Плавление в условиях верхней мантии
Сучасні петрологічні моделі описують процес плавлення як термодинамічно рівноважний. Показано, що ініціальне плавлення можливе на глибині не менше 220 км. Фазові діаграми, побудовані за результатами експериментальних досліджень плавлення лерцоліту мантії, демонструють ефекти, недопустимі для процесу...
Saved in:
| Published in: | Геофизический журнал |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
2011
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97098 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Плавление в условиях верхней мантии / О.В. Усенко // Геофизический журнал. — 2011. — Т. 33, № 4. — С. 100-116. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860027698187862016 |
|---|---|
| author | Усенко, О.В. |
| author_facet | Усенко, О.В. |
| citation_txt | Плавление в условиях верхней мантии / О.В. Усенко // Геофизический журнал. — 2011. — Т. 33, № 4. — С. 100-116. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геофизический журнал |
| description | Сучасні петрологічні моделі описують процес плавлення як термодинамічно рівноважний. Показано, що ініціальне плавлення можливе на глибині не менше 220 км. Фазові діаграми, побудовані за результатами експериментальних досліджень плавлення лерцоліту мантії, демонструють ефекти, недопустимі для процесу, що проходить в рівноважних умовах. Так, у різних експериментах зафіксовано відмінність температур початку плавлення, складу розплаву і ступеня плавлення (за певного тиску) для зразків близького складу. В усіх експериментах спостерігається скорочення температурного інтервалу між солідусом і ліквідусом з підвищенням тиску. Обґрунтовано припущення, що при P~3 ГПа різко змінюється поводження (характер взаємодій, напрямок перебігу реакцій) системи кристал—розплав, а власне процес плавлення супроводжується підвищенням окиснювального потенціалу внаслідок виділення вільного кисню. Чим вищий тиск, тим інтенсивніший процес. Утворюються несилікатні хімічно активні компоненти. Вони вибірково взаємодіють з кристалами лерцоліту. Склад нових приростів розплаву залежить від складу перших порцій рідини.
У запропонованому описі плавлення в PT-умовах мантії — це не лише фазовий перехід, а й початок ланцюжка фізико-хімічних процесів, які супроводжуються вивільненням активних компонентів (у тому числі несилікатних флюїдів), їх дією на кристалічні ґратки мінералів і зв’язуванням у нові сполуки. В процесі їх взаємодії з кристалічними ґратками мінералів у PT-умовах мантії утворюється електрохімічна система, поводження якої не є рівноважним. Опис плавлення, що відбувається за тиску 7 ГПа, за допомогою фазових реакцій неправомочний, тому що має включати утворення (перетворення) глибинного флюїду та його вибіркову взаємодію з кристалами лерцоліту.
Modern petrological models describe the melting process as thermodynamically balanced. It has been shown in the work that initial melting is possible at the depth not less than 220 km. Phase diagrams plotted according to the results of experimental studies on melting of mantle lerzolite, demonstrate the effects unallowable for the process, which progress under balanced conditions. For example, in different experiments difference of temperatures at the beginning of the process, composition of the melt and degree of melting (under the same pressure) for the samples with close resemblance of composition has been fixed. Reduction of T interval between solidus and liquidus with pressure increase is observed in all experiments. Suggestion has been substantiated in the article that in case of P~3 GPa dramatic change of behavior (the character of interactions, directions of the progress of reactions) of the system crystal-melt, and the melting process itself is accompanied by increase of oxidation potential as a result of emanation of free oxygen. The higher is the pressure, the more intense is the process. Non-silicate chemically active components are produced. They interact selectively with lherzolite crystals. Composition of new increments of the melt depends on the composition of the first portions of liquid. 
In the proposed description the melting under mantle PT-conditions is not only a phase transition but also the beginning of a chain of physical-chemical processes accompanied by emanation of active components (including non-silicate fluids), their impact on crystal lattices of minerals and combining into new compounds. In the process of their interaction with crystal lattices of minerals under PT-conditions of the mantle electrochemical system is produced behavior of which is far from balanced. Description of the melting, that is proceeding under the pressure 7 GPa, with the help of phase reactions is ineligible because it must include formation (transformation) of deep fluid and its selective interaction with lherzolite crystals.
Современные петрологические модели описывают процесс плавления как термодинамически равновесный. В работе показано, что инициальное плавление возможно на глубине не менее 220 км. Фазовые диаграммы, построенные по результатам экспериментальных исследований по плавлению лерцолита мантии, демонстрируют эффекты, недопустимые для процесса, протекающего в равновесных условиях. Так, в разных экспериментах фиксируется различие температур начала плавления, состава расплава и степени плавления (при одном давлении) для образцов близкого состава. Во всех экспериментах наблюдается сокращение Т интервала между солидусом и ликвидусом с повышением давления. В статье обосновано предположение, что при Р ~ 3 ГПа происходит резкое изменение поведения (характера взаимодействий, направления протекания реакций) системы кристалл-расплав, а сам процесс плавления сопровождается повышением окислительного потенциала вследствие выделения свободного кислорода. Чем выше давление, тем интенсивнее процесс. Образуются несиликатные химически активные компоненты. Они избирательно взаимодействуют с кристаллами лерцолита. Состав новых приращений расплава зависит от состава первых порций жидкости. В предложенном описании плавление в РТ-условиях мантии - это не только фазовый переход, но и начало цепочки физико-химических процессов, сопровождающихся высвобождением активных компонентов (в том числе несиликатных флюидов), их воздействием на кристаллические решетки минералов и связыванием в новые соединения. В процессе их взаимодействия с кристаллическими решетками минералов в РТ-условиях мантии образуется электрохимическая система, поведение которой далеко от равновесного. Описание плавления, протекающего при давлении 7 ГПа, с помощью фазовых реакций неправомочно, так как должно включать образование (преобразование) глубинного флюида и его избирательное взаимодействие с кристаллами лерцолита.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:50:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
О. В. УСЕНКО
100 Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011
Введение. Представления о плавлении в -
условиях мантии формировались на основе
экспериментальных исследований и теорети-
ческих выводов А. Е. Рингвуда и Д. Х. Грина
[Green, Ringwood, 1964; Рингвуд, 1981]. Экспе-
риментальные исследования последних деся-
тилетий подтверждают, что состав близсоли-
дусного расплава определяется составом пе-
УДК 551.24
Плавление в условиях верхней мантии
© О. В. Усенко, 2011
Институт геофизики НАН Украины, Киев, Украина
Поступила 19 октября 2010 г.
Представлено членом редколлегии Я. М. Хазаном
Сучасні петрологічні моделі описують процес плавлення як термодинамічно рівноважний.
Показано, що ініціальне плавлення можливе на глибині не менше 220 км. Фазові діаграми,
побудовані за результатами експериментальних досліджень плавлення лерцоліту мантії,
демонструють ефекти, недопустимі для процесу, що проходить в рівноважних умовах. Так, у
різних експериментах зафіксовано відмінність температур початку плавлення, складу розплаву
і ступеня плавлення (за певного тиску) для зразків близького складу. В усіх експериментах
спостерігається скорочення температурного інтервалу між солідусом і ліквідусом з
підвищенням тиску. Обґрунтовано припущення, що при ~3 ГПа різко змінюється поводження
(характер взаємодій, напрямок перебігу реакцій) системи кристал—розплав, а власне процес
плавлення супроводжується підвищенням окиснювального потенціалу внаслідок виділення
вільного кисню. Чим вищий тиск, тим інтенсивніший процес. Утворюються несилікатні
хімічно активні компоненти. Вони вибірково взаємодіють з кристалами лерцоліту. Склад
нових приростів розплаву залежить від складу перших порцій рідини.
У запропонованому описі плавлення в -умовах мантії — це не лише фазовий перехід, а
й початок ланцюжка фізико-хімічних процесів, які супроводжуються вивільненням активних
компонентів (у тому числі несилікатних флюїдів), їх дією на кристалічні ґратки мінералів і
зв’язуванням у нові сполуки. В процесі їх взаємодії з кристалічними ґратками мінералів у -
умовах мантії утворюється електрохімічна система, поводження якої не є рівноважним. Опис
плавлення, що відбувається за тиску 7 ГПа, за допомогою фазових реакцій неправомочний,
тому що має включати утворення (перетворення) глибинного флюїду та його вибіркову
взаємодію з кристалами лерцоліту.
Modern petrological models describe the melting process as thermodynamically balanced. It
has been shown in the work that initial melting is possible at the depth not less than 220 km. Phase
diagrams plotted according to the results of experimental studies on melting of mantle lerzolite,
demonstrate the effects unallowable for the process, which progress under balanced conditions.
For example, in different experiments difference of temperatures at the beginning of the process,
composition of the melt and degree of melting (under the same pressure) for the samples with close
resemblance of composition has been fixed. Reduction of T interval between solidus and liquidus
with pressure increase is observed in all experiments. Suggestion has been substantiated in the article
that in case of ~3 GPa dramatic change of behavior (the character of interactions, directions of the
progress of reactions) of the system crystal-melt, and the melting process itself is accompanied by
increase of oxidation potential as a result of emanation of free oxygen. The higher is the pressure,
the more intense is the process. Non-silicate chemically active components are produced. They
interact selectively with lherzolite crystals. Composition of new increments of the melt depends on
the composition of the first portions of liquid.
In the proposed description the melting under mantle PT-conditions is not only a phase transition
but also the beginning of a chain of physical-chemical processes accompanied by emanation of
active components (including non-silicate fluids), their impact on crystal lattices of minerals and
combining into new compounds. In the process of their interaction with crystal lattices of minerals
under PT-conditions of the mantle electrochemical system is produced behavior of which is far from
balanced. Description of the melting, that is proceeding under the pressure 7 GPa, with the help of
phase reactions is ineligible because it must include formation (transformation) of deep fluid and
its selective interaction with lherzolite crystals.
ПЛАВЛЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ
Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011 101
реходящей в него минеральной ассоциации,
которая, в свою очередь, зависит от давления.
Во всех работах, посвященных плавлению ман-
тийных пород [Takahashi, 1986; Baker, Stolper,
1994; Walter, 1998; Girnis et аl., 1995; Lesher et
аl., 2003 и др.], подчеркивается, что состав рас-
плава, полученного при частичном плавлении
лерцолита, зависит от давления ( ), темпера-
туры ( ) и степени плавления. Эти параметры
связаны между собой.
