Пропустить команды ленты
Пропустить до основного контента
SharePoint
Лаборатория была основана член-корр. АН СССР Н.И.Хитаровым в 1953 г. с целью экспериментального и теоретического изучения твердофазовых превращений в коре и мантии, процессов магмообразования, формирования рудообразующих растворов и флюидов, а также для определения физических свойств глубинного вещества Земли. Вклад Н.И.Хитарова в развитие наук о Земле был отмечен Золотой медалью В.И.Вернадского Академии наук СССР и правительственными наградами. В лаборатории со дня ее основания работал профессор, доктор хим. наук С.Д.Малинин. С его именем связано создание физико-химических основ равновесий во флюидных системах, осуществление оригинальных экспериментов, которые оказали существенное влияние на развитие геохимической науки. С 1985 г. лабораторию возглавляет профессор, доктор геол.-мин. наук А.А.Кадик.
 
В лаборатории созданы уникальные установки высокого давления для исследования флюидно-магматических систем, проведены пионерские исследования по растворимости H2O и CO2 в магматических расплавах, по плавлению мантийных пород и физическим свойствам (электропроводности, вязкости) расплавов при высоких давлениях, по свойствам флюидно-солевых систем, а также по термодинамике фазовых превращений в мантии Земли. В последние годы исследования сосредоточены на экспериментальном и теоретическом изучении дифференциации коры и мантии при плавлении, вулканической активности и планетарной дегазации, а также на моделировании разделения фаз в зонах частичного плавления методом высокотемпературного центрифугирования.

В 2000г. на Всемирной выставке инноваций, исследований и новых технологий в Брюсселе «Eurika-2000» А.А.Кадик и Е.Б.Лебедев были удостоены золотой медали за создание оригинальной высокотемпературной центрифуги для экспериментальных исследований. Серия статей А.А.Кадика и О.А.Луканина, посвященных роли процессов плавления мантии Земли в формировании газовых компонентов углерода, водорода и кислорода и их транспортировки к поверхности планеты, была отмечена Премией МАИК «НАУКА/ИНТЕРПЕРИОДИКА» за лучшие публикации в 2007 г. в научных журналах РАН. В 2008 г. за цикл работ «Геохимия мантии Земли: строение, химический и фазовый состав, продукты дегзации» А.А.Кадику и О.А.Луканину вместе с О.Л.Кусковым (лаб. термодинамики и математического моделирования природных процессов ГЕОХИ) Президиумом РАН была присуждена Премия им. А.П. Виноградова за выдающиеся научные работы по геохимии, биогеохимии и космохимии.
 
Среди основных достижений лаборатории можно выделить следующие.
Одно из главных достижений лаборатории связано с созданием теории взаимодействия летучих компонентов с магматическими расплавами и изучением планетарной дегазации при плавлении коры и мантии. Работы по экспериментальному определению влияния температуры, давления, потенциала кислорода на растворимость летучих соединений (Н2О, СО2, N2 и другие), а также углерода в магматических расплавах и послужили основой для выяснения вклада дегазации и плавления планетарного вещества в распределении углерода, восстановленных (СО, СН4, Н2) и окисленных (Н2О, СО2) флюидов в литосферных и астеносферных слоях мантии Земли, а также для оценки вклада вулканизма в газовый массообмен между мантийным резервуаром, корой и атмосферой.
Создание оригинальной техники высоких давлений позволило определить влияние давления и воды на важнейшие физические свойства магматических расплавов: вязкость, электропроводность, скорости упругих волн. поверхностное натяжение. измерены скорости продольных и поперечных волн и их анизотропия под давлением газа или водного флюида 300 МПа и температурах до 850С. Эксперименты проводились в условиях равенства флюидного и обжимающего давлений. Впервые обнаружено влияние водного флюида и солевых добавок  на возникновение минимум скоростей упругих волн в амфибол содержащих породах при температурах около 650С, что может быть одним из объяснений возникновения зон пониженных скоростей в литосфере.
Лаборатория внесла вклад в развитие нового направления в геохимии, связанного с выяснением зависимости геохимических процессов от изменения окислительно - восстановительного состояния планетарного вещества при его химической дифференциации. Получены доказательства значительных вариаций потенциала кислорода и пропорций Н2О, СО2, СО, СН4, Н2 в верхней мантии  как отражение изменения баланса кислорода при формировании металлического ядра Земли, плавлении, дегазации мантии и эволюции геодинамического режима планеты. На основании измерений собственной летучести кислорода глубинных пород литосферы различного возраста показано, что химическая дифференциация мантии в архейское время сопровождалась повышением потенциала кислорода и сменой восстановленных флюидов с высокой концентрацией СН4, Н2 на окисленные флюиды, обогащенные Н2О и СО2. Оценено влияние миграции восстановленных флюидов из областей мантии с низкими значениями fO2 на реакционные взаимодействия в литосфере и возникновение пленочного плавления (редокс-плавление) с образованием силикатных жидкостей с высокими концентрациями Н2О и СО2, которые могут быть одной из причин метасоматических преобразований пород.
Проведены экспериментальные и теоретические исследования, связанные с выяснением особенностей формирования летучих соединений углерода и водорода при плавлении ранней мантии Земли в присутствии металлической фазы Fe-Si. Экспериментальные исследования растворимости Н и C в магматических расплавах в области устойчивости металлического Fe вскрыли важную особенность окислительно-восстановительных реакций в силикатных жидкостях, которая не имела достаточного экспериментального подтверждения. Показано, что в области стабильности Fe–Si металлической фазы при давлениях, соответствующих глубинам 100–150 км плавление приводит к формированию силикатных жидкостей, содержащих Н и С как в окисленной (Н2О, ОН-, СО32-), так и в восстановленной формах (H2, CH4, Si-C, C). Соотношения между ними находятся в существенной зависимости от fO2. Полученные данные позволяют предполагать, что наряду с некоторым количеством Н2 и Н2О плавление восстановленного планетарного вещества может быть источником СН4 для высокотемпературной вулканической активности и поступления СН4 в раннюю восстановленную атмосферу Земли.
Создана модель межфазного распределения (расплав-флюид-кристаллы) летучих компонентов (Н2О, Cl), а также ряда рудных (Zn, Pb и др.) и редких элементов (Eu и др.) при дегазации магматических расплавов кислого состава. Показано, что «геохимическая специализация» магм, способность их быть источником рудных компонентов при образовании крупных месторождений определяется не столько исходной концентрацией рудных элементов, сколько исходным содержанием летучих компонентов, а также динамикой выделения флюидной фазы в ходе дегазации и кристаллизации расплавов.
Лаборатории принадлежат пионерские  работы по динамике магмообразования, по изучению взаимосвязи между магматическими явлениями, поведением летучих компонентов и  геодинамикой мантийного вещества, по конвективной и химической неустойчивости магм в гравитационном поле Земли и  по ее влиянию на перенос тепла и компонентов в магматических телах. Была предложена теория образования магм при восходящем движении глубинного вещества, осуществляемого в виде поднимающихся к поверхности диапиров, горячих струй или общепланетарных конвективных течений. Дано обоснование зависимости степени частичного плавления, температуры и состава магматической жидкости от масштаба декомпрессии мантийного вещества при его восходящем движении  и присутствия летучих компонентов. 
 
