2014

Экспериментальное исследование влияния H2O-NaCl флюида на плавление модельного перидотита

Бутвина В.Г., Сафонов О.Г.

Институт экспериментальной минералогии РАН, butvina@iem.ac.ru

С целью дальнейшего изучения влияния щелочно-хлоридных компонентов на преобразование и плавление богатого Al₂O₃, CaO, Na₂O водосодержащего перидотита  и, в частности, на стабильность граната, в нем проведены эксперименты по взаимодействию модельного CMAS пиролита Fo₅₇En₁₇Prp₁₄Di₁₂ с флюидом H₂O-NaCl при 6.0 ГПа в интервале температур 1050-1450^ОС. Эксперименты показали, что хлорид натрия, также как и хлорид калия [5] понижает температуру солидуса водосодержащего перидотита. При 6.0 ГПа она составляет 1050-1100^ОС, что более чем  на 150^ОС ниже температуры солидуса водосодержащего перидотита без NaCl. Этот вывод противоречит экспериментам по плавлению ассоциации Fo+En в присутствии H₂O+KCl при 5.0 ГПа [9], которые показали, что температура начала плавления этой ассоциации повышается с увеличением концентрации KCl в системе.  Влияние щелочных хлоридов на плавление комплексных перидотитовых ассоциаций во многом определяется характером химического взаимодействия хлоридов с алюмосиликатными фазами, который может пересиливать эффект снижения активности воды в водно-солевом флюиде.

Ключевые слова: эксперименты при высоком давлении, плавление перидотита, щелочно-хлоридный флюид.

Перидотиты и эклогиты являются распространенными породами мантии. Изучение закономерностей плавления данных пород при воздействии разных условий является ключевым моментом в изучении состава и петрологических характеристик мантии. Хорошо известно наличие флюидной составляющей в мантии [1,2,12]. Присутствие солевых (а именно - хлоридных) компонентов во флюидах, участвующих в плавлении эклогитов и перидотитов фиксируется составом флюидных включений в минералах перидотитовых и эклогитовых пород [12,14]. В эклогитовых нодулях (перидотитовые нодули в этом плане менее хорошо изучены) из кимберлитов чрезвычайно широко проявлены процессы частичного плавления [12]. Во многих случаях продукты этих процессов включают уникальные для эклогитов фазы: стекла (до 16 мас. % K₂O+Na₂O), санидин, джерфишерит, флогопит, содалит, карбонаты [12]. Свидетельствами активности хлоридов в процессах преобразования перидотитов и магмообразовании на глубинах 45 - 75 км являются 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 [7,8,10,14].

Эти данные побуждают к экспериментальным исследованиям влияния хлоридных компонентов во флюидах на процессы петрогенеза в перидотитовой мантии. Эксперименты по плавлению перидотитов при высоких давлениях с участием хлоридсодержащих флюидов малочисленны. А влияние хлоридных компонентов на процесс плавления перидотитов мало изучено. Например, эксперименты в системе MgO-SiO₂-H₂O-(K,Na)Cl [9,14] (показали, что хлориды, понижая активность воды во флюиде, повышают температуру плавления. Однако при наличии Al₂O₃, в присутствии солей K и Na возможно образование флогопита и/или амфибола, что повлияет на температуру плавления.

С целью изучения влияния KCl на плавление богатого Al₂O₃, CaO, Na₂O водосодержащего перидотита ранее нами были проведены эксперименты при 1.9 ГПа [5]. Воздействие H₂O-KCl флюида на модельный перидотит привело к понижению температуры плавления перидотита и в некоторой степени изменению минерального состава. Оказалось, что активность щелочей перевешивает активность воды в системе, в результате чего температура плавления перидотита понижается на 100-150⁰C.

Воздействие H₂O на плавление перидотитов экспериментально изучено иностранными коллегами в работе [9], поскольку система бесщелочная, главную роль играет активность воды в системе, в результате чего температура плавления перидотита, напротив, повышается. Таким образом, главной задачей изучения взаимодействия мантийных ассоциаций с водно-хлоридными флюидами является оценка конкуренции двух возможных эффектов: снижения активности воды, ведущего к росту температуры плавления, и химического взаимодействия хлоридов с силикатными фазами (в том числе и с расплавами), способствующего, вероятно, обратному процессу.

С целью изучения влияния NaCl на преобразование богатого Al₂O₃, CaO, Na₂O водосодержащего перидотита и, в частности, на стабильность граната, пироксенов и амфибола в нем проведены эксперименты по взаимодействию модельного перидотита Fo₅₇En₁₇Prp₁₄Di₁₂ с флюидом H₂O-NaCl (15% H₂O, 0.8 мас. % 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 количестве 0.8 мас. % (при 6.0 ГПа), что при указанном содержании воды (15 мас.%) в системе соответствует мольной доле X_NaCl = NaCl/(NaCl+H₂O) во флюиде 0.05.

