Клинопироксеновые твердые растворы в сечении camgsi2o6 - ca0,5alsi2o6 при высоких р-т-параметрах

Банушкина С.В.; Туркин А.И; Чепуров А.И.

doi:10.26516/2073-3402.2020.34.37

Инд. авторы:	Банушкина С.В., Туркин А.И, Чепуров А.И.
Заглавие:	Клинопироксеновые твердые растворы в сечении camgsi₂o₆ - ca_0,5alsi₂o₆ при высоких р-т-параметрах
Библ. ссылка:	Банушкина С.В., Туркин А.И, Чепуров А.И. Клинопироксеновые твердые растворы в сечении camgsi₂o₆ - ca_0,5alsi₂o₆ при высоких р-т-параметрах // Известия Иркутского государственного университета. Серия: Науки о Земле. - 2020. - Т.34. - С.37-54. - ISSN 2073-3402.
Внешние системы:	DOI: 10.26516/2073-3402.2020.34.37; РИНЦ: 44304086;
Реферат:	eng: Clinopyroxenes (Cpx) are one of the main rock-forming minerals, but stoichiometry of their compositions was called into question. In particular, an idea of hypothetical calcium molecule Eskola (CaEs, Ca0,5AlSi₂O₆) existence was expressed. This minal has structure vacancy and silica excess. Numerous experimental investigations in CMAS-system (CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂) have showed that the question of non-stoichiometric Cpx existence remains open. This paper presents the results of an experimental study of the diopside Di (CaMgSi₂O₆) - calcium molecule Eskola CaEs (Ca0,5AlSi₂O₆) cross-section in the CMAS-system. The experiments were carried out in the following pressure and temperature range: P = 10-4 - 3,0 GPa; T = 966 - 1525 ⁰C. Experiments at atmospheric pressure (10-4 GPa) were performed on a vertical shaft electric resistance furnace; high-pressure ones were performed on a «piston-cylinder» type apparatus. Samples obtained were analyzed using electron microprobe (EMP), scanning electron microscope (SEM) and Raman spectrometer. Depending on the P-T-conditions, the samples contain the following phases: anorthite An, garnet Grt, diopside Di, clinopyroxene Cpx, quartz Qtz (tridymite Tr - for experiments at atmospheric pressure), and glass L. The data array on the composition of clinopyroxenes crystallized in this cross-section with diopside in various associations is generalized and supplemented. Clinopyroxenes were found to form quaternary solid solutions of diopside Di (CaMgSi₂O6) - enstatite En (Mg₂Si₂O₆) - calcium molecule Tschermak CaTs (CaAl₂SiO₆) - calcium molecule Eskola CaEs (Ca0,5AlSi2O₆). The CaTs and CaEs minals contents are positively correlated with the amount of aluminum in clinopyroxene, and this relationship is particularly pronounced for CaTs. It is confirmed that clinopyroxenes in this cross-section can contain an excess of silica at both atmospheric and high pressures. Apparently, the cation vacancy that exists in pyroxene structure can participate in ordering processes. As a result the pyroxenes of another structure (not diopside - C2/c-symmetry) can be crystallized from total compositions in the Di-CaEs cross-section. Additional research is needed to support this hypothesis. Besides, at present investigation it was not possible to establish an unambiguous relationship between the Cpx composition and P-T-parameters, since it is also associated with both the mixture initial composition and the mineral association. Further experiments are required to justify any geothermobarometric dependence. rus: