Особенности проникновения Fe в матрицу из СаСО₃ ± оливин ± серпентин при давлении 4 ГПа и температуре 1400-1500°С (экспериментальные данные)

Объект исследований. В представленном сообщении приводятся первые результаты по моделированию при высоких Р-Т параметрах взаимодействия СаСО₃ с металлическим Fe в присутствии оливина и серпентина в сравнении с системой CaCO₃-Fe. Это связано с необходимостью изучения реакций декарбонатизации при субдукции корового вещества в восстановленную мантию Земли в рамках проблематики глобального цикла углерода. Методы. Эксперимент проведен на аппарате высокого давления типа “разрезная сфера” (БАРС) при давлении 4.0 ГПа и температуре 1400-1500°С с последующем изучением полученных образцов на сканирующем электронном микроскопе, оборудованном системой химического микроанализа. Результаты. Установлено, что СаСО₃ неустойчив в реализованных условиях. Продуктами реакций являются карбид железа и Са-вюстит или Са-магнезиовюстит в присутствии силикатных фаз. Выводы. Взаимодействие СаСО₃ с металлическим Fe при высоком давлении имеет место, даже если компоненты находятся в твердом состоянии. Высокие скорости реакции при взаимодействии обеспечиваются появлением жидкого металла вследствие относительно низкой температуры плавления эвтектики в системе Fe-С. Установлено влияние силы тяжести на проникновение Fe в карбонатную матрицу, которое заключается в преимущественной инфильтрации жидкого металла между зернами карбоната. Присутствие Н₂О значительно снижает температуру плавления карбоната, что приводит к увеличению диффузии компонентов и скорости реакции декарбонатизации, при этом влияние силы тяжести также имеет место вследствие разности удельного веса жидкого Fe в сравнении с другими компонентами в сильно флюидизированной среде.

1. Артемов В.Р., Кузнецова В.Н. (1976) Классификация серпентинов. вопросы методики поисков, разведки и промышленной оценки месторождений хризотил-асбеста. Свердловск: Уральск. территор. геол. упр., 38-54.

2. Варлаков А.С. (1986) Петрология процессов серпентинизации гипербазитов складчатых областей. Свердловск: УНЦ АН СССР, 224 с.

3. Добрецов Н.Л. (2010) Петрологические, геохимические и геодинамические особенности субдукционного магматизма. Петрология, 18(1), 84-106.

4. Жимулев Е.И., Сонин В.М., Чепуров А.А., Чепуров А.И., Похиленко Н.П. (2022) Детализация взаимодействия СаСО3 с Fe при 4 ГПа и 1400-1500°C. Докл. АН, 506(1), 38-42. https://doi.org/10.31857/S2686739722600576

5. Кочержинский Ю.А., Кулик О.Г., Туркевич В.З., Ивахненко С.А., Чипенко Г.В., Черепенина Е.С., Крючкова А.Р. (1992) Фазовые равновесия в системе железо-углерод при высоких давлениях. Сверхтвердые материалы, (6), 3-9.

6. Мартиросян Н.С., Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Отани Э. (2015) Исследование реакций железа с карбонатом кальция при 6 ГПа и 1273-1873 К и их роль при восстановлении карбонатов в мантии Земли. Геология и геофизика, 56(9), 1681-1692. https://doi.org/10.15372/GiG20150908

7. Чепуров А.И., Сонин В.М., Жимулев Е.И., Чепуров А.А., Томиленко А.А. (2011) Об образовании элементного углерода при разложении СаСО3 в восстановительных условиях при высоких Р-Т параметрах. Докл. АН, 441(6), 806-809.

8. Чепуров А.И., Томиленко А.А., Жимулев Е.И., Сонин В.М., Чепуров А.А., Сурков Н.В., Ковязин С.В. (2010) Проблема воды в верхней мантии: разложение антигорита. Докл. АН, 434(3), 391-394.

9. Чепуров А.И., Томиленко А.А., Жимулев Е.И., Сонин В.М., Чепуров А.А., Ковязин С.В., Тимина Т.Ю., Сурков Н.В. (2012) Консервация водного флюида во включениях в минералах и межзерновом пространстве при высоких Р-Т параметрах в процессе разложения антигорита. Геология и геофизика, 53(3), 305-320.

10. Chepurov A., Zhimulev E., Chepurov A., Sonin V. (2021) Where did the largest diamonds grow? The experiments on percolation of Fe-Ni melt through olivine matrix in the presence of hydrocarbons. Lithos, 404-405, 106437-10. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2021.106437

11. Clift P.D. (2017) A revised budget for Cenozoic sedimentary carbon subduction. AGU Rev. Geophys., 55, 97-125. https://doi.org/10.1002/2016RG000531

12. Gromilov S., Chepurov A., Sonin V., Zhimulev E., Sukhikh A., Chepurov A., Shcheglov D. (2019) Formation of two crystal modifications of Fe7C3-x at 5.5 GPa. J. Appl. Cryst., 52, 1378-1384. https://doi.org/10.1107/S1600576719013347

13. Huang R., Sun W., Ding X., Zhao Y., Song M. (2020) Effect of pressure on the kinetics of peridotite serpentinization. Phys. Chem. Miner., 47, 33. https://doi.org/10.1007/s00269-020-01101-x

14. Irving A.J., Wyllie P.J. (1975) Subsolidus and melting relations for calcite, magnesite and join CaCO3-MgCO3 to 36 kb. Geochim. Cosmochim. acta, 39(1), 35-53.

