. Пальянов Ю.Н., Сокол А.Г., Хохряков А.Ф., Крук А.Н. Условия кристаллизации алмаза в кимберлитовом расплаве по экспериментальным данным // Геология и геофизика, 2015, т. 56 (1-2), с. 254-272. 6. Рябчиков И.Д. Механизмы алмазообразования - восстановление карбонатов или частичное окисление углеводородов? // ДАН, 2009, т. 428, № 6, с. 797-800. 7. Рябчиков И.Д., Каминский Ф.В. Физико-химические параметры материала мантийных плюмов по данным термодинамического анализа минеральных включений в сублитосферных алмазах // Геохимия, 2014, т. 52, № 11, с. 963-971. 8. Соболев Н.В., Ефимова Э.С., Поспелова Л.Н. Самородное железо в алмазах Якутии и его парагенезис // Геология и геофизика, 1981 (12), c. 25-28. 9. Alt J.C., Shanks W.C., Jackson M.C. Cycling of sulfur in subduction zones - the geochemistry of sulfur in the Mariana-Island Arc and Back-Arc Trough // Earth Planet. Sci. Lett., 1993, v. 119, p. 477-494. 10. Ballhaus C. Is the upper-mantle metal-saturated? // Earth Planet. Sci. Lett., 1995, v. 132, p. 75-86. 11. Bataleva Yu.V., Palyanov Yu.N., Sokol A.G., Borzdov Yu.M., Palyanova G.A. Conditions for the origin of oxidized carbonate-silicate melts: implications for mantle metasomatism and diamond formation // Lithos, 2012, v. 128-131, p. 113-125. 12. Bulanova G.P. The formation of diamond // J. Geochem. Explor., 1995, v. 53, № 1-3, p. 1-23. 13. Bulanova G.P., Walter M.J., Smith C.B., Kohn S.C., Armstrong L.S., Blundy J., Gobbo L. Mineral inclusions in sublithospheric diamonds from Collier 4 kimberlite pipe, Juina, Brazil: subducted protoliths, carbonated melts and primary kimberlite magmatism // Contr. Miner. Petrol., 2010, v. 159, № 4, p. 489-510. 14. Dasgupta R., Hirschmann M.M. The deep carbon cycle and melting in Earth’s interior // Earth Planet. Sci. Lett., 2010, v. 298, p. 1-13. 15. Dobretsov N.L., Shatsky V.S. Exhumation of the high-pressure rocks of the Kokchetav massif: facts and models // Lithos, 2004, v. 78, p. 307-318. 16. Evans K.A. The redox budget of subduction zones // Earth Sci. Rew., 2012, v. 113, p. 11-32. 17. Evans K.A., Powell P. The effect of subduction on the sulphur, carbon and redox budget of lithospheric mantle // J. Metamorph. Geol., 2015, v. 33, № 6, p. 649-670. 18. Finger L.W. The uncertainty in the calculated ferric iron content of a microprobe analysis // Carnegie Institution of Washington Year Book 71, 1972, p. 600-603. 19. Frost D.J., McCammon C.A. The redox state of Earth’s mantle // Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 2008, v. 36, p. 389-420. 20. Frost D.J., Liebske C., Langenhorst F., McCammon C.A., Trønnes R.G., Rubie D.C. Experimental evidence for the existence of iron-rich metal in the Earth’s lower mantle // Nature, 2004, v. 428, p. 409-412. 21. Green D.H., Eggins S.M., Yaxley G. Mantle dynamics - the other carbon-cycle // Nature, 1993, v. 365, p. 210-211. 22. Greenwood N.N., Howe A.T. Mossbauer studies of Fe1-xO. Part I. The defect structure of quenched samples // J. Chem. Soc., 1972, p. 110-116. 23. Haavik C., Stølen S., Fjellvåg H., Hanfland M., Häusermann D. Equation of state of magnetite and its high-pressure modification: Thermodynamics of the Fe-O system at high pressure // Amer. Miner., 2000, v. 85, p. 514-523. 24. Harte B., Richardson S. Mineral inclusions in diamonds track the evolution of a Mesozoic subducted slab beneath West Gondwanaland // Gondwana Res., 2012, v. 21, p. 236-245. 25. Horita J., Polyakov V.B. Carbon-bearing iron phases and the carbon isotope composition of the deep Earth // Proceed. Natl. Acad. Sci. USA, 2015, v. 112, № 1, p. 31-36. 26. Jacob D.E., Kronz A., Viljoen K.S. Cohenite, native iron and troilite inclusions in garnets from polycrystalline diamond aggregates // Contr. Miner. Petrol., 2004, v. 146, № 5, p. 566-576. 27. Kaminsky F. Mineralogy of the lower mantle: A review of ‘super-deep’ mineral inclusions in diamond // Earth Sci. Rew., 2012, v. 110, p. 127-147. 28. Kaminsky F.V., Wirth R. Iron carbide inclusions in lower-mantle diamond from Juina, Brazil // Can. Miner., 2011, v. 49, p. 555-572. 29. Kennedy C.S., Kennedy G.C. The equilibrium boundary between graphite and diamond // J. Geophys. Res., 1976, v. 81, № 14, p. 2467-2470. 30. Kerrick D.M., Connolly J.A.D. Metamorphic devolatilisation of subducted marine sediments and the transport of volatiles into the Earth’s mantle // Nature, 2001, v. 411, p. 293-296. 