Минералы группы полевого шпата в условиях глубинных оболочек Земли

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 проекта 22-77-10033

НазваниеМинералы группы полевого шпата в условиях глубинных оболочек Земли

Руководитель Горелова Людмила Александровна, Кандидат геолого-минералогических наук

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

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» 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 слова полевые шпаты, высокие давления, синхротронное излучение, фазовые переходы, высокие температуры, кристаллохимия, новые материалы

Код ГРНТИ38.41.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на развитие кристаллохимии минералов группы полевого шпата и структурно родственных им синтетических соединений при экстремальных условиях (высоких температурах и давлениях), соответствующих условиям глубинных оболочек Земли и планет земной группы. Минералы группы полевого шпата являются наиболее распространёнными соединениями земной коры, лунных высокогорий, ряда метеоритов, а также обнаружены в кометах, что делает их изучения важным и актуальным для геологии. Актуальность настоящего проекта состоит с одной стороны, в развитии фундаментальных основ динамической кристаллохимии (зависимости изменения кристаллической структуры от температуры, давления и химического состава), а с другой – с поиском новых функциональных материалов, устойчивых при экстремальных условиях. Уточненные данные о температурах и давлениях различных фазовых преобразований могут использоваться в качестве геотермометров и геобарометров, необходимых для геологических реконструкций и интерпретации геофизических данных. С другой стороны, получение новых полиморфов известных минералов и синтетических соединений и исследование пределов их стабильности позволит создать на их основе новые материалы с особыми физическими свойствами. Конкретная научная задача, решаемая в рамках настоящего проекта, заключается в исследовании кристаллических структур минералов группы полевого шпата и их синтетических аналогов в широком интервале температур (до 1000 °С) и давлений (до 100 ГПа), что позволит установить пределы стабильности и фазовые переходы, сопровождающиеся изменением структуры, а соответственно и свойств. Планируется детальное изучение кристаллохимии таких соединений различной топологии и состава с использованием самых современных экспериментальных методов. Это должно привести к получению принципиально новых фундаментальных результатов и внести весомый вклад в активно развивающуюся в последние годы кристаллохимию высоких температур и давлений. Обобщение результатов приведет к пониманию влияния состава и структуры минералов на их поведение при экстремальных условиях. В число задач настоящего проекта входит: (1) исследование кристаллических структур и фазовых переходов в минералах группы полевого шпата и их синтетических аналогов различного состава при высоких давлениях (уточнение структур при различных давлениях, фазовые переходы, тензор барических деформаций) методами рентгеноструктурного анализа и Рамановской спектроскопии; (2) исследование термического поведения (тензор теплового расширения, фазовые переходы) минералов группы полевого шпата методами порошковой и монокристальной терморентгенографии и Рамановской спектроскопии. Благодаря развитию экспериментальных технологий (а именно, синхротронных источников третьего и четвертого поколений одновременно с быстрым развитием методики разработки ячеек с алмазными наковальнями) кристаллохимия высоких давлений является относительно новым направлением в современных физике, химии, геологии и биологии. Согласно анализу публикационной активности в этой области за последние 15-20 лет, появляется все больше работ по исследованию природных и синтетических веществ при экстремально высоких давлениях (более 50 ГПа). Тогда как более ранние исследования, выполнявшиеся на обычных дифрактометрах, ограничивались давлениями в 15 ГПа и не позволяли в полной мере моделировать условия внутренних слоев Земли. Помимо этого, появление сверхбыстрых детекторов на обычных дифрактометрах позволило увеличить количество работ по исследованию кристаллического вещества методом монокристального рентгеноструктурного анализа при повышенных температурах. До недавнего времени выполнение таких исследований было возможно только методом Ритвельда с использованием поликристаллических образцов, т.