КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-17-00079

НазваниеПриродные фосфиды как индикаторы эволюции вещества планетарных систем

РуководительБритвин Сергей Николаевич, Доктор геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Года выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2022 

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (28)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-211 - Кристаллография и кристаллохимия минералов

Ключевые словаминерал, кристаллическая структура, кристаллохимия, рентгеноструктурный анализ, фосфид, метеорит, аномальное рассеяние

Код ГРНТИ38.35.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Представляемый проект направлен на решение задач в рамках фундаментальных проблем, связанных с эволюцией вещества Солнечной системы и возникновением жизни на Земле. Фосфор является минералообразующим элементом в метеоритах, лунных, марсианских и земных породах. Фосфиды – это соединения, содержащие фосфор в отрицательной степени окисления, аналогично сере в сульфидах или мышьяку в арсенидах. В современной земной коре фосфиды очень редки. Однако они являются главными носителями фосфора в железных и железо-каменных метеоритах, представляющих вещество внутренних зон планетарных тел. Термодинамические расчёты показывают, что фосфиды относятся к соединениям, которые кристаллизовались на самых ранних этапах конденсации протопланетного облака. Таким образом, изучение минералогии, кристаллохимии и минеральных ассоциаций фосфидов позволяет проследить эволюцию планетарных тел от этапа небулярной конденсации до кристаллизации внутренних зон планет. Это является одной из главных целей выполнения настоящего проекта. Однако роль фосфидов не ограничивается участием в первичных протопланетных и планетарных процессах. Рост активности кислорода в космохимических системах приводил к процессам окисления фосфидов и образованию из их фосфатов. Здесь мы сталкиваемся с фундаментальным вопросом, определяющим существование живых организмов и человека. Фосфор - представитель узкого круга элементов, без которых было невозможно зарождение жизни на нашей планете. А фосфиды рассматриваются как наиболее вероятные источники пребиотического фосфора. Считается, что на ранней Земле именно фосфиды дали начало процессам образования фосфоэфиров - строительных блоков и переносчиков энергии в тканях живых организмов. Наши исследования позволили выявить единственный на современной Земле регион, где сосуществуют природные фосфиды и образовавшиеся из них фосфаты. Это – окрестности Мёртвого моря, включающие Израиль, Палестину и западную Иорданию – исторический район, известный под названием южный Левант. Минеральные ассоциации, обнаруженные нами в горных породах этого региона, можно рассматривать как природную систему, моделирующую геохимическую и минералогическую специализацию фосфора на древней Земле. Изучение этих минеральных ассоциаций представляет собой вторую фундаментальную задачу, на решение которой направлен проект.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта планируется детально исследовать минеральные ассоциации и кристаллохимию новых фосфатов - продуктов окислительного пиролиза земных фосфидов в пирометаморфических породах формации Хатрурим. Это абсолютно новый тип фосфатной минерализации, образующейся при высокотемпературном окислении фосфидов. Как было отмечено в аннотации, открытые в регионе Мёртвого моря фосфид-фосфатные парагенезисы можно рассматривать как как систему, моделирующую геохимическую и минералогическую специализацию фосфора на древней Земле. Вопросы происхождения жизни на нашей планете можно отнести к важным вопросам, всегда интересовавшим (и интересующим) человечество. Помимо данной проблемы, в рамках проекта будут проведены структурные исследования температурной устойчивости и процессов диффузии Fe/Ni в монокристаллах метеоритных фосфидов Fe и Ni при высокой температуре (до 1000 °С). Такие работы ранее не проводились и являются новым направлением в метеоритике. Их значимость определяется возможностью оценки скоростей и