CC BY
16
2006. T.1, part 2, Geodesy, geoinformatics, cartography, surveying: Sat. Materials of the International Scientific Congress "GEO-Siberia-2006", April 24-28, 2006, Novosibirsk]. - Novosibirsk: SGGA, 2006. - P. 44-49. [in Russian]
5. Kljushin E.B. Sputnikovye metody izmerenij v geodezii. (Chast' 1). Uchebnoe posobie [Satellite methods of measurements in geodesy. (Part 1). Textbook] / E.B. Kljushin, A.O. Kuprijanov, V.V. Shlapak. - M.: Izd. MIIGAiK. UPP «Reprografija», 2006. - 60 p. [in Russian]
6. Oduan K. Izmerenie vremeni [The measurement of time] / K. Oduan, B. Gino. - M: Tehnosfera: Osnovy GPS, 2002. -400 p. [in Russian]
7. http ://geodesy.ru/books/book/1/part/87#p_325_tab_info
8. TCXDVN 364: 2006. Ky thuat do va xu ly so lieu GPS trong trac dia cong trinh. - 2006-02-28. - Ha noi, 2006/ - 38p.
9. Le Thong. VIET NAM - cac tinh va thanh pho ./ Le Thong, Nguyen Minh Tue, Le Huynh nnk // NXBGD. - 2010. P. 14-34.
10. Markuze Ju.I. Teorija matematicheskoj obrabotki geodezicheskih izmerenij: Uchebnoe posobie dlja vuzov [Theory of mathematical processing of geodetic measurements: Textbook for high schools] / Ju.I Markuze, V.V. Golubev. - M.: Akademicheskij proekt: Al'ma Mater, 2010. -247 p. [in Russian]
11. Mashimov M.M. Uravnivanie geodezicheskih setej [Equalization of geodetic networks] / M.M. Mashimov. - M.: Nedra. - 1979. - P. 21-52. [in Russian]
ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ / GEOLOGY AND MINERALOGY
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.65.048 Банушкина С.В.1, Гартвич Ю.Г.2, Голицына З.Ф.3, Сурков Н. В.4
1ORCID: 0000-0002-5676-2851, аспирант, 2ORCID: 0000-0002-1018-2587, кандидат геолого-минералогических наук,
3ORCID: 0000-0002-3222-9139, аспирант, 4ORCID: 0000-0003-0126-860X, кандидат геолого-минералогических наук Институт геологии и минералогии СО РАН, г. Новосибирск
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАВЛЕНИЯ В ФОРСТЕРИТНОРМАТИВНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ СаО-MgO-Al2O3-SiO2 В СВЯЗИ С СУЩЕСТВОВАНИЕМ "ЭКЛОГИТОВОГО БАРЬЕРА"
Аннотация
Проведено экспериментальное исследование ликвидусных фазовых взаимоотношений в форстеритнормативной области фазовой диаграммы системы СаО-MgO-Al2O¡-SiO2 в области давления 2,5-3,0 ГПа. Установлено существование двух перитектических реакций плавления Opx+Fo+L=Cpx+Ga и Opx+L=Cpx+Ga и одной эвтектической реакции L=Cpx+Opx+Ga+Fo. Показано, что при давлении 2,5-2,6 ГПа и температуре 1500 OC существует нонвариантное равновесие (L,Cpx,Opx,Ga,Fo), в точке существования которого состав жидкости находится в плоскости Mg2Si2O6-Al2O3-Ca2Si2O6. Из точки этого нонвариантного равновесия в сторону высоких давлений выходит луч реакции L=Cpx+Opx+Ga+Fo, в сторону высоких температур и высоких давлений луч реакции Opx+L=Cpx+Ga, а в сторону низких давлений луч реакции Opx+Fo+L=Cpx+Ga. Показано, что сингулярное нонвариантное равновесие (L,Cpx,Opx,Ga,Fo) является моделью "эклогитового барьера", которое обсуждалось в работах В.А. Жарикова и В. С. Соболева в связи с проблемой эволюции состава первичных ультраосновных магм до гранитных расплавов.
Ключевые слова: магматизм, фазовая диаграмма, нонвариантное равновесие, экспериментальное исследование, высокие давления.
