EXPERIMENTAL STUDY OF MELTING IN THE FORSTERITE NORMATIVE PART OF THE СаО-MgO-Al2O3-SiO2 SYSTEM IN CONNECTION WITH THE EXISTENCE OF THE “ECOLOGITE BARRIER”

Банушкина С.В.¹, Гартвич Ю.Г.², Голицына З.Ф.³, Сурков Н.В.⁴

¹ORCID: 0000-0002-5676-2851, аспирант, ²ORCID: 0000-0002-1018-2587, кандидат геолого-минералогических наук, ³ORCID: 0000-0002-3222-9139, аспирант, ⁴ORCID: 0000-0003-0126-860X, кандидат геолого-минералогических наук, Институт геологии и минералогии СО РАН, г. Новосибирск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАВЛЕНИЯ В ФОРСТЕРИТНОРМАТИВНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ СаО-MgO-Al₂O₃-SiO₂ В СВЯЗИ С СУЩЕСТВОВАНИЕМ "ЭКЛОГИТОВОГО БАРЬЕРА"

Аннотация

Проведено экспериментальное исследование ликвидусных фазовых взаимоотношений в форстеритнормативной области фазовой диаграммы системы СаО-MgO-Al₂O₃-SiO₂ в области давления 2,5-3,0 ГПа. Установлено существование двух перитектических реакций плавления Opx+Fo+L=Cpx+Ga и Opx+L=Cpx+Ga и одной эвтектической реакции L=Cpx+Opx+Ga+Fo. Показано, что при давлении 2,5-2,6 ГПа и температуре 1500 ^OC существует нонвариантное равновесие (L,Cpx,Opx,Ga,Fo), в точке существования которого состав жидкости находится в плоскости Mg₂Si₂O₆-Al₂O₃-Ca₂Si₂O₆. Из точки этого нонвариантного равновесия в сторону высоких давлений выходит луч реакции L=Cpx+Opx+Ga+Fo, в сторону высоких температур и высоких давлений луч реакции Opx+L=Cpx+Ga, а в сторону низких давлений луч реакции Opx+Fo+L=Cpx+Ga. Показано, что сингулярное нонвариантное равновесие (L,Cpx,Opx,Ga,Fo) является моделью "эклогитового барьера", которое обсуждалось в работах В.А. Жарикова и В.С. Соболева в связи с проблемой эволюции состава первичных ультраосновных магм до гранитных расплавов.

Ключевые слова: магматизм, фазовая диаграмма, нонвариантное равновесие, экспериментальное исследование, высокие давления.

Banushkina S.V.¹, Gartvich Yu.G.², Golitsyna Z.F.³, Surkov N.V.⁴

¹ORCID: 0000-0002-5676-2851, Postgraduate Student, ²ORCID: 0000-0002-1018-2587, PhD in Geology and Mineralogy, ³ORCID: 0000-0002-3222-9139, Postgraduate Student, ⁴ORCID: 0000-0003-0126-860X, PhD in Geology and Mineralogy, Institute of Geology and Mineralogy, SB RAS, Novosibirsk

EXPERIMENTAL STUDY OF MELTING IN THE FORSTERITE NORMATIVE PART OF THE СаО-MgO-Al₂O₃-SiO₂ SYSTEM IN CONNECTION WITH THE EXISTENCE OF THE “ECOLOGITE BARRIER”

Abstract

We conducted experimental study of the liquidus phase relationships in the forsterite-normative region of the phase diagram of the СаО-MgO-Al₂O₃-SiO₂  system in the pressure range of 2.5-3.0 GPa. The existence of two peritectic melting reactions Opx+Fo+L=Cpx+Ga и Opx+L=Cpx+Ga and one eutectic reaction L=Cpx+Opx+Ga+Fo is established. It is shown that at the pressure of 2.5-2.6 GPa and temperature of 1500 ^OC, there is a non-variant equilibrium (L, Cpx, Opx, Ga, Fo). At the point of its existence, the liquid composition is in the Mg₂Si₂O₆-Al₂O₃-Ca₂Si₂O₆ plane. From the point of view of this non-variant equilibrium, the reaction beam is L = Cpx + Opx + Ga + Fo in the direction of high temperatures and high pressures, while the reaction beam Opx + L = Cpx + Ga leaves the point of this non-invariant equilibrium towards high pressures. The reaction beam in the direction of low pressures is Opx + Fo + L = Cpx + Ga. It is shown that the singular non-variant equilibrium (L, Cpx, Opx, Ga, Fo) is a model of the “eclogite barrier,” which was discussed in the works of V.А.Zharikov and V.S.Sobolev in connection with the problem of the composition of primary ultra-basic magmas evolution to granite melts.

