Научная тема: «УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ КАРБОНАТОВ И МЕХАНИЗМ МИГРАЦИИ КАРБОНАТНЫХ РАСПЛАВОВ В МАНТИИ ЗЕМЛИ»
Специальность: 25.00.05
Год: 2014
Отрасль науки: Геолого-минералогические науки
Основные научные положения, сформулированные автором на основании проведенных исследований:
  1. Системы K2CO3-CaCO3, Na2CO3-CaCO3, K2CO3-MgCO3, Na2CO3- MgCO3, K2CO3-FeCO3 и Na2CO3-FeCO3 при 6.0±0.5 ГПа и 900-1300 °С характеризуются наличием промежуточных соединений (двойных карбонатов): K6Ca2(CO3)5, Na4Ca(CO3)3, K2Ca(CO3)2, K2Mg(CO3)2, Na2Mg(CO3)2, K2Fe(CO3)2, Na2Fe(CO3)2, K2Ca3(CO3)4, Na2Ca3(CO3)4 и Na2Ca4(CO3)5. Число промежуточных соединений в данных системах возрастает с уменьшением температуры, увеличением давления (от 0.1 до 6 ГПа), а также при смене катионного состава от Fe и Mg к Ca. Двойные карбонаты являются потенциальными концентраторами K, Na и С в мантии на глубинах 180-210 км при температурах не превышающих 1200-1300 °С, что соответствует значениям теплового потока 35-40 мВт/м2.
  2. В системах K2CO3-MgCO3-CaCO3 и Na2CO3-MgCO3-CaCO3 при 6.0±0.5 ГПа частичное плавление происходит при температурах на 100-200 °С ниже континентальной геотермы. В К-содержащей системе плавление субсолидусной ассоциации магнезит + арагонит + K2Ca0.1Mg0.9(CO3)2 реализуется при 1000 °С и сопровождается образованием К-Ca-доломитового расплава [36K2CO3·64(Ca0.65Mg0.35)CO3]. В Na-содержащей системе плавление субсолидусной ассоциации магнезит + Na2(Ca0.9Mg0.1)4(CO3)5 + Na2Ca0.1Mg0.9(CO3)2 происходит при 1050 °С и сопровождается образованием Na-Ca-доломитового расплава [48Na2CO3·52(Ca0.63Mg0.37)CO3]. Эти закономерности определяют возможность частичного плавления мантийного вещества и образование высоко-щелочных карбонатных расплавов в основании кратонов на глубинах 180-210 км.
  3. Коэффициенты диффузии Mg2SiO4 в расплаве [K2Mg(CO3)2 + 17-26 мас% Mg2SiO4] при 16.5 ГПа и 1600-1700 °С (480 км) и MgSiO3 в расплаве [K2Mg(CO3)2×2H2O + 32-47 мас% MgSiO3] при 24 ГПа и 1500-1700 °С (670 км) составляют (2.0-2.4)×10-9 и (3.9-5.6)×10-9 м2/с, соответственно. Эти значения на 10-12 порядков превышают коэффициенты диффузии Si в породообразующих мантийных минералах. Пластическое течение пород без расплава лимитируется твердофазной диффузией Si, а в присутствии расплава контролируется диффузией через межзерновой карбонатный расплав, что на несколько порядков понижает вязкость мантийных пород и, как следствие, может повышать скорость подъема восходящих мантийных потоков, в том числе термохимических плюмов.
  4. На глубинах свыше 150 км миграция включений карбонатного расплава через мантийные породы реализуется путем растворения силиката на фронте движения, диффузии растворенного силиката через расплав и его кристаллизации. Основной движущей силой, Ац, данного процесса является градиент механических напряжений в конвективной мантии, достигающий 0.1-10 МПа, что соответствует значениям Л/л = 1-100 Дж/мол. При данных значениях движущей силы скорости миграции включений карбонатного расплава составляют 10_1-102 м/год, что достаточно для быстрой сегрегации дисперсных включений карбонатных расплавов в апикальных частях мантийных плюмов.
Список опубликованных работ
Статьи в журналах по перечню Web of Science и ВАК

1. Shatskiy A., Borzdov Y.M., Litasov K.D., Kupriyanov I.N., Ohtani E. and Palyanov Y.N. Phase relations in the system FeCO3-CaCO3 at 6 GPa and 900-1700 °C and its relation to the system CaCO3-FeCO3-MgCO3 // American Mineralogist. -2014f. - V. 99. - P. 773-785.