Banushkina S.V.1, Gartvich Yu.G.2, Golitsyna Z.F.3, Surkov N. V.4
1ORCID: 0000-0002-5676-2851, Postgraduate Student,
2ORCID: 0000-0002-1018-2587, PhD in Geology and Mineralogy,
3ORCID: 0000-0002-3222-9139, Postgraduate Student,
4ORCID: 0000-0003-0126-860X, PhD in Geology and Mineralogy Institute of Geology and Mineralogy, SB RAS, Novosibirsk EXPERIMENTAL STUDY OF MELTING IN THE FORSTERITE NORMATIVE PART OF THE СаО-MgO-Al^-SiO2 SYSTEM IN CONNECTION WITH THE EXISTENCE OF THE "ECOLOGITE BARRIER"
Abstract
We conducted experimental study of the liquidus phase relationships in the forsterite-normative region of the phase diagram of the СаО-MgO-Al2O3-SiO2 system in the pressure range of 2.5-3.0 GPa. The existence of two peritectic melting reactions Opx+Fo+L=Cpx+Ga и Opx+L=Cpx+Ga and one eutectic reaction L=Cpx+Opx+Ga+Fo is established. It is shown that at the pressure of 2.5-2.6 GPa and temperature of 1500 OC, there is a non-variant equilibrium (L, Cpx, Opx, Ga, Fo). At the point of its existence, the liquid composition is in the Mg2Si2O6-Al2O3-Ca2Si2O6 plane. From the point of view of this non-variant equilibrium, the reaction beam is L = Cpx + Opx + Ga + Fo in the direction of high temperatures and high pressures, while the reaction beam Opx + L = Cpx + Ga leaves the point of this non-invariant equilibrium towards high pressures. The reaction beam in the direction of low pressures is Opx + Fo + L = Cpx + Ga. It is shown that the singular non-variant equilibrium (L, Cpx, Opx, Ga, Fo) is a model of the "eclogite barrier, " which was discussed in the works of V.A.Zharikov and V.S.Sobolev in connection with the problem of the composition ofprimary ultra-basic magmas evolution to granite melts.
Keywords: magmatism, phase diagram, non-invariant equilibrium, experimental investigation, high pressures.
Одним из нерешённых вопросов современной петрологии является проблема, каким путём из материала у льтраосновной мантии формируется Земная кора, состоящая преимущественно из пород гранитного состава. К настоящему времени проведено множество экспериментальных исследований и построен ряд умозрительных моделей на эту тему. В части работ этот вопрос обсуждался под названием "эклогитовый барьер" [1], [2], но физико-химического объяснения этой проблемы до сих пор не было предложено.
В связи с этим возникла задача разработать на основе физико-химических исследований модель этого явления, связанную с фазовыми диаграммами модельных алюмосиликатных систем при высоких давлениях. Для этого в качестве объекта для экспериментальных исследований выбраны фазовые взаимоотношения в области плавления в форстеритнормативной части фазовой диаграммы системы СаО-MgO-Al2Oз-SiO2.
Фазовая диаграмма системы СаО-MgO-Al2O3-SiO2 (рис. 1) является наиболее популярной моделью для таких исследований. Оксиды Si, Mg, А1 и Са составляют 80-90 мас. % от содержания в таких породах, как лерцолиты, дуниты, гранатовые лерцолиты, эклогиты, гарцбургиты и т. п.; кроме того в системе СаО -MgO-A12O3-SiO2 образуются практически все фазы, соответствующие минералам глубинных пород. Физико-химической моделью перехода состава магматического расплава от ультраосновных к основным и средним может служить форстеритнормативная область составов фазовой диаграммы системы СаО-MgO-A12O3-SiO2. Из результатов экспериментальных исследований при высоких давлениях известно, что ассоциация форстерит+клинопироксен+ортопироксен+гранат при давлениях 3,0-4,0 ГПа испытывает плавление эвтектического типа по реакции Ь=Ро +Срх+Орх+ва [3], [4], [5]. При более низких давлениях эта эвтектика исчезает, и плавление носит более сложный характер [6], [7].
Рис. 1 - Фазовые соотношения в системе CaO-MgO-A12O3-SiO2 при давлении 3,0 ГПа и температуре 1200 °С.
В связи с этим возникла задача исследования нон- и моновариантных равновесий возникающих при разрушении реакции эвтектического плавления Ь=Ро+Срх+Орх+ва на фазовой диаграмме системы СаО-MgO-A12O3-SiO2 при понижении давления.
Методика экспериментальных исследований
Исследование проводили на аппарате типа "поршень-цилиндр" [8], [9] по методике, мало отличающейся от общепринятой для этого типа аппаратов. В качестве нагревательного устройства использована ячейка на основе хлорида натрия, подобная той, которую предложил Мирвальд и др. [10]. Выбор именно этой ячейки связан с тем, что она позволяет, не только наиболее точно контролировать давление, но и не содержит водосодержащих материалов, что даёт возможность проводить эксперименты по исследованию ликвидуса системы.
