Степень окисления мантии

Степень окисления мантии (окислительно-восстановительное состояние) применяет концепцию степени окисления в химии к изучению мантии Земли . Химическое понятие степени окисления относится главным образом к валентному состоянию одного элемента , тогда как мантийная степень окисления предусматривает степень уменьшения возрастающих валентных состояний всех многовалентных элементов в мантийных материалах, заключенных в замкнутую систему. Степень окисления мантии контролируется кислорода фугитивностью и может быть оценена с помощью определенных групп окислительно-восстановительных буферов .
Степень окисления мантии меняется из-за существования поливалентных элементов (элементов с более чем одним валентным состоянием, например Fe , Cr , V , Ti , Ce , Eu , C и других). Среди них наиболее распространенным является Fe (≈8 мас.% мантийного [ 2 ] ) и его степень окисления во многом отражает степень окисления мантии. Изучение валентного состояния других поливалентных элементов также может предоставить информацию о степени окисления мантии.
Хорошо известно, что степень окисления может влиять на при распределении . поведение элементов [ 3 ] [ 4 ] и жидкая вода [ 5 ] между расплавами и минералами, образование COH-содержащих флюидов и расплавов, [ 6 ] а также транспортные свойства, такие как электропроводность и ползучесть. [ 5 ]
Для образования алмаза требуется как достижение высоких давлений и высоких температур, так и источник углерода. Наиболее распространенным источником углерода в глубинах Земли не является элементарный углерод, и окислительно-восстановительные реакции в образовании алмаза должны участвовать . Исследование степени окисления может помочь нам предсказать PT-условия образования алмазов и выяснить происхождение глубоких алмазов. [ 7 ]
Термодинамическое описание степени окисления
[ редактировать ]кислорода Степень окисления мантии можно определить количественно как летучесть ( ) системы в рамках термодинамики . Более высокая фугитивность кислорода подразумевает более богатую кислородом и более окисленную среду. При каждом заданном давлении и температуре для любого соединения или элемента М, которое потенциально может окисляться кислородом. [ 8 ] [ 9 ]
Например, если М представляет собой Fe, окислительно-восстановительная равновесная реакция может быть Fe+1/2O 2 =FeO; если M представляет собой FeO, окислительно-восстановительная равновесная реакция может быть 2FeO+1/2O 2 =Fe 2 O 3 .
Таким образом, изменение энергии Гиббса , связанное с этой реакцией,
Вдоль каждой изотермы частичный вывод ΔG относительно P равен ΔV ,
. [ нужна ссылка ]
Объединив два приведенных выше уравнения,
.
Поэтому,
(обратите внимание, что в этой формуле ln (e в качестве основания) заменено на log (10 в качестве основания).
В закрытой системе может существовать более одной равновесной реакции окисления, но поскольку все эти реакции имеют одну и ту же , исследование одного из них позволило бы определить степень окисления системы.
Влияние давления на летучесть кислорода
[ редактировать ]Физика и химия мантии во многом зависят от давления . По мере сжатия мантийных минералов на определенных глубинах они превращаются в другие минералы. Сейсмические наблюдения за разрывами скоростей и экспериментальное моделирование фазовых границ подтвердили структурные преобразования внутри мантии. Таким образом, мантию можно разделить на три слоя с различным минеральным составом.
Мантийный слой | Глубина | Давление | Основные минералы |
---|---|---|---|
Верхняя мантия | ≈10–410 км | ≈1-13 ГПа | Оливин , Ортопироксен , Клинопироксен , Гранат |
Переходная зона | 410–660 км | 13-23 ГПа | Вадслеит , Рингвудит , Майоритовый гранат |
Нижняя мантия | 660–2891 км | 23-129 ГПа | Ферропериклаз , Бриджманит , Каперовскит |
Поскольку меняется минеральный состав мантии, меняется и минеральная среда, вмещающая поливалентные элементы. Для каждого слоя комбинация минералов, управляющая окислительно-восстановительными реакциями, уникальна и будет подробно обсуждаться ниже.
