Инд. авторы:	Баталева Ю.В., Новоселов И.Д., Крук А.Н., Фурман О.В., Реутский В.Н, Пальянов Ю.Н.
Заглавие:	Экспериментальное моделирование реакций декарбонатизации, сопряженных с образованием mg, fe-гранатов и co2-флюида при мантийных p,t-параметрах
Библ. ссылка:	Баталева Ю.В., Новоселов И.Д., Крук А.Н., Фурман О.В., Реутский В.Н, Пальянов Ю.Н. Экспериментальное моделирование реакций декарбонатизации, сопряженных с образованием mg, fe-гранатов и co2-флюида при мантийных p,t-параметрах // Геология и геофизика. - 2020. - Т.61. - № S5-6. - С.794-809. - ISSN 0016-7886.
Внешние системы:	DOI: 10.15372/GiG2020115; РИНЦ: 43080221;
Реферат:	rus: Впервые проведено экспериментальное моделирование реакций декарбонатизации при мантийно-коровых взаимодействиях, сопряженных с образованием Mg, Fe-гранатов и СО2-флюида, в широком интервале давлений и температур верхней мантии. Экспериментальные исследования проведены на многопуансонном аппарате высокого давления «разрезная сфера» (БАРС) в системах MgCO3-Al2O3-SiO2 и (Mg, Fe)CO3-Al2O3-SiO2 в интервалах давлений 3.0-7.5 ГПа и температур 950-1450 °C ( t = 10-60 ч). В экспериментах использована специально сконструированная буферированная ячейка высокого давления с гематитовым контейнером, предотвращающим диффузию водорода в платиновую ампулу. Экспериментально установлено, что в системе MgCO3-SiO2-Al2O3 декарбонатизация по схематической реакции MgCO3 + SiO2 + Al2O3→ Mg3Al2Si3O12 +CO2 происходит при 1100 ± 20 °С (3.0 ГПа), 1150 ± 20 °С (6.3 ГПа) и 1400 ± 20 °С (7.5 ГПа). В системе (Mg, Fe)CO3-Al2O3-SiO2 реакция (Mg, Fe)CO3 + SiO2 + Al2O3→ (Mg, Fe)3Al2Si3O12 + CO2 реализуется при 1000 ± 20 °С (3.0 ГПа), 1150 ± 20 °С (6.3 ГПа) и 1400 ± 20 °С (7.5 ГПа). В результате рамановской спектроскопической характеризации полученных гранатов определено положение основных мод R , υ 2 и υ 1 в пиропе - 364, 562, 924-925 см-1 и пиропе-альмандине - 350-351, 556-558 и 918-919 см-1. С применением метода масс-спектрометрии продемонстрирована эффективная работа гематитового контейнера и установлено, что во всех экспериментах состав флюида соответствовал чистому CO2. Выполнена экспериментальная реконструкция положения кривых декарбонатизации, приводящих к формированию CO2-флюида в ассоциации с пиропом и пироп-альмандином в P,T -координатах, проведено их сопоставление с положением расчетных кривых и предшествующих экспериментальных данных. Установлено, что экспериментально воспроизведенные линии реакций с образованием ассоциаций пироп + CO2 или пироп-альмандин + CO2 сдвинуты в область более низких температур на 50-150 °С относительно расчетных. При рассмотрении полученных результатов применительно к устойчивости природных карбонатов различного состава при высоких давлениях и температурах установлено, что на глубинах ~90-190 км Mg, Fe-карбонаты вступают в реакции декарбонатизации при температурах 1000-1250 °C, а на глубинах ~225 км - при 1400 °C. eng: Experimental modeling of decarbonation reactions with the formation of Mg,Fe-garnets and CO2 fluid during mantle-crust interactions was carried out in a wide range of the upper-mantle pressures and temperatures. Experimental studies were performed in the MgCO3-Al2O3-SiO2 and (Mg,Fe)CO3-Al2O3-SiO2 systems in the pressure range 3.0-7.5 GPa and temperature range 950-1450 °C ( t = 10-60 h), using a multianvil high-pressure apparatus of the «split-sphere» type (BARS). Experiments were carried out with a specially designed high-pressure buffered cell with a hematite container that prevents the diffusion of hydrogen into a Pt-capsule with a sample. It has been experimentally established that in the MgCO3-Al2O3-SiO2 system decarbonation occurs by the schematic reaction MgCO3 + SiO2 + Al2O3 → Mg3Al2Si3O12 + CO2 at 1100 ± 20 °С (3.0 GPa), 1150 ± 20 °С (6.3 GPa), and 1400 ± 20 °С (7.5 GPa) and in the (Mg,Fe)CO3-Al2O3-SiO2 system, by the reaction (Mg,Fe)CO3 + SiO2 + Al2O3 → (Mg,Fe)3Al2Si3O12 + CO2 at 1000 ± 20 °С (3.0 GPa), 1150 ± 20 °С (6.3 GPa), and 1400 ± 20 °С (7.5 GPa). Based on Raman spectroscopic characterization of the synthesized garnets, the position of the main modes R , υ 2, and υ 1 in the pyrope has been determined to be 364, 562, and 924-925 cm-1, respectively, and that in pyrope-almandine, 350-351, 556-558, and 918-919 cm-1. The effectiveness of the hematite container was demonstrated by means of mass spectrometry analysis. It has been found that the fluid composition corresponded to pure CO2 in all experiments. The P-T positions of decarbonation curves leading to the formation of a CO2 fluid in assemblage with pyrope and pyrope-almandine have been experimentally reconstructed and compared with the previous calculation and experimental data. It has been established that the experimentally reproduced reaction lines with the formation of pyrope + CO2 or pyrope-almandine + CO2 assemblages are shifted to lower temperatures by 50-150 °С relative to the calculated ones. When considering the obtained results with regard to the stability of natural carbonates of various compositions in subduction settings, it has been found that at depths of ~90-190 km Mg,Fe-carbonates react with oxides in the temperature range 1000-1250 °C, and at depths of ~225 km, at 1400 °C.
Ключевые слова:	high-pressure experiment; garnet; mantle carbonates; CO2 fluid; Decarbonation; экспериментальное моделирование; высокобарический эксперимент; гранат; мантийные карбонаты; CO2-флюид; Декарбонатизация; experimental modeling;
Издано:	2020
Физ. характеристика:	с.794-809
Цитирование:	1. Буланова Г.П., Павлова Л.А. Ассоциация магнитового перидотита в алмазе из трубки "Мир" // Докл. АН СССР, 1987, т. 295, № 6, с. 1452-1456. 2. Кадик А.А., Луканин О.А. Дегазация верхней мантии при плавлении. М., Наука, 1986, 97 с. 3. Огасавара И., Лиу Дж., Джанг Р.Ю. Термодинамический расчет logfO2-TP соотношений устойчивости алмазосодержащих ассоциаций в модельной системе CaO-MgO-SiO2-C-O2-H2O // Геология и геофизика, 1997, т. 38 (2), с. 546-557. 4. Похиленко Н.П., Соболев Н.В., Бойд Ф.Р., Пирсон Д.Дж., Шимизу Н. Мегакристаллические пироповые перидотиты в литосфере Сибирской платформы: минералогия, геохимические особенности и проблема их происхождения // Геология и геофизика, 1993, т. 34 (1), с. 71-84. 5. Cоболев В.C., Cоболев Н.В. Новые cвидетельcтва погpужения эклогитизиpованныx поpод земной коpы на большие глубины // Докл. АН CCCP, 1980, № 250, c. 683-685. 6. Соболев Н.В., Лаврентьев Ю.Г., Поспелова Л.Н., Соболев Е.В. Хромовые пиропы из алмазов Якутии // Докл. АН СССР, 1969, т. 189, № 1, с. 162-165. 7. Шацкий А.Ф., Литасов К.Д., Пальянов Ю.Н. Фазовые взаимоотношения в карбонатных системах при P-T параметрах литосферной мантии: обзор экспериментальных данных // Геология и геофизика, 2015, т. 56 (1-2), с. 149-187. 8. 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. 9. Bataleva Y.V., Palyanov Y.N., Borzdov Y.M., Kupriyanov I.N., Sokol A.G. Synthesis of diamonds with mineral, fluid and melt inclusions // Lithos, 2016, v. 265, p. 292-303. 10. Berman R.G. Thermobarometry using multiequilibrium calculations: a new technique with petrologic applications // Can. Mineral., 1991, v. 29, p. 833-855. 11. Boettcher A.L., Mysen B.O., Allen J.C. Techniques for the control of water fugacity and oxygen fugacity for experimentation in solid-media high-pressure apparatus // J. Geophys. Res., 1973, v. 80 (26), p. 5898-5901. 12. 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 // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2011, v. 10 (13), p. 5184-5187. 13. Boyd F.R., Pearson D.G., Nixon P.H., Mertzman S.A. Low Ca garnet harzburgites from southern Africa: Their relation to craton structure and diamond crystallization // Contrib. Mineral. Petrol., 1993, v. 113 (3), p. 352-366. 14. Brenker F.E., Vollmer C., Vincze L., Vekemans B., Szymanski A., Janssens K., Szaloki I., Nasdala L., Joswig W., Kaminsky F. Carbonates from the lower part of transition zone or even the lower mantle // Earth Planet. Sci. Lett., 2007, v. 260, p. 1-9. 15. Bulanova G.P. The formation of diamond // J. Geochim. Expl., 1995, v. 53, p. 2-23. 16. 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. 17. Eggler D.H. The effect of CO2 upon partial melting of peridotite in the system Na2O-CaO-Al2O3-MgO-SiO2-CO2 to 35 kbar, with an analysis of melting in a peridotite-H2O-CO2 system // Am. J. Sci., 1978, v. 278, p. 305-343. 18. Foley S.F. A reappraisal of redox melting in the Earth's mantle as a function of tectonic setting and time // J. Petrol., 2010, v. 52 (7-8), p. 1363-1391. 19. Griffin W.L., Fisher N.I., Friedman J., Ryan C.G., O'Reilly S.Y. Cr-pyrope garnets in the lithospheric mantle: I. Compositional systematics and relations to tectonic setting // J. Petrol., 1999, v. 40, p. 679-704. 20. Gunn S.C., Luth R.W. Carbonate reduction by Fe-S-O melts at high pressure and high temperature // Am. Mineral., 2006, v. 91, p. 1110-1116. 21. Gurney J.J., Switzer G.S. The discovery of garnets closely related to diamonds in the Finsch pipe, South Africa // Contrib. Mineral. Petrol., 1973, v. 39 (2), р. 103-116. 22. Gurney J.J., Harte B. Chemical variations in upper mantle nodules from southern African kimberlites // Philos. Trans. R. Soc. London, 1980, A297, p. 273-293. 23. Gurney J.J., Jacob W.R.O., Dawson J.B. Megacrysts from the Monastery kimberlite pipe, South Africa / Eds. F.R. Boyd, H.O.A. Meyer // Kimberlites, diatremes and diamonds: their geology, petrology and geochemistry, 1979, v. 1, p. 222-243. Washington, DC, American Geophysical Union. 24. Gurney J.J., Moore R.O., Otter M.L., Kirkley M.B., Hops J.J., McCandless T.E. Southern African kimberlites and their xenoliths / Eds. A.B. Kampunzu, R.T. Lubala // Magmatism in extensional structural settings. Berlin, Springer, 1991, p. 495-536. 25. Harris J.W. Recent physical, chemical and isotopic research of diamond / Ed. P.H. Nixon // Mantle xenoliths. Chichester, Wiley, 1987, p. 477-500. 