2. Litasov K.D., Shatskiy A. and Ohtani E. Melting and subsolidus phase relations in peridotite and eclogite systems with reduced C-O-H fluid at 3-16 GPa // Earth and Planetary Science Letters. - 2014. - V. 391. - P. 87-99.

3. Zedgenizov D.A., Shatskiy A., Ragozin A.L., Kagi H. and Shatsky V.S. Merwinite in diamond from São Luis, Brazil: A new mineral of the Ca-rich mantle environment // American Mineralogist. - 2014. - V. 99. - P. 547-550.

4. Shatskiy A., Sharygin I.S., Gavryushkin P.N., Litasov K.D., Borzdov Y.M., Shcherbakova A.V., Higo Y., Funakoshi K., Palyanov Y.N. and Ohtani E. The system K2CO3-MgCO3 at 6 GPa and 900-1450 ºC // American Mineralogist. -2013a. - V. 98. - P. 1593-1603.

5. Shatskiy A., Gavryushkin P.N., Sharygin I.S., Litasov K.D., Kupriyanov I.N., Higo Y., Borzdov Y.M., Funakoshi K., Palyanov Y.N. and Ohtani E. Melting and subsolidus phase relations in the system Na2CO3-MgCO3+-H2O at 6 GPa and the stability of Na2Mg(CO3)2 in the upper mantle // American Mineralogist. - 2013b. -V. 98. - P. 2172-2182.

6. Shatskiy A., Sharygin I.S., Litasov K.D., Borzdov Y.M., Palyanov Y.N. and Ohtani E. New experimental data on phase relations for the system Na2CO3-CaCO3 at 6 GPa and 900-1400 ºC // American Mineralogist. - 2013c. - V. 98. - P. 2164-2171.

7. Litasov K.D., Shatskiy A., Gavryushkin P.N., Sharygin I.S., Dorogokupets P.I., Dymshits A.M., Ohtani E., Higo Y. and Funakoshi K. P-V-T equation of state of siderite to 33 GPa and 1673 K // Physics of the Earth and Planetary Interiors. -2013. - V. 224. - P. 83-87.

8. Litasov K.D., Shatskiy A., Ohtani E. and Yaxley G.M. The solidus of alkaline carbonatite in the deep mantle // Geology. - 2013. - V. 41. - P. 79-82.

9. Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Овчинников С.Г., Попов З.И., Пономарев Д.С. and Отани Е. Фазовые превращения нитридов железа Fe3N-Fe4N при давлении до 30 ГПа, исследованные методом in situ рентгеновской дифрактометрии // Письма в ЖЭТФ. - 2013. - Т. 98. - С. 907-911.

10. Shatskiy A., Litasov K.D., Borzdov Y.M., Katsura T., Yamazaki D. and Ohtani E. Silicate diffusion in alkali-carbonatite and hydrous melts at 16.5 and 24 GPa: Implication for the melt transport by dissolution-precipitation in the transition zone and uppermost lower mantle // Physics of the Earth and Planetary Interiors. -2013d. - V. 225. - P. 1-11.

11. Шарыгин И.С., Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Головин А.В., Отани Е. And Похиленко Н.П. Экспериментальное исследование плавления кимберлита трубки Удачная-восточная при 3–6.5 ГПа и 900–1500 оС // Доклады академии наук. - 2013. - Т. 448. - С. 452-457.

12. Добрецов Н.Л. и Шацкий А.Ф. Глубинный цикл углерода и глубинная геодинамика : роль ядра и карбонатитовых расплавов в нижней мантии // Геология и Геофизика. - 2012. - Т. 53. - С. 1455-1475.

