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 21-77-10057

НазваниеМетасоматическое взаимодействие несмесимых карбонатитовых и алюмосиликатных расплавов с природными перидотитами и эклогитами на глубинах 100-200 км применительно к генезису и рудоносности щелочных карбонатитовых комплексов: экспериментальное исследование

РуководительАрефьев Антон Васильевич, Кандидат 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 07.2021 - 06.2024 

Конкурс№61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-201 - Геохимия магматических процессов

Ключевые словаКарбонатиты, щелочные комплексы, карбонат-алюмосиликатные системы, мантия Земли, эксперименты при высоких давлениях, многопуансонный пресс, аппарат поршень-цилиндр, |CO2 флюид, высокоплотные флюиды, алмазообразующие расплавы, частичное плавление мантии Земли, месторождения редких и редкоземельных металлов, жидкостная несмесимость, ТТГ расплавы, распределение элементов.

Код ГРНТИ38.00.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Карбонатиты являются одним из важнейших источников стратегических металлов доступность которых определяет развитие целого ряда критических технологий в области электроники, атомной энергетики, ракето- и самолетостроения, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Современная точка зрения на петрогенезис карбонатитов, подтвержденная многочисленными изотопными данными, состоит в том, что их родоначальные магмы происходят из литосферных и астеносферных источников. Однако состав и условия образования этих родоначальных магм остаются предметом дискуссий. Натровые, либо калиевые ореолы фенитизации вокруг карбонатитов, а также расплавные включения указывают на щелочной состав палеокарбонатитов, что согласуется с составом единственного современного натрокарбонатитового вулкана Ол-Доиньо-Ленгаи. Экспериментально показано, что такие расплавы могут образовываться в результате ликвации СО2-содержащего нефелинитового расплава в условиях коры. Для большинства модельных натровых карбонат-алюмосиликатных систем ликвация достоверно установлена в интервале 0.1-2.5 ГПа (Brooker and Kjarsgaard 2011). Вместе с тем образование карбонатитов с калиевыми ореолами фенитизации, которые нередко ассоциируют с фонолитами остается экспериментально не изучено. Недавно было установлено, что в отличие от натровых систем, где ликвация происходит при низких давлениях, в системах с калием область несмесимости смещена в более высокие давления, около 6 ГПа (Shatskiy et al. 2019; 2020). Интересно, что близкие по составу к фонолиту стекла и калий-доломитовые расплавы обнаружены в природных алмазах (Bulanova et al. 1988; Navon et al. 1988; Novgorodov et al. 1990). Это, а также находки классических рудных минералов карбонатитов во включениях в алмазах, апатита, монацита, могут указывать на генетическую связь мантийных карбонатитовых расплавов и коровых карбонатитов. Большинство предшествующих экспериментальных исследований жидкостной несмесимости и генезиса карбонатитов проводили в натровых системах при давлениях ниже 3 ГПа. Недавно было установлено, что калиевые алюмосиликатные системы (карбонатизированный пелит) также подвержены ликвации, но при больших давлениях (5.5-6 ГПа) (Shatskiy et al. 2020). В рамках настоящего проекта мы хотим установить P-T-X области устойчивости и составы Na-, Na-K- и K-карбонатных расплавов в равновесии с перидотитами (гарцбургитами, лерцолитами, верлитами) и эклогитами на глубине 200 км и проследить эволюции их состава с уменьшением глубинности до 100 км. Также планируется провести эксперименты по уравновешиванию фонолитового, и комбинации несмесимых фонолитового и калиевого карбонатитового расплавов с перидотитом и эклогитом. На следующем этапе мы планируем усложнить системы добавлением воды и изучить метасоматические реакции высокоплотных водно-карбонатитовых расплавов с перидотитами и эклогитами. Данное исследование позволит выявить P-T-X области устойчивости метасоматических ассоциаций, содержащих карбонаты (магнезит, доломит или кальцит/арагонит), флогопит и амфибол. Проведение данных экспериментов в широком интервале температур и давлений позволит определить влияние соотношений Na/K/Al/H на температуры солидусов и определить P-T условия устойчивости ассоциаций магнезит+флогопит±амфибол при 3-7 ГПа. Следует отметить, что формирование данных метасоматических ассоциаций (метасом) в основании литосферной мантии на границе с астеносферой значительным образом влияет на реологию мантийных пород приводя к их размягчению, что способствует рифтогенезу. Также данные метасомы рассматриваются в качестве источников щелочных магм при развитии континентальных рифтов. На заключительной стадии выполнения проекта будут выявлены ключевые фазы-концентраторы редких металлов, редкоземельных и радиогенных элементов в системах эклогит+воднокарбонатный расплав, лерцолит+ воднокарбонатный расплав при 3 и 6 ГПа. В качестве потенциальных фаз будут рассмотрены породообразующие минералы, в особенности клинопироксен и гранат, акцессорные минералы (апатит, монацит, ильменит, рутил, циркон, флогопит, амфибол, калишпат, бастнезит). Будут определены коэффициенты распределения редких элементов между различными по составу (K/Na, Ca#, CO2/H2O) карбонатитовыми расплавами-флюидами и породообразующими минералами эклогитового и перидотитового парагенезисов при 3 и 6 ГПа. Запланированные исследования позволят реконструировать мантийный генезис щелочных карбонатитовых комплексов, проследить метасоматические реакции и эволюцию состава карбонатитовых расплавов при их подъёме через астеносферу и литосферу и установить закономерности распределения редких (Nb, Ta) и редкоземельных (Ba-Sr) металлов, определяющих их рудоносность. Сопоставление данных в калиевых, натровых и промежуточных системах, прольет свет на генетические аспекты вариации соотношения Na/K в щелочных карбонатитовых комплексах.

