КРИСТАЛЛЫ И РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ

Дифракция при высоких давлениях. Минералы глубинных геосфер.

Структура раита представляет собой один из 4000 структурных типов, выявленных у неорганических соединений (по данным базы данных TYPIX на конец 1995 года, неорганические кристаллы, исключая оксиды и галогениды, описываются 3600 структурными типами). Относящиеся к неорганическим соединениям минералы, слагающие верхнюю оболочку Земли - земную кору и глубинную мантию, по
своему структурному разнообразию заметно различаются. При этом сотни структурных типов характерны для минералов земной коры, тогда как минералы глубинных геосфер описываются лишь ~10 структурными типами. Число прямых данных о составе глубинных областей Земли весьма ограниченно - они все еще недоступны исследователям. Вместе с тем относительно новая рентген-дифракционная методика успешно применяется в последние два десятилетия для исследования закономерностей структурных изменений и превращений минералов, которые находятся в лабораторных условиях под воздействием высоких давлений и температур, характерных для глубинных геосфер.

В эксперименте обычно используют рентгеновские камеры с алмазными наковальнями, которые представляют собой маленькие усеченные пирамиды диаметром верхнего основания примерно 0,5 мм и высотой 2,5 мм. Между ними зажата стальная шайба толщиной около 0,2 мм с отверстием диаметром 0,3 мм, которое заполняется каплей жидкости (обычно смесью этилового и метилового спиртов), передающей давление. Внутри такой миниатюрной "камеры" помещают исследуемый кристаллик и мелкие кусочки рубина, по сдвигу линии люминесценции которого определяют создаваемое при сближении наковален давление; в эксперименте оно достигает миллиона атмосфер. Утже сейчас таким методом изучены несколько десятков минералов и синтетических соединений. Седи них доминируют силикаты - важнейшие породообразующие
минералы, составляющие вместе с кремнеземом около 90 % литосферы и характеризующиеся исключительным разнообразием (свыше 100) способов укладки в их структурах кремнекислородных тетраэдров [SiO₄] [1], которые помимо изолированных группировок могут образовывать кольца, цепочки, слои или каркасы. Однако все это относится к минералам, залегающим на сравнительно небольших глубинах. С увеличением глубины межатомные расстояния Si-O в основных строительных "кирпичах" силикатов - тетраэдрах [SiO₄] под действием усиливающихся внешних давлений постепенно сокращаются. Достижение критической длины связи Si-O, равной 1,59 А, сопровождается изменением
тетраэдрической координации Si на октаэдрическую [2].

Проведенные геофизические и геохимические эксперименты показали, что при давлениях свыше 150-200 кбар (это соответствует глубине ~650 км) продукты преобразования многих минералов, в том числе и таких распространенных, как оливин, пироксены и гранаты, относятся к структурному типу перовскита. Перовскитоподобные фазы с формулой (Mg,Fe,Al)(Si,Al)O₃ содержат кремний в октаэдрической координации и, по мнению некоторых ученых, должны составлять около 70% глубинной мантийной зоны. Сравнительно недавно эти заключения получили экспериментальное обоснование. Образцы Mg-перовскита MgSiO₃ были подвергнуты давлению, в 1.3 млн раз превышающему атмосферное [3]. Такое давление, как полагают, существует на глубине около 2800 км. Одновременно на образец, помещенный между алмазными наковальнями,
воздействовали лазерным лучом с температурой около 2000 ⁰С, что соответствует условиям нижней мантии.

Оказалось, что ни во время, ни после эксперимента минерал не изменил свою структуру и состав. Таким образом, был сделан вывод, согласно которому стабильность Mg-перовскита позволяет рассматривать его как наиболее распространенный минерал на Земле, составляющий, по-видимому, почти половину ее массы [3].

Другим распространенным глубинным минералом считается, по данным рентгеновских экспериментов при высоких давлениях, магнезиовюстит (Мg, Fe)O, имеющий хорошо известную структуру каменной соли, на долю которого приходится около 20% вещества мантии ниже границы 650 км. Оставшиеся примерно 10% мантийного вещества составляют оксидные фазы, содержащие Са, Na, К и Fe. Интересно, что в преобладающих на больших глубинах перовскитоподобных фазах может содержаться весьма ограниченное количество Fe, а повышенные концентрации Fe среди минералов глубинной ассоциации характерны лишь для магнезиовюстита. При этом для магнезиовюстита доказана возможность перехода под воздействием высоких давлений части содержащегося в нем двухвалентного железа в трехвалентное, остающееся в структуре минерала, с одновременным выделением соответствующего количества нейтрального железа. На основе этих данных сотрудники геофизической лаборатории Института Карнеги Х. Мао, П. Белл и Т. Яги выдвинули новые идеи о дифференциации вещества в глубинах Земли. На первом этапе благодаря гравитационной неустойчивости магнезиовюстит погружается на глубину, где под воздействием давления из него выделяется некоторая часть железа в нейтральной форме. Остаточный магнезиовюстит, характеризующийся более низкой плотностью, поднимается в верхние слои, где вновь смешивается с перовскитоподобными фазами. Контакт с ними сопровождается восстановлением стехиометрии (то есть целочисленного отношения элементов в химической формуле) магнезиовюстита и приводит к возможности циклического повторения описанного процесса.

Таким образом, структурные исследования в рентгеновских камерах высоких давлений позволили получить новые данные о структурных изменениях минералов и связанным с ними перераспределением химических элементов, тем самым объясняя многие различия между составом и строением земной коры и мантии.

Cледующая страница| Назад