13. Yoneda A., Cooray T. and Shatskiy A. Single-crystal elasticity of stishovite: New experimental data obtained using high-frequency resonant ultrasound spectroscopy and a Gingham check structure model // Physics of the Earth and Planetary Interiors. - 2012. - V. 190. - P. 80-86.

14. Shatskiy A., Katsura T., Litasov K.D., Shcherbakova A.V., Borzdov Y.M., Yamazaki D., Yoneda A., Ohtani E. and Ito E. High pressure generation using scaled-up Kawai-cell // Physics of the Earth and Planetary Interiors. - 2011a. - V. 189. - P. 92-108.

15.Shatskiy A., Borzdov Y.M., Litasov K.D., Ohtani E., Khokhryakov A.F., Pal’yanov Y.N. and Katsura T. Pressless split-sphere apparatus equipped with scaled-up Kawai-cell for mineralogical studies at 10–20 GPa // American Mineralogist. - 2011b. - V. 96. - P. 541-548.

16.Литасов К.Д., Шацкий А.Ф. и Похиленко Н.П. Фазовые соотношения и плавление в системах перидотит–Н2О–СО2 и эклогит–Н2О–СО2 при давлениях 3–27 ГПа // Докалады Академии Наук. - 2011. - Т. 437. - С. 669-674.

17.Litasov K.D., Shatskiy A., Ohtani E. and Katsura T. Systematic study of hydrogen incorporation into Fe-free wadsleyite // Physics and Chemistry of Minerals. -2011. - V. 38. - P. 75-84.

18. Shatskiy A., Borzdov Y.M., Yamazaki D., Litasov K.D., Katsura T. and Palyanov Y.N. Aluminum Nitride Crystal Growth from an Al-N System at 6.0 GPa and 1800 oC // Crystal Growth & Design. - 2010a. - V. 10. - P. 2563-2570.

19. Shatskiy A., Litasov K.D., Terasaki H., Katsura T. and Ohtani E. Performance of semi-sintered ceramics as pressure-transmitting media up to 30 GPa // High Pressure Research. - 2010b. - V. 30. - P. 443-450.

20. Shatskiy A., Yamazaki D., Borzdov Y.M., Matsuzaki T., Litasov K.D., Cooray T., Ferot A., Ito E. and Katsura T. Stishovite single-crystal growth and application to silicon self-diffusion measurements // American Mineralogist. - 2010c. - V. 95. -P. 135-143.

21. Ito E., Yoshino T., Yamazaki D., Shatskiy A., Shan S., Guo X., Katsura T., Higo Y. and Funakoshi K. High pressure generation and investigation of the spin transition of ferropericlase (Mg0.83Fe0.17)O // Journal of Physics: Conference Series. - 2010. - V. 215. - P. 012099.

22. Shatskiy A., Litasov K.D., Matsuzaki T., Shinoda K., Yamazaki D., Yoneda A., Ito E. and Katsura T. Single crystal growth of wadsleyite // American Mineralogist. -2009a. - V. 94. - P. 1130-1136.

23. Shatskiy A., Yamazaki D., Morard G., Cooray T., Matsuzaki T., Higo Y., Funakoshi K., Sumiya H., Ito E. and Katsura T. Boron-doped diamond heater and its application to large-volume, high-pressure, and high-temperature experiments // Review of Scientific Instruments. - 2009b. - V. 80. - P. 023907.

24. Litasov K.D., Shatskiy A., Fei Y., Suzuki A., Ohtani E. and Funakoshi K. Pressure-volume-temperature equation of state of tungsten carbide to 32 GPa and 1673 K // Journal of Applied Physics. - 2010. - V. 108. - P. 053513-053513-7.

25. Литасов К.Д., Шарыгин И.С., Шацкий А.Ф., Отани Э. и Похиленко Н.П. Роль хлоридов в образовании и эволюции кимберлитовой магмы по данным экспериментальных исследований // Докалады Академии Наук. - 2010. - Т. 435. - С. 667-672.

