Atacamite from paleofumarole cone height 1004 (Tolbachik volcano, Kamchatka): thermodynamic properties

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Atakamite with the empirical formula (Cu1.97Zn0.01)Cl0.94(OH)3.02, originating from the paleofumaroles of the monogenic volcano Vysota 1004 (Tolbachik, Kamchatka, Russia), has been studied by thermal and electron microprobe analyses, X-ray powder diffraction, IR and Raman spectroscopy, Calve microcalorimetry. Using X-ray diffraction and IR spectroscopy, the process of thermal decomposition of atacamite was studied. The enthalpy of formation from the elements for atacamite of the theoretical composition Cu2Cl(OH)3 (−810.2 ± 7.7 kJ/mol) was determined by melt dissolution calorimetry and the Gibbs energy of formation (−657.0 ± 7.7 kJ/mol) was calculated. Based on the data obtained, thermodynamic modeling of the stability of atacamite in the Cu–O–Cl–H system was carried out, and the boundaries of its stability were calculated under conditions of high alkalinity and high acidity of the mineral-forming medium.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Yu. D. Gritsenko

Lomonosov Moscow State University; Fersman Mineralogical Museum, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ygritsenko@rumbler.ru

Geological Faculty

Russian Federation, 119991, Moscow, Leninskie gory, 1; 119692, Moscow, Leninskij pr., 18