Д. С. Коржинский впервые обосновал, что
состав магм определяется не только давлени-
ем, но и кислотно-основным взаимодействием
между расплавом и флюидом (несиликатной
компонентой) [Коржинский, 1973]. Аналогию
поведения систем «флюид—расплав в -
условиях верхней мантии» и «водный раствор
в условиях поверхности» в процессе плавления
предложил И. Д. Рябчиков [Рябчиков, 1982].
Однако в последние десятилетия значение хи-
мических реакций, физико-химических взаи-
модействий в процессе плавления и дифферен-
циации расплавов в астеносфере практически
не принималось во внимание. Как показано в
работах [Украинский …, 2005; Усенко, 2008],
расхождения в результатах экспериментов
по плавлению мантийного лерцолита можно
объяснить только взаимодействием между об-
разцом и флюидом, образующимся в процессе
плавления.
Целью данной статьи является исследова-
ние физико-химических взаимодействий меж-
ду расплавом, флюидом и кристаллами, воз-
никающих при плавлении при высоком (более
3 ГПа) давлении.
Для этого необходимо определить возмож-
ные глубины инициального плавления, обоб-
щить представления петрологии о факторах,
определяющих состав расплава, и результаты
экспериментальных исследований. Эти данные
являются условиями решаемой задачи. Только
после этого можно перейти к микроскопиче-
скому рассмотрению исследуемой системы и
установлению происходящих в ней процессов.
В современных петрологических гипоте-
зах разрешается плавление в любом интервале
глубин верхней мантии. Например, в работе
[Gudfinnsson, Presnal, 2005] появление рас-
плавов разного состава вызвано плавлением
бескарбонатного и содержащего карбонаты
лерцолита. В зависимости от состава, диапа-
зон температур плавления при одном давлении
может изменяться более чем на 200 °С (рис. 1).
Устойчивость карбонатов в мантии на глу-
бине более 100 км постулируется термодина-
мическими расчетами и наличием карбоната в
составе минеральной композиции, полученной
в экспериментах по плавлению смеси лерцо-
лита и карбоната [Girnis еt аl., 1995]. В экспе-
рименте карбонат вводится в виде магнезита.
Однако в ксенолитах, не измененных в про-
цессе активизации (не испытавших частичного
плавления или метасоматоза), карбонаты не
описаны.
Форма нахождения углерода в мантии
определяется фугитивностью кислорода, кон-
тролирующей протекание реакции С+О2=СО2.
Восстановительная обстановка, в которой фор-
мируются неизмененные ксенолиты верхней
мантии, не разрешает протекание реакции
слева направо, так как для перидотитового
ансамбля максимальная фугитивность кис-
лорода лимитируется реакцией Mg2Si2O6+
+2 MgСO3=2Mg2SiO4+2С+О2, для эклогитового
— реакцией сосуществования клинопироксена
и граната [Luth, 2005].
Количество и форма нахождения флюида в
мантии — фактор, определяющий температуру
плавления на данной глубине. Подробный об-
зор результатов изучения минералов ксеноли-
тов, а также экспериментов по моделированию
структур, способных содержать флюиды при
-условиях мантии, приведен в обобщении
[Luth, 2005]. Флюиды могут присутствовать
в виде включений в водосодержащих мине-
ральных фазах (амфиболе, флогопите и апа-
тите), а также в минералах, номинально воду
не содержащих (оливине, пироксене, гранате).
Вероятно, самое большое значение имеют ре-
Рис. 1. Фазовая диаграмма плавления лерцолита и
дифференциации раплавов с получением различных пород
в широком диапазоне и в присутствии СО2 и в сухих
условиях [Gudfinnsson, Presnal, 2005]: pl — плагиоклазовый;
sp — шинелевый; gt — гранатовый лерцолит (lht); mst —
магнезит; dmt — доломит.
О. В. УСЕНКО
102 Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011
зультаты [Bell, Rossman,1992]. Согласно этим
данным, свежие оливины, ортопироксены
и клинопироксены в ксенолитах Вест Кеттл
Ривер (КR4003) содержат 1, 50 и 150 ррm Н2О
соответственно и 43 ррm Н2О в среднем, а
оливины, ортопироксены и клинопироксены
в ксенолитах Килбоурн Холл (КLВ-1) — 3, 186,
530 ррm Н2О соответственно и 128 ррm Н2О в
среднем. Предполагается, что вода содержится
в форме ОН-групп, однако точно форма ее на-
хождения не определена.
К настоящему времени насчитываются де-
сятки подобных исследований, установлено
содержание Н2О в оливинах, орто- и клино-
пироксенах, гранатах ксенолитов многих ким-
берлитов Южной Африки, Сибири, проведены
экспериментальные исследования устойчиво-
сти фаз, содержащих неструктурную воду. По-
добные включения вряд ли могут существен-
но «сдвинуть» линию солидуса, полученную
экспериментально [Walter, 1998; Takahashi,
1986], так как они очень малы, однако могут
вызвать некоторое ее смещение. Так, в при-
сутствии графита возможно понижение темпе-
ратуры начала плавления на 150 °С при 5 ГПа
[Lesher еt аl., 2003], но и минимальное значение
(1600±15 °С) на ~100 °С превышает температуру
солидуса. Экстраполяция в область более вы-
соких давлений позволяет предположить, что
пересечение линии распределения температур
и линии солидуса возможно на глубине около
200—220 км.
Распределение температур в мантии (в от-
сутствие слоя плавления) установлено по -
условиям образования ксенолитов, вынесен-
ных кимберлитами, а также по распределению
современного теплового потока [Гордиенко,
2007]. В неактивизированном регионе темпе-
ратура на одной глубине может изменяться
от минимальной до максимальной. Одной из
причин разогрева является тепловой эффект
радиоактивного распада. Распределение тем-
ператур по ксенолитам (рис. 2) фиксирует «из-
лом» геотермы — ореол флюидно-термального
воздействия. Слой пород, метасоматически
измененных под воздействием флюидов, от-
деляющихся от астеносферы, обнаружен
Ф. Бойдом [Boyd, 1973]. В последнее время как
в петрологии, так и в геофизике все шире об-
суждается возможность разогрева вследствие
поступления вещества из нижней мантии [Ку-
тас и др., 1993; Wyllie, Ryabchikov, 2000]. Нель-
зя исключать глубинный (нижнемантийный)
источник высокотемпературного флюида. Его
состав непредсказуем.
В задачу данного исследования не входит
выяснение причин разогрева. Важным являет-
ся установление факта: -условия инициаль-
ного плавления определяются линией солидуса
лерцолита верхней мантии, содержащего очень
незначительное количество легкоплавкой ком-
поненты. Следовательно, плавление может на-
чаться в интервале глубин 220—450 км.
Рассмотрение распределения температур и
вещества в диапазоне глубин верхней мантии
позволяет сделать вывод, что с течением вре-
мени на одной глубине может изменяться тем-
пература (от минимальных до максимальных
значений). В фанерозое -условия плавления
можно считать соответствующими солидусу
перидотита (см. рис. 2) и постоянными для каж-
дой глубины.
Рис. 2. Распределение температуры в тектоносфере
неактивизированного региона и условия плавления
ультраосновных пород мантии: 1 — минимальные
и максимальные температуры под докембрийской
платформой; 2 — солидус перидотитов мантии, по
[Гордиенко, 2007]; 3—5 — экспериментально полученный
солидус (3 — системы СМАS при 12,24 мас. % СО2
[Gudfinnsson, Presnal, 1996]; 4 — композиции лерцолита
КR4003 [Walter, 1998], 5 — шпинелевого лерцолита
КLB- 1 [Takahashi, 1986]); 6, 7 — -условия образования
ксенолитов, по [Гордиенко В. В., Гордиенко И. В., 2005]
(6 — кимберлитов мира; 7 — Украины).
ПЛАВЛЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ
Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011 103
Петрологические построения базируются
на обратном утверждении. Однако сопостав-
ление распределения температур (см. рис. 2)
и линий солидуса (см. рис. 1) позволяет кон-
статировать:
1) верхняя линия, соответствующая высоким
значениям солидуса, в фанерозое недостижима;
2) если предположить, что плавление осу-
ществляется в условиях солидуса карбонат-
содержащего лерцолита, то слой плавления
будет глобальным. Кроме того, для подобного
смещения линии солидуса необходимо присут-
ствие в мантийных породах до 12 мас. % карбо-
натов [Walter, 1998].
Для петрологии принципиального различия
между -условиями инициального плавления
и -условиями дифференциации первичного
расплава нет, так как состав расплава зависит
от условий на глубине его сегрегации (диффе-
ренциации) [Рингвуд, 1981]. Однако запреще-
ние инициального плавления на глубине менее
220 км делает обязательным два вывода:
плавление осуществляется при ~ 7 ГПа
и более;
появление астеносферы на меньших глу-
бинах связано с перемещением больших
объемов частично расплавленного веще-
ства, т. е. с геодинамическими процессами.
Современные представления о параметрах,
определяющих состав расплава. Состав пер-
вичного расплава определяется количествен-
ным соотношением перешедших в него мине-
ралов. Этот расплав сегрегируется (отделяется
от минералов лерцолита) и далее существует
самостоятельно. Процессом, ответственным
за состав магмы, является кристаллизационная
дифференциация — выпадение кристаллов из
образованного расплава. Состав следующей
порции расплава — разница между составом
первичного и кристаллизованных из него ми-
нералов. Например, в работе [Baker, Stolper,
1994] состав расплава, полученного в резуль-
тате плавления шпинелевого лерцолита при
давлении 1 ГПа в интервале температур 1270—
1330 °С, описывается фазовым соотношением
0,38Opx 0,71Cpx+ +
0,13Sp 0, 22Ol +1,0 Liq ,
где Opx — ортопироксен, Cpx — клинопирок-
сен, Sp — шпинель, Ol — оливин, Gаrn — гра-
нат, Liq — расплав.
Иначе говоря, при данных -условиях со-
став 100 единиц (молей) расплава представлен
38 единицами ортопироксена, 71 — клинопирок-
сена и 13 — шпинели минус 22 еденицы оливина.
