Введение 3
Глава 1. Общие сведения о метеорите Челябинск 6
Глава 2. Методы исследования 10
2.1. Сканирующая электронная микроскопия 10
2.2. Определение фазового состава с помощью порошковой рентгенографии при
комнатной температуре и при нагревании 10
2.3. Термический анализ 11
2.5. Рамановская спектроскопия комбинационного рассеяния 12
2.6. Определение магнитных характеристик 13
Глава 3. Особенности строения коры плавления метеорита Челябинск 16
3.1. Образование коры плавления 16
3.2. Строение коры плавления 16
Глава 4. Минералы коры плавления метеорита Челябинск 25
4.1. Фазовый состав до нагрева 25
4.2. Фазы, образовавшиеся при нагреве 32
Глава 5. Магнитные свойства коры плавления 37
Выводы 43
Список литературы 45
Актуальность темы работы. Метеориты, как объект изучения, представляет большой интерес благодаря тому, что условия образования минералов в космосе отличаются от условий их формирования на Земле. Например, тэнит (Fe, Ni) на Земле существует в виде фазы с кубической кристаллической решеткой, в которой атомов Fe и Ni расположены неупорядоченно, а в метеоритах присутствует фаза состава FeNi (тетратэнит L10), с послойным чередованием слоев этих атомов вдоль оси с, которое обуславливает резкую магнитную анизотропию. Тетратэнит является перспективным материалом для замещения редкоземельных постоянных магнитов (Taskaev et al., 2015).
Кора плавления метеорита Челябинск имеет более высокое содержание металлов и сульфидов, по сравнению с участками метеорита, не подвергшимся тепловому воздействию, и, вероятно, обладает большим разнообразием носителей намагниченности (Righer et al., 2015).
Сплавы Fe-Ni, Fe-Cr-Ni, Ni применяемые совместно с фазами магнетита и (Fe, Cr)3O4 являются перспективным конструкционным материалом для инновационных ядерных реакторов IV поколения. В связи с этим представляют интерес термическое поведение и фазовые переходы данных соединений, при совместном их существовании (Martinellia et al., 2008).
Цель работы - исследование минералов коры плавления и их фазовых переходов при нагреве.
Основные задачи работы:
- Описание строения и состава коры плавления, по результатам оптической и сканирующей электронной микроскопии;
- Исследование фазового состава коры плавления с помощью рентгенофазового анализа (измерение параметров кристаллической решетки) и определение химического состава минералов по энергодисперсионным спектрам, полученным с помощью сканирующего электронного микроскопа, романовской спектроскопии.
- Исследование магнитных свойств (получение термомагнитных кривых, петли гистерезиса и коэрцитивные спектры), а также изучение кривых NRM, TRM и SIRM.
- Изучение термического поведения минералов коры плавления, выявление фазовых переходов, сопоставление данных с термомагнитными кривыми и кривыми ДСК и ТГ.
Научная новизна:
- Среди фрагментов коры плавления метеорита Челябинск, редко встречались образцы, чья кора плавления превышала 2 мм, что не позволяло специалистам в полной мере исследовать магнитные свойства коры плавления. Максимальная толщина коры плавления, отмеченная исследователями (Таскаев, 2014) 7 мм. Именно такой образец с корой плавления 7 мм был предоставлен правительством Челябинской области для проведения данного исследования. В работе впервые приведены термомагнитные характеристики для коры плавления метеорита Челябинск.
- Многие исследователи (Безаева и др., 2014; Кузина, Нургалиев, 2013; Печерский и др., 2013) ранее получали значения точек Кюри и коэрцитивной силы фрагментов метеорита Челябинск, но носители намагниченности описаны в рамках предположений, не была отслежена динамика фазовых переходов. Впервые благодаря сопоставлению результатов терморентгенографии с термомагнитными данными можно с большой достоверностью описать фазовый состав носителей намагниченности и их изменения в ходе термомагнитного анализа.
Защищаемые положения:
1. На основании данных терморентгенографии выявлен фазовый переход FeS (троилит) ^ Fe2O3 (гематит) при 500-600 °С. Это опровергает предположения предыдущих исследователей (Кузина, Нургалиев, 2013) об образовании магнетита при разрушении троилита.
2. FeNi (тетратэнит) существует до температуры 600 °С, а не до 320 °С, как это описывалось ранее (Taskaev et al., 2015).
Исследования были проведены в нескольких лабораториях:
1. сканирующая электронная микроскопия, отжиг монолитов в печи до 700°С, рентгенография (излучение Co-ka), термомагнитный анализ в лаборатории палеомагнетизма и физико-химических свойств горных пород геофизической обсерватории «Борок» (филиал Института Физики Земли РАН);
2. данные терморентгенографии в ресурсном центре СПБГУ «Рентгенодифракционные методы исследования» к.г. -м.н., доцентом М.Г. Кржижановской, термический анализ осуществлен там же О.Г. Бубновой.
3. обработка данных терморентгенографии в лаборатории структурной химии оксидов Института химии силикатов РАН.
4. романовская спектроскопия проводилась в ресурсном центре СПбГУ «Геомодель».
Апробация работы. Результаты работы доложены на трех конференциях в виде стендовых сообщений: «Международная школа наук о Земле», (Москва, июнь, 2016 год); «Проблемы геокосмоса», (Петергоф, октябрь, 2016 год), «Метеориты, астероиды, кометы» (Екатеринбург, май, 2016 год).
