ИКД
5013 Информационная
карта диссертации
04 кандидатская
05 докторская
5418 Исходящий номер.
дата.
 
5715 Язык
диссертации
 русский
5715 Инвентарный
номер
 
5409 Дата защиты
 
6444 Шифр научной
специальности
 25.00.04
7425 На соискание
степени
 дгмн
2061 Предствлено к защите:
61 Рукопись, в т.ч. научный доклад
52 Монография
43 Учебник
6147 Фамилия, Имя, Отчество соискателя
Сафонов Олег Геннадьевич 
Фамилия, инициалы
Ученая степень
Шифр научной специальности
6156 Научные руководители

6165 Официальные оппоненты
Соболев А. В
Геншафт Ю. С
Гирнис А. В

6255

4662
дгмн
дфмн
дгмн

6453

4626

5733 Кол‑во томов
5742 Кол‑во стр.

Номер тома
Кол‑во стр.

5751 Приложений
5787 Источников

5778 Таблиц
5760 Иллюстраций

Сведения об организации, в совете которой проходила защита
2457 Код ОКПО

2934 Телефон

2394 Телефакс

2754 Город

1332 Сокращенное наименование министерства (ведомства)

7452 Шифр совета

2151 Полное наименование организации

2358 Сокращенное наименование организации

2403 Код ВНТИЦ

2655 Адрес организации (индекс, республика, область, город, улица, дом)

Сведения об организации, в которой работает соискатль
2988 Телефон

3087 Телефакс

2781 Город

2187 Наименование организации

2385 Сокращенное наименование организации

2682 Адрес организации (индекс, республика, область, город, улица, дом)

9045 Наименование диссертации
Модели эволюции глубинных щелочных жидкостей
9117 Реферат
Объект исследования и цель работы. Методы исследования и аппаратура. Теоретические и практические результаты и их новизна. Степень и эффективность внедрения. Область применения.
Введение. 
 
Актуальность исследований. Актуальность проблемы, на решение которой направлена данная работа, обусловлена стремительно пополняющимся с каждым годом банком данных о включениях  
богатых калием силикатных (7‑14 мас. % K2O), карбонатно‑силикатных (10‑30 мас. % K2O) и хлоридно‑карбонатных (до 40 мас. % K2O) жидкостей в алмазах из кимберлитовых трубок  
различных регионов мира (Prinz et al., 1975; Буланова, Аргунов, 1985; Буланова и др., 1988, 1993; Navon et al., 1988, 2003; Новгородов и др., 1990; Lee et al., 1991; Chen  
et al., 1992; Schrauder, Navon, 1994; Schrauder et al., 1994, 1996; Зедгенизов и др., 1998; Izraeli et al., 2001, 2003, 2004; Bulanova et al., 1998; Klein‑BenDavid et al.,  
2003, 2004, 2006; Logvinova et al., 2003; Wang et al., 2003; Zedgenizov et al., 2004; Ширяев и др., 2005). Эти включения сосуществуют с включениями минералов как эклогитового,  
так и перидотитового парагенезисов, кристаллизующихся при давлениях 4‑6 ГПа и температурах 1100‑1250oС (Буланова и др., 1988, 1993; Navon, 1991; Izraeli et al., 2004). Некоторые  
минеральные включения в алмазах несут признаки активного воздействия сред, обогащенных щелочами, H2O, CO2, Cl (напр., Izraeli et al., 2004; Klein‑BenDavid et al., 2006). Ассоциации  
расплавов и флюидов с минералами обоих главных парагенезисов глубинных пород являются прямым свидетельством глобального распространения богатых щелочных жидкостей и их определяющей  
роли в мантийном петрогенезе на глубинах, превышающих 100 км. Кроме того, интерес к щелочным жидкостям обусловлен также их тесной связью с процессами алмазообразования. Эксперименты  
показывают, что они являются эффективными материнскими средами для нуклеации и роста природных алмазов (Литвин и др., 1997, 1999, 2003; Wang, Kanda, 1998; Пальянов и др.,  
1998, 2001; Литвин, Жариков, 1999, 2000; Palyanov et al., 1999, 2002; Литвин, Бутвина, 2004; Шацкий и др., 2002; Spivak, Litvin, 2004; Tomlinson et al., 2004). Поэтому расшифровка  
эволюции этих сред в мантии приобретает важное практическое значение. 
 