31. Lecuyer C., Ricard Y. Long-term fluxes and budget of ferric iron: implication for the redox states of the Earth’s mantle and atmosphere // Earth Planet. Sci. Lett., 1999, v. 165, p. 197-211. 32. Lord O.T., Walter M.J., Dasgupta R., Walker D., Clark S.M. Melting in the Fe-C system to 70 GPa // Earth Planet. Sci. Lett., 2009, v. 284, p. 157-167. 33. Luth R.W. Carbon and carbonates in the mantle // Mantle petrology: Field observations and high pressure experimentation: A tribute to Francis R. (Joe) Boyd, 6 / Y. Fei, C.M. Bertka, B.O. Mysen. The Geochemical Society, 1999, p. 297-316. 34. Luth R.W. Volatiles in Earth’s mantle // Reference module in Earth systems and environmental sciences. Treatise on geochemistry (second edition), 2014, p. 355-391. 35. Manning P.G., Jones W., Birchall T. Mossbauer spectral studies of iron-enriched sediments from Homilton Harbor, Ontario // Can. Miner., 1980, v. 18, p. 29l-299. 36. Marty B. The origins and concentrations of water, carbon, nitrogen and noble gases on Earth // Earth Planet. Sci. Lett., 2012, v. 313-314, p. 56-66. 37. McCammon C.A., Price D.C. Mossbauer spectra of FexO (x > 0.95) // Phys. Chem. Miner., 1985, v. 11, p. 250-254. 38. Palyanov Yu.N., Sokol A.G. The effect of composition of mantle fluids/melts on diamond formation processes // Lithos, 2009, v. 112S, p. 690-700. 39. Pal’yanov Yu.N., Sokol A.G., Borzdov Yu.M., Khokhryakov A.F. Fluid-bearing alkaline-carbonate melts as the medium for the formation of diamonds in the Earth’s mantle: an experimental study // Lithos, 2002, v. 60, p. 145-159. 40. Palyanov Yu.N., Borzdov Yu.M., Khokhryakov A.F., Kupriyanov I.N., Sokol A.G. Effect of nitrogen impurity on diamond crystal growth processes // Cryst. Growth Des., 2010, v. 10, p. 3169-3175. 41. Palyanov Y.N., Bataleva Y.V., Sokol A.G., Borzdov Y.M., Kupriyanov I.N., Reutsky V.N., Sobolev N. V. Mantle-slab interaction and redox mechanism of diamond formation // Proceed. Natl. Acad. Sci. USA, 2013, v. 110, № 51, p. 20408-20413. 42. Plank T., Langmuir C.H. The chemical composition of subducting sediment and its consequences for the crust and mantle // Chem. Geol., 1998, v. 145, p. 325-394. 43. Rohrbach A., Schmidt M.W. Redox freezing and melting in the Earth’s deep mantle resulting from carbon-iron redox coupling // Nature, 2011, v. 472, p. 209-212. 44. Rohrbach A., Ballhaus C., Golla Schindler U., Ulmer P., Kamenetsky V.S., Kuzmin D.V. Metal saturation in the upper mantle // Nature, 2007, v. 449, p. 456-458. 45. Rohrbach A., Ballhaus C., Ulmer P., Golla Schindler U., Schönbohm D. Experimental evidence for a reduced metal-saturated upper mantle // J. Petrol., 2011, v. 52, p. 717-731. 46. Rohrbach A., Ghosh S., Schmidt M.W., Wijbrans C.H., Klemme S. The stability of Fe-Ni carbides in the Earth’s mantle: Evidence for a low Fe-Ni-C melt fraction in the deep mantle // Earth Planet. Sci. Lett., 2014, v. 388, p. 211-221. 47. Schertl H.-P., Sobolev N.V. The Kokchetav Massif, Kazakhstan: «Type locality» of diamond-bearing UHP metamorphic rocks // J. Asian Earth Sci., 2013, v. 63, p. 5-38. 48. Shen P., Bassett W.A., Liu L.-G. Experimental determination of the effects of pressure and temperature on the stoichiometry and phase relations of wustite // Geochim. Cosmochim. Acta, 1983, v. 47, p. 773-778. 49. Shirey S.B., Cartigny P., Frost D.G., Keshav S., Nestola F., Nimis P., Pearson D.G., Sobolev N.V., Walter M.J. Diamonds and the geology of mantle carbon // Rev. Miner. Geochem., 2013, v. 75, p. 355-421. 50. Smith E.M., Kopylova M.G. Implications of metallic iron for diamonds and nitrogen in the sublithospheric mantle // Can. J. Earth Sci., 2014, v. 51, № 5, p. 510-516. 51. Sobolev V.N., McCammon C.A., Taylor L.A., Snyder G.A., Sobolev N.V. Precise Mössbauer milliprobe determination of ferric iron in rock-forming minerals and limitations of electron microprobe analysis // Amer. Miner., 1999, v. 84, p. 78-85. 52. Stachel T., Harris J.W., Brey G.P. Rare and unusual mineral inclusions in diamonds from Mwadui, Tanzania // Contr. Miner. Petrol., 1998, v. 132, p. 34-47. 53. Walter M.J., Kohn S.C., Araujo D., Bulanova G.P., Smith C.B., Gaillou E., Wang J., Steele A., Shirey S.B. Deep mantle cycling of oceanic crust: evidence from diamonds and their mineral inclusions // Science, 2011, v. 333, № 6052, р. 54-57.