2013

Плавление модельного перидотита под воздействием флюида H₂O-NaCl при 6 ГПа.

Бутвина В.Г., Сафонов О.Г.

ИЭМ РАН, г.Черноголовка, butvina@iem.ac.ru

Работа выполнена при поддержке: МД – 222.2012.5, РФФИ 13-05-00353, 12-05-31017_мол_а

В условиях стабильности алмаза и кимберлитовых расплавов вплоть до глубин переходной зоны KCl и NaCl являются важнейшей составляющей сложных карбонатно-силикатных, карбонатитовых и карбонатно-солевых флюидов-расплавов, включения которых известны в алмазах (напр. [1]). На глубинах 45 - 75 км хлориды составляют водно-углекисло-солевые флюиды, на присутствие которых указывают находки Cl-содержащих апатитов, амфиболов и слюд, а также водно-солевых включений в минералах нодулей шпинелевых перидотитов в базальтоидах различных геотектонических обстановок и тектонически внедренных в кору массивов верхнемантийных перидотитов [2-5].

Процессы взаимодействия перидотитов с хлоридсодержащими флюидами мало изучены экспериментально, а выводы о влиянии хлоридных компонентов флюидов на фазовые соотношения в верхнемантийных ассоциациях часто основываются на экстраполяции результатов экспериментальных исследований при давлениях менее 2 ГПа в системах, не относящихся к перидотитовым (напр. [6]). Экспериментальные данные Л. Чу с соавторами [7] по плавлению эквимолярной смеси Mg₂SiO₄+MgSiO₃ в присутствии H₂O+KCl при 5 ГПа показали, что температура начала плавления этой ассоциации повышается с увеличением концентрации KCl в системе, что авторы связывают с эффектом снижения активности воды [8]. Эти эксперименты относятся к модельной системе, несодержащей такие важные для перидотитов компоненты как Al₂O₃, CaO, Na₂O, которые могут быть определяющими при взаимодействии перидотитов с водно-хлоридными флюидами. Например, Al в значительной мере связывается со щелочами, несомыми хлоридами, в составе сложных комплексов в растворах, что, прежде всего, дестабилизирует богатые Al силикатные минералы. Ранее нами было показано [9], что при 1.9 ГПа флюиды H₂O-KCl приводят к исчезновению из перидотитовой ассоциации ортопироксена с глиноземистыми фазами – гранатом, шпинелью и амфиболом, но заметно не затрагивают клинопироксен и оливин. Конечным продуктом этих реакций является клинопироксен-оливин-флогопитовый парагенезис, обуславливающий снижение температуры плавления. Иначе говоря, эффект химического взаимодействия хлоридов с силикатными минералами пересиливает эффект снижения активности воды. Воздействие NaCl нами не изучалось детально, но, по-видимому, эффект этого компонента при относительно низких давлениях во многом определяет стабильность паргаситового амфибола. При давлениях же более 3 ГПа амфибол не стабилен, и эффекты NaCl на фазовые соотношения в водосодержащем модельном перидотите менее очевидны.

С целью изучения влияния NaCl на преобразование богатого Al₂O₃, CaO, Na₂O водосодержащего перидотита при давлениях более 3 ГПа проведены эксперименты по взаимодействию модельного перидотита Fo₅₇En₁₇Prp₁₄Di₁₂ с флюидом H₂O-NaCl при давлении 6.0 ГПа и температурах 1050-1450^ОС. В качестве стартового материала для экспериментов использовались смеси окислов, Mg(OH)₂ и жадеита (мг): SiO₂ (37.04); Al₂O₃ (3.66); CaO (3.62); Mg(OH)₂ (48.30); MgO (4.14), NaAlSi₂O₆ (3.24). В эту смесь добавлялся NaCl в 0.8 мас. %, что при содержании воды 15 мас. % в системе соответствует мольной доле X_NaCl = NaCl/(NaCl+H₂O) во флюиде 0.05. Эксперименты проводились на установках наковальня с лункой в ИЭМ РАН (г. Черноголовка) с использованием платиновых ампул с толщиной стенки 0.2 мм.