Keywords: magmatism, phase diagram, non-invariant equilibrium, experimental investigation, high pressures.

Одним из нерешённых вопросов современной петрологии является проблема, каким путём из материала ультраосновной мантии формируется Земная кора, состоящая преимущественно из пород гранитного состава. К настоящему времени проведено множество экспериментальных исследований и построен ряд умозрительных моделей на эту тему. В части работ этот вопрос обсуждался под названием "эклогитовый барьер" [1], [2], но физико-химического объяснения этой проблемы до сих пор не было предложено.

В связи с этим возникла задача разработать на основе физико-химических исследований модель этого явления, связанную с фазовыми диаграммами модельных алюмосиликатных систем при высоких давлениях. Для этого в качестве объекта для экспериментальных исследований выбраны фазовые взаимоотношения в области плавления в форстеритнормативной части фазовой диаграммы системы СаО-MgO-Al₂O₃-SiO₂.

Фазовая диаграмма системы СаО-MgO-Al₂O₃-SiO₂ (рис. 1) является наиболее популярной моделью для таких исследований. Оксиды Si, Mg, Al и Са составляют 80-90 мас. % от содержания в таких породах, как лерцолиты, дуниты, гранатовые лерцолиты, эклогиты, гарцбургиты и т. п.; кроме того в системе СаО-MgO-Al₂O₃-SiO₂ образуются практически все фазы, соответствующие минералам глубинных пород. Физико-химической моделью перехода состава магматического расплава от ультраосновных к основным и средним может служить форстеритнормативная область составов фазовой диаграммы системы СаО-MgO-Al₂O₃-SiO₂. Из результатов экспериментальных исследований при высоких давлениях известно, что ассоциация форстерит+клинопироксен+ортопироксен+гранат при давлениях 3,0-4,0 ГПа испытывает плавление эвтектического типа по реакции L=Fo +Срх+Орх+Ga [3], [4], [5]. При более низких давлениях эта эвтектика исчезает, и плавление носит более сложный характер [6], [7].

Рис. 1 ‑ Фазовые соотношения в системе CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂ при давлении 3,0 ГПа и температуре 1200 ^OC

 

В связи с этим возникла задача исследования нон- и моновариантных равновесий возникающих при разрушении реакции эвтектического плавления L=Fo+Срх+Орх+Ga на фазовой диаграмме системы СаО-MgO-Al₂O₃-SiO₂ при понижении давления.

Методика экспериментальных исследований

Исследование проводили на аппарате типа "поршень-цилиндр" [8], [9] по методике, мало отличающейся от общепринятой для этого типа аппаратов. В качестве нагревательного устройства использована ячейка на основе хлорида натрия, подобная той, которую предложил Мирвальд и др. [10]. Выбор именно этой ячейки связан с тем, что она позволяет, не только наиболее точно контролировать давление, но и не содержит водосодержащих материалов, что даёт возможность проводить эксперименты по исследованию ликвидуса системы.

Давление определяли по усилению нагрузки за вычетом поправки на трение, которую вычисляли по разнице усилия нагрузки и расчётного усилия, необходимого для фазового перехода Bi_I‑Bi_III (2,54 ГПа) при комнатной температуре. Для калибровки висмутовую проволочку длиной 3 мм в таблетке из хлористого серебра помещали непосредственно на поршень. Точность поддержания и измерения давления нами не определялась, но по оценкам разных исследователей [10] на "ячейке низкого трения" составляет около ±0,03 ГПа. Для определения и регулировки температуры использовали платинородиевую термопару PtRd6‑PtRd30, управление температурой производили при помощи высокоточного регулятора ВРТ-3 (точность поддержания ±1 ^OС). Влияние давления на Э.Д.С. термопары не учитывали. Точность измерения температуры по этой методике оценивается не хуже ±10 ^OC [9].

Исходные вещества приготовлены весовым методом из прокаленных (1100‑1400 ^OC; 5‑6 часов) оксидов марки Ос.Ч. Кроме того, использовали оксид алюминия, который получен прокаливанием гидрооксида алюминия марки Ос.Ч.-18-3. Из них были приготовлены смеси, отвечающие по стехиометрии CaMgSi₂O₆, Mg₃Al₃Si₃O₁₂ и Mg₂SiO₄, которые были раскристаллизованы при 1450—1550 ^OC и 1 атм в ассоциации фаз субсолидуса. Прокаливание смесей через 8‑10 ч чередовали с растиранием в ступке из твёрдого сплава до полного исчезновения исходных оксидов.

