Экспериментальное моделирование процесса образования самородных металлов (Fe) в земной коре в восстановительных условиях

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты экспериментального моделирования процесса образования самородного Fe в земной коре при взаимодействии базальтовых расплавов с флюидом (H2, H2+CH4) при температурах 1100–1250°C, давлениях флюида 1–100 МПа в сильно восстановительных условия – fO2 = 10−12–10−14 бар. Эксперименты проведены с использованием установки высокого газового давления, снабженной уникальным устройством, которое обеспечивает проведение длительных экспериментов при высоких температурах и давлениях восстановительного флюида. В опытах использованы природные образцы магматических пород: магнезиальный базальт северного прорыва вулкана Толбачик (Камчатка), а также этот магнезиальный базальт, обогащенный оксидами никеля и кобальта. На основе экспериментального моделирования установлены следующие особенности процесса взаимодействия восстановительного флюида с базальтовыми расплавами. 1. Несмотря на высокий восстановительный потенциал системы H2 или смеси (H2+CH4) – магматический расплав, реакции окисления водорода и полного восстановления оксидов металлов переменной валентности в расплаве не идут до конца. Прекращение окислительно-восстановительных реакций в базальтовом расплаве происходит за счет образования в расплаве H2O, буферирующей восстановительный потенциал водорода или смеси (H2+CH4). 2. Первоначально гомогенный магматический расплав становится гетерогенным: образовавшаяся Н2О растворяется в расплаве и частично во флюидной фазе, при этом образуются расплавы более кислого состава и мелкие металлические обособления ликвационной структуры. 3. Процесс металл-силикатной ликвации в магматических расплавах при их взаимодействии с восстановительным флюидом может осуществляется при реальных температурах магм в природе (≤1250°C), значительно меньших соответствующих температур плавления железа и его сплавов с никелем и кобальтом. 4. Углерод, который образуется в опытах за счет пиролиза СН4, растворяется в металлической фазе. Тем самым экспериментально обоснован механизм, ответственный за присутствие углерода в самородном железе в природе. 5. Структура и размеры экспериментально установленных металлических обособлений хорошо согласуются с природными данными о находках самородных металлов, прежде всего железа и его сплавов с никелем и кобальтом, в магматических породах различного состава и генезиса.

Об авторах

Э. С. Персиков

Институт экспериментальной минералогии им. Д.С. Коржинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: persikov@iem.ac.ru
Черноголовка, Московская обл., Россия

П. Г. Бухтияров

Институт экспериментальной минералогии им. Д.С. Коржинского РАН

Email: pavel@iem.ac.ru
Черноголовка, Московская обл., Россия

Л. Я. Аранович

Институт экспериментальной минералогии им. Д.С. Коржинского РАН; Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН

