CC BY
42
УДК 550.89
EXPERIMENTAL STUDY OF ALKALI-CHLORIDE FLUID INFLUENCE ON MELTING OF MODEL PERIDOTITE
Butvina Valentina Grigorievna, candidate of geologic-mineralogical sciences, scientific researcher, Institute of experimental mineralogy RAS, Chernogolovka, Moscow district,
butvina@iem .ac.ru
Abstract. In order to investigate an influence of alkali-chloride components on modification and partial melting of the Al2O3, CaO, and Na2O-enriched water-saturated per-idotite, and stability of garnet, pyroxenes in it, in particular, experiments on interaction of the model CMAS pyrolite Fo57En17Prp14Di12 with the H2O-NaCl fluids were carried out. The experiments were conducted at following parameters: 6.0 GPa and 1050-1450ОС using a torroidal anvil-with-hole apparatus. The 6.0 GPa experiments showed an active influence of chlorides on the solidus of the water-saturated pyrolite. Experiments have shown that sodium chloride, as well as potassium chloride [5] lowers the temperature of the solidus H2O-containing peridotite. At 6.0 GPa it is 1050-1100ОС of more than 150° below the solidus temperature H2O-containing peridotite without NaCl. This conclusion contradicts experiments on melting of association Fo+En in the presence of H2O+KCl at 5.0 GPa [9], that showed the temperature of the beginning of the melting of this association increases with the concentration of KCl system. Influence of alkali chlorides on melting of complex peridotite associations is largely determined by the nature of the chemical interaction of chlorides alu-minosilicate phases, which can overcome the effect of reducing the activity of water in wa-ter-alkali fluid.
Keywords: high pressure experiments, melting of peridotite, alkali-chloride fluid.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЩЕЛОЧНО-ХЛОРИДНОГО ФЛЮИДА НА ПЛАВЛЕНИЕ МОДЕЛЬНОГО ПЕРИДОТИТА.
Бутвина Валентина Г ригорьевна, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник, Институт экспериментальной минералогии РАН, butvina@iem.ac.ru
Аннотация. 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 Fo51En\1Prp\4Di\2 с флюидом H2O-NaCl при 6.0 ГПа в интервале температур 1050-1450ОС. Эксперименты показали, что хлорид натрия, также как и хлорид калия [5] понижает температуру солидуса водосодержащего перидотита. При 6.0 ГПа она составляет 1050-1100ОС, что более чем на 150ОС 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 алюмосиликатны-ми фазами, который может пересиливать эффект снижения активности воды в водносолевом 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 перидотито-вых и эклогитовых пород [12, 14]. В эклогитовых нодулях (перидо-титовые 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. % К20+Ка20), санидин, джерфишерит, флогопит, содалит, карбонаты [12]. Свидетельствами активности хлоридов в процессах преобразования перидотитов и магмообразовании на глубинах 45-75 км являются находки С1-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 петро-генеза 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 М^0-ЗЮ2-И20-(К,Ка)С1 [9,14] (показали, что хло-
59
риды, 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 1050-1450ОС. 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 XNaCl = 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 Pt70Rh3o/Pt94Rho6 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 «Cam-Scan MV2300» (VEGA TS 5130MM), оснащенном энергодисперсионным рентгеновским спектрометром INCA Energy-350 (в лабора-
61
тории электронном микроскопии и микроанализа ИЭМ РАН). Продукты закалки расплавов анализировались методом сканирования по площадям размером от 500 до 20 мкм . Анализы закаленных расплавов с учетом «стехиометрического» кислорода, дают пониженные суммы, отличающиеся от 100% на содержание Н20.
Прежде всего, были исследованы фазовые соотношения в бесхлоридной системе перидотит - Н20 в интервале температур 1100-14500С. В субсолидусе модельного перидотита сосуществуют оливин, ортопироксен, клинопироксен, гранат (таблица 1, рис.1).
Таблица 1. Условия проведения и продукты опытов по взаимодействию модельного перидотита с флюидами Н20 (15 мас.%) и Н20-КаС1 при 6.0 ГПа.
