На главную страницу Библиотеки электронных диссертаций
На главную страницу сервера "Все о гелогии"
 
 
К списку диссертаций  HTML-версия    Объявление о защите 
Экспорт  в RTF
Автор:

Сеткова Татьяна Викторовна


Название работы:

Устойчивость и синтез турмалина в гидротермальных растворах


Присвоенная ученая степень: кандидат химических наук
Специальность: 25.00.05 - минералогия, кристаллография
Классификационный индекс:
Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М. Федоровского
Руководитель: старший научный сотрудник  доктор геолого-минералогических наук Шаповалов Юрий Борисович ;
Оппонент: старший научный сотрудник  доктор химических наук  Рыженко Борис Николаевич; старший научный сотрудник  доктор геолого-минералогических наук  Димитрова Ольга Владимировна ;
Место защиты: ауд. 415, геологический факультет МГУ
Дата защиты: 2011-02-11 14:30
Издательство: Москва
Количество страниц: 138
Язык: русский

Содержание работы:
Общая характеристика работы.
Глава 1. Анализ современного состояния исследований.
Глава 2. Методы, оборудование и материалы.
Глава 3. Экспериментальное изучение минеральных равновесий турмалина с альбитом.
Глава 4. Устойчивость и особенности кристаллизации турмалина в гидротермальных растворах.
Глава 5. Изучение структурно-морфологических и физико-химических свойств выращенных турмалинов.
Заключение.
Публикации по теме диссертации.

Реферат:
Актуальность работы

Турмалин встречается практически во всех эндогенных месторождениях, нередко присутствует в качестве породообразующего минерала, как в гранитах, так и метасоматитах и метаморфических
породах (Сливко, 1955; Киевленко, 1982). Широкие вариации химического состава турмалина, часто из одного и того же месторождения, делают его хорошим индикатором изменения
физико-химических условий гидротермальных процессов (P-T-ƒ(O2)). С этой точки зрения, турмалин имеет практический интерес для изучения месторождений промышленно ценных
металлов (Au, Ag, Cu, Pb, Zn, U, Mo, Zn, Sn, W и др.) (Taylor, Slack, 1984; Plimer, Lees, 1988; McArdle et al, 1989; Slack et al, 1993; Fuchs, Maury, 1995; Jiang et al, 1998;
Yavuz et al, 1999a, 1999b и др.).

С другой стороны, интерес к выращиванию монокристаллов турмалина связан с проблемой получения новых перспективных пьезо- и пироэлектрических материалов, обладающих по сравнению
с уже известными более высокими характеристиками. В первой половине прошлого столетия турмалин использовался в различных радио- и акустоэлектронных устройствах. Соперником
турмалина в этом отношении является кварц, но его пьезоэлектрические константы заметно уступают таковым турмалина. Использование турмалина в пьезотехнике является предпочтительнее
кварца, и позволяет существенно улучшить характеристики подобного рода аппаратуры. Помимо этого, синтетический турмалин может явиться перспективным заменителем природного
для использования в ювелирной промышленности подобно другим синтетическим аналогам драгоценных камней. Все это определяет актуальность проведенных исследований.

Цели и задачи работы

Основная цель исследований в данной работе экспериментальное и теоретическое выяснение физико-химических условий образования турмалина и особенностей его кристаллогенезиса.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

экспериментально установить поля устойчивости турмалина в зависимости от состава воздействующего флюида, в частности, для минеральных равновесий турмалина с альбитом;
теоретически и экспериментально изучить устойчивость турмалина в растворах борной кислоты, бор-щелочных, бор-фторидных, бор-хлоридных и бор-хлор-фторидных (далее смешанных
борных) гидротермальных растворах;
определить оптимальные составы растворов и термобарические условия образования турмалина и особенности роста его монокристаллов на затравку;
изучить морфологию, кристаллохимические характеристики и структурные особенности выращенных кристаллов.
Фактический материал и методы исследования

