Подать статью
Стать рецензентом
EN
Том 279
Страницы:
3-12
В печати
Научная статья
Геология

Потенциал оливина в транспорте воды в мантию при тепловом режиме промежуточной и горячей субдукции

Авторы:
И. Н. Куприянов1
А. Г. Сокол2
Об авторах
  • 1 — старший научный сотрудник Институт геологии и минералогии им. В.С.Соболева СО РАН ▪ Orcid
  • 2 — д-р геол.-минерал. наук главный научный сотрудник Институт геологии и минералогии им. В.С.Соболева СО РАН ▪ Orcid
Дата отправки:
2025-06-19
Дата принятия:
2025-12-09

Аннотация

В работе экспериментально при давлении 5,5 ГПа и температурах 850, 940, 1030 и 1100 °С исследованы закономерности гидрогенизации кристаллов оливина водным флюидом, равновесным с оливином и ортопироксеном. Показано, что при P-T параметрах, характерных для слэбов, и механически связанной со слэбами части мантийного клина при тепловом режиме промежуточной и горячей субдукции взаимодействие водного флюида с оливином в значительной мере контролируется концентрацией существующих в нем кремниевых вакансий. За счет этого при температуре 850 °С концентрация ОН дефектов на Si вакансиях заметно возрастает относительно исходной величины, однако в пересчете на H2O не превышает 110 ppm. При 1030 °С новые Si вакансии не образуются и содержание воды в оливине остается на том же уровне, что и после экспериментов при более низких температурах. Образование Si вакансий и их протонирование при перекристаллизации оливина в водном флюиде фиксируются только при 1100 °С, вблизи солидуса перидотита. В новообразованном оливине содержание воды достигает 350 ppm. Установлено, что увеличение фугитивности кислорода от значений буфера Ni-NiO (NNO) до значений буфера Fe2O3-Fe3O4 (HM), а также концентрации NaCl во флюиде с 0 до 9 мас.% слабо влияют на растворимость воды в оливине либо не влияют вовсе. Сделан вывод, что из-за низкой растворимости воды в оливине сразу после полной дегидратации серпентинизированных перидотитов на глубинах ~150-200 км эффективность транспорта воды в мантию слэбами при температурных режимах промежуточной и горячей субдукции должна резко падать. В таких условиях в слэбах высвобождается значительный объем водного флюида, который может участвовать в генерации глубинных магм и мантийном метасоматозе.

Область исследования:
Геология
Ключевые слова:
зоны субдукции слэб мантийный клин океаническая кора серпентин флюид номинально безводные минералы
Финансирование:

Эксперименты по изучению закономерностей протонирования существующих и новых вакансий в оливине выполнены по Государственному заданию ИГМ СО РАН (FWZN-2026-0013). Серия экспериментов с добавкой NaCl, а также при контролируемых буфером редокс-условиях выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект 22-17-00005).

