Экспериментальные исследования фазовых равновесий и алмазообразования в эклогит-карбонат-сульфидных системах

Часть 1. Экспериментальные исследования.

Глава 2. Экспериментальное исследование системы гранат-омфацит при 7.0 ГПа.

Для построения общей тройной диаграммы необходимо иметь сведения о краевых псевдобинарных системах: омфацит-пироп; омфацит-альмандин; пироп-альмандин (а также о влиянии гроссулярового компонента на фазовые отношения в системе пироп-альмандин в поле стабильности алмаза). Кроме этого, необходимо изучить хотя бы одно внутреннее политермическое сечение тройной диаграммы омфацит - пироп (+гроссуляр) - альмандин (+гроссуляр) - для корректного построения ее ликвидусной поверхности.

Литературный обзор: экспериментальные данные по эклогитовой системе в условиях стабильности алмаза.

Система пироп-гроссуляр-альмандин. Большинство экспериментальных исследований фазовых равновесий в <гранатовой> системе сосредоточено на псевдобинарном сечении пироп-гроссуляр при давлениях 3.0-4.0 ГПа (Хария, Терада, 1978; Maaloe, Wyllie, 1979; Hariya, Terada, 1980; Дорошев и др., 1981; Малиновский и др., 1983; Sekine, Wyllie, 1983; Сурков, Гартвич, 2000; Литвин, 1991). Кривая плавления пиропа была экспериментально изучена в диапазоне давлений 2.0-10.0 ГПа (Irifune, Ohtani, 1986). Кривые плавления гроссуляра и альмандина детально не изучались. Диаграммы плавления и фазовые взаимоотношения в сечениях альмандин-пироп и альмандин-гроссуляр при давлениях выше 3.0 ГПа не изучались.

Система диопсид-геденбергит-жадеит. Сечение диопсид-жадеит характеризуется непрерывными рядами твердых растворов при давлениях более 3.0 ГПа (напр., Bell, Davis, 1969). Железосодержащие клинопироксены ряда диопсид-геденбергит и жадеит-геденбергит при аналогичных давлениях не изучались.

Система гранат-омфацит. Многокомпонентная система гранат-омфацит может быть представлена как совокупность простых сечений, таких как пироп-диопсид, пироп-жадеит и др. Система пироп-диопсид исследована при 3.0 ГПа (O'Hara, Yoder, 1967) и 4.0 ГПа (Davis, 1963). Эта система, являясь частным сечением тройной системы волластонит-энстатит-корунд, представляет собой классический пример псевдобинарной системы (Литвин, 1991). В субсолидусе данной системы устанавливается широкое поле стабильности клинопироксена, обогащенного Ca-молекулой Чермака. В сечении пироп-жадеит, по сравнению с сечением пироп-диопсид, твердый раствор клинопироксена отсутствует. Это сечение относится к простым эвтектическим системам без твердых растворов. Псевдобинарная система диопсид₅₀жадеит₅₀-пироп несет в себе признаки сечения диопсид-пироп с одной стороны и пироп-жадеит, с другой (Литвин, 1991). В этом сечении энстатит не образуется, но в ней присутствует широкое поле твердых растворов клинопироксена. Железосодержащая система диопсид₈₀геденбергит₂₀-пироп₈₀альмандин₂₀ при 4.0 ГПа похожа на сечение диопсид-пироп. Фазовые равновесия в природном биминеральном эклогите (комплексная система гранат-омфацит) были изучены при 3.0 ГПа (O'Hara, Yoder, 1967) и при 4.0 ГПа. В топологическом отношении они подобны диаграмме плавкости системы Di₅₀Jd₅₀-Prp. На сегодняшний день, известны лишь эти фазовые диаграммы для эклогитовой системы гранат-омфацит.

Экспериментальное изучение системы пироп-гроссуляр-альмандин. В ходе работы было проведено несколько серий экспериментов в системах пироп-альмандин и пироп-гроссуляр-альмандин при различных Р-Т параметрах и с разными стартовыми веществами. Система пироп-альмандин при 6.5 и 4.0 ГПа. Фазовые соотношения в системе пироп-альмандин были исследованы при температурах от 1400 до 1900^oС. В результате экспериментального изучения системы пироп-альмандин были построены диаграммы плавкости пироп-альмандин (рис.1) при давлениях 6.5 и 4.0 ГПа, которые являются системами с неограниченной смесимостью компонентов в жидком и твердом состоянии (Бутвина и др., 2001). Как видно на рис. 1 стрелками показан широкий разброс результатов для некоторых опытов (обр. NN245, 246, 247, 332). Это связано с недостаточно полной диффузией первоначальных стартовых составов пиропа и альмандина. При плавлении фаз никакого разброса составов не происходит в связи с полной взаимной диффузией первичных составов (обр. N372, 364, 371).

Итак, экспериментальное изучение системы пироп-альмандин при высоких давлениях позволило впервые установить, что альмандин в изученном интервале температур и давлений плавится конгруэнтно, а значит можно проследить смещение линий ликвидуса и солидуса на Т-х диаграмме системы пироп альмандин при изменении РТ-параметров.
Система пироп-гроссуляр-альмандин. Фазовые отношения системы пироп-гроссуляр-альмандин были исследованы при давлении 6.5 ГПа и температурах от 1700 до 1850^oС. Дополнительные эксперименты привели к следующим выводам: появление кианитовой фазы приурочено к гроссуляр-альмандиновой части, а корундовой фазы - к пироп-гроссуляровой части системы пироп-гроссуляр-альмандин; увеличение количества глиноземистых фаз приурочено к повышению температуры.