Представлены результаты экспериментального исследования сечения диопсид Di (CaMgSi₂O₆) - кальциевая молекула Эскола CaEs (Ca0,5AlSi₂O₆) системы CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂ (CMAS) в диапазоне давлений P = 10-4-3,0 ГПа и температур T = 966-1525 °С. Эксперименты при атмосферном давлении проведены на вертикальной шахтной электропечи сопротивления; высокобарические эксперименты - на аппарате типа «поршень - цилиндр». В полученных образцах в зависимости от Р-Т-условий установлены следующие фазы: анортит An, гранат Grt, диопсид Di, клинопироксен Cpx, кварц Qtz, тридимит Tr, стекло L. Обобщен и дополнен массив данных по составу клинопироксенов, кристаллизующихся в данном сечении наряду с диопсидом в различных ассоциациях. Установлено, что клинопироксены образуют четверные твердые растворы диопсид Di(CaMgSi₂O₆) - энстатит En (Mg₂Si₂O₆) - кальциевая молекула Чермака CaTs (CaAl₂SiO₆) - кальциевая молекула Эскола CaEs (Ca0,5AlSi₂O₆). Содержание миналов CaTs и CaEs положительно коррелируется с количеством алюминия в клинопироксене, при этом для CaTs эта зависимость выражается особенно отчетливо. Подтверждено, что кристаллизующиеся в исследованном сечении клинопироксены могут содержать избыток кремнезема как при атмосферном, так и при высоком давлениях. Тем не менее однозначной связи состава Cpx с температурой и давлением установить не удалось, поскольку он связан также как с исходным составом шихты, так и с минеральной ассоциацией. Для обоснования какой-либо геотермобарометрической зависимости необходимо проведение дальнейших экспериментов.
Ключевые слова:	non-stoichiometric clinopyroxene; Clinopyroxene solid solutions; высокобарический эксперимент; кальциевая молекула Эскола; диопсид; нестехиометричный клинопироксен; твердые растворы клинопироксенов; high-pressure experiment; calcium molecule Eskola; diopside;
Издано:	2020
Физ. характеристика:	с.37-54
Цитирование:	1. Банушкина С. В., Сурков Н. В., Голицына З. Ф. Особенности плавления фаз в сечении диопсид - кальциевая молекула Эскола в интервале давлений 1 кгс/см2 - 20 кбар // Вестник ЗабГУ. 2019. Т. 25, № 7. С. 6-17. 2. Жариков В. А., Ишбулатов Р. А., Чудиновских Л. Т. Эклогитовый барьер и клинопироксены высоких давлений // Геология и геофизика. 1984. № 12. С. 54-63. 3. Избыточный кремнезем в твердых растворах клинопироксенов высокого давления по данным экспериментального изучения системы CaMgSi2O6-CaAl2SiO6-SiO2 при 35 кбар и 1200 °С / Л. Т. Ханухова, В. А Жариков., Р. А. Ишбулатов, Ю. А. Литвин // Доклады Академии наук СССР. 1976. Т. 229, № 1. С. 182-184. 4. Клинопироксены серии CaMgSi2O6-CaAl2SiO6-Ca0.5AlSi2O6 в ассоциации с анортитом, кварцем, коэситом и гранатом / Е. К. Малиновская, А. М., Дорошев, В. К. Булатов, Г. Брай // Геохимия. 1991. № 2. С. 216-226. 5. Лаврентьев Ю. Г., Карманов Н. С., Усова Л. В. Электронно-зондовое определение состава минералов: микроанализатор или сканирующий электронный микроскоп? // Геология и геофизика. 2015. Т. 56, № 8. С. 1473-1482. 6. Сурков Н. В., Гартвич Ю. Г, Бабич Ю. В. Экспериментальное исследование фазовой диаграммы сечения CaMgSi2O6 - Ca0,5AlSi2O6 при давлении 3,0 Гпа // Доклады Академии наук. 2004. Т. 398, № 4. С. 533-537. 7. Сурков Н. В., Гартвич Ю. Г., Изох О. П. Устойчивость и фазовые взаимоотношения нестехиометричных клинопироксенов в сечении диопсид - "Ca-молекула Эскола" при высоких давлениях // Геохимия. 