Изучение включений щелочных жидкостей в алмазах может прояснить проблему глубинного источника щелочных флюидов и расплавов, которые производят преобразования пород верхней  
мантии (Schiano, Clocchiatti, 1994; Schiano et al., 1994; Andersen, Neumann, 2001; Frezzotti et al., 2002) и метаморфических пород земной коры на разных уровнях глубинности  
(Perchuk, Gerya, 1992; Перчук и др., 1994; Newton, 1995; Hansen et al., 1995; Newton et al., 1998; Harlov et al., 1998; Сафонов, 1998; Perchuk et al., 2000). Проникновение  
богатых щелочами и летучими компонентами жидкостей сквозь эти породы ведет к изменению их состава в сторону более легкоплавких разновидностей. Предполагается, что предварительная  
переработка перидотитов верхней мантии глубинными щелочными флюидами и расплавами во многом определяет генерацию щелочных базальтов, кимберлитов и лампроитов (см. обзор в  
работе Gupta, Fyfe, 2003). Геохимические характеристики включений щелочных жидкостей в алмазах близки к кимберлитам и карбонатитам (Schrauder, Navon, 1994; Schrauder et al.,  
1996; Tomlinson et al., 2005), что свидетельствует о генетической связи богатых калием жидкостей с мантийными магмами. Определяющее значение щелочных флюидов в процессах гранитизации  
метаморфических пород земной коры также продемонстрировано в ряде работ (например, Перчук, Геря, 1993; Перчук и др., 1994; Perchuk et al., 2000; Ravindra Kumar, 2004). Особая  
роль отводится богатым калием жидкостям (Перчук, Япаскурт, 1998). Поэтому изучение явлений, связанных с зарождением и эволюцией таких жидкостей имеет важнейшее значение не  
только для расшифровки особенностей мантийного петрогенеза, но и процессов преобразования пород земной коры. 
 
Поскольку включения богатых калием жидкостей в алмазах редки по сравнению с минеральными включениями, необходим иной подход к изучению термодинамических условий эволюции таких  
жидкостей в мантийных условиях. Этот подход основан на выявлении минеральных равновесий, напрямую зависящих от активности калия в минералообразующей среде. Впервые такой подход  
успешно был применен к оценке активности щелочей в процессах регионального метаморфизма и гранитизации пород коры (Perchuk, Gerya, 1992, 1993; Перчук и др., 1994; Сафонов,  
1998; Perchuk et al., 2000). Но он может оказаться справедливым и для более глубинных парагенезисов, как мантийного, так и корового происхождения. В отличие от коровых пород  
первичные калийсодержащие минералы имеют резко подчиненное значение во всех глубинных парагенезисах, особенно во включениях в алмазах. А их находки в ассоциации с включениями  
калиевых жидкостей и вовсе уникальны (Буланова, Аргунов, 1985; Буланова и др., 1988, 1993; Новгородов и др., 1990; Izraeli et al., 2004; Klein‑BenDavid et al., 2006). Ни один  
из этих минералов не может служить ключевым индикатором глубинной эволюции мантийных щелочных жидкостей. Лишь флогопит и санидин претендуют на роль индикаторов активности  
калия в более глубоких горизонтах мантии. Однако оба эти минерала требуют специфических условий образования. Поэтому для решения проблемы происхождения и эволюции богатых  
калием жидкостей в условиях, по крайней мере, литосферной мантии необходим иной минеральный индикатор активности калия, который удовлетворяет следующим условиям: (1) распространенность  
и стабильность в перидотитовых и эклогитовых парагенезисах в широком диапазоне Р‑Т и флюидных условий; (2) совместимость с силикатными, карбонатно‑силикатными, хлоридно‑карбонатно‑силикатными  
расплавами; (3) способность содержать концентрации K2O менее 0.5 мас. % при давлениях 4‑8 ГПа; (4) стабильность при высоких концентрациях калия в минералообразующей среде,  
соответствующих концентрациям этого компонента в природных щелочных жидкостях, захваченных алмазами. 
 
