КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 21-77-00069

НазваниеIn situ исследование механизмов термической эволюции продуктов эксгаляционной деятельности вулкана Толбачик (полуостров Камчатка, Россия) на примере новых и редких минералов, прежде всего сульфатов, а также их синтетических аналогов

РуководительШаблинский Андрей Павлович, Кандидат геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук, г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2023 

Конкурс№60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

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

Ключевые словаМинералы, неорганические соединения, сульфаты, кристаллическая структура, термическое поведение, Толбачик

Код ГРНТИ38.35.17

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последнее время активно развиваются такие междисциплинарные направления, которые условно можно охарактеризовать как «от минералов к перспективным материалам» и «минералообразование как основа для разработки природоподобных технологий, эффективных методик синтеза в лабораторных условиях». Настоящий проект планируется к реализации, опираясь на оба перечисленных направления, и будет сосредоточен на объектах вулкана Толбачик (полуостров Камчатка, Россия). Вулкан Толбачик занимает лидирующее место в мире по числу открытых новых минеральных видов, многие из которых активно исследуются как перспективные структурные типы для создания минералоподобных материалов, обладающих комплексом полезных свойств, а условия их образования в природной среде впоследствии успешно реализуются в лабораториях. Таким образом, поиск новых минеральных видов и структурных типов – прототипов перспективных материалов, – равно как и исследование геохимических процессов, в частности, минералообразования в условиях эксгаляционной активности с целью последующей разработки эффективных методик синтеза минералоподобных материалов являются на сегодняшний день актуальными задачами в области междисциплинарных исследований (науки о Земле, материаловедение, физическая химия). Настоящий проект посвящен решению фундаментальной научной задачи, или проблемы – поиску и исследованию новых и некоторых известных минералов, являющихся продуктами эксгаляционной деятельности вулкана Толбачик, выявлению условий синтеза и последующему получению их синтетических аналогов, а также определению прочностных свойств слагающих их кристаллическую структуру различных оксоцентрированных группировок (кластеры, цепочки, слои). В рамках проекта будет исследовано кристаллическое строение, термические и прочностные свойства, механизмы термической эволюции, структурной преемственности и перестройки с изменением температуры в данных соединениях. Данная задача будет решена посредством привлечения комплекса in situ методов (главным образом, рентгендифракционных в широком интервале температур), с помощью которого планируется детально исследовать новые и некоторые известные минеральные виды, определить их кристаллическую структуру и химический состав, исследовать их термические свойства (фазовые переходы, их температурные границы, структурная трактовка термического расширения, расчет коэффициентов термического расширения, расчет термических и прочностных характеристик для оксоцентрированных группировок), которые, в частности, помогут установить кристаллохимические особенности и этапы минералообразования прежде всего сульфатов в условиях поствулканической фумарольной активности вулкана Толбачик. В рамках проекта будут решены следующие задачи: (1) по предварительному анализу отобранного ранее полевого материала имеются все предпосылки для установления 1-2 новых минеральных видов, будет определен полный набор их минералого-кристаллографических данных; (2) будет исследовано термическое поведение новых и некоторых известных минералов с вулкана Толбачик, представляющих собой репрезентативную выборку для решения поставленной научной задачи (добровольскийит, петровит, бубноваит, федотовит, пийпит, камчаткит, атласовит, набокоит), будут установлены механизмы их термической эволюции с помощью анализа поведения структурных группировок; (3) будут смоделированы условия природного процесса минералообразования для синтеза аналогов петровита и добровольскийита, по анализу кристаллического строения являющихся перспективными материалами для натрий-ионных аккумуляторов (имеются положительные предпосылки к успешному выполнению их синтеза). Результатом решения перечисленных задач станет объяснение механизмов термической эволюции перечисленных природных и синтетических соединений на основе комплекса полученных оригинальных термокристаллохимических данных, что позволит более детально исследовать частные особенности процессов эксгаляционной деятельности вулкана Толбачик. По результатам работы планируется публикация 4 статей в научных изданиях Q1 и Q2, индексируемых Web of Science и Scopus, также планируется участие в научных конференциях. Авторы проекта относятся к ведущей научной школе в области термокристаллохимических и терморентгенографических исследований, располагают представительными коллекциями по исследуемым объектам и имеют существенный задел в работах по большинству из них, что создает основы для успешного выполнение данного проекта.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта планируется получить следующие результаты: 1) Будет определен полный набор минералого-кристаллографических характеристик 1-2 новых минералов, отобранных ранее на фумаролах Большого трещинного Толбачинского извержения (БТТИ) (полуостров Камчатка, Россия). 