Изучена активность кислорода в некоторых земных и лунных минералах
Сотрудники лаборатории геохимии углерода им. Э.М. Галимова и лаборатории геохимии мантии Земли Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН совместно с сотрудниками Физического факультета Московскго государственного университета им. М.В. Ломоносова изучили окислительно-восстановительное состояние (ОВС или активность кислорода, fO2) характерных силикатных минералов (оливины, пироксены) земных и лунных базальтов.
Апробированные методики могут быть использованы для изучения магматических пород, в том числе, в рамках лунных миссий «Луна-27/28». Результаты опубликованы в журнале «Астрономический Вестник» / Solar System Research.
Образцы были отобраны из особых типов базальтов верхней мантии Земли (кимберлиты Якутии и зона субдукции на Камчатке) и брекчии лунных базальтов (метеорит NWA 7611). Активность кислорода в минералах определялось методом двойной электрохимической ячейки в диапазоне температур от 800 до 1100 °C.
Активность кислорода в различных геодинамических обстановках Земли и Луны: зелёный — зона субдукции (Авача, Камчатка); синий/фиолетовый — кимберлиты (труба Мир/Удачная); красный — брекчия лунного базальта (метеорит NWA 7611)
В целом зависимость fO2 от температуры в образцах с хорошей точностью (R2 ~ 0,9) описывается выражением log fO2 = A + B/T (K). Значения коэффициентов регрессии A и B для минералов из типичных земных и лунных пород были получены и сопоставлены с окислительно-восстановительными состояниями характерных Fe-буферов — вюстит-магнетит (WM), железо-вюстит (IW) и другими. Для минералов земных пород содержание атомов железа в различных валентных состояниях Fe2+/Fe3+ было независимо проверено методом Мёссбауэровской спектроскопии. Минералы из лунного метеорита NWA 7611 обладали самой низкой фугитивностью кислорода, что указывает на значительно более восстановительные условия в лунной мантии.
Для недр Земли, наряду с температурой и давлением, окислительно-восстановительное состояние является важным физико-химическим параметром, определяющим условия плавления, фазовые переходы и перераспределение сидерофильных элементов в процессе дифференциации планетарного вещества. Термодинамической характеристикой окисленного состояния мантии является парциальное давление кислорода, а также окислительно-восстановительные реакции основных породообразующих минералов. В то же время ключевым фактором эволюции недр планеты является состав отделяющихся флюидов C–O–H, зависящий от fO2, который определяет соотношение CO2 и H2O при дегазации мантии. В целом окислительно-восстановительное состояние твёрдых тел определяется степенью окисления входящих в их состав элементов или способностью отдавать и принимать электроны. Оно зависит как от химического состава (присутствия металлов с переменной валентностью — Fe, Cr, Ti и т. д.), так и температуры, и условий окружающей среды.
Оценка абсолютного значения активности кислорода, присущей глубинным условиям, является нетривиальной задачей, которую можно решить либо с помощью термодинамического анализа минеральных равновесий в породах недр, либо путем прямого экспериментального определения fO2 минералов глубинного происхождения с использованием твердотельных электрохимических ячеек. Оба метода сопряжены с трудностями, которые, с одной стороны, обусловлены недостатком данных о термодинамических свойствах минеральных фаз при высоких давлениях, неопределенностью моделей твердых растворов (соотношения активности и концентрации), а с другой стороны — степенью сохранения минеральных равновесий при переносе глубинных пород на поверхность планеты и воздействием газовых флюидов, выделявшиеся при подъеме магмы.
«В целом, измерительная установка ГЕОХИ РАН на основе двух твёрдых электролитов показала свою применимость для изучения магматических пород различного генезиса и может быть использована в рамках будущих лунных миссий „Луна-27/28“, с доставкой образцов на Землю», — прокомментировал ведущий научный сотрудник лаборатории геохимии углерода им. Э.М. Галимова ГЕОХИ РАН кандидат физико-математических наук Сергей Воропаев.
Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (№ 25-17-0005).
Источник: ГЕОХИ РАН.