Ожидаемые результаты
В результате исследования будут установлены составы карбонатитовых расплавов равновесных с гарцбцргитами, лерцолитами и верлитами при давлении соответствующем глубине 190 км, а также минимальная температура солидуса карбонатизированного перидотита в номинально безводных условиях и зависимости изменения состава данных расплавов с увеличением температуры от геотерм литосферной мантии до адиабаты конвективной мантии. Будут установлены субсолидусные ассоциации и реакции, контролирующие плавление карбонатизированного перидотита. Будет установлена P-T область жидкостной несмесимости для калиевого карбонатного и фонолитового расплавов. Будут установлены метасоматические реакции природного гранатового лерцолита и эклогита с калиевым алюмосиликатным (CO2-содержащем фонолитовым расплавом) и калиевым доломитовым расплавом, которые образуются при частичном плавлении материала континентальной коры, субдуцированного в виде океанических осадков или в результате коллизии континентов. Будет изучены метасоматические реакции щелочных водно-карбонатитовых расплавов-флюидов с природным лерцолитом и эклогитом; определены области устойчивости кристаллических карбонатов и водосодержащих минералов флогопита, калиевого рихтерита или паргасита в геотермальных условиях континентальной литосферной мантии и в зонах ее утонения (рифтов). Определение солидуса систем. В данных экспериментах будет установлено влияние соотношений Na2O/K2O/Al2O3/H2O на область температурной устойчивости ассоциации карбонатов, слюд и амфиболов в перидотите и эклогите. Результаты данных экспериментов позволят сделать выводы об условиях образования карбонат-флогопитовых метасом в основании литосферной мантии на границе с литосферой, а также установить P-T условия, при которых в процессе утонения литосферы и формирования рифтов будет происходить частичное плавление этих метасом и какие расплавы будут при этом генерироваться. Будут определены растворимости фосфора в породообразующих мантийных минералах и коэффициенты распределения фосфора между силикатными минералами и воднокарбонатными расплавами-флюидами. Будут определены коэффициенты распределения редких элементов: редких металлов (Cs, Ba, V, Ni, Cr, Ga, Ge, Pb, включая HFSE Nb, Ta, Zr, Hf), РЗЭ (Y, La-Lu) и радиоактивных элементов (U, Th), между карбонатитовыми и фонолитовыми расплавами в области их жидкостной несмесимости при 3 и 6 ГПа. Будут выявлены ключевые фазы-концентраторы редких металлов, редкоземельных и радиогенных элементов в системах эклогит+HDF, лерцолит+HDF при 3 и 6 ГПа. В качестве потенциальных фаз будут рассмотрены породообразующие минералы, в особенности клинопироксен и гранат, акцессорные минералы (апатит, монацит, ильменит, рутил, циркон, флогопит, амфибол, калишпат). Будут определены коэффициенты распределения редких элементов между различными по составу (K/Na, Ca#, CO2/H2O) карбонатитовыми расплавами-флюидами и породообразующими минералами эклогитового и перидотитового парагенезисов при 3 и 6 ГПа. Полученные данные приблизят нас к пониманию генезиса и факторов, контролирующих накопление рудных компонентов в щелочных карбонатитовых комплексах. Полученные результаты прольют свет на образование калиевых щелочных карбонатитовых комплексов, а также их возможную связь с мантийными ультракалиевыми жидкостями из включений в природных алмазах. На основании полученных данных будет проведен сравнительный анализ условий приводящих к образованию натровых и калиевых щелочных карбонатитовых комплексов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