Перейти к тому 279

Литература

  1. van Keken P.E., Hacker B.R., Syracuse E.M., Abers G.A. Subduction factory: 4. Depth-dependent flux of H2O from subducting slabs worldwide // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2011. Vol. 116. Iss. B1. № B01401. DOI: 10.1029/2010JB007922
  2. Hirschmann M.M. Comparative deep Earth volatile cycles: The case for C recycling from exosphere/mantle fractionation of major (H2O, C, N) volatiles and from H2O/Ce, CO2/Ba, and CO2/Nb exosphere ratios // Earth and Planetary Science Letters. 2018. Vol. 502. P. 262-273. DOI: 10.1016/j.epsl.2018.08.023
  3. Ohtani E. Hydration and Dehydration in Earth’s Interior // Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 2021. Vol. 49. P. 253-278. DOI: 10.1146/annurev-earth-080320-062509
  4. Keppler H., Ohtani E., Xiaozhi Yang. The Subduction of Hydrogen: Deep Water Cycling, Induced Seismicity, and Plate Tectonics // Elements. 2024. Vol. 20. № 4. P. 229-234. DOI: 10.2138/gselements.20.4.229
  5. Schmidt M.W., Poli S. Devolatilization During Subduction // Treatise on Geochemistry. Elsevier, 2014. Vol. 4. P. 669-701. DOI: 10.1016/B978-0-08-095975-7.00321-1
  6. Grevemeyer I., Ranero C.R., Ivandic M. Structure of oceanic crust and serpentinization at subduction trenches // Geosphere. 2018. Vol. 14. № 2. P. 395-418. DOI: 10.1130/GES01537.1
  7. Chen Cai, Wiens D.A., Weisen Shen, Eimer M. Water input into the Mariana subduction zone estimated from ocean-bottom seismic data // Nature. 2018. Vol. 563. P. 389-392. DOI: 10.1038/s41586-018-0655-4
  8. Hermann J., Lakey S. Water transfer to the deep mantle through hydrous, Al-rich silicates in subduction zones // Geology. 2021. Vol. 49. № 8. P. 911-915. DOI: 10.1130/G48658.1
  9. Fumagalli P., Stixrude L., Poli S., Snyder D. The 10Å phase: a high-pressure expandable sheet silicate stable during subduction of hydrated lithosphere // Earth and Planetary Science Letters. 2001. Vol. 186. Iss. 2. P. 125-141. DOI: 10.1016/S0012-821X(01)00238-2
  10. Inoue T., Wada T., Sasaki R., Yurimoto H. Water partitioning in the Earth’s mantle // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2010. Vol. 183. Iss. 1-2. P. 245-251. DOI: 10.1016/j.pepi.2010.08.003
  11. Sobolev A.V., Asafov E.V., Gurenko A.A. et al. Komatiites reveal a hydrous Archaean deep-mantle reservoir // Nature. 2016. Vol. 531. Iss. 7596. P. 628-632. DOI: 10.1038/nature17152
  12. Harte B., Harris J.W., Hutchison M.T. et al. Lower mantle mineral associations in diamonds from Sao Luiz, Brazil. In: Fei Y, Bertka C.M., Mysen B.O. (eds.) Mantle petrology: Field Observations and High-pressure Experimentation (A Tribute to Francis R. (Joe) Boyd). 1999. Vol. 6, P. 125-153.
  13. Pearson D.G., Canil D., Shirey S.B. Mantle Samples Included in Volcanic Rocks: Xenoliths and Diamonds // Treatise on Geochemistry. Elsevier, 2003. Vol. 2. P. 171-275. DOI: 10.1016/B0-08-043751-6/02005-3
  14. Flemetakis S., Tiraboschi C., Rohrbach A. et al. The stability of antigorite in subduction zones revisited: the effect of F on antigorite stability and its breakdown reactions at high pressures and high temperatures, with implications for the geochemical cycles of halogens // Contributions to Mineralogy and Petrology. 2022. Vol. 177. Iss. 7. № 70. DOI: 10.1007/s00410-022-01934-5
  15. Syracuse E.M., van Keken P.E., Abers G.A. The global range of subduction zone thermal models // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2010. Vol. 183. Iss. 1-2. P. 73-90. DOI: 10.1016/j.pepi.2010.02.004
