Научная конференция ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ, ноябрь 2011 года
СЕКЦИЯ ГЕОЛОГИЯ

Рис. 1. Изменение параметров ячейки в структуре гранатов с переменным составом.

Натрийсодержащие мэйджоритовые гранаты (до 1,5 мас.% Na₂O) встречаются в виде включений в природных алмазах, а также являются продуктами многочисленных опытов в системах с эклогитовыми составами при высоких PT-параметрах [1]. Цель настоящей работы - установление границ фазового перехода пироксен-гранат в P-T координатах, определение структурных особенностей в чистом виде и в твердых растворах с пиропом (Prp), а также изучение взаимной растворимости компонентов в модельных системах Prp - NaMaj (Na₂MgSi₅O₁₂). Эксперименты проведены в Университете Тохоку (Сендай, Япония) при P = 11-20 ГПа и T = 1500-2100°C на многопуансонном прессовом аппарате типа Каваи.

В ходе экспериментов при 13-19 ГПа были получены кристаллы Na-пироксена и Na-мэйджорита и выделены поля их стабильности [2]. Фазовая граница описывается уравнением P = 0,0050(2)T + 7,5(4). Детальное изучение кристаллов Na-мэйджорита с помощью монокристальной ренгеновской дифракции позволило установить тетрагональную сингонию этой фазы с пространственной группой I4₁/acd и параметрами ячейки: a = 11.3966(6), c = 11.3369(5)Å и V = 1472.5(1) Å3 [3]. Структуры гранатов промежуточного состава между Na-мэджоритом и пиропом (NaMaj₂₀, NaMaj₄₀, NaMaj₅₀, NaMaj₆₀ и NaMaj₈₀) также были изучены с использованием монокристаллической рентгеновской съемки. Результаты показали, что увеличение в стартовом составе NaMaj приводит к постепенному уменьшению параметра ячейки и затем к смене сингонии с кубической на тетрагональную при содержании NaMaj более чем 80% (рис. 1), аналогично системе пироп-мэйджорит.

Отдельная серия экспериментов при 11-20 ГПа для стартовых составов с содержанием 50 мол.% NaMaj была проведена с целью подтверждения тенденции повышения содержания натрия в гранате с давлением. Условия опытов выбирались с расчетом на кристаллизацию гранатов из расплава вблизи солидуса, что позволяет получить наибольшие содержания Na в гранате. При давлениях 11-15 ГПа в продуктах опытов совместно с гранатом и стишовитом наблюдался пироксен жадеит-энстатитового состава. При давлениях выше 16 ГПа пироксен не был установлен в продуктах опытов, а количество стишовита также было крайне низким (не более 5-7 об.%). Гранаты с наиболее высокими концентрациями Na₂O (>5 мас.%) формируются вблизи солидуса и образуют субидиоморфные кристаллы, пространство между которыми заполнено небольшим (<5 об.%) количеством закалочного расплава. Понижение температуры приводило к появлению в продуктах опытов, совместно с гранатом небольших (5-10 мкм) выделений богатой натрием фазы Na(Mg_xSi_xAl_1-2x)SiO₄ (0<x<0,5), соответствующей NaAlSiO₄ (со структурой кальциоферрита) с различной примесью компонента MgAl₂O₄.

Отмеченная тенденция ликвидусной кристаллизации граната осложняется присутствием в ряде опытов пироксена (еще одной натрийсодержащей фазы), что приводит к изменению коэффициентов распределения натрия между гранатом и расплавом. Тем не менее, из результатов опытов следует, что для изученного стартового состава была установлена растворимость Na-мэйджорита в гранате вплоть до 40 мол.%.

Существенная растворимость Na-мэйджорита в пиропе, а также находки природных гранатов со значительными концентрациями Na (>1 мас.% Na₂O) позволяют рассматривать Na-содержащий мэйджоритовый гранат в качестве фазы-концентратора Na в условиях низов верхней мантии и переходной зоны. Успешный синтез конечного члена и расшифровка его структуры имеет ключевое значение в изучении термодинамических констант, которые в совокупности с компьютерным моделированием позволят создать усовершенствованный термобарометр для минеральных ассоциаций с участием мэйджоритовых гранатов.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты 09-05-00027 и 11-05-00401) и грантов Президента РФ (МД-534.2011.5 и НШ-3634.2010.5).

Литература:
1. Bobrov A.V., Litvin Yu.A., Bindi L., Dymshits A.M. Phase relations and formation of sodium-rich majoritic garnet in the system Mg₃Al₂Si₃O₁₂-Na₂MgSi₅O₁₂ at 7.0 and 8.5 GPa // Contrib. Mineral. Petrol. 2008. V. 156. P. 243-257.
2. Дымшиц А.М., Бобров А.В., Литасов К.Д. и др. Экспериментальное изучение фазового перехода пироксен-гранат в системе Na₂MgSi₅O₁₂ при давлениях 13-20 ГПа: первый синтез натриевого мэйджорита // ДАН. 2010. Т. 434. N 3. С. 378-381.
3. Bindi L., Dymshits A.M., Bobrov A.V. et al. Crystal chemistry of sodium in the Earth's interior: The structure of Na₂MgSi₅O₁₂ synthesized at 17.5 GPa and 1700°С // American Mineralogist. 2011. V. 96. P. 447-450.