Из всех наиболее распространенных минералов мантии этим условиям удовлетворяют лишь гранат и клинопироксен. Гранат, однако, содержит до 1.37 мас. % лишь при давлениях 25‑27  
ГПа (Wang, Takahashi, 1999). Поэтому практически лишь клинопироксен и его равновесия могут быть использованы как потенциальные индикаторы активности калия в щелочных жидкостях  
и равновесных парагенезисах в глубинных, в том числе и мантийных условиях (Perchuk et al., 2002). Это уникальное свойство клинопироксена проявлено в разнообразных природных  
парагенезисах (включения в алмазах, нодули в кимберлитах, породы Кокчетавского комплекса и другие) и подтверждается экспериментальными данными (напр., Harlow, 1997). 
 
Для использования равновесий калийсодержащего клинопироксена как индикатора эволюции богатых калием жидкостей в мантии необходима термодинамическая модель его твердого раствора,  
которая пока отсутствует в петрологической литературе. Такая модель может быть создана только на основе обширных экспериментальных данных в модельных системах с калийсодержащим  
клинопироксеном, включающих калиевые силикатные, карбонатно‑силикатные и хлоридно‑карбонатно‑силикатные расплавы. Ранее было положено начало систематическому экспериментальному  
изучению модельных калиевых силикатных (Shimizu, 1971; Harlow, 1999; Luth, 1995, 1997) и карбонатно‑силикатных (Harlow, 1997; Матвеев и др., 2004) систем при давлениях более  
4 ГПа. Экспериментальные исследования хлоридсодержащих ультракалиевых систем при высоких давлениях вообще не проводились. Очевидно, что расширение экспериментальной базы по  
равновесиям в богатых калием системах при высоких давлениях является актуальной задачей. 
 
Задача работы  экспериментальное и теоретическое изучение фазовых равновесий в щелочных силикатных, карбонатно‑силикатных, хлоридно‑силикатных и хлоридно‑карбонатно‑силикатных  
системах при давлениях 4‑8 ГПа в связи с проблемой эволюции мантийных щелочных жидкостей. 
 
Цель работы  создание обобщенной модели щелочных мантийных жидкостей на основе экспериментальных исследований. Для достижения этой цели необходимо 
(1) расширить экспериментальную базу по равновесиям в щелочных системах при высоких давлениях; 
(2) создать кристаллохимическую и термодинамическую модели твердого раствора калийсодержащего клинопироксена и его равновесий как индикаторов высокой активности калия в мантии; 
(3) определить характерные минеральные ассоциаций, кристаллизующиеся из щелочных жидкостей в зависимости от температуры, давления и состава этих жидкостей; 
(4) охарактеризовать роль процессов жидкостной несмесимости и фракционной кристаллизации в эволюции составов щелочных жидкостей; 
(5) экспериментально изучить процессы взаимодействия щелочных жидкостей с минералами мантии; 
(6) приложить полученные результаты к природным минеральным ассоциациям. 
 