Рис.1. Дегазация углеродсодержащей мантии и состав вулканических газов при плавлении и подъеме магматических расплавов в зависимости от fO2 источника магм.
 
Рис.2. Адиабатическая декомпрессия в области температурного минимума плавления силикатов в присутствии воды создает условия для возникновения миграции пленочной межзерновой жидкости в верхней мантии Земли.

Изучение динамики магматической дифференциации получило свое развитие в создании нового типа экспериментов, основанных на использовании высокотемпературных центрифуг. Исследования вскрыли особенности многофазового течения в магматических телах, что позволило развить новые представления об условиях формирования анортозитовых кор на Земле и Луне, нефракционном поведении смесей расплав + кристаллы, расплав + кристаллы + металлическая фаза в условиях интенсивной конвекции.
 
Рис.3. Моделирование многофазных течений как механизма миграции и аккумуляции расплавов в зонах частичного плавления с помощью высокотемпературных центрифуг.
 
Лабораторией была выполнена программа экспериментальных исследований по выяснению роли летучих компонентов и режима кислорода в дифференциации магм, которая  существенно расширила представления об условиях образования андезитов, высокоглиноземистых базальтов, базальт - ферробазальтовых и базальт - риолитовых серий океанических и островодужных областей.
Проведено экспериментальное исследование влияния давления до 5 кбар на валентное и структурное состояние атомов железа в природных базальтовых расплавах в условиях закрытой системы. Методом мессбауэровской спектроскопии установлена зависимость координации атомов железа в базальтовых расплавах от степени их окисленности. Показано, что в условиях закрытой системы до 5-10 кбар давление не влияет на структурное и валентное состояние ионов железа. Это позволяет использовать соотношение Fe3+/Fe2+ в расплавах у поверхности для оценки окислительно-восстановительных условий в зонах магмообразования.
На основании анализа влияния Т-Р-fO2 параметров на окислительно-восстановительные реакции в силикатных расплавах с участием железа предложена модель, согласно которой существенно более низкие отношения Fe3+/Fe2+ в тектитах, формирующихся в импактном процессе, по сравнению с исходным материалом мишени обусловлены особенностями режима кислорода на стадии адиабатической декомпрессии вещества после его ударного сжатия.  Предполагается, что ударные процессы на ранних этапах формирования мантии Земли могут быть одной из причин изменения ее окислительного состояния, а также концентрации летучих компонентов во внешних оболочках планеты.
 
Лабораторией осуществлен ряд совместных научных проектов с ведущими лабораториями США (Пенсильванский, Аризонский университеты, Калифорнийский Технологический Институт), Франции (Орлеанский научный центр, Парижский университет), ФРГ (Геттингенский университет, Институт Макса Планка, Кельнский и Берлинский университеты), Великобритании (Эдинбургсий университет).
 
Лаборатория совместно с ИЭМ РАН проводит Всероссийский «Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, геохимии и петрологии», а также совместно с ИФЗ, ИГЕМ и ИЭМ РАН ежегодное совещание "Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле" с участием иностранных ученых.