Найден минерал, который может быть носителем породообразующих и редких элементов в природе

Комплекс Хатрурим (он же – Пятнистая зона) в окрестностях Мертвого моря уже принес исследователям много открытий. В частности, здесь был обнаружен минерал, который ранее находили только в метеоритах, а также соединения фосфора, которые с большой степенью вероятности могли помочь возникновению жизни на Земле.

Исследователи, представляющие Санкт-Петербургский государственный университет, Кольский научный центр Российской академии наук, Байройтский университет, Баварский научно-исследовательский институт экспериментальной геохимии и геофизики и Университет Падуи, продолжают изучение состава слагающих эту местность пород. Новое их открытие – это минерал, который по предположению ученых может быть универсальным потенциальным носителем породообразующих и редких элементов при давлениях вплоть до мантийных.

Статья об открытии опубликована в журнале American Mineralogist. Пятнистая зона представляет собой крупнейший в мире комплекс пирометаморфических пород с выходами на поверхность, разбросанными на значительной территории Ближнего Востока от южного суббассейна Мертвого моря до границы между Северной Иорданией и Сирией.

Ее происхождение пока остается предметом дискуссий. Предполагается, что образовалась она в ходе прокаливания и плавления меловых мергелей и мелов при температурах, достигающих 1400 °С, однако недавнее обнаружение минерала аллабогданита (Fe,Ni)₂, который мог образоваться только при высоком давлении, вызвало множество вопросов относительно развития этого комплекса пород.

В образцах, собранных в израильской пустыне Негев, авторы нашли первый природный перовскит (CaTiO₃), обладающий кубической кристаллической решеткой (структура перовскита в природе является ромбической). Его прозрачные, желтовато-коричневые кристаллы достигают в размере 50 микрон и имеют обильные микронные включения мелилитового стекла. Новый минерал стабилен при сжатии не менее чем до 50 Гпа, а при атмосферном давлении устойчив до 1250±50°С. При более высокой температуре его кристаллы сливаются с внедренным мелилитовым стеклом, образуя смесь титанита и анортита.

Выяснить происхождение кубического перовскита из формации Хатрурим помогают включения мелилитового стекла. По-видимому, минерал образовался в твердом состоянии и никогда не подвергался нагреву выше 1250°С при атмосферном давлении. Форма включений мелилитового стекла указывает на то, что они аморфизировались, оставаясь в твердом состоянии. Температура плавления мелилита – 1400-1600 °С, поэтому его расплавление неизбежно привело бы к сплавлению с перовскитом.

Твердофазная аморфизация может быть достигнута несколькими способами, включая облучение альфа-лучами или электронным пучком, химическую обработку или механическое измельчение. Наиболее вероятна аморфизация под давлением не ниже 11 Гпа, а скорее всего, выше 30 ГПа. Если такое предположение верно, кубический перовскит подвергался давлению в несколько гигапаскалей или мог образоваться при таком давлении.

Необычно также высокое содержание кремния в минерале. Перовскиты с высоким содержанием кремния ранее наблюдались только в виде включений в алмазы, имеющие сверхглубокое, мантийное происхождение. Однако нет никаких геологических свидетельств выхода в районе Мертвого моря мантийных пород на поверхность или остатков крупномасштабной ударной структуры. Ученые предполагают, что признаки событий высокого давления или выходов мантийных пород могли быть стерты более поздними наложенными пирометаморфическими процессами и обширной эрозией в Южном Леванте, в то время как геохимические аномалии в этой области все еще не полностью объяснены.

Почему это открытие так важно? Во-первых, оно может дать новую точку зрения на геохимические процессы в Пятнистой зоне, поскольку кубический перовскит объединяет в своем составе ряд геохимически значимых элементов. Во-вторых, необходимо помнить, что структура перовскита — это один из «кирпичиков», из которых строится решетка природных минералов, а также основа для синтеза новых материалов с интересными свойствами. Силикаты со структурой перовскита cчитаются основными составляющими мантии Земли.

Поведение синтетического перовскита при высоких давлениях было подробно изучено как прогностическая модель эволюции силикатных перовскитов в условиях мантии. При высоких давлениях и температурах он может приобретать кубическую форму. Эта модификация обратима при охлаждении. В синтетических системах замена титана на железо приводит к получению закаленного кубического перовскита, однако природный перовскит железа практически лишен. Поэтому ранее не предполагалось, что кубический перовскит встречается в природе.

Стабилизация кубической симметрии найденного минерала достигается за счет ранее не наблюдаемого смещения атома кислорода из его идеального структурного положения. Проанализировав структуру, ученые предположили, что она обеспечивает механизм включения практически любого элемента в каркас природных перовскитов. Устойчивость таких неупорядоченных структур до очень высоких давлений может свидетельствовать о том, что подобные перовскиты могут быть универсальными носителями большинства элементов мантии Земли.

Открытие природного кубического перовскита позволяет рассматривать его в качестве потенциального носителя большинства петрогенных и рассеянных элементов во внутренних геосферах нашей планеты. Стабильность обнаруженного минерала при давлениях на уровне мантии делает его кандидатом на содержание как породообразующих, так и менее распространенных элементов в недрах планет. То есть наряду с новым, неупорядоченным типом перовскитового каркаса и структурно разрешенным дефицитом кислорода открываются новые пути для моделирования поведения таких структур в различных планетарных средах.

КНЦ РАН

35 статей

Кольский научный центр Российской академии наук (бывший Кольский филиал Академии наук СССР) имени С. М. Кирова, объединение научных учреждений РАН на Кольском полуострове.

Показать больше