Фактический материал. Работа основана на экспериментальных исследованиях, которые проводились автором в течение 1999‑2006 годов в Институте экспериментальной минералогии.  
Осуществлено более 200 индивидуальных экспериментов в модельных силикатных, карбонатно‑ силикатных, хлоридно‑силикатных и хлоридно‑карбонатно‑силикатных системах при давлениях  
3.5  7.5 ГПа и температурах 1000  1700oС. В работе использовались рентгенометрические данные по 7 синтетическим монокристаллам калийсодержащего клинопироксена (совместные  
исследования с Университетом Флоренции, Италия), а также данные по сжимаемости одного из кристаллов, полученные на алмазной наковальне (совместные исследования с Университетом  
Аризоны, США). Моделирование термодинамических свойств твердого раствора калийсодержащего клинопироксена проводилось с применением методов межатомных потенциалов с использованием  
компьютерной программы GULP (совместные исследования с Университетом Франкфурта, Германия). В работе приводятся результаты исследования ИК спектров сложных хлоридно‑карбонатно‑силикатных  
стекол в продуктах экспериментов. В работе использована коллекция гранат‑клинопироксеновых и карбонатно‑силикатных пород Кокчетавского массива. 
 
Основные защищаемые положения 
(1) На основе экспериментального изучения модельных силикатных и карбонатно‑силикатных систем при давлениях 3.5‑7.5 ГПа, монокристальных рентгеновских данных и расчетов методами  
минимизации энергии кристаллической решетки созданы кристаллохимическая и термодинамическая модели твердого раствора калийсодержащего клинопироксена ‑ главного индикатора  
активности калия в условиях верхней мантии. На ее основе предложены барометры для оценки глубинности формирования минеральных ассоциаций в равновесии со щелочными силикатными  
и карбонатно‑силикатными жидкостями в мантийных условиях. 
(2) На основе изучения комплекса модельных хлоридно‑карбонатно‑силикатных систем при давлении 5 ГПа экспериментально доказано, что несмесимость между щелочными карбонатно‑  
силикатными и хлоридно‑карбонатными жидкостями обусловливает их эволюцию в сторону богатых хлором карбонатитовых жидкостей с понижением температуры, а инконгруэнтное растворение  
силикатных минералов в этих жидкостях определяет стабильность недосыщенных SiO2 минеральных ассоциаций. 
(3) На основе экспериментальных данных доказано, что щелочные силикатные и карбонатно‑ силикатные расплавы (в том числе и алмазообразующие) в верхней мантии Земли формируются  
при воздействии глубинных хлоридных или хлоридно‑карбонатных жидкостей на мантийный субстрат при давлениях менее 7 ГПа. 
 
Практическая значимость работы. Предлагаемые модели эволюции щелочных силикатных, карбонатно‑силикатных, хлоридно‑карбонатных жидкостей могут использоваться для изучения процессов  
кимберлитового магматизма и алмазообразования, а экспериментальные и термодинамические данные по равновесиям калийсодержащего клинопироксена могут применяться для оценки физико‑химических  
условий формирования глубинных парагенезисов. 
 
Новизна и научное значение работы 
1. Впервые экспериментально изучены фазовые равновесия и построены фазовые диаграммы для модельных богатых калием силикатных, карбонатно‑силикатных, хлоридно‑силикатных и  
хлоридно‑карбонатно‑силикатных систем при давлениях 3.5‑7.5 ГПа. 
2. Впервые проведен синтез и всестороннее рентгеновское изучение твердого раствора калийсодержащего клинопироксена, на основе которого создана его кристаллохимическая модель.  
Различными теоретическими методами предсказаны некоторые парциальные свойства виртуального минерала KAlSi2O6 в клинопироксене, а также его свойства смешения с диопсидом и  
жадеитом. 
3. На основе равновесия калийсодержащего клинопироксена с силикатными и карбонатно‑ силикатными расплавами предложены новые методы оценки глубинности мантийных ассоциаций. 
4. Впервые экспериментально обоснована модель жидкостной несмесимости в хлоридно‑ карбонатно‑силикатных системах как фактора эволюции глубинных щелочных жидкостей. Эта модель  
позволила предсказать тренды эволюции щелочных карбонатно‑силикатных и хлоридно‑ карбонатных жидкостей в условиях стабильности алмаза и сопоставить их с природными данными. 
5. Впервые экспериментально изучены реакции главных минералов пород мантии с щелочными хлоридно‑карбонатными жидкостями в мантийных условиях и предсказаны минеральные ассоциации  
 продукты таких реакций. 
6. На основе указанных в пунктах 1‑4 экспериментальных результатов в приложении к природным данным результатов впервые предложена обобщенная модель эволюции глубинных щелочных  
жидкостей и их взаимодействия с минеральными ассоциациями пород в мантийных условиях. 
 
