name: «Экспериментальное моделирование метасоматических минералообразующих процессов в углеродсодержащей литосферной мантии»
keyword_list: генезис алмаза литосферная мантия мантийный метасоматоз высокобарический высокотемпературный эксперимент экспериментальное моделирование
abstract: Актуальность исследований
  По современным представлениям, базирующимся на результатах
  изучения глубинных пород, включений в алмазах, а также данных
  термодинамического и экспериментального моделирования, мантийный
  метасоматоз, наряду с магматизмом, является одним из определяющих
  процессов в мантийном минералообразовании в целом и генезисе алмаза в
  частности (Sobolev et al., 2009; Stachel, Harris, 2008; Taylor, Anand, 2004;
  Шацкий и др., 2005, Shatsky et al., 2008; Pokhilenko, 2009; O’Reilly, Griffin,
  2013; Похиленко и др., 2015; Sobolev et al., 2019). Процессы метасоматоза в
  условиях гетерогенной углеродсодержащей литосферной мантии включают в
  себя чрезвычайно широкий спектр химических и физических преобразований
  мантийных минералов и пород. Наиболее распространенными
  метасоматическими агентами в мантии являются флюиды состава C-O-H-NS, силикатные, карбонатитовые, карбонатные и сульфидные расплавы, а
  также высокоплотные (HDF) флюиды-рассолы (Luth, 1999; Рябчиков, 2009;
  Wallace, Green, 1988; Когарко, 2006; Haggerty, 1995; Hirschmann, 2009;
  O’Reilly, Griffin, 2013). Учитывая специфику (неравновесность)
  метасоматических процессов, для их экспериментального моделирования
  требуются специальные методики и адекватный подбор систем, применение
  которых позволит ответить на ряд дискуссионных вопросов об условиях
  генерации агентов метасоматоза, эволюции их состава и свойств, а также
  рассмотреть ключевые проблемы генезиса алмаза, включающие механизмы
  его образования, состав среды кристаллизации и источники углерода.
  Особенный интерес в настоящее время представляют экспериментальные
  исследования, направленные на изучение процессов мантийного
  метасоматоза, включая алмазообразование, в системах, моделирующих
  природные среды с использованием неграфитовых источников углерода
  (карбонаты, карбид и C-O-H-N-S флюид). Таким образом, значимость
  проблемы мантийного метасоматоза для минералообразующих процессов в
  литосферной мантии, в том числе кристаллизации алмаза, определяет
  актуальность комплексного изучения явления и диктует необходимость
  систематических экспериментальных исследований.
  Цель работы заключалась в экспериментальном выявлении
  закономерностей минералообразующих процессов при мантийном
  метасоматозе в углеродсодержащей литосферной мантии, сопряженных с
  образованием алмаза и графита из углерода карбонатов и карбидов в
  результате окислительно-восстановительных реакций. Для достижения цели
  были сформулированы следующие задачи:
  1. Провести экспериментальное моделирование алмазообразующих
  процессов, сопряженных с редокс (окислительно-восстановительными)
  взаимодействиями окислительных метасоматических агентов (CO2-флюида
  и/или карбонат-содержащего расплава) с мантийными минераламиконцентраторами железа (пирротином, пентландитом, Fe0
  , когенитом).
   2
  
  2. Экспериментально определить возможные условия генерации
  высокожелезистых (Fe2+
  ,Fe3+
  -содержащих) карбонатно-силикатных
  расплавов - потенциальных окислительных метасоматических агентов.
  3. Провести экспериментальные исследования, направленные на выявление
  закономерностей при взаимодействиях когенита (Fe3C) с мантийными
  минералами и агентами метасоматоза (восстановительными и
  окислительными) в литосферной мантии. Оценить значимость карбида
  железа как источника углерода в процессах образования алмаза и графита.
  4. Выполнить экспериментальное моделирование процессов метасоматоза c
  участием восстановительных серосодержащих агентов, на примерах
  сульфидизации силикатов, карбонатов и карбидов. Выявить основные
  закономерности метасоматических преобразований FeO-содержащих
  минеральных фаз обогащенными серой флюидами и реконструировать
  условия формирования части мантийных сульфидов в этих процессах.
  Оценить условия нуклеации/роста алмаза и графита из углерода карбоната и
  карбида в процессах метасоматоза с участием серосодержащих агентов.