При повышении температуры до 1330 °С
клинопироксен полностью переходит в рас-
плав. Состав плавящейся композиции изме-
няется:
1,06Opx 0,04Sp 0,1Ol +1,0 Liq .
Очевидно, изменяется и состав самого рас-
плава.
Состав минералов лерцолита, переходящих
в расплав (композиция солидуса) и выпадаю-
щих из него (композиция ликвидуса), зависит
не только от степени плавления, но и от дав-
ления. Кроме того, с глубиной изменяется и
состав мантии (рис. 3) (температуры солидуса,
приведенные на рис. 3, обсуждались выше).
Рис. 3. -диаграммы экспериментально установленного
солидуса плагиоклазовой, шпинелевой и гранатовой
фаций мантийного лерцолита и фазовые реакции, по
[Walter, 2005].
В таблице представлены реакции плавле-
ния перидотита при различных давлениях. При
<3 ГПа оливин характерен для ликвидусной
композиции, при >3 ГПа — для солидусной,
причем его количество увеличивается по мере
увеличения давления. Для пироксенов зави-
симость обратная. Это объясняет повышение
магнезиальности и сокращение глиноземисто-
сти расплавов, сформированных на больших
глубинах. При плавлении фертильного перидо-
тита вблизи солидуса с увеличением давления
происходит нарастание энстатитового компо-
нента в клинопироксене и оливинового — в
расплаве [Walter, 2005].
В работе [Presnal еt аl., 2002] предполага-
ется, что кристаллизационная дифференциа-
ция осуществляется на той же глубине, что и
плавление, и описывается фазовой реакцией,
характерной для данного давления (например,
как в таблце). Если происходит перемещение
расплава на более высокий уровень в мантии,
О. В. УСЕНКО
104 Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011
степень плавления повышается, состав ликви-
дусной композиции изменяется. В этом слу-
чае первичным будет расплав, полученный
при более высоких давлении и температуре.
После перемещения астенолита1 (большого
объема смеси кристаллического вещества
и расплава) дальнейшее плавление, а также
кристаллизационная дифференциация будут
осуществляться по реакции, характерной для
-условий нового интервала глубин. Модель
так называемого «динамического плавления»
все чаще применяется в петрологии.
Необходимо оговорить, что в данном случае
речь идет о формировании глубинных распла-
вов, на поверхности представленных самыми
магнезиальными и основными породами ко-
магматичной серии.
Представления о составе мантийного рас-
плава при заданных давлении и температу-
ре. Термодинамическая система, состоящая
из различных по своим свойствам частей, раз-
граниченных поверхностями раздела, является
гетерогенной и многокомпонентной. Лерцолит
мантии состоит из мозаики кристаллов разного
состава, разделенных поверхностями раздела
— гранями. В петрологии для случая гетероген-
ной системы рассматриваются два вида плав-
ления. В «равновесном» плавлении участвуют
все минералы породы в соотношениях, опреде-
ляемых фазовыми реакциями (термин «равно-
весное» имеет иной смысл, чем в термодина-
1 В геодинамической и петрологической терминоло-
гии — плюма.
мике). При «неравновесном» (фракционном) в
расплав переходят относительно легкоплавкие
минералы, часто примесные. Процесс обра-
зования расплава может включать оба вида
плавления. Так, в работе [Presnal еt аl., 2002]
на ранних этапах предполагается фракционное
плавление — в расплав переходит плагиоклаз.
Далее в «равновесном» плавлении участвуют
оливин и плагиоклаз, затем — оливин, пла-
гиоклаз и клинопироксен, далее — клинопи-
роксен, ортопироксен и плагиоклаз в строго
установленных соотношениях. Проводится
расчет состава при последовательном перехо-
де в расплав и удалении из него минеральных
фаз в количествах, определенных фазовыми
реакциями. Получение искомого состава рас-
плава (базальта) производится суммированием
компонентов, представленных химически ней-
тральными петрогенными оксидами, и предпо-
лагает описание плавления как термодинами-
чески равновесного процесса.
Первый процент расплава по составу соот-
ветствует плагиоклазу. Он находится в сопри-
косновении с минералами лерцолита — Opx,
Cpx, Sp, Ol. Считается, что расплав сегреги-
руется (отделяется) от минералов лерцолита
и далее существует самостоятельно, а взаимо-
действием между жидкостью и кристаллами
можно пренебречь. Очевидно, это идеализация
процесса. При просачивании расплава между
гранями кристаллов к месту сегрегации он бу-
дет находиться в соприкосновении с кристал-
лами. Взаимодействие силикатного расплава
с кристаллами силикатов может привести к
Фазовые реакции плавления лерцолита мантии и модельных систем близкого состава (при-
ведено по работе [Walter, 2005])
Давление,
ГПа
Степень
плавления, % Система Реакция (мас. %)
Шпинелевый лерцолит
1,1 CMAS 36 Орх + 55 Срх + 9 Sр = 77 Liq + 23 Оl
2,0 0—20 CMASN 5 Орх + 83 Срх + 12 Sр = 84 Liq+ 16 Оl
2,0 1—20 CMASNF 90 Срх+ 10 Sр = 86 Liq + 13 Оl + 1 Орх
Гранатовый лерцолит
3,0 0—14 лерцолит 4 Оl + 84 Срх + 12 Gаrn = 87 Liq + 13 Орх
5,1 CMAS 7 Оl + 75 Срх + 18 Gаrn = 60 Liq + 40 Орх
7,0 0—10 лерцолит 26 Оl + 50 Срх + 24 Gаrn = 100 Liq
7,0 38—46 лерцолит 18 Оl + 57 Срх + 25 Gаrn = 46 Liq + 54 Орх
Примечание: система CMAS представляет комбинацию, состоящую из оксидов CaO—MgO—Al2O3—SiO2, CMASN
— CaO—MgO—Al2O3—SiO2—Nа2О, CMASNF — CaO—MgO—Al2O3—SiO2—Nа2О—FеО.
ПЛАВЛЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ
Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011 105
перераспределению некоторых компонентов
между расплавом и кристаллами, в первую
очередь, СаО и FеО. Однако в случае взаимо-
действия двух силикатных жидкостей этим
эффектом, вероятно, можно пренебречь2.
Из сказанного выше следует ряд возраже-
ний против условий формирования расплава,
предложенных в работе [Presnal еt аl., 2002].
Так, авторы предполагают состав мантии, соот-
ветствующий плагиоклаз-шпинелевому лерцо-
литу, солидус при =1318 °С, =1,18 ГПа. Также
исключено воздействие флюида — несиликат-
ной части расплава на процесс плавления, хотя
влияние Н2О и галогенов на дифференциацию
расплавов Срединно-Атлантического хребта
существенно, что подтверждается их присут-
ствием в расплавных включениях и закалоч-
ных стеклах [Коваленко и др., 2006]. Однако
остается главный вопрос: можно ли описать
формирование расплава заданного состава (в
данном случае, базальта) как равновесный про-
цесс фазового перехода?
Процессы, протекающие в природе, необ-
ратимые и неравновесные (сопровождаются
некомпенсированными потерями тепла). По-
нятие равновесия важно для формального (ма-
тематического) описания, так как практически
невозможно учесть энергию, растрачиваемую
в неравновесном процессе. Процесс идеализи-
руется — описывается как проходящий через
непрерывный ряд состояний, бесконечно близ-
ких к равновесным. Такой процесс называется
термодинамически обратимым. Для расчета
состава расплава с помощью фазовых реакций
(в частности, базальта СОХ в работе [Presnal еt
аl., 2002]) важным является установление прин-
ципиальной возможности описания процесса
как равновесного, так как именно на этом ба-
зируется дальнейший расчет.
Подобная идеализация необходима, так как
иначе состав расплава рассчитать невозможно.
Однако при оценке условий образования реаль-
ных расплавов важно помнить, что описывае-
мый процесс отличается от происходящего в
природе. Чтобы оценить неучтенные взаимо-
действия, необходимо ответить на ряд вопросов.
1. Соответствует ли процесс плавления,
происходящий в -условиях верхней мантии,
равновесному, и возможно ли его описание в
категориях равновесной термодинамики? В
данном случае термин «равновесное» соответ-
ствует плавлению как процессу, происходяще-
му в условиях равновесия.
2 Очевидно, он должен быть учтен в случае плавления
карбонатсодержащего лерцолита.
2. Действительно ли взаимодействия между
расплавом и кристаллами столь незначитель-
ны, что ими можно пренебречь, а состав фор-
мирующейся жидкости можно получить сум-
мированием количеств петрогенных оксидов?
3. Осуществляются ли в реальных геологи-
ческих системах плавление и дифференциация
без участия флюида?
4. Как скажется присутствие несиликатно-
го флюида на процесс плавления?
5. Что представляет собой исследуемая си-
стема «кристаллы—силикатный расплав—не-
силикатный флюид» при высоких давлениях и
температурах, и какие факторы определяют ее
поведение? Изменение каких термодинамиче-
ских потенциалов определяет ее эволюцию?
Описание плавления с точки зрения термо-
динамики. Плавление — фазовый переход пер-
вого рода — равновесный переход вещества из
одной фазы в другую, при котором скачкоо-
бразно изменяются первые производные от
энергии Гиббса (G) по температуре и давлению
— объем (V) и энтропия (S). В случае равно-
весной системы потенциал, описывающий
фазовое превращение — свободная энергия
Гельмгольца (F). В изохорно-изотермической
системе (на плоской границе раздела фаз) фак-
тором равновесия является температура. Пред-
полагается, что температура во всех частях
системы одинакова и задается температурой
внешней среды. Поэтому понижение потенци-
альной энергии системы за счет необратимых
процессов теплообмена невозможно. Вместе с
тем становится возможным изменение члена
TS за счет обратимых процессов теплообмена
со внешней средой при постоянной — плав-
ление или кристаллизация при постоянной .
Поскольку потенциал представляет ту часть
энергии системы, которая при условии посто-
янства факторов состояния убывает при всех
необратимых процессах, член TS не входит в
выражение потенциала изотермической систе-
мы [Коржинский, 1973].
В системе dF= –P dV+Σμidni, а условие рав-
новесия изохорно-изотермической системы
dF=0.
При равенстве давлений во всех частях
системы необратимое уменьшение этой ме-
ханической энергии невозможно, но вместе с
тем становится возможным ее изменение при
обратимых изменениях объема при постоян-
ном давлении. Следовательно, при переходе от
изохорной системы к изобарной из потенциала
первой необходимо вычесть член (–VdP), т. е.