  16. Ferrand T.P. Neither antigorite nor its dehydration is «metastable» // American Mineralogist. 2019. Vol. 104. Iss. 6. P. 788-790. DOI: 10.1016/j.pepi.2010.02.004
  17. Maurice J., Bolfan Casanova N., Demouchy S. et al. The intrinsic nature of antigorite breakdown at 3 GPa: Experimental constraints on redox conditions of serpentinite dehydration in subduction zones // Contributions to Mineralogy and Petrology. 2020. Vol. 175. Iss. 10. № 94. DOI: 10.1007/s00410-020-01731-y
  18. Padrón‐Navarta J.A., Hermann J. A Subsolidus Olivine Water Solubility Equation for the Earth's Upper Mantle // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2017. Vol. 122. Iss. 12. P. 9862-9880. DOI: 10.1002/2017JB014510
  19. Mierdel K., Keppler H., Smyth J.R., Langenhorst F. Water Solubility in Aluminous Orthopyroxene and the Origin of Earth’s Asthenosphere // Science. 2007. Vol. 315. Iss. 5810. P. 364-368. DOI: 10.1126/science.1135422
  20. Férot A., Bolfan-Casanova N. Water storage capacity in olivine and pyroxene to 14 GPa: Implications for the water content of the Earth’s upper mantle and nature of seismic discontinuities // Earth and Planetary Science Letters. 2012. Vol. 349-350. P. 218-230. DOI: 10.1016/j.epsl.2012.06.022
  21. Doucet L.S., Ionov D.A., Golovin A.V. The origin of coarse garnet peridotites in cratonic lithosphere: new data on xenoliths from the Udachnaya kimberlite, central Siberia // Contributions to Mineralogy and Petrology. 2013. Vol. 165. Iss. 6. P. 1225-1242. DOI: 10.1007/s00410-013-0855-8
  22. Withers A.C., Bureau H., Raepsaet C., Hirschmann M.M. Calibration of infrared spectroscopy by elastic recoil detection analysis of H in synthetic olivine // Chemical Geology. 2012. Vol. 334. P. 92-98. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2012.10.002
  23. Towbin W.H., Plank T., Klein E., Hauri E. Measuring H2O concentrations in olivine by secondary ion mass spectrometry: Challenges and paths forward // American Mineralogist. 2023. Vol. 108. Iss. 5. P. 928-940. DOI: 10.2138/am-2022-8247
  24. Kovács I., O’Neill H.St.C., Hermann J., Hauri E.H. Site-specific infrared O-H absorption coefficients for water substitution into olivine // American Mineralogist. 2010. Vol. 95. Iss. 2-3. P. 292-299. DOI: 10.2138/am.2010.3313
  25. Berry A.J., Hermann J., O’Neill H.S.C., Foran G.J. Fingerprinting the water site in mantle olivine // Geology. 2005. Vol. 33. № 11. P. 869-872. DOI: 10.1130/G21759.1
  26. Xianyu Xue, Kanzaki M., Turner D., Loroch D. Hydrogen incorporation mechanisms in forsterite: New insights from 1H and 29Si NMR spectroscopy and first-principles calculation // American Mineralogist. 2017. Vol. 102. Iss. 3. P. 519-536. DOI: 10.2138/am-2017-5878
  27. Berry A.J., O’Neill H.St.C., Hermann J., Scott D.R. The infrared signature of water associated with trivalent cations in olivine // Earth and Planetary Science Letters. 2007. Vol. 261. Iss. 1-2. P. 134-142. DOI: 10.1016/j.epsl.2007.06.021
  28. Blanchard M., Ingrin J., Balan E. et al. Effect of iron and trivalent cations on OH defects in olivine // American Mineralogist. 2017. Vol. 102. Iss. 2. P. 302-311. DOI: 10.2138/am-2017-5777
  29. Crépisson C., Bureau H., Blanchard M. et al. Theoretical infrared spectrum of partially protonated cationic vacancies in forsterite // European Journal of Mineralogy. 2014. Vol. 26. № 2. P. 203-210. DOI: 10.1127/0935-1221/2014/0026-2366
  30. Manning C.E., Frezzotti M.L. Subduction-Zone Fluids // Elements. 2020. Vol. 16. № 6. P. 395-400. DOI: 10.2138/gselements.16.6.395
