Инд. авторы:	Мартиросян Н.С., Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Отани Э.
Заглавие:	Исследование реакций железа с карбонатом кальция при 6 гпа и 1273-1873 k и их роль при восстановлении карбонатов в мантии земли
Библ. ссылка:	Мартиросян Н.С., Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Отани Э. Исследование реакций железа с карбонатом кальция при 6 гпа и 1273-1873 k и их роль при восстановлении карбонатов в мантии земли // Геология и геофизика. - 2015. - Т.56. - № 9. - С.1681-1692. - ISSN 0016-7886.
Внешние системы:	DOI: 10.15372/GiG20150908; РИНЦ: 24147075;
Реферат:	rus: Представлены результаты экспериментального исследования реакций в системе Fe-CaCO 3 при давлении 6 ГПа и различных температурах от 1273 до 1873 К. Данная система отражает возможный механизм окислительно-восстановительного взаимодействия, происходящего в погружающейся субдукционной плите на контакте с восстановленной мантией, и вариант взаимодействия на границе ядро-мантия. Анализ образцов показал, что изучаемая реакция сопровождается образованием карбонатитового расплава, а также карбида (Fe 3C) и кальциевого вюстита ((Ca,Fe)O), которые в зависимости от условий опытов образуют твердые или жидкие фазы. При 6 ГПа плавление карбоната кальция в системе, содержащей железо, происходит в интервале температур 1473-1573 K, что согласуется с исчезновением арагонита в сложных карбонатсодержащих системах. Состав расплава не меняется под влиянием металлического железа и фактически соответствует чистому CaCO 3. Вдоль мантийной адиабаты или при немного больших температурах описываемый карбонатный расплав сосуществует в равновесии с металлическим железом или кальциевым вюститом и объясняет совместное нахождение включений карбонатов и железа в литосферных и сверхглубинных алмазах. eng: Experimental data on Fe-CaCO3 interaction at 6 GPa and 1273-1873 K are presented. The system models the hypothetical redox interaction in subducting slabs at the contact with the reduced mantle and a putative process at the core-mantle boundary. The reaction is accompanied by carbonatite melt formation. It also produces Fe3C and calcium wüstite, which form solid or liquid phases depending on experimental conditions. In iron-containing systems at 6 GPa, calcium carbonate melts in the range 1473-1573 K, which is consistent with aragonite disappearance from complex carbonate systems. The composition of calcium carbonate liquid is not influenced by metallic Fe. It corresponds to nearly pure CaCO3. Along the mantle adiabat or at slightly higher temperatures, nearly pure CaCO3 coexists with metallic iron or calcium wüstite. This hypothesis explains the coexistence of metallic iron and carbonate inclusions in lithospheric and superdeep diamonds.
Ключевые слова:	subduction; iron; Redox state; carbonate; mantle; высокие давления; эксперимент; плавление; окислительно-восстановительное состояние; железо; субдукция; карбонат; мантия; high pressures; experiment; melting;
Издано:	2015
Физ. характеристика:	с.1681-1692
Цитирование:	1. 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. 2. Жимулев Е.И., Чепуров А.И., Синякова Е.Ф., Сонин В.М., Чепуров А.А., Похиленко Н.П. Кристаллизация алмаза в системах Fe-Co-S-C и Fe-Ni-S-C и роль металл-сульфидных расплавов в генезисе алмазов // Геохимия, 2012, т. 50, с. 227-239. 3. Литасов К.Д. Физико-химические условия плавления мантии Земли в присутствии С-О-Н-флюида по экспериментальным данным // Геология и геофизика, 2011, т. 52 (5), с. 613-635. 4. Логвинова А.М., Вирт Р., Томиленко А.А., Афанасьев В.П., Соболев Н.В. Особенности фазового состава наноразмерных кристаллофлюидных включений в аллювиальных алмазах северо-востока Сибирской платформы // Геология и геофизика, 2011, т. 52 (11), с. 1634-1648. 5. Похиленко Н.П., Агашев А.М., Литасов К.Д., Похиленко Л.Н. Взаимоотношения карбонатитового метасоматоза деплетированных перидотитов литосферной мантии с алмазообразованием и карбонатит-кимберлитовым магматизмом // Геология и геофизика, 2015, т. 56 (1-2), с. 361-383. 