The Formation of K-Cymrite in Subduction Zones and its Potential in the Transport of Potassium, Water and Nitrogen into the Mantle

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The conditions for the formation of K-cymrite in volatile-rich pelite and partially devolatilized quartz–muscovite–chlorite schist were experimentally investigated at pressures of 5.5, 6.3, and 7.8 GPa and temperatures ranging from 900 to 1090°C. The experimental samples at these P-T conditions formed an eclogite-like assemblage of solid phases (Grt + Coe + Phe + Cpx + Ky, with accessory Po + Ru + Zrn ± Mnz) and water-enriched supercritical fluid-melt. Analysis of the obtained data indicates that the stability of phengite and its potential replacement by K-cymrite in the eclogite-like residue depends on the P-T conditions and the amount of volatiles in the metasediment. In samples of volatile-rich pelite and schist at 5.5 GPa and 900°C, as well as at 6.3 GPa and 1000°C, phengite remains stable in equilibrium with the fluid-melt (3–13 wt%). For the first time, phase assemblage with phengite and K-cymrite (± kokchetavite) was identified using Raman mapping in samples of pelite and schist obtained at 7.8 GPa and 1070°C. It was concluded that the most effective transport of volatiles (primarily water) in the metasediment to depths exceeding 240 km may occur during its partial and early (before the formation of supercritical fluid-melt) devolatilization. In this case, almost all phengite may reach depths of 240 km during subduction of the metasediment and then transform into water-bearing K-cymrite. Furthermore, in the presence of nitrogen in the metasediment, nitrogen-bearing K-cymrite can facilitate the further transport of LILE (large-ion lithophile elements), water, and nitrogen. However, the formation of a significant portion of supercritical fluid-melt leads to the complete dissolution of phengite with increasing P-T parameters, making further transport of LILE, water, and nitrogen impossible. During deep multi-stage devolatilization, phengite remains stable up to depths of 240 km; however, during further subduction, it likely transforms into an anhydrous mineral such as K-hollandite.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. G. Sokol

V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: sokola@igm.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk

A. V. Korsakov

V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: korsakov@igm.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk

A. N. Kruk

V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: krukan@igm.nsc.ru
Russian Federation, Novosibirsk