Диопсид и форстерит легко синтезируются при атмосферном давлении. Смесь, отвечающая по составу пиропу, была расплавлена в прозрачное стекло при атмосферном давлении и температурах несколько выше 1650 ^OС. Поскольку для исследования требовалась смесь со стехиометрией, смещённой в сторону форстерита, то эта смесь, обозначенная как "Di40Pyr605Fo", приготовлена добавлением к смеси состава 40 масс.% Di 60 масс.% Pyr - ещё 5 масс.% Fo, дополнительно прибавленных к её изначальному весу. Характеристики использованных смесей приведены в таблице 1. Для проведения эксперимента образец помещали в платиновую ампулу, просушивали при 500‑600 ^OC в течение 7‑8 ч., затем герметизировали электросваркой.

Для исследования образцов изготавливали двусторонний полированный шлиф, который изучали обычными петрографическими методами с помощью поляризационного микроскопа. При изучении ликвидуса оптическое исследование шлифа является единственным методом, показывающим однозначные признаки плавления состава. Шлиф всегда изготавливали ориентировано, из поперечного скола образца. Дополнительно анализ фазового состава продуктов экспериментов проводили рентгенофазовым методом, а анализ состава фаз проводили на электронном микроанализаторе “Comebax-Micro”.

Зерна фаз в продуктах опытов даже в области плавления имели размер 5‑20 микрон. Это затрудняет изучение состава фаз с помощью электронного микроанализатора. Увеличение продолжительности экспериментов не даёт заметного возрастания размера зёрен фаз. Кроме того, при плавлении зёрна фаз отседают на дно ампулы и часто не попадают в область среза петрографического шлифа. По этим причинам в части экспериментов не удаётся получить удовлетворительные анализы всех обнаруженных фаз (к рассмотрению приняты анализы с суммой более 97-98 %).

Жидкость закаливается в виде стекла не во всех экспериментах, при температурах вблизи солидуса происходит раскристаллизация жидкости в закалочные фазы, представленные преимущественно клинопироксеном, реже форстеритом. Закалочные фазы имеют характерную структуру типа "петушиного хвоста" либо "мороза на окнах", по которой их легко отличить от других фаз. Анализ состава закалочных фаз с помощью электронного микроанализатора не даёт информации о составе исходной жидкости, поскольку состав заметно изменяется от точки к точке, и в некоторых случаях общая сумма оксидов оказывается значительно меньше 100 % (до 95 %). Последнее явление, скорее всего, связано с невозможностью хорошо отполировать поверхность закалочных фаз. На их поверхности остаётся заметная шагрень. В более высокотемпературных опытах жидкость удаётся частично закалить в стекло. Однако с течением времени (1‑2 месяца) стекло постепенно переходит в агрегат закалочных фаз.

 

Таблица 1 ‑ Характеристика исходных веществ

Номер состава	Обозначение состава	масс. %			Обработка	Набор фаз
		Di	Pyr	Fo
S79	Di40Pyr605Fo	38,09	57,14	4,76	Механич. смесь	Di+Glass
S69	Di30Руг70	30	70	0	Механич. смесь	Di+Glass
S67	Di40Pyr60	40	60	0	Механич. смесь	Di+Glass+Fo

 

Результаты экспериментов

Реакция L=Орх+Срх+Ga+Fo изучена нами при давлении 2,8 и 3,0 ГПа. Результаты экспериментов представлены в таблице 2 и на рис. 2, и свидетельствуют о крайне пологом наклоне луча изучаемой реакции в этом интервале давлений. Наши результаты не противоречат данным Девиса [3], [4]. Более высокие температуры плавления в его исследовании вполне объяснимы за счёт более высоких давлений и изменения состава всех участвующих в равновесии фаз.

Моновариантные реакций и реакция Орх+L=Ga+Срх изучены при помощи смесей, имеющих состав 40 масс.% Di 60 масс.% Pyr и 30 масс.% Di 70 масс.% Pyr. Состав стекла в экспериментах, в которых зафиксировано плавление, не совпадает с исходным. Всегда наблюдается обогащение оксидом кальция, что свидетельствует о присутствии магнезиальных твёрдых фаз типа ортопироксена или оливина. Условия плавления ассоциации Ga+Срх при давлении 3,0 ГПа хорошо совпадают с данными О'Хары и Йодера [5].

 

Рис. 2 ‑ Результаты экспериментов по исследованию лучей моновариантных реакций Opx+Fo+L=Cpx+Ga, Opx+L=Cpx+Ga и L=Cpx+Opx+Ga+Fo. 1 - конода Cpx+Ga для состава S-67; 2 - плавление для состава S-67; 3 - конода Cpx+Ga для состава S-69; 4 - плавление для состава S-69; 5 - ассоциация Cpx+Opx+Ga+Fo; 6 - плавление для ассоциации Cpx+Opx+Ga+Fo.

