Рингвудит
| Рингвудит | |
|---|---|
 Кристалл (диаметр ~150 микрометров) синего рингвудита состава Fo90, синтезированный при 20 ГПа и 1200 °C. | |
| Общий | |
| Категория | Несосиликаты Шпинельная группа |
| Формула (повторяющаяся единица) | Силикат магния (Mg 2 SiO 4 ) |
| Имеет символ IMA. | Ргд [1] |
| Классификация Штрунца | 9.АС.15 |
| Кристаллическая система | Кубический |
| Кристаллический класс | Шестиоктаэдрический (м 3 м) Символ HM : (4/м 3 2/м) |
| Космическая группа | Фд 3 м |
| Элементарная ячейка | а = 8,113 Å; З = 8 |
| Идентификация | |
| Цвет | Темно-синий, а также красный, фиолетовый или бесцветный (чистый Mg 2 SiO 4 ) |
| Кристальная привычка | Микрокристаллические агрегаты |
| прозрачность | Полупрозрачный |
| Удельный вес | 3,90 (Mg 2 SiO 4 ); 4,13 ((Mg 0,91 , Fe 0,09 ) 2 SiO 4 ); 4,85 (Fe 2 SiO 4 ) |
| Оптические свойства | изотропный |
| Показатель преломления | п = 1,8 |
| Двойное лучепреломление | никто |
| Плеохроизм | никто |
| Ссылки | [2] [3] [4] |
Рингвудит представляет собой фазу высокого давления Mg 2 SiO 4 (силиката магния), образовавшуюся при высоких температурах и давлениях мантии Земли на глубине от 525 до 660 км (326 и 410 миль). Он также может содержать железо и водород . Он полиморфен форстериту оливиновой фазы магния ( и железа силикат ).
Рингвудит примечателен тем, что способен содержать гидроксида ионы ( кислорода и водорода атомы в своей структуре , связанные вместе). В этом случае место иона магния и двух ионов оксида обычно занимают два гидроксид-иона. [5]
В сочетании с доказательствами его залегания глубоко в мантии Земли это позволяет предположить, что воды, чем в мировом океане глубине от 410 до 660 км содержится от одного до трех раз больше в на переходной зоне мантии . [6] [7]
Этот минерал был впервые обнаружен в метеорите Тенхэм в 1969 году. [8] и предполагается, что он присутствует в больших количествах в мантии Земли.
Оливин , вадслеит и рингвудит — это полиморфы, обнаруженные в верхней мантии Земли. На глубинах более 660 километров (410 миль) другие минералы, в том числе со структурой перовскита , стабильны. Свойства этих минералов определяют многие свойства мантии.
Рингвудит был назван в честь австралийского учёного-геолога Теда Рингвуда (1930–1993), который изучал полиморфные фазовые переходы в обычных мантийных минералах оливине и пироксене при давлениях, эквивалентных глубинам до 600 км.
Характеристики
[ редактировать ]Рингвудит полиморфен форстеритом Mg 2 SiO 4 и имеет структуру шпинели . Минералы группы шпинели кристаллизуются в изометрической системе октаэдрического габитуса. Оливин наиболее распространен в верхней мантии, на высоте примерно 410 км (250 миль); Считается, что полиморфы оливина, вадслеит и рингвудит, доминируют в переходной зоне мантии, зоне, существующей на глубине от 410 до 660 км.
Рингвудит считается наиболее распространенной минеральной фазой в нижней части переходной зоны Земли. Физические и химические свойства этого минерала отчасти определяют свойства мантии на этих глубинах. Диапазон давлений устойчивости рингвудита лежит примерно в диапазоне от 18 до 23 ГПа .
Природный рингвудит был обнаружен во многих потрясенных хондритических метеоритах , в которых рингвудит встречается в виде мелкозернистых поликристаллических агрегатов . [9]
Природный рингвудит обычно содержит гораздо больше магния, чем железа, и может образовывать серию твердых растворов без зазоров от концевого члена из чистого магния до концевого члена из чистого железа. [ нужна ссылка ] . Последний, богатый железом конечный член ряда твердых растворов γ-оливина , γ-Fe 2 SiO 4 , был назван аренситом в честь американского физика-минерала Томаса Дж. Аренса (1936–2010). [10]
Геологические проявления
[ редактировать ]В метеоритах рингвудит встречается в прожилках закаленного ударного расплава, разрезающего матрицу и замещающего оливин, вероятно, образовавшийся в ходе ударного метаморфизма . [9]
В недрах Земли оливин встречается в верхней мантии на глубинах менее 410 км, а рингвудит, как предполагается, присутствует в переходной зоне на глубине от 520 до 660 км. Разрывы сейсмической активности на глубинах около 410 км, 520 км и 660 км объясняются фазовыми изменениями с участием оливина и его полиморфных модификаций .
