WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


1 Электронный научно-информационный журнал «Вестник Отделения наук о Земле РАН» №1(22)2004 URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2004/informbul-1/planet-10.pdf СИДЕРОФИЛЬНОСТЬ КАК СЛЕДСТВИЕ ТЕРМОВОССТАНОВЛЕНИЯ В УДАРНОМ ПРОЦЕССЕ Яковлев О. И. (ГЕОХИ РАН; yakovlev@geokhi.ru), Диков Ю. П. (ИГЕМ РАН; dikov@igem.msk.su), Герасимов М. В. (ИКИ РАН; mgerasim@mx.iki.rssi.ru).

Известно, что целый ряд элементов (Fe, Ni, Co, P, W, Mo и др.) в различных условиях и средах проявляют литофильные или сидерофильные свойства. Учет этих свойств имеет важное значение для понимания поведения элементов на ранних этапах развития планет, когда происходило разделение металлической и силикатной фаз и формирование ядра и первичной мантии.

В качестве примера можно привести данные по содержанию типичных сидерофилов Ni, P и W в мантии Земли по сравнению с содержанием в углистых хондритах I типа. Соответствующие отношения для Ni равны 0.02, для P 0.29, для W 0.8 [1,2]. Дефицит этих элементов в мантии Земли и Луне объясняется растворением их в железной фазе на стадии планетарного разделения силиката и металла с последующим уводом их в ядра планет.

Однако причина, по которой элементы, первоначально находившиеся в окисной форме в силикатах, приобрели на стадии формирования планет сидерофильные (восстановленные) свойства остается предметом дискуссий. Наиболее распространена точка зрения, что на ранней стадии имели место высокие температуры и восстановительные условия, приведшие к образованию металлических форм сидерофилов. При этом роль ударных процессов, как обязательного и господствующего процесса на стадии аккреции, в создании высокотемпературных условий и в восстановлении элементов остается практически не изученной. Справедливости ради, необходимо упомянуть замечание А.Е.Рингвуда [2], который в своей «одностадийной» модели образования Земли предполагал, что «падение планетезималей может привести к сильному локальному нагреванию при ударе и восстановлению железа до металла углеродистым веществом». Другими словами, А.Е. Рингвуд считал, что для восстановления железа и, по-видимому, других сидерофилов на стадии ударной аккреции требуется внутренний восстановитель, роль которого выполнял углерод.

На наш взгляд этого вовсе не требуется, и цель нашей работы заключается в изучении роли температуры в восстановлении элементов, относящихся к группе сидерофилов. То, что температурный фактор определяет валентное состояние элементов хорошо известно, и это можно продемонстрировать на примере реакций восстановления окислов. На рис. 1 показано положение соответствующих реакций для ряда сидерофильных элементов, а также для Mn и Si, имеющих высокое сродство к кислороду. Из диаграммы следует, что нуль-валентное состояние элементов можно достигнуть путем простого увеличения температуры в широком диапазоне окислительно-восстановительных условий. Причем требуемые для термовосстановления элементов температуры легко достигаются в ударном процессе.

Рис. ------- ----- -1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 Температура оК lg P O ( атм ) O W O i N O.

+ i N O P O O, e F + O P.

+ e F O n M O, + n M O i S O i+ S В целях изучения роли температурного фактора в восстановлении элементов мы провели серию экспериментов, имитирующих ударное высокотемпературное плавление и испарение ряда образцов, в которых элементы сидерофильной группы изначально находились в окисленном состоянии. Опыты проводились на импульсной лазерной установке при характерной температуре в фокальной зоне действия лазерного импульса ~3000-4000К, длительности импульса ~10-сек и в атмосфере He при Р=1атм. Последнее условие опытов отсекает какое-либо окислительно-восстановительное воздействие окружающей среды на процессы плавления и испарения.

Конечными продуктами опытов были пар-конденсат и сферулы (брызги) стекла. Конденсат анализировался методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Метод позволял определять концентрацию элемента в конденсате и его валентное состояние, которое, как мы полагаем, отражает валентное состояние элементов в расплаве.

В качестве исходных образцов были использованы минералы P, Ni, W - апатит, гарниерит, вольфрамит и модельный образец, представляющий смесь базальта, хондрита Murchison с добавками летучих веществ. Последний образец имел состав (мас.%): H 2.80, S 4.33, C 11.37, Cl 1.48, N 4.45, P 0.30, B 0.04, F 0.28, O 41.28, Si 8.83, Ti 1.32, Al 2.10, Fe 9.28, Mn 0.09, Mg 3.43, Ca 1.65, Na 3.15, K 0.32, Cr 0.08, Zn 0.52, Cd 0.53, Pb 0.53, Pt 0.54, Ga 0.34, Co 0.09, другие 0.88. Необходимо отметить, что фосфор был введен в смесь в виде NH4H2PO4, а сера в виде S0 и соли Na2SO4·10H2O. Данный образец по замыслу эксперимента должен был воспроизвести ситуацию ударного взаимодействия кометного вещества с базальтовой мишенью.