прибавить VdP [Коржинский, 1973]:
О. В. УСЕНКО
106 Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011
i idG dF VdP dn .
Свободная энергия Гиббса зависит от зна-
чений (постоянных) , и числа молей (dni) —
единиц, способных реагировать, т. е. только
тех компонентов, которые испытывают изме-
нение в данной фазе, так называемых «под-
вижных компонентов». Уравнения содержат
член μi, отражающий химическую энергию
инертного компонента, и ni— количество ком-
понента в фазе. Химический потенциал (μi)
— абстрактная величина, характеризующая
способность данного компонента к выходу из
данной фазы (путем испарения, растворения,
кристаллизации, химического взаимодействия
и т. д.). При фазовом переходе химический по-
тенциал является фактором интенсивности, а
фактором экстенсивности служит масса пере-
ходящего компонента. Поведение зависит от
свойств самого компонента, от системы (со-
став, агрегатное состояние, взаимодействия
остальных компонентов и др.) и от условий
существования системы ( , , наличие гради-
ента физических свойств и т. д.). Математи-
чески химический потенциал — это частная
производная энергии Гиббса при изобарно-
изотермическом процессе и Гельмгольца при
изохорно-изотермическом:
( ) , ,i i T P nG n ,
( ) , ,i i T V nF n .
Переход данного компонента может проис-
ходить самопроизвольно только из фазы, для
которой его химический потенциал больше, в
фазу, для которой он меньше. Такой переход
сопровождается уменьшением химического
потенциала компонента в первой фазе и увели-
чением во второй. В результате этого разность
между химическими потенциалами данного
компонента в этих двух фазах уменьшается и,
когда значения химического потенциала ком-
понента в обеих фазах выравниваются, дости-
гается состояние равновесия.
Необходимым условием фазового равнове-
сия является равенство , и химических по-
тенциалов всех компонентов системы.
Согласно правилу фаз Гиббса, в равновесной
термодинамической системе, на которую из
внешних факторов оказывают влияние толь-
ко и , число термодинамических степеней
свободы равно числу компонентов минус число
фаз плюс два.
В случае двухкомпонентной системы число
фаз, находящихся в равновесии, может рав-
няться четырем. При постоянных или со-
став двухкомпонентной системы в целом или
составы отдельных фаз (например, концентра-
ции компонентов в фазах) могут варьировать.
Образуется раствор — гомогенная система, со-
стоящая из двух и более компонентов, состав
которой в определенных пределах может из-
меняться непрерывно. Образование раствора
из компонентов — процесс самопроизвольный.
Термодинамическим условием образования
раствора при заданных и является убыль
энергии Гиббса.
Фазовая диаграмма плавления двухкомпо-
нентной системы содержит области твердых
растворов веществ А в В и В в А, область суще-
ствования их смеси, области существования
расплава и твердого раствора вещества А в В
и расплава и твердого раствора вещества В в
А, область существования расплава (рис. 4).
При определенном количественном соотно-
шении А и В (при заданном ) температура
плавления—растворения может понижаться
на 100—200 °С, а линия солидуса пересекается
с линией ликвидуса (в эвтектической точке).
Расплав находится в равновесии с кристаллами
компонентов А и В. Для каждого соединения
фазовая диаграмма строится на основе экс-
перимента. Таким образом, в поведении даже
двухкомпонентной системы появляются слож-
ности, вызванные взаимодействиями между ее
микроскопическими частицами.
Молекулярно-кинетическое условие об-
разования раствора определяется процессом
диффузии частиц растворяемого вещества в
растворе, межмолекулярным взаимодействи-
Рис. 4. Диаграмма плавления Вi—Pb при потоянном
давлении [Физическая …, 1982].
ПЛАВЛЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ
Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011 107
ем, изменением структуры растворителя. Взаи-
модействия вызваны электрическим зарядом
иона (в случае сильных взаимодействий) и
(или) молекул в случае слабых взаимодействий.
Наблюдаются специфические явления, напри-
мер, сольватация — вокруг частицы раство-
ренного вещества располагаются сольватные
оболочки из молекул растворителя. Однако в
данном случае речь идет о взаимодействиях,
определяющих распределение компонентов в
пространстве (в объеме).
При достижении определенного соотноше-
ния между катионами и анионными группами
в расплаве, который по сути является силикат-
ным раствором, формируется упорядоченная
структура, что отражается в изменении его
физических свойств — степень полимеризации
расплава зависит не только от -условий, но
и количественных соотношений компонентов
определенного состава. Так, изотермы вязко-
сти для расплавов с постоянным содержани-
ем SiО2 в системе Nа2О—Аl2О3—SiО2 демон-
стрируют максимум вязкости при величине
соотношения Аl/Nа=1. У относительно обога-
щенных натрием или алюминием расплавов
вязкость уменьшается. Сделан вывод, что при
Аl/Nа=1 структура расплава близка к альбито-
вой, а при избытках натрия или алюминия свя-
зи деполимеризуются в другие структурные
единицы. Это приводит к соответствующим
изменениям энергии активации вязкого тече-
ния расплавов, достигающей максимума при
Аl/Nа=1 [Мюллер, Саксена, 1980]. Появление
структуры резко изменяет поведение системы
при изменении концентрации компонентов.
Эвтектика в системе диопсид—анортит обна-
ружена Г. С. Йодером в 1962 г. Отметим, что
введение воды в систему уменьшает темпера-
туру кристаллизации каждого компонента и
эвтектики, а также изменяет эвтектические
соотношения в системе.
Структура переходящих в расплав (напри-
мер, при =1,1 ГПа (см. таблицу)) пироксенов
и шпинели отличается от структуры оливина,
выпадающего из него. Структура зависит от
количества элементарных единиц (катионов
и тетраэдров (SiO4)2–, степени их полимериза-
ции) и внешнего давления, так как и кристал-
лическая решетка минерала, и структурная
единица раствора имеют объем. Расчет, про-
водимый в работе [Presnal еt аl., 2002], обходит
этот факт, поскольку минералы представлены
как сумма петрогенных окислов в молярных
количествах, соответствующих их содержа-
нию в минерале.
Таким образом, появляются сложности по-
ведения, обусловленные взаимодействиями
между частицами расплава, а также расплава
и кристаллов. Однако при подобном рассмо-
трении взаимодействие проявляется в виде
распределения элементарных частиц расплава
относительно друг друга в пространстве (не-
посредственно в расплаве или кристалле). В
этом представлении правомочно применение
фазовых реакций для выяснения состава рас-
плава при заданном и степени плавления, а
взаимодействиями между образующимся си-
ликатным расплавом и минералами лерцолита
можно было бы пренебречь.
Как отмечалось выше, свойства даже двух-
компонентных смесей выясняются с помощью
методов физико-химического анализа, кото-
рый основан на изучении зависимости физи-
ческих свойств химической равновесной си-
стемы от факторов, определяющих ее равнове-
сие. При этом условия равновесия (например,
равновероятного существования реагентов и
продуктов химической реакции) выясняются
экспериментально, и лишь затем строится фа-
зовая диаграмма. Как в физической химии, так
и в петрологии полученные экспериментально
фазовые диаграммы — единственный способ
представить процессы, происходящие в -
условиях верхней мантии, определить влияние
условий на состав формирующихся расплавов.
Экспериментальные исследования по
плавлению ксенолитов шпинелевых лерцоли-
тов — мантийных пород и построение фазовых
диаграмм проводятся около 50 лет. Однако до
сих пор существуют объективные трудности
при их интерпретации. Подвергнув порошок
шпинелевого лерцолита воздействию высоких
и и «остудив» его, исследователь получает
стекло (состав которого интерпретируется как
состав расплава) и набор кристаллов.
Невозможно буквальное перенесение ре -
зультатов эксперимента на процессы, происхо-
дящие в мантии, так как эксперимент проводится
в течение короткого времени, в запаянной кап-
суле (закрытой для обмена веществом с внеш-
ней средой), в отсутствие градиента давления,
влияния электромагнитного поля Земли и т. д.
Существуют технические трудности — не-
возможно достичь степени плавления менее
10 %. Существуют трудности в интерпретации
полученного результата. Так, невозможно од-
нозначно интерпретировать влияние состава
капсулы на процессы, происходящие в ней. Од-
нако есть ряд закономерностей, проявленных
во всех экспериментах.
О. В. УСЕНКО
108 Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011
1. Фазовые диаграммы, построенные по
результатам разных экспериментов, фикси-
руют существенные различия температур на-
чала плавления и степени плавления при одном
давлении [Кадик и др., 1990, Walter,1998; Lesher
еt аl., 2003]. Сопоставление результатов раз-
ных экспериментов по плавлению образцов
мантийного лерцолита близкого состава де-
монстрирует существенную разницу состава
полученных расплавов (рис. 5).
2. Наблюдается сокращение температур-
ного интервала между солидусом и ликвиду-
сом с повышением давления, которое в работе
[Кадик и др., 1990, с. 1265] названо эффектом
«быстрого нарастания количества расплава в
узком интервале температур». Повышение сте-
пени плавления при незначительном повыше-
нии (на 10 °С) составляет до 45 % при 3,5 ГПа
и до 25 % при 2,5 ГПа. По оценкам, приведен-
ным в работе [Walter, 1998], рост на 15 °C при
=3 ГПа ведет к росту степени плавления от 0
до 13,8 %. Подобный эффект наблюдается во
всех без исключения экспериментах (рис. 6).
3. Изменение содержания петрогенных
оксидов также изменяется при =3 ГПа (см.
рис. 2).
Состав продуктов частичного плавления пе-
ридотита верхней мантии определяется также
с помощью полуэмпирических расчетов. Они
базируются на определении констант обмен-
ных реакций, которые контролируют распре-
деление элементов между кристаллами и рас-
плавом. Подобные расчеты находятся в хоро-
шем согласии с экспериментальными данными
при <3 ГПа. При более высоких давлениях
наблюдаются существенные расхождения [Ка-
дик и др., 1990].
Давление 3 ГПа является пороговым, при
котором резко изменяется поведение гетеро-
фазных систем при плавлении. Почему это
происходит? Какие взаимодействия, уводящие
систему расплав—кристалл от состояния рав-
новесия, проявляются с повышением давления
и как они могут влиять на состав расплава?
