Крупномасштабное фракционирование редкоземельных элементов в мантии кратонов
Rare earth element (REE) abundances in clinopyroxene and garnet from xenoliths entrained by kimberlites of the Kaapvaal craton, South Africa, and the Somerset Island, Canada, show a strong and species-dependent variation vs. pressure in a depth range of 70 to 200 km. As a result, the interelement ra...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2442 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Крупномасштабное фракционирование редкоземельных элементов в мантии кратонов / О.В. Арясова, Я.М. Хазан // Доп. НАН України. — 2007. — N 8. — С. 110-115. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859843612999680000 |
|---|---|
| author | Арясова, О.В. Хазан, Я.М. |
| author_facet | Арясова, О.В. Хазан, Я.М. |
| citation_txt | Крупномасштабное фракционирование редкоземельных элементов в мантии кратонов / О.В. Арясова, Я.М. Хазан // Доп. НАН України. — 2007. — N 8. — С. 110-115. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Rare earth element (REE) abundances in clinopyroxene and garnet from xenoliths entrained by kimberlites of the Kaapvaal craton, South Africa, and the Somerset Island, Canada, show a strong and species-dependent variation vs. pressure in a depth range of 70 to 200 km. As a result, the interelement ratios of the REE vary across the upper mantle. This effect can be referred to as a REE large-scale space fractionation. Based upon a strong correlation between the activation energies of the REE diffusion in clinopyroxene, and the logarithmic slopes Γ of the abundance vs. pressure dependence, Γ = –d log C(P)/dP, we speculate that the space fractionation had accompanied mantle melting events and was due to a nonequilibrium REE partition between the melt and the solid residue. A simplified model of the mantle partial melting, which takes into account a PT dependent diffusive exchange between the melt and the multimineral solid residue and a non-modal character of peridotite melting indicates that the observed strong fractionation is resulted from a high degree (10–20%) partial melting of a depleted peridotite (a few wt% of clinopyroxene).
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:38:10Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 552.323
© 2007
О.В. Арясова, Я. М. Хазан
Крупномасштабное фракционирование редкоземельных
элементов в мантии кратонов
(Представлено академиком НАН Украины В. И. Старостенко)
Rare earth element (REE) abundances in clinopyroxene and garnet from xenoliths entrained
by kimberlites of the Kaapvaal craton, South Africa, and the Somerset Island, Canada, show
a strong and species-dependent variation vs. pressure in a depth range of 70 to 200 km. As
a result, the interelement ratios of the REE vary across the upper mantle. This effect can be
referred to as a REE large-scale space fractionation. Based upon a strong correlation between
the activation energies of the REE diffusion in clinopyroxene, and the logarithmic slopes Γ of
the abundance vs. pressure dependence, Γ = −d log C(P )/dP , we speculate that the space fracti-
onation had accompanied mantle melting events and was due to a nonequilibrium REE partition
between the melt and the solid residue. A simplified model of the mantle partial melting, which
takes into account a PT dependent diffusive exchange between the melt and the multimineral
solid residue and a non-modal character of peridotite melting indicates that the observed strong
fractionation is resulted from a high degree (10–20%) partial melting of a depleted peridotite
(a few wt% of clinopyroxene).
Распределение примесей между расплавом и реститом в частично расплавленных систе-
мах происходит диффузионным образом и контролируется коэффициентами распределения
D = C/y, которые определяются как отношение концентраций примеси в твердой фазе C
и расплаве y, соответственно. При этом обычно предполагается, что в системе расплав —
рестит существует полное диффузионное равновесие, так что распределение примеси как
в расплаве, так и в каждом из минералов рестита однородно. Фактически, однако, диффу-
зионное равновесие требует значений безразмерного времени диффузии τ = κt/R2 порядка
единицы и, следовательно, полное равновесие может быть достигнуто только тогда, когда
отношение t/R2 времени t контакта между расплавом и реститом к квадрату характерно-
го радиуса зерен R порядка κ−1, где κ — коэффициент диффузии. В реальных условиях
полное диффузионное равновесие может оказаться недостижимым, причем как факт его
отсутствия, так и степень отклонения от него содержат важную информацию об особенно-
стях протекавшего магматического процесса, например, [1–3].