6. Рагозин А.Л., Каримова А.А., Литасов К.Д., Зедгенизов Д.А., Шацкий В.С. Содержание воды в минералах мантийных ксенолитов из кимберлитов трубки Удачная (Якутия) // Геология и геофизика, 2014, т. 55 (4), с. 549-567. 7. Соболев Н.В., Ефимова Э.С., Поспелова Л.H. Самородное железо в алмазах Якутии и его парагенезис // Геология и геофизика, 1981 (12), с. 25-29. 8. Соболев Н.В., Добрецов Н.Л., Отани Э., Тэйлор Л.А., Шертл Г.-П., Пальянов Ю.Н., Литасов К.Д. Проблемы, связанные с кристаллогенезисом и глубинным циклом углерода // Геология и геофизика, 2015, т. 56 (1-2), с. 5-20. 9. Соколова Т.С., Дорогокупец П.И., Литасов К.Д. Взаимосогласованные шкалы давлений на основании уравнений состояния рубина, алмаза, MgO, B2-NaCl, а также Au, Pt и других металлов до 4 Mбар и 3000 К // Геология и геофизика, 2013, т. 54 (2), с. 237-261. 10. Тэйлор Л.А., Ли Я. Включения сульфидов в алмазах не являются моносульфидным твердым раствором // Геология и геофизика, 2009, т. 50 (12), с. 1547-1559. 11. Федоров И.И., Чепуров А.И., Чепуров А.А., Куроедов А.В. Оценка скорости «самоочищения» алмазов от металлических включений в мантии Земли в посткристаллизационный период // Геохимия, 2005, т. 42, с. 1340-1344. 12. Чепуров А.А., Федоров И.И., Сонин В.М. Экспериментальные исследования образования алмаза при высоких РТ-параметрах (приложение к модели природного алмазообразования) // Геология и геофизика, 1998, т. 39 (2), с. 234-244. 13. Чепуров А.И., Жимулев Е.И., Сонин В.М., Чепуров А.А., Похиленко Н.П. О кристаллизации алмаза в металл-сульфидных расплавах // ДАН, 2009, т. 428, № 1, с. 101-103. 14. Чепуров А.И., Сонин В.М., Жимулев Е.И., Чепуров А.А., Томиленко А.А. Об образовании элементного углерода при разложении CaCО3 в восстановительных условиях при высоких P-T-параметрах // ДАН, 2011, т. 441, № 6, с. 806-809. 15. Шацкий А.Ф., Борздов Ю.М., Сокол А.Г., Пальянов Ю.Н. Особенности фазообразования и кристаллизации алмаза в ультракалиевых карбонат-силикатных системах с углеродом // Геология и геофизика, 2002, т. 43 (10), с. 940-950. 16. Ballhaus C., Frost B.R. The generation of oxidized CO2-bearing basaltic melts from reduced CH4-bearing upper mantle sources // Geochim. Cosmochim. Acta, 1994, v. 58, p. 4931-4940. 17. Bose K., Ganguly J. Quartz-coesite transition revisited - reversed experimental determination at 500-1200 °C and retrieved thermochemical properties // Amer. Mineral., 1995, v. 80, p. 231-238. 18. Boulard E., Gloter A., Corgne A., Antonangeli D., Auzende A.L., Perrillat J.P., Guyot F., Fiquet G. New host for carbon in the deep Earth // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, v. 108, p. 5184-5187. 19. Boulard E., Menguy N., Auzende A.L., Benzerara K., Bureau H., Antonangeli D., Corgne A., Morard G., Siebert J., Perrillat J.P., Guyot F., Fiquet G. Experimental investigation of the stability of Fe-rich carbonates in the lower mantle // J. Geophys. Res.-Solid Earth, 2012, v. 117, p. B02208, doi: 02210.0102/ 02011jb008733. 20. Dasgupta R. Ingassing, storage, and outgassing of terrestrial carbon through geologic time // Rev. Miner. Geochem., 2013, v. 75, p. 183-229. 21. Dasgupta R., Hirschmann M.M. Melting in the Earth’s deep upper mantle caused by carbon dioxide // Nature, 2006, v. 440, p. 659-662. 22. 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. 23. Deines P., Harris J. Sulfide inclusion chemistry and carbon isotopes of African diamonds // Geochim. Cosmochim. Acta, 1995, v. 59, p. 3173-3188. 24. Foley S.F. A reappraisal of redox melting in the Earth’s mantle as a function of tectonic setting and time // J. Petrol., 2011, v. 52, p. 1363-1391. 25. Frost D.J., McCammon C.A. The redox state of Earth’s mantle // Ann. Rev. Earth Planet. Sci., 2008, v. 36, p. 389-420. 26. Grassi D., Schmidt M.W. The melting of carbonated pelites from 70 to 700 km depth // J. Petrol., 2011, v. 52, p. 765-789. 