Изотопное фракционирование углерода при кристаллизации алмаза в модельных системах

Реутский В.Н; Пальянов Ю.Н.; Борздов Ю.М.; Сокол А.Г.

Инд. авторы:	Реутский В.Н, Пальянов Ю.Н., Борздов Ю.М., Сокол А.Г.
Заглавие:	Изотопное фракционирование углерода при кристаллизации алмаза в модельных системах
Библ. ссылка:	Реутский В.Н, Пальянов Ю.Н., Борздов Ю.М., Сокол А.Г. Изотопное фракционирование углерода при кристаллизации алмаза в модельных системах // Геология и геофизика. - 2015. - Т.56. - № 1-2. - С.308-315. - ISSN 0016-7886.
Внешние системы:	РИНЦ: 23063223;
Реферат:	rus: Системные экспериментальные исследования фракционирования изотопов углерода при кристаллизации алмаза в модельных системах в области буферов IW и ССО позволили установить эффективные коэффициенты разделения изотопов углерода между алмазом и средой кристаллизации. В системах Fe(Ni,Co)-C около буфера IW при 5.5 ГПа и 1400-1500 °С алмаз тяжелее раствора углерода в расплаве металла на 4.5 ‰. В системе (Na ₂CO ₃·CO ₂)-С около буфера ССО при 7.5 ГПа и 1400-1700 °С алмаз на 2.6 ‰ легче карбонатного флюида. Величины фракционирования близки, но не равны расчетным равновесным значениям и уменьшаются при увеличении скорости кристаллизации алмаза. Учитывая низкую эффективность диффузии изотопов углерода в алмазе, эффективные коэффициенты разделения изотопов углерода, полученные при реальной кристаллизации алмаза, являются наиболее информативными для интерпретации природных данных. На основе результатов экспериментов предложена схема первичной изотопной специализации алмазов. В областях существования металлических расплавов кристаллизуются изотопно-тяжелые алмазы (δ ¹³C от 0 до -5 ‰ VPDB), а при проявлении изотопного исчерпывания до -10 ‰ VPDB и ниже. В более окисленных областях мантии кристаллизуются изотопно-легкие (δ ¹³C от -10 до -7 ‰ VPDB) алмазы. Взаимодействие вещества доменов мантии с контрастными окислительно-восстановительными характеристиками обусловливает возникновение широких вариаций изотопного состава углерода алмаза и широкого спектра составов включений в них. eng: A systematic experimental study of fractionation of carbon isotopes during diamond crystallization in model systems near the IW and CCO buffers helped to estimate the effective partition coefficients of carbon isotopes between diamond and crystallization medium. In the systems Fe(Ni,Co)-C, near the IW buffer, diamond is heavier than the solution of carbon in metal melt by 4.5 ‰ at 5.5 GPa and 1400-1500 °C. In the system (Na ₂CO ₃·CO ₂)-C, near the CCO buffer, diamond is lighter than the carbonate fluid by 2.6 ‰ at 7.5 GPa and 1400-1700 °C. The values of fractionation are close but not equal to calculated equilibrium values and decrease as the rate of diamond crystallization increases. With regard to the low effectiveness of carbon isotope diffusion in diamond, the effective partition coefficients of carbon isotopes obtained during real diamond crystallization are the most informative for interpretation of data for natural diamonds. Based on the experimental results, we propose a scheme of the primary isotope specialization of diamond. Isotopically heavy diamonds (δ ¹³C _PDB of 0 to -5‰) crystallize in zones of metal melts (in the case of isotope depletion, δ ¹³C _VPDB decreases to -10‰ or lower). Isotopically light diamonds (δ ¹³C _VPDB of -10 to -7‰) crystallize in more oxidized mantle zones. The interaction of different types of mantle matter with contrasting redox characteristics causes wide variations in the carbon isotope composition of diamond and in the composition of diamond-hosted inclusions.