2) Экспериментально, комплексом in situ рентгендифракционных методов в широком интервале температур и термического анализа (ДСК, ТГ), будут определены термические свойства, механизмы термической эволюции, структурной преемственности и перестройки следующих сульфатов, имеющих структурные соотношения с родительской фазой α-Na2SO4 (добровольскийит Na4Ca(SO4)3, бубноваит K2Na8Ca(SO4)6), петровита Na10CaCu2(SO4)8, структурный тип которого перспективен для ионной проводимости, и сульфатов представляющих собой репрезентативную выборку по принципу наличия в их структуре оксоцентрированных группировок (кластеры, цепочки, слои): федотовит Cu3K2O[SO4]3, пийпит Cu4K4O2[SO4]4(Na,Cu)Cl, камчаткит Cu3KO[SO4]2Cl, атласовит KCu6Fe3+BiO4(SO4)5Cl, набокоит KCu6CuTe4+O4(SO4)5Cl. В частности, будут установлены фазообразование, фазовые переходы и их температурные границы, будет дана структурная трактовка термического расширения, рассчитаны коэффициенты термического расширения, рассчитаны термические и прочностные характеристики структурных единиц. 3) В частности, будут выполнены анализ природы термической эволюции, вычислены коэффициенты термического расширения и выявлены шарнирные деформации для следующих оксоцентрированных структурных группировок данных минералов: (1) связанных по ребру тетраэдров [OCu3] в кристаллической структуре федотовита; (2) связанных по вершинам и ребрам цепочек [OCu3] и [OCu2] в кристаллических структурах камчаткита и пийпита; (3) связанных по вершинам и ребрам слоев в кристаллических структурах набокоита [O2Cu3Te2] и атласовита [O2Cu3Bi2]. Это позволит понять, можно ли толковать прочностные свойства данных минералов, например, термическое расширение, с помощью оксоцентрированного подхода к описанию их кристаллического строения, а также расширит имеющиеся знания о формах переноса оксоцентрированных группировок посредством газового транспорта, осуществляющегося в условиях поствулканической фумарольной активности вулкана Толбачик. 4) На основе полученных данных будет выявлена структурная преемственность между данными минералами при фазовых переходах с изменением температуры, обусловлена ее взаимосвязь с термическими деформациями. 5) Будут выявлены условия для выполнения синтеза аналогов петровита и добровольскийита, по анализу кристаллического строения являющихся перспективными материалами для натрий-ионных аккумуляторов. 6) Результаты работ будут опубликованы в 4 статьях в научных изданиях Q1 и Q2, индексируемых Web of Science и Scopus, и представлены на различных конференциях. Поставленные задачи представляются возможными к выполнению, поскольку у коллектива авторов проекта имеется достаточный задел по заявленной тематике, а исследования будут проводится с учетом наработок ведущей научной школы почетного профессора Санкт-Петербургского государственного университета, д.г.-м.н. С.К. Филатова и д.х.н. Р.С. Бубновой (Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН, Санкт-Петербург), к которой принадлежит автор проекта, в области минералогических, кристаллохимических и физико-химических исследований минералов и соединений в широком интервале температур. Эксперименты будут выполнены на современном сертифицированном оборудовании. Данные исследования будут являться полностью оригинальными и будут представлять значительный интерес для мировой научной общественности, новизна результатов работы будет подтверждена публикациями в ведущих тематических научных изданиях, индексируемых Web of Science и Scopus, в журналах Q1 и Q2. Новые минералы будут утверждены Комиссией по новым минералам, названиям и классификации Международной минералогической ассоциации (CNMNC IMA). Результаты работы будут представлены на международных и российских конференциях.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Камчатский вулкан Толбачик подарил нам около 130 новых минералов. В мире, по разным оценкам, насчитывается менее 6 тысяч минералов). 50 из них открыла группа профессора Филатова совместно со специалистами Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской академии наук, расположенного в Петропавловске-Камчатском. Во время извержения на вулкане формируются фумаролы — небольшие трещины, по которым поднимаются струи горячих паров и газов, выделяющихся из магмы. Вулканические газы образуют минеральные отложения, в которых исследователи и находят новые кристаллические вещества и минералы. Но найти минерал – это еще полдела. Надо доказать, что он действительно уникальный и ему нет аналогов. Для этого определяют химический состав, кристаллическую структуру и много других параметров. После всесторонней «расшифровки» минерал сравнивают с другими (все они занесены в общий банк данных), и только потом делают вывод о новизне. Как называют минералы Традиционно минералы называют по химическому составу, физическим характеристикам, географическим названиям, но чаще всего – по личным именам. Практиковать это начали еще в 18 веке. Как правило, минералы называют в честь ученых, внесших весомый вклад в науку о Земле, в том числе и ныне живущих. Медведевит был обнаружен вулканологом Каргопольским в 2020 в пещере Толудского лавового поля, образовавшегося в результате трещинного извержения вулкана Толбачик в 2012-2013 гг., в ассоциации с такими минералами, как тенардит, галит, афтиталит и другими. Кристаллы медведевита были расположены внутри кристаллов другого минерала - тенардита. Внешне они представляют собой тонкие прозрачные иголочки ярко-красного цвета. Кристаллическая структура медведевита состоит из атомов ванадия, кислорода, марганца, калия, хлора и двух молекул воды. В утверждении медведевита большую роль сыграл старший научный сотрудник Лаборатории структурной химии оксидов Институт химии силикатов РАН Андрей Шаблинский. Все работы проводились под общим руководством Почетного профессора СПбГУ Станислава Константиновича Филатова. С открытия медведевита прошло мало времени, поэтому говорить о его практическом использовании рано. В настоящее время минерал передан в минералогический музей Санкт-Петербургского государственного университета.

