قابلیت انحلال نیتروژن در مذاب بازالتی : بخش ۱- تاثیر فیوگاسیته‌ی اکسیژن

Nitrogen solubility in basaltic melt. Part I. Effect of oxygen fugacity

چکیده

نقش فیوگاسیته اکسیژن بر مشارکت نیتروژن در در مذاب بازالتی با استفاده از یک اتمسفر دما بالای تعادلی ترکیبات تئولیتیک مانند تحت فشار جزئی کنترل شده‌ی نیتروژن و اکسیژن در سیستم [C-N-O] مورد بررسی قرار گرفته است.

نیتروژن با یک لیزر CO₂ تحت خلا بالا بیرون کشیده شد و با روش اسپکترومتری جرمی استاتیک مورد آنالیز قرار گرفت. با محدوده ریداکسی واحدهای لگاریتمی فیوگاسیته اکسیژن، این پژوهش نشان می‌دهد که مشارکت نیتروژن در مذاب‌های سیلیکاتی از دو رفتار متفاوت پیروی می‌کند. برای حالتی که بین ۰/۷ و ۱۰/۷ باشد، نیتروژن به صورت یک مولکول N₂ در حفرات شبکه سیلیکاتی حل می‌شود (انحلال فیزیکی).

نیتروژن در دمای ۱۴۵۰ درجه سانتی گراد ضریب ثابت انحلالی برابر همانند عدم قطعیت‌های انحلال آرگون نشان می‌دهد. کاهش بیشتر در فیوگاسیته اکسیژن (بین ۱۰/۷ و ۱۸ مطابق با محدوده از IW-1.3 تا IW-8.3) منجر به افزایش شدید انحلال نیتروژن تا بیش از ۵ برابر شده که منجر به اتصال شیمیایی اتم نیتروژن در شیکه مذاب سیلیکاتی می‌شود (انحلال شیمیایی).

این نتایج کنونی به شدت حاکی از آن است که تحت شرایط کاهنده نیتروژن به جای اینکه به صورت رادیکال‌های سیانید CN^– در مذاب سیلیکیاتی حل شود، به صورت N^3- حل می‌شود. مقدار نیتروژن یک ماگمای تئولیتیک در تعادل با N₂ از فرآیند ترموشیمیایی داده‌های ما به صورت زیر محاسبه می‌شود:

[N₂] (mol N₂ · g¹)  (۲٫۲۱  ۰٫۵۳)  ۱۰^–۹ · PN₂  fO₂^–۳/۴ · (۲٫۱۳  ۰٫۱۱)  ۱۰^–۱۷ · PN₂^{1/ 2}

مقدار بالای نیتروژن موجود در سنگ‌های آذرین اولیه، به خصوص در شیشه‌های دارای پوشش الوین منیزیم از کاندریت، بعید است که نتیجه‌ی تجزیه‌ی نیتروژن از سحابه‌ی گاز خورشیدی بوده باشد، مگر این که فشار این گاز چندین برابر کمتر برآورد شده باشد. مقدار چشمگیری از نیتروژن که قابل مقایسه با میزانی که برای دیواره‌ی روز کنونی برآورد شده است، باشد می‌تواند تحت شرایط  مربوط به جدایش فلز با تجزیه در یک اقیانوس مذاب بازالتی در زمین اولیه مشارکت کرده باشد.

نتایج کنونی به این معنی نیز می‌باشد نسبت N₂/Ar بازالت‌های تولئیتیک (مانند MORBها) در حین تولید و گاززدایی شدن ماگما تجزیه نشده است که اجازه‌ی استفاده از آرگون به عنوان کمک ژئوشیمیایی برای نیتروژن را می‌دهد. ممکن است که نیتروژن بیرونی با نرخ و شاری قابل مقایسه با آرگون گاززدایی شده بوده که فیوگاسیته اکسیژن دیواره‌ی خارجی متاسفانه از دوره‌ی پرکامبرین تاکنون زیر IW بوده است. بنابراین جداسازی بین نیتروژن و آرگون در سیستم اتمسفر زمین نتیجه محتمل‌تری نسبت به گاززدایی مذاب بازالتی دیواره‌ی خارجی می‌باشد.

جهت دانلود ترجمه تخصصی و فارسی این مقاله می توانید وجه آنرا پرداخت نموده و بلافاصله دریافت نمایید.

ABSTRACT

The role of the oxygen fugacity on the incorporation of nitrogen in basaltic magmas has been investigated using one atmosphere high temperature equilibration of tholeiitic-like compositions under controlled nitrogen and oxygen partial pressures in the [C-N-O] system.

Nitrogen was extracted with a CO₂ laser under high vacuum and analyzed by static mass spectrometry. Over a redox range of 18 oxygen fugacity log units, this study shows that the incorporation of nitrogen in silicate melts follows two different behaviors. For log fO₂ values between 0.7 and 10.7 (the latter corresponding to IW  ۱٫۳), nitrogen dissolves as a N₂ molecule into cavities of the silicate network (physical solubility). Nitrogen presents a constant solubility (Henry’s) coefficient of 2.21  ۰٫۵۳  ۱۰^۹ mol g¹ atm¹ at 1425°C, identical within uncertainties to the solubility of argon. Further decrease in the oxygen fugacity (log fO₂ between 10.7 and 18 corresponding to the range from IW  ۱٫۳ to IW  ۸٫۳) results in a drastic increase of the solubility of nitrogen by up to 5 orders of magnitude as nitrogen becomes chemically bounded with atoms of the silicate melt network (chemical solubility). The present results strongly suggest that under reducing conditions nitrogen dissolves in silicate melts as N³ species rather than as CN cyanide radicals. The nitrogen content of a tholeiitic magma equilibrated with N₂ is computed from thermochemical processing of our data set as

[N₂] (mol N₂ · g¹)  (۲٫۲۱  ۰٫۵۳)  ۱۰^–۹ · PN₂  fO₂^–۳/۴ · (۲٫۱۳  ۰٫۱۱)  ۱۰^–۱۷ · PN₂^{1/ 2}

High nitrogen contents in primitive meteorites, especially in glass inclusions encapsulated in magnesian olivine of chondrites, are unlikely to result from nitrogen dissolution from the solar nebula gas, unless the pressure of the latter is underestimated by several orders of magnitude. Significant amounts of nitrogen, comparable to those estimated for the present-day mantle, could have been incorporated in the early Earth by dissolution in a magma ocean, under fO₂ conditions relevant to those prevailing during metal segregation. The present results also imply that the N₂/Ar ratio of tholeiitic basalts (e.g., MORBs) is not fractionated during magma generation and degassing, allowing to use argon as a geochemical proxy for nitrogen. It is probable that mantle nitrogen was degassed at rates and fluxes comparable to that of argon, as the oxygen fugacity of the mantle was unlikely to have been below IW from Archean to Present. Therefore, fractionation between nitrogen and argon in the Earth-atmosphere system is more probably the result of recycling rather than of mantle-derived magma degassing.