В отсутствии NaCl в водном флюиде в субсолидусе перидотита сосуществуют форстерит, глиноземсодержащий ортопироксен, клинопироксен и пироп-гроссуляровый гранат. Плавление начинается при температурах порядка 1200-1300⁰С. Для клинопироксена характерно небольшое увеличение жадеитовой составляющей с повышением температуры. Добавление NaCl в систему приводит к понижению температуры плавления примерно на 100-150⁰С. Однако вблизи солидуса сосуществуют все те же фазы: форстерит, клинопироксен, ортопироксен и гранат, хотя количество ортопироксена и граната несколько уменьшается. Тем не менее, составы пироксенов заметно отличаются от состава этих фаз в системе, несодержащей хлор. Так, содержание алюминия в ортопироксене снижается. Сам же ортопироксен присутствует лишь в виде включений в клинопироксене. Клинопироксен характеризуется заметно более высокими концентрациями Na и Al (жадеитовой составляющей). Эти взаимоотношения составов пироксенов могут быть охарактеризованы следующими равновесиями с участием водно-хлоридного флюида:

(1)  1/4 Mg-Ts + 7/4 En + 1/2 NaCl + 1/4 H₂O = Fo + 1/2 Jd + 1/2 HCl,

(2)  1/4Prp + 5/4 En + 1/2 NaCl + 1/4 H₂O = Fo + 1/2 Jd + 1/2 HCl

(3)  1/4 Grs + 11/4 En + 1/2 NaCl + 1/4 H₂O = Fo + 3/4 Di +1/2 Jd + 1/2 HCl

(где Mg-Ts – Mg-молекула Чермака, MgAl₂SiO₆ в ортопироксене, En – энстатит, Fo – форстерит, Prp – пироп, Grs – гроссуляр, Di – диопсид, Jd – жадеит)

Эти реакции указывают на дестабилизацию ассоциации ортопироксена и граната в присутствии водно-хлоридного флюида.

Итак, проведенные эксперименты показали, что добавление NaCl в систему не влияет заметно на фазовые отношения в субсолидусе модельного перидотита по отношению к водосодержащему перидотиту в отсутствие NaCl. Однако изменение составов минералов, главным образом, увеличению жадеитовой составляющей в клинопироксене, приводит к снижению температуры плавления системы, содержащей хлорид. Данные эксперименты еще раз подтвердили наш вывод [9] о том, что влияние щелочных хлоридов на плавление комплексных перидотитовых ассоциаций во многом определяется характером их химического взаимодействия с силикатными фазами, эффект которого может пересиливать эффект снижения активности воды в водно-солевом флюиде [7].

Литература

1.     Weiss Y., Kessel R., Griffin W.L., Kiflawi I., Klein-BenDavid O., Bell D.R., Harris J.W., Navon O. A new model for evolution of diamond-forming fluids: evidence from microinclusion-bearing diamonds from Kankan, Guinea // Lithos. 2009. V. 112. P. 660-674.

2.     Andersen T., O’Reilly S.Y., Griffin W.L. The trapped fluid phase in upper mantle xenoliths from Victoria, Australia: implications for mantle metasomatism // Contribution to Mineralogy and Petrology. 1984. V. 88. P. 72-85.

3.     Ионов Д.А., Бушляков И.Н., Коваленко В.И. Минералы-концентраторы галогенов в верхней мантии: содержание F и Cl в мантийных флогопитах, амфиболе и апатите из вулкана Шаварын-Царам в МНР // В книге «Глубинные ксенолиты и строение литосферы». Москва. Наука. 1987. C. 117-127.

4.     Agrinier P., Mével C., Bosch D., Javoy M. Metasomatic hydrous fluids in amphibole peridotites from Zabargad Island (Red Sea) // Earth Planetary Science Letters. 1993. V.120. P. 187–205.

5.     Frezzotti M.-L., Ferrando S., Peccerillo A., Petrelli M., Tecce F., Perucchi A. Chlorine-rich metasomatic H₂O–CO₂ fluids in amphibole-bearing peridotites from Injibara (Lake Tana region, Ethiopian plateau): Nature and evolution of volatiles in the mantle of a region of continental flood basalts // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2010. V. 74. P. 3023-3039.

6.     Stalder R., Kronz A., Simon K. Hydrogen incorporation in enstatite in the system MgO–SiO₂–H₂O–NaCl // Contribution to Mineralogy and Petrology. 2008. V. 156. P. 653-659.

7.     Chu L., Enggist A., Luth R.W. Effect of KCl on melting of Mg₂SiO₄-MgSiO₃-H₂O system at 5 GPa // Contribution to Mineralogy and Petrology. 2011. V. 162. P. 565-571.

8.     Aranovich L.Y., Newton R.C. H₂O activity in concentrated KCl and KCl-NaCl solutions at high temperatures and pressures measured by the brucite-periclase equilibrium // Contribution to Mineralogy and Petrology. 1997. V. 127. P. 261-271.

9.     Сафонов О.Г., Бутвина В.Г. (2013) Взаимодействие модельного перидотита с флюидом H₂O-KCl: эксперимент при давлении 1.9 ГПа и его приложение к процессам верхнемантийного метасоматоза. Петрология (в печати).