М. О. Bulakh

Lomonosov Moscow State University

Email: ygritsenko@rumbler.ru

Geological Faculty

Russian Federation, 119991, Moscow, Leninskie gory, 1

L. P. Ogorodova

Lomonosov Moscow State University

Email: logor48@mail.ru

Geological Faculty

Russian Federation, 119991, Moscow, Leninskie gory, 1

М. F. Vigasina

Lomonosov Moscow State University

Email: ygritsenko@rumbler.ru

Geological Faculty

Russian Federation, 119991, Moscow, Leninskie gory, 1

L. V. Melchakova

Lomonosov Moscow State University

Email: ygritsenko@rumbler.ru

Geological Faculty

Russian Federation, 119991, Moscow, Leninskie gory, 1

D. A. Ksenofontov

Lomonosov Moscow State University

Email: ygritsenko@rumbler.ru

Geological Faculty

Russian Federation, 119991, Moscow, Leninskie gory, 1

References

  1. Бисенгалиева М. Р., Киселева И. А., Мельчакова Л. В., Огородова Л. П. (1990) Термодинамические свойства брошантита. Минералогический журнал. 12 (6), 51–58.
  2. Большое трещинное Толбачинское извержение, Камчатка, 1975–1976. (Под редакцией С. А. Федотова) (1984). М.: Наука, 637 с.
  3. Вергасова Л. П., Филатов С. К. (1993) Минералы вулканических эксгаляций – особая генетическая группа (по материалам Толбачинского извержения 1975–1976 гг.). Записки Российского Минералогического Общества. CXXII (4), 68–76.
  4. Витовская И. В. (1960) Новые данные по минералогии зоны окисления месторождения Акчагыл в центральном Казахстане. Кора выветривания. Вып. 3. М.: Из-во АН СССР, 74–116.
  5. Герман Л. Д. (1960) Некоторые минералы зоны окисления Блявинского месторождения. Кора выветривания. Вып. 3. М.: Из-во АН СССР, 117–136.
  6. Гриценко Ю. Д., Огородова Л. П., Вигасина М. Ф., Косова Д. А., Дедушенко С. К., Мельчакова Л. В., Ксенофонтов Д. А. (2023а) Термодинамические свойства кокимбита и алюминококимбита. Геохимия. 68(6), 622–628.
  7. Gritsenko Yu D., Ogorodova L. P., Vigasina M. F., Kosova D. A., Dedushenko S. K., Melchakova L. V., Ksenofontov D. A. (2023) Thermodynamic Properties of Coquimbite and Aluminocoquimbite. Geochem. Int. 61(6), 643–649.
  8. Гриценко Ю. Д., Еремина Е. Н., Вигасина М. Ф., Вяткин С. В., Огородова Л. П., Мальцев В. В., Мельчакова Л. В. (2023б) Содалит: спектроскопические и термохимические исследования. Геохимия. 68(7), 720–729.
  9. Gritsenko Yu D., Eremina E. N., Vigasina M. F., Vyatkin S. V., Ogorodova L. P., Maltsev V. V., Melchakova L. V. (2023) Sodalite: spectroscopic and thermochemical investigations. Geochem. Int. 61(7), 735–743.
  10. Добрецова И. Г. (2020) Минералы группы атакамита со дна Атлантического океана. Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии (Юшкинские чтения-2020). Сыктывкар: Геопринт, 38–40.
  11. Добрецова И. Г., Яговкина М. А. (2022) Минералы группы атакамита из рудопроявлений на дне Атлантического океана Вестник института геологии Коми Научного Центра Уральского отделения РАН. (2), 37–45.
  12. Житова Е. С., Аникин Л. П., Сергеева А. В., Исмагилова Р. М., Рашидов В. С.., Чубаров В. М., Купченко А. М. (2020) Палеофумарольное проявление фольбортита и атакамита на вулкане Алаид (о. Атласова, Курильские острова, Россия). Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии (Юшкинские чтения –2020). Сыктывкар: Геопринт, 43.
  13. Иванова В. П., Касатов Б. К., Красавина Т. Н., Розинова Е. Л. (1974) Термический анализ минералов и горных пород. Ленинград: Недра, 400с.
  14. Киселева И. А., Огородова Л. П., Топор Н. Д., Чигарева О. Г. (1979) Термохимическое исследование системы СаО–MgO–SiO2. Геохимия. (12), 1811–1825.
  15. Киселева И. А., Огородова Л. П., Сидоров Ю. И., Ходаковский И. Л. (1990) Термодинамические свойства щелочных полевых шпатов. Геохимия. (3), 406–413.
  16. Киселева И. А., Огородова Л. П., Мельчакова Л. В., Бисенгалиева М. Р., Бектурганов Н. С. (1991) Термодинамические свойства хризоколлы. Вестник МГУ, Сер. Геология. (1), 55–64.
  17. Минералы (1963) (Под ред. Чухрова Ф. В. и Бонштедт-Куплетской Э.М.). Том II, вып. 1. М.: Издательство Академии Наук СССР, 295 с.
  18. Набоко С. И., Главатских С. Ф. (1993) Реликты постэруптивной деятельности на старых конусах Толбачинского дола, Камчатка. Вулканология и сейсмология. (5–6), 66–86.
  19. Накамото К. (1991) ИК спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений. М.: “Мир”, 536 с.
  20. Наумов Г. Б., Рыженко Б. Н., Ходаковский И. Л. (1971) Справочник термодинамических величин (для геологов). М.: Атомиздат, 230 с.
  21. Огородова Л. П., Киселева И. А., Мельчакова Л. В., Вигасина М. Ф., Спиридонов Э. М. (2011) Калориметрическое определение энтальпии образования пирофиллита. Журнал Физической Химии. 85(9), 1609–1611.
  22. Огородова Л. П., Мельчакова Л. В., Вигасина М. Ф., Гриценко Ю. Д., Ксенофонтов Д. А. (2018) Калориметрическое изучение природного основного фосфата меди – псевдомадахита. Геохимия. (5), 485–489.
  23. Ogorodova L. P., Melchakova L. V., Vigasina M. F., Gritsenko Ju.D., Ksenofontov D. A. (2018) Calorimetric study of Natural Basic Copper Phosphate – Pseudomalachite. Geochem. Int. 56(5), 484–487.
  24. Пеков И. В., Агаханов А. А., Зубкова Н. В., Кошлякова Н. Н., Щипалкина Н. В., Сандалов Ф. Д., Япаскурт В. О., Турчкова А. Г., Сидоров Е. Г. (2020) Фумарольные системы окислительного типа на вулкане Толбачик – минералогический и геохимический уникум Геология и геофизика. 61(5–6), 826–843.
  25. Пен Веньши, Лю Гаокуй (1982) Атлас инфракрасных спектров минералов. Пекин: Наука, 473 с.
  26. Сандалов Ф. Д., Щипалкина Н. В., Пеков И. В., Кошлякова Н. Н., Бритвин С. Н., Сидоров Е. Г. (2021) Кристобалит и тридимит из отложений фумаролы Арсенатная (вулкан Толбачик, Камчатка). Вестник МГУ, сер. Геология. (2), 87–96.
  27. Серафимова Е. К., Семенова Т. Ф., Сулимова Н. В. (1994) Минералы меди и свинца древних фумарольных полей горы 1004 (Камчатка) Вулканология и сейсмология. (3), 35–49.
  28. Силаев В. И., Аникин Л. П., Рашидов В. А., Филиппов В. Н., Хазов А. Ф., Макеев Б. А., Петрова В. В. (2021) Атакамит как продукт фумарольного минералообразования на современных вулканах. Проблемы минералогии, петрографии и металлогении (Научные чтения памяти П. Н. Чирвинского). Пермь: ПГНИУ, 207–216.
  29. Чураков С. В., Ткаченко С. И., Коржинский М. А., Бочарников Р. Е., Шмулович К. И. (2000) Термодинамическое моделирование эволюции состава высокотемпературных фумарольных газов вулкана Кудрявый, о. Итуруп, Курильские о-ва. Геохимия. (5), 485–501.
