Особенности дегазации основных силикатных минералов в интервале температур 200°–1000°С

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Изучена дегазация основных силикатных минералов (оливины, пироксены, плагиоклазы), слагающих мантийные породы, близкие по химическому составу лунным морским базальтам. Использована специально сконструированная для этих задач установка, ранее применявшаяся при исследовании дегазации хондритов. Представлены результаты экспериментальных исследований по ступенчатому нагреву (без накопления) с определением состава выделяемых газов методами газовой хроматографии в интервале температур от 200°С до 1000°С. Проведено сравнение состава выделяемых газов с фугитивностью кислорода в оливинах. Получены КР- и ИК-спектры как исходных минералов, так и минералов после изотермического отжига при различных температурах. На их основе прослежен ход теплового преобразования кристаллической структуры минералов и получены оценки их устойчивости. Проведено сравнение составов силикатных минералов с образцами лунного грунта, доставленного космической миссией КНР Chang’E-5.

Full Text

Restricted Access

About the authors

С. А. Воропаев

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Author for correspondence.
Email: voropaev@geokhi.ru
Russian Federation, Москва

Н. В. Душенко

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: voropaev@geokhi.ru
Russian Federation, Москва

А. П. Кривенко

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: voropaev@geokhi.ru
Russian Federation, Москва

В. С. Федулов

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: voropaev@geokhi.ru
Russian Federation, Москва

Е. В. Жаркова

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: voropaev@geokhi.ru
Russian Federation, Москва