Термодинамические расчеты проводились с использованием программного комплекса HCh и базы данных UNITHERM из того же пакета программ. Основным материалом для экспериментов
по минеральным равновесиям служил турмалин шерлового состава из Шри-Ланки. Турмалины эльбаитового состава из Малханского месторождения Забайкалья и шерлового состава из месторождения
Левин Навалок Северной Карелии использовались в качестве затравочных кристаллов и шихты в опытах по изучению устойчивости и выращиванию турмалина. В процессе исследования
проведено 50 экспериментов по изучению минеральных равновесий турмалина с альбитом в изотермических условиях по ампульной методике, основанной на изменении веса кристалла
турмалина; 70 экспериментов по изучению устойчивости и 60 по выращиванию турмалина гидротермальным методом температурного градиента. Выполнено более 150 электронно-зондовых
рентгеноспектральных и 50 рентгенофазовых анализов новообразованных фаз. С помощью метода растровой электронной микроскопии получено около 200 изображений, по которым изучена
морфология фаз, образованных в опытах. Перечисленные выше расчеты, эксперименты и анализы выполнялись в ИЭМ РАН. Монокристальные рентгеноструктурные исследования шести выращенных
кристаллов проводились на кафедре кристаллографии Санкт-Петербургского государственного университета.

Научная новизна

1. На основе полученных экспериментальных данных установлены поля стабильности турмалина и альбита в зависимости от концентраций борной кислоты и хлорида натрия в растворе.

2. Получены новые экспериментальные данные по устойчивости турмалина в борных, бор-щелочных, фторидных, бор-фторидных, хлоридных, бор-хлоридных, бор-хлор-фторидных гидротермальных
растворах при температурах 400-750oС и давлениях 100-150 МПа. В частности, установлено, что турмалин кристаллизуется в широком диапазоне составов и рН растворов при использовании
в качестве шихтового материала отдельно взятых турмалинобразующих компонентов (кварца и корунда), в то время как при использовании турмалиновой шихты в указанных условиях
перекристаллизация не происходит.

3. Впервые разработанная методика позволяет воспроизводимо выращивать монокристаллы Со-, Ni-, Fe-, (Ni, Fe)-, (Ni, Cr)- и (Co, Ni, Cr)-содержащих турмалинов в интервале температур
400-750oС и давлений 100-150 МПа.

4. Уточнены кристаллохимические структуры новых разновидностей Со-, (Ni, Fe)- и (Ni, Cr)-содержащих турмалинов.

Практическая значимость

Полученные экспериментальные данные по устойчивости турмалина в борных, бор-щелочных, бор-фторидных, бор-хлоридных, бор-хлор-фторидных гидротермальных растворах при температурах
400-750oС и давлениях 100-150 МПа позволили установить условия его получения при спонтанной кристаллизации и росте на затравку.

Полученные данные являются основой для дальнейшего развития работ по разработке лабораторной методики выращивания этого популярного минерала.

Уточнение структуры выращенных кристаллов вносит большой вклад в понимание сложной проблемы структурного типоморфизма турмалинов относительно их научно обоснованной номенклатуры.

Защищаемые положения

1. На основе экспериментального изучения реакций турмалин-альбит в борсодержащих растворах при температурах 500 и 600oС и давлении 100 МПа на физико-химической диаграмме определено
положение поля устойчивости турмалина в зависимости от состава воздействующего раствора.

2. Турмалин в борных и бор-хлоридных гидротермальных растворах при температурах 450 - 750oС и давлениях 100 - 150 МПа растворяется крайне слабо. В бор-щелочных, фторидных,
бор-фторидных и бор-хлор-фторидных растворах интенсивность растворения его заметно возрастает и сопровождается образованием алюмосиликатных и фторидных фаз.

3. Перекристаллизация турмалина с ростом его на затравку в чистых и смешанных борных растворах не происходит, в то же время выращивание его на затравку в указанных растворах
возможно при использовании в качестве шихты кварца и корунда. Причем, рост турмалина на затравку сопровождается массовым выпадением его многочисленных кристаллов спонтанного
зарождения.