В настоящей работе показано, что характер зависимости содержаний редкоземельных
элементов (РЗЭ) в клинопироксене и гранате ксенолитов, вынесенных кимберлитами, от
давления значительно и закономерно изменяется вдоль группы РЗЭ. При этом наблюда-
емые особенности вариаций отношений РЗЭ в масштабах верхней мантии естественным
образом объясняются неравновесной дифференциацией РЗЭ между расплавом и полими-
неральным реститом вследствие частичного плавления высокой степени и последующей
сегрегации образовавшихся магм.
Наблюдаемая зависимость концентраций РЗЭ в клинопироксене и грана-
те мантии кратонов от давления. На рис. 1 в качестве примера показаны зависи-
мости от давления P (ГПа) концентраций C (ppm) легких (La), средних (Eu) и тяже-
лых (Yb) РЗЭ в клинопироксене и гранате из ксенолитов кимберлитов кратона Каапва-
110 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №8
Рис. 1. Концентрации (C) La, Eu и Yb в клинопироксене (левая колонка) и гранате (правая колонка) из
ксенолитов кимберлитов кратона Каапвааль [4–6] и о. Сомерсет, Канада [7] в зависимости от давления (P )
аль, Южная Африка, и о. Сомерсет, полярная Канада. Использованы аналитические дан-
ные работ [4] (клинопироксен и гранат из 23 образцов гранатовых лерцолитов из трубок
Бултфонтейн, Ягерсфонтейн, Монастери и Премьер), [5, 6] (гранаты из 11 образцов пе-
ридотитов трубки Ягерсфонтейн) и [7] (клинопироксен и гранат из 11 образцов гранато-
вых перидотитов и гранатовых пироксенитов из кимберлита Никос, о. Сомерсет, Кана-
да), а также данные геотермобарометрии для тех же ксенолитов. Никакой зависимости
от географического положения или возраста кимберлитов не было обнаружено, поэтому
на рис. 1 данные, относящиеся к различным кимберлитам, показаны одними и теми же
символами.
Графики на рис. 1 приведены в полулогарифмическом масштабе. Концентрации РЗЭ
примерно экспоненциально зависят от давления. Прямые линии показывают линейную ре-
грессию ln C на P :
ln Ck
i = Ak
i − Γ
k
i P, (1)
где верхний индекс k отличает РЗЭ (La, Ce, . . . ), нижний индекс i отмечает минераль-
ную фазу (i: ol, opx, cpx, gt), а наклон Γ
k
i (ГПа−1) этих прямых и его зависимость от
k (т. е., от РЗЭ) является новой и наиболее важной характеристикой пространственного
фракционирования, которое рассматривается в этом сообщении. Ниже для краткости ин-
дексы, различающие РЗЭ и модальные минералы, опускаются, если это не может привести
к неоднозначности.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №8 111
Рис. 2. Наклоны Γ прямых линейной регрессии lnC на P (уравнение (1)) для содержаний РЗЭ в клинопи-
роксене (кружки) и гранате (квадраты).
Погрешности показывают доверительный интервал на уровне 95%
Наклоны Γ для большинства РЗЭ в клинопироксене и гранате вместе с доверительным
интервалом на уровне 95% показаны на рис. 2. Как видно из этого рисунка, наклоны Γ ли-
нейной регрессии ln C на P для РЗЭ в клинопироксене (кружки) почти монотонно убывают
от лантана Γ
La
cpx = +1 ГПа−1 до лютеция Γ
Lu
cpx = −0,15 ГПа−1. Для РЗЭ в гранате Γ изменя-
ется в пределах от +0,3 до –0,3 ГПа−1. Несмотря на довольно значительные погрешности,
можно определенно заключить, что зависимости содержаний РЗЭ в клинопироксене и гра-
нате от давления существенно различаются. Кроме того, поскольку деплетирование пород
проявляется в уменьшении содержания некогерентных элементов, то быстрое уменьшение
содержания легких РЗЭ в клинопироксене с глубиной в диапазоне давлений 2–6 ГПа свиде-
тельствует о возрастании степени деплетирования. Кроме того, с глубиной изменяются ме-
жэлементные отношения РЗЭ, т. е. наблюдается пространственное фракционирование РЗЭ
в масштабах верхней мантии.
Основная модель. Зависимость распределения примеси в мантии от ионного радиуса
может обеспечить единственный эффект — химическая дифференциация, т. е. диффузион-
ное распределение химического элемента между контактирующими фазами. Это подтверж-
дается, в частности, сильной скоррелированностью наклонов Γ для РЗЭ в клинопироксене
и энергии активации диффузии РЗЭ в клинопироксене, очевидной из рис. 3. Мы будем
говорить о дифференциации как о равновесной, если продолжительность контакта между
расплавом и реститом достаточно велика и система успевает достичь диффузионного рав-
новесия. В противном случае будем называть дифференциацию неравновесной.
