WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |

Кадик А.А.

Восстановленные флюиды мантии: связь с химической дифференциацией планетарного вещества.

2003. Геохимия № 9.

Химическая дифференциация Земли тесным образом связана с перераспределением кислорода в недрах планеты в результате формирования металлического ядра, глубинной дегазации, плавления, субдукционных процессов и восходящих движений мантийного вещества в виде плюмов и астеносферных диапиров. Этот процесс находит свое прямое отражение в окислительновосстановительном состоянии глубинного вещества, мерой которого может служить летучесть кислорода (fO2) в тех или иных минеральных реакциях.

С химической точки зрения знание летучести кислорода мантийных пород является фундаментальным для любой гипотезы, касающейся ранней истории Земли [15], состава примитивной атмосферы [6], состава газов, приносимых магмами к поверхности Земли [713]. В присутствии флюидов, обогащенных СН4 и Н2, плавление мантии и химическая дифферциация магм носит иной характер, чем в присутствии флюидов, обогащенных H2O и CO2 [1417].

Применение методов фазового равновесия для измерения летучести кислорода свидетельствуют о том, что современные литосферные и астеносферные слои верхней мантии в основном умеренно окислены. Свойственные им значения fO2 находится выше условий равновесия с металлической фазой железа. Активность Fe3+ компонентов в минералах верхней мантии соответствует значениям fO2, которые определяют преобладание СО2 и Н2О в составе глубинных флюидов и устойчивость карбонатных фаз.

С другой стороны, есть основания для предположений о восстановленном характере мантии Земли на ранних этапах ее формирования, который определяется химическим равновесием с металлической фазой железа и металлическим ядром [1, 6, 12, 13, 16, 18]. Если принять средний состав оливина верхней мантии равным Fo91, то fO2 должно было быть, по крайней мере, на 5 логарифмических единиц ниже, чем fO2 литосферных и астеносферных слоев современной верхней мантии. При таком окислительновосстановительном состоянии планетарного вещества преобладающими летучими компонентами должны быть СН4 и Н2 в равновесии со свободным углеродом (графит, алмаз). Когда и как верхняя мантия испытала существенное повышение потенциала кислорода остается в значительной мере неясным. Определенные значения fO2 перидотитов верхней мантии из различных тектоноструктурных зон Земли свидетельствуют о том, что процесс окисления был весьма медленным и восстановительные условия, повидимому, превалировали, по крайней мере, половину истории Земли [2, 18, 19]. Однако эти представления во многом остаются дискуссионными. Caniel [20] на основании распределения ванадия между коматиитовой жидкостью и оливином архейских лавовых потоков высказал предположение о том, что верхняя мантия достигла современных значений fO2 в короткие геологические времена на ранних этапах формирования Земли.

Кроме химической дифференциации вещества мантии и ядра Земли, на баланс кислорода в недрах планеты и, соответственно, режим летучести кислорода должно оказывать влияние изменение характера распределения Fe3+ и Fe2+ между минералами верхней мантии с глубиной, которое, как предполагается, должно привести к существенному понижению fO2 на глубинах более 300 км (9 ГПа) [21, 22]. Значение fO2 в этом случае должно удовлетворять условию существования в мантии металлической фазы железа и флюидов с высокой концентрацией CH4.

Таким образом, в рамках существующих гипотез, можно предполагать, что низкие значения fO2 и преобладание СН4 и Н2 во флюидах могли быть характерными как для ранних этапов формирования мантии, так и для глубинных слоев верхней мантии в настоящее время.

Геохимические свидетельства существования в верхней мантии областей с низкими значениями потенциала кислорода являются одним из главных вопросов, которые обсуждаются в данном исследовании. В статье приводятся аргументы в пользу представлений об эволюции окислительновосстановительного состояния планетарного вещества в сторону повышения потенциала кислорода, сокращения поля стабильности свободного углерода и увеличения доли окисленных форм соединений углерода (Н2О, СО2) по отношению к восстановленным (СН4, СО, Н2).