Ключевые слова:	высокие давления; эксперимент; фракционирование; изотопы углерода; алмаз; Oxygen fugacity; high pressures; experiment; fractionation; carbon isotopes; diamond; фугитивность кислорода;
Издано:	2015
Физ. характеристика:	с.308-315
Цитирование:	1. Галимов Э.М. Вариации изотопного состава алмазов и связь их с условиями алмазообразования // Геохимия, 1984, № 8, с. 1091-1118. 2. Зедгенизов Д.А., Рагозин А.Л., Шацкий В.С., Араухо Д., Гриффин В.Л. Карбонатные и силикатные среды кристаллизации волокнистых алмазов из россыпей северо-востока Сибирской платформы // Геология и геофизика, 2011, т. 52 (11), с. 1649-1664. 3. Ивановская И.Н., Штеренберг Л.Е., Махов С.Ф., Мусина А.Р., Филоненко В.П. Об изотопном фракционировании углерода при твердофазном синтезе алмазов // Геохимия, 1981, № 9, с. 1415-1417. 4. Изох О.П., Изох Н.Г., Пономарчук В.А., Семенова Д.В. Изотопы углерода и кислорода в отложениях фран-фаменского разреза Кузнецкого бассейна (юг Западной Сибири) // Геология и геофизика, 2009, т. 50 (7), с. 786-795. 5. 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. 6. Нечаев Д.В., Хохряков А.Ф. Образование эпигенетических включений графита в кристаллах алмаза: экспериментальные данные // Геология и геофизика, 2013, т. 54 (4), с. 523-532. 7. Пальянов Ю.Н., Хохряков А.Ф., Борздов Ю.М., Сокол А.Г., Гусев В.А., Рылов Г.М., Соболев Н.В. Условия роста и реальная структура кристаллов синтетического алмаза // Геология и геофизика, 1997, т. 38 (5), с. 882-906. 8. Пальянов Ю.Н., Сокол А.Г., Хохряков А.Ф., Соболев Н.В. Экспериментальное исследование взаимодействия в системе СО2-С при мантийных РТ-параметрах // ДАН, 2010, т. 435, № 2, с. 240-243. 9. Сокол А.Г., Пальянов Ю.Н., Борздов Ю.М., Хохряков А.Ф., Соболев Н.В. Кристаллизация алмаза из Na2CO3 расплава // ДАН, 1998, т. 361, № 3, с. 388. 10. Belonoshko A.B., Saxena S.K. A unified equation of state for fluids of C-H-O-N-S-Ar composition and their mixtures up to very high temperatures and pressures // Geochim. Cosmochim. Acta, 1992, v. 56, р. 3611-3626. 11. Bottinga Y. Carbon isotope fractionation between graphite, diamond and carbon dioxide // Earth Planet. Sci. Lett., 1969, v. 5, р. 301-307. 12. Boyd S.R., Pillinger C.T., Milledge H.J., Mendelssohn M.J., Seal M. Fractionation of nitrogen isotopes in a synthetic diamond of mixed crystal habit // Nature, 1988, v. 331, р. 604-607. 13. Chacko T., Mayeda T.K., Clayton R.N., Goldsmith J.R. Oxygen and carbon isotope fractionations between CO2 and calcite // Geochim. Cosmochim. Acta, 1991, v. 55, р. 2867-2882. 14. Cole D.R., Chakraborty S. Rates and mechanisms of isotopic exchange // Rev. Miner. Geochem., 2001, v. 43, № 1, р. 83-223. 15. Deines P. The carbon isotopic composition of diamonds: relationship to diamond shape, color, occurrence and vapor composition // Geochim. Cosmochim. Acta, 1980, v. 44, р. 943-961. 16. Deines P., Wickman F.E. A contribution to the stable carbon isotope geochemistry of iron meteorites // Geochim. Cosmochim. Acta, 1975, v. 39, р. 547-557. 17. Deines P., Eggler D.H. Experimental determination of carbon isotope fractionation between CaCO3 and graphite // Geochim. Cosmochim. Acta, 2009, v. 73, р. 7256-7274. 18. Dubinina E.O., Lakshtanov L.Z. A kinetic model of isotopic exchange in dissolution-precipitation processes // Geochim. Cosmochim. Acta, 1997, v. 61, р. 2265-2273. 19. Hoering T.C. The carbon isotope effect in the synthesis of diamond // Papers Geophys. Lab., Carnegie Inst. Washington, 1961, v. 63, р. 204. 20. Javoy M., Pineau F., Iiyama I. Experimental determination of the isotopic fractionation between gaseous CO2 and carbon dissolved in tholeiitic magma // Contr. Miner. Petrol., 1978, v. 67, № 1, р. 35-39. 