 

Публикации

1. Вергасова Л.П., Филатов С.К., Москалева С.В., Назарова М.А., Шаблинский А.П. Постэруптивная деятельность Третьего конуса Северного прорыва Большого трещинного Толбачинского извержения (Камчатка, 1975-1976 гг.) Вулканология и семсология, 2022. Номер 3. Страницы 12-27. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0203030622030051

2. Шаблинский А.П., Авдонцева М.С., Вергасова Л.П., Филатов С.К., Авдонцева Е.Ю., Поволоцкий А.В., Москалева С.В., Каргопольцев А.А., Бритвин С.Н., Шорец О.Ю. Medvedevite, KMn2+V5+2O6Cl∙2H2O, a new fumarolic mineral from the Tolbachik fissure eruption 2012-2013, Kamchatka Peninsula, Russia Mineralogical Magazine, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1180/mgm.2022.38

3. Шаблинский А.П., Вергасова Л.П., Филатов С.К., Москалева С.В. Arsenowagnerite-Mabc Mg2(AsO4)F, a New Polytype from Tolbachik Volcano, Kamchatka, Russia Glass Physics and Chemistry, 2021, V. 47. S1. P. S75-S-81 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1134/S1087659621070087

4. Демина С.В., Шаблинский А.П., Филатов С.К., Вергасова Л.П., Москалева С.В. Первая находка минерала лейтонита K2Ca2Cu(SO4)4*2H2O на вулкане Толбачик, Камчатка, Россия Тезисы докладов X Международной научной конференции молодых ученых "Молодые - Наукам о Земле", 2022. Том 2. Страницы 147-151 (год публикации - 2022)