В экспериментах использовались сферические платиновые ампулы диаметром 6 мм и с толщиной стенок 0.2 мм. Опыты проводились на аппарате типа «наковальня с лункой - тороид» НЛ-13Т [4], который является модификацией аппаратов типа наковальня Бриджмена. В экспериментах использовались ячейки, изготовленные из литографского камня, с графитовыми трубчатыми нагревателями длиной 8.5 мм, диаметром 7.5 мм и толщиной стенок 0.65 мм. Передающей давление средой служила смесь MgO и BN в соотношении 3:1 [4]. Давление достигалось с помощью 500-тонного гидравлического пресса, а калибровалось с точностью ±0.2 ГПа по стандартным переходам в Bi (2.55 и 7.7 ГПа) и Ba (5.5 ГПа). Температура задавалась по ее зависимости от мощности тока, построенной на основе показаний термопары Pt₇₀Rh₃₀/Pt₉₄Rh₀₆ без коррекции на давление, а контролировалась с точностью ±20⁰С при помощи термоконтроллера MINITERM-300.31. Скорость закалки образцов составляла 250-300⁰С/с.

Текстурные особенности продуктов экспериментов исследовались в полированных образцах, помещенных в эпоксидную смолу. Составы фаз определялись на электронном микроскопе «CamScan MV2300» (VEGA TS 5130MM), оснащенном энергодисперсионным рентгеновским спектрометром INCA Energy-350 (в лаборатории электронном микроскопии и микроанализа ИЭМ РАН). Продукты закалки расплавов анализировались методом сканирования по площадям размером от 500 до 20 мкм². Анализы закаленных расплавов с учетом «стехиометрического» кислорода, дают пониженные суммы, отличающиеся от 100% на содержание H₂O.

Прежде всего были исследованы фазовые соотношения в бесхлоридной системе перидотит – H₂O в интервале температур 1100-1450⁰С. В субсолидусе модельного перидотита сосуществуют оливин, ортопироксен, клинопироксен, гранат (таблица 1, рис.1).

Ортопироксен в этом парагенезисе содержит 2.5-3.0 мас.% Al₂O₃, что соответствует 8-10 мол. % Mg-молекулы Чермака (MgAl₂SiO₆) в твердом растворе. При этом сосуществующий клинопироксен содержит менее 5 мол. % Mg-молекулы Чермака (MgAl₂SiO₆). Температура солидуса в бесхлоридной системе в присутствии 15 мас. % составляет 1240-1300⁰С. Добавление NaCl приводит к понижению температуры плавления примерно на 150-200⁰С. В субсолидусе сосуществуют те же фазы: форстерит, клинопироксен, ортопироксен, гранат. Заметных изменений в фазовых отношениях не наблюдается в обоих случаях.

Однако в субсолидусе системы, содержащей NaCl ортопироксен был выявлен в виде включений в клинопироксене, количественное содержание граната в образце ниже, доминирует ассоциация клинопироксена и оливина. Несмотря на то, что фазы в обоих случаях одни, составы этих фаз отличаются.

Содержание жадеитовой составляющей в клинопироксенах в продуктах эксперимента с участием NaCl выше, чем содержание жадеитового компонента в клинопироксенах из экспериментов при бесхлоридных условиях. При этом содержание жадеитового минала в клинопироксенах в обоих случаях отличается в зависимости от температуры. Cодержание жадеитового минала в клинопироксене вблизи солидуса максимально в хлоридной системе и имеется эффект уменьшения с температурой. Тогда как в бесхлоридной системе изменение жадеитового минала в клинопироксене не имеет четкой зависимости. Таким образом, хлор усиливает перитектические взаимоотношения клинопироксена и ортопироксена за счет следующих реакций:

¼ Mg-Ts + 7/4 En + ½ NaCl + ¼ H₂O = Fo + 1/2 Jd + ½ HCl,

¼ Prp + 5/4 En + ½ NaCl + ¼ H₂O = Fo + 1/2 Jd + ½ HCl

¼ Grs + 11/4 En + ½ NaCl + ¼ H₂O = Fo + ¾ Di +1/2 Jd + ½ HCl

Таблица 1. Условия проведения и продукты опытов по взаимодействию модельного перидотита с флюидами H₂O (15 мас.%) и H₂O-NaCl при 6.0 ГПа.

Примечания: Q – продукты закалки расплава.

В результате этих реакций клинопироксен обогащается жадеитовым компонентом  и стабилизируется в ассоциации с оливином. Обогащение клинопироксена жадеитовым миналом, по-видимому, является фактором, который приводит к падению температуры.

Вторая и третья реакции показывают взаимоотношения граната с ортопироксеном под влиянием хлорида с образованием менее глиноземистых фаз – клинопироксена и оливина.

Итак, проведенные эксперименты показали, что добавление NaCl в систему не влияет на полученные фазовые отношения в субсолидусе в бесхлоридных условиях. Однако происходит изменение в составах клинопироксена, ортопироксена, увеличивается жадеитовая составляющая в клинопироксене, уменьшается содержание молекулы Чермака в ортопироксене с приближением к солидусу системы. Благодаря чему и происходит снижение температуры плавления системы, содержащей хлориды.