2007. № 6. С. 632-642. 8. Сурков Н. В., Банушкина С. В., Гартвич Ю. Г. Особенности плавления ассоциаций с α-диопсидом в сечении CaMgSi2O6 - Ca0,5AlSi2O6 при атмосферном давлении // Вестник ЗабГУ. 2018. Т. 24, № 7. С. 51-59. 9. Твердые растворы пироксенов в системе NaAlSi2O6-CaAl2SiO6-SiO2 при 35 кбар и 1200 °С / Л. Т. Ханухова, В. А Жариков., Р. А. Ишбулатов, Ю. А. Литвин // Доклады академии наук СССР. 1976. Т. 231, № 1. С. 185-187. 10. Angel R. J., Chupelas A., Ross N. L. Stability of high-density clinoenstatite at uppermantle pressures // Nature. 1992. Vol. 358. P. 322-324. 11. Arlt T., Angel R. J. Displacive phase transition in C-centred clinopyroxenes: spodumene, LiScSi2O6 and ZnSiO3 // Physics and Chemistry of Minerals. 2000. Vol. 27, N 10. P. 719-731. 12. Ca-Eskola component in clinopyroxene: Experimental studies at high pressures and high temperatures in multianvil apparatus / S. Zhao, P. Nee, H. W. Green, L. F. Dobrzhinetskaya // Earth and Planetary Science. Letters. 2011. Vol. 307. P. 517-524. 13. Cameron M., Papike J. J. Crystal chemistry of silicate pyroxenes // Mineralogical Society of America. Reviews in Mineralogy / Prewitt C. T. ed. 1980. Vol. 7: Pyroxenes. P. 5-92. 14. Cameron M., Papike J. J. Structural and chemical variations in pyroxenes // American Mineralogist. 1981. Vol. 66. P. 1-50. 15. Christy A., Angel R. J. A model for the origin of the cell-doubling phase transition in clinopyroxene and body centered anorthite // Physics and Chemistry of Mineral. 1995. Vol. 22. P. 129-135. 16. Eskola P. On the eclogites of Norway // Videnskaps Skr. J. Kristiania. 1. Mat. Nat. kl. 1921. Vol. 8. P. 163-170. 17. Gasparik T. Experimental study of subsolidus phase relations and mixing properties of clinopyroxene in the silica-saturated system CaO-MgO-Al2O3-SiO2 // American Mineralogist. 1986. Vol. 71. P. 686-693. 18. High-pressure P21/c -C2/c phase transitions in clinopyroxenes: Influence of cation size and electronic structure / T. Arlt, R. J. Angel, R. Miletich, T. Armbruster, T. Peters // American Mineralogist. 1998. Vol. 83. P. 1176-1181. 19. High-temperature crystal chemistry of acmite, diopside, hedenbergite, jadeite, spodumeme, and ureyite / M. Cameron, S. Sueno, C. T. Prewitt, J. J. Papike // American Mineralogist. 1973. Vol. 58. P. 594-618. 20. Knapp N., Woodland A. B., Klimm K. Experimental constraints in the CMAS system on the Ca-Eskola content of eclogitic clinopyroxene // European Journal of Minerals. 2013. N 25. P. 579-596. 21. Levien L., Prewitt C. T. High-pressure structural study of diopside // American Mineralogist. 1981. Vol. 66. P. 315-323. 22. Mao H. K. The system jadeite (NaAlSi2O6)-anorthite (CaAl2Si2O8) at high pressures // Carnegie Institution of Washington. Year Book 69. Baltimore: Port City Press, 1970. P. 163-168. 23. McCormick T. C. Crystal-chemical aspects of nonstoichiometric pyroxenes. American Mineralogist. 1986. Vol. 71. P. 1434-1440. 24. Millholland C. S., Presnall D. C. Liquidus phase relations in the CaO-MgO-Al2O3-SiO2 system at 3.0 GPa; the aluminous pyroxene thermal divide and high-pressure fractionation of picritic and komatiitic magmas // Journal of Petrology. 1998. Vol. 39. P. 3-27. 