Критические соотношения флюидсодержащей верхней мантии

Под давлением все ухудшается
Законы Мерфи
Мерфи.. Искусство научных
исследований.
Критические соотношения
флюидсодержащей верхней мантии:
взаимодействие надкритических
флюидорасплавов с перидотитом
Горбачев Н.С.,
Н.С., Некрасов А.Н.
Институт экспериментальной минералогии РАН
Черноголовка
-
Флюиды оказывают эффективное влияние на
фазовые соотношения и плавление мантии.
В зависимости от Р
Р--Т силикатные
флюидсодержащие системы могут находиться в
докритических и сверхкритических условиях,
обусловленных высокой взаимной
растворимостью силикатных расплавов и
флюида.
-
Значит на большой глубине существуют
гомогенные сверхкритические флюидорасплавы?
-
А может и нет. РР-Т КТ и 2КТ ?
P-p фазовая диаграмма до (1), сверх (2) и критического (3)
состояния вещества. Вблизи критической точки КТ различия между
жидкой и газообразной фазой стираются, но происходят внутренние
изменения, которые классифицируются как фазовый переход 2 рода.
К-(.) перегиба
Необычные свойства критических флюидорасплавов
(Полежаев и др. 2001)
-гиперсжимаемость вблизи КТ ðP/ ðρðρ-> 0, ð2
ð2P
P/ ðρ2ðρ2-> 0, соответственно
обратныепроизводные – к бесконечности;(NO2,20mm, -дельта p-
10%,сжимаемость
10%,
сжимаемость в 50 тыс.раз больше, чем в атм.)
-
гипертепловое расширение –
-ðP/ ðТ -> ∞, отсюда коэффициент теплового расширения χ -> ∞;
(воздух, дельта Т=1град, дельта V=0.3%, если ТкритТкрит-дельта V в
2 раза)
-
эффект термостатирования,
-
гиперподвижность при незначительной неоднородности
коэффициент тепловой
диффузии D ->0, т.е. релаксация Т градиента происходит крайне
медленно
теплового поля: число Рэлея Ra – определяющее интенсивность
конвекции стремится к бесконечности, так как Ra
Ra=
=θχgl
θχgl3
3 / ((Dν
Dν.,
., В
формуле только D и χ – коэффициенты тепловой диффузии и
теплового расширения вблизи КТ сильно изменяются
изменяются,, D -> 0, χ->
∞, отсюда Ra
Ra--> ∞.
Фазовые соотношения в системе SiO2
SiO2--H2O при КТ (Р1, Р2) и
2КТ (Р3) давлениях. P3-где солидус?
солидус?
рs-практический солидус
Вторая конечная критическая точка 2КТ
(second critical end point)
point)
Наблюдается обратная зависимость между
критическими Р и Т. При понижении Т тренд
критических точек в надликвидусной области
заканчивается второй конечной критической
точкой 2КТ (second
(second critical end point
point)) на
пересечении водонасыщенного солидуса. При
давлении выше 2КТ не существует
флюидонасыщенного солидуса системы.
Можно определить лишь «мнимый» солидус.
Т-Р-Х диаграмма Ab
Ab--H2O
(Stalder et al. 2000)
ПЛАВЛЕНИЕ ФЛЮИДСОДЕРЖАЩЕГО ПЕРИДОТИТА ПРИ
ДОКРИТИЧЕСКИХ и надкритческих Р-Т УСЛОВИЯХ
(Wylie at al. 2000)
Фазовые соотношения в системе SiO2
SiO2--H2O. 2-критическая линия –
Р-Т-Х тренд критических точек, стабильная часть которой
заканчивается второй конечной критической точкой V (second
critical end point) при пересечении солидуса (II
(II--374oC, 220 atm, VV1080oC, 10.7 kb) (Keppler et al. 2005 )
II. СверхКРИТИЧЕСКИЕ РР-Т –Х УСЛОВИЯ
Niggli, 1920 – 1-й предположил наличие
Niggli,
надкритические соотношений в системе силикатный
расплав--флюид.
расплав
SiO2--H2O – Kennegy at. al., 1962 1-й эксперимент
SiO2
CaO--SiO2
CaO
SiO2--CO2CO2-H2O – Boettcher et al. 1969
Kushiro et. al., 1968
Рябчиков И.Д.