Структура работы. Работа состоит из 3 частей, разбитых на 12 глав, введения и заключения. Содержит 403 страницы текста, 90 иллюстраций, 27 таблиц, список литературы включает  
472 наименования. 
 
Публикации. Результаты исследования, изложенные в диссертации, отражены в 63 публикациях, из них 22 статьях в реферируемых журналах и 41 тезисе докладов на Всероссийских и  
международных конференциях, а также в отчетах по проектам РФФИ и программам Президиума РАН. 
 
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, обсуждались на научных совещаниях различного уровня, в том числе Международных Геологических  
Конгрессах (Рио‑де‑Жанейро, 2000; Флоренция, 2003), IX Европейском Геологическом Конгрессе (Страсбург, 1997), на Генеральной Ассамблее по Геонаукам (Вена, 2005, 2006), 18‑ом  
Совещании Международной Минералогической Ассоциации (Эдинбург, 2002), IX Симпозиуме по Экспериментальной Минералогии, Петрологии и Геохимии (Цюрих, 2002), Ежегодных Семинарах  
Экспериментальной Минералогии, Петрологии и Геохимии (Москва, 2002, 2003, 2004, 2006, Сыктывкар, 2005), Гольдшмитовских Конференциях (Оксфорд, 2000; Давос, 2002), 3‑ей и 5‑ой  
Школах‑семинарах Европейского минералогического союза (Любек, 2001; Будапешт, 2003), XIV Всероссийском совещание по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 2001), Международных  
конференциях EURESCO (Гранада, 2000; Эшпиньо, 2001), Всероссийских семинарах Геохимия магматических пород. Щелочной магматизм Земли (Москва, 2001, 2005; Апатиты, 2003),  
совещании Эволюция континентальной литосферы, происхождение алмазов и их месторождений (Новосибирск, 2005), Ежегодном совещании Немецкого Минералогического Общества (Карлсруэ,  
2004), Международном совещании Эволюция Гондваны и развитие Азии (Осака, 2001), конференции Фазовые превращения при высоких давлениях (Черноголовка, 2002) и других. 
 
