Система CaCO₃ √ NaAlSi₂O₆ в условиях мантии: формирование граната и плотного СО₂-флюида

(эксперимент при 7.0 ГПа)

Литвин В.Ю.*, Литвин Ю.А.**, Кадик А.А*.

*ГЕОХИ**ИЭМ РАН

В работе исследована система CaCO₃ √ NaAlSi₂O₆ (жадеит) при давлении 7.0 ГПа и температурах, отвечающих мантийным геотермам и условиям формирования алмаза. CaCO₃ относится к представительным компонентам мантийных карбонатитов, флюид-карбонатитовых первичных включений в алмазах и других минералах, формирует основную массу неизмененных кимберлитов. Жадеит NaAlSi₂O₆ стабилен при высоких мантийных давлениях (Litvin, Gasparik, 1993) и является ключевым компонентом омфацитовых клинопироксенов. Экспериментальные исследования химически подобной системы CaCO₃ √ NaAlSi₃O₈ (альбит) проводились при давлениях до 2.5 ГПа; сообщалось об эффекте карбонатно-силикатной жидкостной несмесимости (Lee, Wyllie, 1996).

Фазовые отношения при плавлении системы CaCO₃ √ NaAlSi₂O₆ изучались при 7.0 ГПа и 1000- 1600^оС с использованием аппарата высокого давления типа ╚наковальня с лункой╩, калиброванного по кривой равновесия графит-алмаз.

Для составов, богатых жадеитовым компонентом, открыта новая реакция с участием CaCO₃ и NaAlSi₂O₆. Реакция инициируется формированием карбонатных расплавов при температурах солидуса и выше. Предварительное уравнение реакции может быть представлено в виде 2NaAlSi₂O₆ (твердая фаза) + 3CaCO₃ (расплав) = Ca₃Al₂Si₃O₁₂ (твердая фаза) + Na₂CO₃ (расплав) + SiO₂ (твердая фаза) + 2CO₂ (флюид). Способ формирования граната гроссулярового состава Ca₃Al₂Si₃O₁₂ связан с образованием в однородно перемешанной мелкозернистой стартовой карбонат-жадеитовой среде множества мелких капель карбонатного расплава, которые быстро стягиваются в крупные карбонатные капли. Твердый жадеит интенсивно растворяется в таких крупных карбонатных каплях, в формирующемся растворе NaAlSi₂O₆ компоненты реагируют с  CaCO₃ √ компонентами капли с нуклеацией гроссуляровой фазы по всему объему капли. Интересно, что в результате сопряженного действия указанной реакции и роста гроссуляра формируется единственный крупный монокристалл гроссуляра в объеме каждой отдельной капли. Стадии роста документированы картинами СЭМ. Рост монокристаллов гроссуляра прекращается, когда полностью расходуется CaCO₃ на формирование Ca₃Al₂Si₃O₁₂ и Na₂CO₃. При росте гроссуляра формируется Na-Ca- карбонатный расплав, щелочность которого прогрессивно возрастает. По косвенным признакам в ходе реакции происходит формирование плотного СО₂-флюида, который в условиях эксперимента всегда находится в растворенном состоянии в карбонатитовом расплаве и не образует свободную флюидную фазу. Рассматриваемая реакция может представлять интерес как пример химического механизма формирования мантийных карбонатитовых расплавов,   содержащих в растворенном состоянии плотный СО₂-флюид. В ходе химической эволюции карбонатитовых магм и изменения РТ условий, плотный СО₂-флюид может выделяться и формировать собственную флюидную фазу. Возможно, этот механизм осуществляется в кимберлитовых магма во время их эксплозивного внедрения.

Для составов системы CaCO₃ √ NaAlSi₂O₆, богатых карбонатным компонентом, фазовые отношения при плавлении при 7.0 ГПа характеризуются полной жидкостной смесимостью карбонатных и силикатных компонентов (арагонит является ликвидусной фазой). Таким образом, экспериментальные результаты показывают существенное влияние высоких давлений на химические и фазовые реакции в мантийных карбонатитовых системах.

Поддержка: совместный грант ╧ 04-05-97220 РФФИ и Министерства науки и пормышленности Московской обл., программа РАН 2004/╧11-ОНЗ по исследованиям при высоких давлениях.