 

Таблица 2 ‑ Условия проведения экспериментов

№	P (ГПа)	T ОC	Время (час)	Состав (номер)	Обозначение состава	Фазы
Р113	30	1573	1	S-79	Di40Pyr60+5Fo	L+Fo+Cpx+Opx
Р115	30	1548	0,3	S-79	Di40Pyr60+5Fo	Cpx+Ga+Opx+Fo
Р112	28	1602	0,5	S-79	Di40Pyr60+5Fo	L+Cpx+Fo?
Р202	28	1574	1	S-79	Di40Pyr60+5Fo	L+Fo+Cpx+Opx
Р116	28	1546	0,5	S-79	Di40Pyr60+5Fo	Cpx+Ga+Opx+Fo
Р111	28	1547	1	S-79	Di40Pyr60+5Fo	Cpx+Ga+Opx+Fo
Р65	30	1679	0,3	S-67	Di40Pyr60	L+
Р79	29,6	1652	0,5	S-67	Di40Pyr60	L+
Р207	30	1649	0,3	S-67	Di40Pyr60	L+
Р78	29,6	1625	0,5	S-67	Di40Pyr60	L+Opx
Р71	30	1624	1	S-67	Di40Pyr60	L+Opx
P199	28	1624	0,5	S-67	Di40Pyr60	L+Opx
Р75	30	1623	1	S-67	Di40Pyr60	L+Opx
Р80	29,6	1599	1	S-67	Di40Pyr60	Cpx+Opx+Ga
Р32	25,6	1625	0,5	S-67	Di40Pyr60	L+
Р83	24,7	1602	0,5	S-67	Di40Pyr60	L+Opx+Fo
Р91	24,7	1569	3	S-67-2	Di40Pyr60	L+Fo+Opx
P84	24,7	1551	3	S-67	Di40Pyr60	L+

Продолжение таблицы 2‑ Условия проведения экспериментов

№	P (ГПа)	T ОC	Время (час)	Состав (номер)	Обозначение состава	Фазы
P34	25,6	1549	1,25	S-67	Di40Pyr60	L+?
Р25	25,5	1544	0,5	S-67	Di40Pyr60	L+?
Р85	24,7	1524	3	S-67	Di40Pyr60	Cpx+Opx+Ga
Р89	24,7	1499	2,5	S-67	Di40Pyr60	Cpx+Opx+Ga
Р90	24,7	1490	1	S-67	Di40Pyr60	Cpx+Opx+Ga
Р66	30	1679	0,3	S-69-1	Di30 Руг70	L+
Р208	30	1649	0,3	S-69	Di30Pyr70	L+
Р198	28	1624	0,5	S-69	Di30 Руг70	L+
Р120	28	1599	0,5	S-69	Di30 Руг70	Cpx+Opx+Ga
Р117	28	1574	1	S-69-4	Di30 Руг70	Cpx+Opx+Ga
Р33	25,6	1625	0,5	S-69	Di30 Руг70	L+?
P86	24,7	1549	2,5	S-69	Di30 Руг70	Opx+L
P35	25,6	1548	1,25	S-69	Di30 Руг70	L+?
Р216	25	1547	2,5	S-69-4	Di30 Руг70	Cpx+Opx+Ga+L
P26	25,5	1543	0,5	S-69	Di30 Руг70	Cpx+Opx+Ga
Р38	25,6	1524	2,5	S-69	Di30 Руг70	Срх+Орх+Ga
Р40	25,6	1515	3	S-69	Di30 Руг70	Срх+Орх+Ga

 

При давлении выше 2,6 ГПа в качестве ликвидусной фазы продиагностирован только ортопироксен, а при более низких давлениях к нему добавляется форстерит. Ликвидусные фазы видны в шлифах в придонных частях образца в виде одиночных, хорошо огранённых мелких кристаллитов, плавающих в стекле. Размер этих кристаллов меньше толщины шлифа и не всегда видимый кристалл фазы выходит на поверхность шлифа, что не позволило определить состав фазы с помощью электронного микроанализатора во всех опытах. Однако форстерит и ортоэнстатит значительно различаются по двупреломлению, что позволяет легко их различать при петрографическом изучением шлифа. Следует отметить, что в экспериментах ниже 2,6 ГПа меняется и облик области шлифа с ликвидусными фазами: помимо появления изометричных с высоким двупреломлением кристаллов форстерита, кристаллиты ортопироксена укрупняются и становятся более изометричными. По этим визуально наблюдаемым признакам при давлении 2,6 ГПа происходит смена характера плавления в обеих смесях состава 40 масс.% Di 60 масс.% Pyr и 30 масс.% Di 70 масс.% Pyr. Это даёт основания предположить, что эксперименты при давлении выше 2,6 ГПа соответствуют продуктам реакции типа Орх+L=Ga+Срх, а при более низком давлении реакции Fo+Орх+L=Ga+Срх.