В. Г. Сенин

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: voropaev@geokhi.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Воропаев С.А., Севастьянов В.С., Елисеев А.А., Петухов Д.И. Идентификация зерен кальцита в метеорите Челябинск методами рамановской спектроскопии // Геохимия. 2013. Т. 51. № 7. С. 654–663.
  2. Воропаев С.А., Душенко Н.В., Федулов В.С., Сенин В.Г. Особенности дегазации азота хондрита Dhajala (H3.8) // Докл. РАН. Физика, технические науки. 2023а. Т. 509. № 1. С. 76–80.
  3. Воропаев С.А., Душенко Н.В., Федулов В.С., Корочанцев А.В. Особенности дегазации углистого хондрита Murchison (CM2) в интервале температур 200°–800°С // Астрономический Вестник, 2023б. Т. 57. № 6. С. 571–582.
  4. Voropaev S.A., Dushenko N.V., Fedulov V.S., Korochantsev A.V. Features of Degassing of the Murchison (CM2) Carbonaceous Chondrite in the Temperature Interval of 200°–800°C // Sol. Syst. Res. 2023b. V. 57. No. 6. P. 581–591.
  5. Галимов Э.М., Рыженко Н.Б. Разрешение K/Na-биогеохимического парадокса // Докл. РА Н. 2008. Т. 421 (3). С. 375–377.
  6. Кадик А.А., Жаркова Е.В., Коваленко В.И., Ионов Д.А. Окислительно-восстановительные условия в верхней мантии: экспериментальное определение летучести кислорода минералов перидотитовых ксенолитов вулкана Шаварын-Царам (Монголия) // Геохимия. 1988. № 6. С. 783–793.
  7. Кадик А.А., Луканин О.А. Дегазация верхней мантии при плавлении. М.: Наука, 1986. 96 с.
  8. Каминский Ф.В. Генезис поликристаллических агрегатов алмаза – карбонадо // Докл. АН СССР, 1987. Т. 294 (2). С. 439–440.
  9. Маров М.Я., Ипатов С.И. Процессы миграции в Солнечной системе и их роль в эволюции Земли и планет // УФ Н. 2023. Т. 193. № 1. С. 2–32.
  10. Плюснина И.И. Инфракрасные спектры минералов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1976. 175 с.
  11. Портнягин М.В., Плечов П.Ю., Матвеев С.В., Осипенко А.Б., Миронов Н.Л. Петрология авачитов: высокомагнезиальных базальтов Авачинского вулкана (Камчатка). I. Общая характеристика, состав пород и минералов // Петрология. 2005. Т. 13. № 2. С. 115–138.
  12. Рагозин А.Л., Каримова А.А, Литасов К.Д., Зедгенизов Д.А., Шацкий В.С. Содержание воды в минералах мантийных ксенолитов из кимберлитов трубки Удачная (Якутия) // Геология и геофизика. 2014. Т. 55. № 4. С. 549–567.
  13. Рябчиков И.Д. Термодинамика флюидной фазы гранитоидных магм. М.: Наука, 1975. 230 с.
  14. Хачатрян Г.К., Колесникова Т.И. Методика исследования оливина и хромдиопсида с помощью ИК-Фурье микроскопа и возможности ее использования при шлихо-минералогических поисках месторождений алмаза // Отечественная геология. 2019. № 3. С. 63–73.
  15. Хисина Н.Р., Вирт Р. Поведение протона при деформации “мокрого” оливина в условиях кимберлитового процесса // Геохимия. 2010. № 4. С. 357–365.
  16. Anand M., Taylor L.A., Misra K.C., Demidova S.I., Nazarov M.A. KREEPy lunar meteorite Dhofar 287A: A new lunar mare basalt // Meteoritics and Planet. Sci. 2003. V. 38 (4). P. 485–499.
  17. Ballhaus C., Berry R.F., Green D.H. High pressure experimental calibration of the olivine-orthopyroxene-spinel oxygen geobarometer: Implications for the oxidation state of the upper mantle // Contrib. Mineral. Petrol. 1994. V. 118 (1). P. 109–118.
  18. Beran A., Libowitzky E. Water in natural mantle minerals II: Olivine, garnet and accessory minerals // Rev. Mineralogy and Geochem. 2006. V. 62. P. 169–191.
  19. Borg L.E., Shearer C.K., Asmerom Y., Papike J.J. Prolonged KREEP magmatism on the Moon indicated by the youngest dated lunar igneous rock // Nature. 2004. V. 432. P. 209–211.
  20. Borisov A.A., Ariskin A.A. Fe and Ni solubility in silicate melts equilibrated with metal // LPSC XXVI I. 1996. (Abstracts). 133–134.
  21. Bowey J.E., Lee C., Tucker C., Hofmesiter A.M., Ade P., Barlow M.J. Temperature effects on the 15–85 μm spectra of olivines and pyroxenes // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2001. V. 325. P. 886–896.
