КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 14-17-00491

НазваниеПроисхождение ультрамафических магм: коматииты, бониниты, меймечиты

РуководительСоболев Александр Владимирович, Доктор геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2017 г. - 2018 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-108 - Петрология магматических пород

Ключевые словамантия, магма, перидотит, пироксенит, эклогит, оливин, хромит, расплавные включения, петрология, геохимия, геодинамика, температура, давление, сульфид

Код ГРНТИ38.37.19

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной задачей продолжения проекта является определение эволюции во времени содержания летучих компонентов (H2O, Cl, F, S) в глубинном мантийном источнике коматиитовых расплавов. Эта задача включает определение роли и генезиса воды в глубинном мантийном источнике, а также определение роли субдукции в этом процессе. В такой постановке задача является новой и непосредственно следует из главного результата начальной стадии проекта: установления Неоархейского (2.7 млд. лет) водосодержащего глубинного источника коматиитов- предположительно переходной зоны мантии (Sobolev et al, Nature, 2016). Масштабность и научная значимость этой задачи определяется ее связью с нерешенными проблемами происхождения Н2О на Земле и времени начала глобальной тектоники плит, поскольку источником воды установленного гидратированного древнего глубинного резервуара может быть либо ранняя субдукция, либо аккреция Земли или (и) процесс формирования Луны.

Ожидаемые результаты
В результате проекта предполагается установить содержания летучих компонентов (H2O, Cl, F, S), изотопный состав водорода и кислорода, и температуры первичных магм коматиитов и их мантийных источников, представляющих возрастной интервал от 3.5 млд. л. до 93 мл. л. Таким образом будет установлена эволюция во времени содержаний летучих компонентов в глубинном мантийном источнике коматиитовых расплавов и получена информация о роли и генезисе воды в глубинном мантийном источнике. Эта информация будет использована для определение роли субдукции и первичной аккреции в обогащении водой переходной зоны мантии Земли. Указанные результаты предполагается получить на основе исследования включений расплава и шпинели в магнезиальных оливинах, экспериментального развития методов оливин- расплавной и оливин-шпинелевой термометрии и моделей образования и кристаллизации высокотемпературных мантийных магм. Запланированные результаты могут стать существенным вкладом в решение глобальных проблем геохимии и геодинамики: происхождения воды на Земле и времени начала глобальной тектоники плит.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Подтвержден главный результат проекта (Sobolev et al, Nature 2016) о существовании гидратированного глубинного мантийного резервуара в архейское время (Asafov et al, 2017, 2018). Методами исследования расплавных включений в оливине установлены избыточные концентрации Н2О, Cl и, в меньшей степени, F в первичных расплавах коматиитов пояса Билингве (2.7 млд.л., Зимбабве) и провинции Велтефреден (3.3 млд.л., Ю. Африка). Вместе с подобными данными впервые полученными для коматиитов пояса Абитиби, 2.7 млд. л. (Канада) (Sobolev et al, 2016) эти результаты свидетельствуют, что Н2О, Cl и, в меньшей степени F, уже поступали, предположительно, в переходную зону мантии Земли более 3 млд. л. назад. Получен неожиданный и, вероятно, прорывной результат о том, что глубинные зоны современной мантии Земли могут быть такими же горячими, как и более 2.7 миллиардов лет назад (Trela et al, Nature Geoscience 2017). Вопреки устоявшимся представлениям о значительном охлаждении мантии Земли за последние 3 миллиарда лет, нами совместно с коллегами из США установлены температуры кристаллизации в 1570оС магм Карибской магматической провинции возрастом всего 90 миллионов лет (Trela et al, 2017). Оценка температур получена двумя независимыми методами: Fe-Mg оливин-расплавным геотермометром с учетом содержаний Н2О в расплавных включениях в оливине и Al оливин-шпинелевым геотермометром. Этот результат свидетельствует о температурах более 1750оС в источнике Карибской мантийной струи на глубине в 200 км. и, следовательно, о сохранении Архейских температур в современной глубинной мантии Земли. На основе разработанного на предыдущем этапе Al оливин-шпинелевого геотермометра установлены значимые отличия температур кристаллизации магм различных геодинамических типов. Максимальные температуры кристаллизации определены для магнезиальных оливинов океанических островов и больших магматических провинций, промежуточные значения температур для базальтов срединно-океанических хребтов и минимальные значения температур для ультракалиевых лампроитов вулкана Гауссберг, Антарктида. Эти результаты прямо подтверждают представления о различном температурном режиме мантийных струй, конвектирующей верхней мантии и мантийной части литосферы. Установлено повторное выплавление истощенной мантии без участия водного флюида из зоны субдукции (Golowin et al, 2017). Ранее возможность значительного повторного плавления мантии предполагалось только для зон субдукции и связывалось с притоком водного флюида в горячее мантийное вещество. Совместно с коллегами из Германии на основе сравнительного изучения вулканических пород, слагающих плато Манихики с возрастом 120 млн. лет в Тихом океане, и надсубдукционных бонинитов офиолитовго массива Троодос (90 млн. лет, о.Кипр) было показано, что повторное плавление мантии может также происходить во внутриплитной океанической обстановке без участия водного флюида. Образование лав плато Манихики объясняется рециклингом истощенной мантии в составе мантийного плюма и ее разогревом до температур более 1450 oС достаточных для ее повторного плавления на глубинах менее 50 км. В 2017 получены также важные результаты существенно укрепившие методический подход проекта. В частности, создан новый стандарт оливина для определения главных, второстепенных и примесных элементов (Batanova et al, 2017) и существенно доработана методика высокоточного определения состава оливина методом электронного микроанализа (EPMA) (Batanova et al, 2018). Разработана новая количественная модель разделяющая влияние температуры и состава расплава на распределение никеля и магния между оливином и расплавом (Sobolev et al, 2017). Получены новые данные о воспроизводимости реконструкции состава расплавных включений на основе исследований искусственных включений в оливине (Sobolev, 2017). За 2017 г. коллективом проекта опубликовано 10 новых работ, и в том числе 4 статьи, индексируемые WoS. Из них 3 статьи опубликованы в журналах первого квартиля (ранг Q1, WoS) включая статью в Nature Geoscience- наиболее высокорейтинговом журнале в области наук о Земле. Результаты проекта доложены в 5-ти докладах на крупных международных конференциях, включая 2 приглашённых пленарных доклада. Ссылки на отклик на работы проекта в российских СМИ в 2017г: https://chrdk.ru/sci/archean_magma