  31. Bali E., Bolfan-Casanova N., Koga K.T. Pressure and temperature dependence of H solubility in forsterite: An implication to water activity in the Earth interior // Earth and Planetary Science Letters. 2008. Vol. 268. Iss. 3-4. P. 354-363. DOI: 10.1016/j.epsl.2008.01.035
  32. Sokol A.G., Palyanov Y.N., Kupriyanov I.N. et al. Effect of oxygen fugacity on the H2O storage capacity of forsterite in the carbon-saturated systems // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2010. Vol. 74. Iss. 16. P. 4793-4806. DOI: 10.1016/j.gca.2010.05.032
  33. Bolfan-Casanova N., Martinek L., Manthilake G. et al. Effect of oxygen fugacity on the storage of water in wadsleyite and olivine in H and H–C fluids and implications for melting atop the transition zone // European Journal of Mineralogy. 2023. Vol. 35. Iss. 4. P. 549-568. DOI: 10.5194/ejm-35-549-2023
  34. Sokol A.G., Kupriyanov I.N., Palyanov Y.N. Partitioning of H2O between olivine and carbonate–silicate melts at 6.3 GPa and 1400 °C: Implications for kimberlite formation // Earth and Planetary Science Letters. 2013. Vol. 383. P. 58-67. DOI: 10.1016/j.epsl.2013.09.030
  35. Smyth J.R., Frost D.J., Nestola F. et al. Olivine hydration in the deep upper mantle: Effects of temperature and silica activity // Geophysical Research Letters. 2006. Vol. 33. Iss. 15. № L15301. DOI: 10.1029/2006GL026194
  36. Withers A.C., Hirschmann M.M. Influence of temperature, composition, silica activity and oxygen fugacity on the H2O storage capacity of olivine at 8 GPa // Contributions to Mineralogy and Petrology. 2008. Vol. 156. Iss. 5. P. 595-605. DOI: 10.1007/s00410-008-0303-3
  37. Sokol A.G., Kupriyanov I.N., Palyanov Y.N. et al. Melting experiments on the Udachnaya kimberlite at 6.3–7.5 GPa: Implications for the role of H2O in magma generation and formation of hydrous olivine // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2013. Vol. 101. P. 133-155. DOI: 10.1016/j.gca.2012.10.018
  38. Cannaò E., Malaspina N. From oceanic to continental subduction: Implications for the geochemical and redox evolution of the supra-subduction mantle // Geosphere. 2018. Vol. 14. № 6. P. 2311-2336. DOI: 10.1130/GES01597.1
  39. Rustioni G., Audetat A., Keppler H. The composition of subduction zone fluids and the origin of the trace element enrichment in arc magmas // Contributions to Mineralogy and Petrology. 2021. Vol. 176. Iss. 7. № 51. DOI: 10.1007/s00410-021-01810-8
  40. Hernández-Uribe D., Tsujimori T. Progressive lawsonite eclogitization of the oceanic crust: Implications for deep mass transfer in subduction zones // Geology. 2023. Vol. 51. № 7. P. 678-682. DOI: 10.1130/G51052.1
  41. Schmidt M.W., Jagoutz O. The global systematics of primitive arc melts // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2017. Vol. 18. Iss. 8. P. 2817-2854. DOI: 10.1002/2016GC006699
  42. Luth R.W., Palyanov Y.N., Bureau H. Experimental Petrology Applied to Natural Diamond Growth // Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 2022. Vol. 88. № 1. P. 755-808. DOI: 10.2138/rmg.2022.88.14
  43. Симаков С.К., Стегницкий Ю.Б. О наличии постмагматической стадии формирования алмазов в кимберлитах // Записки Горного института. 2022. Т. 255. С. 319-326. DOI: 10.31897/PMI.2022.22
  44. Губанов Н.В., Зедгенизов Д.А., Васильев Е.А., Наумов В.А. Новые данные о составе среды кристаллизации волокнистых алмазов из россыпей Западного Урала // Записки Горного института. 2023. Т. 263. С. 645-656.
Статистика
Просмотр аннотаций
65
Просмотр полного текста
18
Процитировано
Scopus:
0
Crossref:
0
Меню статьи