Кристаллические структуры новых и малоизученных природных силикатов из щелочных и метаморфических комплексов Восточной Сибири

Общая характеристика работы

    Актуальность работы Силикаты - наиболее представительный класс химических соединений, слагающих земную кору. Некоторые силикаты обнаружены и в метеоритах. Исследование кристаллических структур силикатов, начавшееся еще со времен открытия дифракции рентгеновских лучей, не ослабевает и поныне. Разнообразие структур силикатов обусловлено необычайной "приспособляемостью" кремний-кислородных радикалов Si_nO_m, которые могут конденсироваться многочисленными способами в пространстве, образуя конечные островные и бесконечные одномерные, двумерные и трехмерные структурные мотивы, подстраивающиеся под различные размеры других катионов. Несмотря на начавшее с начала столетия изучение структур силикатов, минералоги обнаруживают в природе, а химики синтезируют все новые и новые силикаты. Данная работа посвящена исследованию новых и малоизученных природных силикатов, главным образом из щелочных и метаморфических комплексов Восточной Сибири. По результатам структурных исследований этих минералов предполагают обнаружить новые мотивы (одинцовит), редкий изоморфизм (титанистый делиит и К-баритолампрофиллит) и уникальные сочетания химических элементов, необычную координацию катионов в кристаллической структуре (натрий в одинцовите). В частности, интересным представляется изучение кристаллических структур лазуритов, в которых по предварительным исследованиям становлены несоразмерные и соразмерные модулированные состояния. Структуры подобных минералов, известных еще со времен средневековья, остаются неизвестными по целому ряду причин, как например отсутствие монокристаллов, псевдосимметрия, а том числе и вследствии потери этими кристаллами трехмерной периодичности. Только в последние десятилетия стало очевидно, что трехмерная периодичность является только частным случаем n-мерной периодичности в кристаллах и мы видим только проекцию структуры из n-мерного гиперпространства в обычное физическое пространство.

   Несмотря на стремительное развитие программ, позволяющих получать структурную модель в полном автоматическом режиме, определение и уточнение структуры в случае природных кристаллов было и остается своего рода искусством и требует от исследователя не только знания кристаллографии, кристаллохимии и кристаллофизики, но и интуиции и даже вдохновения. В Институте земной коры такого рода исследования выполняются сотрудниками группы рентгеноструктурного анализа для различных подразделений института в соотвествии с планом НИР. Минералы, которые были исследованы в данной работе, являются представителями различных групп силикатов (разделение на группы здесь производится по типу силикатного радикала): каркасные - триклинный лазурит и гаюин; слоистые - титанистый делиит и хромфиллит; кольцевые - одинцовит; с одиночными диортогруппами - калиевый баритолампрофиллит. Четыре из них - триклинный лазурит, гаюин, титанистый делиит и хромфиллит - относятся к силикатам с наиболее распрастраненными (или основными) тетраэдрическими мотивами.

    Основная цель Целью данной работы было рентгеноструктурное исследование природных силикатов, структурные данные которых или неизвестны, или являются недостаточными для анализа тонких деталей кристаллического состояния вещества.

    Новизна работы Новизну работы определяет прежде всего новизна структур одинцовита и триклинного лазурита; оригинальность структурных данных для гаюина из Ариссиа, титанистого делиита, калиевого баритолампрофиллита и хромфиллита. Минералы одинцовит и хромфиллит были утверждены Комиссией по новым минералам Международной минералогической ассоциации (IMA) как новые минеральные виды. Новым фактом является также впервые доказанная возможность широкого изоморфного замещения Zr на Ti на примере структуры титанистого делиита.

   Практическая значимость Практическая значимость определяется прежде всего тем, что расшифровка структурных мотивов минералов позволяет установить их правильные кристаллохимические формулы и таким образом уточнить схемы изоморфных замещений. Само по себе знание атомной структуры позволяет объяснить направления и механизм трансформации минералов в природе. Эти факторы являются существенными для понимания геологических процессов. Кроме того структурные данные являются основой различного рода теоретических расчетов: метод валентных сумм, определение формы потенциалов межатомного взаимодействия и так далее. В практическом значении выполняемой мной работы я также убедился во время моей стажировки в Кильском университете (Германия). Определяя фазовый состав порошковой кристаллической смеси, студенты используют два способа: обычный поиск в базе данных или моделирование порошкового дифракционного спектра по известной структурной модели. С помощью метода Ритвелда по известной структурной модели можно уточнять тонкие детали структуры и проводить количественный фазовый анализ. Исследование титанистого делиита позволяет разработать методику количественного определения соотношения Zr:Ti системе делиит-даванит. Порошковые дифракционные данные одинцовита, титанистого делиита и хромфиллита включены в базу данных Международного центра дифракционных данных, а также в базу порошковых дифракционных данных Института земной коры СО РАН, которая используется для аналитических работ в ряде академических институтов Сибири и Якутии.

    Методика и аппаратура Экспериментальные методы, примененные в этой работе можно обозначить как рентгеновская дифракция. Был применен обширный арсенал доступных методов. Работы проводились в различных лабораториях России и Германии. В иркутских институтах СО РАН - Институте земной коры и Институте геохимии проводились подготовка монокристаллов и порошков, предварительные исследования фотометодами: Лауэ, качания-вращения на камерах РКОП (рентгеновская камера для определения параметров ячейки) и РКВ (рентгеновская камера вращения); методом фотографирования обратной решетки на камере КФОР, методом порошка или Дебая-Шеррера на камере РКД. Дифрактометрические исследования проводились на дифрактометре ДРОН-3. Эксперименты по получению интенсивностей дифракционных отражений от монокристаллов проводились в Институте кристаллографии РАН, Москва на автоматическом монокристалльном дифрактометре "Энраф-Нониус", работавшем в режиме 2theta-omega-сканирования, MoKalpha-излучение, графитовый кристалл в качестве монохроматора.

    Компьютерные расчеты, оформление рисунков, таблиц и текста диссертации проводились с использованием только лицензионного программного обеспечения, которое большей частью свободно распрастраняется среди научного сообщества для использования в некоммерческих целях