Физически, причина наблюдаемого эффекта, вероятнее всего, связана с тем, что коэф-
фициент диффузии легких РЗЭ в клинопироксене, энергия активации диффузии которых
велика (рис. 3), быстро возрастает с глубиной. Вследствие этого, характерное время диф-
фузии легких РЗЭ в зернах клинопироксена с глубиной убывает, а степень деплетирования
возрастает.
Для количественной иллюстрации того, как возникает пространственное фракциони-
рование РЗЭ, мы рассмотрели упрощенную модель частичного плавления мантии. По-
скольку температуропроводность (∼ 10−6 м2/с) много больше коэффициента диффузии
(< (10−18–10−17) м2/с), можно считать, что плавление происходит быстро по сравнению
112 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №8
Рис. 3. Корреляция между наблюдаемыми наклонами Γ линейной регрессии ln C на P (см. уравнение (1))
для содержаний РЗЭ в клинопироксене верхней мантии и энергией активации диффузии РЗЭ в клинопи-
роксене [3]
с установлением диффузионного равновесия. Дополнительным существенным упрощением
является то, что можно пренебречь неоднородностью распределения примесей в расплаве,
поскольку диффузия в расплаве является намного более быстрой (∼ (10−12–10−11) м2/с),
чем в твердой фазе. После плавления расплав в течение некоторого времени t диффузион-
но обменивается примесями с реститом, а затем покидает систему. На каждом глубинном
уровне мы рассмотрели задачу о диффузионном обмене между расплавом и полиминераль-
ным реститом, после чего рассчитали для каждого из РЗЭ наклон зависимости концен-
трации от давления Γ
k
i = −d ln Ck
i /dP , где индексы имеют тот же смысл, что в уравне-
нии (1).
Характер дифференциации РЗЭ в мантии определяется следующими параметрами:
1) геотермой в эпоху плавления; 2) зависимостью коэффициентов распределения рас-
плав-минерал от РТ -условий и состава; 3) зависимостью коэффициентов диффузии от
РТ -условий и состава; 4) модальным составом пород и его изменением вследствие плав-
ления; 5) распределением РЗЭ в мантии до плавления; 6) размером зерен минералов и про-
должительностью контакта расплава с реститом. Выбор этих параметров кратко обсуж-
дается ниже.
1. Мы воспользовались параметризацией плавления мантийного лерцолита, предложен-
ной в работе [8], которая позволяет рассчитать температуру частично расплавленной ман-
тии как функцию давления и степени плавления. Температуры, предсказываемые этой мо-
делью, в общем, согласуются с данными об условиях генерации коматиитов (например, [9])
и лабораторными данными о плавлении сухого лерцолита (см. [8] и ссылки там).
2. Коэффициенты распределения рассчитывались при помощи феноменологической мо-
дели упругой деформации решетки [10, 11]. Отметим, что если хотя бы один из коэффи-
циентов распределения примеси между расплавом и минералом рестита отличен от нуля,
задача требует численного решения.
3. Значения коэффициентов диффузии в настоящее время измерены только для части
РЗЭ в некоторых мантийных минералах. Мы возпользовалились лабораторными данными
о диффузии La, Ce, Nd, Sm, Dy, Er, Yb в клинопироксене и гранате [12, 13]. Пренебреже-
ние остальными минеральными фазами не вносит заметной погрешности в силу малости
коэффициентов распределения РЗЭ между ними и расплавом.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №8 113
Рис. 4. Неравновесная дифференциация вследствие плавления деплетированного перидотита с массовым
содержанием 3% клинопироксена и 6% граната.
Линии — рассчитанные наклоны Γ = −d ln C/dP для РЗЭ в клинопироксене (кружки) и гранате (квадраты)
(сплошные линии — степень плавления φ = 10%, штриховые — φ = 20%, пунктир — φ = 40%)
4. Мы рассмотрели два варианта состава мантийных пород, испытывающих частичное
плавление. Фертильным перидотитом мы будем называть породу, которая исследовалась
Уолтером [14] в экспериментах по частичному плавлению и содержала при давлении 3 ГПа
около 27% по массе клинопироксена и 4% по массе граната. Минеральный состав рестита
зависит от давления и, кроме того, от степени плавления [14], т. е. плавление не является
модальным. Деплетированным перидотитом будем называть породу с массовым содержани-
ем клинопироксена 3% и граната 6%, что соответствует типичному минеральному составу
верхней мантии [15].