Давление определяли по усилению нагрузки за вычетом поправки на трение, которую вычисляли по разнице усилия нагрузки и расчётного усилия, необходимого для фазового перехода (2,54 ГПа) при комнатной
температуре. Для калибровки висмутовую проволочку длиной 3 мм в таблетке из хлористого серебра помещали непосредственно на поршень. Точность поддержания и измерения давления нами не определялась, но по оценкам разных исследователей [10] на "ячейке низкого трения" составляет около ±0,03 ГПа. Для определения и регулировки температуры использовали платинородиевую термопару Р®Л6-Р®Л30, управление температурой производили при
помощи высокоточного регулятора ВРТ-3 (точность поддержания ±1 °С). Влияние давления на Э.Д.С. термопары не учитывали. Точность измерения температуры по этой методике оценивается не хуже ±10 ^ [9].
Исходные вещества приготовлены весовым методом из прокаленных (1100-1400 5-6 часов) оксидов марки Ос.Ч. Кроме того, использовали оксид алюминия, который получен прокаливанием гидрооксида алюминия марки Ос.Ч.-18-3. Из них были приготовлены смеси, отвечающие по стехиометрии CaMgSi2O6, Mg3A13Si3O12 и Mg2SiO4, которые были раскристаллизованы при 1450—1550 ^ и 1 атм в ассоциации фаз субсолидуса. Прокаливание смесей через 8-10 ч чередовали с растиранием в ступке из твёрдого сплава до полного исчезновения исходных оксидов.
Диопсид и форстерит легко синтезируются при атмосферном давлении. Смесь, отвечающая по составу пиропу, была расплавлена в прозрачное стекло при атмосферном давлении и температурах несколько выше 1650 Поскольку для исследования требовалась смесь со стехиометрией, смещённой в сторону форстерита, то эта смесь, обозначенная как 'та40Руг605Ро", приготовлена добавлением к смеси состава 40 масс.% Di 60 масс.% Руг - ещё 5 масс.% Ро, дополнительно прибавленных к её изначальному весу. Характеристики использованных смесей приведены в таблице 1. Для проведения эксперимента образец помещали в платиновую ампулу, просушивали при 500 -600 ^ в течение 7-8 ч., затем герметизировали электросваркой.
Для исследования образцов изготавливали двусторонний полированный шлиф, который изучали обычными петрографическими методами с помощью поляризационного микроскопа. При изучении ликвидуса оптическое исследование шлифа является единственным методом, показывающим однозначные признаки плавления состава. Шлиф всегда изготавливали ориентировано, из поперечного скола образца. Дополнительно анализ фазового состава продуктов экспериментов проводили рентгенофазовым методом, а анализ состава фаз проводили на электронном микроанализаторе "Comebax-Micro".
Зерна фаз в продуктах опытов даже в области плавления имели размер 5-20 микрон. Это затрудняет изучение состава фаз с помощью электронного микроанализатора. Увеличение продолжительности экспериментов не даёт заметного возрастания размера зёрен фаз. Кроме того, при плавлении зёрна фаз отседают на дно ампулы и часто не попадают в область среза петрографического шлифа. По этим причинам в части экспериментов не удаётся получить удовлетворительные анализы всех обнаруженных фаз (к рассмотрению приняты анализы с суммой более 97-98 %).
Жидкость закаливается в виде стекла не во всех экспериментах, при температурах вблизи солидуса происходит раскристаллизация жидкости в закалочные фазы, представленные преимущественно клинопироксеном, реже форстеритом. Закалочные фазы имеют характерную структуру типа "петушиного хвоста" либо "мороза на окнах", по которой их легко отличить от других фаз. Анализ состава закалочных фаз с помощью электронного микроанализатора не даёт информации о составе исходной жидкости, поскольку состав заметно изменяется от точки к точке, и в некоторых случаях общая сумма оксидов оказывается значительно меньше 100 % (до 95 %). Последнее явление, скорее всего, связано с невозможностью хорошо отполировать поверхность закалочных фаз. На их поверхности остаётся заметная шагрень. В более высокотемпературных опытах жидкость удаётся частично закалить в стекло. Однако с течением времени (1 -2 месяца) стекло постепенно переходит в агрегат закалочных фаз.
Таблица 1 - Характеристика исходных веществ
Номер Обозначение масс. % Обработка Набор фаз
состава состава Di Руг Ро
S79 Di40Pyг605Рo 38,09 57,14 4,76 Механич. смесь Di+G1ass
S69 Di30Руг70 30 70 0 Механич. смесь Di+G1ass
S67 Di40Pyг60 40 60 0 Механич. смесь Di+G1ass+Fo
Результаты экспериментов
Реакция Ь=Орх+Срх+ва+Ро изучена нами при давлении 2,8 и 3,0 ГПа. Результаты экспериментов представлены в таблице 2 и на рис. 2, и свидетельствуют о крайне пологом наклоне луча изучаемой реакции в этом интервале давлений. Наши результаты не противоречат данным Девиса [3], [4]. Более высокие температуры плавления в его исследовании вполне объяснимы за счёт более высоких давлений и изменения состава всех участвующих в равновесии фаз.