4. Рост на затравку Со-, Ni-, (Fe,Ni)-содержащих турмалинов в многокомпонентных борных растворах осуществляется при температурах 400-750oС и давлениях 100-150 МПа со скоростью
до 0.05 мм/сутки гранями тригональной пирамиды { } в [+0001] направлении. Fe-, (Ni,Cr)- содержащие и полихромные (Co,Ni,Cr)- содержащие турмалины растут как в [+0001] направлении
со скоростью до 0.05 мм/сутки, так и [-0001] со скоростью до 0.01 мм/сутки гранями тригональных пирамид {10-11}, {01-11} и гранями призмы {11-20}.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных семинарах по экспериментальной минералогии и петрологии (ЕСМПГ, Москва, 2006, 2008), XVII
молодежной научной конференции "Геология, полезные ископаемые и геоэкология северо-запада России" (Петрозаводск, 2006), IV Международном минералогическом семинаре "Теория,
история, философия и практика минералогии" (Сыктывкар, 2006), XI Международной конференции по экспериментальной минералогии и петрологии (EMPG XI) (Бристоль, 2006), VIII Международной
конференции "Новые идеи в науках о земле" (Москва, 2007), 30-й Международной геммологической конференции (Москва, 2007), II Международной конференции "Кристаллогенезис и минералогия"
(Санкт-Петербург, 2007), Межвузовской конференции "Молодые наукам о земле" (Москва, 2008), 33-ем Международном геологическом конгрессе (Осло, 2008), 13-й и 14-й Национальных
конференциях по росту кристаллов (Москва, 2008, 2010), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2010" (Москва, 2010), 16-й Международной
конференции по росту кристаллов (ICCG-16) (Пекин, 2010), XVI Российском совещании по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 2010), Российской школе молодых ученых "Экспериментальная
минералогия, петрология, геохимия" (Черноголовка, 2010), XI Съезде РМО (Санкт-Петербург, 2010).

По теме диссертации опубликовано 5 статей в сборниках и в периодических изданиях, из них две статьи в журналах из списка ВАК и 17 материалов и тезисов докладов на международных
и российских конференциях.

С 2006г. исследования поддерживались РФФИ (гранты 06-05-64900-а, 08-05-09281-моб_з, 09-05-00769-а и 10-05-09404-моб_з).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из Введения, 5 глав и Заключения общим объемом 138 страниц, содержит 19 таблиц (плюс 2 таблицы в Приложениях), 42 рисунка (плюс 6 рисунков в Приложениях)
и 3 Приложения. Список литературы включает 120 наименований.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям: доктору геолого-минералогических наук Ю.Б. Шаповалову и профессору, доктору геолого-минералогических наук В.С.
Балицкому за внимательное руководство и помощь на всех этапах выполнения работы, а также благодарит за эффективную помощь и сотрудничество Л.В. Балицкую, В.Т. Кадиева, к.х.н.
Т.М. Бубликову, к.г.-м.н. А.А. Марьина, А.Н. Некрасова, к.х.н. А.А. Муханову, О.Л. Самохвалову, к.ф.-м.н. Г.В. Бондаренко, к.х.н. А.Ф. Редькина, за полезные дискуссии и советы
проф., д.г.-м.н. Г.П. Зарайского, Н.В. Васильева, д.г.-м.н. А.Р. Котельникова (ИЭМ РАН), а также сотрудников кафедры кристаллографии СПбГУ, в особенности к.г.-м.н И.В. Рождественскую,
д.г.-м.н. А.Г. Штукенберга и О.С. Верещагина, которые способствовали успешному выполнению работы. Автор благодарна д.г.-м.н. В.Е. Загорскому, В.Е. Кушнареву и Дж. Шигли за
предоставленные для опытов образцы турмалина и сотрудникам кафедры кристаллографии и кристаллохимии МГУ им. М.В. Ломоносова за внимательное и дружелюбное отношение.