температурных границ кристаллизации природных фосфидов в метеоритах и как следствие – эволюции их родительских небесных тел. Последнее определяет масштабность и значимость запланированных исследований. Будет изучено влияние изоморфного замещения P/Si на кристаллохимические характеристики и устойчивость природных фосфидов и фосфидо-силицидов Fe и Ni. Кремнийсодержащие фосфиды и фосфидо-силициды характерны для двух групп метеоритов – энстатитовых хондритов и ахондритов, представляющих (как считается) продукты аккреции протопланетного облака. Исследования влияния Si на устойчивость природных фосфидов ранее не проводились. Решение данной задачи важно для понимания процессов образования метеоритов, являющихся продуктами небулярной конденсации. Как показал опыт предыдущих исследований по проекту-2018, результаты работ будут представлять интерес для материаловедения. Это связано с тем, что фосфиды Fe и Ni являются весьма эффективными катализаторами фото- и электролитического расщепления воды на водород и кислород – основного процесса, определяющего будущую экологически чистую энергетику.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В соответствии с планом на первый год работы по проекту (2021 г.) были выполнены следующие исследования: Изучена кристаллохимия и минеральные парагенезисы ряда новых минералов класса фосфатов – продуктов окислительного пиролиза природных фосфидов. Анастасенкоит CaFe(P2O7). Это первый безводный пирофосфат, открытый в природе. Изучена кристаллохимия и минеральные парагенезисы этого минерала. Важным результатом работ явилось выявление анастасенкоита не только в породах бассейна Хатрурим (Израиль), но и в пирометаморфических породах Трансиорданского плато (Иордания). Поскольку указанные проявления минерала расположены на расстоянии более 100 км на разных берегах Мёртвого моря, можно говорить о достаточно широком распространении (типоморфизме) анастасенкоита в пирометаморфических породах формации Хатрурим. Крокобелонит CaFe2(PO4)2O. Этот новый, открытый авторами фосфат с добавочным атомом кислорода оказался широко распространён в пирометаморфических породах как Израиля, так и Иордании, то есть по всей площади распространения пирометаморфических пород формации Хатрурим. Более того, наряду с первоначально открытой ромбической модификацией минерала, в ходе работ 2021 г. открыта и изучена его моноклинная модификация. Соответствующие полиморфы минерала получили названия крокобелонит-O и крокобелонит-M. Фосфоциклит-(Fe) Fe2(P4O12) IMA 2020-087 Фосфоциклит-(Ni) Ni2(P4O12) IMA 2020-087 Эти два минерала являются первыми природными представителями циклофосфатов. Они были открыты авторами проекта в 2020 году и упомянуты как минеральные фазы без названий. В 2021 году оба минерала утверждены Комиссией по новым минералам, номенклатуре и классификации Международной минералогической ассоциации (КНМ ММА) в качестве самостоятельных минеральных видов. Исследования, проведённые нами в 2021 году, выявили распространение обоих минералов как в пирометаморфических породах Израиля, так и в их аналогах из Иордании. То есть установлено, что циклофосфаты – это не единичная случайная находка в природе. Процессы, вызвавшие образование циклофосфатов, являются общими для всего пирометаморфического комрлекса пород Южного Леванта. Первоначально (в 2020 году), структурная принадлежность открытых циклофосфатов была определена при помощи метода EBSD (дифракции обратно-рассеянных электронов). Важным результатом работ 2021 года явилась расшифровка кристаллической структуры фосфоциклита-(Fe), подтвердившая правильность EBSD диагностики и определения химического состава минералов. Открытие кубического перовскита Ca(Ti,Si,Cr)O3-sigma В ходе проведения работ по дальнейшему изучению открытых фосфид-фосфатных ассоциаций, предусмотренных планом проекта, в фосфидных ассоциациях формации Хатрурим был впервые в природе открыт кубический перовскит Ca(Ti,Si,Cr)O3-sigma. Как известно, классический перовскит CaTiO3 кристаллизуется в ромбической сингонии, и открытие кубической полиморфной модификации этого минерала