И.Д. 19801980-1982
Горбачев Н.С. 1989, 1990
Shen, Keppler. AbAb-H2O, 1997
Bureau, Keppler. gr, Jd, Ne, 1999
Kessel et al., basaltbasalt-H2O, 2005
Mibe et al., peridotitperidotit-H2O, 2006
Надкритические Т и Р зависят от состава
системы и флюида
Bureau, Keppler,
1999
Экспериментальное определение второй конечной критической
точки 2КТ - сложная задача.
SiO2--H2O -2КТ оцениваются в 0.97 ГПа и 1080оС (Kennedy et al.
SiO2
al.
1962),
MgO–
MgO
–SiO2–
SiO2–H2O – в 12 ГПа и 1000–
1000–1100оС (Stalder et al., 2001).
Эклогит–
Эклогит
–Н2О - 5–6 ГПа и 1000–
1000–1100оС. (Kessel
(Kessel et al
al.,
., 2005),
по другим данным - в 3,0 ГПа и 1000оС (Mibe
(Mibe et al.,
al., 2004, 2007).
В системе перидотитперидотит-Н2О координаты 2 КТ 3,8 ГПа и 1000оС (Mibe
et al., 2004, 2007), что согласуются с более ранними
экспериментальными данными И. Рябчикова (Р порядка 35 кбар, Т
- 1100оС (Рябчиков, 1988).
Силикатные системы с СО2+Н2О флюидом - можно ожидать
смещения КТ в сторону более высоких давлений, так как
добавление СО2 к водному флюиду уменьшает взаимную
растворимость силикатного расплава и флюида.
В системе СаО–
СаО–MgO
MgO–
–CO2
CO2–
–H2O – Р-Т 2 КТ - 3,2 ГПа и 515оС
(Boettcher, Wyllie, 1969).
Р-Т 2КТ в системе перидотит
перидотит–
–СО2
СО2–
–Н2О оцениваются в 7,5 ГПа и
1100оС (Wyllie, Ryabchikov, 2000).
Тест перехода системы в надкритическое состояние особенности фазовых соотношений и текстуры
закалочных экспериментальных образцов, которые
при одинаковом исходном составе системы и
методике существенно различаются для до
до-- и
сверхкритических условий.
Использовалось 2 экспериментальных приема:
1) Многоампульная методика с Pt
Pt--перидотитовой
ампулой;
2) Прямое плавление флюидсодержащего перидотита
в Au
Au,, Au
Au--Pd
Pd,, насыщенных железом Pt ампулах.
Особенности текстуры и фазового состава – критерий
докритических и надкритических Р
Р--Т-Х параметров
Характеристика закалочных образцов:
образцов:
ДОКРИТИЧЕСКИЕ РР-Т УСЛОВИЯ :
Закалочные образцы характеризуются массивной структурой,
обусловленной тем, что силикатное стекло - закалочный
силикатный расплав, цементирует силикатные и оксидные
(ликвидусные) минералы.
Образование закалочных фаз, несмесимых расплавов (сульфидных,
карбонатных) не изменяют массивную структуру образца.
НАДКРИТИЧЕСКИЕ РР-Т УСЛОВИЯ:
Дезинтеграция образцов с «рыхлой» или «галечной» структурой.
Отсутствует силикатное стекло,
стекло, цементирующее кристаллические фазы.
Состав: многофазная неравновесная ассоциация, «рыхлая» смесь
микролитов силикатных минералов, оксидов и их сростков
игольчатой, дендритовой формы, с глобулями AlAl-Si стекла,
сульфидов..
сульфидов
Gl
Ga
ol
Cpx
ms
Cpx
Gl
Рис. 1. Микрофотография полированного шлифа во вторичных
электронах:
слева - частичное плавление эклогита. 1400оС, 4 GPa,
справа - перидотита+Н2О+СО2, 1350оС, 2.5 GPa
Mss
Mss
Cpx закал
Gl
1. Метод перидотитовой ампулы.
Особенности текстуры и состава закалочных образцовобразцов-критерий
докритических и надкритических РР-Т-Х параметров
Gl
Ms
Перидотит
1 А. Система перидотит-базальт-летучий. Слева – с Н2О+СО2 ,
докритические, справа – с Н2О флюидом, сверхкритические условия. .