Моновариантные реакций и реакция Орх+Ь=ва+Срх изучены при помощи смесей, имеющих состав 40 масс.% Di 60 масс.% Руг и 30 масс.% Di 70 масс.% Руг. Состав стекла в экспериментах, в которых зафиксировано плавление, не совпадает с исходным. Всегда наблюдается обогащение оксидом кальция, что свидетельствует о присутствии магнезиальных твёрдых фаз типа ортопироксена или оливина. Условия плавления ассоциации ва+Срх при давлении 3,0 ГПа хорошо совпадают с данными О'Хары и Йодера [5].
т,0с
1600 -
1500 -
1 1 О
Орх+Ь
Срх+ва \
О С
о ♦ -
Орх+Ро+Ь
Срх+ва / ■ □
---■
♦-1 -- 7
0-2 ♦ • / •
• -3 .
О-4 * Ро+Орх+Срх+ва
■-5
□ -6
2,0
2,5
Г
3,° Р, ГПа
Рис. 2 - Результаты экспериментов по исследованию лучей моновариантных реакций Opx+Fo+L=Cpx+Ga, Opx+L=Cpx+Ga и L=Cpx+Opx+Ga+Fo. 1 - конода Cpx+Ga для состава S-67; 2 - плавление для состава S-67; 3 - конода Cpx+Ga для состава S-69; 4 - плавление для состава S-69; 5 - ассоциация Cpx+Opx+Ga+Fo; 6 - плавление для
ассоциации Cpx+Opx+Ga+Fo.
Таблица 2 - Условия проведения экспериментов
№ P (ГПа) T ^ Время (час) Состав (номер) Обозначение состава Фазы
Р113 30 1573 1 S-79 Di40Pyr60+5Fo L+Fo+Cpx+Opx
Р115 30 1548 0,3 S-79 Di40Pyr60+5Fo Cpx+Ga+Opx+Fo
Р112 28 1602 0,5 S-79 Di40Pyr60+5Fo L+Cpx+Fo?
Р202 28 1574 1 S-79 Di40Pyr60+5Fo L+Fo+Cpx+Opx
Р116 28 1546 0,5 S-79 Di40Pyr60+5Fo Cpx+Ga+Opx+Fo
Р111 28 1547 1 S-79 Di40Pyr60+5Fo Cpx+Ga+Opx+Fo
Р65 30 1679 0,3 S-67 Di40Pyr60 L+
Р79 29,6 1652 0,5 S-67 Di40Pyr60 L+
Р207 30 1649 0,3 S-67 Di40Pyr60 L+
Р78 29,6 1625 0,5 S-67 Di40Pyr60 L+Opx
Р71 30 1624 1 S-67 Di40Pyr60 L+Opx
P199 28 1624 0,5 S-67 Di40Pyr60 L+Opx
Р75 30 1623 1 S-67 Di40Pyr60 L+Opx
Р80 29,6 1599 1 S-67 Di40Pyr60 Cpx+Opx+Ga
Р32 25,6 1625 0,5 S-67 Di40Pyr60 L+
Р83 24,7 1602 0,5 S-67 Di40Pyr60 L+Opx+Fo
Р91 24,7 1569 3 S-67-2 Di40Pyr60 L+Fo+Opx
P84 24,7 1551 3 S-67 Di40Pyr60 L+
Продолжение таблицы 2- Условия проведения экспериментов
№ Р (ГПа) Т Ос Время (час) Состав (номер) Обозначение состава Фазы
Р34 25,6 1549 1,25 8-67 Б140Руг60 Ь+?
Р25 25,5 1544 0,5 8-67 Б140Руг60 Ь+?
Р85 24,7 1524 3 8-67 Б140Руг60 Срх+Орх+ва
Р89 24,7 1499 2,5 8-67 Б140Руг60 Срх+Орх+ва
Р90 24,7 1490 1 8-67 Б140Руг60 Срх+Орх+ва
Р66 30 1679 0,3 8-69-1 Di30 Руг70 Ь+
Р208 30 1649 0,3 8-69 Б130Руг70 ь+
Р198 28 1624 0,5 8-69 Di30 Руг70 ь+
Р120 28 1599 0,5 8-69 Di30 Руг70 Срх+Орх+ва
Р117 28 1574 1 8-69-4 Di30 Руг70 Срх+Орх+ва
Р33 25,6 1625 0,5 8-69 Di30 Руг70 Ь+?
Р86 24,7 1549 2,5 8-69 Di30 Руг70 Орх+Ь
Р35 25,6 1548 1,25 8-69 Di30 Руг70 ь+?
