NA-содержащий мэйджоритовый гранат : экспериментальное и компьютерное моделирование

• Автор: Дымшиц, Анна Михайловна
• Шифр специальности: 25.00.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 145 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Обзор сведений о Na-содержащих мэйджоритовых гранатах в природе и эксперименте

1 1 Природные мэйджоритовые гранаты

111 Состав и фазовые ассоциации природных мэйджоритовых фанатов

112 Мэйджоритовые фанаты из метеоритов

1 1 3 Мэйджоритовые фанаты из включений в алмазах и мантийных ксенолитов

1 2 Состав и фазовые ассоциации мэйджоритовых фанатов в эксперименте

Глава 2. Методика экспериментов и изучения образцов

2 1 Эксперименты на аппарате типа «наковальня с лункой»

2 2 Эксперименты на многопуансонном аппарате высокого давления

2 3 Компьютерное моделирование
2 4 Подготовка стартовых веществ и изучение экспериментальных образцов
Глава 3. Экспериментальное изучение модельных систем с участием Na-содержащего мэйджоритового граната
3 1 Система пироп Mg3Al2Si30i2“ жадеит NaAlSi206
3 2 Система пироп МззАІгБізОп-Па-мзйджорит NaiMgSisOn при 7,0-20,0 ГПа
3 3 Система пироп - фоссуляр - Na2MgSisOi2 при 7-8,5 ГПа
3 4 Система пироп-ЫагСОз при 7,0-8,5 ГПа
3 5 Экспериментальное изучение разложения натрийсодержащего мэйджоритового фаната
Глава 4. Первые результаты изучения Na-мэйджорита
4 1 Экспериментальное изучение фазового перехода Naftc-NaMa
4 2 Структурные особенности Na-мэйджорита
4 3 Компьютерное моделирование фазового перехода NaPx-NaMy
Глава 5. Обсуждение результатов. Механизм и условия кристаллизации Na-содержащих мэйджоритовых гранатов
5 1 Особенности изоморфизма, механизм формирования и факторы, контролирующие кристаллизацию Na-содержащего мэйджоритового фаната
5 2 Сопоставление результатов экспериментального и компьютерного моделирования 126 5 3 Некоторые дополнительные приложения полученных результатов к проблемам глубинной минералогии
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Важнейшим направлением в современной геологической науке является минералогия высоких давлений (High-Pressure Mineralogy), задачи которой связаны с получением данных о химическом составе и фазовом состоянии, физических свойствах и физико-химических условиях образования глубинных пород и минералов. Значительный прогресс в изучении высокобарных минеральных ассоциаций обусловлен развитием экспериментальных методов на основе специальной аппаратуры высоких давлений и температур, включая технику алмазных наковален с лазерным нагревом. Существенными достижениями отмечены минералогические и геохимические исследования природных минеральных веществ как земного, так и космического происхождения, которые позволили диагностировать улътравысокобарные минералы и минеральные ассоциации. В итоге раскрыты важные детали строения и вещественного состава глубинных зон Земли и планет земного типа, а также процессов происходящих на протопланетных стадиях развития вещества Солнечной системы, включая эффекты соударения космических тел. Значимыми являются сведения о минеральных ассоциациях с мэйджоритовыми гранатами, которые несут признаки кристаллизации при сверхвысоких давлениях в нижних горизонтах верхней мантии и переходной зоне мантии (Sobolev, Lavrent’ev, 1971; Akaogi, Akimoto, 1977; Moore, Gurney, 1985; Harte et al., 1999; Stachel et al., 2000, 2001; Gasparik, 2002; Pokhilenko et al., 2004; Шацкий и др., 2010; Kaminsky, 2012). Особый смысл изучению физикохимических условий образования и физических свойств мэйджоритовых гранатов придает тот факт, что среди минералов высокого давления он является единственно надежным показателем глубины образования минеральных ассоциаций верхней мантии и переходной зоны, так как уверенно диагностируется по химическому составу.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является исследование физикохимических механизмов формирования Na-содержащих мэйджоритовых гранатов в алюмосиликатных и карбонатно-силикатных системах в широком диапазоне давлений и температур и изучение их структурно-кристаллохимических свойств

