Самородное железо в минеральных системах Земли: генезис и высокотемпературная окислительная эволюция

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 23-77-10025

НазваниеСамородное железо в минеральных системах Земли: генезис и высокотемпературная окислительная эволюция

Руководитель Верещагин Олег Сергеевич, Кандидат геолого-минералогических наук

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

Конкурс №85 - Конкурс 2023 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; 07-205 - Минералы, их ассоциации и процессы минералообразования

Ключевые слова минерал, кристаллохимия, самородное железо, метеорит, базальт, пирометаморфизм

Код ГРНТИ38.35.00, 38.35.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Железо является одним из наиболее распространённых элементов в составе Земли и Солнечной системы в целом. Большинство известных минералов железа содержат его в качестве катиона, в то время как самородное железо встречается сравнительно редко. Первые находки самородного железа связаны с железными и железо-каменными метеоритами. Земное (теллурическое) железо было впервые описано только в конце XIX века в базальтах острова Диско (Гренландия). К настоящему времени природное самородное железо обнаружено во всех классах метеоритов, мантийных ксенолитах, магматических эффузивных, магматических интрузивных и метаморфических породах. Минералогия природных систем с самородным железом является предметом научного интереса с XIX века, однако, ряд объектов остается мало изученными или минералогически не охарактеризованными вследствие их редкости и мелкозернистости. Помимо этого, существуют различные генетические теории их образования и за последние годы был открыт ряд новых уникальных земных пород, сформировавшихся в резко восстановительных условиях, исследования которых ежегодно приводят к новым открытиям. Для систем с самородным железом можно выделить две характерные (и минералогически наиболее богатые и интересные) ассоциации – первичную, в которой вместе с железом присутствуют минералы, кристаллизация которых происходила в резко восстановительных условиях (карбиды, фосфиды, силициды и др.), и вторичную – сформировавшуюся в ходе высокотемпературного безводного окисления. Процессы высокотемпературного (выше 800 ˚С) окисления систем с самородным железом практически всегда наблюдаются в подобных объектах, поскольку метеоритное вещество преодолевает атмосферу Земли, а Земные породы с железом формируются / преобразуются при высоких температурах. Метеоритная абляция – это совокупность процессов высокотемпературного окисления, плавления и испарения вещества космического тела при его прохождении через атмосферу. Благодаря плавлению в атмосфере и быстрому охлаждению на поверхности Земли, окисленные фазы «консервируются» после падения, что, вероятнее всего, обуславливает присутствие во внешних зонах метеоритов ряда минеральных фаз и специфических агрегатов (в том числе – безводных фосфатов и эвтектик). Безводные фосфаты – продукты окислительного пиролиза фосфидов, содержащихся в исходном металле метеорита, обнаружены в окисленной зоне железных и железо-каменных метеоритов в продуктах окисления метеоритного Fe-Ni металла. Схожие ассоциации установлены в пирометаметаморфических породах, где в процессах высокотемпературного безводного окисления также формируются фосфаты – продукты окислительного пиролиза земных фосфидов. Безводные фосфаты ассоциируют с самородным железом и в базальтах, что указывает на генетическую близость рассматриваемых фаз. При этом, необходимо отметить, что земные фосфаты, как правило, лучше окристаллизованы и обладают большим разнообразием, однако мало изучены. Отдельный минералогический интерес представляют эвтектические срастания самородного железа с сульфидами, фосфидами и карбидами. Природные эвтектические сплавы железа обнаружены как в космических, так и земных объектах. Несмотря на сравнительную распространённость эвтектических сплавов железа в природных объектах, в большинстве случаев исследователи лишь отмечают их наличие и не используют важную генетическую информацию, содержащуюся в подобных находках. Таким образом, анализ литературных источников свидетельствуют об актуальности поставленной темы, а также на сравнительно малую охарактеризованность выбранной группы объектов. Такие исследования позволят получить генетическую информацию об окислительно-восстановительных условиях, температурах и давлениях в процессе кристаллизации. Помимо этого, полученная информация может быть использована при создании новых материалов, так как рассматриваемых системы являются природными аналогами технически важных сплавов (чугунов и сталей).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Верещагин О.С., Хмельницкая М.О., Мурашко М.Н., Вапник Е., Зайцев А.Н., Власенко Н.С., Шиловских В.В., Бритвин С.Н. Reduced mineral assemblages of superficial origin in west-central Jordan Mineralogy and Petrology, 118, 305–319 (год публикации - 2024)
10.1007/s00710-024-00851-8

2. Верещагин О.С., Хмельницкая М.О., Камаева Л.В., Власенко Н.С., Панькин Д.В., Бочаров В.Н., Бритвин С.Н. Telluric iron assemblages as a source of prebiotic phosphorus on the early Earth: Insights from Disko Island, Greenland Elsevier, Geoscience Frontiers, 15, 101870 (год публикации - 2024)
10.1016/j.gsf.2024.101870