Библиография:
  • Статьи:
  • 1. Сеткова Т.В., Шаповалов Ю.Б., Балицкий В.С. Устойчивость и возможность синтеза турмалина в гидротермальных растворах при температурах 450-750oС и давлениях до 1.5 кб //
  • Электрон. Науч.-информ. журнал "Вестник Отделения наук о Земле РАН" 1(24), 2006, М.: ИФЗ РАН. URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2006/informbul-1_2006/mineral-23.pdf
  • 2. Шаповалов Ю.Б., Сеткова Т.В., Балицкий В.С. Теоретическое и экспериментальное изучение минеральных равновесий турмалина с альбитом при температурах 500 и 600oС и давлении
  • 100 МПа // Электрон. Науч.-информ. журнал "Вестник Отделения наук о Земле РАН" 1(26), 2008, М.: ИФЗ РАН. URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2008/informbul-1_2008/mineral-39.pdf
  • 3. Шаповалов Ю.Б., Сеткова Т.В., Балицкий В.С. Минеральные равновесия, устойчивость и условия синтеза турмалина в гидротермальных растворах. Сборник трудов "Экспериментальные
  • исследования эндогенных процессов". Черноголовка, 2008. С. 217-229.
  • 4. Т.В. Сеткова, Ю.Б. Шаповалов, В.С. Балицкий. Выращивание и структурно-морфологические характеристики Со-турмалина. ДАН. 2009, 424, 1. С. 94-97.
  • 5. Т.В. Сеткова, Ю.Б. Шаповалов, А.А. Маракушев, В.С. Балицкий. Экспериментальное изучение устойчивости и особенностей кристаллизации турмалина в гидротермальных растворах.
  • ДАН. 2009, Т. 425, 6. С. 800 804.
  • 6. T. Setkova, Yu. Shapovalov, V. Balitsky Growth of tourmaline single crystals containing transition metal elements in hydrothermal solutions. J. Crystal Growth, 2011. doi:10.1016/j.jcrysgro.2010.11.044
  • [в печати].
  • 7. И.В. Рождественская, Т.В. Сеткова, О.С. Верещагин, А.Г. Штукенберг, Ю.Б. Шаповалов. Уточнение кристаллических структур синтетических никель- и кобальт- содержащих турмалинов//
  • Кристаллография, 2011 [в печати].
  • Тезисы докладов:
  • 1. Сеткова Т.В., Шаповалов Ю.Б., Балицкий В.С. Устойчивость и возможность синтеза турмалина в гидротермальных растворах при температурах 450-750oС и давлениях до 1.5 кб. Тезисы
  • докладов "ЕСЭМПГ-2006", 18-19 апреля 2006, Москва, С. 89.
  • 2. Т.В. Сеткова, Ю.Б. Шаповалов, В.С. Балицкий. Устойчивость и синтез турмалина в сверхкритических водных флюидах. Материалы XVII молодежной научной конференции "Геология,
  • полезные ископаемые и геоэкология северо-запада России". Карельский научный центр РАН, октябрь 2006, Петрозаводск. C. 111-113.
  • 3. Сеткова Т.В., Шаповалов Ю.Б., Балицкий В.С. Экспериментальное изучение устойчивости и возможностей синтеза турмалина в гидротермальных растворах. Материалы IV Международного
  • минералогического семинара "Теория, история, философия и практика минералогии". 17-20 мая 2006, Сыктывкар. C. 282-283.
  • 4. Setkova T.V., Shapovalov Yu.B., Balitsky V.S. Experimental study of stability and opportunities of tourmaline synthesis in hydrothermal solutions. Abstracts. (EMPG-XI),
  • 10-14 September 2006, Bristol. P. 67.
  • 5. Т.В. Сеткова, Ю.Б. Шаповалов, В.С. Балицкий. Проблемы выращивания монокристаллов турмалина. VIII Международная конференция "Новые идеи в науках о земле", Доклады, 4 том,
