МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»

(Новосибирский государственный университет, НГУ)

Геолого-геофизический факультет

Квалификационная работа

на соискание степени бакалавра геологии

Тема:

Экспериментальное исследование фазообразования в системах Fe₃C-Fe₂O₃ и Fe₃C-Fe₂O₃-SiO₂-MgO при 6,3 ГПа и 1000-1600^оС

Работа выполнена на кафедре минералогии и петрографии

и в лаборатории «Экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса»

Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН

Выполнил: студент 0502 гр. С.И. Шабалин

Научный руководитель:

____________________д.г.-м.н. Ю.Н. Пальянов

Новосибирск. 2014 Оглавление

Глава 1. Введение...............................................…………………………………3

Глава 2.Методика исследований

2.1.Аппаратура для проведения экспериментов…………………………..8

2.2. Исходные вещества и подготовка к проведению экспериментов…..13

2.3. Методы изучения образцов после эксперимента…………………….15

Глава 3. Результаты экспериментов

3.1. Экспериментальные исследования, проведенные с использованием ампул из MgO и тальковой керамики…………………………………………..16

3.2. Экспериментальные исследования, проведенные с использованием графитовых ампул........................................................................……...………...25

Заключение.............................................................................................................40

Список литературы................................................................................................41

Глава 1. Введение

Информацию о процессах минералообразования в мантии, а именно о параметрах, химизме и составе среды несут включения в алмазах, так как эти включения сохраняются неизмененными благодаря высокой механической прочности алмаза и его химической устойчивости [Соболев, 1974; Буланова и др. 1993]. Самыми распространенными алмазоносными породами являются эклогиты и перидотиты из ксенолитов кимберлитов. Для перидотитового парагенезиса характерными минеральными включениями являются: оливин, хромсодержащий пироп, низкожелезистый клинопироксен с примесью хрома, сульфиды (пентландит, моносульфидный твердый раствор, на основе пентландита), хромит, энстатит. Менее распространенны включения пикроильменита, флогопита, циркона, титанатов сложного состава [Соболев, 1974; Буланова и др. 1993; Stachel et al. 2007; Shirey et al. 2013]. Для эклогитового парагенезиса характерны включения омфацита, низкохромистого граната пироп-гроссуляр-альмандинового состава, сульфидов (пирротин, халькопирит, моносульфидный твердый раствор на основе пирротина). Более редки включения кианита, рутила, коэсита, корунда, ставролита, циркона, калиевого полевого шпата [Соболев, 1974; Буланова и др. 1993; Stachel et al. 2007; Shirey et al. 2013].

В алмазах как эклогитового, так и перидотитового парагенезисов были установлены изолированные включения металлического железа и карбидов железа [Sharp 1966; Sobolev et al. 1989; Stachel et al. 1998; Jacob et al. 2004, Shirey et al. 2013], и их срастания с графитом [Bulanova and Zayakina 1990]. В ассоциации вместе с металлическим железом часто встречаются его оксиды. Магнезиовюстит – один из наиболее часто встречаемых минералов во включениях, распространенность которого сопоставима с частотой встречаемости омфацита [Kaminsky, 2012]. В алмазах из трубок «Мир» и «Финч» были обнаружены включения магнезита [Буланова, Павлова, 1987; Wang, 1996; Luth, 2003; Izraeli et al., 2004; Dobrzhinetskaya et al., 2006]. Кроме того, CaCO3 в виде включений в алмазе был описан совместно с оливином Fo₉₅ [McDade, Harris, 1999].

Кроме минеральных включений, в алмазах обнаружены и флюидные включения, которые были найдены в кубических и волокнистых алмазах Канады [Klein-BenDavid et al., 2007; Tomlinson et al., 2006], Бразилии, Якутии [Zedgenizov et al., 2007; Zedgenizov et al., 2009], Ботсваны, Заира и ЮАР [Israeli et al., 2001]. По составу выделяют три крайних разновидности: карбонатную, обогащенную Ca-Mg-Fe и P, силикатную и солевую. Cиликатные флюиды богаты SiO₂ до 45%, H₂O, Al₂O₃. Солевые богаты K₂O, Na₂O, H₂O, Cl. [Israeli et al., 2004; Tomlinson et al., 2006; Klein-BenDavid et al., 2007; Zedgenizov et al., 2007; Zedgenizov et al., 2009; Kopylova et al., 2010].