№ опыта ЫаС1, мас. % ЫаС1/ (ШС1+Н20) Т, ОС Время (часы) Фазовый состав продуктов опытов
РНШ-6 0 0 1100 100 Г 0+Срх+0рх+0Л
РНШ-5 0 0 1150 105 Г 0+Срх+0рх+0Л
РНШ-1 0 0 1240 120 Г o+0px+Cpx+Grt+Q
РНШ-4 0 0 1250 120 Г o+Cpx+0px+Grt+Q
РНШ-2 0 0 1300 120 Г o+0px+Amp+Q
РНШ-19 0 0 1315 120 Fo+Cpx+Q
РНШ-17 0 0 1320 120 Fo+Cpx+Q
РНШ-7 0 0 1340 120 Fo+Cpx+L
РНШ-21 0 0 1360 100 Fo+Cpx+Q
РНШ-8 0 0 1400 120 Fo+Cpx+Q
РНШ-3 0 0 1450 90 Fo+L
РНШ-23 0.8 0.05 950 190 Г o+Cpx+0px+Grt
РН№-14 0.8 0.05 1050 120 Г o+Cpx+0px+Grt+L
РНШ-22 0.8 0.05 1100 100 Г o+Cpx+0px+Grt+L
РНШ-12 0.8 0.05 1150 120 Г o+Cpx+0px+Grt+L
РНШ-П 0.8 0.05 1200 120 Г o+Cpx+0px+Grt+L
РН№-10 0.8 0.05 1250 90 Fo+Cpx+Grt+L
РНШ-9 0.8 0.05 1300 120 Fo+L
РНШ-16 0.8 0.05 1350 130 Fo+Cpx+L
РНШ-15 0.8 0.05 1400 120 Fo+L
РНШ-у 0.8 0.05 1450 100 Fo+L
Примечания: Q - продукты закалки расплава.
Ортопироксен в этом парагенезисе содержит 2.5-3.0 мас.% А1203, что соответствует 8-10 мол. % М^-молекулы Чермака (MgA12Si06) в твердом растворе. При этом сосуществующий кли-нопироксен содержит менее 5 мол. % Mg-молекулы Чермака (MgA12Si06). Температура солидуса в бесхлоридной системе в присутствии 15 мас. % составляет 1240-13000С. Добавление №С1 приводит к понижению температуры плавления примерно на 1502000С. В субсолидусе сосуществуют те же фазы: форстерит, клино-пироксен, ортопироксен, гранат. Заметных изменений в фазовых отношениях не наблюдается в обоих случаях.
Рис. 1. Продукты экспериментов в системе перидотит-Н20-КаС1 при 6.0 ГПа.
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. Содержание 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:
(1) У Mg-Ts + 7/4 En + % NaCl + У HO = Fo + 1/2 Jd + У HCl,
(2) У Prp + 5/4 En + У NaCl + V4 H2O = Fo + 1/2 Jd + V2 HCl
(3) V4 Grs + 11/4 En + V2 NaCl + У H2O = Fo + % Di +1/2 Jd + У2 HCl
В результате этих реакций клинопироксен обогащается жаде-итовым 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.
64
Итак, проведенные эксперименты показали, что добавление NaCl в систему не влияет на полученные фазовые отношения в суб-солидусе в бесхлоридных условиях. Однако происходит изменение в составах клинопироксена, ортопироксена, увеличивается жадеи-товая составляющая в клинопироксене, уменьшается содержание молекулы Чермака в ортопироксене с приближением к солидусу системы. Благодаря чему и происходит снижение температуры плавления системы, содержащей хлориды.
Таким образом, хлорид натрия, также как и хлорид калия [5] понижает температуру солидуса водосодержащего перидотита. При 6.0 ГПа она составляет 1000-1050ОС, что на более чем 150ОС 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 алюмосиликат-ными 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. Джерфише-рит 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 perido-tite 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 en-statite in the system MgO-SiO2-H2O-NaCl // Contrib. Mineral. Petrol. 2008. V. 156. P. 653-659.