  22. Breger I.A., Chandler J.C. Determination of fixed water in rocks by infrared absorption // Anal. Chem. 1969. V. 41. № 3. P. 506–510.
  23. Brey G.P., Koehler T. Geothermobarometry in four-phase lherzolites II. New thermobarometers and practical assessment of existing thermobarometers // J. Petrology. 1990. V. 31 (6). P. 1353–1378.
  24. Chopelas A. Single crystal Raman spectra of forsterite, fayalite, and monticellite // Am. Mineralogist. 1991. V. 76 (7–8). P. 1101–1109.
  25. Chunlai Li, Hao Hu, Meng-Fei Yang, Zhao-Yu Pei, Qin Zhou, Lei Xu, Di Zhang, Xiao-Guang Li, Rui Chang, Yue-Heng Yang, Lie-Wen Xie. Characteristics of the lunar samples returned by the Chang’E-5 mission // Nat. Sci. Rev. 2022. V. 9. Id. nwab188. https://doi.org/10.1093/nsr/nwab188
  26. Demidova S.I., Nazarov M.A., Anand M., Taylor L.A. Lunar regolith breccia Dhofar 287B: A record of lunar volcanism // Meteoritics and Planet. Sci. 2003. V. 38 (4). P. 501–514.
  27. Eggler D.H. The effect of CO 2 upon partial melting of peridotite in the system Na 2 O-CaO-Al 2 O 3 -MgO-SiO 2 -CO 2 to 35 kbar, with an analysis of melting in a peridotite- H 2 O-CO 2 system // Am. J. Sci. 1978. V. 278. P. 305–353.
  28. Freeman J.J., Wang A., Kuebler K.E., Jolliff B.L., Haskin L.A. Characterization of natural feldspars by Raman spectroscopy for future planetary exploration // Canadian Mineralogist. 2008. V. 46. P. 1477–1500.
  29. Gou Sheng, Kaichang Di, Zongyu Yue, Zhaoqin Liu, He Zhip, Rui Xu, Bin Liu, Man Peng, Wang Yexin, Yonggang Yao, Dingshuai Xue, Wei Zuo, Yan Su, Weibin Wen. Forsteritic olivine and magnesium-rich orthopyroxene materials measured by Chang’e-4 rover // Icarus. 2020. V. 345. P. 113776–113788. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2020.113776
  30. Hamilton V.E. Thermal infrared (vibrational) spectroscopy of Mg–Fe olivines: A review and applications to determining the composition of planetary surfaces // Chem. Erde. 2010. V. 70. P. 7–33.
  31. Heng-Ci Tian, Hao Wang, Yi Chen, Wei Yang, Qin Zhou, Chi Zhang, Hong-Lei Lin, Chao Huang, Shi-Tou Wu, Li-Hui Jia, Lei Xu, Di Zhang, Xiao-Guang Li, Rui Chang, Yue-Heng Yang, Lie-Wen Xie, Dan-Ping Zhang, Guang-Liang Zhang, Sai-Hong Yang, Fu-Yuan Wu. Non-KREEP origin for Chang’e-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane // Nature. 2021. V. 600. P. 59–63.
  32. Holloway J.R., Jakobsson S. Volatile Solubilities in Magma: Transport of Volatiles from Mantles to Planet Surfaces // J. Geophys. Res. B. 1986. V. 91 (4). P. D505–D508.
  33. Huang E., Chen C.H., Huang T., Lin E.H., Xu J. Raman spectroscopic characteristics of Mg-Fe-Ca pyroxenes // Am. Mineralogist. 2000. V. 85. № 2. P. 473–479.
  34. Joy K.H., Crawford I.A., Huss G.R., Nagashima K., Taylor G.J. An unusual clast in lunar meteorite MacAlpine Hills 88105: A unique lunar sample or projectile debris? // Meteoritic and Planet. Sci. 2014. V. 49. P. 677–695.
  35. Kuebler K.E., Jolliff Bradley L., Wang Alian, Haskin Larry A. Extracting olivine (Fo–Fa) compositions from Raman spectral peak positions // Geochim. et Cosmochim. Acta. 2006. V. 70. № 11. P. 6201–6222
  36. Chunlai Li, Hao Hu, Meng-Fei Yang, Zhao-Yu Pei, Qin Zhou, Xin Ren, Bin Liu, Dawei Liu, Xingguo Zeng, Guangliang Zhang, Hongbo Zhang, Jianjun Liu, Qiong Wang, Xiangjin Deng, Caijin Xiao, Yonggang Yao, Dingshuai Xue, Wei Zuo, Yan Su, Weibin Wen, Ziyuan Ouyang. Characteristics of the lunar samples returned by the Chang’E-5 mission // Nat. Sci. Rev. 2022. V. 9. Id. nwab188. https://doi.org/10.1093/nsr/nwab188.
  37. Matveev S., Portnyagin M., Ballhaus C. Brooker C., Geiger C.A. FTIR spectrum of phenocryst olivine as an indicator of silica saturation in magmas // J. Petrology. 2005. V. 46. № 3. P. 603–614.
  38. Perry C.H., Agrawal D.K., Anastassakis E., Lowndes R.P., Tornberg N.E. Far infrared and Raman spectroscopic investigations of lunar materials from Apollo 11, 12, 14, and 15 // Proc. 3rd LPS C. Suppl. 3, Geochim. et Cosmochim. Acta. 1972. V. 3. P. 3077–3095.