27. Gudfinnsson G.H., Presnall D.C. Continuous gradations among primary carbonatitic, kimberlitic, melilititic, basaltic, picritic, and komatiitic melts in equilibrium with garnet lherzolite at 3-8 GPa // J. Petrol., 2005, v. 46, p. 1645-1659. 28. Hayman P.C., Kopylova M.G., Kaminsky F.V. Lower mantle diamonds from Rio Soriso (Juina area, Mato Grosso, Brazil) // Contr. Miner. Petrol., 2005, v. 149, p. 430-445. 29. Irving A.J., Wyllie P.J. Subsolidus and melting relationships for calcite, magnesite and the join CaCO3-MgCO3 to 36 Kb // Geochim. Cosmochim. Acta, 1975, v. 39, p. 35-53. 30. Kaminsky F. Mineralogy of the lower mantle: A review of ‘super-deep’ mineral inclusions in diamond // Earth-Sci. Rev., 2012, v. 110, p. 127-147. 31. Kaminsky F.V., Wirth R. Iron carbide inclusions in lower mantle diamond from Juina, Brazil // Can. Mineral., 2011, v. 49, p. 555-572. 32. Kennedy C.S., Kennedy G.C. The equilibrium boundary between graphite and diamond // J. Geophys. Res., 1976, v. 81, p. 2467-2470. 33. Kiseeva E.S., Yaxley G.M., Hermann J., Litasov K.D., Rosenthal A., Kamenetsky V.S. An experimental study of carbonated eclogite at 3.5-5.5 GPa: Implications for silicate and carbonate metasomatism in the cratonic mantle // J. Petrol., 2012, v. 53, p. 727-759. 34. Kiseeva E.S., Litasov K.D., Yaxley G.M., Ohtani E., Kamenetsky V.S. Melting phase relations of carbonated eclogite at 9-21 GPa and alkali-rich melts in the deep mantle // J. Petrol., 2013, v. 54, p. 1555-1583. 35. Komabayashi T., Fei Y.W. Internally consistent thermodynamic database for iron to the Earth’s core conditions // J. Geophys. Res.-Solid Earth, 2010, v. 115, p. B03202, doi:03210.01029/02009jb006442. 36. Litasov K.D., Sharygin I.S., Dorogokupets P.I., Shatskiy A.F., Gavryushkin P.N., Sokolova T.S., Ohtani E., Li J., Funakoshi K. Thermal equation of state to 31 GPa and 1473 K and thermodynamic properties of iron carbide, Fe3C // J. Geophys. Res., v. 118, p. 5274-5284. 2013a, doi: 10.1002/2013JB010270. 37. Litasov K.D., Shatskiy A., Ohtani E., Yaxley G.M. Solidus of alkaline carbonatite in the deep mantle // Geology, 2013b, v. 41, p. 79-82. 38. Litasov K.D., Shatskiy A., Ohtani E. Melting and subsolidus phase relations in peridotite and eclogite systems with reduced COH fluid at 3-16 GPa // Earth Planet. Sci. Lett., 2014, v. 391, p. 87-99. 39. Logvinova A.M., Wirth R., Fedorova E.N., Sobolev N.V. Nanometre-sized mineral and fluid inclusions in cloudy Siberian diamonds: new insights on diamond formation // Eur. J. Mineral., 2008, v. 20, p. 317-331. 40. 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. 41. Martirosyan N.S., Litasov K.D., Shatskiy A., Ohtani E. The reactions between iron and magnesite at 6 GPa and 1273-1873 K: Implication to reduction of subducted carbonate in the deep mantle // J. Mineral. Petrol. Sci., 2015, v. 110. p. 49-59. 42. Nakajima Y., Takahashi E., Suzuki T., Funakoshi K. «Carbon in the core» revisited // Phys. Earth Planet. Int., 2009, v. 174, p. 202-211. 43. Oganov A.R., Glass C.W., Ono S. High-pressure phases of CaCO3: Crystal structure prediction and experiment // Earth Planet. Sci. Lett., 2006, v. 241, p. 95-103. 44. Oganov A.R., Ono S., Ma Y.M., Glass C.W., Garcia A. Novel high-pressure structures of MgCO3, CaCO3 and CO2 and their role in Earth’s lower mantle // Earth Planet. Sci. Lett., 2008, v. 273, p. 38-47. 45. Ono S., Mibe K. Magnetic transition of iron carbide at high pressures // Phys. Earth Planet. Int., 2010, v. 180, p. 1-6. 46. Ono S., Kikegawa T., Ohishi Y., Tsuchiya J. Post-aragonite phase transformation in CaCO3 at 40 GPa // Amer. Mineral., 2005, v. 90, p. 667-671. 47. Ono S., Kikegawa T., Higo Y. In situ observation of a garnet/perovskite transition in CaGeO3 // Phys. Chem. Miner., 2011, v. 38, p. 735-740. 48. Pal’yanov Y.N., Sokol A.G., Borzdov Y.M., Khokhryakov A.F., Sobolev N.V. Diamond formation from mantle carbonate fluids // Nature, 1999, v. 400, p. 417-418. 49. Pal’yanov Y.N., Sokol A.G., Borzdov Y.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. 