О.В. Димитрова
Гидротермальный кристаллогенезис имеет специфические особенности и закономерности, выявление которых позволяет расширить представления о фазообразовании и механизме роста кристаллов при высоких температурах и давлениях в многокомпонентных системах с летучими компонентами - водой и растворенными в ней солями, щелочами и кислотами, что характерно для природного минералообразования.
Экспериментальные исследования в этой области остаются актуальными для дальнейшего развития теоретических моделей минералообразования в гидротермальных геологических процессах, особенно постмагматических, а так же для понимания условий генезиса минералов в целом. Несмотря на то, что природные процессы явно сложнее упрощенных реакций, наблюдаемых в лабораториях, так как состав этих систем и формирующихся в них минералов зависит от распространенности отдельных элементов, получаемая экспериментаторами информация по изоморфным замещениям дает возможность более строго судить о физико-химической обстановке минералообразования.
Комплекс проведенных исследований включает в себя создание новых методик получения монокристаллов ряда широко распространенных в природе классов соединений - силикатов, боратов, фосфатов, ванадатов. Структурно-генетические исследования проводились в многокомпонентных системах, в которых катионы являлись представителями различных групп периодической системы элементов Д.И.Менделеева - щелочных, щелочноземельных, переходных, редкоземельных и др. При этом основополагающим был выбор минерализаторов, модифицирующих комплексообразование в растворах. Эта процедура осуществлялась в соответствии с литературными данными о составах природных гидротермальных растворов.
На базе экспериментального изучения особенностей синтеза монокристаллов в многокомпонентных гидротермальных системах при использовании основных природных растворителей - карбонатов и галогенидов щелочных металлов в диапазоне температур 150 - 650°С и давлений 60 - 1200 атм выделены приоритетные факторы, такие как РТ-параметры, тип минерализатора, значения рН и Eh среды, играющие основную роль в кристаллогенезисе каждого из данных классов соединений и установлен ряд физико-химических закономерностей процессов фазообразования. Проанализированы и сопоставлены генетические аспекты формирования катионных и анионных мотивов в структурах полученных силикатов, боратов, фосфатов и ванадатов.
Изменение границ морфотропных переходов TR-силикатов и полей кристаллизации K-Nb силикатов (в температурном интервале 450 - 550°С), степень полимеризации борных радикалов (при перекристаллизации минерала пандермита Т = 250 - 280°С, Р = 70-100 атм) и образование конденсированных фосфатов (Р < 4-8 атм, Т = 145 25°С) регламентируется преимущественно значениями температуры и давления.
Приоритетное влияние типа минерализаторов (для ряда соединений фосфатов, боратов, ванадатов), температуры и давления (для TR-силикатов и TR-фосфатов) на гетеро- и изовалентый изоморфизм катионов-минералообразователей вытекает из анализа данных о параметрах образования;
Экспериментальная апробация минерализаторов, соответствующих природным, и оптимизация значений рН, Eh, температуры и давления обеспечивают синтез свыше 180 кристаллических силикатов, боратов, фосфатов, ванадатов - как аналогов минералов (более 60), так и новых соединений (более 80), многие из которых обладают пьезо- и сегнетоэлектрическими (силикаты K-Nb, фосфаты Al, Ga, Sc, TR), ионно-проводящими (силикаты K-Nb, TR), нелинейно-оптическими (бораты Pb, TR), лазерными (фосфаты TR ) и другими свойствами.
Анализ природных явлений и экспериментальных данных привел к заключению, что исследования структурно-генетических аспектов синтеза соединений на примере средне- и высокотемпературных гидротермальных систем, приближенных к условиям природного минералообразования, объясняют особенности и закономерности протекания гидротермального синтеза, что послужило базой для разработки методических подходов к управлению процессом синтеза монокристаллов. Предложенный структурно-генетический подход включает в себя комплексный учет состава, концентрации минерализаторов, температуры и давления как факторов, определяющих поведение анионообразователей в системах и формирование соответствующих структурных мотивов в кристалле. Данный подход, состоящий в установлении и использовании зависимости между условиями синтеза, структурой и свойствами, позволяет характеризовать процессы кристаллизации и оптимизировать выбор условий синтеза соединений ожидаемого состава. Выявлены физико-химические факторы, определяющие формирование кристаллических структур, которые обусловливают появление ценных физических свойств, и показана возможность синтеза искусственных соединений, которые с большой вероятностью могут существовать в природе.
|
