Включение Джеффбенита Mg3Al2Si3O12 в супер

Научные отчеты, том 13, номер статьи: 83 (2023) Цитировать эту статью

849 Доступов

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье была опубликована 17 февраля 2023 г.

Эта статья обновлена

Джеффбенит (имеющий тот же химический состав, что и пироп, ~ Mg3Al2Si3O12, также известный как фаза TAPP) представляет собой минеральное включение, встречающееся только в алмазах, образовавшихся на глубине от 300 до 1000 км), и считается стабильной фазой в переходной зоне (410–1000 км). глубина 660 км) и/или в наиболее мелководных областях нижней мантии (глубина около 660–700 км). Этот редкий и загадочный минерал считается маркером давления сверхглубоких алмазов и поэтому играет ключевую роль в исследованиях сверхглубоких алмазов. Однако поля термобарической устойчивости джеффбенита Mg3Al2Si3O12 неизвестны, а реальные условия его образования остаются неизученными. Здесь мы определили термодинамическое поле стабильности давление-температура для магниевого концевого элемента из Джеффбенита и неожиданно обнаружили, что оно стабильно в условиях низкого давления-температуры, т.е. 2–4 ГПа при 800 и 500 °C. Таким образом, Джеффбенит Mg3Al2Si3O12 не является полиморфной модификацией пиропа высокого давления и, вероятно, представляет собой регрессивную фазу, образовавшуюся на поздних стадиях подъема сверхглубоких алмазов на поверхность.

Джеффбенит (идеальная формула Mg3Al2Si3O12) — редкий минерал, который до сих пор был обнаружен только в виде минерального включения в сверхглубоких алмазах1. Он был обнаружен в 19972 году3, и с тех пор его называют TAPP, аббревиатурой от «тетрагональной альмандиновой пироповой фазы» из-за его стехиометрии, которая совпадает со стехиометрией ряда пироп-альмандиновых гранатов. Однако кристаллическая структура Джеффбенита отличается от кристаллической структуры граната, поэтому гранат и Джеффбенит на самом деле являются полиморфами. В 2016 году TAPP наконец получил одобренное IMA название минерала — «джеффбенит» (IMA 2014–097)1 в честь Джеффри У. Харриса и Бена Харта, двух выдающихся экспертов в области исследования алмазов. С момента его первого открытия 26 лет назад в литературе сообщалось только о 23 природных Джеффбенитах, и 7 из них были идентифицированы только с помощью химического анализа; Еще два Джеффбенита, о которых сообщалось в литературе, являются синтетическими. Таким образом, только 16 природных включений Джеффбенита в сверхглубоких алмазах были идентифицированы методами рентгеновской дифракции и/или микрорамановской спектроскопии (см. Таблицу 1, в которой суммированы все Джеффбениты, о которых сообщалось на данный момент в литературе). Несмотря на свою редкость, включения Джеффбенита в алмазах считаются индикатором сверхглубинного происхождения вмещающих алмазов и поэтому являются важным минералом. Его сверхглубокое происхождение действительно хорошо признано в литературе, и сообщество исследователей алмазов обычно считает Джеффбенит минералом переходной зоны или нижней мантии1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ,13,14,15,16,17,18,19,20.

Однако, за исключением очень богатого Ti синтетического Джеффбенита11, в настоящее время не опубликовано никаких полей устойчивости Джеффбенита по давлению и температуре, и этот минерал остается геологической загадкой: (1) на какой глубине мантии фактически образуется Джеффбенит? (2) является ли Mg-конец Джеффбенита полиморфной модификацией пиропового граната, находящейся при более высоком или низком давлении?

Чтобы ответить на эти вопросы, здесь мы ограничим поле стабильности давление-температура чистого Джеффбенита Mg3Al2Si3O12. Поскольку в литературе отсутствуют термодинамические данные для Джеффбенита, мы вычисляем данные из первых принципов, на уровне гибридной теории Хартри-Фока/теории функционала плотности (HF/DFT), в пределах квазигармонического приближения и в рамках статистическая термодинамика. Это позволяет нам понять истинную природу конечного члена Джеффбенита из чистого магния.

Действительно, настоящая работа была вызвана не только необходимостью ограничить поле термобарической устойчивости для минерала, который считается характерным для сверхглубоких алмазов, но и тем, что уже в 19972 г. как TAPP) выявили несоответствия по объему и плотности по отношению к гранату. Подробно, природный Джеффбенит, открытый в 19972 г. (образец 244Б, по которому авторы уточнили кристаллическую структуру), имел приблизительный состав, равный [Mg2,64Фетот0,27(Ca + Na + Mn)0,08][Al1,85 Cr0,15 ][Si2.91Al0.09]O12 и Mg# [Mg/(Mg + Fe)] = 0,91; объем его элементарной ячейки составлял V = 774,35(± 0,77) Å3. Такой объем элементарной ячейки можно преобразовать в молярный объем, равный 11,657(± 0,012) Дж/бар. Сравнивая этот мольный объем с аналогичным по составу гранатом пироп-альмандинового ряда [Mg2,70Fe0,30]Al2Si3O12 и Mg# = 0,91 (см., например, табл. 3 работы 21), видно, что молярный объем Граната, равного 11,332(±0,001) Дж/бар, значительно меньше, чем у Джеффбенита.