5. Шаблинский А.П., Авдонцева М.С., Вергасова Л.П., Филатов С.К., Авдонцева Е.Ю., Поволоцкий А.В., Москалева С.В., Каргопольцев А.А., Бритвин С.Н., Шорец О.Ю. Медведевит, KMn2+V2O6Cl·2H2O, новый минерал с вулкана Толбачик, полуостров Камчатка, Россия Тезисы докладов X Международной научной конференции молодых ученых "Молодые - Наукам о Земле", 2022. Том 2. Страницы 181-185 (год публикации - 2022)

6. Шорец О.Ю, Шаблинский А.П., Филатов С.К., Бубнова Р.С. Синтез нового минерала добровольскийита и его термическое расширение «Издательство «ЛЕМА», Санкт-Петербург, Сборник тезисов конференции "ВТОРОЙ МЕЖДУНАРОДНЫЙ СИМПОЗИУМ «ХИМИЯ ДЛЯ БИОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, ЭКОЛОГИИ И СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА", Страница 161 (год публикации - 2021)

7. Шаблинский А.П., Авдонцева М.С., Вергасова Л.П., Филатов С.К., Авдонцева Е.Ю., Поволоцкий А.В., Москалева С.В., Каргопольцев А.А., Бритвин С.Н. Medvedevite, IMA 2021-082 European Journal of Mineralogy, том 32 (год публикации - 2021)

8. - Сокровищница под ногами Журнал «Профиль», - (год публикации - )

9. - Медведевит. Именем нашего коллеги назван минерал, обнаруженный на Камчатке Газета "За медь", - (год публикации - )

10. - Исследование ученых ЛЭТИ позволит получить новые данные о минералах, перспективных для разработки магний-ионных батарей Российский научный фонд, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект посвящен поиску и исследованию новых и некоторых известных минеральных видов, являющихся продуктами эксгаляционной деятельности вулкана Толбачик (полуостров Камчатка, Россия), а также выявлению условий синтеза и последующему получению их синтетических аналогов – прототипов перспективных материалов. Исследованы процессы, непосредственно влияющие на функциональные свойства минералов и материалов на их основе, а именно: фазовые переходы, их температурные границы, структурная трактовка термического расширения, расчет коэффициентов термического расширения. Исследования термического расширения федотовита и пийпита показали большие перегибы на зависимостях параметров элементарной ячейки от температуры, вызванные, по всей видимости, миграцией ионов калия, что позволяет рассматривать их в качестве гипотетических твердотельных электролитов для K-ионных аккумуляторов. Установлены температурные границы существования минерала лейтонита, рассчитаны главные значения тензора термического расширения, а также дана структурная трактовка термического расширения. Лейтонит стабилен до 325 оС, с повышением температуры он начинает разлагаться на фазы высокотемпературного кубического K2Ca2(SO4)3 (P213) и CuSO4. Наблюдается отрицательное термическое расширение вдоль оси α33 и отрицательное угловое термическое расширение αβ вследствие сдвиговых деформаций. По всей видимости, изменение углов между полиэдрами CaO8 и тетраэдрами SO4 приводит к резкому расширению по направлению, близком к оси тензора α11, которое приблизительно соответствует малой диагонали параллелограмма ac, и резко отрицательному расширению по оси α33, которая соответствует большой диагонали параллелограмма ac. Возможные причины подобного расширения могут быть связаны с расположением в структуре катионов Cu, заполняющих пустоты каркаса. Анизотропия прочностей связей медных полиэдров и позволяет проявляться шарнирному механизму сдвиговых деформаций кристаллической структуры лейтонита при нагревании за счет того, что полиэдры Cu(1)O4 имеют предпочтительную ориентировку практически перпендикулярно малой диагонали параллелограмма ac. Минералы и соединения ряда Na2SO4-K2SO4 впервые рассмотрены как модульные структуры. Установлено, что модуль [M(TO4)6] состоящий из октаэдра, имеющего шесть общих углов с шестью соседними тетраэдрами, является унаследованным фрагментом кристаллических структур из неупорядоченной родительской структуры. Описана взаимосвязь между «материнским» модулем и теми, которые образуются при охлаждении от высокой температуры. На основе этого соотношения были получены пятнадцать возможных типов модулей при сохранении тригональной симметрии микроблоков. Изучена анизотропия термического расширения 6 фаз (пийпита K4Cu4O(SO4)4∙(Na,Cu)Cl, глауберита Na2Ca(SO4)2, бубноваита K2Na8Ca(SO4)6 и его высокотемпературной модификации, маттеучита и α-NaHSO4, подана заявка на новый минеральный вид (2022-062). Результаты проекта за второй год представлены в двух статьях в журналах Записки Российского минералогического общества и Физика и химия стекла, тезисах четырех докладов.