Верхняя мантия
[ редактировать ]На глубинах от 30 до 60 км летучесть кислорода в основном контролируется реакцией окисления оливин - ортопироксен - шпинель .
В более глубоких условиях верхней мантии оливин - ортопироксен - гранат кислородный барометр [ 11 ] — это окислительно-восстановительная реакция, которая используется для калибровки летучести кислорода.
В этой реакции 4 моля ионов железа окислились до ионов трехвалентного железа, а остальные 2 моля ионов железа остались неизмененными.
Переходная зона
[ редактировать ]Гранат-Гранат [ 12 ] Реакцию можно использовать для оценки окислительно-восстановительного состояния переходной зоны .

Недавнее исследование [ 12 ] показали, что летучесть перехода кислорода по реакции Гранат-Гранат составляет -0,26. до +3 относительно Fe-FeO (IW, железо - вютстит ) кислородного буфера .
Нижняя мантия
[ редактировать ]Диспропорционирование двухвалентного железа в условиях нижней мантии также влияет на степень окисления мантии. Эта реакция отличается от упомянутых выше реакций тем, что в ней не участвует свободный кислород.
FeO находится в форме ферропериклаза ( Fp ), а Fe 2 O 3 — в форме бриджманита ( Bdg ). Никакого изменения летучести кислорода, связанного с реакцией, не происходит. Однако, поскольку продукты реакции существенно различаются по плотности, фаза металлического железа может опуститься вниз к ядру Земли и отделиться от мантии. При этом мантия теряет металлическое железо и становится более окисленной.
Последствия для образования алмазов
[ редактировать ]
Равновесная реакция с участием алмаза:

.
Изучение летучести кислорода верхней мантии и перехода позволяет сравнить ее с условиями ( равновесная реакция, показанная выше), необходимыми для образования алмаза. Результаты показывают, что обычно на 2 единицы ниже, чем карбонат-углеродная реакция [ 12 ] что означает благоприятствование образованию алмаза в условиях переходной зоны.
Сообщалось также, что снижение pH также будет способствовать образованию алмаза в условиях мантии. [ 14 ]
где индекс aq означает «водный», подразумевая, что H 2 растворен в растворе.
Глубоководные алмазы стали важным окном в минералогию недр Земли . Минералы, нестабильные на поверхности, возможно, могут быть обнаружены во включениях сверхглубоких алмазов. [ 15 ] — подразумевая, что они были стабильны там, где кристаллизовались эти алмазы. Благодаря твердости алмазов среда высокого давления сохраняется даже после транспортировки на поверхность. К этим сверхглубоким минералам, принесенным алмазами, пока относятся рингвудит , [ 16 ] лед-VII , [ 17 ] кубический δ- N 2 [ 18 ] и каперовскит . [ 19 ]
См. также
[ редактировать ]- Метаморфизм сверхвысокого давления
- Полиморфизм (материаловедение)
- Таблица термодинамических уравнений
- Список степеней окисления элементов
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ширер, К.К.; Папайк, Джей-Джей; Карнер, Дж. М. (1 октября 2006 г.). «Оксибарометр валентности пироксена и европия: влияние состава пироксена, состава расплава и кинетики кристаллизации». Американский минералог . 91 (10): 1565–1573. Бибкод : 2006AmMin..91.1565S . дои : 10.2138/am.2006.2098 . ISSN 0003-004X . S2CID 2080884 .
- ^ Макдонаф, ВФ; Вс, С. -с. (1 марта 1995 г.). «Состав Земли». Химическая геология . Химическая эволюция мантии. 120 (3): 223–253. Бибкод : 1995ЧГео.120..223М . дои : 10.1016/0009-2541(94)00140-4 . ISSN 0009-2541 .