Публикации

1. Асафов Е.В., Соболев А.В., Гуренко А.А., Арндт Н.Т., Батанова В.Г., Портнягин М.В., Гарбе-Шлёенберг Д., Крашенинников С.П. Belingwe komatiites (2.7 Ga) originate from a plume with moderate water content, as inferred from inclusions in olivine Chemical Geology, - (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2017.11.002

2. Батанова В.Г., Соболев А.В., Манья В. Trace element analysis by EPMA in geosciences: current state and perspectives. Book of tutorials and abstracts, EMAS 2017 IUMAS 7,15 th Europian workshop on Modern developments and applications in microbeam analysis, . p 55- 73 (год публикации - 2017)

3. Батанова В.Г., Соболев А.В., Манья В. Trace element analysis by EPMA in geosciences: detection limit, precision and accuracy Journal of Physics: Conference Series Materials Science and Engineering, - (год публикации - 2018)

4. Головин Р., Портнягин М., Хёрнле К., Соболев А.В., Кузмин Д., Вернер Р. The role and conditions of second-stage mantle melting in the generation of low-Ti tholeiites and boninites: The case of the Manihiki Plateau and the Troodos Ophiolite. Contributions to Mineralogy and Petrology, 172:104 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1007/s00410-00017-01424-00413

5. Трела Д,,Газель Е., Соболев А.В., Мур Л., Бизимис М.. Жиха Б., Батанова В.Г. The hottest lavas of the Phanerozoic and the survival of deep Archean reservoirs. Nature Geoscience., 10, 451-456 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1038/ngeo2954

6. А.В.Соболев, А.В.Хофман, С.П.Крашенинников, В.Г.Батанова, Е.В.Асафов, Н.Т.Арндт, А.Н.Кошлякова, Борисов А.А. New experiments and komatiites vindicate nickel in magmatic olivine as a monitor of mantle lithology Goldschmidt 2017 Abstracts, p.p.36-38 (год публикации - 2017)

7. Асафов Е.В., Соболев А.В., Гуренко А.А., Арндт Н.Т., Батанова В.Г., Портнягин М.В., Гарбе-Шонберг Д., Крашенинников С.П. Water in the 2.7 Ga Belingwe komatiite magma inferred from the melt inclusions in olivine Goldschmidt 2017 Abstracts, p.p.27 (год публикации - 2017)

8. Асафов Е.В., Соболев А.В., Гуренко А.А., Портнягин М.В., Арндт Н.Т., Батанова В.Г., Крашенинников С.П Состав расплавов коматиитов зеленокаменного пояса Белингве (Зимбабве) по данным изучения расплавных включений в оливине ВЕСЭМПГ-2017-009, с.121 (год публикации - 2017)

9. Асафов Е.В., Соболев А.В., Гуренко А.В., Арндт Н.Т., Батанова В.Г., Портнягин М.В., Гарбе-Шонберг Д., Крашенинников С.П., Вилсон А.,Байерли Г.Р. Olivine-Hosted Melt Inclusions in the Ancient Komatiites – the Potential Key to the Archean Mantle Composition ECROFI-2017, - (год публикации - 2017)