является, на наш взгляд, существенным вкладом как в кристаллохимию, так и в целом в геологическую науку. Помимо уникальной кристаллической структуры, минерал содержит аномально много кремния (до 9.6% SiO2) и хрома (6.6% Cr2O3). До сих пор минералы группы перовскита с такими высокими концентрациями Si и Cr встречались лишь в составе включений в алмазах мантийного происхождения. В ходе выполнения текущего проекта авторами был выигран грант 2021 г. на проведение рентгеноструктурных исследований минералов при высоких давлениях (в алмазных ячейках), на линии P02.2 синхротрона DESY (г. Гамбург, Германия). Одним из объектов исследований был выбран кубический перовскит. Эксперименты по изучению сжимаемости кубического перовскита показали, что минерал стабилен до давления 50 ГПа (0.5 Мбар), что соответствует давлению в нижней мантии Земли. Открытие нового перовскита позволяет рассматривать его как потенциальный носитель большинства петрогенных и рассеянных элементов во внутренних геосферах нашей планеты. Кроме того, открытие такого необычного перовскита в ассоциации с мелилитовым стеклом ставит множество вопросов о генезисе этого минерала и следовательно – о генезисе ассоциирующих с ним фосфидов. Все данные вопросы обсуждаются в статье, опубликованной в журнале American Mineralogist (Q1). Эллинаит CaCr2O4 Этот новый минерал - природная пост-шпинелевая фаза - также был исследован в рамках текущего проекта, согласно плану работ по изучению фосфид-фосфатных ассоциаций, в которых он и найден. Нашим коллективом выполнялись работы по расшифровке кристаллической структуры минерала. Результаты исследований опубликованы в журнале European Journal of Mineralogy (Q2). Согласно плану работ, в 2021 г. были проведены терморентгенографические исследования перечисленных молибден-содержащих фосфидов. Изучение проводилось в режиме монокристальной съёмки в запаянном кварцевом капилляре, при нагреве до 700 градусов C. В результате экспериментов выяснилось, что микро-зёрна полеховскиита (до 5 мкм размером) полностью окисляются даже в присутствии следов воздуха при нагреве выше 300 градусов C. Для николайита и орищинита получены термо-рентгенографические данные до 700 градусов С, свидетельствующие о постепенном увеличении параметров элементарной ячейки. Полиморфных переходов (в частности, в баррингеритовый тип структуры) не наблюдается, что соответствует ранее полученным данным о границах стабильности Mo-содержащего аллабогданита. В результате проведённых работ опубликована одна статья в журнале American Mineralogist (Q1). Изучено распределение Fe/Ni в кристаллической структуре никельфосфида из метеоритов группы акапулькоитов (NWA725, NWA8287). Проведённые исследования показали, что в метеорите Aydar никельфосфид отсутствует. В то же время, в акапулькоитах NWA725 и NWA8287 обнаружены хорошие кристаллы никельфосфида, с которых получены высококачественные монокристальные данные. Обнаружилось существенно иное распределение Fe/Ni в кристаллической структуре никельфосфида, по сравнению с выявленными в 2020 году трендами изоморфизма в шрейберзите и никельфосфиде из высокометальных метеоритов. Проведены пилотные исследования термического поведения фосфидов ряда шрейберзит-никельфосфид и назаровита. Как уже упоминалось выше, в ходе выполнения текущего проекта авторами был выигран грант 2021 г. на проведение рентгеноструктурных исследований минералов при высоких давлениях (в алмазных ячейках), на линии P02.2 синхротрона DESY (г. Гамбург, Германия). Это позволило провести вместо терморентгенометрических экспериментов при обычном давлении, эксперименты при высоком давлении (до 50 GPa) с параллельным лазерным нагревом до температуры 1300-1500 градусов C. Эксперименты по нагреву под давлением фосфидов ряда шрейберзит-никельфосфид прошли успешно. Были получены неизвестные ранее данные по термобарическому поведению этих минералов. По результатам работ опубликована статья в журнале American Mineralogist (Q1). Получены новые данные по кристаллохимии метеоритного фосфида-силицида Ni и Fe – перриита из энстатитового ахондрита Mount