Обычно считается, что разрыв глубины 520 км обусловлен переходом полиморфной модификации оливина вадслеита (бета-фаза) в рингвудит (гамма-фаза), а разрыв глубины 660 км — фазовым превращением рингвудита (гамма-фаза). ) до силикатного перовскита плюс магнезиовюстита . [11] [12]
Предполагается, что рингвудит в нижней половине переходной зоны играет ключевую роль в динамике мантии, а пластические свойства рингвудита считаются решающими в определении потока материала в этой части мантии. Способность рингвудита включать гидроксид важна из-за его влияния на реологию .
Рингвудит синтезирован в условиях, соответствующих переходной зоне, с содержанием воды до 2,6 мас.%. [13] [14]
Поскольку переходная зона между верхней и нижней мантией Земли помогает регулировать масштаб переноса массы и тепла по всей Земле, присутствие воды в этом регионе, будь то глобальное или локальное, может оказывать существенное влияние на реологию мантии и, следовательно, на мантийную циркуляцию. [15] В зонах субдукции поле стабильности рингвудита характеризуется высоким уровнем сейсмичности. [16]
«Сверхглубокий» алмаз (тот, который поднялся с большой глубины), найденный в Жуине на западе Бразилии, содержал включение рингвудита — в то время единственного известного образца естественного земного происхождения — что свидетельствует о значительном количестве воды в виде гидроксида в мантия Земли. [6] [17] [18] [19] Драгоценный камень длиной около 5 мм. [19] было вызвано диатремным извержением. [20] Включения рингвудита слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. [19] Позже был найден второй такой алмаз. [21]
Мантийный резервуар может содержать примерно в три раза больше воды в форме гидроксида, содержащегося в кристаллической структуре вадслеита и рингвудита, чем океаны Земли вместе взятые. [7]
Синтетический
[ редактировать ]Для экспериментов был синтезирован водный рингвудит путем смешивания порошков форстерита ( Mg
2 СиО
4 ), брусит ( Mg(OH)
2 ) и кремнезем ( SiO
2 ), чтобы обеспечить желаемый конечный элементный состав. Помещение под давлением 20 гигапаскалей при температуре 1523 К (1250 °C; 2282 °F) на три или четыре часа превращает его в рингвудит, который затем можно охладить и сбросить давление. [5]
Кристаллическая структура
[ редактировать ]Рингвудит имеет структуру шпинели , в изометрической кристаллической системе с пространственной группой Fd 3 m (или F 4 3 m [22] ). В атомном масштабе магний и кремний находятся в октаэдрической и тетраэдрической координации с кислородом соответственно. Связи Si-O и Mg-O имеют смешанный ионный и ковалентный характер. [23] Параметр кубической элементарной ячейки составляет 8,063 Å для чистого Mg 2 SiO 4 и 8,234 Å для чистого Fe 2 SiO 4 . [24]
Химический состав
[ редактировать ]В экспериментах по синтезу составы рингвудита варьируются от чистого Mg 2 SiO 4 до Fe 2 SiO 4 . Рингвудит может содержать до 2,6 мас.% H 2 O. [5]
Физические свойства
[ редактировать ]
На физические свойства рингвудита влияют давление и температура. В условиях давления и температуры мантийной переходной зоны расчетное значение плотности рингвудита составляет 3,90 г/см. 3 для чистого Mg 2 SiO 4 ; [25] 4,13 г/см 3 для (Mg 0,91 ,Fe 0,09 ) 2 SiO 4 [26] пиролитовой мантии; и 4,85 г/см 3 для Fe 2 SiO 4 . [27] Это изотропный минерал с показателем преломления n = 1,768.
Цвет рингвудита варьируется в зависимости от метеорита, между различными агрегатами, содержащими рингвудит, и даже в одном агрегате. Агрегаты рингвудита могут иметь все оттенки синего, фиолетового, серого и зеленого или вообще не иметь цвета.