26. Harris J.W. Diamond geology / Ed. J.E. Field // The properties of natural and synthetic diamond. London, Academic Press, 1992, p. 345-393. 27. Harte B., Hawkesworth C.J. Mantle domains and mantle xenoliths / Ed. J. Ross // Kimberlites and related rocks. Geological Society of Australia, Special Publication, 1989, v. 2, № 14, p. 649-686. 28. Holland T.J.B., Powell L. An enlarged and updated internally consistent thermodynamic dataset with uncertainties and correlations: K2O-Na2O-CaO-MgO-FeO-Fe2O3-Al2O3-TiO2-SiO2-C-H2-O2 // J. Metamorph. Geol., 1990, v. 8, p. 89-124. 29. Izraeli E.S., Harris J.W., Navon O. Brine inclusions in diamonds: a new upper mantle fluid // Earth Planet. Sci. Lett., 2001, v. 187, p. 1-10. 30. Jones A., Genge M., Carmody L. Carbonate melts and carbonatites // Rev. Mineral. Geochem., 2013, v. 75 (1), p. 289-322. 31. Kalugina A.D., Zedgenizov D.A. Raman discrimination of garnet inclusions in Siberian diamonds // J. Raman Spectrosc., 2019, p. 1-7. 32. Kaminsky F., Wirth R., Schreiber B. Carbonatitic inclusions in deep mantle diamond from Juina, Brazil: New minerals in the carbonate-halide association // Can. Mineral., 2013, v. 51, p. 669-688. 33. Kang N., Schmidt M.W., Poli S., Franzolin E., Connolly J.A.D. Melting of siderite to 20 GPa and thermodynamic properties of FeCO3-melt // Chem. Geol., 2015, v. 400, p. 34-43. 34. Kang N., Schmidt M.W., Poli S., Connolly J.A.D., Franzolin E. Melting relations in the system FeCO3-MgCO3 and thermodynamic modelling of Fe-Mg carbonate melts // Contrib. Mineral. Petrol., 2016, v. 171 (8-9), Article 74. 35. Katsura T., Ito E. Melting and subsolidus relations in the MgSiO3-MgCO3 system at high pressures: implications to evolution of the Earth's atmosphere // Earth Planet. Sci. Lett., 1990, v. 99, p. 110-117. 36. Kennedy C.S., Kennedy G.C. The equilibrium boundary between graphite and diamond // J. Geophys. Res., 1976, v. 81, p. 2467-2470. 37. Knoche R., Sweeney R.J., Luth R.W. Carbonation and decarbonation of eclogites: the role of garnet // Contrib. Miner. Petrol., 1999, v. 135 (4), p. 332-339. 38. Kolesov B., Geiger C. Raman spectra of silicate garnets // Phys. Chem. Mineral., 1998, v. 25, p. 142-151. 39. Kopylova M.G., Russell J.K., Cookenboo H. Petrology of peridotite and pyroxenite xenoliths from the Jericho kimberlite: Implications for the thermal state of the mantle beneath the Slave craton, northern Canada // J. Petrol., 1999, v. 40, p. 79-104. 40. Koziol A.M., Newton R.C. Experimental determination of the reaction: Magnesite + enstatite = forsterite + CO2 in the ranges 6-25 kbar and 700-1100 °C // Am. Mineral., 1998, v. 83, p. 213-219. 41. Luth R.W. Natural versus experimental control of oxidation state: Effects on the composition and speciation of C-O-H fluids // Am. Mineral., 1989, v. 74, p. 50-57. 42. Luth R.W. Experimental determination of the reaction dolomite + 2 coesite = diopside + 2 CO2 to 6 GPa // Contrib. Mineral. Petrol., 1995, v. 122 (1-2), p. 152-158. 43. Luth R.W. Carbon and carbonates in mantle // Y. Fei, M.C. Bertka, B.O. Mysen // Mantle petrology: Field observation and high pressure experimentation: A tribute to Francis R. (Joe) Boyd. The Geochemical Society, Special Publication, 1999, № 6, p. 297-316. 