Р216 25 1547 2,5 8-69-4 Di30 Руг70 Срх+Орх+ва+Ь
Р26 25,5 1543 0,5 8-69 Di30 Руг70 Срх+Орх+ва
Р38 25,6 1524 2,5 8-69 Di30 Руг70 Срх+Орх+Ga
Р40 25,6 1515 3 8-69 Di30 Руг70 Срх+Орх+Ga
При давлении выше 2,6 ГПа в качестве ликвидусной фазы продиагностирован только ортопироксен, а при более низких давлениях к нему добавляется форстерит. Ликвидусные фазы видны в шлифах в придонных частях образца в виде одиночных, хорошо огранённых мелких кристаллитов, плавающих в стекле. Размер этих кристаллов меньше толщины шлифа и не всегда видимый кристалл фазы выходит на поверхность шлифа, что не позволило определить состав фазы с помощью электронного микроанализатора во всех опытах. Однако форстерит и ортоэнстатит значительно различаются по двупреломлению, что позволяет легко их различать при петрографическом изучением шлифа. Следует отметить, что в экспериментах ниже 2,6 ГПа меняется и облик области шлифа с ликвидусными фазами: помимо появления изометричных с высоким двупреломлением кристаллов форстерита, кристаллиты ортопироксена укрупняются и становятся более изометричными. По этим визуально наблюдаемым признакам при давлении 2,6 ГПа происходит смена характера плавления в обеих смесях состава 40 масс.% 60 масс.% Руг и 30 масс.% 70 масс.% Руг. Это даёт основания предположить, что эксперименты при давлении выше 2,6 ГПа соответствуют продуктам реакции типа Орх+Ь=ва+Срх, а при более низком давлении реакции Ро+Орх+Ь=ва+Срх.
Таблица 3 - Составы фаз в продуктах экспериментов, проанализированные с помощью электронного __микроанализатора__
№ Фа-за масс. % мол. %
СаО Ы^О М2О3 8Ю2 Сум-ма СаО ЫйО М2О3 8Ю2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Р113 Ь 10,3 26,49 14,72 48,21 99,72 10,3 36,8 8,08 44,9
Р115 Орх 3,87 26,77 24,84 42,93 98,41 4,08 39,3 14,4 42,2
Р115 Срх 15,31 22,22 7,76 52,46 97,75 15,4 31,1 4,29 49,2
Р112 Ь 8,99 25,44 15,94 49,27 99,64 9,07 35,7 8,84 46,4
Р112 Срх 10,04 20,29 19,74 45,51 95,58 11 30,8 11,9 46,4
Р116 ва 3,49 26,26 25,92 43,57 99,24 3,68 38,5 15 42,8
Р116 Орх 6,16 29,73 12,17 49,67 97,73 6,12 41,1 6,66 46,1
Р116 Срх 12,82 24,54 12,22 49,52 99,1 12,8 34,2 6,73 46,3
Р111 ва 4,89 25,92 28,35 39,86 99,02 5,22 38,5 16,6 39,7
Р111 Срх 12,22 26,12 7,53 52,37 98,24 12 35,8 4,08 48,1
Р75 Орх 2,31 33,64 10,48 51,6 98,03 2,24 45,4 5,59 46,7
Р75 Ь 9,72 25,45 15,91 50,06 101,1 9,66 35,2 8,7 46,4
Р80 Орх 3,17 34,46 7 54,49 99,12 13,3 31,7 9,69 45,3
Р80 ва 4,8 26,15 24,17 43,14 98,26 3 45,3 3,64 48,1
Р80 Срх 13,62 21,4 15,98 47,53 98,53 5,07 38,4 14 42,5
Продолжение таблицы 3 - Составы фаз в продуктах экспериментов, проанализированные с помощью _электронного микроанализатора_
№ Фа-за масс. % мол. %11
СаО МяО А12О3 SiO2 Сумма СаО МяО А12О3 SiO2
Р83 Fo 0,26 58,32 0,43 42,49 101,5 14,1 30,8 9,1 45,9
Р83 Орх 5,57 29,94 14,16 50,71 100,3 0,21 66,9 0,19 32,7
Р83 L 10,01 25,58 14,5 49,13 99,22 5,44 40,7 7,61 46,2
Р91 Fo 0,254 56,36 0,221 42,24 99,075 10,1 35,8 8,02 46,1
Р91 L 10,38 24,56 16,3 49,18 100,4 0,21 66,3 0,1 33,3
Р34 Fo 0,16 56,7 0,28 42,26 99,4 10,4 34,4 9,02 46,2
Р34 L 6,67 22,82 15,46 46,6 91,55 0,13 66,5 0,13 33,2
