Блог

 

¹ФИАН им. П.Н. Лебедева, Москва, natalya_okateva@mail.ru

²ИПТМ РАН, Черноголовка,Egorov@iptm.ru

³ГЕОХИ РАН им. В.И. Вернадского, Москва, leokash@mail.ru

 

В работе кратко обсуждаются кристаллографические и физические свойства оливинов. Проведен анализ состава и совершенства структуры группы природных оливинов различного генезиса методами рентгеновской и ионопучковой диагностики. Предложен простой способ тестирования природных оливинов путем дифрактометрии текстур получаемых за счет наличия магнитокристаллической анизотропии этих кристаллов.

 

Минерал оливин представляет собой твердый раствор (Mg_1-xFe_x)₂SiO₄, крайние члены которого имеют название форстерит (Mg₂SiO₄) и фаялит (Fe₂SiO₄). Интерес к изучению свойств и особенностей этого минерала обусловлен тем, что он является одной из важнейших составляющих верхней мантии земли и одновременно представляет одну из двух основных фаз железокаменных метеоритов (палласитов) [Willie; 1971]. В частности, сравнительный анализ примесного состава и степени неидеальности кристаллической структуры оливинов разных составов земного и внеземного происхождения позволяет надеяться на использование этого минерала в качестве независимого детектора энергии и массы частиц в потоках космической радиации.

Оливин относится к ромбической сингонии, группа D_2h¹⁶ – P_bnm. Параметры элементарной ячейки этого минерала варьируют от а₁=0.4762 нм, b₁=1.0225 нм, c₁=0.5994 нм, соответствующих форстериту, до а₂=0.4815 нм, b₂=1.0466 нм, c₂=0.6099 нм, свойственных фаялиту [Birle; 1968]. Это соответствует следующим интервалам изменения параметров: Dа=0.0053 нм, Db=0.0241 нм, Dс=0.0105 нм. Координационное число структуры z=4. При изменении состава от форстерита к фаялиту плотность оливинов меняется от 3.2 до 4.4 г/см³. Mg₂SiO₄ бесцветен. Замещение атомов Mg на Fe приводит к появлению зеленоватого оттенка, а при значительной концентрации железа – к изменению цвета до коричневато-черного. При взаимодействии с магнитным полем фаялит демонстрирует диамагнитное поведение. При появлении в структуре атомов Fe оливин начинает проявлять парамагнитные свойства анизотропного характера. Например, для кристалла (Mg_0.98Fe_0.02)₂SiO₄ магнитная восприимчивость вдоль кристаллографических осей имеет значения c_с=77.2×10^-6; c_b=58.2×10^-6; c_a=56.9×10^-6 [Ferre; 2005].

В данной работе выполнены экспериментальные исследования оливинов земного и космического происхождения методами ионопучкового анализа [Егоров; 2006], рентгеновской дифрактометрии и рентгенофлуоресцентного анализа при полном внешнем отражении потока возбуждения от поверхности изучаемого образца (РФА ПВО) [Klockenkamper; 1997]. На рисунке 1 приведен РФА ПВО спектр монокристалла оливина (Mg0.880.12)2SiO4 с ориентацией (0k0) земного происхождения. Спектр характеризуется низкой фоновой составляющей и свободен от матричных эффектов. Он позволяет оценить относительное содержание в образце матричных элементов S и Fe и основных примесей Ca и Mn. В то же время, несмотря на высочайшую чувствительность РФА ПВО спектроскопии, на основе данного спектра невозможно адекватно оценить содержание всех матричных элементов оливиновой структуры. Такая оценка может быть осуществлена на основе аппроксимации спектров резерфордовского обратного рассеяния (РОР) ионов водорода. На рисунке 2 показаны экспериментальные спектры резерфордовского обратного рассеяния, полученные для случайной ориентации кристалла относительно направления распространения потока ионов Н⁺ и осевого каналирования вдоль направления [0k0], а также теоретические спектры. Обработка спектра случайной ориентации показала, что состав образца соответствует (Mg0.88Fe0.12)2SiO4. Спектр каналирования показывает на низкое кристаллическое совершенство данного кристалла, хотя на основе анализа данных дифрактометрии, приведенных на рисунке 3, это не очевидно. Там показан фрагмент дифрактограммы этого кристалла в области рефлекса (020), полученный с использованием медного излучения, а также угловая развертка этого рефлекса, зарегистрированная в условиях неподвижного детектора. Значение полуширины для обоих сечений узла обратной решетки, которые фактически представляют показанные фрагменты, не дают оснований ожидать низкого совершенства кристаллической решетки оливинового кристалла, хотя РОР измерения показывают обратное.Fe

