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 22-77-10033

НазваниеМинералы группы полевого шпата в условиях глубинных оболочек Земли

РуководительГорелова Людмила Александровна, Кандидат геолого-минералогических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

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 словаполевые 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.

Ожидаемые результаты
Результаты работы будут включать в себя: (1) данные по эволюции структур, условиям стабильности и фазовых трансформаций различных модификаций соединений группы полевого шпата при изменении температуры и давления; (2) выявленные корреляции между химическим составом, топологией и стабильностью кристаллической структуры при экстремальных условиях; (3) выявление закономерностей, описывающих структурное поведение минералов, как функцию каркасообразующих катионов (Si, B, Be, Al, As, Zn, Ga, Ge) и внекаркасных катионов (Ca, Sr, Ba, Pb). Высокий уровень предполагаемых исследований подтверждается активным сотрудничеством авторов настоящего проекта с различными зарубежными научными группами и публикациями результатов в высокорейтинговых журналах, входящих в первый квартиль. Прямым подтверждением этого является также факт получения на конкурсной основе экспериментального времени на источниках синхротронного излучения в Гамбурге (Германия) и Гренобле (Франция). Результаты будут важны не только для геологии, так как позволят понять процессы, происходящие во внутренних оболочках Земли, но и для материаловедения, так как предполагается изучение новых фаз, устойчивых при высоких температурах и / или давлениях.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Высокотемпературное поведение BaAs2Zn2O8∙H2O изучено in situ методами монокристалльной рентгеновской дифракции и Рамановской спектроскопии вплоть до температуры дегидратации и вызванного ей фазового перехода. При нагревании исследуемое соединение претерпевает процесс дегидратации с образованием BaAs2Zn2O8, стабильного до температуры не ниже 525 °С. При нагреве до 150 °С наблюдается резкое смещение всех Рамановских линий в низкочастотной области (70–1100 см–1). В области 3000–3600 см–1 при указанной температуре все линии исчезают, что подтверждает процесс дегидратации BaAs2Zn2O8∙H2O. Переход от BaAs2Zn2O8∙H2O к безводной модификации BaAs2Zn2O8 сопровождается повышением симметрии от P21 к Р21/с с сохранением топологии каркаса. В зависимости от метода исследования температура фазового перехода составляет 150 °С (Рамановская спектроскопия) или 300 °С (рентгеноструктурные исследования), что, по-видимому, связано с разным способом нагрева образца. 2. Стабильность и процессы фазового превращения SrGe2B2O8 исследованы in situ при экстремальных условиях (до 960 ºC / 40 ГПа) с использованием монокристалльной и порошковой рентгеновской дифракции. Указанное соединение является стабильным до 900 °С, когда оно начинает разлагаться с образованием SrGe4O9 и Sr2B2Ge4O14. При высоких давлениях SrGe2B2O8 претерпевает два фазовых перехода, сопровождающихся образованием димеров B2O7 и ступенчатым увеличением координационного числа Ge от 4 до 5 и 6. Это необычное увеличение координационного числа каркасообразующего катиона является аналогичным поведению кремния в изоструктурном CaSi2B2O8. На основании данных полученных в ходе работы, а также ранее опубликованных данных, выдвинуто предположение о том, что наблюдаемые различия в поведении изоструктурных фаз с топологией парацельзиана обусловлены различной способностью к сжатию тетраэдрических катионов (Si, Al, B). 3. В обощающей работе посвященной соединениям с топологией парацельзиана приведены новые данные о высокотемпературном поведении парацельзиана (по данным высокотемпературной порошковой рентгеновской дифракции) и проведен сравнительный анализ поведения минералов семейства полевых шпатов с топологией парацельзиана (ПШТП) (7 минералов: 3 боросиликата, 2 алюмосиликата, 2 бериллофосфата) при изменении температуры и давления. Высокотемпературные исследования 5 минералов ПШТП (данбурит, малеевит, пековит, парацельзиан, слаусонит) показали, что все они стабильны до 800 °C и выше. При этом лишь парацельзиан претерпевает полиморфный переход (при 930 °C), в то время как остальные минералы разлагаются или аморфизуются. Структурные деформации этих минералов показывают разную степень анизотропии при нагреве, однако среднее объемное термическое расширение одинаково для всех них (αV = 23 × 10–6 ºC–1). Высокобарические исследования 6 минералов ПШТП (данбурит, малеевит, пековит, парацельзиан, слаусонит, херлбатит) показали, что при сжатии они претерпевают фазовые переходы с постепенным увеличением координационного числа каркасообразующих катионов (от 4 до 5 и 6). Формирование необычных структурных единиц (например, пятикоординированных полиэдров) может оказывать влияние на концентрирование и процессы транспортировки элементов, что нужно учитывать при интерпретации геохимических и геофизических данных. Исследования показали, что диапазон стабильности кристаллической структуры исследованных минералов при высоких давлениях сильно зависит от химического состава каркаса: алюмосиликаты наименее стабильны и претерпевают фазовые переходы при давлениях ниже 6 ГПа; боросиликаты сохраняют свою исходную структуру до ~20 ГПа; бериллофосфаты – не претерпевают фазовых превращений до 75 ГПа. Показано, что путь преобразования изоструктурных соединений зависит как от каркасообразующих, так и внекаркасных катионов, что вызывает сложности с предсказанием их поведения в экстремальных условиях.

 

Публикации

1. Горелова Л., Хандархаева С., Юхно В., Кржижановская М., Верещагин О., Дубровинский Л. Topologically prone or cation compression restricted phase transition: An example of feldspar-related SrGe2B2O8 Journal of Alloys and Compounds, том 938, N 168642 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.168642

2. Горелова Л.А. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ПОЛЕВОШПАТОВЫХ МИНЕРАЛАХ С ТОПОЛОГИЕЙ ПАРАЦЕЛЬЗИАНА ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ ГЕОЛОГИЯ И ГЕОФИЗИКА, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.15372/GiG2023108

3. Горелова Л.А., Верещагин О.С., Бочаров В.Н.,Панькин Д.В., Джордевич Т. Temperature-Induced Phase Transition in a Feldspar-Related Compound BaZn2As2O8∙H2O Minerals, 12(10), 1262 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/min12101262