21. Keppler H., Wiedenbeck M., Shcheka S.S. Carbon solubility in olivine and the mode of carbon storage in the Earth’s mantle // Nature, 2003, v. 424, p. 414-416. 22. Klein-BenDavid O., Logvinova A.M., Schrauder M., Spetius Z.V., Weiss Y., Hauri E.H., Kaminsky F.V., Sobolev N.V., Navon O. High-Mg carbonatitic microinclusions in some Yakutian diamonds - a new type of diamond-forming fluid // Lithos, 2009, v. 112, р. 648-659. 23. Koga K.T., van Orman J.A., Walter M.J. Diffusive relaxation of carbon and nitrogen isotope heterogeneity in diamond: new thermochronometer // Phys. Earth Planet. Int., 2003, v. 139, p. 35-43. 24. 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, р. 157-167. 25. Mattey D.P. Carbon dioxide solubility and carbon isotope fractionation in basaltic melt // Geochim. Cosmochim. Acta, 1991, v. 55, р. 3467-3473. 26. Mikhail S., Jones A.P., Hunt S.A., Guillermier C., Dobson D.P., Tomlinson E., Dan H., Milledge H., Franchi I., Wood I., Beard A., Verchovsky S. Carbon isotope fractionation between Fe-carbide and diamond; a light C isotope reservoir in the deep Earth and сore? // Fall Meeting, AGU, San Francisco, Calif., 2010, 27. http://adsabs.harvard.edu/abs/2010AGUFM.U21A0001M. 28. 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, р. 145-159. 29. 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, р. 3169-3175. 30. Palyanov Yu.N., Bataleva Yu.V., Sokol A.G., Borzdov Yu.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, р. 20408-20413, http://www.pnas.org/content/110/51/20408. 31. Polyakov V.B., Kharlashina N.N. Effect of pressure on equilibrium isotopic fractionation // Geochim. Cosmochim. Acta, 1994, v. 58, р. 4739-4750. 32. Reutsky V.N., Borzdov Y.M., Palyanov Y.N. Carbon isotope fractionation associated with HPHT crystallization of diamond // Diamond Relat. Mater., 2008a, v. 17, р. 1986-1989. 33. Reutsky V.N., Harte B., Borzdov Y.M., Palyanov Y.N., EIMF. Monitoring diamond crystal growth, a combined experimental and SIMS study // Eur. J. Miner., 2008b, v. 20, № 3, р. 365-374. 34. Reutsky V.N., Borzdov Yu.M., Palyanov Yu.N. Effect of diamond growth rate on carbon isotope fractionation in Fe-Ni-C system // Diamond Relat. Mater., 2012, v. 21, р. 7-10. 35. Richet P., Bottinga Y., Javoy M. A review of hydrogen, carbon, nitrogen, oxygen, sulphur, and chlorine stable isotope fractionation among gaseous molecules // Ann. Rev. Earth Planet. Sci., 1977, v. 5, р. 65-110. 36. 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, р. 456-458. 37. Satish-Kumar M., So H., Yoshino T., Kato M., Hiroi Y. Experimental determination of carbon isotope fractionation between iron carbide melt and carbon: 12C-enriched carbon in the Earth’s core? // Earth Planet. Sci. Lett., 2011, v. 310, р. 340-348. 38. Scheele N., Hoefs J. Carbon isotope fractionation between calcite, graphite and CO2: an experimental study // Contr. Miner. Petrol., 1992, v. 112, р. 35-45. 39. Shcheka S.S., Wiedenbeck M., Frost D.J., Keppler H. Carbon solubility in mantle minerals // Earth Planet. Sci. Lett., 2006, v. 245, р. 730-742. 40. Shirey S.B., Cartigny P., Frost D.J., Keshav Sh., 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, р. 355-421. 41. Strong H.M., Chrenko R.M. Properties of laboratory-made diamond // J. Phys. Chem., 1971, v. 76, р. 1838-1843. 42. Weiss Y., Kessel R., Griffin W.L., Kiflawi I., Klein-BenDavid O., Bell D.R., Harris J.W., Navon O. A new model for the evolution of diamond-forming fluids: Evidence from microinclusion-bearing diamonds from Kankan, Guinea // Lithos, 2009, v. 112, р. 660-674.