Мнения, высказанные на сегодняшний мо-
мент. В работах [Takahashi, 1986; Walter, 1998]
используются порошки шпинелевых лерцо-
литов близкого состава. Поэтому, вероятно,
отмеченные различия связаны с условиями
экспериментов. В исследованиях, обобщенных
в статье [Кадик и др., 1990], использовались Pt-
капсулы, в опыте М. Вальтера «порошок образ-
ца был помещен внутрь графитовой капсулы»
[Walter, 1998, с. 31]. Причиной расхождений
составов расплавов принято считать взаимо-
действие с веществом капсулы. По мнению
многих исследователей [Girnis еt аl., 1995 и др.]
использование платиновой капсулы приводит
к диффузии железа в капсулу и повышению
активности кислорода в расплаве, графитовой
— к появлению СО2. Для установления воз-
можного влияния капсулы на состав форми-
рующегося расплава была проведена серия
экспериментов по плавлению лерцолита (об-
Рис. 5. Влияние давления на химический состав расплавов, образующихся при плавлении лерцолита вблизи солидуса в
экспериментах, обобщенных в [Кадик и др., 1990] (ромбы) и проведенных в [Walter, 1998] (квадраты).
ПЛАВЛЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ
Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011 109
разец КR 4003), описанная в статье [Lesher еt аl.,
2003]. Плавление осуществлялось при постоян-
ном давлении (5 ГПа) и повышающейся тем-
пературе. Эксперименты проведены в одном
мультианвильном агрегате, но в двух капсулах
разного состава: рениевой и графитовой, запа-
янной в платину. Зафиксирована температура
солидуса — 1600±15 °С. В рениевой капсуле ис-
чезновение Срх фиксируется при =1668 °С. В
это время в графит-платиновой капсуле клино-
пироксен присутствует при =1635 °С. Степень
плавления также различна. Таким образом, в
одном из экспериментов наблюдаются эффек-
ты, приводящие к повышению температуры
и изменению состава фазы, переходящей в
расплав. Их проявление носит вероятностный
характер: в одних случаях они фиксируются,
в других — нет.
Переход минералов в расплав осуществля-
ется по реакции . Орх от-
носительно устойчив, его переход в расплав
происходит только при 1725—1745 °С. Ста-
бильность Орх [Leshet et al., 2003] связывают
с устойчивостью Fe3+ в опытах, проводимых в
графитовых капсулах. Наблюденный эффект,
возможно, объясненяется присутствием пер-
вичной неструктурной воды в минералах ис-
пользуемых ксенолитов КLВ-1 и КR 4003. Раз-
ница в содержании воды определяет разницу
и в степени плавления.
В работе [Украинский …, 2005] в качестве
возможной причины расхождения результатов
экспериментов рассматривалось высвобожде-
ние O2– в процессе плавления силикатов при
≥3 ГПа. Рассмотрим упрощенное протекание
процесса. В работе [Мюллер, Саксена, 1980]
плавление ортопироксена представлено реак-
циями
( )22
3 3MgSiO Mg SiO+ ,
( )42
3 4 22MgSiO 2Mg SiO SiO+ .
Можно предположить большую степень
разупорядочения с выделением ионов кисло-
рода:
( )22
3 34MgSiO 4Mg SiO+
( )4 2
4 2SiO 2SiO O+ + + .
В условиях, приближенных к существую-
щим в мантии, при плавлении ортопироксе-
на могут образоваться свободный кислород,
железо, магний, кварц, кремнекислородные
тетраэдры:
( ) ( )2 2
1 34 Mg ,Fe SiO 2 Mg 2 1 Fe+ +
( ) ( )2 4 2
3 4 2SiO SiO 2SiO O+ + + + .
При плавлении клинопироксена добавится
кальций. При достаточно высокой фугитивно-
сти кислорода справа получим магматический
расплав из оксидов железа и кремния (подобие
железистого кварцита), магнезиального оливи-
на, пироксена, обрывков кремнекислородных
цепочек. Активность кислорода при предпо-
лагаемом протекании процесса будет зависеть
от количества пироксена, амфибола, флогопи-
та, т. е. степени деплетирования мантии. При
наличии свободного углерода (алмаз, графит)
либо восстановленного углеродсодержащего
флюида кислород может окислять как желе-
зо, так и углерод — происходит образование
углекислой фазы.
В работе [Brey еt аl., 2008] описан экспе-
римент по плавлению магнезитсодержащего
лерцолита, заключенного в оливиновый кон-
тейнер, запаянный в платиновую капсулу. По
мнению авторов, при плавлении из оливина
осуществляется экстракция железа в платину,
а расплав обогащается Орх и О2, что отражает-
ся в повышенных содержаниях Fе3+ в гранате.
Далее фугитивность кислорода зависит от при-
сутствия графита. Таким образом, обсужда-
Рис. 6. Кривые плавления шпинелевого и гранатового
лерцолита при давлении 2 Гпа (а) и 3,5 Гпа (б) [Scarfe еt
al., 1979].
О. В. УСЕНКО
110 Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011
ется возможность изменения окислительного
потенциала в расплаве вследствие взаимодей-
ствий между Рt-капсулой, Ol-контейнером
и карбонатизированным перидотитом. Рас-
сматривается возможность взаимодействий
между фазами, различающимися по составу
(капсула и смесь минералов) при плавлении,
сопровождающемся выделением О2. В экспери-
менте донором Fе и О2 является Ol-контейнер,
а графита (С°) — магнезит перидотита, т. е.
обсуждается возможность окислительно-
восстановительных реакций при плавлении.
Выводы, вытекающие из рассмотрения ре-
зультатов экспериментов: капсула является
частью термодинамической системы. Хими-
ческая активность составляющих ее компо-
нентов должна быть учтена при рассмотре-
нии полученного результата. В зависимости
от состава происходит либо приток вещества
в исследуемый образец, либо отток вещества
из образца в капсулу. В обоих случаях состав
исследуемой композиции изменяется.
В отличие от мнения, высказанного в статье
[Girnis еt аl., 1995], о появлении «избыточного»
кислорода вследствие диффузии металличе-
ского железа в капсулу, автором предлагается
появление свободного кислорода вследствие
плавления кислородсодержащих минералов
мантии. Включения микроскопических ко-
личеств воды, СО2 и т. д. обнаружены даже
на гранях алмазов [Schrauder, Navon, 1994].
Очевидно, что минералы с менее плотной
упаковкой могут содержать неструктурные
ОН–-группы, Н2-молекулы, карбонатные вклю-
чения. Их присутствие важно для инициации
процесса разрушения кристаллических реше-
ток минералов. Однако основная часть флюи-
да образуется именно в процессе плавления
и дальнейшего взаимодействия с минералами
лерцолита.
В отличие от мнения, высказанного в работе
[Brey еt аl., 2008], автор считает, что при ис-
пользовании Pt-капсулы происходит взаимо-
действие кислорода непосредственно с порош-
ком образца — полученный расплав обогащен
MgО и SiO2 в результате преимущественного
плавления ортопироксена и оливина в усло-
виях высокой фугитивности кислорода при
≥3 ГПа. Вероятно, также имеет значение со-
став капсулы — Pt в промышленности исполь-
зуется как катализатор в реакциях окисления.
Магний активнее взаимодействует с кислоро-
дом, чем железо, его восстановительный потен-
циал (–2,37 В) намного ниже, чем Fe2+ (–0,47 В).
При высокой фугитивности кислорода пассив-
ны щелочи, СаО остается в рестите. Подоб-
ный процесс наблюдается при очистке Fe от
шлаков в доменной печи, где при нагнетании
кислорода СаО соединяется с SiO2 и Al2O3 и
переходит во флюс. В случае высокой активно-
сти кислорода в расплав экстрагируется MgО,
а CaO и Al2O3 относительно пассивны. В ре-
альных условиях расплав обогащается и FeO,
однако в эксперименте происходит диффузия
Fe в вещество капсулы. Побочным эффектом
является дополнительное повышение актив-
ности кислорода.
Увеличение содержания СО2 в эксперимен-
те, проводимом в графитовой капсуле, стано-
вится объяснимым, если предположить, что
в этом случае выделяющийся при плавлении
свободный кислород взаимодействует с угле-
родом капсулы, образуя СО2 (СО). Углекислый
флюид вступает во взаимодействие с минера-
лами лерцолита — экстрагирует из минералов
образца кальций. Происходит преимуществен-
ное плавление—растворение Са-содержащего
клинопироксена, а ортопироксен относитель-
но устойчив. При появлении СО и экстракции
кальция формируется щелочная среда, что вы-
зывает увеличение содержаний Al2O3, Fe2O3.
Дефицит свободного кислорода приводит к
относительной пассивности магния. Падение
активности Mg в присутствии углекислого
флюида установлено экспериментально [Ряб-
чиков, Гирнис, 2005].
Возможно, изменение поведения вещества
при ~3 ГПа отражает усиление электрохими-
ческих взаимодействий с увеличением давле-
ния. Чем выше давление, тем эффективнее
этот процесс, так как степень ионизации рас-
плава и флюида с ростом давления увеличива-
ется. Так, с ростом давления фиксируется по-
вышение активности кислорода при плавлении
и дифференциации расплавов. Аномалия фи-
зических свойств воды обусловлена наличием
водородных связей между молекулами. Можно
предположить, что наличие подобных связей
приводит к увеличению объема, что должно
приводить к ее неустойчивости в условиях вы-
соких давлений. По мере повышения Р вода
будет распадаться на Н+ и ОН–, а далее — на
О2– и Н2. Поэтому, говоря о влиянии воды на
дифференциацию расплава при ~5÷7 ГПа,
следует говорить о влиянии О2–.
Можно заключить, что плавление сопрово-
ждается повышением окислительного потен-
циала вследствие выделения свободного кис-
лорода. Резкое изменение поведения (характе-
ра взаимодействий, направления протекания
ПЛАВЛЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ
Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011 111
реакций) происходит при ~3 ГПа. Чем выше
давление, тем интенсивнее процесс. Образу-
ются несиликатные химически активные ком-
поненты. Они избирательно взаимодействуют
с кристаллами лерцолита. Состав новых при-
ращений расплава зависит от состава первых
порций жидкости.