5. В настоящей работе предполагается, что валовое содержание РЗЭ в породе постоян-
но во всем рассматриваемом интервале глубин (3–7 ГПа), причем начальное распределе-
ние каждого из РЗЭ между модальными минералами соответствует диффузионному рав-
новесию.
6. Продолжительность контакта расплав — рестит t и размеры кристаллических зерен
R входят в модель в виде размерных параметров t/R2. Как показали расчеты, значения
наклонов Γ, близкие к наблюдаемым, достигаются при t/R2 порядка (3–5) · 1016 с/м2. При
времени сегрегации порядка 0,1 млн лет это соответствует размеру кристаллических зерен
порядка 1 см.
Рис. 4 иллюстрирует пространственное фракционирование РЗЭ в мантии кратонов, воз-
никающее вследствие частичного плавления деплетированного перидотита и последующей
сегрегации расплава. Сплошные, штриховые и пунктирные тонкие линии показывают зна-
чения наклонов Γ зависимостей ln C от P для случаев плавления деплетированного пе-
ридотита степени φ = 0,1, 0,2, 0,4, соответственно. Пустые кружки и квадраты отмечают
результаты, относящиеся к клинопироксену и гранату, соответственно. В согласии с на-
блюдениями рассчитанные наклоны содержаний РЗЭ в клинопироксене быстро убывают
вдоль группы лантаноидов, и при этом характер поведения содержаний в клинопироксене
и гранате резко отличается. Наилучшее согласие с наблюдениями, демонстрируют модели,
предполагающие умеренно высокие степени плавления (10–20 %).
Аналогичные расчеты, выполненные для фертильного перидотита, показали, что в этом
случае содержание ЛРЗЭ в клинопироксене рестита убывает значительно медленнее, чем
114 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №8
наблюдается, что связано просто с высокой фертильностью расплава и невозможностью
глубокого деплетирования зерен твердого рестита.
Таким образом, наблюдаемая зависимость минеральных содержаний РЗЭ в мантии кра-
тонов от давления, закономерное изменение этой зависимости вдоль группы РЗЭ и отли-
чие характера этого изменения для клинопироксена и граната связаны, вероятнее всего,
с неравновесной дифференциацией РЗЭ между расплавом и реститом во время эпизодов
крупномасштабного плавления мантии.
1. Spiegelman M., Kenyon P. The requirements for chemical disequilibrium during magma migration // Earth
Planet. Sci. Lett. – 1992. – 109. – P. 611–620.
2. Korenaga J., Keleme, P. B. Melt migration through the oceanic lower crust: a constraint from melt
percolation modeling with finite solid diffusion // Ibid. – 1998. – 156. – P. 1–11.
3. Van Orman J.A., Grove T. L., Shimizu N. Diffusive fractionation of trace elements during production and
transport of melt in Earth’s upper mantle // Ibid. – 2002. – 198. – P. 93–112.
4. Grégoire M., Bell D., le Roex A. Garnet lherzolites from the Kaapvaal craton (South Africa): Trace element
evidence for metasomatic history // J. Petrol. – 2003. – 44. – P. 629–657.
5. Burgess S., Harte B. Tracing lithosphere evolution through the analysis of heterogeneous G9-G10 garnets
in peridotite xenoliths, I: Major element chemistry / Proceedings of the VIIth International Kimberlite
Conference (Dawson volume), edited by J. J. Gurney, J. L. Gurney, M.D. Pascoe, and S.H. Richardson. –
Cape Town: Red Roof Design. – 1999. – P. 66–80.
6. Burgess S., Harte B. Tracing lithosphere evolution through the analysis of heterogeneous G9-G19 garnets
in peridotite xenoliths, II: REE chemistry // J. Petrol. – 2004. – 45. – P. 609–644.
7. Schmidberger S., Francis D. Constraints on the trace element composition of the Archean mantle root
beneath Somerset Island, Arctic Canada // Ibid. – 2001. – 42. – P. 1095–1117.