По результатам исследования опубликованы три научные публикации в журналах Q1. Экспериментально исследованы фазовые взаимоотношения в системе лерцолит + K-Сa-Mg-Fe карбонатные расплавы с Ca# 10, 20, 30, 40 при 6 ГПа и 950-1500 °С. Установлено, что при 6 ГПа и 1100-1400 °С K-Сa-Mg-Fe карбонатный расплав с Ca# 29-35 находится в равновесии с гранатовым лерцолитом, а расплавы с Ca# ≤ 20 и ≥ 40 находятся в равновесии с гарцбургитом и верлитом соответственно. В тоже время, взаимодействие лерцолита с натровым карбонатным расплавом с Ca# 10, 20, 30, 40 при 6 ГПа и 1100-1200 °С приводит к верлитизации. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117395 Экспериментально изучены фазовые взаимоотношения и реакции плавления в эклогит-карбонатных системах (системы Ecl-N38, Ecl-K39) при 6 ГПа и 1100-1200 °С. Полученные результаты свидетельствуют о том, что щелочно-карбонатные расплавы, напоминающие карбонатно-хлоридные высокоплотные флюиды в алмазах, устойчивы в равновесии с базитовыми породами при температурах, соответсвующих геотермам субдукционной плиты, континентальной литосферы и астеносферы на глубине 200 км. Проведены эксперименты в системе лерцолит + CO2-содержащий фонолитовый расплав + K-Сa-Mg-Fe карбонатный расплав при 6 ГПа в интервале 1200-1500 °С. Выяснено, что взаимодействие лерцолита с несмесимыми фонолитовым и низкомагнезиальным карбонатным расплавами, образующимися при плавлении карбонатизированного метапелита, сопровождается реакцией с образованием ортопироксена и пиропа, в результате которой фонолитовый расплав расходуется, а карбонатный расплав становится высокомагнезиальным. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2022.106615 Экспериментально изучено взаимодействие гранатового лерцолита и эклогита с CO2-содержащим фонолитовым расплавом (Lhz/Ecl+20wt%L(S)) при 6 ГПа и 1200-1500 ⁰C. В результате было показано, что в случае с лерцолитом такое взаимодействие сопровождается реакцией, в результате которой SiO2 и Al2O3 фонолитового расплава реагируют с оливином с образованием ортопироксена и граната, в то время как K2O и CO2 поглощаются сосуществующим карбонатным расплавом. А в случае с эклогитом фонолитовый расплав полностью расходуется на образование клинопироксена, граната и карбонатного расплава, который существует во всем исследуемом интервале температур. Экспериментально изучены P-T области стабильности фонолитового расплава L(S) и двух расплавов L(S)+L(C) при 3, 4.5 и 6 ГПа и 1050-1500 °С. Показано, что фонолитовый расплав устойчив только при 6 ГПа выше 1350 °С, карбонатный расплав стабилен при температурах ниже 1100 °С при 3 и 4.5 ГПа и ниже 1250 °С при 6 ГПа, а P-T область стабильности карбонат-силикатной несмесимости заключена между ними. Начато исследование системы эклогит + щелочной воднокарбонатный расплав. Полученные данные будут использованы в качестве задела для исследования взаимодействия природных эклогитов и лерцолитов c щелочными воднокарбонатными расплавами/флюидами на следующем этапе проекта. https://doi.org/10.1016/j.gr.2021.10.016

