Особенности инфракрасных спектров оливинов, содержащих изотопологи воды

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

Изучены особенности инфракрасных (ИК) спектров различных изотопных форм воды (-OH, -OD, H2O, HDO и D2O), входящих в кристаллическую структуру основных породообразующих минералов лунных морских базальтов — оливинов (форстерита). Представлены результаты численного моделирования (модуль CUSTEP, ПО Biovia Materials Studio) и экспериментальных исследований с помощью ИК-Фурье-спектрометра ФТ-801 с приставкой по методу нарушенного полного внутреннего отражения (НПО Симекс, Новосибирск). Численными расчетами показано, что форстерит может содержать гидроксильные группы -OH(D) в своей кристаллической решетке при определенных условиях. Экспериментально проверена возможность удержания различных изотопных форм молекулярной воды на поверхности форстерита и получены соответствующие ИК-спектры минерала с водяной пленкой. Проведено сравнение полученных теоретически и экспериментально ИК-спектров форстерита, содержащего изотопологи воды, с результатами наблюдений АМС Чандраян-1 и SOFIA.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

C. Воропаев

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Autor responsável pela correspondência
Email: voropaev@geokhi.ru
Rússia, Москва

В. Федулов

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: voropaev@geokhi.ru
Rússia, Москва

Н. Душенко

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: voropaev@geokhi.ru
Rússia, Москва

Я. Джианго

Уханьский Университет

Email: voropaev@geokhi.ru

Лаборатория геодезии и удаленного зондирования

República Popular da China, Ухань

М. Маров

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: voropaev@geokhi.ru
Rússia, Москва

Bibliografia

  1. Charlier B., Grove T.L., Namur O. et al. Crystallization of the lunar magma ocean and the primordial mantle-crust differentiation of the Moon // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2018. V. 234. P. 50–69. https://doi.org/10.1016/j.gca.2018.05.006
  2. Lemelin M., Lucey P.G., Miljković K. et al. The compositions of the lunar crust and upper mantle: spectral analysis of the inner rings of lunar impact basins // Planetary and Space Science. 2019. V. 165. P. 230–243. https://doi.org/10.1016/j.pss.2018.10.003
  3. Hauri E.H., Saal A.E., Nakajima M. et al. Origin and evolution of water in the Moon’s interior // Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 2017. V. 45. P. 89–111. doi: 10.1146/annurev-earth-063016-020239
  4. Hagemann R., Niff G., Roth E. Absolute isotopic scale for deuterium analysis of natural waters. Absolute D/H ratio for SMOW // Tellus. 1970. V. 22. Iss. 6. P. 712–715.
  5. Hoefs J. Stable isotope geochemistry (2nd ed.) // Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, and New York, 1980. 208 p.
  6. Маров М.Я., Ипатов С.И. Процессы миграции в Солнечной системе и их роль в эволюции Земли и планет // Успехи физических наук. 2023. Т. 193. № 1. С. 2–32. doi: 10.3367/UFNr.2021.08.039044
  7. Schultz P.H., Thompson R.G., Chen M.N. The LCROSS cratering experiment // Science. 2010. V. 330. Art.ID. 6003. P 468–472.
  8. Дубинский А.Ю., Попель С.И. К вопросу об образовании воды в лунном реголите // Космические исследования. 2019. Т. 57. № 2. С. 93–98. doi: 10.1134/S0023420619020043
  9. Stuart B. Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications. John Wiley & Sons Ltd., 2004.
  10. Swanepoel R. Determination of the thickness and optical constants of amorphous silicon // J. Physics E. Scientific Instruments. 1983. V. 16. P. 1214–1221.
  11. Hapke B. Bidirectional reflectance spectroscopy: 1. Theory // J. Geophysical Research. 1981. V. 86. P. 3039–3054.
  12. Shkuratov Y.G., Starukhina L.V., Hoffmann H. et al. A model of spectral albedo of particulate surfaces: Implications for optical properties of the Moon // Icarus. 1999. V. 137. P. 235–246.
  13. Spitzer W.G., Kleinman D.A. Infrared lattice bands of quartz // Physical Review. 1961. V. 121. P. 1324–1335.
  14. Воропаев С.А., Душенко Н.В., Федулов В.С. и др. Особенности дегазации углистого хондрита Allende (CV3) при температурах 200–800° C // Астрономический Вестник. 2023. Т. 57. № 6. С. 583–594. https://doi.org/10.31857/S0320930X23050079
  15. Розенберг Г.В. Физические основы спектроскопии светорассеивающих веществ // Успехи физических наук. 1967. Т. 91. № 4. С. 569–608.
  16. Adams J.B. Visible and near-infrared diffuse reflectance spectra of pyroxenes as applied to remote sensing of solid objects in the Solar System // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. P. 4829–4836.
  17. Charette M.P., McCord T.B., Pieters C.M. et al. Application of remote spectral reflectance measurements to lunar geology, classification and determination of titanium content of lunar soils // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. P. 1605–1613.
  18. Salisbury J.W., Walter L.S. Thermal infrared (2.5–13.5 μm) spectroscopic remote sensing of igneous rock types on particulate planetary surfaces // J. Geophysical Research. 1989. V. 94. P. 9192–9202.
  19. de Vries B.L., Acke B., Blommaert J. et al. Comet like mineralogy of olivine crystals in an extrasolar proto-Kuiper belt // Nature. 2012. V. 490. P. 74–76. http://dx.doi.org/10.1038/nature11469.
  20. Mustard J.F., Glotch T.D. Theory of reflectance and emittance spectroscopy of geologic materials in the visible and infrared regions // Remote Compositional Analysis. Cambridge: Cambridge University Press, 2019. P. 21–41. http://dx.doi.org/10.1017/9781316888872.004
  21. Koeppen W.C., Hamilton V.E. Global distribution, composition, and abundance of olivine on the surface of Mars from thermal infrared data // J. Geophysical Research: Planets, 2008. V. 113(E5). P. 1244–1256.
  22. Wong A., Shi L., Auchetti R. et al. Heavy snow: IR spectroscopy of isotope mixed crystalline water ice // Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. V. 18. P. 4878–4993. doi: 10.1039/c5cp06756a
  23. Портнягин М.В., Плечов П.Ю., Матвеев С.В. и др. Петрология «авачитов» - высокомагнезиальных базальтов Авачинского вулкана (Камчатка). I. Общая характеристика, состав пород и минералов // Петрология. 2005. Т. 13. № 2. С. 115–138.
  24. Clark S.J., Segall M.D., Piekard C.J. First principles methods using CASTEP // Zeitschrift für Kristallographie. 2005. V. 220. P. 567–570. http://dx.doi.org/10.1524/zkri.220.5.567.65075
  25. Blundy J., Wood B. Prediction of crystal–melt partition coefficients from elastic moduli // Nature. 1994. V. 372. P. 452–454.
  26. Demouchy S., Alard O. Hydrogen, trace, and ultra-trace element distribution in natural olivines // Contributions to Mineralogy and Petrology. 2021. V. 76. P. 26–37. doi: 10.1007/s00410-021-01778-5
  27. Goswami J.N., Annadurai M. Chandrayaan‐1 mission to the Moon // Acta Astronaut. 2008. V. 63. Iss. 10. P. 1215–1220.
  28. Pieters C.M., Goswamiet J., Clark R.N. et al. Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan‐1 // Science. 2009. V. 326. P. 568–572. doi: 10.1126/science.1178658
  29. Klima R., Cahill J., Hagerty J. et al. Remote detection of magmatic water in Bullialdus Crater on the Moon // Nature Geoscience. 2013. V. 6. P. 737–741. doi: 10.1038/ngeo1909
  30. Honniball C.I., Lucey C.G., Li S. et al. Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA // Nature Astronomy. 2021. V. 5. P. 121–127. doi: 10.1038/s41550-020-01222-x
  31. Mitrofanov I. G., Bartelset A., Bobrovnitskyal Y.I. et al. Lunar exploration neutron detector for the NASA lunar reconnaissance orbiter // Space Sci. Rev. 2010. V. 150. P. 183–207. doi: 10.1007/s11214-009-9608-4
  32. Денько Е. И. Влияние тяжелой воды (D2O) на клетки животных, растений и микроорганизмы // Успехи биологических наук. 1970. Т. 70. № 4. С. 41–53.
  33. Sinyak Y., Grigoriev A., Gaydadimov V. et al. Deuterium-free water (1H2O) in complex life-support systems of long-tern space missions // Acta Astronautica. 2003. V. 52. Art. ID. 575.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Olivine distribution on the visible side of the Moon: according to the AMS Kaguya, JAXA [2].

