Inclusione di jeffbenite Mg3Al2Si3O12 nel super

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 83 (2023) Citare questo articolo

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Una correzione dell'autore a questo articolo è stata pubblicata il 17 febbraio 2023

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La Jeffbenite (avente la stessa composizione chimica del piropo, ~ Mg3Al2Si3O12, e nota anche come fase TAPP) è un'inclusione minerale che si trova solo nei diamanti formati tra circa 300 e 1000 km di profondità) ed è considerata una fase stabile nella zona di transizione (410– 660 km di profondità) e/o nelle regioni più superficiali del mantello inferiore (circa 660–700 km di profondità). Questo minerale raro ed enigmatico è considerato un indicatore di pressione per i diamanti super profondi e quindi ha un ruolo chiave nella ricerca sui diamanti super profondi. Tuttavia, i campi di stabilità pressione-temperatura della jeffbenite Mg3Al2Si3O12 sono sconosciuti e le sue effettive condizioni di formazione rimangono inesplorate. Qui abbiamo determinato il campo di stabilità termodinamica pressione-temperatura per l'elemento terminale jeffbenite Mg e abbiamo sorprendentemente scoperto che è stabile a condizioni di bassa pressione-temperatura, cioè 2–4 GPa a 800 e 500 °C. Pertanto, la jeffbenite Mg3Al2Si3O12 non è il polimorfo ad alta pressione del piropo ed è probabilmente una fase regredita formata durante le fasi tardive di risalita dei diamanti super profondi verso la superficie.

La Jeffbenite (formula ideale Mg3Al2Si3O12) è un minerale raro che finora è stato trovato solo come inclusione minerale nei diamanti super profondi1. È stato scoperto nel 19972,3 e da allora è stato denominato TAPP, acronimo di “Tetragonal Almandine Pyrope Phase” per la sua stechiometria, che coincide con quella della serie piropo-granato almandino. Tuttavia, la struttura cristallina della jeffbenite è diversa da quella del granato, quindi il granato e la jeffbenite sono in realtà polimorfi. Nel 2016, a TAPP è stato finalmente assegnato un nome minerale approvato dall’IMA, ovvero “jeffbenite” (IMA 2014–097)1 in onore di Jeffrey W. Harris e Ben Harte, due eminenti esperti nel campo della ricerca sui diamanti. Dalla sua prima scoperta, 26 anni fa, sono state segnalate in letteratura solo 23 jeffbeniti naturali e 7 di queste sono state identificate solo mediante analisi chimiche; Altri 2 jeffbeniti riportati in letteratura sono sintetici. Pertanto, solo 16 inclusioni naturali di jeffbenite nei diamanti super profondi sono state identificate mediante diffrazione di raggi X e/o spettroscopia micro-Raman (vedere la Tabella 1, che riassume tutte le jeffbeniti riportate finora in letteratura). Nonostante la sua rarità, le inclusioni di jeffbenite nei diamanti sono considerate un indicatore di un'origine superprofonda per gli ospiti dei diamanti e quindi è un minerale importante. La sua origine superprofonda è infatti ben accettata in letteratura e la jeffbenite è generalmente considerata una zona di transizione o un minerale del mantello inferiore dalla comunità di ricerca sui diamanti1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ,13,14,15,16,17,18,19,20.

Tuttavia, escludendo una jeffbenite sintetica molto ricca di Ti, al momento non sono pubblicati campi di stabilità pressione-temperatura della jeffbenite e questo minerale rimane un enigma geologico: (1) a quale profondità nel mantello si forma effettivamente la jeffbenite? (2) il membro terminale Mg della jeffbenite è un polimorfo a pressione più alta o più bassa del granato piropo?

Per rispondere a queste domande, qui limitiamo il campo di stabilità pressione-temperatura della jeffbenite pura, Mg3Al2Si3O12. Poiché in letteratura non sono disponibili dati termodinamici per la jeffbenite, calcoliamo i dati dai principi primi, al livello ibrido Hartree–Fock/Teoria del funzionale densità (HF/DFT), entro il limite dell'approssimazione quasi armonica e nel quadro di termodinamica statistica. Ciò ci consente di comprendere la reale natura del membro finale Mg puro della jeffbenite.

Infatti, il presente lavoro è stato guidato non solo dalla necessità di vincolare il campo di stabilità pressione-temperatura di un minerale ritenuto caratteristico dei diamanti super profondi, ma anche perché già nel 19972 lo studio della prima jeffbenite naturale (a quel tempo indicata come TAPP) ha rivelato incongruenze in termini di volume e densità rispetto al granato. Nel dettaglio, la jeffbenite naturale scoperta nel 19972 (campione 244B, sul quale gli autori hanno affinato la struttura cristallina) aveva una composizione approssimativa pari a [Mg2.64Fetot0.27(Ca + Na + Mn)0.08][Al1.85 Cr0.15 ][Si2.91Al0.09]O12 e un Mg# [Mg/(Mg + Fe)] = 0,91; il suo volume di cella unitaria era V = 774,35 (± 0,77) Å3. Tale volume di cella unitaria può essere convertito in un volume molare pari a 11,657(± 0,012) J/bar. Confrontando questo volume molare con quello di un granato con composizione simile lungo la serie piropo-almandina [Mg2.70Fe0.30]Al2Si3O12 e Mg# = 0,91 (ad esempio, vedere la Tabella 3 del rif.21), è evidente che il volume molare del granato, che è pari a 11,332(± 0,001) J/bar, è significativamente più piccolo di quello della jeffbenite.