Более пристальный взгляд на цветные агрегаты показывает, что цвет не является однородным, а, по-видимому, происходит от чего-то, похожего по размеру на кристаллиты рингвудита. [28] В синтетических образцах чистый Mg-рингвудит бесцветен, тогда как образцы, содержащие более одного мольного процента Fe 2 SiO 4 , имеют темно-синий цвет. Считается, что цвет обусловлен Fe. 2+ –Фе 3+ перенос заряда. [29]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Уорр, Л.Н. (2021). «Утвержденные IMA–CNMNC символы минералов» . Минералогический журнал . 85 (3): 291–320. Бибкод : 2021MinM...85..291W . дои : 10.1180/mgm.2021.43 . S2CID 235729616 .
- ^ Справочник по минералогии
- ^ Рингвудит на Mindat.org
- ^ Рингвудит на Webmineral
- ^ Перейти обратно: а б с Йе, Й.; Браун, округ Колумбия; Смит, младший; Панеро, WR; Якобсен, SD; Чанг, Ю.-Ю.; Таунсенд, JP; Томас, С.М.; Хаури, Э.; Дера, П.; Фрост, диджей (2012). «Исследование сжимаемости и термического расширения водного рингвудита Fo100 с 2,5(3) мас.% H 2 O» (PDF) . Американский минералог . 97 : 573–582. дои : 10.2138/am.2012.4010 . S2CID 29350628 . Архивировано из оригинала (PDF) 29 июня 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Редкий алмаз подтверждает, что в мантии Земли содержится столько же воды, сколько в океане» . Научный американец . 12 марта 2014 года . Проверено 13 марта 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б Шмандт, Брэндон; Якобсен, Стивен Д.; Беккер, Торстен В.; Лю, Чжэньсянь; Дукер, Кеннет Г. (13 июня 2014 г.). «Обезвоживание плавления в верхней части нижней мантии». Наука . 344 (6189): 1265–1268. Бибкод : 2014Sci...344.1265S . дои : 10.1126/science.1253358 . ПМИД 24926016 . S2CID 206556921 .
- ^ Биннс, Р.А.; Дэвис, Р.Дж.; Рид, № SJ B (1969). «Рингвудит, природная группа шпинели (Mg, Fe) 2SiO4 в метеорите Тенхэм». Природа . 221 : 943–944. дои : 10.1038/221943a0 . S2CID 4207095 .
- ^ Перейти обратно: а б Чен. М., Эль Гореси А. и Жилле П. (2004). «Ламели рингвудита в оливине: ключ к разгадке механизмов фазового перехода оливин-рингвудит в сотрясенных метеоритах и погружающихся плитах». ПНАС .
- ^ Чи Ма, Оливер Чаунер, Джон Р. Беккет, Ян Лю, Джордж Р. Россман, Станислав В. Синогейкин, Джесси С. Смит, Лоуренс А. Тейлор (июль 2016 г.). «Аренсит, γ-Fe2SiO4, новый ударно-метаморфический минерал из метеорита Тиссинт: последствия ударного события Тиссинт на Марсе» . Geochimica et Cosmochimica Acta . 184: 240-256. два : 10.1016/j.gca.2016.04.042
- ^ А. Деусс; Дж. Вудхаус (12 октября 2001 г.). «Сейсмические наблюдения за расщеплением разрыва средней переходной зоны в мантии Земли». Наука . Новая серия. 294 (5541): 354–357. Бибкод : 2001Sci...294..354D . дои : 10.1126/science.1063524 . ПМИД 11598296 . S2CID 28563140 .
- ^ Г.Р. Хелфрич; Би Джей Вуд (2001). «Мантия Земли». Природа . 412 (6846): 501–507. дои : 10.1038/35087500 . ПМИД 11484043 . S2CID 4304379 .
- ^ Дэвид Л. Кольстедт; Ганс Кепплер; Дэвид С. Руби (1996). «Растворимость воды в альфа-, бета- и гамма-фазах (Mg,Fe 2SiO4 ) » . Вклад в минералогию и петрологию . 123 (4): 345–357. Бибкод : 1996CoMP..123..345K . дои : 10.1007/s004100050161 . S2CID 96574743 .
- ^ Дж. Р. Смит; КМ Холл; диджей Фрост; С.Д. Якобсен; Ф. Лангенхорст; Калифорния Маккаммон (2003). «Структурная систематика водного рингвудита и воды в недрах Земли». Американский минералог . 88 (10): 1402–1407. Бибкод : 2003AmMin..88.1402S . дои : 10.2138/am-2003-1001 . S2CID 41414643 .
- ^ А. Кавнер (2003). «Эластичность и прочность водного рингвудита при высоком давлении». Письма о Земле и планетологии . 214 (3–4): 645–654. Бибкод : 2003E&PSL.214..645K . дои : 10.1016/s0012-821x(03)00402-3 .