Email: lyaranov@igem.ru
Черноголовка, Московская обл., Россия; Москва, Россия

О. Ю. Шапошникова

Институт экспериментальной минералогии им. Д.С. Коржинского РАН

Email: zakrev@iem.ac.ru
Черноголовка, Московская обл., Россия

А. Н. Некрасов

Институт экспериментальной минералогии им. Д.С. Коржинского РАН

Email: alex@iem.ac.ru
Черноголовка, Московская обл., Россия

Список литературы

  1. Аранович Л.Я. Флюидно-минеральные равновесия и термодинамические свойства смешения флюидных систем // Петрология. 2013. Т. 21. С. 588–599.
  2. Аранович Л.Я., Персиков Э.С., Бухтияров П.Г. и др. Некоторые особенности процесса взаимодействия железа с метаном при температуре 900°C и давлении 100 МПа // Докл. АН. Науки о Земле. 2023. Т. 512. С. 60–65. https://doi.org/10.31857/S2686739723600996
  3. Баженов И.К., Индукаев Ю.В., Яхно А.В. Самородное железо в габбро-долеритах р. Курейки (Красноярский край) // Зап. ВМО. 1959. Ч. 88. Вып. 2. С. 180–184.
  4. Большое трещинное Толбачинское извержение (1975–1976 гг., Камчатка). М.: Наука, 1984. 637 с.
  5. Борисов А.А. Форма выделений металлического железа в экспериментальных стеклах: не верь глазам своим? // Петрология. 2021. Т. 29. С. 104–109.
  6. Галактионова Н.В. Водород в металлах. М.: Металлургия, 1967. 303 с.
  7. Данилов М.А., Юшкин Н.П. Первая находка олигоценовой лавы с самородным железом на севере Русской платформы // Докл. АН СССР. 1979. Т. 249. № 6. С. 1430–1432.
  8. Куровская Н.А., Луканин О.А., Игнатьев Ю.А. и др. Влияние летучести водорода на растворимость и формы нахождения N-C-H-O летучих в базальтовых расплавах при 1.5 ГПа и 1400°С // Тр. ВЕСЭМПГ. 2018. С. 121–124.
  9. Левашов В.К., Томшин М.Д., Глушков В.М. Новое местонахождение самородного железа на Сибирской платформе // Самородное металлообразование в магматическом процессе. Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1991. С. 4–9.
  10. Олейников Б.В., Округин А.В., Томшин М.Д. и др. Самородное металлообразование в платформенных базитах. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1985. 124 с.
  11. Персиков Э.С., Бухтияров П.Г., Польской С.Ф., Чехмир А.С. Взаимодействие водорода с магматическими расплавами. Эксперимент в решении актуальных задач геологии. М.: Наука, 1986. С. 48–70.
  12. Попель С.И., Сотников А.И., Бороненков В.Н. Теория металлургических процессов. М.: Металлургия, 1989. 287 с.
  13. Рябов В.В., Павлов А.Л., Лопатин Г.Г. Самородное железо сибирских траппов. Новосибирск: Наука СО РАН, 1985. 167 с.
  14. Томшин М.Д., Салихов Р.Ф., Матушкин А.И. и др. Самородное железо в долеритах Айхальского силла (первая находка в Якутии) // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2019. Т. 24. № 9. С. 50–63.
  15. Томшин М.Д., Копылова А.Г., Васильева А.Е. Самородное железо в траппах Сибири // Петрология. 2023. Т. 31. № 2. С. 202–216.
  16. Шаповалов А.Н. Теория металлургических процессов. Новотроицк: Изд-во НФ НИТУ «МИСиС», 2015. 91 с.
  17. Aranovich L.Y., Persikov E.S., Bukhtiyarov P.G., Bondarenko G.S. Interaction of Fe3C with hydrogen: on the compatibility of carbon with hydrogen in metallic iron // Petrology. 2021. V. 29. P. 695–701. https://doi.org/10.1134/S0869591121060072
  18. Aranovich L.Y., Persikov E.S., Bukhtiyarov P.G. et al. Origin of the Earth’s first felsic crust: A hydrogen perspective? // Petrology. 2025. V. 33. no 1. P. 62–71. https://doi.org/10.1134/S0869591124700279
  19. Barin I. Thermochemical data of pure substances. Third Edition. VCH Publishers, Inc., 1995. 1885 p.
  20. Bird J.M., Goodrick C.A., Weathers M.S. Petrogenesis of Uivfaq Iron, Disko Island, Greenland // J. Geophys. Res. 1981. V. 86. no 12. P. 11787–11806.