Р25 Fo 0,18 57,4 0,29 42,04 99,91 7,38 35,1 9,4 48,1
Р25 L 7,23 25,36 15,56 46,91 95,06 0,15 66,9 0,13 32,9
Р85 Орх 2,23 35,25 7,25 53,92 98,65 7,62 37,2 9,02 46,2
Р85 Ga 5,18 26,13 23,13 44,27 98,71 2,11 46,5 3,78 47,7
Р85 Срх 13,96 20,41 17,02 45,68 97,07 5,42 38 13,3 43,2
Р89 Орх 2,18 33,5 9,65 52,59 97,92 14,8 30,1 9,92 45,2
Р89 Ga 3,84 26,86 24,48 43,28 98,46 2,11 45,2 5,14 47,6
Р90 Ga 5,62 24,88 23,53 44,89 98,92 4,04 39,3 14,2 42,5
Р90 Срх 14,7 22,23 9,53 51,31 97,77 5,91 36,4 13,6 44,1
Р120 Орх 1,18 35,62 9,18 53,77 99,75 14,9 31,3 5,31 48,5
Р120 Ga 3,28 27,61 24,38 42,69 97,96 1,11 46,8 4,76 47,4
Р120 Срх 13,66 19,33 22,09 43,17 98,25 3,45 40,5 14,1 42
Р117 Орх 2,52 34,32 9,45 53,82 100,1 14,7 28,9 13,1 43,3
Р117 Ga 6,93 25,16 23,97 44,3 100,3 2,38 45,2 4,92 47,5
Р117 Срх 16,3 19,96 14,26 49,35 99,87 7,18 36,3 13,7 42,9
Р33 L 7,6 26,31 17,4 48,47 99,78 16,6 28,3 8,01 47
Р86 Орх 1,54 34,75 9,54 53,43 99,26 7,68 37 9,67 45,7
Р86 L 7,5 25,49 16,24 47,79 97,02 1,47 46 5 47,5
Р35 L 8,04 26,61 17,11 47,45 99,21 7,77 36,8 9,26 46,2
Р216 Орх 2,2 34,03 10,7 52,98 99,91 18 25,3 12,4 44,2
Р216 Ga 4,55 26,79 24,32 44,12 99,78 8,14 37,5 9,53 44,8
Р216 Срх 12,57 22,36 16,17 48,46 99,56 2,1 45,1 5,61 47,1
Р38 Орх 1,48 35,14 9,88 53,03 99,53 4,72 38,7 13,9 42,7
Р38 Срх 15,94 18,45 20,25 44,37 99,01 12,9 31,8 9,09 46,2
Р40 Орх 2,48 34,31 7,95 54,72 99,46 1,41 46,4 5,16 47
Р40 Ga 3,18 26,16 25,02 44,75 99,11 16,9 27,3 11,8 44
Р40 Срх 11,96 22,5 17,14 48,99 100,5 2,35 45,2 4,14 48,3
Топологический анализ фазовых соотношений и обсуждение результатов
Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют, что ассоциация Cpx+Opx+Ga+Fo плавится эвтектически согласно реакции L=Cpx+Opx+Ga+Fo. Эти данные совпадают с выводами из экспериментальных исследований Дависа и Шайрера [3], [4].
Плавление ассоциации клинопироксена и граната при давлении 3,0 ГПа хорошо совпадает с результатами О'Хары и Йодера [5]. При давлениях выше 2,6 ГПа в области ликвидусной фазой является ортопироксен, при более низких давлениях появляется форстерит.
Из этих фазовых взаимоотношений следует возможное существование двух перитектических реакций плавления Opx+Fo+L=Cpx+Ga и Opx+L=Cpx+Ga. Если учесть существование эвтектической реакции L=Cpx+Opx+Ga+Fo, то в районе давления 2,5-2,6 ГПа однозначно должно существовать нонвариантное равновесие ^,Срх,Орх^а^о), в точке существования которого состав жидкости находится в плоскости Мя^2О6-А12О3-Са^2О6. Так как составы клинопироксена, ортопироксена и граната находятся в этой же плоскости, то это равновесие имеет вырожденный характер, система становится условно трёхкомпонентной. Форстерит становится сингулярной фазой.
Анализ топологии этого участка фазовой диаграммы указывает, что при давлении около 2,6 ГПа и температуре 1500 ОС существует точка нонвариантного равновесия (Ь,Срх,Орх,ва,Ро), из которой в сторону высоких давлений выходит луч реакции Ь=Срх+Орх+ва+Ро, в сторону высоких температур и высоких давлений луч реакции Орх+Ь=Срх+ва, а в сторону низких давлений луч реакции Орх+Ро+Ь=Срх+ва (рис. 2).