50. 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 // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013, v. 110, p. 20408-20413. 51. Richardson S., Shirey S., Harris J., Carlson R. Archean subduction recorded by Re-Os isotopes in eclogitic sulfide inclusions in Kimberley diamonds // Earth Planet. Sci. Lett., 2001, v. 191, p. 257-266. 52. 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. 53. Safonova I., Litasov K., Maruyama S. Triggers and sources of volatile-bearing plumes in the mantle transition zone // Geosci. Front., 2015, doi:10.1016/j.gsf.2014.11.004. 54. Scott H.P., Williams Q., Knittle E. Stability and equation of state of Fe3C to 73 GPa: Implications for carbon in the Earth’s core // Geophys. Res. Lett., 2001, v. 28, p. 1875-1878. 55. Scott H.P., Hemley R.J., Mao H.-K., Herschbach D.R., Fried L.E., Howard W.M., Bastea S. Generation of methane in the Earth’s mantle: in situ high pressure-temperature measurements of carbonate reduction // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2004, v. 101, p. 14023-14026. 56. Shatskiy A., Litasov K.D., Terasaki H., Katsura T., Ohtani E. Performance of semi-sintered ceramics as pressure-transmitting media up to 30 GPa // High Press. Res., 2010, v. 30, p. 443-450. 57. Shatskiy A., Katsura T., Litasov K.D., Shcherbakova A.V., Borzdov Y.M., Yamazaki D., Yoneda A., Ohtani E., Ito E. High pressure generation using scaled-up Kawai-cell // Phys. Earth Planet. Int., 2011, v. 189, p. 92-108. 58. Shatskiy A., Sharygin I.S., Gavryushkin P.N., Litasov K.D., Borzdov Y.M., Shcherbakova A.V., Higo Y., Funakoshi K., Palyanov Y.N., Ohtani E. The system K2CO3-MgCO3 at 6 GPa and 900-1450 °C // Amer. Mineral., 2013, v. 98, p. 1593-1603. 59. Shirasaka M., Takahashi E., Nishihara Y., Matsukage K., Kikegawa T. In situ X-ray observation of the reaction dolomite = aragonite + magnesite at 900-1300 K // Amer. Mineral., 2002, v. 87, p. 922-930. 60. Shirasaka M., Takahashi E. A genesis of carbonatitic melt within subducting oceanic crust: high pressure experiments in the system MORB-CaCO3 // 8th International Kimberlite Conference Long Abstract, Victoria, Canada, 2003, p. 1-5. 61. Sokol A.G., Pal’yanov Y.N., Pal’yanova G.A., Khokhryakov A.F., Borzdov Y.M. Diamond and graphite crystallization from C-O-H fluids under high pressure and high temperature conditions // Diam. Relat. Mater., 2001, v. 10, p. 2131-2136. 62. Stagno V., Frost D.J. Carbon speciation in the asthenosphere: Experimental measurements of the redox conditions at which carbonate-bearing melts coexist with graphite or diamond in peridotite assemblages // Earth Planet. Sci. Lett., 2010, v. 300, p. 72-84. 63. Stagno V., Tange Y., Miyajima N., McCammon C.A., Irifune T., Frost D.J. The stability of magnesite in the transition zone and the lower mantle as function of oxygen fugacity // Geophys. Res. Lett., 2011, v. 38, p. L19309, doi: 19310.11029/12011gl049560. 64. Staudigel H. Chemical fluxes from hydrothermal alteration of the oceanic crust // Treatise on geochemistry (Second Edition) / Eds. K.K. Turekian, H.D. Holland. Oxford, Elsevier, 2014, p. 583-606. 65. Suito K., Namba J., Horikawa T., Taniguchi Y., Sakurai N., Kobayashi M., Onodera A., Shimomura O., Kikegawa T. Phase relations of CaCO3 at high pressure and high temperature // Amer. Mineral., 2001, v. 86, p. 997-1002. 66. Syracuse E.M., van Keken P.E., Abers G.A. The global range of subduction zone thermal models // Phys. Earth Planet. Int., 2010, v. 183, p. 73-90. 67. Takahashi S., Ohtani E., Terasaki H., Ito Y., Shibazaki Y., Ishii M., Funakoshi K.-I., Higo Y. Phase relations in the carbon-saturated C-Mg-Fe-Si-O system and C and Si solubility in liquid Fe at high pressure and temperature: implications for planetary interiors // Phys. Chem. Miner., 2013, v. 40, p. 647-657. 68. Wood B.J., Li J., Shahar A. Carbon in the core: Its influence on the properties of core and mantle // Rev. Mineral. Geochem., 2013, v. 75, p. 231-250.