Плавление в условиях верхней мантии

Abstract

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.