Геохимики открыли новую модификацию полевого шпата

Ученые выяснили, что, если сжать образец полевого шпата до давления порядка 9-11 гигапаскалей, его кристаллическая решетка уплотняется, а координационное число алюминия и кремния в ней повышается с четырех до пяти-шести. Новые модификации шпатов стабильны при температуре до 600 градусов Цельсия и давлении до 15 гигапаскалей и могут существовать на более глубоких слоях литосферы, чем считалось ранее. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications и находится в открытом доступе.

Полевыми шпатами называют алюмосиликатные минералы, которые образуют до 50 процентов земной коры. Большинство полевых шпатов представляет собой твердые растворы на основе альбита Na[AlSi₃O₈], анортита Ca[Al₂Si₂O₈] и ортоклаза K[AlSi₃O₈]. Кристаллическая решетка таких минералов состоит из соединенных вершинами тетраэдров SiO₄ и AlO_4, в пустотах между которыми располагаются катионы кальция, натрия и калия. Шпаты (особенно альбит и анортит) очень широко встречаются в природе: помимо земной коры они были обнаружены на Луне, Марсе, Венере, Меркурии, а также в составе хондритов — наиболее распространенного класса метеоритов. Поэтому особый интерес для ученых представляет поведение шпатов при повышенном давлении и температуре — это поможет лучше понять многие геологические процессы. Ранее было показано, что в земной коре шпаты стабильны при давлении не выше трех гигапаскалей, но в экспериментах при комнатной температуре могут выдерживать и более высокие значения. Тем не менее, исследовать сжатие шпатов при давлении более 10 гигапаскалей пока никому не удавалось.

Немецкие, российские и американские геохимики под руководством Анны Пахомовой из исследовательского центра DESY изучили модификации решетки альбита, анортита и ортоклаза при более высоких значениях давления — вплоть до 27 гигапаскалей (это в 266 тысяч раз больше, чем атмосферное давление над уровнем моря). Авторы работы использовали метод in situ рентгеновской дифракции с использованием синхротронного источника — то есть записывали рентгеновский спектр прямо в процессе сжатия образца минерала в ячейке с алмазными наковальнями.

Оказалось, что в диапазоне давления 9-11 гигапаскалей все три минерала претерпевают уплотнение кристаллической решетки. При этом координационное число алюминия и кремния повышается до пяти-шести, то есть тетраэдры TO₄ (T =Al, Si) превращаются в более сложные полиэдры TO₅ и TO₆. Такие превращения, по всей видимости происходят гораздо легче в случае алюминия — в кристаллической решетке ортоклаза и анортита все SiO₄ тетраэдры сохранились после сжатия, и только в решетке альбита один из шести, тетраэдров превратился в квадратную пирамиду SiO₅. Авторы объясняют это более низким ионным потенциалом (отношение ионного заряда к ионному радиусу) иона Al³⁺ по сравнению с ионом Si⁴⁺.

Чтобы выяснить границы стабильности новых шпатов в земной коре авторы работы подвергли их одновременному действию высокой температуры и высокого давления, а полученные образцы вновь исследовали методами рентгеновской дифракции. Уплотненные минералы оказались значительно более стабильными, чем их традиционные аналоги: они выдерживали одновременное действия температуры вплоть до 600 градусов Цельсия и давления до 15 гигапаскалей. Авторы предположили, что такие породы могут существовать в земной коре на большей глубине, чем считалось ранее — на уровне верхней мантии Земли, в частности в зонах субдукций областей столкновения двух литосферных плит, в результате которого одна плита уходит под другую. Эти данные хорошо объясняют недавние обнаружения шпатов в виде алмазных включений — алмазообразование часто сопряжено с процессами субдукций и переносом породы с верхних уровней на более глубокие. Кроме того, авторы работы предположили, что за находящиеся на глубине шпатовые породы могут влиять на сейсмическую активность — в том числе ограничивать зону и уменьшать силу зарождающихся землетрясений.

Ранее американские и немецкие ученые, приложив давление 23 гигапаскаля воспроизвели процесс диспропорционирования оксида железа (II) в силикатных минералах на высший оксид Fe₂O₃ и металлическое железо. Авторы работы полагают что такое диспропорционирование могло быть причиной повышения окисленности верхней мантии Земли и поступления кислорода и воды на поверхность