 

Таблица 3 ‑ Составы фаз в продуктах экспериментов, проанализированные с помощью электронного микроанализатора

№	Фа-за	масс. %					мол. %
		CaO	MgO	Al2O3	SiO2	Сум-ма	CaO	MgO	Al2O3	SiO2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Р113	L	10,3	26,49	14,72	48,21	99,72	10,3	36,8	8,08	44,9
Р115	Opx	3,87	26,77	24,84	42,93	98,41	4,08	39,3	14,4	42,2
Р115	Cpx	15,31	22,22	7,76	52,46	97,75	15,4	31,1	4,29	49,2
Р112	L	8,99	25,44	15,94	49,27	99,64	9,07	35,7	8,84	46,4
Р112	Cpx	10,04	20,29	19,74	45,51	95,58	11	30,8	11,9	46,4
Р116	Ga	3,49	26,26	25,92	43,57	99,24	3,68	38,5	15	42,8
Р116	Opx	6,16	29,73	12,17	49,67	97,73	6,12	41,1	6,66	46,1
Р116	Cpx	12,82	24,54	12,22	49,52	99,1	12,8	34,2	6,73	46,3
Р111	Ga	4,89	25,92	28,35	39,86	99,02	5,22	38,5	16,6	39,7
Р111	Cpx	12,22	26,12	7,53	52,37	98,24	12	35,8	4,08	48,1
Р75	Opx	2,31	33,64	10,48	51,6	98,03	2,24	45,4	5,59	46,7
Р75	L	9,72	25,45	15,91	50,06	101,1	9,66	35,2	8,7	46,4
Р80	Opx	3,17	34,46	7	54,49	99,12	13,3	31,7	9,69	45,3
Р80	Ga	4,8	26,15	24,17	43,14	98,26	3	45,3	3,64	48,1
Р80	Cpx	13,62	21,4	15,98	47,53	98,53	5,07	38,4	14	42,5

Продолжение таблицы 3 – Составы фаз в продуктах экспериментов, проанализированные с помощью электронного микроанализатора

№	Фа-за	масс. %					мол. %11
		CaO	MgO	Al2O3	SiO2	Сумма	CaO	MgO	Al2O3	SiO2
Р83	Fo	0,26	58,32	0,43	42,49	101,5	14,1	30,8	9,1	45,9
Р83	Opx	5,57	29,94	14,16	50,71	100,3	0,21	66,9	0,19	32,7
Р83	L	10,01	25,58	14,5	49,13	99,22	5,44	40,7	7,61	46,2
Р91	Fo	0,254	56,36	0,221	42,24	99,075	10,1	35,8	8,02	46,1
Р91	L	10,38	24,56	16,3	49,18	100,4	0,21	66,3	0,1	33,3
P34	Fo	0,16	56,7	0,28	42,26	99,4	10,4	34,4	9,02	46,2
P34	L	6,67	22,82	15,46	46,6	91,55	0,13	66,5	0,13	33,2
Р25	Fo	0,18	57,4	0,29	42,04	99,91	7,38	35,1	9,4	48,1
Р25	L	7,23	25,36	15,56	46,91	95,06	0,15	66,9	0,13	32,9
Р85	Opx	2,23	35,25	7,25	53,92	98,65	7,62	37,2	9,02	46,2
Р85	Ga	5,18	26,13	23,13	44,27	98,71	2,11	46,5	3,78	47,7
Р85	Cpx	13,96	20,41	17,02	45,68	97,07	5,42	38	13,3	43,2
Р89	Opx	2,18	33,5	9,65	52,59	97,92	14,8	30,1	9,92	45,2
Р89	Ga	3,84	26,86	24,48	43,28	98,46	2,11	45,2	5,14	47,6
Р90	Ga	5,62	24,88	23,53	44,89	98,92	4,04	39,3	14,2	42,5
Р90	Cpx	14,7	22,23	9,53	51,31	97,77	5,91	36,4	13,6	44,1
Р120	Opx	1,18	35,62	9,18	53,77	99,75	14,9	31,3	5,31	48,5
Р120	Ga	3,28	27,61	24,38	42,69	97,96	1,11	46,8	4,76	47,4
Р120	Cpx	13,66	19,33	22,09	43,17	98,25	3,45	40,5	14,1	42
Р117	Opx	2,52	34,32	9,45	53,82	100,1	14,7	28,9	13,1	43,3
Р117	Ga	6,93	25,16	23,97	44,3	100,3	2,38	45,2	4,92	47,5
Р117	Cpx	16,3	19,96	14,26	49,35	99,87	7,18	36,3	13,7	42,9
Р33	L	7,6	26,31	17,4	48,47	99,78	16,6	28,3	8,01	47
P86	Opx	1,54	34,75	9,54	53,43	99,26	7,68	37	9,67	45,7
P86	L	7,5	25,49	16,24	47,79	97,02	1,47	46	5	47,5
P35	L	8,04	26,61	17,11	47,45	99,21	7,77	36,8	9,26	46,2
Р216	Opx	2,2	34,03	10,7	52,98	99,91	18	25,3	12,4	44,2
Р216	Ga	4,55	26,79	24,32	44,12	99,78	8,14	37,5	9,53	44,8
Р216	Cpx	12,57	22,36	16,17	48,46	99,56	2,1	45,1	5,61	47,1
Р38	Opx	1,48	35,14	9,88	53,03	99,53	4,72	38,7	13,9	42,7
Р38	Cpx	15,94	18,45	20,25	44,37	99,01	12,9	31,8	9,09	46,2
Р40	Opx	2,48	34,31	7,95	54,72	99,46	1,41	46,4	5,16	47
Р40	Ga	3,18	26,16	25,02	44,75	99,11	16,9	27,3	11,8	44
Р40	Cpx	11,96	22,5	17,14	48,99	100,5	2,35	45,2	4,14	48,3