Результаты опытов однозначно показали, что в ходе высокотемпературного процесса происходит частичное термовосстановление элементов. Так например, при плавлении и испарении модельной смеси произошло частичное восстановление железа, фосфора и серы. (рис. 2). Рисунок построен в координатах концентрация элемента и мощность конденсатного слоя, поскольку анализ проводился послойно. Представленные результаты анализа показывают, что весь фосфор восстановился до формы P0 и сконцентрировался в верхней части конденсатной пленки, а большая часть серы восстановилась до состояния S-2 и также, совместно с восстановленными формами железа и фосфора, преимущественно сконцентрировалась в верхних зонах конденсата.

Рис. S- Fe SPo 0 400 800 1200 1600 2000 A Мощность конденсатного слоя Одна из возможных интерпретаций полученных данных состоит в предположении, что восстановление элементов произошло не в результате термовосстановления, а в результате окислительно-восстановительной реакции в углеродом, присутствующим в системе. Чтобы выделить роль термовосстановительного эффекта, мы провели эксперимент с апатитом, то есть с минералом, не содержащим восстановительного агента. Результаты этого опыта представлены на рис. 3.

Содержание в ат.% Рис. 3 Рис. 14 Ni NiSiONiO о 0 100 200 300 400 500 А 0 200 400 600 800 1000 1200 Глубина конденсатного слоя o Глубина конденсатного слоя в А Рисунок наглядно показывает, что в результате термовосстановительного эффекта фосфор частично присутствует в конденсате в нуль-валентном состоянии. Можно видеть, что в нижних слоях конденсата доля P0 достигает ~12%.

Термовосстановительный эффект повторяется и на примере высокотемпературного плавления и испарения образца, содержащего никель в окисленном состоянии. На рис. 4 показаны формы никеля в паре-конденсате, полученные при испарении гарниерита – (Ni,Mg)4[Si4O10](OH)4·4H2O. Как видно из представленных данных, никель преимущественно находится в конденсате в нуль-валентной форме.

Аналогичная картина термовосстановления элементов наблюдается при плавлении и испарении вольфрамита – (Fe,Mn)WO4. На рис. 5 показаны содержания образовавшихся нульвалентных форм железа, вольфрама и марганца, а на рис. 6 – валентные формы вольфрама. Эти данные наглядно показывают, что вольфрам эффективно восстанавливается и его нульвалентная форма преобладает в нижних слоях конденсата.

Интересные данные получены для марганца, который обладает высоким сродством к кислороду (см. рис 1) и потому является типичным литофильным элементом. На рис. 7 показаны валентные формы марганца, и можно видеть, что нуль-валентная форма количественно доминирует во всех слоях конденсата. Отсюда можно заключить, что термовосстановительный эффект распространяется и на марганец. Можно предполагать тогда, что в ударных процессах этот элемент также частично металлизуется и наряду с другими сидерофильными элементами может растворяться в железной фазе. Вероятно, этим объясняется обедненность марганцем земной мантии, где его содержание меньше, чем углистых хондритах I типа, в 0.7 раза [1,2].

Таким образом, экспериментально показано, что путем высокотемпературного воздействия на элементы, первоначально находящиеся в окисленном состоянии, происходит перевод их валентной формы в сторону восстановления. Полученные результаты могут служить основанием для предположения, что в ходе ударного процесса, который, безусловно, господствовал на стадии роста Земли, имело место термовосстановление элементов и приобретение ими сидерофильных свойств. Это и определило вхождение сидерофилов в железное ядро планеты и обеднение ими силикатного вещества первичной мантии.

5+ P / (P +P ), % Содержание форм Ni в конденсате, мол.% Рис.5 Рис. W W +Mn +Fe о 0 200 400 600 800 1000 А 0 200 400 600 800 1000 Глубина конденсатного слоя Глубина конденсатного слоя Рис. 0 200 400 600 800 1000 Глубина конденсатного слоя Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 04-05-64338-a.

Литература 1. Wasson J.T., Kallemeyn G.W. Mean compositions of the chondrite groups // Phil. Trans. R. Soc.

Lond. 1988. A325. PP. 535-544.

2. Рингвуд А.Е. Происхождение Земли и Луны. М.: Недра. 1882. 293 стр.

Вестник Отделения наук о Земле РАН - №1(22)Информационный бюллетень Ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии 2004 года (ЕСЭМПГ-2004) URL: http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2004/informbul-1/planet-9.pdf Опубликовано 1 июля 2004 г.

© Вестник Отделения наук о Земле РАН, 1997 (год основания), При полном или частичном использовании материалов публикаций журнала, ссылка на "Вестник Отделения наук о Земле РАН" обязательна Содержание в ат.% Содержание в ат.% Содержание в ат.%











© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.