26. Matsuzaki T., Hagiya K., Shatskiy A., Katsura T. and Matsui M. Crystal structure of anhydrous phase X, K1.93(Mg2.02Cr0.02)Si2.00O7 // Journal of Mineralogical and Petrological Sciences. - 2010. - V. 105. - P. 303-308.

27. Katsura T., Shatskiy A., Manthilake M., Zhai S., Yamazaki D., Matsuzaki T., Yoshino T., Yoneda A., Ito E., Sugita M., Tomioka N., Nozawa A. and Funakoshi K. P-V-T relations of wadsleyite determined by in situ X-ray diffraction in a large-volume high-pressure apparatus // Geophysical Research Letters. - 2009. - V. 36. -P. L11307.

28.Katsura T., Shatskiy A., Manthilake M., Zhai S., Fukui H., Yamazaki D., Matsuzaki T., Yoneda A., Ito E. and Kuwata A. Thermal expansion of forsterite at high pressures determined by in situ X-ray diffraction: The adiabatic geotherm in the upper mantle // Physics of the Earth and Planetary Interiors. - 2009. - V. 174. -P. 86-92.

29.Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Катсура Т. и Отани Э. Вхождение водорода в структуру форстерита в системах Mg2SiO4–K2Mg(CO3)2–H2O и Mg2SiO4– H2O–C при давлении 7,5–14,0 ГПа // Геология и геофизика. - 2009. - Т. 50. -С. 1456–1469.

30. Литасов К.Д., Шацкий А.Ф., Катсура Т. и Отани Э. Растворимость воды в форстерите при давлении 8–14 ГПа // Доклады Академии Наук. - 2009. - Т. 425. - С. 522-526.

31. Yoshino T., Matsuzaki T., Shatskiy A. and Katsura T. The effect of water on the electrical conductivity of olivine aggregates and its implications for the electrical structure of the upper mantle // Earth and Planetary Science Letters. - 2009. - V. 288. - P. 291-300.

32. Xue X., Kanzaki M. and Shatskiy A. Dense hydrous magnesium silicates, phase D, and superhydrous B: New structural constraints from one-and two-dimensional 29Si and 1H NMR // American Mineralogist. - 2008. - V. 93. - P. 1099-1111.

33. Katsura T., Yokoshi S., Kawabe K., Shatskiy A., Okube M., Fukui H., Ito E., Nozawa A. and Funakoshi K.-i. Pressure dependence of electrical conductivity of (Mg, Fe)SiO3 ilmenite // Physics and Chemistry of Minerals. - 2007. - V. 34. - P. 249-255.

34. Litasov K.D., Kagi H., Shatskiy A., Ohtani E., Lakshtanov D.L., Bass J.D. and Ito E. High hydrogen solubility in Al-rich stishovite and water transport in the lower mantle // Earth and Planetary Science Letters. - 2007. - V. 262. - P. 620-634.

35. Shatskiy A., Fukui H., Matsuzaki T., Shinoda K., Yoneda A., Yamazaki D., Ito E. and Katsura T. Growth of large (1 mm) MgSiO3 perovskite single crystals: A thermal gradient method at ultrahigh pressure // American Mineralogist. - 2007. -V. 92. - P. 1744-1749.

36. Zhang B., Katsura T., Shatskiy A., Matsuzaki T. and Wu X. Electrical conductivity of FeTiO3 ilmenite at high temperature and high pressure // Physical Review B. -2006. - V. 73. - P. 134104.

37. Шацкий А.Ф., Борздов Ю.М., Сокол А.Г. и Пальянов Ю.Н. Особенности фазообразования и кристаллизации алмаза в ультракалиевых карбонат-силикатных системах с углеродом // Геология и Геофизика. - 2002. - Т. 43. -С. 936-946.

38. Pal´yanov Y.N., Sokol A.G., Borzdov Y.M., Khokhryakov A.F., Shatsky A.F. and Sobolev N.V. The diamond growth from Li2CO3, Na2CO3, K2CO3 and Cs2CO3 solvent-catalysts at P=7 GPa and T=1700-1750 oC // Diamond and Related Materials. - 1999. - V. 8. - P. 1118-1124.