 

Топологический анализ фазовых соотношений и обсуждение результатов

Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют, что ассоциация Cpx+Opx+Ga+Fo плавится эвтектически согласно реакции L=Cpx+Opx+Ga+Fo. Эти данные совпадают с выводами из экспериментальных исследований Дависа и Шайрера [3], [4].

Плавление ассоциации клинопироксена и граната при давлении 3,0 ГПа хорошо совпадает с результатами О'Хары и Йодера [5]. При давлениях выше 2,6 ГПа в области ликвидусной фазой является ортопироксен, при более низких давлениях появляется форстерит.

Из этих фазовых взаимоотношений следует возможное существование двух перитектических реакций плавления Opx+Fo+L=Cpx+Ga и Opx+L=Cpx+Ga. Если учесть существование эвтектической реакции L=Cpx+Opx+Ga+Fo, то в районе давления 2,5‑2,6 ГПа однозначно должно существовать нонвариантное равновесие (L,Cpx,Opx,Ga,Fo), в точке существования которого состав жидкости находится в плоскости Mg₂Si₂O₆-Al₂O₃-Ca₂Si₂O₆. Так как составы клинопироксена, ортопироксена и граната находятся в этой же плоскости, то это равновесие имеет вырожденный характер, система становится условно трёхкомпонентной. Форстерит становится сингулярной фазой.

Анализ топологии этого участка фазовой диаграммы указывает, что при давлении около 2,6 ГПа и температуре 1500 ^OC существует точка нонвариантного равновесия (L,Cpx,Opx,Ga,Fo), из которой в сторону высоких давлений выходит луч реакции L=Cpx+Opx+Ga+Fo, в сторону высоких температур и высоких давлений луч реакции Opx+L=Cpx+Ga, а в сторону низких давлений луч реакции Opx+Fo+L=Cpx+Ga (рис. 2).

Строение исследованного участка фазовой диаграммы системы СаО-MgO-Al₂O₃-SiO₂ полностью подтверждает данные К. Хейзенберг, а также Т. Като и М. Кумазава [11, 12, 13, 14] о смешении состава расплава на эвтектике L=Cpx+Opx+Ga+Fo при понижении давления практически от чистого оливина до плоскости Mg₂Si₂O₆-Al₂O₃-Ca₂Si₂O₆ при 2,6 ГПа и далее в области низких давлений перехода состава расплава в кварцнормативную область (рис. 3).

Рис. 3 ‑ Тренд изменения состава ультраосновного расплава при понижении давления. Точка ε ‑ точка пересечения составом расплава плоскости Mg₂Si₂O₆-Al₂O₃-Ca₂Si₂O₆

 

Сингулярное нонвариантное равновесие (L,Cpx,Opx,Ga,Fo) является моделью "эклогитового барьера", обсуждаемого в работах В.А. Жарикова и В.С. Соболева [1, 2], и позволяет на физико-химической основе объяснить эволюцию состава первичных ультраосновных магм в сторону составов с более высоким содержанием кремнезёма, по-видимому, вплоть до составов, соответствующим гранитным магмам.