Для рассмотрения процесса плавления, осу-
ществляемого в природе, важно, что химиче-
ские реакции, происходящие в эксперименте,
по всей видимости, происходят и при плавле-
нии в мантии. В присутствии углеродсодержа-
щих фаз образуются углекислые флюиды и ще-
лочные расплавы, в отсутствие — свободный
кислород взаимодействует непосредственно
с кристаллами лерцолита, формируются си-
ликатные расплавы нормальной щелочности.
Возможно и поступление флюидов из нижней
мантии. Их состав неизвестен, однако можно
утверждать, что они восстановленные.
При плавлении происходит образование
окисленного несиликатного флюида. Изме-
няется не только химический потенциал ком-
понентов в фазах. Вследствие химических ре-
акций изменяется состав самих компонентов
— устойчивых единиц, самостоятельно функ-
ционирующих в жидкой фазе. Дальнейшее
плавление сопровождается взаимодействием
химически активного флюида, возникающего
в процессе плавления, с минералами лерцоли-
та. В случае равновесной системы невозможно
последовательное протекание химических ре-
акций, хотя бы потому, что в их ходе компонент
исчезает. Очевидно, что каждое последующее
взаимодействие делает невозможным возврат
к первоначальным условиям, уводит процесс
от равновесных условий и делает невозмож-
ным его описание в категориях равновесной
термодинамики.
Предполагаемое протекание процесса под-
тверждается следующими наблюдениями.
1. Карбонаты присутствуют в высокобар-
ных (образованных при ~5 ГПа и более) рас-
плавах, но не встречаются в неизмененных
ксенолитах. В работе [Dawson, 2002] описаны
ксенолиты, вынесенные с глубины ~140 км
(вулкан Лашайн, Северная Танзания). Плавле-
ние осуществляется в точках — формируются
«карманы» расплава, в которых обнаружены
Н2О и СО2. До начала плавления минералы
не содержали воду и углекислоту. Состав рас-
плава в каждом «кармане» индивидуален, что
объясняется микроскопическим радиусом
взаимодействия, соответствующим длине хи-
мической связи.
2. Окисленные флюиды, непосредственно
связанные с процессом плавления, присутству-
ют в ксенолитах трубки Удачная (Сибирская
платформа) [Соловьева и др., 1997]. Метасо-
матические ассоциации представлены джер-
фишеритами, флогопитами и др. Образуются
сульфидные глобули, которые помимо Fe, Ni
и S содержат К и Сl. Окисленные флюиды-
расплавы сопровождают и, возможно, пред-
варяют плавление.
В обеих работах [Соловьева и др., 1997;
Dawson, 2002] авторы настаивают на связи
плавления и появления окисленных флюидов.
3. Экспериментально доказано, что обрат-
ный процесс — кристаллизация в условиях вы-
соких и сопровождается восстановлением
флюида. Речь идет об общей направленности
процесса. Экспериментальное моделирование
мантийных алмазообразующих сред выявило,
что «благоприятные условия для алмазообра-
зования возникают в умеренно-окисленной
щелочной флюидной фазе, а также Н2О- и
СО2-содержащих щелочных карбонатных,
карбонатно-силикатных и силикатных распла-
вах» [Пальянов и др., 2005, с. 1299]. Процесс
кристаллизации полиморфов углерода при
=1150÷1800 °С и =5,2÷7,5 ГПа (минимальных
температур для данного интервала давлений в
природных условиях) реализуется следующим
образом: нуклеация и рост метастабильного
графита�нуклеация и рост метастабильного
графита и рост алмаза�нуклеация и рост ал-
маза.
Какие процессы и взаимодействия допол-
няют плавление многокомпонентной системы
при высоких температуре и давлении? Воз-
можность протекания химических реакций,
окислительных и восстановительных процес-
сов, образования смесей, происходящих при
постоянных давлении и температуре, опреде-
ляется стремлением к нулю свободной энергии
Гиббса.
В первом приближении возможность, ско-
рость и результат химической реакции опреде-
ляются составом реагирующих веществ. По-
добное небезразличие связано с энергетиче-
скими характеристиками — строением атомов,
определяющим возможность ядра удержать
«свои» и присвоить «чужие» электроны в про-
цессе химической реакции либо в химической
связи. Эти способности обусловлены зарядом
ядра и распределением электронов относи-
тельно него, что определяет место элемента в
таблице Д. И. Менделеева. Однако в расплавах
(при мантии) поведение Nа+ и Са2+ харак-
О. В. УСЕНКО
112 Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011
теризуется большим сходством, чем Nа+ и К+,
что необъяснимо с точки зрения их положения
в периодической системе, но объясняется их
положением в ряду напряжения металлов, на
что указывал А. А. Кадик в работе [Флюиды …,
1991].
Зависимость поведения катионов в рас-
плаве от их размещения в ряду напряжения
металлов можно объяснить, используя анало-
гию между поведением кристаллов лерцолита
и первых порций расплава в близсолидусных
-условиях и металлов в водном растворе в
-условиях поверхности [Усенко, 2008]. Несо-
ответствие поведения силикатов в -условиях
поверхности и при высоких температурах и
давлениях была отмечена еще И. Д. Рябчико-
вым [Рябчиков, 1982], который обратил внима-
ние на сходство между процессами растворе-
ния силикатов в воде и их плавлением в присут-
ствии водяного пара (при =1100 °С и =3 ГПа).
Так, растворимость форстерита и диопсида по-
родообразующих минеральных ассоциаций в
водном флюиде при мантийных параметрах
приближается к растворимости легкораство-
римых солей в условиях поверхности. Точки
плавления кварца, алюмосиликатов щелочей
снижаются при повышении давления значи-
тельно быстрее, чем температуры плавления
форстерита и диопсида. При растворимости
силикатов в воде наблюдается аналогичная
закономерность: кварц, а также кремнезем,
выщелачиваемый из энстатита в присутствии
форстерита (~35 мас. %) и алюмосиликат калия,
выщелачиваемый из флогопита в присутствии
форстерита (>50 мас. %), имеют более высокую
растворимость в воде, чем, например, форсте-
рит (~2 мас. %) или диопсид (~10 мас. %) [Ряб-
чиков и др., 1983].
Еще одна черта сходства состоит в том, что
твердые фазы, которые плавятся в присут-
ствии воды инконгруэнтно, обнаруживают
также инконгруэнтную растворимость в вод-
ном растворе (флогопит, энстатит) и, наоборот,
конгруэнтно-плавящиеся в равновесии с водя-
ным паром минералы растворяются в водном
флюиде конгруэнтно (форстерит, диопсид)
[Inoue, 1994].
Даже незначительное повышение давления
приводит к весьма интересным эффектам. При
=0,1 ГПа и =600—500 °С фиксируется раство-
рение порошка минералов базальта водным
раствором электролита (содержащим перемен-
ные количества НСl, NаСl, КСl) с дальнейшим
образованием капель силикатного расплава
[Пуртов и др., 2002]. Эти эффекты существен-
но усиливаются с повышением температуры
и давления.
Сходство поведения силикатного распла-
ва в -условиях мантии и раствора электро-
лита в -условиях поверхности объясняется
сходством их строения на микроскопическом
уровне. Жидкое состояние характеризуется
наличием областей упорядоченной структуры,
которые будут возникать и разрушаться в ре-
зультате теплового движения молекул. Водный
раствор электролита (образуется, как только в
воду помещается хоть сколько-нибудь раство-
римое вещество) и силикатный расплав струк-
турированы и содержат заряженные частицы.
Силикатный расплав и несиликатный флюид,
образующиеся в процессе плавления, как и во-
дный раствор электролита, содержат ионы —
электрически заряженные частицы, способные
к самостоятельному существованию в среде.
При плавлении образуется электрохимиче-
ская система, в которой происходит переход
энергии химической реакции в энергию элек-
трического тока и обратно. Подобная система,
исследованная в -условиях поверхности,
— это электрод, состоящий из двух фаз. Одна
является электролитом, другая металлом или
полупроводником. На обратимом электроде (в
электрохимической цепи) окисленное веще-
ство присоединяет электроны и восстанавли-
вается: 1+ze–
1. Восстановленное отдает
электроны и окисляется: 2–ze–
2. В равно-
весном электродном процессе окисление—вос-
становление с одинаковой скоростью протека-
ет в обоих направлениях: 1 2 1 2.
На границе раздела фаз металл—раствор
(в нашем случае кристалл—расплав) наблюда-
ется скачок электрохимического потенциала.
Механизм его возникновения объясняется на
основе сольватационной теории электродно-
го потенциала [Физическая ..., 1982]. Согласно
этой теории, скачок потенциала на границе
раствор—металл обусловлен двумя процесса-
ми: 1) диссоциацией атомов металла на ионы и
электроны внутри металла, 2) сольватацией ио-
нов металла, находящихся на поверхности, при
соприкосновении с раствором, содержащим
молекулы растворителя L. Обе стадии и общую
реакцию можно записать в следующем виде:
z e
z z
z
n n
n n e
+ +
,
где — металл, L — растворитель, nL — соль-
ватированный комплекс.
ПЛАВЛЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ
Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011 113
Энергетической характеристикой первой
стадии является работа выхода катиона, второй
— энергия сольватации. Работа выхода катио-
на и энергия сольватации зависят от природы
металла (в нашем случае кристалла), иона и
растворителя.
На границе раздела фаз (кристалл—флю-
ид, кристалл—расплав) протекает электродный
процесс — реакция между их компонентами, в
результате которой происходит переход элек-
трических зарядов из одной фазы в другую.
Каждая фаза приобретает электрический за-
ряд, а на границе их раздела создается двойной
электрический слой, которому соответствует
скачок потенциала. Образуется раствор элек-
тролита, взаимодействующий с кристалличе-
скими решетками минералов.
Электродный процесс представляет собой
гетерогенную реакцию, состоящую из следую-
щих стадий:
1) транспорт реагирующих веществ к элек-
троду (кристаллу) и образовавшихся в ре-
зультате электродной реакции веществ
в общую массу электролита (расплава);
2) собственно электрохимическая стадия
— переходы ионов через границу раз-
дела фаз;
3) фазовые превращения (разрушение кри-
сталлической решетки твердых веществ,
выделение пузырьков флюида);
4) химические реакции, предшествующие
электрохимической стадии (например,
образование СО2) или последующие ей
(например, формирование карбонатного
флюида, обогащенного СаО, FеО, МgО
и Р2О5).