Строение исследованного участка фазовой диаграммы системы СаО-MgO-Al2Oз-SiO2 полностью подтверждает данные К. Хейзенберг, а также Т. Като и М. Кумазава [11, 12, 13, 14] о смешении состава расплава на эвтектике Ь=Срх+Орх+ва+Ро при понижении давления практически от чистого оливина до плоскости Mg2Si2O6-Al2O3-Ca2Si2O6
Сингулярное нонвариантное равновесие (L,Cpx,Opx,Ga,Fo) является моделью "эклогитового барьера", обсуждаемого в работах В.А. Жарикова и В.С. Соболева [1, 2], и позволяет на физико-химической основе объяснить эволюцию состава первичных ультраосновных магм в сторону составов с более высоким содержанием кремнезёма, по-видимому, вплоть до составов, соответствующим гранитным магмам.
Основные результаты и выводы
1. Экспериментально исследованы моновариантные реакции плавления в форстеритнормативной части системы Са0-М^0-А1203-8Ю2 при высоких давлениях. Изучены лучи моновариантных реакций: Fo+Opx+L=Cpx+Ga, 0px+L=Cpx+Ga и L=Fo+Cpx+0px+Ga Установлены составы сосуществующих фаз в экспериментах на ликвидусе и солидусе.
2. На основе экспериментальных данных при помощи топологического анализа проведена увязка лучей моновариантных реакций и установлено положение нонвариантного равновесия (L,Cpx,0px,Ga,Fo).
3. Показан путь эволюции состава магматического расплава при понижении давления от ультраосновного до кварцнормативного, позволяющий преодолеть "эклогитовый барьер".
Работа выполнена в рамках проекта НИР (0330-2016-0016) "Моделирование тепловой и гидродинамической структуры плюмов для определения условий формирования магматических расплавов и их влияния на вещественный состав и структуру литосферы Северной Евразии".
Список литературы / References
1. Жариков В. А. Эклогитовый барьер и клинопироксены высоких давлений / В. А. Жариков, Р. А. Ишбулатов, Л. Т. Чудиновских // Геология и геофизика. - 1984. - № 12. - С. 54-63.
2 Соболев В. С. Состав глубинных пироксенов и проблема эклогитового барьера / В. С. Соболев, А. В. Соболев // Геология и геофизика. - 1977. - № 12. - С. 46-59.
3. Davis В. Т. C. System diopside-forsterite-pyrope at 40 kilobars / В. Т. C. Davis // Carnegie Institution Washington Yearbook. - 1964. - V. 63. - P. 165-171.
4. Davis В. Т. C. Melting relations in join diopside-forsterite- pyrope at 40 kilobars and one atmosphere / В. Т. C. Davis, J. F. Schairer // Carnegie Institution Washington Yearbook. - 1965. - V. 64. - P. 123-126.
5. 0'Hara M. J. Formation and fractionation of basic magma at high pressures / M. J. 0'Hara, H. S. Jr. Yoder // Scottish Journal of Geology. - 1967. - V. 3. - №1. - P. 67-117.
6. Presnall D. C. Liquidus phase relations on join diopside-forsterite-anorthite from 1 atm to 20 kbar: their beaming on the generation and crystallization of basaltic magma / D.C. Presnall, S.A. Dixon, J.R. Dixon et al. // Contributions to Mineralogy and Petrology. - 1978. - V. 66. - №2. - P. 203-220.
7. Presnall D. C. Generation of mid- ocean-ridge tholeiites / D. C. Presnall, J. R. Dixon, Т. H. O'Donnell et al. // Journal of Petrology. — 1979. — V. 20. - № 1. — P. 3—35.
8. Годовиков А. А. Аппарат для создания давления до 40 кбар при температурах до 1700 ОС / А. А. Годовиков, С. А. Смирнов, И. Ю. Малиновский и др. // Приборы и техника эксперимента. - 1971. - №6. - С. 159-160.
9. Boyd F. R. Apparatus for phase-equilibrium measurements at pressures up to 50 kilobars and temperatures up to 1750 °C / F. R. Boyd, J. L. England // Journal of The Geophysical Research. - 1960. - V. 65, - №2. - P. 741-748.
10. Mirvald P. W. Low-friction cell for piston- cylinder high-pressure apparatus / P. W. Mirvald, I. C. Getting, G. C. Kennedy // Journal of The Geophysical Research. - 1975. - V. 86, - № 11. - P. 1519-1525.
11. Herzberg C. Origin of Mantle Peridotite: Constraints From Melting Experiments to 16.5 GPa / C. Herzberg, T. Gasparik, H. Sawamoto // Journal of the Geophysical Research. - 1990. - V. 95. - №10. - P. 15779-15803.