- ^ Фишер, Ребекка А.; Накадзима, Ёичи; Кэмпбелл, Эндрю Дж.; Фрост, Дэниел Дж.; Харрис, Деннис; Лангенхорст, Фалько; Миядзима, Нобуёси; Поллок, Килиан; Руби, Дэвид К. (15 октября 2015 г.). «Металло-силикатное разделение под высоким давлением Ni, Co, V, Cr, Si и O» . Акта геохимии и космохимии . 167 : 177–194. Бибкод : 2015GeCoA.167..177F . дои : 10.1016/j.gca.2015.06.026 . ISSN 0016-7037 .
- ^ Корнь, Александр; Кешав, Шантану; Вуд, Бернард Дж.; Макдонаф, Уильям Ф.; Фей, Инвэй (2008). «Металло-силикатное разделение и ограничения на состав ядра и летучесть кислорода во время аккреции Земли». Geochimica et Cosmochimica Acta . 72 (2): 574–589. Бибкод : 2008GeCoA..72..574C . дои : 10.1016/j.gca.2007.10.006 .
- ^ Перейти обратно: а б с Фрост, Дэниел Дж.; Маккаммон, Кэтрин А. (29 апреля 2008 г.). «Окислительно-восстановительное состояние мантии Земли». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 36 (1): 389–420. Бибкод : 2008AREPS..36..389F . doi : 10.1146/annurev.earth.36.031207.124322 . ISSN 0084-6597 .
- ^ Холлоуэй, Джон Р.; Бланк, Дженнифер Г. (31 декабря 1994 г.), «Глава 6. ПРИМЕНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ К ВИДАМ COH В ПРИРОДНЫХ РАСПЛАВАХ», Летучие вещества в магме , Де Грюйтер, стр. 187–230, doi : 10.1515/9781501509674-012 , ISBN 9781501509674
- ^ Лут, RW; Стачел, Т. (2015). «Образование алмаза — Где, когда и как?» . Литос . Полный (220–223): 200–220. Бибкод : 2015Litho.220..200S . дои : 10.1016/j.lithos.2015.01.028 . ISSN 0024-4937 .
- ^ Чжан, Х.Л.; Хиршманн, ММ; Коттрелл, Э.; Уизерс, AC (2017). «Влияние давления на соотношение Fe 3+ /ΣFe в основной магме и последствия для окислительно-восстановительных градиентов магматического океана» . Geochimica et Cosmochimica Acta . 204 : 83–103. Бибкод : 2017GeCoA.204...83Z . дои : 10.1016/j.gca.2017.01.023 . ISSN 0016-7037 .
- ^ Кэмпбелл, Эндрю Дж.; Дэниэлсон, Лиза; Райтер, Кевин; Сигл, Кристофер Т.; Ван, Янбинь; Прокопенко, Виталий Борисович (2009). «Влияние высокого давления на кислородные буферы фугитивности железа-оксида железа и оксида никеля-никеля». Письма о Земле и планетологии . 286 (3–4): 556–564. Бибкод : 2009E&PSL.286..556C . дои : 10.1016/j.epsl.2009.07.022 . ISSN 0012-821X .
- ^ Фрост, Дэниел Дж. (1 июня 2008 г.). «Верхняя мантия и переходная зона». Элементы . 4 (3): 171–176. дои : 10.2113/GSELEMENTS.4.3.171 . ISSN 1811-5209 . S2CID 129527426 .
- ^ Маккаммон, К.; Копылова, М.Г. (17 июля 2004 г.). «Окислительно-восстановительный профиль мантии Раба и контроль летучести кислорода в кратонной мантии». Вклад в минералогию и петрологию . 148 (1): 55–68. Бибкод : 2004CoMP..148...55M . дои : 10.1007/s00410-004-0583-1 . ISSN 0010-7999 . S2CID 54778255 .