На каждой стадии возможно замедление в
ходе электродного процесса возникает разни-
ца напряжений, в системе появляется направ-
ленное движение частиц (равновесие нару-
шается). Процесс приобретает направленный
характер, а возвращение к прежнему состоя-
нию становится невозможным. В равновесной
системе плавление должно сопровождаться
«уравнивающей» кристаллизацией. Фазовые
диаграммы плавления при =3 ГПа (см. рис. 6)
демонстрируют нарастание степени плавления
практически без изменения температуры. Про-
цесс «питает сам себя»: чем больше степень
плавления (растворения), тем больше количе-
ство активных компонентов, тем интенсивнее
взаимодействие. Степень плавления растет
лавинообразно, что и наблюдается в виде со-
кращения температурного интервала между
солидусом и ликвидусом при ~3 ГПа и более.
Очевидно, что в данном случае мы имеем дело
с процессом, далеким от равновесия. Как толь-
ко появляются первые включения расплава и
несиликатного флюида, начинается цепочка
физико-химических взаимодействий, сопро-
вождающихся химическими реакциями, что
делает невозможным возврат к первоначаль-
ному состоянию — система изменяется необ-
ратимо. Специфические эффекты приводят к
возникновению «обратных связей» [Николис,
Пригожин, 1990], когда продукты какой-либо
стадии инициируют процесс, характерный для
предыдущей стадии. Возникает положительная
обратная связь: наличие вещества стимулирует
его дальнейшее производство. Это явление на-
зывается автокатализ.
Не исключено и выделение тепла в процес-
се окислительных химических реакций, при-
водящих к возникновению тепловой обратной
связи. В -условиях поверхности константа
скорости химической реакции растет с увели-
чением температуры. Подобная зависимость
должна сохраняться и для условий, близких
к условиям солидуса лерцолита мантии. Тогда
при протекании первых окислительных реак-
ций (взаимодействия высвобождающегося в
процессе плавления О2– с углеродом, металла-
ми) температура будет возрастать не столько за
счет «внешнего» для плоской границы раздела
фаз повышения температуры (внешней сре-
ды), но и за счет химических реакций, иниции-
руемых происходящими на ней процессами.
В предложенном описании плавление в
-условиях мантии — это не только фазо-
вый переход, но и начало цепочки физико-
химических процессов, сопровождающихся
высвобождением активных компонентов (в
том числе несиликатных флюидов), их воздей-
ствием на кристаллические решетки минера-
лов и связыванием в новые соединения, соот-
ветствующие новым условиям ( и , степени
плавления, составу расплава-раствора и др.).
В процессе их взаимодействия с кристалли-
ческими решетками минералов в -условиях
мантии образуется электрохимическая систе-
ма, поведение которой далеко от равновесного.
Активные анионные комплексы являются рас-
творителями, определяющими экстракцию ко-
герентных металлов, с которыми впоследствии
образуют комплексные соединения. В составе
этих соединений они находятся до момента
смены условий — , , притока (оттока) веще-
ства. Процесс плавления гетерогенной систе-
мы (перидотита мантии) в условиях высоких
температуры и давления — неравновесный.
О. В. УСЕНКО
114 Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011
Система кристалл—расплав—флюид ис-
пользует все возможные способы рассеяния
энергии, удаления процесса от равновесных
условий, невозможности вернуться в точку,
с которой он начинался. В процессе активи-
зации, начинающемся с плавления, не только
рассеивается внутренняя энергия, но и необ-
ратимо изменяется распределение вещества.
Выводы. -условия инициального плавле-
ния определяются линией солидуса лерцолита
верхней мантии, содержащего очень незначи-
тельное количество легкоплавкой компоненты.
Плавление может начаться в интервале глубин
220—450 км при температуре, соответствую-
щей солидусу мантийного лерцолита для дан-
ной глубины.
Для фанерозоя -условия плавления на
данной глубине можно считать постоянными.
С течением времени на одной глубине может
изменяться температура (от минимальных до
максимальных значений).
В термодинамически равновесном процессе
состав расплава зависит от давления и темпера-
туры в точке плавления и описывается фазовой
реакцией. Процесс равновесного плавления,
рассматриваемый в большинстве петрологи-
ческих задач, предполагает равенство химиче-
ских потенциалов веществ в фазах.
При увеличении количества компонентов
системы увеличивается количество фаз, кото-
рые могут находиться в равновесии. Однако
возникают дополнительные взаимодействия
между компонентами разного состава. В зави-
симости от внешних -условий могут образо-
вываться гомогенные и гетерогенные смеси, в
которых вещество по-разному структурирова-
но, но и в этом случае еще возможно описание
процесса как равновесного.
Нельзя отрицать теоретическую важность
подобных исследований. Они позволяют пред-
ставить некий «идеальный» расплав, который
мог бы образоваться в отсутствие химических
взаимодействий при известных , , заданном
количестве инертного флюида. Однако при
решении обратной задачи — установлении
условия образования расплава учет физико-
химических взаимодействий между расплавом,
флюидом и кристаллами обязателен, так как на
одной глубине может формироваться спектр
составов в зависимости от соотношения Н2О/
СО2 и их количественного содержания. Оче-
видно, что основная часть взаимодействий про-
текает на глубине сегрегации (сбора) и диффе-
ренциации расплава, хотя непосредственному
изучению фактически доступны лишь резуль-
таты экспериментов по плавлению мантийных
и магматических пород. Однако уже рассмотре-
ние и сопоставление фазовых диаграмм позво-
ляет установить закономерности (зависимость
состава магматической породы от давления,
температуры, а также химических реакций и
физических взаимодействий расплава с неси-
ликатной составляющей — флюидом), которые
могут быть использованы при описании пове-
дения реальных геологических объектов.
Изучение фазовых диаграмм, полученных
при экспериментальных исследованиях, по-
казывает, что в диапазоне -условий верх-
ней мантии плавление — не только фазовый
переход, не только изменение распределения
частиц вещества в единице объема, но и об-
разование новых компонентов вследствие
окислительно-восстановительных реакций.
Расплав является раствором электролита, а
его взаимодействие с кристаллами аналогично
взаимодействию водного раствора электролита
и электрода при прохождении электрического
тока. В результате образуются новые химиче-
ские соединения, процесс является неравно-
весным. Его описание с помощью фазовых ре-
акций неправомочно, так как должно включать
образование (преобразование) глубинного
флюида и его избирательное взаимодействие
с кристаллами лерцолита.
Гордиенко В. В. Адвекционно-полиморфная гипо-
теза процессов в тектоносфере. — Киев: Корвін
пресс, 2007. — 172 с.
Гордиенко В. В., Гордиенко И. В. Гипотетические те-
пловые модели и данные геотермометров // Доп.
НАН України. — 2005. — № 3. — С. 104—110.
Кадик А. А., Луканин О. А., Портнягин А. Л. Магмо-
образование при восходящем движении мантий-
ного вещества: температурный режим и состав
Список литературы
расплавов, образующихся при адиабатической
декомпрессии ультрабазитов мантии // Геохи-
мия. — 1990. — № 9. — С. 1263—1276.
Коваленко В. И., Наумов Б. В., Гирнис А. В., Дорофее-
ва В. Л., Ярмолюк В. В. Оценка средних содержа-
ний Н2О, Cl, F, S в деплетированной мантии на
основе составов расплавных включений зака-
лочных стекол срединно-океанических хребтов
// Геохимия. — 2006. — № 3. — С. 243—266.
ПЛАВЛЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ
Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011 115
Коржинский Д. С. Теоретические основы анализа
парагенезисов минералов. — Москва: Наука,
1973. — 288 с.
Кутас Р. И., Чекунов А. В., Лялько В. И., Мит-
ник М. М. Термодинамическая модель эволю-
ции астенолитов // Геофиз. журн. —1993. — 15,
—№ 4. — С. 3—11.
Мюллер Р., Саксена С. Химическая петрология. —
Москва: Мир, 1980. — 518 с.
Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. Вве-
дение. — Москва: Мир, 1990. — 344 с.
Пальянов Ю. Н., Сокол А. Г., Соболев Н. В. Экспери-
ментальное моделирование мантийных алмазо-
образующих процессов // Геология и геофизика.
— 2005. — 46, № 12. — С. 1290—1303.
Пуртов В. К., Анфилогов В. Н., Егорова Л. Г. Взаимо-
действие базальта с хлоридными растворами и
механизм образования кислых расплавов // Гео-
химия. — 2002. — № 10. — С. 1084—1097.
Рингвуд А. Е. Состав и петрология мантии Земли. —
Москва: Недра, 1981. — 584 с.
Рябчиков И. Д. Флюидный массоперенос и мантий-
ное магмаобразование // Вулканология и сейс-
мология. — 1982. — № 5. — С. 3—9.
Рябчиков И. Д., Гирнис А. В. Происхождение низко-
кальциевых кимберлитовых магм // Геология и
геофизика. — 2005. — 46, № 12. — С. 1223—1233.
Рябчиков И. Д., Орлова Г. П., Коваленко В. И., Чо-
поров Д. Я., Соловова И. П., Муравицкая Г. Н.
Экспериментальное изучение взаимодействия
флюида со слюдистым шпинелевым лерцолитом
при высоких температурах и давлениях // Изв.
АН СССР. Сер. геол. — 1983. — № 3. — С. 38—46.
Соловьева Л. В., Егоров К. Н., Маркова М. Е., Харь-
кив А. Д., Пополитов К. Э., Баранкевич В. Г. Ман-
тийный метасоматизм и плавление в глубинных
ксенолитах трубки Удачная, их возможная связь
с алмазо- и кимберлитообразованием // Геология
и геофизика. — 1997. — 38, № 1. — С. 172—193.
Украинский щит (геофизика, глубинные процессы) /
Под ред. В. В. Гордиенко. — Киев: Корвін пресс,
2005. — 210 с.
Усенко О. В. Глубинные процессы образования рас-
плавов в тектоносфере: Автореф. дис. … д-ра
геол. наук. — Киев, 2008. — 41 с.
Физическая химия / Под ред. К. С. Краснова. — Мо-
сква: Высшая школа, 1982. — 687 с.