References

  1. Карпенко Ю.В., Паутов Л.А., Агаханов А.А., Хворов П.В. (2001). О содержании азота в сланцах хребта Мань-Хамбо (С. Урал). Уральский минералогический сборник. Миасс: ИМин УрО РАН, с. 80–87.
  2. Корсаков А.В., Михайленко Д.С., Серебрянников А.О., Логвинова А.М., Гладкочуб Д.П. (2024). Включение кокчетавита в кристалле алмаза из Венесуэлы ‒ свидетельство субдукции материала континентальной коры. ДАН. 515(7), 133–141.
  3. Перчук А.Л., Сердюк А.А., Зиновьева Н.Г., Шур М.Ю. (2020). Плавление и минеральные парагенезисы глобального субдукционного осадка, обогащенного водой, в условиях закрытой и открытой системе: эксперимент и термодинамическое моделирование. Геология и геофизика. 61(5), 701–724.
  4. Рябчиков И.Д., Орлова Г.П., Каленчук Г.Ю., Ганеев И.И., Удовкина Н.Г., Носик Л.П. (1989). Взаимодействие шипнелевого лерцолита с водно-углекислым флюидом при 20 кбар и 900 °С. Геохимия. (3), 56–62.
  5. Сокол А.Г., Крук А.Н., Козьменко О.А. Пальянов Ю.Н. (2023а). Стабильность карбонатов при субдукции: влияние режима дефлюидизации хлорсодержащего метапелита. ДАН. 509(3), 50–55.
  6. Сокол A.Г., Козьменко О.А., Крук А.Н., Нечепуренко С.Ф. (2023б). Состав флюида в карбонат- и хлорсодержащем пелите вблизи второй критической точки: результаты экспериментов с применением методики алмазной ловушки. Геология и геофизика. (8), 1106–1120.
  7. Bebout G.E., Fogel M.L. Cartigny, P. (2013). Nitrogen: Highly volatile yet surprisingly compatible. Elements, 9(5), 333–338.
  8. Chapman, T., Clarke, G.L., Daczko, N.R. (2019). The role of buoyancy in the fate of ultra-high-pressure eclogite. Sci. Reports. 9(1), 1–9.
  9. Domanik K.J., Holloway J.R. (1996). The stability and composition of phengitic muscovite and associated phases from 5.5 to 11 GPa: implications for deeply subducted sediments. Geochim. Cosmochim. Acta. 60 (21), 4133–4150.
  10. Grassi D., Schmidt M.W. (2011). The melting of carbonated pelites from 70 to 700 km depth. J. Petrol. 52 (4), 765–789.
  11. Harlow G.E., Davies R. (2004). Status report on stability of K-rich phases at mantle conditions. Lithos. 77 (1–4), 647–653.
  12. Hermann J., Green D.H. (2001). Experimental constraints on high pressure melting in subducted crust. Earth Planet. Sci. Lett. 188 (1–2), 149–168.
  13. Hermann J., Spandler C.J. (2008). Sediment melts at sub-arc depths: an experimental study. J. Petrol. 49 (4), 717–740.
  14. Hermann J., Zheng Y.F., Rubatto D. (2013). Deep fluids in subducted continental crust. Elements. 9 (4), 281–287.
  15. Hwang S.L., Shen P., Chu H.T., Yui T.F., Liou J.G., Sobolev N.V., Zhang R.-Y., Shatsky V.S., Zayachkovsky A.A. (2004). Kokchetavite: a new potassium-feldspar polymorph from the Kokchetav ultrahigh-pressure terrane. Contrib. Mineral. Petrol. 148, 380–389.
  16. Irifune T., Ringwood A.E., Hibberson W.O. (1994). Subduction of continental crust and terrigenous and pelagic sediments — An experimental study. Earth Planet. Sci. Lett. 126, 351–368.
  17. Johnson M.C., Plank T. (1999). Dehydration and melting experiments constrain the fate of subducted sediments. Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 1 (12).
  18. Konzett J., Ulmer P. (1999). The stability of hydrous potassic phases in lherzolite mantle — An experimental study to 9.5 GPa in simplified and natural bulk compositions. J. Petrology. 40, 629–652.
  19. Korsakov A.V., Romanenko A.V., Sokol A.G., Musiyachenko K.A. (2023). Raman spectroscopic study of the transformation of nitrogen‐bearing K‐cymrite during heating experiments: Origin of kokchetavite in high‐pressure metamorphic rocks. Journal of Raman Spectroscopy, 54(11), 1183–1190.
  20. Kupriyanov I.N., Sokol A.G., Seryotkin Y.V., Kruk A.N., Tomilenko A.A., Bul’bak T.A. (2023). Nitrogen fractionation in mica metapelite under hot subduction conditions: Implications for nitrogen ingassing to the mantle. Chemical Geology, 628, 121476.
  21. Massonne, H.J. (2011). Phase relations of siliceous marbles at ultrahigh pressure based on thermodynamic calculations: examples from the Kokchetav Massif, Kazakhstan and the Sulu terrane. China. Geol. J. 46 (2–3), 114–125.
  22. Mikhno A.O., Schmidt U., Korsakov A.V. (2013). Origin of K-cymrite and kokchetavite in the polyphase mineral inclusions from Kokchetav UHP calc-silicate rocks: evidence from confocal Raman imaging. Eur. J. Mineral. 25 (5), 807–816.
  23. Ono S. (1998). Stability limits of hydrous minerals in sediment and mid-ocean ridge basalt compositions: Implications for water transport in subduction zones. J. Geophys. Res. 103: 18253–18267.
  24. Palyanov Y.N., Kupriyanov I.N., Khokhryakov A.F., Borzdov Y.M. (2017). High-pressure crystallization and proper- ties of diamond from magnesium-based catalysts. CrystEngComm. 19, 4459–4475.
  25. Plank T. (2014). The chemical composition of subducting sediments. in: Holland HD, Turekian KK (Eds) Treatise on Geochemistry, Elsevier, Amsterdam, 607–629.
  26. Plank T., Manning C.E. (2019). Subducting carbon. Nature. 574 (7778), 343–352.
  27. Romanenko A.V., Rashchenko S.V., Sokol A.G., Korsakov A.V., Seryotkin Y.V., Glazyrin K.V., Musiyachenko K. (2021). Crystal structures of K-cymrite and kokchetavite from single-crystal X-ray diffraction. Am. Mineral. 106 (3), 404–409.
  28. Romanenko A.V., Rashchenko S.V., Glazyrin K.V., Korsakov A.V., Sokol A.G., Kokh K.A. (2024). Compressibility and pressure-induced structural evolution of kokchetavite, hexagonal polymorph of KAlSi3O8, by single-crystal X-ray diffraction. Am. Mineral. 109 (7), 1284–1291
  29. Schmidt M.W., Vielzeuf D., Auzanneau E. (2004). Melting and dissolution of subducting crust at high pressures: the key role of white mica. Earth Planet. Sci. Lett. 228 (1–2), 65–84.
  30. Schmidt M., Poli S. (2014). Devolatilization during subduction. Treatise on Geochemistry. Elsevier, p. 669—701.
  31. Sokol A.G., Kupriyanov I.N., Seryotkin Y.V., Sokol E.V., Kruk A.N., Tomilenko A.A., Bul’bak T.A., Palyanov Y.N. (2020). Cymrite as mineral clathrate: An overlooked redox insensitive transporter of nitrogen in the mantle. Gondwana Res. 79, p. 70—86.
  32. Sokol A.G., Kupriyanov I.N., Kotsuba D.A., Korsakov A.V., Sokol E.V., Kruk A.N. (2023a). Nitrogen storage capacity of phengitic muscovite and K-cymrite under the conditions of hot subduction and ultra high-pressure metamorphism. Geochim. Cosmochim. Acta, 355, 89–109.
  33. Sokol A.G., Kozmenko O.A., Kruk A.N. (2023b). Composition of supercritical fluid in carbonate-and chlorine-bearing pelite at conditions of subduction zones. Contrib. Mineral. Petrol. 178(12), 90.
  34. Sokol A.G., Kozmenko O.A., Kruk A.N., Skuzovatov S.Y., Kiseleva, D.V. (2024). Trace-element mobility in pelite-derived supercritical fluid-melt at subduction-zone conditions. Contrib. Mineral. Petrol. 179(5), 1–18.
  35. Sokol E., Kokh S., Kozmenko O, Novikova S., Khvorov P., Nigmatulina E., Belogub E., Kirillov M. (2018). Mineralogy and geochemistry of mud volcanic ejecta: a new look at old issues. Minerals. 8 (8), 344.
  36. Sudo A., Tatsumi Y. (1990). Phlogopite and K-amphibole in the upper mantle: Implication for magma genesis in subduction zones. Geophys. Res. Lett. 17, 29–32.
  37. Trønnes R.G. (2002). Stability range and decomposition of potassic richterite and phlogopite end members at 5–15 GPa. Mineral. Petrol. 74, 129–148.
  38. Ulmer P., Trommsdorff V. (1995). Serpentine stability to mantle depths and subduction-related magmatism. Science. 268(5212), 858–861.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. P-T conditions of experiments, phase composition of the obtained samples and available data on the conditions of formation of potassium-bearing phases of high pressure - potential minerals of LILE concentrators, water and nitrogen in simplified water-bearing systems based on potassium feldspar, as well as multicomponent pelitic and granitic systems. Hexagons with red sectors show the phase composition of samples with schist, hexagons with blue sectors with pelite (shaded and unshaded sectors denote presence and absence of phase, respectively). In the hexagon with blue sectors, the pink coloured sector indicates the presence of only single phengite grains. DH04 - Harlow and Davies, (2004); S04 - Schmidt et al. (2004); Ch19 - Chapman et al. (2019). The stability boundary of K-cymrite (K-Cym) in the pelitic system is given from our data. The designations of the major phases are given in Table 2. K-Wad - potassic vadeite, K-Hol - potassic hollandite, Sti - stishovite, Crn - corundum. The composition of supercritical fluid-melt (SCFM), in the presence of which K-kimrite is formed in the pelitic system, is estimated on the basis of the data of Sokol et al. (2023b)