  21. Churakov S.V., Gottschalk M. Perturbation theory based equation of state for polar molecular fluids: I. Pure fluids // Geochim. Cosmochim. Acta. 2003. V. 67. P. 2397–2414.
  22. Chipman J. Thermodynamics and phase diagram of the Fe-C system // Metallurgical Transactions. V. 3. 1972. P. 55–64.
  23. Doan A.S., Goldstein J.I. The ternary phase diagram, Fe-Ni-P // Metallurgical Transactions. 1970. V. 1. no 6. P. 1759–1767. https://doi.org/10.1007/bf02642026
  24. Idalou C., Hirschmann M.M., Jacobsen S.D., Le Losq С. Raman spectroscopy study of C-O-H-N speciation in reduced basaltic glasses: Implications for reduced planetary mantles // Geochim. Cosmochim. Acta. 2019. V. 265. P. 32–47.
  25. Iacovino K., Matthews S., Wieser P.E. et al. VESIcal Part I: An open-source thermodynamic model engine for mixed volatile (H2O-CO2) solubility in silicate melts // Earth Space Sci. 2021. V. 8. e2020EA001584. https://doi.org/10.1029/2020EA001584
  26. Howarth G.H., Day J.M.D., Pernet-Fisher J.F. et al. Precious metal enrichment at low-redox in terrestrial native Fe-bearing basalts investigated using laser-ablation ICP-MS // Geochim. Cosmochim. Acta. 2017. V. 203. P. 343–363.
  27. Kadik A.A., Koltashev V.V., Kryukova E.B. et al. Solubility of nitrogen, carbon, and hydrogen in FeO-Na2O-Al2O3-SiO2 melt and liquid iron alloy: influence of oxygen fugacity // Geochem. Int. 2015. V. 53. no 10. P. 849–868.
  28. Kadik A.A., Kurovskaya N.A., Lukanin O.A. et al. Formation of N-С-О-Н molecules and complexes in the basalt–basaltic andesite melts at 1.5 GPa and 1400°C in the presence of liquid iron alloys // Geochem. Int. 2017. V. 55. no 2. P. 151–162.
  29. Kamenetsky V.S., Charlier B., Zhitova L. et al. Magma chamber-scale liquid immiscibility in the Siberian Traps represented by melt pools in native iron // Geology. 2013. V. 41. no 10. P. 1091–1094. https://doi.org/10.1130/G34638.1
  30. Luth R.W., Mysen B.O., Virgo D. Raman spectroscopic study of the solubility behavior of H2 in the system Na2O-Al2O3-SiO2-H2 // Amer. Mineral. 1987. P. 481–486.
  31. Melson W.G., Switzer C. Plagioclase-spinel-graphite xenoliths in metallic iron-bearing basalts, Disko Island, Greenland // Amer. Mineral. 1966. V. 51. no 5–6. P. 664–676.
  32. Mysen B.O. Relation between structure, redox equilibria of iron, and properties of magmatic liquids // Physical Chemistry of Magmas. Springer–Verlag. 1991. P. 41–98.
  33. Pedersen A.K. Basaltic glass with high-temperature equilibrated immiscible sulphide bodies with native iron from Disko, Central West Greenland // Contrib. Mineral. Petrol. 1979. V. 69. no 4. P. 397–407.
  34. Persikov E.S., Zharikov V.A., Bukhtiyarov P.G., Pol’skoy S.F. The effect of volatiles on the properties of magmatic melts // Europ. J. Mineral. 1990. P. 621–642.
  35. Persikov E.S., Bukhtiyarov P.G., Aranovich L.Y. et al. Experimental modeling of formation of native metals (Fe, Ni, Co) in the earth’s crust by the interaction of hydrogen with basaltic melts // Geohem. Int. 2019. V. 57. P. 1035–1044.
  36. Persikov E.S., Bukhtiyarov P.G., Aranovich L.Y., Shchekleina M.D. Features of hydrogen interaction with basaltic melts at pressures 10–100 MPa and temperatures 1100–1250°C // Chem. Geol. 2020. V. 556. P. 116–119. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2020.119829
  37. Ramdohr P. Ne Neüee Beobachtugenam Bühleisen. Sittr.–Ber. Berliner Akad. Wiss., Math-nat. 1952. no 5. S. 9–24.
  38. Sugimoto H., Fukai Y. Solubility of hydrogen in metals under high hydrogen pressures: thermodynamical calculations // Acta Metallurgica et Materialia. 1992. P. 2327–2336.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

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».