2011

Тезисы международной конференции

Рудный потенциал щелочного, кимберлитового

 и карбонатитового магматизма

Abstracts of International conference

Ore potential of alkaline, kimberlite

and carbonatite magmatism

Взаимодействия модельного CMAS пиролита с флюидом H₂O-KCl при  2.5 ГПа и 900-1200^ОС

 Сафонов О.Г.

 Институт экспериментальной минералогии РАН, Черноголовка, Россия; oleg@iem.ac.ru

Экспериментального изучения фазовых соотношений в модельном пиролите при участии флюида H₂O-KCl при 2.5 ГПа и 900-1200^ОС показало, что присутствие KCl приводит к исчезновению граната, амфибола и ортопироксена, стабильных в водосодержащем (4.4 мас. %  H₂O) пиролите без KCl. Характерной ассоциацией в присутствии флюида H₂O-KCl является флогопит+клинопироксен+оливин. Добавление KCl снижает температуру плавления водосодержащего пиролита более чем  на 100^ОС.

В условиях верхней мантии KCl и NaCl являются составными частями концентрированных водных растворов (brines), а также хлоридно-карбонатных или карбонатитовых расплавов. Их воздействие записано минеральными ассоциациями, принадлежащими к различным уровням глубинности верхней мантии. Эти ассоциации указывают на то, что подвижные (K, Na)Cl-содержащие флюиды способны производить интенсивные изменения перидотитов мантии, сопровождающиеся частичным плавлением. К сожалению, число экспериментальных работ по влиянию водно-солевых флюидов на минеральные равновесия в перидотитовой мантии очень ограничено (Stalder et al., 2008; Bernini et al., 2009; Chu, 2010). Эти работы показали, что влияние хлоридов на активность воды во флюиде равновесном с форстеритом и энстатитом при давлениях более 2 ГПа, аналогичен эффекту этих компонентов при более низких давлениях (Aranovich, Newton, 1997): снижение активности H₂O с увеличением концентрации соли повышает температуру плавления силикатов. Вместе с тем в указанные эксперименты главным образом проводились с несодержащими Al силикатами. При наличии Al возможно активное взаимодействие щелочных хлоридов с силикатами с образованием новых K-Al-содержащих фаз, главным из которых в присутствии  H₂O будет флогопит. Появление этой фазы, очевидно, должно повлиять на процесс плавления комплексных ассоциаций.

С целью изучения влияния KCl на преобразование богатого Al₂O₃, CaO, Na₂O водосодержащего перидотита  и, в частности, на стабильность граната, пироксенов и амфибола в нем проведены эксперименты по взаимодействию модельного CMAS пиролита Fo₅₇En₁₇Prp₁₄Di₁₂ (+0.3 мас. % Na₂O) с флюидом H₂O-KCl при 2.5 ГПа в интервале температур 900-1200^ОС. В экспериментах использовались смеси синтетического форстерита (Mg₂SiO₄) и диопсида (CaMgSi₂O₆) и гелей состава энстатита (MgSiO₃) и пиропа (Mg₃Al₂Si₃O₁₂) в указанных выше весовых соотношениях. К силикатной части добавлялись 14 мас. % Mg(OH)₂, обусловившие присутствие 4.4 мас. % H₂O в системе, и KCl (2.4, 3.7 и 5.0 мас. %). Эксперименты проводились на установке «цилиндр-поршень» с использованием тальковых ячеек диаметром ½ дюйма, оснащенных графитовыми нагревателями и вставками из мягкой керамики в качестве передающей давление среды. Давление в ячейках при повышенных температурах калибровалось на основе равновесий брусит = периклаз + H₂O и альбит = жадеит + кварц. Температура контролировалась с точностью ±1^ОС c помощью термопары W₉₅Re₅/W₈₀Re₂₀. В экспериментах использовались сферические и трубчатые платиновые ампулы с толщиной стенки 0.2 мм. Продукты опытов изучались на электронном микроскопе CamScan MV2300 (VEGA TS 5130MM) с энергодисперссионным микроанализатором INCA-Energy-250.