  5. Провести экспериментальное моделирование условий формирования
  ассоциации Fe3+
  -содержащий магнезиовюстит + графит/алмаз в процессах
  метасоматоза. Оценить возможность применения этой ассоциации в качестве
  индикатора метасоматических процессов в литосферной мантии.
  6. Реконструировать минералообразующие процессы с участием
  окислительных и восстановительных метасоматических агентов в
  литосферной мантии, выявить их связь с алмазообразованием и сопоставить
  полученные экспериментальные данные с современными представлениями о
  мантийном метасоматозе. Предложить потенциальные сценарии мантийного
  метасоматоза в условиях углеродсодержащей литосферной мантии.
  Практическая значимость работы
  Экспериментально установленные закономерности и совокупность
  результатов, полученных в карбонат-, карбид-, силикат-, оксид-, и
  сульфидсодержащих системах являются основой для построения
  экспериментально обоснованных моделей мантийного метасоматоза и
  природного алмазообразования, и представляют интерес для развития
  представлений об условиях формирования алмазсодержащих пород.
  Впервые экспериментально изучены редокс механизмы образования
  алмаза при взаимодействиях карбонат – металл и CO2-флюид – сульфид,
  которые могут являться основой для обоснования сценариев природного
  алмазообразования, а также для разработки новых методов синтеза алмаза с
  неграфитовыми источниками углерода. Впервые установлены индикаторные
  характеристики верхнемантийных ассоциаций Fe3+
  -магнезиовюстит + алмаз /
  графит, и определена конкретная связь этих характеристик с процессами
  метасоматоза в мантии. Полученные данные могут представлять интерес для
  реконструкций процессов генезиса алмаза с включениями магнезиовюстита.
  Научная новизна:
  Впервые определен редокс механизм образования алмаза при
   3
  
  взаимодействии Mg,Ca-карбонат-железо, и установлены контрастные
  неоднородности алмазов по составу включений, изотопному составу
  углерода и содержанию примесного азота.
  Впервые экспериментально воспроизведены сценарии поведения
  серосодержащих метасоматических агентов в мантии Земли. Проведена
  комплексная реконструкция сульфидизации силикатов, карбонатов и
  карбидов, представляющая интерес в рамках изучения глобальных циклов
  серы и углерода. Впервые реализован рост кристаллов алмаза из углерода
  карбонатов и/или карбида в процессах метасоматоза с участием
  серосодержащих агентов.
  Экспериментально определены закономерности взаимодействия Fe3C с
  восстановительными и окислительными агентами метасоматоза, а также
  мантийными минералами. Обосновано, что экстракция углерода из карбида
  при взаимодействии с метасоматическими агентами может рассматриваться
  графит- и алмаз-продуцирующим процессом.
  Проведены экспериментальные исследования по кристаллизации
  мантийных минералов (Ol, Opx, Cpx, Grt, Ms, Dol, Dm) с включениями и
  определены индикаторные спектроскопические характеристики данных
  включений. Осуществлен синтез монокристаллов алмаза с включениями, по
  составу соответствующими природным.
  Фактический материал
  В основу работы положены результаты экспериментальных исследований
  при высоких температурах и давлениях на многопуансонном аппарате
  «разрезная сфера» (БАРС). Проведено 290 экспериментов при высоких P,Tпараметрах, выполнено около 4 тыс. микрозондовых и 60 рентгенофазовых
  анализов, записано более 25 тыс. энергодисперсионных спектров, а также 85
  карт распределения элементов. Изучение фазовых взаимоотношений
  проведено методами оптической и электронной микроскопии (более 6000
  микрофотографий). Исследование включений выполнено методами
  оптической микроскопии (370 микрофотографий), КР-спектроскопии (350
  спектров) и инфракрасной спектроскопии (> 60 спектров). Методически
  сложные задачи исследования закономерностей распределения Fe2+ и Fe3+ в
  полученных фазовых ассоциациях, а также расчета соотношения Fe2+/Fe3+ в
  отдельных фазах были решены методом Мёссбауэровской спектроскопии (>
  150 спектров).
