Фазовые соотношения, структурные и электронные свойства ферропериклаза при высоких давлении и температуре

• Автор: Кантор, Иннокентий Юрьевич
• Шифр специальности: 25.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 132 с. : ил.

Содержание

Глава 1. Литературный обзор. Структурные и физические

свойства и фазовый состав в системе 1^0-Ге0,

значение ферропериклаза в строении мантии Земли

МкО и БеО как химические соединения

Минералы пеоиклаз и вюстит

Геофизические данные: сейсмическая структура мантии

Минералогическая модель мантии.

Значение ферропериклаза

Глава 2. Экспериментальные и теоретические методы исследования

Камеры с алмазными наковальнями

Общий приниип
Нагрев камер с алмазными наковальнями
Криогенная газовая зарядка
Определение давления
Рентгеновская дифракция
Спектроскопия коая рентгеновского поглощения
Мёссбауэоовская спектроскопия
Расчеты из первых принципов
Глава 3. Мёссбауэровские спектры и ближний порядок
в ферропериклазе. Образования кластеров Бе при высоком давлении
Глава 4. Тригональная дисторсия в (МгпаГеп?10 пои высоком давлении
Глава 5. Спиновый переход в ферропериклазе в мантийных условиях
Заключение
Библиография.

На протяжении нескольких столетий, когда формировалось понятие геологии как науки, она носила преимущественно прикладной характер. Несмотря на то, что поиском и добычей полезных ископаемых человечество занимается с доисторических времен, как самостоятельная наука геология сформировалась только в 18 - начале 19 веков. Основной задачей геологии считался поиск и разработка месторождений полезных ископаемых, а также некоторые аспекты инженерной геологии. Для практического использования человеком доступен только поверхностный слой земной коры, и долгое время считалось, что земная кора собственно и представляет предмет изучения геологии. Такой подход находит отражение в неспециальной литературе до сих пор и можно встретить определение геологии как комплекса наук о составе, строении, истории развития земной коры и размещении в ней полезных ископаемых. Однако сегодня мы понимаем геологию как науку о строении всей Земли, ее происхождении и развитии и процессов, протекающих в ее недрах и на поверхности (Короновский и Якушева, 1991).
Для непосредственного наблюдения на сегодняшний день нам доступен только верхний срез поверхности Земли, ограниченный 10-15 км, однако современная наука обладает огромным массивом знаний и о строении самых глубоких геосфер, их минеральном составе, также как и о процессах, протекающих не только в земной коре, но также земной мантии и ядре.
В соответствии с сегодняшней минералогической моделью строения Земли, одной из самых распространенных фаз нижней мантии является ферропериклаз (М§,Бе)0 (Пущаровский и Оганов, 2006). Структурные и физические свойства этого минерала имеют огромное значение для наук о Земле, однако они изучены относительно мало. Наибольший интерес представляют свойства и строение ферропериклаза при условиях, приближенных к условиям земной мантии (высокие давление и температура), в то время как экспериментальные работы при этих условиях сталкиваются со значительными трудностями. На сегодняшний день практически отсутствуют достоверные данные о кристаллической структуре, спиновом и магнитном состоянии ферропериклаза в нижней мантии. Отсутствуют также данные и о локальной структуре (возможно существование определенной степени ближнего порядка в твердом растворе (М§,Ре)0), а также существуют противоречивые экспериментальные данные о возможном распаде этого твердого раствора в условиях высокого давления и температуры.
Основные задачи представленной работы были определены как разработка методики измерения мёссбауэровских спектров при высоких давлении (до 100 ГПа) и высокой температуре и проведение комбинированного экспериментального и теоретического исследования структуры, свойств и электронного состояния железа в ферропериклазе (Mg,Fe)0, близком по составу к предполагаемому мантийному, изучение локальной структуры этого твердого раствора.
Для исследования структуры и свойств ферропериклаза использовалось несколько экспериментальных методик: порошковая рентгеновская дифракция, спектроскопия края рентгеновского поглощения железа и спектроскопия резонансного ядерного поглощения без отдачи (мёссбауэровская спектроскопия) с использованием аппаратов высокого давления с алмазными наковальнями-окнами. Теоретическое моделирование структуры ферропериклаза проводилось как полуэмпирически, так и из первых принципов (ab initio) в приближении обобщенного градиента в рамках теории функционала плотности. Для учета дополнительных обменных взаимодействий d-электронов железа использовался так называемый GGA+U метод Дударева, с использованием программного кода VASP (Vienna Ab-initio Simulation Program).
В результате проведенных исследований разработана практическая методика мёссбауэровской спектроскопии, позволяющая получать спектры от образца, находящегося одновременно при высоком давлении и температуре. Впервые наблюдался спиновый переход железа при высоком давлении и температуре в ферропериклазе методом мёссбауэровской спектроскопии. Получены оригинальные экспериментальные данные о локальной структуре в твердом растворе (Mg,Fe)0, выявлена тенденция к распаду при высоком давлении.
Разработанная автором методика измерения мёссбауэровских спектров при высоком давлении и температуре является уникальным инструментом для экспериментальных наук о Земле, позволяя определять состояние железа в минералах при условиях, по крайней мере, частично покрывающих Р, Т -условия земной коры, верхней и нижней мантии. Полученные данные о свойствах (Mg,Fe)0 имеют большое значение как непосредственно для интерпретации геофизических данных о строении нижней мантии Земли, так и для объяснения многих экспериментально наблюдаемых эффектов в ферропериклазе при высоком давлении и комнатной температуре.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Предложена экспериментальная методика мёссбауэровской спектроскопии с использованием камер с алмазными наковальнями, позволяющая изучать вещество при высоком давлении и температуре.

Методы исследования
отношение интенсивностей составляетЗ:2:1:1:2:3. В случае, если в образце развита текстура, или если приложено значительной интенсивности внешнее магнитное поле, относительные интенсивности линий могут меняться. Величину сверхтонкого магнитного (зеемановского) расщепления Дщ? приводят либо в единицах доплеровской скорости, но чаще в единицах индукции (тесла). Для 57Ре мёссбауэровского перехода соотношение между единицами скорости и индукц,цц для сверхтонкого расщепления составляет 1 х(Т) = 0.06897х(мм/с). В образце все три типа сверхтонких взаимодействий (изомерный сдвиг, квадрупольное расщепление и магнитное расщепление) могут существовать одновременно.
Рис. 2.13. Возникновение квадрупольного расщепления Д в мёссбауэровском спектре (показан справа).
Рис. 2.14. Сверхтонкое магнитное расщепление уровней 37Ре. Справа показан соответствующий спектр резонансного поглощения.