Другой рассматриваемой проблемой является взаимодействие восстановленной части С О Н флюидов с продуктами плавления мантии. Наши знания в этой области весьма ограничены. Вместе с тем незначительное количество экспериментальных данных по взаимодействию СН4, Н2, а также элементарного углерода с силикатными расплавами вскрыло важную особенность окислительновосстановительных реакций в силикатных жидкостях. Она определяется тем, что несмотря на низкие значения летучести кислорода, которые соответствуют равновесию минералов мантии с металлическим железом, устойчивыми компонентами расплавов оказались окисленные формы водорода и углерода (Н2О, ОН, СО32) [16, 23]. Такая особенность взаимодействия СН4, Н2 и С с силикатными расплавами может стать ключевой в выяснении механизмов образования СО2 и Н2О при формировании магм в восстановленной мантии. На основании экспериментальных данных по равновесию железосодержащий расплав (ферробазальт) + металлическая фаза (железо) + графит + водород [24] утверждается, что переход восстановленной мантии в расплавленное состояние может быть одним из механизмов формирования H2O и CO2 в прошлом Земли и их первичного поступления на поверхность планеты.

Причины эволюции окислителновосстановительного состояния мантии Причины, которые привели к окислению первоначального вещества мантии и смене соотношений CO2, H2O, CH4, H2 во флюиде, во многом остаются предметом дискуссии. Следует предполагать, что повышение fO2 в глубинах мантии является результатом комплекса химических и физических процессов в недрах планеты. Время, когда мантия начала испытывать повышение потенциала кислорода, зависит от того, каким образом осуществлялись процессы, контролирующие fO2 в недрах планеты. Возможно, что особенности эволюции мантии вскоре после планетарной аккреции создавали условия для первичного повышения fO2 от значений, соответствующих равновесию силикатного вещества с металлической фазой (Dlog(FMQ) 7ё8), до значений fO2, которые устанавливаются для наиболее восстановленных дериватов архейской литосферы возраста 3.53.0 Ga (Dlog(FMQ) 3ё5). Возможно, гетерогенная аккреция, эволюция металлического ядра и крупномасштабное плавление с формированием магматического океана были причиной первой стадии повышения fO2. По представлениям [3, 13, 18, 64 66] более поздняя эволюция окислительновосстановительного состояния верхней мантии, которая заняла подавляющую часть геологического времени, определялась постепенным возрастанием fO2 под воздействием эволюции металлического ядра, дегазации, магмообразования и геодинамических процессов в недрах планеты (формирование плюмов, астеносферных диапиров, погружение литосферных плит). Иные представления о вековой эволюции fO2 высказываются [20, 67]. Высокие значения fO2 (Dlog(FMQ) ~ 0) мантийных источников коматиитовых магм архейского возраста, определенных на основании распределения ванадия между ортопироксеном, шпинелью и расплавом, привели его к заключению об отсутствии изменений fO2 в верхней мантии в геологическом времени после первых стадий ее эволюции.

Считается, что повышение потенциала кислорода и появление летучих компонентов после образования металлического ядра связано с особенностями последних стадий аккреции Земли, а именно, поступлением окисленного хондритового материала, обогащенного летучими компонентами [68]. Эти представления во многом остаются спорными. Они в значительной степени основаны на определении содержаний сидерофильных элементов в породах верхней мантии, которые не соответствует ее равновесию с металлической фазой железа. В последнее годы рядом исследователей развивается представление о высвобождении кислорода при взаимодействии мантии с металлическим ядром, которое может привести к окислению мантии [69 71].

Физические теории эволюции планет полагают, что Земля и, возможно, другие планеты земной группы прошли через высокотемпературную стадию своего формирования [72], в результате чего около 4.5 Ga мантия Земли была частично или полностью расплавлена. Влияние этого крупномасштабного плавления (магматического океана) на состав летучих компонентов и fO2 первоначально восстановленной мантии весьма вероятно.