44. Martin A.M., Hammouda T. Role of iron and reducing conditions on the stability of dolomite + coesite between 4.25 and 6 GPa - a potential mechanism for diamond formation during subduction // Eur. J. Mineral., 2011, v. 23, p. 5-16. 45. Merlini M., Crichton W.A., Hanfland M., Gemmi M., Müller H., Kupenko I., Dubrovinsky L. Structures of dolomite at ultrahigh pressure and their influence on the deep carbon cycle // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2012, v. 109 (34), p. 13509-13514. 46. Meyer H.O.A. Inclusions in diamond / Ed. H. Nixon Peter // Mantle xenoliths. Chichester, Wiley, 1987, p. 501-523. 47. Morlidge M., Pawley A., Droop G. Double carbonate breakdown reactions at high pressures: An experimental study in the system CaO-MgO-FeO-MnO-CO2 // Contrib. Mineral. Petrol., 2006, v. 152 (3), p. 365-373. 48. Navon O., Hutcheon I.D., Rossman G.R., Wasserburg G.J. Mantle-derived fluids in diamond micro-inclusions // Nature, 1988, v. 335, p. 784-789. 49. Newton R.C., Sharp W.E. Stability of forsterite + CO2 and its bearing on the role of CO2 in the mantle // Earth Planet. Sci. Lett., 1975, v. 26, p. 239-244. 50. Oganov A.R., Hemley R.J., Hazen R.M., Jones A.P. Structure, bonding and mineralogy of carbon at extreme conditions // Rev. Mineral. Geochem., 2013, v. 75 (1), p. 47-77. 51. 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. 52. Pal'yanov Y.N., Sokol A.G., Khokhryakov A.F., Pal'yanova G.A., Borzdov Y.M., Sobolev N.V. Diamond and graphite crystallization in COH fluid at PT parameters of the natural diamond formation // Dokl. Earth Sci., 2000, v. 375, p. 1395-1398. 53. Pal'yanov Yu.N., Sokol A.G., Tomilenko A.A., Sobolev N.V. Conditions of diamond formation through carbonate-silicate interaction // Eur. J. Mineral., 2005, v. 17, p. 207-214. 54. Palyanov Yu.N., Borzdov Yu.M., Bataleva Yu.V., Sokol A.G., Palyanova G.A., Kupriyanov I.N. Reducing role of sulfides and diamond formation in the Earth's mantle // Earth Planet. Sci. Lett., 2007, v. 260 (1-2), p. 242-256. 55. 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, № 10, p. 3169-3175. 56. 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 // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2013, v. 110 (51), p. 20408-20413. 57. Palyanov Y.N., Kupriyanov I.N., Khokhryakov A.F., Borzdov Y.M. High-pressure crystallization and properties of diamond from magnesium-based catalysts // CrystEngComm, 2017, v. 19, № 31, p. 4459-4475. 58. Pearson D.G., Canil D., Shirey S.B. Mantle samples included in volcanic rocks: xenoliths and diamonds // Treatise on geochemistry. Amsterdam, Elsevier, Geochem., 2003, v. 2, p. 171-275. 59. Perchuk A.L., Serdyuk A.A., Zinovieva N.G. Subduction sediment-lherzolite interaction at 2.9 GPa: Effects of metasomatism and partial melting // Petrology, 2019, № 27 (5), p. 467-488. 60. Plank T., Manning C.E. Subducting carbon // Nature, 2019, № 574, p. 343-352. 61. Robie R.A., Hemingway B.S., Fischer J.R. Geological Survey Bulletin 1452. Washington, United States Government Printing Office, 1978. 62. Schrauder M., Navon O. Hydrous and carbonatitic mantle fluids in fibrous diamonds from Jwaneng, Botswana // Geochim. Cosmochim. Acta, 1994, v. 58, p. 761-771. 