Egerton. В частности, изучено распределение Fe/Ni и P/Si по позициям кристаллической структуры минерала. Опубликована статья в Journal of Geoscienes (Q2). Всего по результатам исследований, проведённых в 2021 году, Опубликовано 5 статей, из них 3 статьи – в журналах Q1, и две статьи – в журналах Q2. Список статей, опубликованных по результатам работ, выполненных в 2021 г. Britvin, S.N., Vlasenko, N.S., Aslandukov, A., Aslandukovа, Dubrovinsky, L., Gorelova, L.A., Krzhizhanovskaya, M.G., Vereshchagin, O.S., Bocharov, V.N., Shelukhina, Yu.S., Lozhkin, M.S., Zaitsev, A.N., Nestola, F. (2021a) Natural cubic perovskite, Ca(Ti,Si,Cr)O3, a versatile potential host for rock-forming and less common elements up to Earth’s mantle pressure. American Mineralogist, DOI: 10.2138/am-2022-8186 (Q1) Sharygin, V.V., Britvin, S.N., Kaminsky, F.V., Wirth, R., Nigmatulina, E.N., Yakovlev, G.A., Novoselov, K.A., Murashko, M.N. (2021) Ellinaite, CaCr2O4, a new natural post-spinel oxide from Hatrurim Basin, Israel, and Juína kimberlite field, Brazil. European Journal of Mineralogy, 33, 727–742. (Q2) Britvin, S.N., Murashko, M.N., Vereshchagin, O.S., Vapnik, Ye., Shilovskikh, V.V., Vlasenko, N.S., Permyakov, V.V. (2021b) Expanding the speciation of terrestrial molybdenum: discovery of polekhovskyite, MoNiP2, and insights into the sources of Mo-phosphides in the Dead Sea Transform area. American Mineralogist, 2021, DOI: 10.2138/am-2022-8261 (Q1) Britvin, S.N., Murashko, M.N., Krzhizhanovskaya, M.G., Vereshchagin, O.S., Vapnik, Ye., Shilovskikh, V.V., Lozhkin, M.S., Obolonskaya, E.V. (2021c) Nazarovite, Ni12P5, a new terrestrial and meteoritic mineral structurally related to nickelphosphide, Ni3P. American Mineralogist, 2021, DOI: 10.2138/am-2022-8219 (Q1) Britvin, S.N., Krivovichev, S.V., Vereshchagin, O.V., Vlasenko, N.S., Shilovskikh, V.V., Krzhizhanovskaya, M.G., Lozhkin, M.S., Obolonskaya, E.V., Kopylova, Yu.O. (2021d) Perryite, (Ni,Fe)16PSi5, from the Mount Egerton aubrite: the first natural P–Si-ordered phosphide-silicide. Journal of Geosciences, 66, 187–196 (Q2) Результаты работ представлены в виде 2 пленарных и 2 устных докладов на всероссийских и международных конференциях: Бритвин С.Н. Геосинтез пребиотических молекул на ранней Земле: новые взгляды на происхождение жизни. Международный Геологический Студенческий Саммит (27 марта 2021 г., Санкт-Петербург). http://earth.spbu.ru/community/geologicheskiy-mezhdunarodnyy-studencheskiy-sammit/ (пленарный доклад) Бритвин С.Н. Кристаллохимия природных фосфидов Fe и Ni. X Национальная кристаллохимическая конференция (5 - 9 июля 2021 г.), Терскол, Кабардино-Балкарская республика https://conferences.icp.ac.ru/NCCC2020/ (устный доклад) Хмельницкая М.О., Верещагин О.С., Власенко Н.С., Шиловских В.В., Мурашко М.Н., Бритвин С.Н. Фосфидно-сульфидная минеральная ассоциация пирометаморфических пород Трансиорданского плато. XVII Всероссийская научная конференция «Уральская минералогическая школа» (17-24 сентября 2021 г.), г. Екатеринбург. http://conf.uran.ru/default?cid=umsh (устный доклад) Бритвин С.Н. Эволюция фосфора в веществе Солнечной системы: от протопланетной конденсации до пребиотических соединений. XIII Съезд Российского минералогического общества и Федоровская сессия (05-08 октября 2021 г.), Санкт-Петербург http://conf2020.rusminsoc.org/ (пленарный доклад) Результаты работ представлены более чем на 150 интернет-сайтах, например: https://www.eurekalert.org/news-releases/855851 https://www.sciencealert.com/mysterious-mineral-only-ever-seen-in-meteorites-inexplicably-found-by-the-dead-sea https://www.kommersant.ru/doc/4867575 https://rscf.ru/news/earth-sciences/kosmicheskaya-nakhodka-u-mertvogo-morya/ https://spbu.ru/news-events/novosti/uchenye-spbgu-obnaruzhili-u-mertvogo-morya-mineral-kotoryy-ranshe-vstrechali https://arabic.rt.com/technology/1247351 https://cz.sputniknews.com/amp/20210701/v-oblasti-mrtveho-more-nasli-vedci-mineral-ktery-byl-drive-znam-pouze-v-meteoritech-15009426.html https://scientias.nl/buitenaards-mineraal-duikt-op-nabij-de-dode-zee/