Флюиды и окислительно-восстановительные рав-
новесия в магматических системах / Отв. ред.
А. А. Кадик. — Москва: Наука, 1991. — 256 с.
Baker M. B., Stolper E. M. Determining the compositions
of high-pressure mantle melts using diamond
aggregates // Geochim. Cosmochim. Acta. — 1994.
— 58. — P. 2811—2827.
Bell D. R., Rossman G. R. Water in Earts mantle: The role
of nominally anhydrous minerals// Science. — 1992.
— 255. — P. 1391—1397.
Boyd F. R. A pyroxene geotherm // Geochim. Cosmochim.
Acta. — 1973. — 37. — P. 2533—2546.
Brey P. G., Bulatov V. K., Girnis A. V., Lahaye Y.
Experimental melting of carbonated peridotite at
6—10 GPa // J. Petrol. — 2008. — 49. — P. 797—821.
Dawson J. B. Metasomatism and partial melting in
upper-mantle peridotite xenoliths from the Lashaine
volcano, Northern Tanzania // J. Petrol. — 2002. —
43. — P. 1749—1777.
Girnis A. V., Brey G. P., Ryabchikov I. D. Origin of Group
1A kimberlites: Fluid- saturated melting experiments
at 45—55 kbar // Earth Planet. Sci. Lett. — 1995. —
134. — P. 283—296.
Green D. H., Ringwood A. E. Fractionation of basalt
magmas at high pressures // Nature. — 1964. — 201.
— P. 1276—1279.
Gudfinnsson G. H., Presnal D. C. Continuоus gradations
among primary carbonatic, melilitic, basaltic,
picritic, and komatiitic melts in equilibrium with
garnet lherzolite at 3—8 GPa // J. Petrol. — 2005. —
46. — P. 1645—1659.
Gudfinnsson G. H., Presnal D. C. Melting relations
of model lherzolite in the system CaO—MgO—
Al2O3—SiO2 at 2,4—3,4 and the generation of
komatiites // J. Geophs. Res. — 1996. — 101. —
P. 27701—27709.
Inoue T. Effect of water on melting phase relations
and melt composition in the system Mg2SiO4—
MgSiO3—Н2О up to 15 GPa // Phys. Earth Planet.
Int. — 1994. — 85. — P. 237—263.
Lesher C. E., Pickering-Witter J., Baxter G., Walter M.
Melting of garnet peridotite: Effects of capsules
and thermocouples, and implications for the high-
pressure mantle solidus // Amer. Miner. J. — 2003.
— 88. — P. 1181—1189.
Luth R. W. Mantle Volatites — Distribution and
Consequences // The Mantle and Core. — Oxford:
Elsevier Ltd., 2005. — P. 319—362.
Presnal D. C., Gudfinnsson G. H., Walter M. G.
Generation of mid-ocean ridge basalts at pressures
from 1 to 7 GPa // Geochim. Cosmochim. Acta. —
2002. — 66. — P. 2073—2090.
Scarfe C. M., Mysen B. O., Rai C. S. Invariant melting
behavior of mantle material: partial melting of two
О. В. УСЕНКО
116 Геофизический журнал № 4, Т. 33, 2011
lherzolite nodules // Carn. Inst. Wash. — 1979. —
P. 498—501.
Schrauder M., Navon V. Hуdrous and carbonatic mantle
fluids in hydrous diamonds from Jwaneng, Botswana
// Geochim. Cosmochim. Acta. — 1994. — 58. —
P. 761—771.
Takahashi E. Melting of a dry peridotite KLB-1 up to
14 GPa implications on the origin of peridotite
upper mantle // J. Geophys. Res. —1986. — 91. —
P. 9367—9382.
Walter M. J. Melt Extraction and Compositionаl
Variability in Mantle Lithospere // The Mantle and
Core. — Oxford: Elsevier Ltd., 2005. — P. 363—394.
Walter M. J. Melting of garnet peridotite and the origin
of komatiite and depleted lithosphere // J. Petrol. —
1998. — 39. — P. 29—60.
Wyllie P. J., Ryabchikov I. D. Volatile components,
magmas, and critical fluids in upwelling mantle //
J. Petrol. — 2000. — 41. — P. 1195—1205.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-97098 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3100 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:50:43Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Усенко, О.В. 2016-03-25T14:37:20Z 2016-03-25T14:37:20Z 2011 Плавление в условиях верхней мантии / О.В. Усенко // Геофизический журнал. — 2011. — Т. 33, № 4. — С. 100-116. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. 0203-3100 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97098 551.24 Сучасні петрологічні моделі описують процес плавлення як термодинамічно рівноважний. Показано, що ініціальне плавлення можливе на глибині не менше 220 км. Фазові діаграми, побудовані за результатами експериментальних досліджень плавлення лерцоліту мантії, демонструють ефекти, недопустимі для процесу, що проходить в рівноважних умовах. Так, у різних експериментах зафіксовано відмінність температур початку плавлення, складу розплаву і ступеня плавлення (за певного тиску) для зразків близького складу. В усіх експериментах спостерігається скорочення температурного інтервалу між солідусом і ліквідусом з підвищенням тиску. Обґрунтовано припущення, що при P~3 ГПа різко змінюється поводження (характер взаємодій, напрямок перебігу реакцій) системи кристал—розплав, а власне процес плавлення супроводжується підвищенням окиснювального потенціалу внаслідок виділення вільного кисню. Чим вищий тиск, тим інтенсивніший процес. Утворюються несилікатні хімічно активні компоненти. Вони вибірково взаємодіють з кристалами лерцоліту. Склад нових приростів розплаву залежить від складу перших порцій рідини.
 У запропонованому описі плавлення в PT-умовах мантії — це не лише фазовий перехід, а й початок ланцюжка фізико-хімічних процесів, які супроводжуються вивільненням активних компонентів (у тому числі несилікатних флюїдів), їх дією на кристалічні ґратки мінералів і зв’язуванням у нові сполуки. В процесі їх взаємодії з кристалічними ґратками мінералів у PT-умовах мантії утворюється електрохімічна система, поводження якої не є рівноважним. Опис плавлення, що відбувається за тиску 7 ГПа, за допомогою фазових реакцій неправомочний, тому що має включати утворення (перетворення) глибинного флюїду та його вибіркову взаємодію з кристалами лерцоліту. Modern petrological models describe the melting process as thermodynamically balanced. It has been shown in the work that initial melting is possible at the depth not less than 220 km. Phase diagrams plotted according to the results of experimental studies on melting of mantle lerzolite, demonstrate the effects unallowable for the process, which progress under balanced conditions. For example, in different experiments difference of temperatures at the beginning of the process, composition of the melt and degree of melting (under the same pressure) for the samples with close resemblance of composition has been fixed. Reduction of T interval between solidus and liquidus with pressure increase is observed in all experiments. Suggestion has been substantiated in the article that in case of P~3 GPa dramatic change of behavior (the character of interactions, directions of the progress of reactions) of the system crystal-melt, and the melting process itself is accompanied by increase of oxidation potential as a result of emanation of free oxygen. The higher is the pressure, the more intense is the process. Non-silicate chemically active components are produced. They interact selectively with lherzolite crystals. Composition of new increments of the melt depends on the composition of the first portions of liquid. 
 In the proposed description the melting under mantle PT-conditions is not only a phase transition but also the beginning of a chain of physical-chemical processes accompanied by emanation of active components (including non-silicate fluids), their impact on crystal lattices of minerals and combining into new compounds. In the process of their interaction with crystal lattices of minerals under PT-conditions of the mantle electrochemical system is produced behavior of which is far from balanced. Description of the melting, that is proceeding under the pressure 7 GPa, with the help of phase reactions is ineligible because it must include formation (transformation) of deep fluid and its selective interaction with lherzolite crystals. Современные петрологические модели описывают процесс плавления как термодинамически равновесный. В работе показано, что инициальное плавление возможно на глубине не менее 220 км. Фазовые диаграммы, построенные по результатам экспериментальных исследований по плавлению лерцолита мантии, демонстрируют эффекты, недопустимые для процесса, протекающего в равновесных условиях. Так, в разных экспериментах фиксируется различие температур начала плавления, состава расплава и степени плавления (при одном давлении) для образцов близкого состава. Во всех экспериментах наблюдается сокращение Т интервала между солидусом и ликвидусом с повышением давления. В статье обосновано предположение, что при Р ~ 3 ГПа происходит резкое изменение поведения (характера взаимодействий, направления протекания реакций) системы кристалл-расплав, а сам процесс плавления сопровождается повышением окислительного потенциала вследствие выделения свободного кислорода. Чем выше давление, тем интенсивнее процесс. Образуются несиликатные химически активные компоненты. Они избирательно взаимодействуют с кристаллами лерцолита. Состав новых приращений расплава зависит от состава первых порций жидкости. В предложенном описании плавление в РТ-условиях мантии - это не только фазовый переход, но и начало цепочки физико-химических процессов, сопровождающихся высвобождением активных компонентов (в том числе несиликатных флюидов), их воздействием на кристаллические решетки минералов и связыванием в новые соединения. В процессе их взаимодействия с кристаллическими решетками минералов в РТ-условиях мантии образуется электрохимическая система, поведение которой далеко от равновесного. Описание плавления, протекающего при давлении 7 ГПа, с помощью фазовых реакций неправомочно, так как должно включать образование (преобразование) глубинного флюида и его избирательное взаимодействие с кристаллами лерцолита. ru Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України Геофизический журнал Плавление в условиях верхней мантии Плавлення в умовах верхньої мантії Melting under the upper mantle conditions Article published earlier |
| spellingShingle | Плавление в условиях верхней мантии Усенко, О.В. |
| title | Плавление в условиях верхней мантии |
| title_alt | Плавлення в умовах верхньої мантії Melting under the upper mantle conditions |
| title_full | Плавление в условиях верхней мантии |
| title_fullStr | Плавление в условиях верхней мантии |
| title_full_unstemmed | Плавление в условиях верхней мантии |
| title_short | Плавление в условиях верхней мантии |
| title_sort | плавление в условиях верхней мантии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97098 |
| work_keys_str_mv | AT usenkoov plavlenievusloviâhverhneimantii AT usenkoov plavlennâvumovahverhnʹoímantíí AT usenkoov meltingundertheuppermantleconditions |