Предполагается, что плавление внешних углеродсодержащих слоев примитивной мантии приведет к повышению потенциала кислорода в магматическом океане и продуктах его кристаллизации в результате интенсивной диффузии и диссипации водорода в условиях конвективного течения расплавов [9]. Другой механизм эволюции состава летучих и fO2 может быть связан со спецификой растворения Н2 и С в магматических расплавах при низких значениях fO2, соответствующих равновесию верхней мантии с металлической фазой железа. Эксперименты по взаимодействию СН4, Н2, а также элементарного углерода с силикатными расплавами вскрыли важную особенность окислительновосстановительных реакций в силикатных жидкостях, которая может объяснить образование летучих компонентов в процессах раннего плавления. Она определяется тем, что несмотря на значения летучести кислорода ниже fO2(IW) (Dlog(FMQ) 5ё8), устойчивыми компонентами расплавов являются окисленные формы водорода и углерода (Н2О, ОН, СО32) [16, 23]. Такая особенность взаимодействия СН4, Н2 и С с силикатными расплавами позволяет ожидать, что в результате плавления восстановленной углеродсодержащей планетарной мантии будут выплавляться магмы, содержащие более окисленные формы углерода и водорода, чем в самом мантийном источнике. С этой точки зрения переход восстановленной мантии в расплавленное состояние представляется одним из механизмов формирования H2O и CO2 в прошлом Земли и их первичного поступления на поверхность планеты.

Кроме процессов химической дифференциации мантийного вещества и ядра Земли на баланс кислорода в мантии и, соответственно, режим fO2 должно оказывать влияние на изменение характера распределения Fe3+ и Fe2+ между минералами мантии с глубиной. Wood [21] и Ballhaus [22] на основании изучения влияния давления на fO2 минеральных реакций пришли к заключению о существенном понижении fO2 при высоких давлениях. Предсказывается, что на глубинах около 300 км (9 ГПа) верхняя мантия может быть насыщена в отношении металлической фазы железа, а метан является доминирующим компонентом COH флюидов [22].

Начиная с работы [2] процессы субдукции литосферы рассматриваются как один из главных механизмов повышения fO2 в верхней мантии [73, 74]. В рамках этих представлений возрастание fO2 мантийного вещества является следствием потоков Н2О, СО2 и Fe3+, которые сопровождают погружение окисленных литосферных плит. На основании содержаний Fe3+ и Fe2+ в базальтах срединноокеанических хребтов и океанических островов, габбро и офиолитовых комплексов и расчета баланса масс [75] пришли к заключению, что поток Fe3+ в мантию во время процесса рециклинга в течение 2 Ga составлял 4ґ103 кг/сек. Глубинные потоки СО2 и Н2О оцениваются равными 10101011 кг/сек и 10111012 кг/сек, соответственно [6, 76]. Согласно этим оценкам вода является главным агентом окисления мантии вслед за Fe3+ в то время как роль СО2 менее значительна. Эти потоки могут объяснить современное Fe3+/еFe отношение в мантии.

Механизмы аккумуляции кислорода и Fe3+ в мантии, которые связаны с погружением литосферных плит, во многом остаются неясными. Согласно экспериментальным исследованиям Fe3+ может постепенно аккумулироваться в мантии в результате вхождения в структуру граната [65] и перовскита [77, 78]. McCommon [78] нашел, что перовскит, содержащий алюминий, может аккумулировать большое количество Fe3+ и быть в равновесии с металлическим железом. При отсутствии взаимодействия судбукционного материала с металлическим ядром должно происходить постепенное накопление Fe3+ в глубинных слоях мантии. Эта гипотеза длительного увеличения отношения Fe3+/еFe в мантии активно обсуждается. Например, Ballhaus [18], Caniel и др. [79] и Кадик [13] предположили, что мантия под кратонами возможно испытывала прогрессивное повышение fO2, начиная с раннего Архея. Однако недавно Caniel [20, 67] высказал гипотезу об относительном постоянстве fO2 верхней мантии в геологическом времени. Эти взгляды основаны на особенностях фракционирования ванадия между силикатной жидкостью, оливином, пироксеном и шпинелью, которые свидетельствуют об образовании архейских коматиитовых магм при значениях fO2, характерных для современных базальтовых магм срединноокеанических хребтов.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.