Р-Т > 2 Second Crit. end point. Т=1400ºС, Р=4 GPa.
1 Б. Система перидотит (ампула)(ампула)-базальт
базальт-- (K,Na)2CO3+H2O.
(K,Na)2CO3+H2O.
Взаимодействие парциального сверхкритического
флюидорасплавов с перидотитом: 1400оС, 40
40 кбар
Перидотит ампула
Перидотит ампула
Базальт
Базальт
1 б. Система перидотит (ампула)
(ампула)--базальт - (K,Na)2CO3+H2O.
(K,Na)2CO3+H2O.
1400оС, 40 кбар.
а-закалочный сверхкритический флфл-расплав, бб-рестит
а
б
Базальт (Cpx+Opx+Bi++Gl+Ms)
Перидотит
1б. Система перидотит (ампула)(ампула)-базальт (K,Na)2CO3+H2O.. 1400оС, 40
(K,Na)2CO3+H2O
40 кбар.
Взаимодействие сверхкритического флюидораплава с
перидотитом
Cpx
Opx
Ol
Flog
KCpx
Ol
C
Gl
Opx
Ol
Cpx
Opx
Cpx
Flog
1б. Фазовый состав
SiO2
1400oC, 4 Gpa,
перидотит+базальт+Mss
(K,Na)2CO3+H2O+CO2
0,00 1,00
перидотит
?
Gl glob Al-Na-K
Opx
0,75
0,25
+MSS
Ol
0,50
CaCpx
KCpx
0,50
Flog
0,75
1,00
CaO 0,00
0,25
Ca carbonat
0,25
0,50
0,75
0,00
MgO
1,00
2. Система перидотит–
перидотит–Н2О. Взаимодействие парциального
сверхкритического флюидорасплава с перидотитом. 1300оС, 40
кбар.
«Галечная» структура закалочного образца.
Докритические
Т-Р условия
Ol
Ol
Grt
Gl
Chr
Grt
Ms
Ol
2. Система перидотит –Н2О. Взаимодействие парциальногшо
сверхкритического флюидорасплавов с перидотитом.
1400оС, 4 0 кбар
Cpx
Grt
Ol
Ну и что?
-
На большой глубине существуют гомогенные сверхкритические
флюидорасплавы. Признаки в геологических объектахобъектах-включеня
в алмазах.
- Дезинтеграция – тектонические нарушения, флюиднофлюидно- магмо
проводники, плюмы.
- Сверхкритические флюидорасплавы и мантийный метасоматоз,
кимберлитовая магма. гиперсжимаемость, гипертепловое
расширение, высокоая подвижность, способностью к интенсивной
конвекции
- Мантия с протолитами океанической коры – сверхкритический
флюидорасплав.
- Астеносфера – силикатный субстрат+ сверхкритический
флюидорасплав.
- Переход из надкритических условий в докритические?
Благодарю за внимание
Свойства сверхкритических флюидов
Исходя из термодинамики систем жидкостьжидкость-газ с
фазовыми переходами второго рода сверхкритические
флюидорасплавы должны обладать необычными
свойствами:
гиперсжимаемость,
гипертепловое расширение,
характеризоваться высокой подвижностью,
способностью к интенсивной конвекции при
незначительной неоднородности теплового поля.
Такие эффекты отмечены в простых системах при
существенно более низких РР-Т параметрах, чем
силикатные. Имеющие геологическое значение системы
силикат--летучий в этом отношении не изучены.
силикат
Методы изучения
Прямое наблюдение
Алмазные наковальни
Ab
Ab--H2O
Shen, Keppler, 1997
I. ЧАСТИЧНОЕ ПЛАВЛЕНИЕ
ФЛЮИДСОДЕРЖАЩЕГО ПЕРИДОТИТА ПРИ
ДОКРИТИЧЕСКИХ РР-Т УСЛОВИЯХ
В сухих условиях и в присутствии летучих
закалочные образцы характеризуются
массивной структурой, обусловленной тем,
что силикатное стекло - закалочный
силикатный расплав, цементирует
силикатные и оксидные (ликвидусные)
минералы.
Образование в некоторых условиях
закалочных фаз, несмесимых расплавов
(сульфидных, карбонатных) не изменяют
массивную структуру образца.