 

Публикации

1. Демина С.В., Шаблинский А.П., Филатов С.К., Бирюков Я.П., Вергасова Л.П., Кржижановская М.Г., Бубнова Р.С., Москалева С.В. Низко- и высокотемпературные исследования минерала лейтонита K2Ca2Cu(SO4)4·2H2O (п-ов Камчатка, Россия)» Записки Российского минералогического общества, - (год публикации - 2023)

2. Шаблинский А.П., Филатов С.К., Бирюков Я.П., А.А. Юрьев, Л.П. Вергасова ТЕРМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ ФЕДОТОВИТА K2Cu3O(SO4)3 И ПИЙПИТА K4Cu4O(SO4)4∙(Na,Cu)Cl Физика и химия стекла, Том 49, №4, С. 1-11. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0132665123600206

3. Демина С. В., Шаблинский А.П., Бирюков Я.П., Филатов С.К., Бубнова Р.С., Вергасова Л.П., Москалева С.В. МИНЕРАЛ ЛЕЙТОНИТ K2Ca2Cu(SO4)4·2H2O – (КАМЧАТКА, РОССИЯ): HT- И LT- ПОВЕДЕНИЕ Институт геологии и геохимии УрО РАН, Екатеринбург, - (год публикации - 2023)

4. Демина С.В. Шаблинский А.П., Филатов С.К., Вергасова Л.П. ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ТЕРМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ МИНЕРАЛА ЛЕЙТОНИТА K2Ca2Cu(SO4)4·2H2O (ВУЛКАН ТОЛБАЧИК, КАМЧАТКА, РОССИЯ) Издательство «ЛЕМА»,, С. 45 (год публикации - 2022)

5. Шаблинский А.П., Филатов С.К., Бирюков Я.П., Бубнова Р.С. МОДУЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ РЯДА Na2SO4-K2SO4, Ca2SiO4 СТРУКТУРНО СХОДНЫХ МИНЕРАЛОВ (БУБНОВАИТА И ДОБРОВОЛЬСКИЙИТА) НАСЛЕДОВАННЫХ ОТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ РАЗУПОРЯДОЧЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ Институт геологии и геохимии УрО РАН, Екатеринбург, - (год публикации - 2023)

6. Шаблинский А.П., Филатов С.К., Вергасова Л.П., Бубнова Р.С. IN SITU ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ТЕРМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ НЕКОТОРЫХ МИНЕРАЛОВ ВУЛКАНА ТОЛБАЧИК Издательство «ЛЕМА», С. 129 (год публикации - 2022)

7. Шаблинский А.П., Филатов С.К., Вергасова Л.П., Бубнова Р.С. IN SITU ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ НЕКОТОРЫХ МИНЕРАЛОВ ВУЛКАНА ТОЛБАЧИК Издательство Бурятского научного центра СО РАН, Улан-Удэ, С. 193-194 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31554-978-5-7925-0619-0-2022-4-689

Возможность практического использования результатов
Исследования термического расширения федотовита и пийпита показали большие перегибы на зависимостях параметров элементарной ячейки от температуры, вызванные, по всей видимости, миграцией ионов калия, что позволяет рассматривать их в качестве гипотетических твердотельных электролитов для K-ионных аккумуляторов.