- ^ Ю. Сюй; диджей Вейдер; Дж.Чен; М.Т. Воган; Ю. Ван; Т. Учида (2003). «Закон течения рингвудита в условиях зоны субдукции». Физика Земли и недр планет . 136 (1–2): 3–9. Бибкод : 2003PEPI..136....3X . дои : 10.1016/s0031-9201(03)00026-8 .
- ^ Ричард А. Ловетт (12 марта 2014 г.). «Маленькая алмазная примесь раскрывает водные богатства глубин Земли» . Природа . дои : 10.1038/nature.2014.14862 . S2CID 138212710 .
- ^ Д. Г. Пирсон; Ф.Э. Бренкер; Ф. Нестола; Дж. Макнил; Л. Насдала; М.Т. Хатчисон; С. Матвеев; К. Мэзер; Г. Сильверсмит; С. Шмитц; Б. Векеманс; Л. Винце (13 марта 2014 г.). «Переходная зона водной мантии обозначена рингвудитом, включенным в алмаз» (PDF) . Природа . 507 (7491): 221–224. Бибкод : 2014Natur.507..221P . дои : 10.1038/nature13080 . ПМИД 24622201 . S2CID 205237822 .
- ^ Перейти обратно: а б с Сэмпл, Ян (12 марта 2014 г.). «Необработанный алмаз намекает на огромное количество воды внутри Земли» . Хранитель . Проверено 6 декабря 2014 г.
- ^ «образец недели: рингвудит» . супер/коллайдер. Архивировано из оригинала 28 декабря 2014 года . Проверено 6 декабря 2014 г.
- ^ Энди Коглан (21 июня 2014 г.). «Массивный «океан» обнаружен вблизи ядра Земли» . Новый учёный .
- ^ Строение шпинели точнее описывается как F 4 3 m по данным Н. В. Граймс; и др. (8 апреля 1983 г.). «Новая симметрия и структура шпинели». Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 386 (1791): 333–345. Бибкод : 1983RSPSA.386..333G . дои : 10.1098/rspa.1983.0039 . JSTOR 2397417 . S2CID 96560029 .
- ^ Прайс, Джеффри Д.; Паркер, Стивен К. (апрель 1984 г.). «Компьютерное моделирование структурных и физических свойств полиморфных модификаций оливина и шпинели Mg 2 SiO 4 ». Физика и химия минералов . 10 (5): 209–216. Бибкод : 1984PCM....10..209P . дои : 10.1007/BF00309313 . S2CID 96165079 .
- ^ Смит, младший и Т.К. Маккормик (1995). «Кристаллографические данные минералов». в (Т. Дж. Аренс, ред.) Физика минералов и кристаллография: Справочник физических констант , AGU Washington DC, 1–17.
- ^ Кацура Т., Ёкоши С., Сонг М., Кавабе К., Цудзимура Т., Кубо А., Ито Э., Танге Ю., Томиока Н., Сайто К. и Нозава, А. (2004). «Термическое расширение рингвудита Mg 2 SiO 4 при высоких давлениях». Журнал геофизических исследований: Solid Earth . 109 (Б12): Б12. Бибкод : 2004JGRB..10912209K . дои : 10.1029/2004JB003094 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Нишихара Ю., Такахаши Э., Мацукаге К.Н., Игучи Т., Накаяма К. и Фунакоси К.И. (2004). «Термическое уравнение состояния (Mg 0,91 , Fe 0,09 ) 2 SiO 4 рингвудита». Физика Земли и недр планет . 143 : 33–46. Бибкод : 2004PEPI..143...33N . дои : 10.1016/j.pepi.2003.02.001 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Арментраут М. и Кавнер А. (2011). «Уравнение состояния рингвудита Fe 2 SiO 4 при высоком давлении и высокой температуре и последствия для переходной зоны Земли» . Письма о геофизических исследованиях . 38 (8): н/д. Бибкод : 2011GeoRL..38.8309A . дои : 10.1029/2011GL046949 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Лингеманн К.М. и Д. Штеффлер 1994. «Новые доказательства окраски и образования рингвудита в сильно потрясенных хондритах». Лунная и планетарная наука XXIX , с. 1308.
- ^ Кепплер, Х.; Смит, младший (2005). «Оптические и ближние инфракрасные спектры рингвудита до 21,5 ГПа». Американский минералог . 90 : 1209–1214. дои : 10.2138/am.2005.1908 . S2CID 32069655 .