В субсолидусе модельного пиролита (< 1025^OC), содержащего 4.4 мас. % H₂O, при 2.5 ГПа обнаружены форстерит (Fo), клинопироксен (Cpx), ортопироксен (Opx), паргасит-чермакитовый амфибол (Amp) и пироп-гроссуляровый гранат (Grt), что соответствует результатами экспериментов с амфибол содержащим лерцолитом при 2.5 ГПа (Niida, Green, 1999). В образцах проявлены реакционные взаимоотношения 3/2Opx + 1/2Fo + 1/2Amp = Grt + Cpx + 1/2H₂O, а плавление, по-видимому, начинается при температурах 1025-1050^ОС и ведет к постепенному исчезновению амфибола (Niida, Green, 1999) в этом интервале температур. Эти взаимоотношения в целом сохраняются в присутствии 2.4 мас. % KCl. Однако реакция 6Opx + Fo + Amp + KCl = [Cl-Phl + Phl] + Grt + 2Cpx сопровождается образованием Cl-содержащего флогопита, Phl (до 1 мас. % Cl). При содержании KCl в системе 3.7 мас. % исчезают гранат, ортопироксен и амфибол исходной ассоциации, а стабильной становится ассоциация Cl-содержащего флогопита с клинопироксеном и оливином. Образующийся флогопит оказывается стабильным при более высоких температурах (вероятно, >1200^ОС) по отношению к амфиболу, что согласуется с экспериментальными данными по плавлению флогопит и амфибол содержащих перидотитов при давлениях >1.5 ГПа (Modreski, Boettcher, 1973; Mysen, Boettcher, 1975; Mengel, Green, 1989). Тем не менее, температура солидуса H₂O-содержащего пиролита при добавлении KCl составляет менее 900^ОС, что более чем на 100^ОС ниже начальной температуры плавления H₂O-содержащего пиролита без KCl. Вероятно, понижение температуры связано с как образованием флогопита, обуславливающего низкотемпературные эвтектики с другими силикатами, так и с растворимостью Cl в расплавах. К сожалению, составы образующихся расплавов в продуктах опытов трудно определить. Однако на основе состава продуктов закалки, что главную роль в составе этих расплавов играет именно «флогопитовая составляющая».

Итак, предварительные экспериментальные данные показывают, что KCl понижает температуру солидуса водосодержащего перидотита. Это противоречит экспериментам по плавлению ассоциации Fo+Opx в присутствии H₂O+KCl при 5 ГПа (Chu, 2010), которые показали, что температура начала плавления этой ассоциации повышается с увеличением концентрации KCl в системе. Результаты экспериментов в данной работе указывают на важнейшую роль глинозема как компонента, формирующего флогопит – фазу, которая, по-видимому, обуславливает понижение температуры солидуса.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (10-05-00040) и гранта Президента РФ для молодых ученых (MД-380.2010.5).

Литература:

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. Vol. 127. P. 261-271.

Bernini D., Dolejš D., Keppler H. The distribution of halogens between fluids and upper-mantle minerals // Goldschmidt Conference Abstracts. 2009. P. A116.

Chu L. Effect of chlorine on the melting of the subcratonic lithospheric mantle // Master Science Theseses, University of Alberta. 2010.

Mengel K., Green D.H. Stability of amphibole and phlogopite in metasomatized peridotite under water-saturated and water-undersaturated conditions // Fourth International Kimberlite Conference, Geological Society of Australia Special Publications. 1989. Vol. 14, P. 571– 581.

Modreski P.J., Boettcher A.L. Phase relationships of phlogopite in the system K₂O–MgO–CaO–Al₂O₃–SiO₂–H₂O to 35 kilobars: a better model for micas in the interior of the Earth // American Journal of Science. 1973. Vol. 273, P. 385–414

Mysen B.O., Boettcher A.L. Melting of hydrous mantle. I. Phase relations of natural peridotite at high pressure and temperature with controlled activities of water, carbon dioxide, and hydrogen // Journal of Petrology. 1975. Vol. 16, P. 520-548

Niida K., Green D.H. Stability and chemical composition of pargasitic amphibole in MORB pyrolite under upper mantle conditions // Contribution to Mineralogy and Petrology. 1999. Vol. 135, P. 18-40.

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