  Личный вклад автора. Работа представляет собой итог и обобщение
  результатов многолетних исследований, проведенных автором в лаборатории
  экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса ИГМ СО РАН. Автор
  непосредственно участвовала в разработке методик, планировании и
  подготовке высокобарических экспериментов. Лично проводила отбор,
  аналитику и подготовку исходных реагентов для проведения экспериментов,
  выполняла комплекс работ по пробоподготовке и специфической обработке
  полученных образцов. Проводила аналитические исследования методами
  рентгенофазового и микрозондового анализов, оптической и электронной
   4
  
  микроскопии, энергодисперсионной и Рамановской спектроскопии, а также
  выполняла интерпретацию данных Мёссбауэровской спектроскопии.
  Автором проведена реконструкция процессов фазообразования, подготовлен
  иллюстративный графический материал и составлены таблицы результатов
  исследований. Из 25 научных статей по теме диссертации 22 опубликованы
  за её первым авторством.
  Апробация работы
  С участием автора опубликованы 32 статьи в рецензируемых
  отечественных и международных научных журналах и тезисы 23 докладов.
  Основные положения диссертации опубликованы в 25 статьях в
  рецензируемых журналах, индексируемых в базе данных Web of Science -
  Earth and Planetary Science Letters (1), Lithos (5), PNAS (1), Geology (1),
  Minerals (6), Доклады РАН (7), Петрология (1) и Геология и геофизика (3), со
  средним импакт-фактором 2,43. 8 статей опубликованы в журналах первого
  квартиля (Q1) по данным Web of Science на дату публикации.
  Результаты работы представлены на российских и международных
  конференциях, симпозиумах и совещаниях: Годичных собраниях РМО
  (Санкт-Петербург, 2012, 2014, 2017), XVII Всероссийском совещании по
  экспериментальной минералогии (Новосибирск, 2015), 8-й Международной
  Сибирской молодежной геологической конференции (Новосибирск, 2016),
  Совещании «Геология и минерагения Северной Евразии» (Новосибирск,
  2017), Всероссийском ежегодном семинаре по экспериментальной
  минералогии, петрологии, геохимии (Москва, 2018, 2021), международной
  конференции, посвященной 110-летию академика В.С. Соболева «Проблемы
  магматической и метаморфической петрологии, геодинамики и
  происхождения алмазов» (Новосибирск, 2018), XXII Совещании
  Международной Минералогической Ассоциации (IMA2018) (Мельбурн,
  Австралия, 2018), и XIX Международном совещании по кристаллохимии,
  рентгеновской дифракции и спектроскопии минералов (Апатиты, 2019).
  Исследования проведены в соответствии с планами базовых НИР лаб. 453
  ИГМ СО РАН с 2006 года (проекты 26.3.1, 5.2.2.3, II.7.5.8, 67.3.1 и 0330-2019-
  0007). Отдельные этапы работы были поддержаны грантами РФФИ (№ 14-05-
  31061 и 16-35-60024 – руководитель, № 08-05-00336 и 08-05-00336 –
  исполнитель) и РНФ (грант № 14-17-00054 - исполнитель), а также
  интеграционным проектом СО РАН № 31.
  Основные защищаемые положения
  1. Взаимодействие Mg,Ca-карбонат–металлическое железо, моделирующее
  процессы на границе субдуцированного слэба с породами мантии,
  содержащими металлическую фазу (Fe, Ni), осуществляется за счет градиента
  ƒО2 и формирования редокс фронта. В данном процессе алмазы образуются
  как в восстановительных (расплав Fe), так и в окислительных (расплав
  карбоната) условиях за счет углерода карбоната. Кристаллы резко
  контрастны по составу включений, содержанию азота и изотопному составу
  углерода, что позволяет объяснить одну из возможных причин
   5
  
  гетерогенности природных алмазов.
  2. В карбонатно-оксидных системах с участием вюстита и ильменита,
  моделирующих условия генерации окислительных агентов мантийного
  метасоматоза, происходит образование высокожелезистых карбонатносиликатных расплавов, обогащенных молекулярным CO2. Данные расплавы
  формируются при значениях ƒO2 от соответствующих буферу FMQ до
  FMQ+2 лог. ед. и характеризуются высокими значениями Fe3+/ΣFe (0,20-
  0,43). Индикаторами переработки мантийных пород подобными расплавами
  могут являться обогащенные Fe3+ минералы – фаялит-магнетитовая шпинель,
  магнетит и гранат.