Основные результаты и выводы

1. Экспериментально исследованы моновариантные реакции плавления в форстеритнормативной части системы СаО-MgO-Аl₂O₃-SiO₂ при высоких давлениях. Изучены лучи моновариантных реакций: Fo+Opx+L=Cpx+Ga, Opx+L=Cpx+Ga и L=Fo+Cpx+Opx+Ga Установлены составы сосуществующих фаз в экспериментах на ликвидусе и солидусе.
2. На основе экспериментальных данных при помощи топологического анализа проведена увязка лучей моновариантных реакций и установлено положение нонвариантного равновесия (L,Cpx,Opx,Ga,Fo).
3. Показан путь эволюции состава магматического расплава при понижении давления от ультраосновного до кварцнормативного, позволяющий преодолеть "эклогитовый барьер".

Работа выполнена в рамках проекта НИР (0330-2016-0016) "Моделирование тепловой и гидродинамической структуры плюмов для определения условий формирования магматических расплавов и их влияния на вещественный состав и структуру литосферы Северной Евразии".

Список литературы / References

1. Жариков В. А. Эклогитовый барьер и клинопироксены высоких давлений / В. А. Жариков, Р. А. Ишбулатов, Л. Т. Чудиновских // Геология и геофизика. ‑ 1984. ‑ № 12. ‑ С. 54‑63.
2. Соболев В. С. Состав глубинных пироксенов и проблема эклогитового барьера / В. С. Соболев, А. В. Соболев // Геология и геофизика. ‑ 1977. ‑ № 12. ‑ С. 46‑59.
3. Davis В. Т. C. System diopside-forsterite-pyrope at 40 kilobars / В. Т. C. Davis // Carnegie Institution Washington Yearbook. ‑ 1964. ‑ V. 63. ‑ P. 165‑171.
4. Davis В. Т. C. Melting relations in join diopside-forsterite- pyrope at 40 kilobars and one atmosphere / В. Т. C. Davis, J. F. Schairer // Carnegie Institution Washington Yearbook. ‑ 1965. ‑ V. 64. ‑ P. 123‑126.
5. O'Hara M. J. Formation and fractionation of basic magma at high pressures / M. J. O'Hara, H. S. Jr. Yoder // Scottish Journal of Geology. ‑ 1967. ‑ V. 3. ‑ №1. ‑ P. 67‑117.
6. Presnall D. C. Liquidus phase relations on join diopside-forsterite-anorthite from 1 atm to 20 kbar: their beaming on the generation and crystallization of basaltic magma / D.C. Presnall, S.A. Dixon, J.R. Dixon et al. // Contributions to Mineralogy and Petrology. ‑ 1978. ‑ V. 66. ‑ №2. ‑ P. 203‑220.
7. Presnall D. C. Generation of mid- ocean-ridge tholeiites / D. C. Presnall, J. R. Dixon, Т. H. O'Donnell et al. // Journal of Petrology. — 1979. — V. 20. ‑ № 1. — P. 3—35.
8. Годовиков А. А. Аппарат для создания давления до 40 кбар при температурах до 1700 ^ОС / А. А. Годовиков, С. А. Смирнов, И. Ю. Малиновский и др. // Приборы и техника эксперимента. ‑ 1971. ‑ №6. ‑ С. 159‑160.
9. Boyd F. R. Apparatus for phase-equilibrium measurements at pressures up to 50 kilobars and temperatures up to 1750 °C / F. R. Boyd, J. L. England // Journal of The Geophysical Research. ‑ 1960. ‑ V. 65, ‑ №2. ‑ P. 741‑748.
10. Mirvald P. W. Low-friction cell for piston- cylinder high-pressure apparatus / P. W. Mirvald, I. C. Getting, G. C. Kennedy // Journal of The Geophysical Research. ‑ 1975. ‑ V. 86, ‑ № 11. ‑ P. 1519‑1525.
11. Herzberg C. Origin of Mantle Peridotite: Constraints From Melting Experiments to 16.5 GPa / C. Herzberg, T. Gasparik, H. Sawamoto // Journal of the Geophysical Research. ‑ 1990. ‑ V. 95. ‑ №10. ‑ P. 15779-15803.
12. Herzberg C. T. Solidus and liquidus temperatures and mineralogies for anhydrous garnet‑lherzolite to 15 GPa / C. T. Herzberg // Physics of the Earth and Planetary Interiors. ‑ 1983. ‑ V. 32. ‑ №2. ‑ P. 193‑202.
13. Herzberg C. T. Origin of mantle peridotite and komatiite by partial melting / C. T. Herzberg, M. J. O'Hara // Geophysical Research Letters. ‑ 1985. ‑ V. 12. ‑ № 9. ‑ P. 541-544.