Полученные экспериментальные данные показывают, что добавление гроссулярового компонента граната в количестве менее 40% не влияет на характер диаграммы плавкости системы пироп-альмандин. Характер диаграммы также не меняется и с понижением давления, поэтому краевое сечение пироп-альмандин в тройной системе омфацит-пироп-альмандин представляет собой диаграмму плавкости с неограниченной смесимостью в жидком и твердом состоянии.

Экспериментальные данные в системах пироп-омфацит и альмандин-омфацит.

В системе пироп-омфацит были использованы литературные данные.

Система альмандин-омфацит. Эксперименты в системе пироп-альмандин при 6.5 ГПа показали, что альмандин является стабильной фазой при высоких давлениях, таким образом, краевой политермический разрез альмандин-омфацит будет подобен экспериментально изученному ранее (Литвин, 1991) политермическому сечению псевдобинарной системы пироп-омфацит. Фазовые отношения в системе омфацит-альмандин были исследованы при постоянном давлении 7.0 ГПа и температурах от 1150 до 1550^oС. Температура плавления альмандина и омфацита в псевдобинарной системе альмандин-омфацит при 7.0 ГПа находится между 1500 и 1550^oС при составе Cpx₄₀Alm₆₀. Данная точка является одной из эвтектических точек (e₂) на псевдотройной диаграмме плавкости пироп (+гроссуляр) - альмандин (+гроссуляр) - омфацит.

Экспериментальное изучение внутреннего политермического сечения гранат-омфацит.

Экспериментальные исследования внутреннего политермического сечения омфацит-гранат многокомпонентной псевдотройной системы пироп (+гроссуляр) - альмандин (+гроссуляр) - клинопироксен (омфацит) впервые были проведены при 7.0 ГПа и 1200 - 1600^oС, что отвечает РТ - условиям стабильности алмаза (Kennedy, Kennedy, 1976). Присутствие гроссулярового компонента в составе граната в количестве 30% не влияет на характер диаграммы плавкости пироп-альмандин, как было показано выше. Т. о., данный компонент будет присутствовать как избыточный компонент. Рассмотрены фазовые соотношения построенной псевдобинарной системы клинопироксен (омфацит) - гранат (рис.2). В ее субсолидусе есть лишь одно фазовое поле: Cpx_ss + Grt_ss. Нужно отметить отсутствие поля стабильности клинопироксена, обогащенного Ca-молекулой Чермака, как следствие растворения фиктивного минала Al₂O₃, что является отличительной чертой изученного политермического разреза по отношению к безнатровым системам и подобным системам, ранее изученным при более низких давлениях (Davis, 1963; O'Hara, 1963; Литвин, 1991). Отсутствие поля Cpx_ss хорошо согласуется с природными данными, поскольку в омфацитах с большими количествами жадеитового компонента содержится небольшое количество Ca-молекулы Чермака. Плавление двухфазовой ассоциации омфацит + гранат начинается при ~1430^oС и имеет эвтектический характер. Наличие поля Cpx + Grt + L свидетельствует о существовании моновариантной котектики в базовой тройной системе. Таким образом, с помощью внутреннего политермического разреза гранат-омфацит псевдотройной диаграммы плавкости пироп (+гроссуляр) - альмандин (+ гроссуляр) - омфацит установлены условия стабильности фаз и характер их взаимоотношений. И клинопироксен, и гранат являются ликвидусными фазами. Псевдоинвариантное равновесие получено при 1400^oC < Т < 1550^oС. Топологически полученная диаграмма подобна системе CPx - Grt с эклогитовыми граничными фазами при 4.0 ГПа (Литвин, 1991), однако в настоящей работе впервые определены составы равновесных фаз. Подобие диаграмм является следствием того, что все компонентны эклогитовых систем устойчивы как при 4.0 ГПа, так и при 7.0 ГПа.

Построение псевдотройной системы пироп (+гроссуляр) - альмандин (+гроссуляр) - омфацит при 7.0ГПа. Благодаря полученным данным по краевым сечениям и внутреннему политермическому разрезу псевдотройной системы (альмандин + гроссуляр) - (пироп + гроссуляр) - омфацит построена тройная диаграмма поверхности ликвидуса данной системы при 7.0 ГПа (рис.3). Температуры плавления граничных фаз оценивались, исходя из известных данных для отдельных компонентов твердых растворов Cpx_ss и Grt_ss. Так, граничная система альмандин - пироп изучена автором ранее при 6.5 ГПа и отличается неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях. Небольшие количества гроссулярового компонента принципиально не меняют картину, так как гроссуляр также является компонентом твердого раствора граната. Также граничной является система альмандин (+ гроссуляр) - клинопироксен. Температура эвтектического плавления (лежит в диапазоне 1500-1550^oС при составе Cpx₄₀Alm₆₀) оценена с помощью специальных опытов в системе альмандин-клинопироксен. Третьей граничной системой является пироп - клинопироксен, температура эвтектического плавления (1520^oС) и состав эвтектики были оценены по известным данным для диопсида, пиропа и жадеита (Davis, 1963; Литвин, 1991). Полученные данные позволили определить позицию моновариантной котектики в тройной системе. Рассчитана форма поверхности ликвидуса тройной системы и проведены изотермы ликвидусной поверхности на основе экспериментальных данных.