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность своему учителю и научному консультанту профессору д.г.‑м.н. Л.Л. Перчуку за постоянную поддержку исследований,  
которые во многом определились в результате обсуждений совместных статей и проектов. Автор искренне благодарит д.х.н. Ю.А. Литвина за консультации по научно‑ техническим проблемам  
экспериментальных исследований при высоких давлениях и физико‑ химического описания многокомпонентных систем, а также детальное обсуждение полученных результатов и совместных  
статей. Автор выражает признательность и благодарность коллегам, с которыми осуществлялись совместные исследования на разных этапах работы: Др. Л. Бинди (Университет Флоренции,  
Италия) и Др. Р. Доунсу (Университет Аризоны, США) за исследования кристаллохимии калийсодержащих клинопироксенов, В.Л. Винограду (Университет Франкфурта, Германия) за исследования  
по предсказанию термодинамических свойств таких пироксенов, к.г.‑ м.н. А.А. Ширяеву (Институт кристаллографии РАН) за исследования ИК спектров хлоридно‑ карбонатно‑силикатных  
расплавов. Автор благодарит д.г.‑м.н А.В. Соболева (ГЕОХИ РАН) за предоставления материалов по кимберлитам трубки Удачная‑Восточная и к.г.‑м.н. В.О. Япаскурту за предоставления  
каменного и аналитического материала по породам Кокчетавского комплекса. Автор выражает искреннюю благодарность своим российским коллегам: Л.Я. Арановичу, А.В. Боброву, В.Г.  
Бутвиной, Д.А. Варламову, Т.В. Гере, А.В. Гирнису, Д.А. Зедгенизову, В.С. Каменецкому, А.В. Корсакову, А.М. Логвиновой, А.Л. Перчуку, П.Ю. Плечову, К.К. Подлесскому, С.К.  
Симакову, а также зарубежным коллегам: Дж. Харлоу, Д. Харлову, O. Навону, С. Менкетти  за плодотворные дискуссии и обсуждения различных аспектов диссертации. Автор выражает  
искреннюю благодарность Л.П. Редькиной (ИЭМ РАН) за тщательную подготовку исходных смесей для экспериментов, А.И. Шпагину, А.А. Симанину и А.К. Широкову (ИЭМ РАН) за всестороннюю  
техническую помощь в проведении экспериментов. Особую признательность автор высказывает А.Н. Некрасову, К.В. Вану (ИЭМ РАН) и Н.Н. Коротаевой и Е.В. Гусевой (МГУ) за помощь  
в проведении микрозондовых исследований, Н. Болдыреву (ИС РАН) за предоставление возможности работы на ИК спектрометре. В разные годы работа поддерживалась инициативными грантами  
РФФИ (01‑05‑64775, 03‑05‑06289, 04‑05‑64896, 05‑05‑64101), Грантом Президента РФ для молодых ученых (МК‑969.2006.5), Программы Президиума РАН П‑9 Исследования вещества в  
экстремальных условиях, Программой конкурсов‑экспертиз для молодых ученых РАН (грант  323 за 2001‑2002 года), Фондом поддержки Российской науки (программа для молодых ученых),  
Europea Academia Foundation, Программой Ведущие научные школы России (гранты: 96‑15‑98470, НШ‑1645.2003.05, НШ‑ 5338.2006.05, НШ‑2849.2006.5). 
 
Условные обозначения, принятые в автореферате. CEn  клиноэнстатит (Mg2Si2O6), Ca‑молекула Эскола (Ca0.5AlSi2O6), Carb  карбонат, Cos  коэсит (SiO2), Ca‑Ts  Ca‑молекула  
Чермака (CaAl2SiO6), Cpx  клинопироксен, Di  диопсид (CaMgSi2O6), Dol  доломит (CaMgC2O6), En  энстатит (Mg2Si2O6), Fo  форстерит (Mg2SiO4), Grs  гроссуляр (Ca3Al2Si3O12),  
Grt  гранат, Jd  жадеит (NaAlSi2O6), KCC ‑ K2Ca(CO3)2, KCpx  калийсодержащий клинопироксен, Kfs  калиевый полевой шпат (KAlSi3O8), KJd  фиктивный калиевый жадеит (KAlSi2O6),  
KKo  фиктивный калиевый космохлор (KCrSi2O6); Knr  кноррингит (Mg3Cr2Si3O12), Ks  кальсилит (KAlSiO4), Ky  кианит (Al2SiO5), LC  хлоридный расплав; LCS  хлоридно‑карбонатный  
расплав, LCS  карбонатно‑силикатный расплав, LS  силикатный расплав, Lc  лейцит (KAlSi2O6), Mg‑Ts  Mg‑молекула Чермака (MgAl2SiO6), Mrw  мервинит (Ca3MgSi2O8), Per   
периклаз (MgO), Prp  пироп (Mg3Al2Si3O12), Q  продукты закалки расплава, San  санидин (KAlSi3O8), Spl  шпинель (MgAl2O4), SWd  Si‑вадеит (K2Si4O9), Wol  волластонит  
(Ca2Si2O6). 
5436
Фамилия, инициалы
Должность
Уч. степень
Подпись МП
Руководитель организации
6111 
6311 
6210   кархн

Председатель
диссертационного совета
6264 
6320 
6462   кархн

5634 Индексы УДК
7434 Дата
7506 Входящий номер

5616 Коды тематических рубрик

5643 Ключевое слово