12. Herzberg C. T. Solidus and liquidus temperatures and mineralogies for anhydrous garnet-lherzolite to 15 GPa / C. T. Herzberg // Physics of the Earth and Planetary Interiors. - 1983. - V. 32. - №2. - P. 193-202.
13. Herzberg C. T. Origin of mantle peridotite and komatiite by partial melting / C. T. Herzberg, M. J. O'Hara // Geophysical Research Letters. - 1985. - V. 12. - № 9. - P. 541-544.
14. Kato T. Effect of high pressure on the melting relations in the system Mg2SiO4-MgSiO3 Part I. Eutectic relations up to 7 GPa / T. Kato, M. Kumazawa // Journal of Physics of the Earth. - 1985. - V. 33. - №6. - P. 513-524.
Список литературы на английском языке / References in English
I. Zharikov V. A. Jeklogitovyj bar'er i klinopirokseny vysokih davlenij [An eclogite barrier and clinopyroxenes at high pressures] / V. A. Zharikov, R. A. Ishbulatov, L. T. Chudinovsky // Geologija i geofizika [Geology and geophysics.]. - 1984. -№12. - P. 54-63. [in Russian]
2 Sobolev V. S. Sostav glubinnyh piroksenov i problema jeklogitovogo bar'era. [Composition of deep pyroxenes and the problem og eclogite barrier] / V. S. Sobolev, A. V. Sobolev // Geologija i geofizika [Geology and geophysics]. - 1977. - №12. -P. 46-59. [in Russian]
3. Davis В. Т. C. System diopside-forsterite-pyrope at 40 kilobars/ В. Т. C. Davis // Carnegie Institution Washington Yearbook. - 1964. - V. 63. - P. 165-171.
4. Davis В. Т. C. Melting relations in join diopside-forsterite- pyrope at 40 kilobars and one atmosphere / В. Т. C. Davis, J. F. Schairer // Carnegie Institution Washington Yearbook. - 1965. - V. 64. - P. 123-126.
5. O'Hara M. J. Formation and fractionation of basic magma at high pressures / M. J. O'Hara, H. S. Jr. Yoder // Scottish Journal of Geology. - 1967. - V. 3. - №1. - P. 67-117.
6. Presnall D. C. Liquidus phase relations on join diopside-forsterite-anorthite from 1 atm to 20 kbar: their beaming on the generation and crystallization of basaltic magma / D.C. Presnall, S. A. Dixon, J. R. Dixon et al. // Contributions to Mineralogy and Petrology. - 1978. - V. 66. - №2. - P. 203-220.
7. Presnall D. C. Generation of mid- ocean-ridge tholeiites / D. C. Presnall, J. R. Dixon, Т. H. O'Donnell et al. // Journal of Petrology. — 1979. — V. 20. - № 1. — P. 3—35.
8. Godovikov A. A. Apparat dlja sozdanija davlenija do 40 kbar pri temperaturah do 1700 OC [Apparat for creation of pressure to 40 кбар at temperatures to 1700 OC] / A .A. Godovikov, S. A. Smirnov, I. Ju. Malinovsky and others // Pribory i tehnika jeksperimenta [Devices and technics of experiment]. - 1971. - №6. - P. 159-160. [in Russian]
9. Boyd F. R. Apparatus for phase-equilibrium measurements at pressures up to 50 kilobars and temperatures up to 1750 °C / F. R. Boyd, J. L. England // Journal of The Geophysical Research. - 1960. - V. 65, - №2. - P. 741-748.
10. Mirvald P. W. Low-friction cell for piston- cylinder high-pressure apparatus / P. W. Mirvald, I. C. Getting, G. C. Kennedy // Journal of The Geophysical Research. - 1975. - V. 86. - № 11. - P. 1519-1525.
II. Herzberg C. Origin of mantle peridotite: constraints from melting experiments to 16.5 GPa / C. Herzberg, T. Gasparik, H. Sawamoto // Journal of the Geophysical Research. - 1990. - V. 95. - №10. - P. 15779-15803.
12. Herzberg C. T. Solidus and liquidus temperatures and mineralogies for anhydrous garnet-lherzolite to 15 GPa / C. T. Herzberg // Physics of the Earth and Planetary Interiors. - 1983. - V. 32. - №2. - P. 193-20213.
13. Herzberg C. T. Origin of mantle peridotite and komatiite by partial melting / C.T. Herzberg, M.J. O'Hara // Geophysical Research Letters. - 1985. - V. 12. - № 9. - P. 541-544.
14. Kato T. Effect of high pressure on the melting relations in the system Mg2SiO4-MgSiO3 Part I. Eutectic relations up to 7 GPa. / T. Kato, M. Kumazawa // Journal of Physics of the Earth. - 1985. - V. 33. - №6. - P. 513-524.