10. Батанова В., Соболев А., Томпсон Д.М., Данюшевский Л.В.. Гойман К., Портнягин М.В., Гарбе-Шонберг Д., Хаури Е.Х., Кимура Д., Чанг К.. Сенда Р., Чавел С., Кампилло С., Ионов Д. Data on new Olivine reference material MongOL Sh11-2 for in-situ microanalysis. Goldschmidt Conf., Paris, 2017, p.p.244-246 (год публикации - 2017)

11. - Тело еще не остыло Чердак: науки, технология, будущее ТАСС, Екатерина Боровикова 23.11.2017 Наука (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
На основе определения содержаний главных и примесных элементов, воды и изотопов водорода в расплавных включениях в оливине коматиитов зеленокаменных поясов Барбертон, Билингве и Абитиби получен прорывной результат, принятый к публикации в журнале Nature (Sobolev et al, 2018). Было показано, что глубинный мантийный гидратированный резервуар присутствовал в недрах Земли по крайней мере со времен Палеоархея и был вероятно образован за счет привноса воды субдуцированными плитами. Это означает, что рециклинг литосферы в глубинную мантию, возможно, через субдукцию, начался более 3.3 мрд.л. назад. С целью увеличения точности локального микроанализа оливина создан стандарт оливина с сертифицированными содержаниями 27 главных и примесных элементов. Стандарт создан на основе оливина из мантийного ксенолита и проанализирован в шести лабораториях по всему миру методами EPMA, LA-ICP-MS, SIMS, Isotope Dilution ICP-MS (для Mg и Fe), XRF, ICP-MS. Определены температуры кристаллизации оливина сибирских меймечитов и условия образования их первичных расплавов. Показано, что исходные расплавы меймечитов имели повышенные концентрации воды (до 2.5 вес%) и углекислоты (до 7 вес%), начинали кристаллизацию в коре при температурах 1440оС и образовались в интервале температур 1690-1580оС и давлений 65-45 кбар. в мантийной струе с потенциальной температурой 1550±50oC. Определены условия образования и кристаллизации наиболее магнезиальных магм Камчатки- авачитов. Показано, что авачиты образовались в результате 15% плавления обогащенного перидотитового источника MORB (E-DMM) при температуре 1250 °C, давлении 1.5 Гпа, содержали не менее 3.5% Н2О и кристаллизовались при температуре 1130±40оС, летучести кислорода deltaQFM=1.6±0.2 и давлении 3.5 кбар. На основе новых и опубликованных экспериментальных данных предложено новое эмпирическое уравнение для прогнозирования отношения окисного/закисного железа в зависимости от летучести кислорода, температуры и состава расплава. В отличие от предыдущих уравнений эффект состава расплавов на отношение Fe3 + / Fe2 + моделируется не только суммой молярной доли отдельных оксидных компонентов, но также и их дополнительными взаимодействиями. Основным преимуществом предлагаемой модели является ее применимость для широкого диапазона составов при содержании SiО2<68%. За 2018 г. опубликовано или принято к публикации 14 работ, включая 3 статьи в журналах первого квартиля (Q1,WoS). Сделано 8 устных докладов на международных совещаниях. Подготовлена к защите кандидатская диссертация.

Публикации

1. А.В.Соболев, Е.В.Асафов, А.А. Гуренко, Н.Т. Арндт, В.Г.Батанова, М.В. Портнягин, Д. Грабе-Шенберг, А.Х. Вилсон, Г.Р. Биэрли Deep hydrous mantle reservoir provides evidence for crustal recycling before 3.3 Gyr ago. Nature, - (год публикации - 2018)

2. Батанова В.Г., Томпсон Ж.М., Данюшевский Л.В... Соболев А.В. New Olivine reference material for in-situ microanalysis Geostandards and Geoanalytical Research, - (год публикации - 2018)

3. Борисов А., Бернс Х, Холц Ф. Ferric/ferrous ratio in silicate melts: a new model for 1 atm data with special emphasis on the effects of melt composition Contributions to Mineralogy and Petrology, 173:98 p1-15 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1007/s00410-018-1524-8

4. Соболев А.В., Асафов Е.В., Гуренко А.А., Арндт Н.Т., Батанова В.Г., Портнягин М.В., Гарбе-Шонберг Д., Вилсон А., Биерли Г.Р. Deep hydrous mantle reservoir provides evidence for crustal recycling before 3.3 Gyr ago Nature, v. 571, pp 555-559 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1038/s41586-019-1399-5