  30. Balassone G., Petti C., Mondeillo N., Panikorovskii T. L., de Genaro R., Cappelletti P., Altomaro A., Corriero N., Cangiano M., Dorazio L. (2019) Copper minerals at Vesuvius volcano (Southern Italy): a mineralogical review. Minerals. 9(12), No. 730.
  31. Barton P. B., Bethke P. M. (1960) Thermodynamic properties of some synthetic zinc and copper minerals. Am. J. Sci. 258A, 2l-34.
  32. Bisengalieva M. R., Kiseleva I. A., Melchakova L. V., Ogorodova L. P., Gurvich A. (1997) The molar heat capacity of hydrous copper chloride: atacamite Cu2Cl(OH)3. J. Chem. Thermodyn. 9, 345–352.
  33. Bisengalieva M., Ogorodova L., Vigasina M., Mel’chakova L., Kosova D., Bryzgalov I., Ksenofontov D. (2016) Enthalpy of formation of natural hydrous copper sulfate: Chalcantite. J. Chem. Thermodyn. 95, 143–148.
  34. Bonatti E., Guerstein –Honnorez B.-M., Honnorez J. (1976) Copper-iron sulfide mineralizations from the equatorial Mid-Atlantic Ridge. Econ. Geol. 71, 1515–1525.
  35. Buse J., Otero V., Melo M. J. (2019) New Insights into Synthetic Copper Greens: The Search for Specific Signatures by Raman and Infrared Spectroscopy for Their Characterization in Medieval Artworks. Heritage. 2, 1614–1629.
  36. Chukanov N. V. (2014) Infrared Spectra of Mineral Species: Extended Library. Springer-Verlag GmbH, Dordrecht–Heidelberg–New York–London, 1726 p.
  37. Dekov V., Boycheva T., Hãlenius U., Petersen S., Billstrőm K., Stummeyer J., Kamenov G., Shanks W. (2011) Atacamite and paratacamite from the ultramafic-hosted Logatchev seafloor vent field (14o45΄N, Mid-Atlantic Ridge). Chem. Geol. 286, 169–184.
  38. Flőrke O. W., Kőhler-Herbertz B., Langer K., Tőnges I. (1982) Water in microcrystalline quartz of volcanic origin: agates. Contrib. Mineral. Petrol. 80, 324–333.
  39. Frost R. L. (2003) Raman spectroscopy of selected copper minerals of significance in corrosion. Spectrochim. Acta. 59, 1195–1204.
  40. Hannington M. D. (1993) The formation of atacamite during weathering of sulfides on the modern seafloor. Can. Mineral. 31, 945–956.
  41. Holakooei P., Karimy A-H. (2015) Micro-Raman spectroscopy and X-ray fluorescence spectrometry on the characterization of the Persian pigments used in the pre-seventeenth century wall paintings of Masjid-I Jãme of Abarqū, central Iran. Spectrochim. Acta Part A 134, 419–427.
  42. Ilieva A., Mihailova B., Tsintsov Z., Petrov O. (2007) Structural state of microcrystalline opals: a Raman spectroscopic study. Am. Mineral. 92, 1325–1333.
  43. Kawaji H., Atake T., Chimara H., Mori W., Kishita M. (1985) Synthetic atacamite, Cu2Cl(OH)3: a suspected spin glass behavior in low-temperature heat capacities. Thermochim. Acta. 88, 195–198.
  44. Kiseleva I. A., Ogorodova L. P., Melchakova L. V., Bisengalieva M. R., Becturganov N. S. (1992) Thermodynamic properties of copper carbonates – malachite Cu2(OH)2CO3 and azurite Cu3(OH)2(CO3)2 Phys. Chem. Minerals. 19, 322–333.
  45. Kiseleva I. A., Ogorodova L. P., Melchakova L. V., Bisengalieva M. R. (1993) Thermodynamic properties of copper silicate: dioptase Cu6Si6O18·6H2O. J. Chem. Thermodyn. 25, 621–630.
  46. Kiseleva I. A., Navrotsky A., Belitsky I. A., Fursenko B. A. (2001) Thermochemical study of calcium zeolites – heulandite and stilbite. Am. Mineral. 86, 448–455.
  47. Marin G. D., Wang Z., Naterer G. F., Gabriel K. (2011) X-ray diffraction study of multiphase reverse reaction with molten CuCl and oxygen. Thermochim. Acta. 524(1–2), 109–116.
  48. Martens W. N., Frost R. L., Williams P. (2003) Raman and infrared spectroscopic study of the basic copper chloride minerals: implications for the study of the copper and brass corrosion and “bronze disease”. Neues Jahrb. Mineral. Abhand. 178(2), 197–215.
  49. Murata K. J. (1960) Occurrence of CuCl emission in volcanic flames. Am. J. Sci. 258, 769–772.
  50. Ogorodova L. P., Melchakova L. V., Kiseleva I. A., Belitsky I. A. (2003) Thermochemical study of natural pollucite. Thermochim. Acta. 403, 251–256.
  51. Parise J. B., Hyde B. G. (1986) The structure of atacamite and its relationship to spinel. Acta Crystallogr. C42, 1277–1280.
  52. Pekov I. V., Koshlyakova N. N., Zubkova N. V., Lykova I. S., Britvin S. N., Yapaskurt V. O., Agakhanov A. A., Shchipalkina N. V., Turchkova A. G., Sidorov E. G. (2018) Fumarolic arsenates – a special type of arsenic mineralization. Eur. J. Mineral. 30, 305–322.
  53. Pollard A. M., Tomas R. G., Williams P. A. (1989) Synthesis and stabilities of the basic copper (II) chlorides atacamite, paratacamite and botallakite. Mineral. Magaz. 53, 557–563.
  54. Robie R. A., Hemingway B. S. (1995) Thermodynamic properties of minerals and related substances at 298.15 K and 1 bar (105 pascals) pressure and at higher temperatures. U. S. Geol. Surv. Bull. 2131, 461 p.
  55. Sharkey J. B., Lewin S. Z. (1972) Thermochemical properties of the copper(II) hydroxychlorides. Thermochim. Acta. 3, 189–201.
  56. Stoiber R. E., Rose W. I. (1974) Fumarole incrustations at Central American volcanoes. Geochim. Cosmochim. Acta. 88, 495–516.
  57. Wang H., Zhang Z., Yin H., Wu Y. (2021) Synthesis of Cu2Cl(OH)3 as facile and effective Fenton catalysts for mineralizing aromatic contaminants: Combination of σ-Cu-ligand and self-redox property. Appl. Catal., A, No. 118055
  58. Wells A.F (1949) The crystal structure of atacamite and the crystal chemistry of cupric compounds. Acta Crystallogr. 2, 175–180.
  59. Xie H., Zhu L., Zheng W., Zhang J., Gao F., Wang Y. (2016) Microwave-assisted template –free synthesis of butterfly-like CuO through Cu2Cl(OH)3 precursor and the electrochemical sensing property. Solid State Sci. 61, 146–154.
  60. Zheng X. G., Mori T., Nishiyama K., Higemoto W., Yamada H., Nishikubo K., Xu C. N. (2005) Antiferromagnetic transition in polymorphous minerals of natural cuprates atacamite and botallackite Cu2Cl(OH)3. Phys. Rev. B71, No. 174404.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Atacamite segregations (Cone Height 1004, Tolbachinsky Dol, Kamchatka): (a) − fragment of the eastern part of the Southern paleofumarole field, containing abundant accumulations of tenorite with crusts of atacamite and chrysocolla; (b) − powdery cryptocrystalline aggregates of atacamite (green) on a piece of basaltic scoria; (c, d) − plate crystals of tenorite (black), partially replaced by atacamite.