14. Kato T. Effect of high pressure on the melting relations in the system Mg₂SiO₄-MgSiO₃ Part I. Eutectic relations up to 7 GPa / T. Kato, M. Kumazawa // Journal of Physics of the Earth. ‑ 1985. ‑ V. 33. ‑ №6. ‑ P. 513‑524.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Zharikov V. A. Jeklogitovyj bar'er i klinopirokseny vysokih davlenij [An eclogite barrier and clinopyroxenes at high pressures] / V. A. Zharikov, R. A. Ishbulatov, L. T. Chudinovsky // Geologija i geofizika [Geology and geophysics.]. ‑ 1984. ‑ №12. ‑ P. 54-63. [in Russian]
2. Sobolev V. S. Sostav glubinnyh piroksenov i problema jeklogitovogo bar'era. [Composition of deep pyroxenes and the problem og eclogite barrier] / V. S. Sobolev, A. V. Sobolev // Geologija i geofizika [Geology and geophysics]. ‑ 1977. ‑ №12. ‑ P. 46-59. [in Russian]
3. Davis В. Т. C. System diopside-forsterite-pyrope at 40 kilobars/ В. Т. C. Davis // Carnegie Institution Washington Yearbook. ‑ 1964. ‑ V. 63. ‑ P. 165‑171.
4. Davis В. Т. C. Melting relations in join diopside-forsterite- pyrope at 40 kilobars and one atmosphere / В. Т. C. Davis, J. F. Schairer // Carnegie Institution Washington Yearbook. ‑ 1965. ‑ V. 64. ‑ P. 123‑126.
5. O'Hara M. J. Formation and fractionation of basic magma at high pressures / M. J. O'Hara, H. S. Jr. Yoder // Scottish Journal of Geology. ‑ 1967. ‑ V. 3. ‑ №1. ‑ P. 67‑117.
6. Presnall D. C. Liquidus phase relations on join diopside-forsterite-anorthite from 1 atm to 20 kbar: their beaming on the generation and crystallization of basaltic magma / D.C. Presnall, S. A. Dixon, J. R. Dixon et al. // Contributions to Mineralogy and Petrology. ‑ 1978. ‑ V. 66. ‑ №2. ‑ P. 203‑220.
7. Presnall D. C. Generation of mid- ocean-ridge tholeiites / D. C. Presnall, J. R. Dixon, Т. H. O'Donnell et al. // Journal of Petrology. — 1979. — V. 20. ‑ № 1. — P. 3—35.
8. Godovikov A. A. Apparat dlja sozdanija davlenija do 40 kbar pri temperaturah do 1700 ^OC [Apparat for creation of pressure to 40 кбар at temperatures to 1700 ^OC] / A .A. Godovikov, S. A. Smirnov, I. Ju. Malinovsky and others // Pribory i tehnika jeksperimenta [Devices and technics of experiment]. ‑ 1971. ‑ №6. ‑ P. 159-160. [in Russian]
9. Boyd F. R. Apparatus for phase-equilibrium measurements at pressures up to 50 kilobars and temperatures up to 1750 °C / F. R. Boyd, J. L. England // Journal of The Geophysical Research. ‑ 1960. ‑ V. 65, ‑ №2. ‑ P. 741‑748.
10. Mirvald P. W. Low-friction cell for piston- cylinder high-pressure apparatus / P. W. Mirvald, I. C. Getting, G. C. Kennedy // Journal of The Geophysical Research. ‑ 1975. ‑ V. 86. ‑ № 11. ‑ P. 1519‑1525.
11. Herzberg C. Origin of mantle peridotite: constraints from melting experiments to 16.5 GPa / C. Herzberg, T. Gasparik, H. Sawamoto // Journal of the Geophysical Research. ‑ 1990. ‑ V. 95. ‑ №10. ‑ P. 15779-15803.
12. Herzberg C. T. Solidus and liquidus temperatures and mineralogies for anhydrous garnet‑lherzolite to 15 GPa / C. T. Herzberg // Physics of the Earth and Planetary Interiors. ‑ 1983. ‑ V. 32. ‑ №2. ‑ P. 193‑20213.
13. Herzberg C. T. Origin of mantle peridotite and komatiite by partial melting / C.T. Herzberg, M.J. O'Hara // Geophysical Research Letters. ‑ 1985. ‑ V. 12. ‑ № 9. ‑ P. 541-544.
14. Kato T. Effect of high pressure on the melting relations in the system Mg₂SiO₄-MgSiO₃ Part I. Eutectic relations up to 7 GPa. / T. Kato, M. Kumazawa // Journal of Physics of the Earth. ‑ 1985. ‑ V. 33. ‑ №6. ‑ P. 513‑524.