Система CaCO₃ √ Mg₃Al₂Si₃O₁₂ √ FeS в условиях мантии: эффекты метасоматизма и жидкостной несмесимости (эксперимент при 7.0 ГПа)

Шушканова А. В., Литвин Ю.А.

ИЭМ РАН

В работе исследованы фазовые отношения при плавлении карбонат-силикат-сульфидной системы CaCO₃ √ Mg₃Al₂Si₃O₁₂ (пироп) √ FeS (пирротин) при давлении 7.0 ГПа и температурах, соответствующих РТ параметрам стабильности алмаза. CaCO₃ является представительным компонентом глубинных карбонатитов и флюид-карбонатитовых включений в алмазах. Пироп Mg₃Al₂Si₃O₁₂ представляет собой индикаторный компонент гранат-перидотитовой фации верхней мантии. Пирротин FeS принадлежит к группе сульфидных минералов, ассоциированных с мантийными ксенолитами и алмазами. Экспериментальные исследования системы гранат - пирротин, характеризующей граничные силикат √ сульфидные  фазовые равновесия указанной системы при плавлении проводились при 7.0 ГПа; сообщалось об эффекте силикатно-сульфидной жидкостной несмесимости (Шушканова, Литвин, 2004).

Фазовые отношения при плавлении системы CaCO₃ √ Mg₃Al₂Si₃O₁₂ (пироп) √ FeS (пирротин) изучались при 7.0 ГПа и 1000- 1600^оС с использованием аппарата высокого давления типа ╚наковальня с лункой╩, калиброванного по кривой равновесия графит-алмаз.

При давлении 7.0 ГПа и высоких температурах для карбонатно-силикатных составов обнаруживается реакция с участием CaCO₃ и пиропа Mg₃Al₂Si₃O₂. Наиболее интенсивно данная реакция проявляется при температурах солидуса и выше, когда зерна исходного пиропа подвергаются воздействию Са-карбонатного расплава и на них формируются каемки пироп-гроссулярового граната метасоматического типа. Реакция происходит по следующей схеме: Mg₃Al₂Si₃O₂ (твердая фаза) + CaCO₃ (расплав) ----> (Mg, Ca)₃Al₂Si₃O₁₂ (твердая фаза) + (Ca, Mg)(CO₃)₂ (расплав). Формирование граната пироп-гроссулярового состава (Mg,Ca)₃Al₂Si₃O₁₂ в виде каемок по пиропу является кинетическим метасоматическим эффектом (ширина каемок возрастает с увеличением времени выдержки в опытах в пределах 10 √ 60 мин., вплоть до полного исчезновения пироповой фазы при больших временах выдержки). Можно представить, что первоначально пироп растворяется в Са-карбонатном расплаве, где формируются гроссуляровые и карбонатные MgCO₃ компоненты, последние вместе с ╚избыточным╩ CaCO₃ образуют Ca-Mg- расплавы с доломитовым химизмом. Каемки, по-видимому, образуются при закалочном охлаждении образца, когда пироп-гроссуляровый гранат быстро кристаллизуется вокруг реститового кристалла пиропа как на затравке. Рассматриваемая реакция может представлять интерес как пример химической неустойчивости Са-карбонатных расплавов на контактах с магнезиальными минералами мантии.

Карбонатно-силикатные составы системы CaCO₃ √ Mg₃Al₂Si₃O₁₂ √ FeS представлены, таким образом,  при высоких давлениях и температурах другими фазами, а именно, Mg-Ca- карбонатом и пироп-гроссуляровым гранатом. Фазовые отношения при плавлении карбонатных и силикатных компонентов при 7.0 ГПа характеризуются эффектом полной жидкостной смесимости (что демонстрируется в закалочных продуктах опытов). В то же время сульфидные расплавы (FeS) находятся в отношениях полной жидкостной несмесимости карбонат-силикатных расплавов, с одной стороны, и сульфидных, с другой. Таким образом, экспериментальные результаты показывают существенное влияние высоких давлений на химические и фазовые реакции в мантийных карбонатитовых системах, содержащих сульфидные минералы. Полученные результаты имеют прямое приложение к проблеме сингенезиса алмаза и его первичных включений.

Поддержка: совместный грант ╧ 04-05-97220 РФФИ и Министерства науки и пормышленности Московской обл., программа РАН 2004/╧11-ОНЗ по исследованиям при высоких давлениях.