Физико-химические аспекты глубинного цикла углерода

По теме государственного задания ГЕОХИ РАН № FMMZ-2024-0056 «Физико-химические аспекты глубинного цикла углерода» за отчетный период 2024 г. получены следующие основные результаты и выводы: Экспериментально определено положение линии реакции Mg3Al2Si3O12 (Prp) + 3CO2 (флюид) = Al2SiO5 (Ky) + 2SiO2 (Coe/Qz) + 3MgCO3 (Mgs). Линия расположена при 3 ГПа / 950 ± 50 °C, 4.5 ГПа / 1150 °C и 6 ГПа / 1350 ± 50 °C и имеет уравнение P(ГПа) = 0,0075 × T(°C) – 4,125. Граница пересекает кривую перехода графита в алмаз вблизи 4.7 ГПа и 1180 °C. Таким образом, ассоциация пироп + CO2 флюид устойчива в поле термодинамической стабильности алмаза при P-T параметрах континентальной геотермы с тепловым потоком 41 мВт/м2. С помощью термодинамических расчетов исследованы фазовые взаимоотношения в системах гранат–CO2 и эклогит–CO2. В отличие от систем пироп–CO2 и диопсид–CO2 в системе эклогит–CO2 линии карбонатизации и декарбонатизации не совпадают, а поля Grt+Cpx+CO2 и Carb+Ky+Coe+Cpx разделены областью Grt+Cpx+CO2+Carb+Ky+Coe, которая простирается до давлений, превышающих 4.3–6.0 ГПа при 1050–1200 °C. Это расширяет поле устойчивости CO2 в эклогитовой мантии в сторону более низких температур. Однако учитывая природные концентрации CO2 в мантии, CO2 флюид должен полностью расходоваться на карбонатизацию эклогита чуть ниже поля эклогит + CO2. Согласно результатам расчетов, CO2 флюид термодинамически устойчив в эклогитовой мантии в поле устойчивости алмаза выше 1250 °С при давлениях 5–6 ГПа. Квантово-химические расчеты показали, что для образования ортокарбоната Ca2CO4-Pnma наиболее благоприятны высоко кальциевые системы, такие как частично восстановленные кремнистые известняки. Согласно полученным данным восстановление 2/3 CaCO3 в кремнистых известняках с исходным соотношением CaCO3:SiO2 ³ 3:1 сопровождается образованием ассоциации ортокарбоната (Ca2CO4) и дейвмаоита (CaSiO3) выше давления 19 ГПа. Отработана методика проведения многопуансонных экспериментов по изучению фазовых взаимоотношений в системах Na2CO3−CaCO3, Na2CO3−MgCO3 и CaCO3−MgCO3 при 14 ГПа. Получена предварительная информация о фазовых T-X диаграммах данных систем. Определены субсолидусные ассоциации карбонатных фаз, температуры эвтектик, перитектик и составы соответствующих расплавов. Отработана методика исследования и проведены эксперименты по изучению кинетики взаимодействия Na±K±Ca±Mg±Fe карбонатных расплавов с металлическим железом при 6 ГПа. Интенсивность взаимодействия компонентов карбонатного расплава с металлическим железом определяется следующей последовательностью Fe, Mg > Ca >> Na. При этом K2CO3 не реагирует с Fe0. Эта последовательность определяет тенденцию изменения состава карбонатного расплава в ходе его восстановления. Следует также отметить, что при 6 ГПа щелочные Na-Ca и K-Ca расплавы могут находится в равновесии с расплавом Fe-C, а также карбидами железа. За отчетный период все поставленные задачи были выполнены. Полученные результаты вносят вклад в решение проблемы глобального цикла углерода, оценке баланса потоков CO2 погружающегося в ходе субдукции в мантию и выделяющегося в атмосферу с вулканическими газами. Учитывая серьезные методические сложности исследования карбонатных систем при высоких давлениях, отработанные экспериментальные подходы и сами результаты отражают высокий научно-технический уровень выполненной НИР в сравнении с лучшими достижениями в этой области.