8. Katz R.F., Spiegelman M., Langmuir C.H. A new parameterization of hydrous mantle melting // Geochem.
Geophys. Geosyst., 4(9), 1073, doi: 10.1029/2002GC000433, 2003.
9. Weaver B. L., Tarney J. Thermal aspects of komatiite generation and greenstone belt models // Nature. –
1979. – 279. – P. 689–692.
10. Wood B., Blundy J. A predictive model for rare element partitioning between clinopyroxene and anhydrous
silicate melt // Contrib. Miner. Petrol. – 1997. – 129. – P. 166–181.
11. Van Westrenen W., Draper D. A thermodynamic model of trace element partitioning between garnet,
majorite and silicate melt applicable from 2.5 to 25 GPa // Transactions of the Utrecht University Geologi-
cal Survey. – 2006. – VII. – P. 43–50.
12. Van Orman J., Grove T., Shimuzu N. Rare earth element diffusion in diopside: Influence of temperature,
pressure and ionic radius, and an elastic model for diffusion in silicates // Contrib. Mineral. Petrol. –
2001. – 141. – P. 687–703.
13. Van Orman J., Grove T., Shimuzu N., Layne G. Rare earth element diffusion in a natural pyrope single
crystal at 2.8 GPa // Ibid. – 2002. – 142. – P. 416–424.
14. Walter M. Melting of garnet peridotite and the origin of komatiite and depleted lithosphere // J. Petrol. –
1998. – 39. – P. 29–60.
15. Pearson D.G. Canil D., Shirey S. B. Mantle samples included in volcanic rocks: Xenoliths and diamonds /
The mantle and core. Treatise on Geochemistry Vol. 2, edited by R.W. Carlson. – Elsevier-Pergamon,
Oxford. – 2003. – P. 171–276.
Поступило в редакцию 20.02.2007Институт геофизики им. С.И. Субботина
НАН Украины, Киев
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №8 115
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-2442 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:38:10Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Арясова, О.В. Хазан, Я.М. 2008-10-10T11:53:18Z 2008-10-10T11:53:18Z 2007 Крупномасштабное фракционирование редкоземельных элементов в мантии кратонов / О.В. Арясова, Я.М. Хазан // Доп. НАН України. — 2007. — N 8. — С. 110-115. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2442 552.323 Rare earth element (REE) abundances in clinopyroxene and garnet from xenoliths entrained by kimberlites of the Kaapvaal craton, South Africa, and the Somerset Island, Canada, show a strong and species-dependent variation vs. pressure in a depth range of 70 to 200 km. As a result, the interelement ratios of the REE vary across the upper mantle. This effect can be referred to as a REE large-scale space fractionation. Based upon a strong correlation between the activation energies of the REE diffusion in clinopyroxene, and the logarithmic slopes Γ of the abundance vs. pressure dependence, Γ = –d log C(P)/dP, we speculate that the space fractionation had accompanied mantle melting events and was due to a nonequilibrium REE partition between the melt and the solid residue. A simplified model of the mantle partial melting, which takes into account a PT dependent diffusive exchange between the melt and the multimineral solid residue and a non-modal character of peridotite melting indicates that the observed strong fractionation is resulted from a high degree (10–20%) partial melting of a depleted peridotite (a few wt% of clinopyroxene). ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Науки про Землю Крупномасштабное фракционирование редкоземельных элементов в мантии кратонов Article published earlier |
| spellingShingle | Крупномасштабное фракционирование редкоземельных элементов в мантии кратонов Арясова, О.В. Хазан, Я.М. Науки про Землю |
| title | Крупномасштабное фракционирование редкоземельных элементов в мантии кратонов |
| title_full | Крупномасштабное фракционирование редкоземельных элементов в мантии кратонов |
| title_fullStr | Крупномасштабное фракционирование редкоземельных элементов в мантии кратонов |
| title_full_unstemmed | Крупномасштабное фракционирование редкоземельных элементов в мантии кратонов |
| title_short | Крупномасштабное фракционирование редкоземельных элементов в мантии кратонов |
| title_sort | крупномасштабное фракционирование редкоземельных элементов в мантии кратонов |
| topic | Науки про Землю |
| topic_facet | Науки про Землю |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2442 |
| work_keys_str_mv | AT arâsovaov krupnomasštabnoefrakcionirovanieredkozemelʹnyhélementovvmantiikratonov AT hazanâm krupnomasštabnoefrakcionirovanieredkozemelʹnyhélementovvmantiikratonov |