е. при наличии относительно большого количества вещества, а приборы необходимые для монокристальных высокотемпературных экспериментов были единичными и не обладали высокой точностью. Авторы предлагаемого исследования обладают достаточным опытом в выполнении экспериментов при экстремальных условиях (как высоких температурах, так и высоких давлениях), что является залогом успешного выполнения данного проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Цельзиан (BaAl2Si2O8) является важным компонентом алюмосиликатных керамик, широко используемых при высоких температурах и давлениях. Однако большая часть данных о его поведении при высоком давлении / высокой температуре до настоящего исследования были получены с использованием поликристаллических многокомпонентных образцов. Впервые были проведены исследования стабильности и преобразования кристаллической структуры цельзиана при экстремальных условиях (до ∼22 ГПа / ∼1110 °C) с использованием рентгеновской дифракции. В условиях высокого давления цельзиан претерпевает три фазовых перехода: при давлениях ниже 10 ГПа основные изменения в кристаллической структуре цельзиана связаны с изменениями координационного числа Ba (цельзиан-II и цельзиан-III), тогда как при более высоких давлениях изменения связаны с изменением координационных полиэдров алюминия от тетраэдров AlO4 в октаэдры AlO6 (цельзиан-IV). Показано, что высокобарические превращения цельзиана существенно отличается от изоструктурных минералов. При изменении температуры цельзианы демонстрирует стабильность и низкие коэффициенты теплового расширения (αV = 12 × 10−6 °C−1), что обуславливает перспективность его использования в технике. 2. Рубиклин, RbAlSi3O8, является одним из трех известных минералов, содержащих существенное количество рубидия, и геохимически значимым членом семейства полевых шпатов. В ходе настоящей работы синтетический германиевый аналог рубиклина, RbAlGe3O8, был выращен гидротермальным методом через формирование промежуточного лейцитоподобного RbAlGe2O6. Кристаллическая структура RbAlGe3O8 была впервые определена прямыми методами по данным монокристальной рентгеновской дифракции. Фаза кристаллизуется в моноклинной симметрии (пространственная группа C2/m, a = 9,1237(9), b = 13,5679(6), c = 7,4677(4) Å, β = 116,687(6)°, V = 825,95(11) Å3) с параметрами ячейки, типичными для разупорядоченных полевых шпатов. Согласно высокотемпературному исследованию, RbAlGe3O8 с топологией полевого шпата необратимо преобразуется в лейцитоподобную фазу RbAlGe2O6 при 1050 °C. Термическое расширение исследуемого соединения демонстрирует небольшое отрицательное изменение вдоль оси b. Его объемное термическое расширение (αV = 20.3(1) ×10–6 °C–1) в диапазоне температур от 30 до 840 °C немного выше, чем у других близких соединений с топологией полевого шпата и видообразующим рубидием. 3. Кадмий является чрезвычайно токсичным тяжелым металлом, который накапливается в значительных количествах в приповерхностных средах, откуда он легко попадает в окружающую среду. В своей работе мы синтезировали ряд силикатов кадмия (CdAl2Si2O8, Cd2SiO4, Cd3Si3O9, Cd3(SiO4)O), которые являются перспективными материалами для его иммобилизации. Наиболее устойчивый и наименее изученный из них, кадмиевый аналог полевого шпата с формулой CdAl2Si2O8, был исследован с помощью сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии, порошковой и монокристальной рентгеновской дифракции (в диапазоне температур 27-1100 °C). Используя добавки щелочных катионов, нам удалось получить CdAl2Si2O8 при температуре 500 °C, что вдвое меньше, чем сообщалось ранее. Было показано, что кадмий может успешно входить в кристаллическую структуру полевого шпата, а его количество может варьироваться в зависимости от условий синтеза от 21 до 37 мас. % CdO. Наши данные показывают, что CdAl2Si2O8 стабилен как минимум до 1100 °C и не претерпевает никаких фазовых переходов. Таким образом, можно сделать вывод о том, что CdAl2Si2O8 является перспективным материалом для иммобилизации кадмия, учитывая его устойчивость к выщелачиванию и низкие температуры синтеза.

Публикации

1. Горелова Л.А., Бритвин С.Н., Кржижановская М.Г., Верещагин О.С., Касакин А.В., Кривовичев С.В. Crystal structure stability and phase transition of celsian, BaAl2Si2O8, up to 1100 ◦C / 22 GPa Ceramics International, Volume 50, Issue 24, Part B, Pages 54770-54777 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ceramint.2024.10.336

2. Горелова Л.А., Кржижановская М.Г., Юхно В.А., Шорц О.Ю., Верещагин О.С. Crystal structure and high-temperature transformation of RbAlGe3O8, a germanium analogue of rubicline, RbAlSi3O8 Mineralogical Magazine (год публикации - 2025)
10.1180/mgm.2025.6

3. Верещагин О.С., Горелова Л.А., Кржижановская М.Г.,Юхно В.А., Шорец О.Ю. Low temperature synthesis and high temperature behavior of feldspar-like CdAl2Si2O8, a promising material for cadmium immobilization Journal of Solid State Chemistry, 348, 125411 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jssc.2025.125411