Download (214KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. BSE images of pelite (a, b) and shale (c) samples after the experiments. a - obr. 1103_4_7 (7.8 GPa, 1090°C); b - obr. 2176_2_1 (7.8 GPa, 1090°C); c - obr. 2077_2_3 (7.8 GPa, 1070°C). The phase designations are given in Table 2

Download (534KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Representative compositions of garnet (a), clinopyroxene (b) and phengite (c) from samples with pelite and shale after experiments. The figures with orange dashed line show the specificity of the change of garnet composition with increasing temperature (a) and clinopyroxene composition with increasing pressure (b) in the GLOSS system according to the data (Hermann and Spandler, 2008)

Download (153KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Changes in the phase composition of pelite (a) and shale (b) samples with increasing P-T parameters along the hot subduction geotherm

Download (154KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Photograph of the phases synthesised in experiment 2077_2_3 (a), CR map (b) and individual CR spectra (c) of the diagnosed minerals. The colours on the CR map and the colours of the individual spectra are identical. Epoxy = epoxy resin, Rutile = rutile, K-cym = K-cymrite, Mica = mica, Coe = coesite

Download (251KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Photograph of the phases synthesised in experiment 2077_2_1 (a), CR map (b) and individual CR spectra (c) of the diagnosed minerals. The colours on the CR map and the colours of the individual spectra are identical. Grt = garnet, Gr = graphite, Coe = coesite, K-cym = K-cymrite, Kok = cocchetavite, Dia = diamond (traces of diamond paste), Xen = xenotime, Ky = kyanite

Download (329KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».