Согласно экспериментальным исследованиям, мантия с глубин порядка ~250 км и более, включая переходную зону и нижнюю мантию, содержит металлическое железо [Frost et al. 2004; Rohrbach et al. 2007; Dasgupta et al. 2010; Rohrbach et al. 2011]. Если мантия сильно деплетирована (С 10-30 ppm), то весь углерод будет растворен в металлическом расплаве железа, однако на более обогащенных легкими элементами участках мантии (С до 500 ppm), будут образовываться карбиды железа и металлический расплав, не содержащий углерода [Lord et al. 2009; Dasgupta et al. 2010].

Оценки температуры и давления мантийного алмазообразования по минеральным включениям дают интервалы 4-6,5 ГПа и 900-1500 ^оС. Для флюидных включений установлено внутреннее давление в интервале 1,5-2 ГПа, что в пересчете на мантийные температуры составляет 4-7 ГПа и соответствует глубинам 180-250 км [Соболев, 1974; Meyer, 1987; Harris, 1992].

Одним из фундаментальных параметров мантии является её окислительно-восстановительное или редокс состояние, численно выражающееся через фугитивность кислорода (O₂). Именно фугитивностью кислорода определяется фазовое состояние углерода при мантийных P-T параметрах. Будет это карбид, алмаз или графит, карбонаты, СН₄, СО₂, СО, входящие в состав флюида, карбонатитовые расплавы или расплавы богатые СО₂ [Кадик, 2006, Shirey et al. 2013]. Значения фугитивности кислорода зависят от окислительно-восстановительных реакций с участием элементов с переменной валентностью, в первую очередь реакций с участием железа (Fe²⁺, Fe³⁺, Fe⁰).

Исследования ксенолитов алмазоносных пород, а также включений в алмазах показывают, что показатели фугитивности кислорода в литосферной мантии варьируют. Для внекратонных областей значения фугитивности лежат в области буфера FMQ (фаялит-магнетит-кварц). В кратонных, более мощных, областях литосферной мантии значения летучести лежат в области близкой к буферу IW, что подтверждается находками таких минералов во включениях в алмазах, как вюстит, металлическое железо и карбиды [Luth et al. 1990; Woodland and Koch, 2003; Кадик, 2006; Shirey et al. 2013]. То есть восстановленность мантии увеличивается с глубиной. С другой стороны во включениях также были установлены окисленные соединения, такие как карбонаты, оксиды, обогащенные CO₂ флюиды, что свидетельствует о том, что на некоторых участках мантия имеет более высокие значения фугитивности кислорода. Учитывая гетерогенность мантии по O₂, может происходить взаимодействие между окисленными и восстановленными участками.

Процессы минералообразования, происходящие при взаимодействии окисленного и восстановленного вещества в мантии слабо изучены, прежде всего из-за методических трудностей. В лаборатории экспериментальной минералогии и кристаллогензиса ИГМ СО РАН была разработана методика и проведено несколько серий экспериментов по моделированию данных процессов, в системах металлическое железо – карбонат и карбид – карбонат [Palyanov et al. 2013]. В результате данных исследований было установлено, что при взаимодействии карбоната и металлического железа образовывалась ассоциация, состоящая из карбида, магнезиовюстита и ферромагнезита, а также происходила генерация металлического и карбонатно-оксидного расплава. В результате образовывался свободный углерод: графит, происходила нуклеация алмаза и рост алмаза на затравках.

Учитывая стабильность карбида железа, в условиях восстановленной мантии и его неустойчивость при повышении фугитивности кислорода, представляется актуальным проведение исследований в системе карбид-оксид. Для моделирования процессов карбид-оксидного взаимодействия была проведена серия из 14 экспериментов в системах Fe₃C-Fe₂O₃ и Fe₃C-Fe₂O₃-SiO₂-MgO, при давлении 6,3 ГПа, в интервале температур 1000-1600 ^оС и длительностью 18-20 часов на беспрессовом многопуансонном аппарате высокого давления типа «разрезная сфера» (БАРС).

Целью данного исследования является экспериментальное моделирование процессов карбид-оксидного взаимодействия, как потенциального углерод-продуцирующего процесса в литосферной мантии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Проанализировать имеющиеся литературные данные по включениям в алмазах, предыдущим экспериментальным исследованиям, связанным с окислительно-восстановительными реакциями при мантийных параметрах.

2. Освоить методику проведения экспериментов при высоких P,T - параметрах в железосодержащих системах.

3. Провести серию экспериментов в системах Fe₃C-Fe₂O₃ и Fe₃C-Fe₂O₃-SiO₂-MgO, при P=6.3 ГПа и интервале температур 1000-1600 ºС.

4. Изучить продукты экспериментальных исследований с помощью сканирующей и оптической микроскопии, микрозондового анализа.

5. Провести анализ полученных данных.