Рис. 1.  Продукты экспериментов в системе перидотит-H2O-NaCl при 6.0 ГПа.

Таким образом, хлорид натрия, также как и хлорид калия [5] понижает температуру солидуса водосодержащего перидотита. При 6.0 ГПа она составляет 1000-1050^ОС, что на более чем 150^ОС ниже температуры солидуса водосодержащего перидотита без NaCl. Этот вывод противоречит экспериментам по плавлению ассоциации Fo+En в присутствии H₂O+KCl при 5.0 Гпа [9], которые показали, что температура начала плавления этой ассоциации повышается с увеличением концентрации KCl в системе. Различия в результатах показывают, что эффекты хлоридных компонентов водных флюидов на плавление деплетированной гарцбургит-дунитовой и фертильной лерцолитовой мантии могут быть различными. Хлориды затормозят процессы плавления деплетированной мантии, тогда как парциальное плавление фертильной мантии при участии водно-хлоридных флюидов будет происходить при температурах ниже водного солидуса. Влияние щелочных хлоридов на плавление комплексных перидотитовых ассоциаций во многом определяется характером химического взаимодействия хлоридов с алюмосиликатными фазами, который может пересиливать эффект снижения активности воды в водно-солевом флюиде.

Авторы благодарят А.Н. Некрасова, К.В. Вана и Д.А. Варламова (ИЭМ РАН) помощь в работе на микрозонде.  Работа выполнена при поддержке: РФФИ 13-05-00353.

Литература.

1. Буланова Г.П., Шестакова О.Е., Лескова Н.В. Джерфишерит в сульфидных включениях из алмаза // ДАН СССР. 1980. Т. 255. № 2. С. 430-433.

2. Буланова Г.П., Барашков Ю.П., Тальникова С.Б., Смелова Г.Б. Природный алмаз – генетические аспекты // Новосибирск: ВО «Наука», 1993. 168с.

3. Бутвина В.Г., Сафонов О.Г., Литвин Ю.А. Экспериментальное исследование плавления эклогита с участием флюида H₂O-CO₂-KCl при 5 ГПа // Доклады  РАН. 2009. Т. 427. № 3. С. 365-369. 

4. Литвин Ю.А. Физико-химические исследования плавления глубинного вещества Земли // М.:Наука, 1991. 310 с.

5. Сафонов О.Г., Бутвина В.Г. Взаимодействие модельного перидотита с флюидом H₂O-KCl: эксперимент при давлении 1.9 ГПа и его приложение к процессам верхнемантийного метасоматоза // Петрология. 2013. Т. 21. № 6. C. 654-672.

6. Сафонов О.Г., Левыкина О.А., Перчук Л.Л., Литвин Ю.А. Жидкостная несмесимость и фазовые равновесия в хлорид-алюмосиликатных расплавах при 4-7 ГПа // Доклады РАН. 2005. Т. 400. № 3. С. 1-5.

7. Agrinier P., Mevel C., Bosch D., Javoy M. Metasomatic hydrous fluids in amphibole peridotites from Zabargad Island (Red Sea) // Earth Planet. Sci. Letters. 1993. V. 120. P. 187-205.

8. Andersen T., O’Reilly S. Y., Griffin W. L. The trapped fluid phase in upper mantle xenoliths from Victoria, Australia: implications for mantle metasomatism // Contrib. Mineral. Petrol. 1984. V. 88. P. 72-85.

9. Chu L., Engisst A., Luth R.W. Effect of KCl on melting in the Mg2SiO4–MgSiO3–H2O system at 5 GPa // Contrib. Mineral. Petrol. 2011. V. 162. P. 565-571.

10. Hartman G., Wedepohl K.H. Metasomatically altered peridotite xenoliths from the Hessian Depression (Northwest Germany) // Geochim. Cosmochim. Acta. 1990. V. 54, pp. 71–86.

11. Litasov K.D., Ohtani E. Solidus and phase relations of carbonated peridotite in the system CaO–Al2O3–MgO–SiO2–Na2O–CO2 to the lower mantle depths // Phys. Earth Planet. Inter.  2009.  V.177.  P.46–58.

12. Misra K.C., Anand M., Taylor L.A., Sobolev N.V. Multi-stage metasomatism of diamondiferous eclogite xenoliths from the Udachnaya kimberlite pipe, Yakutia, Siberia // Contrib. Mineral. Petrol. 2004. V. 146. P. 696-714.

13. Safonov O.G., Perchuk L.L., Litvin Yu.A. Melting relations in the chloride–carbonate–silicate systems at high-pressure and the model for formation of alkalic diamond–forming liquids in the upper mantle // Earth Planet. Sci. Lett. 2007. V. 253. P. 112-128.

14. Stalder R., Kronz A., Simon K. Hydrogen incorporation in enstatite in the system MgO–SiO₂–H₂O–NaCl // Contrib.  Mineral. Petrol. 2008. V. 156. P. 653-659.