Критические параметры в базитбазит-гипербазитовых
системах
Критические Т и Р зависят от состава системы и
флюида, возрастают с увеличением основности
системы, СО2 –увеличивает, HCl, HF – уменьшают P-T
FoFo-En
En--H2O – 12
12--13 ГПа (Stalder et al. 2001) ?
Лерцолит+Н2О+СО2 – 8 ГПа (Wyllie,Ryabchikov
(Wyllie,Ryabchikov,,
2000)?
Базальт+Н2О – 5-6 ГПа, (Kessel
(Kessel et al. 2005)
Перидотит+H2O
Перидотит
+H2O – 3.8 ГПа, (Mibe
(Mibe et al. 2005)
2005), Базальт
(эклогит) + перидотит + H2O - 3.83.8-4.0 ГПа, (наши
данные)
Сверхкритические флюиды
В зависимости от РР-Т условий, состава силикатной компоненты и
флюида, силикатные флюидсодержащие системы могут
переходить в сверхкритическое состояние, обусловленное тем,
что с увеличением давления взаимная растворимость водного
флюида и силикатных расплавов увеличивается.
При РР-Т давлении и температуре в критической точке КТ различия
между флюидом и водосодержащим расплавом стираются,
наблюдается полная физикофизико-химическая тождественность и
смесимость между расплавом и флюидом, но происходят
внутренние изменения, которые классифицируются как фазовый
переход второго рода.
-
Эти особенности мантийных флюдсодержащих силикатных
систем дают основание полагать, что на большой глубине
существуют гомогенные сверхкритические флюидорасплавы.
-
А может и нет.
Надкритические условия: характеристика
закалочных образцов
Дезинтеграция образцов с «рыхлой» или «галечной»
структурой.
Отсутствует, силикатное стекло, цементирующее
кристаллические фазы.
Состав: многофазная неравновесная ассоциация,
«рыхлая» смесь микролитов силикатных минералов,
оксидов и их сростков игольчатой, дендритовой
формы, с глобулями Al
Al--Si стекла, сульфидов.
сульфидов.
Форма выделений силикатных стекол и минералов
характерна для закалочных фаз, выпадающих из
растворов или флюида.
Надкритические флюидорасплавы взаимодействуют с
минералами перидотита (растворение, образование
реакционных кайм, закалочных фаз).
Перидотит--базальт
Перидотит
базальт--Н2О
Н2О.. 1400оС, 40 кбар,
кбар, составы закалочных
фаз
SiO2
0,00 1,00
glob Gl
+ Mss glob
Al-Si -t
Gl 1
0,75
Opx
Ni-Ol
0,25
0,50
Gl 2
0,50
Ol
0,75
0,25
W ol ?
1,00
CaO 0,00
0,25
0,50
0,75
0,00
1,00
MgO
Введение
-Флюиды оказывают эффективное влияние на фазовые
соотношения и плавление мантии.
-В зависимости от РР-Т силикатные флюидсодержащие
системы могут находиться в докритических и
сверхкритических условиях.
-Существование критических соотношений обусловленно
высокой взаимной растворимостью флюида в силикатном
расплаве и силикатов во флюиде с увеличением Р и Т.
-При критических Р и Т наблюдается полная смесимость
между расплавом и флюидом
Система SiO2SiO2-H2O. 22-критическая линия – Р-Т-Х тренд критических
точек, стабильная часть которой заканчивается второй конечной
критической точкой V (second critical end point) при пересечении
солидуса (V
(V-1080oC, 10.7 кбар
кбар))
Т-Р-Х диаграмма Ab
Ab--H2O (Stalder et al. 2000)
Gl
Grt
Ol
Gl
Cpx
ms
Cpx
Gl
Рис. 1. Микрофотография полированного шлифа во вторичных
электронах:
слева - частичное плавление эклогита. 1400оС, 40 кбар,
справа - перидотита+Н2О+СО2, 1350оС, 2.5 GPa
Образование закалочных фаз, несмесимых
расплавов (сульфидных, карбонатных) не
изменяют массивную структуру образца.
Ms
Cpx+Gl
Gpx+Gl
Grt
Ol
Ol
«Галечная» текстура. Система перидотит-Н2О,
1400оС, 4 GPa. Реликты Ol замещаются Ga+Cpx
Благодарю за внимание