Кроме изучения оливинов земного происхождения в работе были проанализированы кристаллы оливина из палласита Марьялахти. Результаты, приведенные в таблице 1, показывают, что состав этих оливинов группируется около двух концентрационных позиций: (Mg_0.93Fe_0.07)₂SiO₄ и (Mg_0.86Fe_0.14)₂SiO₄. Однако, имеющиеся данные не позволяют связать состав оливинов со степенью их монокристалличности. К сожалению, крайне малые размеры не позволили выполнить для них параллельные ионопучковые исследования.

Таблица 1. Результаты дифрактометрических исследований группы монокристаллов оливинов внеземного происхождения.

Еще одним направлением, отмеченным в работе, является использование магнитных текстур, позволяющих относительно легко классифицировать мелкокристаллические и порошковые оливиновые фракции по величине их параметра «с». Как было отмечено выше, магнитная восприимчивость парамагнитных оливинов максимальна вдоль оси «с», что позволяет получить их текстуры в магнитном поле удовлетворительного качества, фиксируя эти текстуры в таблетках эпоксидного клея. На рисунке 4 показаны фрагменты дифрактограмм, полученные для (Mg_0.93Fe_0.07)₂SiO₄ земного происхождения в условиях текстурированного и хаотического распределения мелкодисперсной кристаллической фракции в образцах. На дифрактограмме текстуры наблюдаются только рефлексы типа (00l), а их интенсивность оказывается несравнимо выше интенсивности рефлексов общего положения на дифрактограмме, соответствующей образцу с хаотически распределенной ориентацией кристаллитов по объему. Использование текстурирования во многих случаях может облегчить интерпретацию генезиса геологических пород по результатам диагностики их оливиновых фракций.

 

 

1. Егоров В.К., Егоров Е.В. // Интеграл. 2006-2007. №6, №1-2.

2. Birle J.D. et al. // Amer. Min. 1968. v53. P. 807-824.

3. Ferre E.C. et al. // Tectonophysics. 2005. V. 398. P. 141-166.

4.Klockenkamper R. Total Reflection X-ray Fluorescence Analysis. New York: Wiley,1997. 245 p.

5. Willie R.J. The Dynamic Earth: Textbook on Geoscience. New York: Wiley, 1971. 416 p.

 

 

Рис. 1. Спектр выхода рентгеновской флуоресценции для монокристалла (Mg_0.88Fe_0.12)₂SiO₄, ориентация (0k0), полученный в условиях полного внешнего отражения потока возбуждения МоКa. Цена канала dЕ=15.5 эВ, показан каждый второй канал.

Рис. 2. Экспериментальный и теоретические спектры РОР ионов Н⁺ (Е₀=1.1 МэВ), полученные для оливинового монокристалла (Mg_0.88Fe_0.12)₂SiO₄, ориентация (0k0), для его случайного углового положения относительно направления распространения ионов Н⁺ (&) и для положения осевого каналирования (/). Цена канала dЕ=1.9 кэВ, показан каждый третий канал.

Рис. 3. Фрагмент дифрактограммы области рефлекса (020) (а) для монокристалла (Mg_0.88Fe_0.12)₂SiO₄ (излучение FeKab) и развертка этого рефлекса в условиях фиксированного положения детектора 2q=21.76°.

Рис. 4. Дифрактограммы мелкополикристаллической фракции оливина (Mg_0.93Fe_0.07)₂SiO₄, полученные для хаотической ориентации кристаллитов (а) и “с”-текстуры (00l) (б).