 

Публикации

1. - Scientists discover at the Dead Sea a mineral previously only known in meteorites eurekalert.org, Britvin et al. (2021); doi: 10.2138/am-2021-7621 (год публикации - ).

2. - Mysterious Mineral Only Ever Seen in Meteorites Inexplicably Found by The Dead Sea sciencealert.com, Britvin et al. (2021); doi: 10.2138/am-2021-7621 (год публикации - ).

3. - Космическая находка у Мертвого моря kommersant.ru, Britvin et al. (2021); doi: 10.2138/am-2021-7621 (год публикации - ).

4. - Космическая находка у Мертвого моря Пресс-служба Российского научного фонда, Britvin et al. (2021); doi: 10.2138/am-2021-7621 (год публикации - ).

5. - Ученые СПбГУ обнаружили у Мертвого моря минерал, который раньше встречали только в метеоритах Пресс-служба СПбГУ, Britvin et al. (2021); doi: 10.2138/am-2021-7621 (год публикации - ).

6. - Mysterious Mineral Only Ever Seen in Meteorites Inexplicably Found by The Dead Sea Russia Tuday, Britvin et al. (2021); doi: 10.2138/am-2021-7621 (год публикации - ).

7. - V oblasti Mrtvého moře našli vědci minerál, který byl dříve znám pouze v meteoritech Sputnik.cz, Britvin et al. (2021); doi: 10.2138/am-2021-7621 (год публикации - ).

8. - Tot voor kort was het mineraal allabogdaniet ons alleen bekend uit meteorieten Scientias.nl, Britvin et al. (2021); doi: 10.2138/am-2021-7621 (год публикации - ).

9. Бритвин С.Н., Власенко Н.С., Асландуков А., Асландукова А., Дубровинский Л., Горелова Л.А., Кржижановская М.Г., Верещагин О.С., Бочаров В.Н., Шелухина Ю.С., Ложкин М.С., Зайцев А.Н., Нестола Ф. Natural cubic perovskite, Ca(Ti,Si,Cr)O3-δ, a versatile potential host for rock-forming and less common elements up to Earth’s mantle pressure. American Mineralogist, v. 107 (2022) (год публикации - 2021).

10. Бритвин С.Н., Кривовичев С.В., Верещагин О.В., Власенко Н.С., Шиловских В.В., Кржижановская М.Г., Ложкин М.С., Оболонская Э.В., Копылова Ю.О. Perryite, (Ni,Fe)16PSi5, from the Mount Egerton aubrite: the first natural P–Si-ordered phosphide-silicide Journal of Geosciences, v. 66, issue 4, p. 187–196 (год публикации - 2021).

11. Бритвин С.Н., Мурашко М.Н., Верещагин О.С., Вапник Е., Шиловских В.В., Власенко Н.С., Пермяков В.В. Expanding the speciation of terrestrial molybdenum: discovery of polekhovskyite, MoNiP2, and insights into the sources of Mo-phosphides in the Dead Sea Transform area American Mineralogist, vol. 107 (2022) (год публикации - 2021).

12. Бритвин С.Н., Мурашко М.Н., Кржижановская М.Г., Верещагин О.С., Вапник Е., Шиловских В.В., Ложкин М.С., Оболонская Е.В. Nazarovite, Ni12P5, a new terrestrial and meteoritic mineral structurally related to nickelphosphide, Ni3P American Mineralogist, v. 107 (2022) (год публикации - 2021).

13. Шарыгин В.В., Бритвин С.Н., Каминский Ф.В., Вирт Р., Нигматулина Е.Н., Яковлев Г.А., Новоселов К.А., Мурашко М.Н. Ellinaite, CaCr2O4, a new natural post-spinel oxide from Hatrurim Basin, Israel, and Juína kimberlite field, Brazil European Journal of Mineralogy, том 33, выпуск 6, стр.727–742 (год публикации - 2021).