3. Верещагин О.С., Шиловских В.В., Камаева Л.В., Хмельницкая М.О., Горелова Л.А., Вапник Е., Власенко Н.С., Бритвин С.Н. Iron-based eutectics, a valuable geological record LITHOS, LITHOS 504–505, 108057 (год публикации - 2025)
10.1016/j.lithos.2025.108057

4. Верещагин О.С., Хмельницкая М.О., Копылова А.Г., Соловьева Ю.В., Кржижановская М.Г., Касаткин А.В., Горелова Л.А., Власенко Н.С., Бритвин С.Н. Olgafrankite, Ni3Ge, a new mineral, the carrier of siderophile germanium in reduced systems American Mineralogist, American mineralogist, номер тома уточняется (год публикации - 2025)
10.2138/am-2024-9714

5. Бритвин С.Н., Мурашко М.Н., Кржижановская М.Г., Вапник Е.В., Власенко Н.С., Верещагин О.С., Панькин Д.В., Васильев Е.А. Moabite, NiFe3+(PO4)O, a new natural oxyphosphate European Journal of Mineralogy, European Journal of Mineralogy (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Изучены минеральные ассоциации, приуроченные к теллурическому (земному) самородному железу из вулканических пород о. Диско, Гренландия. Детально рассмотрены формы нахождения в этих породах фосфора, который содержится в самородном железе, различных фосфидах (шрейберзите, Fe3P, никельфосфиде, Ni3P, баррингерите, Fe2P), фосфатах (фторапатите и безводных фосфатах железа и натрия) и силикатах (обогащенные фосфором оливин и пироксен). Разнообразие наблюдаемых минеральных форм фосфора можно объяснить резкими изменениями окислительно-восстановительных условий во время приповерхностной кристаллизации лав. Детально изучены безводные фосфаты железа и натрия; показано их сходство с аналогичными фазами железных метеоритов. Впервые детально задокументирована находка никельфосфида (минерала железных метеоритов) в земных породах. 2. Изучены эвтектические структуры с самородным железом в вулканических породах о. Диско, Гренландия, и метаморфическим породах формации Хатрурим, Израиль. В дополнение к природным образцам синтезированы сплавы Fe-P, что позволило реконструировать состав и скорости охлаждения исходного расплава. Несмотря на различную геологическую обстановку двух проявлений, сильно восстановительная (на несколько единиц ниже Fe–FeO буфера) и высокотемпературная (~1200 ºC) среда приводит к появлению одинаковых расплавов железа, содержащих P и C. Их последующая быстрая кристаллизация (скорость охлаждения до 5 ºC/мин) приводила к формированию различных эвтектических структур: железо – когенит (Fe3C), железо – шрейберзит (Fe3P), когенит – шрейберзит и железо – баррингерит (Fe2P). Обнаруженные эвтектические структуры ясно указывают на возможность образования расплава железа в условиях низкого давления и умеренно высоких температур (характерных для базальтов), что может быть применимо и к ряду небесных тел. 3. В ходе исследования земных вулканических пород с самородным железом из Джалтульского интрузива (Норильский рудный район, Россия), обнаружен, детально описан и утвержден новый минерал – ольгафранкит, Ni3Ge (IMA 2024-048). Минерал, ранее упомянутый в метеорите Румурути (прототипе хондритов R-типа), был обнаружен в ассоциации с магнетитом и пентландитом. Другими сопутствующими минералами являются графит, когенит (Fe3C), тэнит (γ-Fe,Ni) (более 1 мас.% Ge), тетратэнит (FeNi) и различные сульфиды. В отраженном свете ольгафранкит ярко-белый с розовым оттенком. Анализ дифракции обратно рассеянных электронов показал, что ольгафранкит является кубическим и изоструктурен с синтетическим Ni3Ge. Минерал принадлежит к надгруппе перовскита, подгруппе аурикуприда. С точки зрения кристаллической структуры и химического состава ольгафранкит является прямым германиевым аналогом ниснита, Ni3Sn, и карлетонмурита, Ni3Si. Показано, что новый германид может быть важным носителем германия в некоторых восстановленных ассоциациях, в частности в железных и железо-каменных метеоритах, где хорошо известные значительные корреляции между никелем и германием могут быть объяснены присутствием ольгафранкита. 4. В ходе работ по детальному описанию пирометамофрческих пород формации Хатрурим с самородным железом, описан природный оксифосфат, моабит, NiFe3+(PO4)O. Моабит ассоциирует с диопсидом, анортитом, крокобелонитом CaFe3+2(PO4)2O, якубовичитом CaNi2Fe3+(PO4)3, гематитом, негевитом NiP2, мурашкоитом FeP, трансиорданитом Ni2P, халамишитом Ni5P4 и самородным железом. Моабит является первым минералом, который кристаллизуется в структурном типе α-Fe2PO5 (α-Fe2OPO4). Недавнее открытие оксифосфатов железа в железном метеорите Эль Али (El Ali) показывает сходство процессов в земных породах с самородным железом и железных метеоритах.

Публикации