63. Shatskiy A., Podborodnikov I.V., Arefiev A.V., Minin D.A., Chanyshev A.D., Litasov K.D. Revision of the CaCO3-MgCO3 phase diagram at 3 and 6 GPa // Am. Mineral., 2018, № 103, p. 441-452. 64. 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. Mineral. Geochem., 2013, № 75, p. 355-421. 65. Sobolev N.V. Eclogites and pyrope peridotites from the kimberlites of Yakutia // Phys. Earth Planet. Inter., 1970, № 3, р. 398-404. 66. Sobolev N.V. The deep-seated inclusions in kimberlites and the problem of the composition of the upper mantle. Washington, Am. Geophys. Union, 1977, 279 p. 67. Sobolev N.V., Lavrent'yev Y.G., Pokhilenko N.P., Usova L.V. Chrome-rich garnets from the kimberlites of Yakutia and their paragenesis // Contrib. Mineral. Petrol., 1973, v. 40 (1), p. 39-52. 68. Sobolev N.V., Kaminsky F.V., Griffin W.L., Yefimova E.S., Win T.T., Ryan C.G., Botkunov A.I. Mineral inclusions in diamonds from the Sputnik kimberlite pipe, Yakutia // Lithos, 1997, v. 39, p. 135-157. 69. Sobolev N.V., Snyder G.A., Taylor L.A., Keller R.A., Yefimova E.S., Sobolev V.N., Shimizu N. Extreme chemical diversity in the mantle during eclogitic diamond formation: Evidence from 35 garnet and 5 pyroxene inclusions in single diamond // Int. Geol. Rev., 1998, v. 40, p. 567-578. 70. Sobolev N.V., Shatsky V.S., Zedgenizov D.A., Ragozin A.L., Reutsky V.N. Polycrystalline diamond aggregates from the Mir kimberlite pipe, Yakutia: Evidence for mantle metasomatism // Lithos, 2016, v. 265, p. 257-26. 71. Sobolev N.V., Logvinova A.M., Tomilenko A.A., Wirth R., Bul'bak T.A., Luk'yanova L.I., Fedorova E.N., Reutsky V.N., Efimova E.S. Mineral and fluid inclusions in diamonds from the Urals placers, Russia: Evidence for solid molecular N2 and hydrocarbons in fluid inclusions // Geochim. Cosmochim. Acta, 2019, v. 266, p. 197-219. 72. Sokol A.G., Borzdov Y.M., Palyanov Y.N., Khokhryakov A.F. High-temperature calibration of a multi-anvil high pressure apparatus // High Pressure Res., 2015a, v. 35 (2), p. 139-147. 73. Sokol A.G., Khokhryakov A.F., Palyanov Yu.N. Composition of primary kimberlite magma: constraints from melting and diamond dissolution experiments // Contrib. Mineral. Petrol., 2015b, v. 170 (3), Article 26. 74. Stachel T., Harris J.W., Brey G.P. Rare and unusual mineral inclusions in diamonds from Mwadui, Tanzania // Contrib. Mineral. Petrol., 1998, v. 132 (1), p. 34-47. 75. Stagno V. Carbon, carbides, carbonates and carbonatitic melts in the Earth's interior // J. Geol. Soc., 2019, v. 176, p. 375-387. 76. Tao R., Fei, Y., Zhang L. Experimental determination of siderite stability at high pressure // Am. Mineral., 2013, v. 98, p. 1565-1572. 77. Wang A., Pasteris J.D., Meyer H.O.A., DeleDuboi M.L. Magnesite-bearing inclusion assemblage in natural diamond // Earth Planet. Sci. Lett., 1996, v. 141 (1-4), p. 293-306. 78. Wendlandt R.F., Huebner S.J., Harrison W.J. The redox potential of boron nitride and implications for its use as a crucible material in experimental petrology // Am. Mineral., 1982, v. 67 (1-2), p. 170-174. 79. Wyllie P.J. Magmas and volatile components // Am. Mineral., 1979, v. 64, р. 469-500. 80. Wyllie P.J., Huang W.-L., Otto J., Byrnes A.P. Carbonation of peridotites and decarbonation of siliceous dolomites represented in the system CaO-MgO-SiO2-CO2 to 30 kbar // Tectonophysics, 1983, v. 100 (1-3), p. 359-388.