Благодарности. Благодарю своего научного руководителя В.Г. Кривовичева и сотрудников ИХС РАН за предоставление консультаций: проф. Р.С. Бубнову, В. А. Смирнову, С. Н. Волкова. А также искренне благодарю сотрудников ГО «Борок» за обучение методам сканирующей электронной микроскопии и термомагнитного анализа, с использованием специализированных программ: В.А. Цельмовича, С.К. Грибова, В. П. Щербакова, Н. А. Афиногенову, Г. В. Жидкова. Благодарю сотрудников кафедры кристаллографии СПбГУ: М.Г. Кржижановскую и О.Г. Бубнову, за проведение экспериментов и консультации.
Выводы
1. С помощью сканирующей электронной микроскопии изучено строение коры плавлени и выделено 3 зоны по степени раскристализованности и текстурным особенностям. Первая зона представляет собой однородное стекло с округлыми каплевидными включениями, состоящими из троилита, камасита и тэнита. Текстуру второй зоны можно описать как пятнистую. Эти образования неправильной формы (местами округлые) по составу близки к энстатиту. Они расположены в скрытокристаллической матрице по составу близкой к форстериту. Образование округлых зерен энстатита мы связываем с сверхбыстрым процессом плавления и закалки, когда порции расплава, образующиеся в разных участках метеорита, сложенных различающимися по минеральному составу ассоциациями, не успевают смешаться между собой и прийти в равновесие. Структура третьей зоны порфировидная. Основная масса здесь представлена хорошо раскристаллизованным форстеритом, размер кристаллов которого увеличивается в направлении от внутренних зон коры плавления к периферии. Рудные вкрапленники в этой зоне в основном выполняют интерстиции и уже реже имеют форму округлых капель.
2. С помощью порошковой рентгенографии определен фазовый состав коры плавления. В коре плавления метеорита Челябинск до нагрева методами рентгенографии и сканирующей электронной микроскопии установлены самородные элементы (железо, никель), интерметаллиды (тетратэнит), сульфиды (троилит), оксиды (магнетит) и силикаты (форстерит, энстатит). Описание минералов приводится в последовательности, отвечающей их распространенности в метеорите Челябинск. Состав фаз измерен с помощью сканирующего электронного микроскопа.
3. Методом терморенгенографии определен фазовый переход FeS (троилит) ^ Бе?Оз (гематит) при 500-600 °С, минуя промежуточные FeS? и FesO4. Уточнен температурный интервал существования тетратэнита (до температуры 600 °С, а не до 320 °С, как это описывалось ранее). Выяснено, что при нагреве образца от 25 до 1100 °С некоторые минералы коры плавления метеорита Челябинск сохранились, но уменьшилась их количество (форстерит, энстатит), количество некоторых фаз в образце возросло (самородное железо, никель, магнетит). Некоторые фазы разрушились (троилит, тетратэнит, одна из модификаций никеля) и образовались другие минералы (гематит, вюстит, камасит, аваруит, гексагональные пирротины политип 1С и МС, Al?Si3O9).
4. Данные терморентгенографии хорошо согласуются и дополняю результата термического анализа (ДСК и ТГ), рамоновской спектроскопией каплевидных образований и термомагнитного анализа. На кривой ТГ можно наблюдать 2 эффекта (рис. 19). Так в интервале температур 400-800 °С происходит увеличение массы образца. Это связано с окислением железа, что подтверждается результатами терморентгенографии, которые указывают на образование в этом интервале оксидов железа FeO, Fe2O3. Потеря массы образца в интервале температур 800-1000 °С, по- видимому, обусловлена разложением троилита с выделением серы. Температурный интервал 150-205 °С возможно интерпретировать, как образование гексагонального пирротина 1С. С интервалом 250-310 °С можно связать образование гексагонального пирротина MC. Температурный диапазон 390-420 °С соотносится с кристаллизацией вюстита, 450-550 °С - с кристаллизацией гематита, 998-1100 °С - с кристаллизацией А1з81зО9.
5. Впервые получены термомагнитные характеристики коры плавления метеорита Челябинск. Значение 600 °С можно отнести к точке Кюри магнетита. Значение температуры Кюри беспримесного магнетита 570 °С. Повышение значения Tc до 600 °С можно связать с его окислением, что соотносится с кривой ТГ. Значение Tc=312 °С соотносится с Ni, фаза. Ранее Ni не указывался как магнитный минерал для метеорита Челябинск. Значение Tc=525 °С можно отнести к тетратэниту. К камаситу относится Tc=750 °С, которую можно наблюдать по «хвостам» кривых Ms(T). Точки Tc=220 °С и Tc=385 °С можно связать с двумя гексагональными модификациями пирротина. Форма петли гистерезиса, указывает, но то, что основным носителем намагниченности является магнетит. По значению Mrs/Ms=0,01 Bcr/Bc= 11,6, c помощью диаграммы Дэя (Day, 1977) можно определить, что образцы содержат многодоменные зерна магнитных минералов, которые являются магнитомягкими. Что соответствует свойствам основных носителей намагниченности - магнетиту и тетратэниту. Форма кривой естественной остаточной намагниченности показывает, что намагниченность не несет компоненты древнего поля. Таким образом, тетратэнит, присутствующий в составе минералов коры плавления по данным рентгенофазового анализа, вероятнее всего является образованным в результате входа метороида в атмосферу, а не захваченном как другие реликтовые составляющие коры плавления.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