5. Асафов Е.В., Соболев А.В., Гуренко А.А., Портнягин М.В., Арндт Н.Т., Батанова В.Г., Крашенинников С.П. Расплавные включения в оливине из древних коматиитов - потенциальный ключ к составу архейской Всероссийский ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии 18–19 апреля 2018 г., Тезисы докладов. Москва 2018. ВЕСЭМПГ-2018-013 (год публикации - 2018)

6. Асафов Е.В., Соболев А.В., Гуренко А.А., Портнягин М.В., Арндт Н.Т., Батанова В.Г., Крашенинников С.П. Melt Inclusions In Olivine Provide Constraints On The Water Contents Of Archaean Komatiites AGU-Fall meeting 2018, AGU-Fall meeting (год публикации - 2018)

7. Асафов Е.В., Соболев А.В.. Гуренко А.А., Портнягин М.В., Арндт Н.Т., Батанова В.Г., Крашенинников С.П. Water in the Archaean komatiites: results of the melt inclusion studies The problems of magmatic and metamorphic petrology, geodynamics and genesis of diamonds, Abstracts of International Conference dedicated to the 110th anniversary of Academician V.S. Sobolev, Novosibirsk, June 9-14, 2018/Rus. Acad, of Sciences; Sib. Branch, V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy. - Novosibirsk. p. 88. (год публикации - 2018)

8. Кошлякова А.Н., Соболев А.В., Крашенинников С.П., Батанова В.Г., Борисов А.А. Ni and Mn Partitioning Between Olivine and Highly Alkaline Melts AGU-Fall meeting 2018., - (год публикации - 2018)

9. Кошлякова А.Н., Соболев А.В., Крашенинников С.П., Батанова В.Г., Борисов А.А. The influence of K and Na on Ni partitioning between olivine and silicate melt The problems of magmatic and metamorphic petrology, geodynamics and genesis of diamonds, Abstracts of International Conference dedicated to the 110th anniversary of Academician V.S. Sobolev, Novosibirsk, June 9-14, 2018/Rus. Acad, of Sciences; Sib. Branch, V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy. - Novosibirsk. p. 121. (год публикации - 2018)

10. Кошлякова А.Н., Соболев А.В., Крашенинников С.П., Батанова В.Г., Борисов А.А. Высокотемпературные эксперименты по распределению элементов между оливином и расплавом с высоким содержанием щелочей Всероссийский ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии 18–19 апреля 2018 г., Тезисы докладов. Москва 2018. ВЕСЭМПГ-2018-078 (год публикации - 2018)

11. Кошлякова А.Н., Соболев А.В., Крашенинников С.П.. Батанова В.Г., Борисов А.А. Experimental data on Ni partitioning between olivine and highly alkaline silicate melts “Magmatism of the Earth and related strategic metal deposits”. Moscow, 3-7 September 2018. P. 157-160, Proceedings of XXXV International conference “Magmatism of the Earth and related strategic metal deposits”. Moscow, P. 157-160 (год публикации - 2018)

12. Крашенинников С.П., Соболев А.В., Асафов Е.В., Каргальцев А.А., Борисов А.А. Рутинная методика гомогенизации расплавных включений в минералах в высокотемпературной печи при атмосферном давлении Всероссийский ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии 18–19 апреля 2018 г., Тезисы докладов. Москва 2018. ВЕСЭМПГ-2018-080 (год публикации - 2018)

13. Крашенинников С.П., Соболев А.В., Батанова В.Г., Борисов А.А. Экспериментальное изучение равновесия оливин-расплав в области высоких температур и восстановительных условий при атмосферном давлении Всероссийский ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии 18–19 апреля 2018 г., Тезисы докладов. Москва 2018. ВЕСЭМПГ-2018-082 (год публикации - 2018)

14. Крашенинников С.П., Соболев А.В., Батанова В.Г., Борисов А.А., Каргальцев А.А. High-temperature loop-technique experiments: the new constraints on olivine and silicate melt equilibria at Early Earth and Lunar mantle conditions The problems of magmatic and metamorphic petrology, geodynamics and genesis of diamonds, Abstracts of International Conference dedicated to the 110th anniversary of Academician V.S. Sobolev, Novosibirsk, June 9-14, 2018/Rus. Acad, of Sciences; Sib. Branch, V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy. - Novosibirsk. p. 125 (год публикации - 2018)

15. Соболев А.. Асафов Е., Гуренко А., Арндт Н., Батанова В., Полртнягин М., Гарбе-Шёнберг Д.. Крашенинников С., Уилсон А., Байерли Г. Deep Mantle H2O Recycling at 3.3 Ga? Goldschmidt Abstracts, 2018, Goldschmidt Abstracts, 2018, 2378 (год публикации - 2018)

Возможность практического использования результатов
не указано