  3. Взаимодействия карбида железа с восстановительными агентами
  мантийного метасоматоза - серосодержащими флюидами и сульфидными
  расплавами, являются потенциальными углерод-продуцирующими
  процессами. В данных процессах реализуется экстракция углерода из
  карбида, сопровождающаяся образованием графита и ростом алмаза в
  металл-сульфидном расплаве. Взаимодействие карбида железа с
  окислительными агентами – карбонат-содержащими расплавами, включает
  реакции декарбонатизации, экстракцию углерода из Fe3C и восстановление
  CO2 или карбонатного компонента расплава до графита или алмаза.
  4. Взаимодействие мантийных ультраосновных пород с серосодержащими
  восстановительными агентами метасоматоза приводит к их сульфидизации,
  сопровождающейся перекристаллизацией оливина, экстракцией железа и
  никеля из оливина и формированием сульфидов и силикатов. Обогащенный
  серой флюид является эффективным метасоматическим агентом, способным
  модифицировать состав ультраосновных пород, инициировать образование
  мантийных сульфидов и их включений в мантийных силикатах.
  5. Ассоциация Fe3+
  -магнезиовюстит+графит/алмаз является индикатором
  метасоматических преобразований с участием CO2-флюида или карбонатного
  расплава. Концентрации Fe3+ в магнезиовюстите зависят от ƒO2 и изменяются
  от 0-0,05 форм. ед. в восстановительных условиях (ƒO2 ~ FMQ-5 лог.ед), до
  0,19 форм. ед. в окислительных (ƒO2 ~ FMQ-1 лог.ед.). Процессы образования
  ассоциации Fe3+
  -магнезиовюстит + графит / алмаз связаны с редокс
  реакциями, включая диспропорционирование железа.
chairman_dissertation_council.name: Николай
chairman_dissertation_council.surname: Соболев
chairman_dissertation_council.patronymic: Владимирович
chairman_dissertation_council.position: главный научный сотрудник
chairman_dissertation_council.degree: Доктор геолого-минералогических наук
chairman_dissertation_council.rank: Академик
chairman_dissertation_council.wos_research_id: A-3850-2014
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 7102710400
chairman_dissertation_council.rinc_id: 61384
chairman_dissertation_council.url: https://www.igm.nsc.ru/index.php/component/comprofiler/userprofile/sobolev
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Николай
organization_supervisor.surname: Крук
organization_supervisor.patronymic: Николаевич
organization_supervisor.position: директор
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 38.41.19
rubrics.name: Оптические методы исследования минералов. Спектроскопия и люминесценция минералов
rubrics.code: 38.41.23
rubrics.name: Электронография и электронная микроскопия минералов
rubrics.code: 38.39.17
rubrics.name: Синтез и превращение минералов и горных пород
rubrics.code: 38.39.15
rubrics.name: Физико-химические исследования в минералообразующих системах
rubrics.code: 38.35.21
rubrics.name: Минералы
oecds.code: 01.05.KY
oecds.name: GEOLOGY
oecds.code: 01.05.LE
oecds.name: GEOSCIENCES, MULTIDISCIPLINARY
speciality_codes.name: Минералогия, кристаллография
speciality_codes.code: 25.00.05
supervisors.fio: Пальянов Ю.Н.
supervisors.scientific_degree: Доктор геолого-минералогических наук
supervisors.speciality_code: Минералогия, кристаллография
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Луканин О.А.
opponents.scientific_degree: Доктор геолого-минералогических наук
opponents.speciality_code: Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Перчук А.Л.
opponents.scientific_degree: Доктор геолого-минералогических наук
opponents.speciality_code: Петрология, вулканология
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Ширяев А.А.
opponents.scientific_degree: Доктор химических наук
opponents.speciality_code: Химия твердого тела
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И МИНЕРАЛОГИИ СО РАН; ИГМ СО РАН
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И МИНЕРАЛОГИИ ИМ. В.С. СОБОЛЕВА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
protection_organization.ogrn: 1065473055713
protection_organization.supervisor_name: НИКОЛАЙ
protection_organization.supervisor_surname: КРУК
protection_organization.supervisor_patronymic: НИКОЛАЕВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И МИНЕРАЛОГИИ СО РАН; ИГМ СО РАН
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И МИНЕРАЛОГИИ ИМ. В.С. СОБОЛЕВА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
author_organization.ogrn: 1065473055713
author_organization.supervisor_name: НИКОЛАЙ
author_organization.supervisor_surname: КРУК
author_organization.supervisor_patronymic: НИКОЛАЕВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения