Jump to content

Степень окисления мантии

Диапазон фугитивности кислорода, в котором доминируют общие катионные пары. Данные для построения графика взяты из Shearer et al. , (2006). [ 1 ] IW представляет собой железо - вюститовый буфер , а QFM представляет собой кварц - фаялит - магнетитовый буфер .

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.

Минеральный состав мантии [ 10 ]
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 .

Гранат, основной минерал переходной зоны, контролирует там степень окисления.

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.

, [ 5 ] [ 13 ]

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 ]
Алмаз образовался в недрах Земли

Равновесная реакция с участием алмаза:

Углеродный цикл с участием глубокой Земли

.

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 ]
  1. ^ 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 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: db7063e8f59ce6c503896684bae54cc2__1715793720
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/db/c2/db7063e8f59ce6c503896684bae54cc2.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Mantle oxidation state - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)