 

Публикации

1. Шацкий А.Ф., Бехтенова А.Е., Арефьев А.В., Подбородников И.В., Литасов К.Д. Slab-derived melts interacting with peridotite: Toward the origin of diamond-forming melts Lithos, 412, 106615 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.lithos.2022.106615

2. Шацкий А.Ф., Бехтенова А.Е., Подбородников И.В., Арефьев А.В., Виноградова Ю.Г., Литасов К.Д. Solidus of carbonated phlogopite eclogite at 3-6 GPa: Implications for mantle metasomatism and ultra-high pressure metamorphism Gondwana Research, 103, 188-204 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.gr.2021.10.016

3. Шацкий А.Ф., Бехтенова А.Е., Подбородников И.В., Арефьев А.В., Литасов К.Д. Towards composition of carbonatite melts in peridotitic mantle Earth and Planetary Science Letters, 581, 117395 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117395

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Экспериментально изучены фазовые взаимоотношения и реакции плавления в эклогит-карбонатных системах (системы Ecl-N38, Ecl-K39) при 6 ГПа и 900-1500 °С. В системе Ecl-N38 субсолидусная ассоциация представлена гранатом, омфацитом, эйтелитом и небольшим количеством Na2Ca4(CO3)5. В системе Ecl-K39 субсолидусная ассоциация включает гранат, клинопироксен, K2Mg(CO3)2 и магнезит. Солидус обеих систем расположен при 950 °С и контролируется следующей реакцией: Ca3Al2Si3O12 (Grt) + 2(Na или K)2Mg(CO3)2 (Eit) = Ca2MgSi3O12 (Grt) + [2(Na или K)2CO3∙CaCO3∙MgCO3] (L). Весовое содержание кремния в расплаве увеличивается с температурой от < 1 при 950 °С до 3-7 при 1300 °С и 7-12 при 1500 °С. Таким образом, не наблюдается постепенного перехода от карбонатного до кимберлитоподобного (20-32 вес% SiO2) карбонат-силикатного расплава даже при температурах мантийной адиабаты. Эти результаты поддерживают предположения о том, что высокое содержание кремния в кимберлите является результатом реакций декарбонатизации, протекающих при малых давлениях. С увеличением температуры от 950 до 1500 °С, Ca# расплава варьирует от 58-60 до 42-46. Ифильтраиця такого расплава в перидотиовую мантию должно понижать его Ca# и преобразовывать гарцбургит в лерцолит и верлит. Ссылка: https://doi.org/10.3390/min13010082 Экспериментально изучена P-T области стабильности фонолитового расплава L(S) и двух расплавов L(S)+L(C). Согласно полученным результатам, фонолит-карбонатная жидкостная несмесимость образуется при 3 ГПа/1050 °С и 6 ГПа/1200 °С. При более низких температурах в опытах установлен карбонатный расплав, сосуществующий с твердыми фазами. Фонолитовый и карбонатный расплавы характеризуются высоким содержанием щелочей (K2O+Na2O 19-62 wt%). При 4.5 и 6 ГПа, в полученных фонолитовых и карбонатных расплавах K преобладает над Na. С понижением давления весовое соотношение K2O/Na2O как в карбонатном, так и в силикатном расплавах понижается от 22-40 при 6 ГПа до 1-3 при 3 ГПа. Схожесть расплавов, полученных экспериментально, с теми, что найдены во включениях в алмазах, мантийных ксенолитах и щелочных карбонат-содержащих комплексах указывают на то, что P-T область устойчивости фонолит-карбонатной жидкостной несмесимости может распространяться от P-T параметров образования сублитосферных алмазов до коровый условий. Ссылка: https://doi.org/10.3390/min13030443 Экспериментально изучено взаимодействие натрий-содержащих карбонатных расплавов, имеющих Ca# 10, 20, 30, 40 с лерцолитом (системы Lhz-N10, Lhz-N20, Lhz-N30, Lhz-N40) при 6 ГПа и 950-1500 °С. В результате было показано, что взаимодействие натрий-содержащих карбонатных расплавов, имеющих Ca# 10, 20, 30, 40 с гранатовым лерцолитом приводит к верлитизации, т.е. исчезновению ортопироксена. Полученные результаты были доложены в виде устных и стендовых докладов на конференции ВЕСЭМПГ-2023 (Хитариада-2023), г. Москва.

 

Публикации

1. Арефьев А.В., Шацкий А.Ф., Бехтенова А.Е., Литасов К.Д. Phonolite-Carbonatite Liquid Immiscibility at 3-6 GPa Minerals, 13, 443 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/min13030443

2. Шацкий А.Ф., Бехтенова А.Е., Арефьев А.В., Литасов К.Д. Melt Composition and Phase Equilibra in the Eclogite-Carbonate System at 6 GPa and 900-1500 C Minerals, 13, 82 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/min13010082