25. Oberti R, Caporuscio F. A. Crystal chemistry of clinopyroxenes from mantle eclogites: a study of the key role of the M2 site population by means of crystal-structure refinement // American Mineralogist. 1991. Vol. 76. P. 1141-1152. 26. Okamura F. P., Chose S., Ohashi H. Structure and crystal chemistry of calcium Tschermak's pyroxene, CaAlAlSiO6 // American Mineralogist. 1974. Vol. 59. P. 549-557. 27. Okui M., Sawada H., Marumo F. Structure refinement of a nonstoichiometric pyroxene synthesized under ambient pressure // Physics and Chemistry of Minerals. 1998. Vol. 25, N 5. P. 318-322. 28. Page F. Z., Essene E. J., Mukasa S. B. Quartz exsolution in clinopyroxene is not proof of ultrahigh pressures: evidence from eclogites from the Eastern Blue Ridge, Southern Appalachians, U.S.A // American Mineralogist. 2005. Vol. 90. P. 1092-1099. 29. Relict coesite exsolution in omphacite from Western Tianshan eclogites, China / L. Zhang, S. Song, J. G. Liou, Y. Ai, X. Li // American Mineralogist. 2005. Vol. 90, P. 181-186. 30. Smyth J. R. Peraluminous omphacite: cation vacancies in mantle derived pyroxene (abstr.) // Transactions American Geophysical Union. 1977. Vol. 58. P. 523. 31. Smyth J. R. Cation vacancies and the crystal chemistry of breakdown reactions in kimberlitic omphacites // American Mineralogist. 1980. Vol. 65. P. 1185-1191. 32. Sobolev N. V., Kuznetsova I. K., Zyuzin N. I. The petrology of grospydite xenoliths from the Zagadochnaya kimberlite pipe in Yakutia // Journal of Petrology. 1968. N 9, part 2. P. 253-280. 33. Surkov N. V., Darmenko O. L. Experimental investigation of clinopyroxene stability in the section Di-CaTs-CaEs at pressure 30 kbar // Experiment in Geosciences. 2002. Vol. 10, N 1. P. 32-34. 34. Supersilicic clinopyroxene and silica exsolution in UHPM eclogite and pelitic gneiss from the Kokchetav massif, Kazakhstan / I. Katayama, C. D. Parkinson, K. Okamoto, Y. Nakajima, S. Maruyama // American Mineralogist. 2000. Vol. 85. P. 1368-1374. 35. The Ca-Eskola component in eclogitic clinopyroxene as a function of pressure, temperature and bulk composition: an experimental study to 15 GPa with possible implications for the formation of oriented SiO2-inclusions in omphacite / J. Konzett, D. J. Frost, A. Proyer, P. Ulmer // Contributions to Mineralogy and Petrology. 2008. N 155. P. 215-228. 36. The elastic properties of diopside, CaMgSi2O6 // L. Sang, C. B. Vanpeteghem, S. V. Sinogeikin, J. D. Bass // American Mineralogist. 2011. Vol. 96. P. 224-227. 37. The high-temperature P21/c-C2/c phase transition in Fe-free pyroxene (Ca0.15Mg1.85Si2O6): Structural and thermodynamic behavior // M. Tribaudino, F. Nestola, F. Cámara, M. C. Domeneghetti // American Mineralogist. 2002. Vol. 87, N 5-6. P. 648-657. 38. Wenk H. R., Weiss L. E. Al-rich calcic pyroxene in pseudotachylite: an indicator of high pressure and temperature? // Tectonophysics. 1982. Vol. 84, N 2-4. P. 329-341. 39. Wood B. J., Henderson C. M. B. Composition and unit-cell parameters of synthetic non-stoichiometric tschermakitic clinopyroxenes // American Mineralogist. 1978. Vol. 63. P. 66-72. 40. Zhu Y., Ogasawara Y. Phlogopite and coesite exsolution from super-silicic clinopyroxene // International Geology Review. 2002. Vol. 44. P. 831-836. https://doi.org/10.2747/0020-6814.44.9.831.