Download (762KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Atacamite segregations on basaltic scoria: (a) − atacamite aggregates with tenorite relics (Tnr), cementing basalt particles (bslt); (b) − atacamite (Ata), overgrowing tenorite grains (Tnr), in association with forsterite (Fo), sanidine (Sa) and hematite (Hem). SEM images in reflected electrons.

Download (297KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Powder diffraction patterns (Cu-Kα radiation λ = 1.541874 Å): (a) – the studied atacamite, all interplanar distances correspond to atacamite, reflections coinciding with opal are noted; (b) – products of heating atacamite to 465oC; (c) – products of heating atacamite to 1000oC. Opl – opal, Crs – cristobalite, Mlth – melanothallite, Tnr – tenorite. Interplanar distances are given in Å.

Download (374KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Raman spectrum of the studied atacamite (laser beam output power − 5 mW, laser spot diameter − 10 µm at 40x magnification, signal accumulation was carried out for 1 s with averaging over 100 exposures).

Download (127KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. IR absorption spectra (spectral resolution 2 cm−1) of the studied atacamite (a) and its heating products: (b) – up to 170oC, (c) – up to 300oC, (d) – up to 465oC, (e) – up to 620oC, (g) – up to 1000oC; (d) – spectrum of the sample heated to 465oC and kept at this temperature for 1 hour.

Download (276KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Heating curves of the studied atacamite (heating rate 20 deg/min, sample weight 19.2 mg).

Download (108KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Stability diagram of atacamite in the Cu−O−Cl−H system under conditions of increased alkalinity.

Download (85KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Stability diagram of atacamite in the Cu−O−Cl−H system under conditions of high acidity.

Download (75KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».