Baixar (19KB)
Metadados
3. Fig. 2. Anomaly of the real part of the complex refractive index in the absorption region.

Baixar (15KB)
Metadados
4. 3. Emission features in the IR transmission spectrum of olivine: CF is the Christiansen feature; RB is the band of residual radiation. The black line is olivine from avachite (Fo90), the red line is olivine from the Mir kimberlite pipe (Fo95).

Baixar (26KB)
Metadados
5. Fig. 4. Appearance of the FT-801 IR Fourier spectrometer after modification.

Baixar (18KB)
Metadados
6. 5. The IR transmission spectrum of molten ice: the black line is "light" water; the red line is "heavy" water (liquid+steam).

Baixar (38KB)
Metadados
7. Fig. 6. IR absorption spectrum of olivine+hoarfrost: black line — dry mineral, green line — with "light" ice, red line — with "heavy" ice.

Baixar (37KB)
Metadados
8. 7. Forsterite crystal cell: (a) — initial configuration; (b) — configuration with the groups -OH (1) and -OD (2) included.

Baixar (21KB)
Metadados
9. 8. Energy distribution of hydroxyl groups -OH and -OD absorbed by forsterite.

Baixar (20KB)
Metadados
10. 9. Vibration modes and IR absorption spectrum of forsterite with adsorbed hydroxyl groups -OH and -OD.

Baixar (30KB)
Metadados
11. 10. Refractive index of forsterite with adsorbed hydroxyl groups -OH and –OD: n is the real part, k is the imaginary part.

Baixar (25KB)
Metadados
12. Fig. 11. Calculated IR spectra of forsterite with various isotopologues of absorbed hydroxyl groups: red line — only -OH, green line — only -OD.

Baixar (27KB)
Metadados
13. Fig. 12. The reflection index of forsterite with absorbed hydroxyl groups -OH and -OD.

Baixar (17KB)
Metadados
14. Fig. 13. SOFIA remote measurement points in the lunar crater Clavius (59° south latitude).

Baixar (23KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024

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».