- ^ Перейти обратно: а б с Кисеева Екатерина Сергеевна; Васюков Денис М.; Вуд, Бернард Дж.; Маккаммон, Кэтрин; Стачел, Томас; Быков, Максим; Быкова, Елена; Чумаков, Александр; Серантола, Валери (22 января 2018 г.). «Окисленное железо в гранатах мантийной переходной зоны» . Природа Геонауки . 11 (2): 144–147. Бибкод : 2018NightGe..11..144K дои : 10.1038/ s41561-017-0055-7 ISSN 1752-0894 . S2CID 23720021 .
- ^ Руби, Дэвид С.; Троннес, Рейдар Г.; Кэтрин А. Маккаммон; Лангенхорст, Фалько; Либске, Кристиан; Фрост, Дэниел Дж. (2004). «Экспериментальные доказательства существования богатого железом металла в нижней мантии Земли». Природа . 428 (6981): 409–412. Бибкод : 2004Natur.428..409F . дои : 10.1038/nature02413 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 15042086 . S2CID 32948214 .
- ^ Сверженский, Дмитрий А.; Хуан, Фан (3 ноября 2015 г.). «Алмазообразование из-за падения pH во время взаимодействия флюид-порода» . Природные коммуникации . 6 (1): 8702. Бибкод : 2015NatCo...6.8702S . дои : 10.1038/ncomms9702 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 4667645 . ПМИД 26529259 .
- ^ Чжу, Фэн; Ли, Цзе; Лю, Цзячао; Лай, Сяоцзин; Чен, Бин; Мэн, Юэ (18 февраля 2019 г.). «Кинетический контроль распределения сверхглубоких алмазов по глубине» . Письма о геофизических исследованиях . 46 (4): 1984–1992. Бибкод : 2019GeoRL..46.1984Z . дои : 10.1029/2018GL080740 . hdl : 2027.42/148362 .
- ^ Пирсон, Д.Г.; Бренкер, FE; Нестола, Ф.; Макнил, Дж.; Насдала, Л.; Хатчисон, Монтана; Матвеев С.; Мазер, К.; Сильверсмит, Г. (12 марта 2014 г.). «Переходная зона водной мантии обозначена рингвудитом, включенным в алмаз» (PDF) . Природа . 507 (7491): 221–224. Бибкод : 2014Natur.507..221P . дои : 10.1038/nature13080 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 24622201 . S2CID 205237822 .
- ^ Чаунер, О.; Хуанг, С.; Гринберг, Э.; Прокопенко В.Б.; Ма, К.; Россман, Греция; Шен, А.Х.; Чжан, Д.; Ньювилл, М. (9 марта 2018 г.). «Включения Ice-VII в алмазах: свидетельства наличия водной жидкости в глубокой мантии Земли» . Наука . 359 (6380): 1136–1139. Бибкод : 2018Sci...359.1136T . дои : 10.1126/science.aao3030 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 29590042 .
- ^ Навон, Одед; Вирт, Ричард; Шмидт, Кристиан; Джаблон, Брук Мэтат; Шрайбер, Аня; Эммануэль, Саймон (2017). «Твердые молекулярные включения азота ( δ -N 2 ) в алмазах Джуина: растворение в основании переходной зоны». Письма о Земле и планетологии . 464 : 237–247. Бибкод : 2017E&PSL.464..237N . дои : 10.1016/j.epsl.2017.01.035 .
- ^ Нестола, Ф.; Королев Н.; Копылова М.; Ротироти, Н.; Пирсон, Д.Г.; Памато, Миннесота; Альваро, М.; Перуццо, Л.; Герни, Джей Джей (07 марта 2018 г.). «Перовскит CaSiO3 в алмазе указывает на переработку океанической коры в нижнюю мантию» . Природа 555 (7695): 237–241. Бибкод : 2018Nature.555..237N . дои : 10.1038/nature25972 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 29516998 . S2CID 3763653 .