  • S-IV, Москва 2007. C. 184 - 187.
  • 6. Shapovalov Yu.B., Setkova T.V., Balitsky V.S. Some problems of tourmaline crystals growth of jewelry quality. The collection of expanded abstracts and some articles. 30th
  • International Gemmological Conference, July 15-19th 2007, Moscow, Russia. P. 90-92.
  • 7. Сеткова Т.В., Шаповалов Ю.Б., Балицкий В.С. Выращивание, структурно-морфологические особенности и некоторые свойства монокристаллов кобальтового турмалина. II Международная
  • конференция "Кристаллогенезис и минералогия", Санкт Петербург, 2007. С. 126-128.
  • 8. Т.В. Сеткова, Ю.Б. Шаповалов, В.С. Балицкий. Синтетический кобальтовый турмалин: вырашивание, структурно-морфологические особенности и свойства. Материалы конференции "Молодые
  • наукам о земле", 25-27 марта 2008, Москва. С. 209.
  • 9. Шаповалов Ю.Б., Сеткова Т.В., Балицкий В.С. Теоретическое и экспериментальное изучение минеральных равновесий турмалина с альбитом при температурах 500 и 600С и давлении
  • 100МПа. Тезисы докладов "ЕСЭМПГ-2008", 22-23 апреля 2008, Москва. С. 89.
  • 10. Setkova T.V., Shapovalov Yu.B., Balitsky V.S. Stability and crystallization features of tourmaline in hydrothermal solutions. Abstracts 33th IGC, 6-14 august 2008, Oslo,
  • Norway.CD.
  • 11. Т.В. Сеткова, Ю.Б. Шаповалов, В.С. Балицкий, И. В. Рождественская, А.Г. Штукенберг Структурно-морфологические характеристики синтетических турмалинов, выращенных в гидротермальных
  • растворах. Тезисы докладов XIII Национальной конференции по росту кристаллов. 17-20 ноября 2008, Москва. С. 269.
  • 12. T. Setkova, Yu. Shapovalov, V. Balitsky Growing of tourmaline single crystals containing transition metal elements in hydrothermal solutions. Abstracts ICCG-16, 8-13 august
  • 2010, Beijing, China. CD.
  • 13. Сеткова Т.В., Шаповалов Ю.Б., Балицкий В.С. Рост полихромного (Co,Ni,Сr)-турмалина в сложных борсодержащих гидротермальных растворах. Тезисы докладов XVI Российского совещания
  • по экспериментальной минералогии. 21-23 сентября 2010, Черноголовка. С. 233-234.
  • 14. Т.В. Сеткова Перспективы выращивания монокристаллов синтетического турмалина. Материалы Российской школы молодых ученых "Экспериментальная минералогия, петрология, геохимия",
  • 23 сентября 2010, Черноголовка. С. 30-35.
  • 15. Рождественская И.В., Сеткова Т.В., Верещагин О.С., Штукенберг А.Г. Кристаллические структуры синтетических турмалинов с 3d элементами: Ni, Co, Cr, Fe. Материалы XI Съезда
  • Российского минералогического общества, 12-15 октября 2010. C. 135-137.
  • 16. Верещагин О.С., Сеткова Т.В. Синтез турмалинов, содержащих 3d элементы в гидротермальных условиях. Материалы конференции "Ломоносов-2010", 37_506_20238.
  • 17. Сеткова Т.В., Шаповалов Ю.Б., Балицкий В.С. Условия синтеза макро- и тонкокристаллического турмалина в гидротермальных растворах. Тезисы докладов. XIV Национальной конференции
  • по росту кристаллов и VI Международной конференции "Кристаллофизика XXI века". 6-10 декабря 2010 г., Москва. С. 400.


  • Проект осуществляется при поддержке:
    Геологического факультета МГУ,
    РФФИ
       
    TopList Rambler's Top100