15. Koster van Groos A.F. (1982) High pressure differential analysis in the system CaO-CO2-H2O. Amer. Miner., 67, 234-237.

16. Li Z., Li J., Lange R., Liu J., Militzer B. (2017) Determination of calcium carbonate and sodium carbonate melting curves up to Earth's transition zone pressures with implication for the deep carbon cycle. Earth Planet. Sci. lett., 457, 395-402. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.10.027

17. Liu Y., Chen C., He D., Chen W. (2019) Deep carbon cycle in subduction zones. Sci. China. Earth Sci., 62, 1764-1782. https://doi.org/10.1007/s11430-018-9426-1

18. Martirosyan N.S., Litasov K.D., Shatskiy A., Ohtani E. (2015) The reactions between iron and magnesite at 6 GPa and 1273-1873 K: Implication to reduction of subducted carbonate in the deep mantle. J. Miner. Petrol. Sci., 110, 49-59. https://doi.org/10.2465/jmps.141003a

19. Martirosyan N.S., Yoshino T., Shatskiy A., Chanyshev A.D., Litasov K.D. (2016) The CaCO3-Fe interaction: Kinetic approach for carbonate subduction to the deep Earth's mantle. Phys. Earth Planet. Inter., 259, 1-9. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2016.08.008

20. Martirosyan N.S., Shatskiy A., Chanyshev A.D., Litasov K.D., Podborodnikov I.V., Yoshino T. (2019) Effect of water on magnesite-iron interaction, with implications for the fate of carbonates in the deep mantle. Lithos, 326-327, 435-445. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2019.01.004

21. McCammon C., Bureau H., Cleaves H.J. II, Cottrell E., Dorfman S.M., Kellogg L.H., Li J., Mikhail S., Moussallam Y., Sanloup C., Thomson A.R., Vitale Brovarone A. (2020) Deep Earth carbon reactions through time and space. Amer. Miner., 105, 22-27. https://doi.org/10.2138/am-2020-6888CCBY

22. Palyanov Yu.N., Bataleva Yu.V., Sokol A.G., Borzdov Yu.N., Kupriyanov I.N., Reutsky V.N., Sobolev N.V. (2013) Mantle-slab interaction and redox mechanism of diamond formation. PNAS, 110(51), 20408-13. https://doi.org/10.1073/pnas.1313340110

23. Poli S., Schmidt M.W. (1995) H2O transport and release in subduction zones - experimental constraints on basaltic and andesitic systems. J. Geophys. Res., 100, 22299-314.

24. Rohrbach A., Schmidt M.W. (2011) Redox freezing and melting in Earth's deep mantle resulting from carboniron redox coupling. Nature, 472, 209-214. https://doi.org/10.1038/nature09899

25. Stagno V., Frost D.J. (2010) Carbon speciation in the asthenosphere: Experimental measurements of the redox conditions at carbonate-bearing melts coexist with graphite or diamonds in peridotite assemblages. Earth Planet. Sci. Lett., 300, 72-84. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2010.09.038

26. Stagno V., Frost D.J., McCammon C.A., Mohseni H., Fei Y. (2015) The oxygen fugacity at which graphite or diamond forms from carbonate-bearing melts in eclogitic rocks. Contrib. Miner. Petrol., 169:16. https://doi.org/10.1007/s00410-015-1111-1

27. Suito K., Namba J., Horikawa T., Taniguchi Y., Sakura N., Kobayashi M., Onodera A., Shimomura O., Kikegawa T. (2001) Phase relations of CaCO3 at high pressure and temperature. Amer. Miner., 86(9), 997-1002.

28. Ulmer P., Trommsdorff V. (1995) Serpentine stability to mantle depths and subduction-related magmatism. Science, 268, 858-861.

29. Weidendorfer D., Manning C.E., Schmidt M.W. (2020) Carbonate melts in the hydrous upper mantle. Contrib. Miner. Petrol., 175, 72-17. https://doi.org/10.1007/s00410-020-01708-x

30. Whittaker E.J.W., Zussman J. (1956) The characterization of serpentine minerals X-ray diffraction. Miner. Mag., 31, 107-126.

31. Wicks F.J., Zussman J. (1975) Microbeam X-ray diffraction patterns of the serpentine minerals. Canad. Miner., 13, 244-258.

32. Wunder B., Schreyer W. (1997) Antigorite: high-pressure stability in the system MgO-SiO2-H2O (MSH). Lithos, 41, 213-227.

33. Wyllie P.J., Boettcher A.L. (1969) Liquidus phase relationships in the system CaO-CO2-H2O to 40 kilobars pressures with petrological applications. amer. J. Sci., 267-A, 489-508.

34. Zhao S., Schettino E., Merlini M., Poli S. (2019) The stability and melting of aragonite: An experimental and thermodynamic model for carbonated eclogites in the mantle. Lithos, 324-325, 105-114. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2018.11.005

35. Zhimulev E.I., Chepurov A.I., Sonin V.M., Litasov K.D., Chepurov A.A. (2018) Experimental modeling of percolation of molten iron through polycrystalline olivine matrix at 2.0-5.5 GPa and 1600°C. High Pressure Res., 38, 153-164. https://doi.org/10.1080/08957959.2018.1458847