связи с этим, в рамках диссертационной работы были поставлены следующие задачи:
(1) Исследовать парагенетические фазовые отношения Ыа-содержащего граната в простых и многокомпонентных системах, составы которых близки к природным, в физико-химическом эксперименте при 7-20 ГПа и 1500-2100°С, изучить физические и химические особенности его кристаллизации и структурнокристаллохимические свойства.
(2) Определив оптимальные физико-химические условия, выполнить синтез Ка-мэйджорита (Ыа2]815012), изучить структурно-кристаллохимические характеристики новой высокобарной фазы, а также выяснить ГТ-параметры фазового превращения Ка-мэйджорит/ТМа-пироксен (К,аМ§о15812|50б) в экспериментах при давлениях 11-20 ГПа.
(3) С использованием численных методов компьютерного моделирования исследовать структурные и термодинамические характеристики На-мэйджорита; сопоставить полученные при этом результаты с данными экспериментальных исследований.
Фактический материал.
Работа включает в себя два крупных информационных блока, отражающих
разные направления исследований глубинного вещества Земли. Первый блок
основан на экспериментальных физико-химических исследованиях в Институте
экспериментальной минералогии РАН, которые выполнялись автором в течение
2007-2010 годов на тороидном аппарате высокого давления типа «наковальня с
лункой». Осуществлено более 200 индивидуальных экспериментов при Р=4,0-8
ГПа и 7= 1100-1950СС. в упрощенных и многокомпонентных алюмосиликатных и
карбонатно-силикатных системах. Эта часть работы включает также в себя
описание результатов более 20 экспериментов на установках типа «разрезной
цилиндр» и «разрезная сфера» при Р= 10-20 ГПа и Т= 1600-23 00°С, которые были
проведены автором в 2009 году в Университете Тохоку (Сендай, Япония) в рамках
тематики, развитой в ИЭМ РАН. Второй блок содержит результаты численного
компьютерного моделирования структурных и термодинамических свойств Ма-
содержащих мэйджоритовых гранатов на основе расчетов с применением метода
Монте-Карло на суперкомпьютерном комплексе Университета им
(Франкфурт-на-Майне, Германия). С этим направлением хорошо сочетаются

Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИЗУЧЕНИЯ ОБРАЗЦОВ
2.1. Эксперименты на аппарате типа «наковальня с лункой»
Экспериментальная работа проводилась при давлениях 7,0 и 8,5 ГПа и температурах 1290-1900°С в Институте экспериментальной минералоги РАН (Черноголовка) с использованием камеры высокого давления НЛ-13Т с тороидальным уплотнением типа «наковальня с лункой». Аппарат представляет собой модификацию камеры высокого давления Бриджмена (Литвин, 1991). Основу конструкции представляют собой две наковальни, изготовленные из твердого сплава на основе карбида вольфрама, которые для повышения работоспособности скреплены набором стальных колец, напрессованных друг на друга. Для охлаждения системы к каждой наковальне проводиться замкнутая по периферии обечайка, которая несет в себе два штуцера для провода охлаждающей жидкости и отвода ее в сливную систему. Между наковальнями помещается специально сконструированная ячейка, так что при полной нагрузке между торцами наковален образуется запирающий слой. Этот слой способствует предотвращению вытекания образца и созданию однородного литостатического давления (рис. 9а и б).
Ячейка имеет общий диаметр 30 мм и изготавливается из литографского камня (основной компонент СаС03). Внутрь ячейки помещается графитовый нагреватель, общий диаметр которого составляет 6 мм, а высота 7,2 мм. Нагреватель в центральной части имеет полость размером 2x2 мм, куда помещается экспериментальный материал, после эксперимента рабочий объем составляет около 1 мм3. Химическая инертность ячейки обеспечивается дополнительным контейнером (втулкой), прилегающим к реакционному объему и выполненным из термохимически стойкого, не испытывающего фазовых превращений материала, при этом также улучшается распределение и стабильность температуры и давления в реакционной камере. Втулка общим диаметром 8 мм и рабочим 6 мм изготовлена из спрессованной смеси порошков периклаза и гексагонального нитрида бора в отношении 3:1 (М§0 : ВЫ = 3:1). Перед началом работы автором была проделана специальная серия калибровочных экспериментов, позволяющая добиться максимальной точности задаваемых температур и давлений в рабочем объеме.