  39. Reitze M. P., Weber I., Morlok A., Hiesinger H., Bauch J.E., Stojic A.N., Helber J. Mid-infrared spectroscopy of crystalline plagioclase feldspar samples with various Al,Si order and implications for remote sensing of Mercury and other terrestrial Solar System objects // Earth and Planet. Sci. Lett. 2021. V. 554. P. 116697–116708. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2020.116697
  40. Sato M. Oxygen fugacity of basaltic magmas and the role of gas-forming elements // Geophys. Res. Lett. 1978. V. 5 (6). P. 447–449.
  41. Schultz P.H., Thompson R.G., Chen M.N. The LCROSS cratering experiment // Science. 2010. V. 330. № 6003. P. 468–472.
  42. Sen Hu, Huicun He, Jianglong Ji, Yangting Lin, Hejiu Hui, Mahesh Anand, Romain Tartese, Yihong Yan, Jialong Hao, Ruiying Li, Lixin Gu, Qian Guo, Huaiyu He, Ziyuan Ouyang. A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’e-5 // Nature. 2021. V. 600. P. 49–53.
  43. Simakin A., Salova T., Devyatova V, Zelensky M. Reduced carbonic fluid and possible nature of high-K magmas of Tolbachik // J. Volcanol. and Geotherm. Res. 2015. V. 307. P. 210–221.
  44. Voropaev S., Boettger U., Pavlov S., Hanke F., Petukhov D. Raman spectra of the Markovka chondrite (H4) // J. Raman Spectroscopy. 2022. V. 53. № 3. P. 463–471.
  45. Wang A., Jolliff B.L., Haskin L.A., Kuebler K.E., Viskupic K.M. Characterization and comparison of structural and compositional features of planetary quadrilateral pyroxenes by Raman spectroscopy // Am. Mineralogist. 2001. V. 86. P. 790–806.
  46. Wyllie P.J. The effect of H 2 O and CO 2 on planetary mantles // Geophys. Res. Lett. 1978. V. 5 (6). P. 440–442.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. High-temperature setup for determining intrinsic oxygen fugacity of minerals of deep origin: 1 – quartz tube, 2 – outer platinum cup on the upper electrolyte, 3 – outer platinum cup on the lower electrolyte, 4 – platinum screen, 5 – platinum current lead, common for the upper and lower electrolytes, 6 – thermocouple, 7 – internal platinum current lead for the lower electrolyte, 8 – lower electrolyte, 9 – furnace heater, 10 – circulating air in the lower cell, 11 – internal platinum cup-contact for the lower electrolyte, 12 – platinum cup with sample, 13 – Vicor tube, 14 – upper electrolyte, 15 – internal platinum current lead of the upper cell.

Download (100KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Raman spectra of the main silicates (avachites) before heating: olivine (left), clinopyroxene (right).

Download (104KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Raman spectra of the main silicates (avachites) after heating to 800°C: olivine (left), clinopyroxene (right).

Download (114KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Raman spectrum of the matrix (avachites): before heating (left), after heating to 1000°C (right).

Download (104KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Normalized IR transmission spectra (NIT) of olivines (avachites) before and after annealing at different temperatures: black – before annealing; red – 600°C; green – 800°C.

Download (199KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Normalized IR transmission spectra (NIT) of clinopyroxenes (diopside) before and after annealing at different temperatures: black – before annealing; red – 800°C.

Download (199KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Normalized IR transmission spectra of the matrix (NIR) before and after annealing: black – heating to 1000°C; red – small crystals, green – powder before annealing.

Download (190KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Dependence of the oxygen fugacity value for olivines (avachites) at P ~ 1 bar.

Download (95KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. The effect of fO2 on the composition of the C–O–H fluid phase in equilibrium with the melt at T ~1200°C and P ~ 10 kbar (Kadik, Lukanin, 1986).

Download (92KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences