Образование углеводородов в системах CaCO₃–FeO–H₂O–SiO₂ и Fe₃C–H₂O–SiO₂ при термобарических условиях верхней мантии

Объект исследования. Исследовано возможное влияние среды SiO₂ как наиболее распространенного компонента мантии на глубинный абиогенный синтез углеводородов в системах CaCO₃–FeO–H₂O и Fe₃C–H₂O в термобарических условиях, соответствующих условиям в верхней мантии.

Материал и методы. Эксперименты проводились с помощью установки высокого давления в камерах типа “Тороид” в термобарическом интервале 2.0–4.0 ГПа и 220– 750°С. В качестве доноров углерода использовались кальцит CaCO₃ и цементит Fe₃C, в качестве донора водорода – вода Н₂О, в качестве среды – кварц SiO₂. Анализ полученных продуктов химической реакции осуществлялся методами газовой хроматографии и рентгенофазной дифракции.

Результаты. В ходе проведенных экспериментов во всем исследуемом термобарическом интервале были получены смеси легких алканов с преобладанием метана. Состав углеводородных систем, полученных в присутствии SiO₂, сходен с составом смесей, полученных при таких же термобарических параметрах без SiO₂, и зависел только от температур и давлений синтеза. Результаты рентгенофазового анализа твердых продуктов показали превращение кварца в коэсит при 400 и 750°С.

 Выводы. Качественный и количественный состав углеводородных систем, образующихся при абиогенном синтезе углеводородов в присутствии SiO₂, соответствует результатам аналогичных экспериментов без SiO₂, но общий выход углеводородных систем в среде SiO₂ снижается. Зависимость состава полученных углеводородных систем от термобарических условий синтеза сохраняется в среде SiO₂.

1. Akiyama T., Miyazaki A., Nakanishi H., Hisa M., Tsutsumi A. (2004) Thermal and gas analyses of the reaction between iron carbide and steam with hydrogen generation at 573K. Int. J. Hydrogen Energy, 29(7), 721-724.

2. Carlson R.W., Pearson D.G., James D.E. (2005) Physical, chemical, and chronological characteristics of continental mantle. Rev. Geophys., 43(1), https://doi.org/10.1029/2004RG000156

3. Fountain D.M., Christensen N.I. (1989) Composition of the continental crust and upper mantle: A review. Geophysical Framework of the Continental United States, 172, 711-742.

4. Iglesia E. (1997) Design, synthesis, and use of cobalt-based Fischer-Tropsch synthesis catalysts. Appli. Catalysis A: General, 161(1), 59-78.

5. Karato S.I. (2013) Physics and Chemistry of the Deep Earth, John Wiley & Sons. 416 p.

6. Kayama M., Nagaoka H., Niihara T. (2018) Lunar and Martian Silica. Minerals, 8, 267.

7. Kenney J.F., Kutcherov V.A., Bendeliani N.A., Alekseev V.A. (2002) The evolution of multicomponent systems at high pressures: VI. The thermodynamic stability of the hydrogen-carbon system: The genesis of hydrocarbons and the origin of petroleum. PNAS, 99, 10976- 10981.

8. Kolesnikov A.Y., Saul J.M., Kutcherov V.G. (2017) Chemistry of Hydrocarbons Under Extreme Thermobaric Conditions. Chem. Select, 2(4), 1336-1352.

9. Kutcherov V.G., Kolesnikov A., Dyuzheva T.I., Kulikova L.F., Nikolaev N.N., Sazanova O.A., Braghkin V.V. (2010a) Synthesis of complex hydrocarbon systems at temperatures and pressures corresponding to the Earth’s upper mantle conditions. Dokl. Phys. Chem., 433, 132- 135.

10. Kutcherov V.G., Krayushkin V.A. (2010b) Deep-Seated Abiogenic Origin of Petroleum: From Geological Assessment to Physical Theory. Rev. Geophys., 48, 1-30.

11. Lobanov S.S., Chen P.-N., Chen X.-J., Zha C.-S., Litasov K.D., Mao H.-K., Goncharov A.F. (2013) Carbon precipitation from heavy hydrocarbon fluid in deep planetary interiors. Nat. Commun., (4), 2446.

12. Mukhina E., Kolesnikov A., Kutcherov V. (2017) The lower PT limit of deep hydrocarbon synthesis by CaCO3 aqueous reduction. Sci. Rep., 7(1), 5749.

13. Scott H.P., Hemley R.J., Mao H.-k., Herschbach D.R., Fried L.E., Howard W.M. (2004) Generation of methane in the Earthʼs mantle: In situ high pressure-temperature measurements of carbonate reduction. PNAS, 101(39), 14023-14026.

14. Serovaiskii A., Kutcherov V. (2020) Formation of complex hydrocarbon systems from methane at the upper mantle thermobaric conditions. Sci. Rep., 10(1), 4559. https://doi.org/10.1038/s41598-020-61644-5

15. Serovaiskii A., Kutcherov V. (2021) The Role of Iron Carbide in the Abyssal Formation of Hydrocarbons in the Upper Mantle. Geosci., 11(4), https://doi.org/10.3390/geosciences11040163

16. Sharma A., Cody G.D., Hemley R.J. (2009) In Situ Diamond-Anvil Cell Observations of Methanogenesis at High Pressures and Temperatures. Energy Fuel., 23(11), 5571-5579.

17. Sokol A.G., Tomilenko A.A., Bulʼbak T.A., Sokol I.A., Zaikin P.A., Palyanova G.A., Palyanov Y.N. (2019) Hydrogenation of carbon at 5.5–7.8 GPa and 1100–1400°C: Implications to formation of hydrocarbons in reduced mantles of terrestrial planets. Phys. Earth Planet. Int., 291, 12-23.

18. Tao R., Zhang L., Tian M., Zhu J., Liu X., Liu J., Höfer H.E., Stagno V., Fei Y. (2018) Formation of abiotic hydrocarbon from reduction of carbonate in subduction zones: Constraints from petrological observation and experimental simulation. Geochim. Cosmochim. Acta, 239, 390-408.

19. Workman R.K., Hart S.R. (2005) Major and trace element composition of the depleted MORB mantle (DMM). Earth Planet. Sci. Lett., 231(1), 53-72.

20. Sonin V.M., Bul’bak T.A., Zhimulev E.I., Tomilenko A.A., Chepurov A.I., Pokhilenko N.P. (2014) Synthesis of heavy hydrocarbons under P-T conditions of the Earth’s upper mantle. Dokl. Earth Sci., 454(1), 32-36.