Поведение примесных элементов при ударной трансформации циркона в рейдит

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Крупные монокристаллы природного циркона были подвергнуты ударной нагрузке до давлений 13.6 и 51.3 ГПа с использованием плоской схемы нагружения. После нагружения до 13.6 ГПа структурных трансформаций в цирконе не выявлено. При нагружении до 51.3 ГПа происходит переход циркона в более плотную фазу с шеелитоподобной структурой – рейдит. Исследование образцов рейдита с использованием методов рентгеновской дифракции, спектроскопии комбинационного рассеяния, фото- и катодолюминесцентной спектроскопии показало, что переход сопровождается сегрегацией ряда катионов-примесей (например РЗЭ) на планарные дефекты. Принципиально важно осуществление сегрегации в условиях лабораторного эксперимента без продолжительного отжига материала после прохождения ударной волны. Возможным механизмом сегрегации трехвалентных примесей замещения в цирконе является локальное нарушение баланса зарядов в ходе реконструкционного фазового перехода циркон–рейдит, сопровождающегося значительной перестройкой топологии полиэдров и вторых координационных сфер (пара Si–Zr). В результате происходит вытеснение части примесных атомов в энергетически невыгодные межузельные позиции с высокими скоростями диффузии даже при сравнительно низких температурах.

Об авторах

А. А. Ширяев

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: petrolog@igem.ru
Москва, Россия

А. Н. Жуков

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: petrolog@igem.ru
Черноголовка, Московская область, Россия

В. В. Якушев

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: petrolog@igem.ru
Черноголовка, Московская область, Россия

A. A. Аверин

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: petrolog@igem.ru
Москва, Россия

В. О. Япаскурт

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Геологический факультет

Email: petrolog@igem.ru
Москва, Россия

А. Ю. Борисова

Géosciences Environnement Toulouse, GET, Université de Toulouse

Email: petrolog@igem.ru
Toulouse, France

А. Ю. Бычков

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Геологический факультет

Email: petrolog@igem.ru
Москва, Россия

О. Г. Сафонов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Геологический факультет; Институт экспериментальной минералогии им. Д.С. Коржинского РАН; Department of Geology, University of Johannesburg

Email: petrolog@igem.ru
Москва, Россия; Черноголовка, Московская область, Россия; Johannesburg, South Africa

И. В. Ломоносов

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: petrolog@igem.ru
Черноголовка, Московская область, Россия

Список литературы

  1. Алексеевский В.П., Джамаров С.С., Ковтун В.И. и др. Массоперенос в металлах, вызванный сходящейся цилиндрической ударной волной // Порошковая металлургия. 1989. № 10. С. 80–84. (Тranslation: Alekseevskii V.P., Dzhamarov S.S., Kovtun V.I. et al. Mass transfer in metals caused by a convergent cylindrical shock wave // Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 1989. V. 28. no 10. P. 809–813).
  2. Альтшулер Л.В., Кулешова Л.В., Павловский М.Н. Динамическая сжимаемость, уравнение состояния и электропроводность хлористого натрия при высоких давлениях» // ЖЭТФ. 1960. Т. 39. Вып. 1(7). С. 16–24. (Translation: Al'tshuler L.V., Kuleshova L.V., Pavlovskii M.N. The dynamic compressibility, equation of state and electrical conductivity of sodium chloride at high pressures // Sov. Phys. Jetp. 1961. V. 12. no 1.)
  3. Бацанов С.С. Твердофазные химические реакции в ударных волнах: кинетические исследования и механизм // Физика горения и взрыва. 1996. Т. 32. Вып. 1. С. 115–128. (Translation: Batsanov S.S. Solid-phase reactions in shock waves: Kinetic studies and mechanism // Combustion, Explosion and Shock Waves. 1996. V. 32. no 1. P. 102–113).
  4. Дремин А.Н., Бреусов О.Н. Процессы, протекающие в твердых телах под действием сильных ударных волн // Успехи химии. 1968. Т. 37. Вып. 5. С. 898–916. (Translation: Dremin A.N., Breusov O.N. Processes Occurring in Solids Under the Action of Powerful Shock Waves // Russ. Chem. Rev. 1968. V. 37. no 5. P. 392–402. https://doi.org/10.1070/RC1968v037n05ABEH001643)
  5. Козлов Е.А., Жугин Ю.Н., Литвинов Б.В. и др. Оценка амплитуды ударной нагрузки по измене-нию состава полевых шпатов в импактированной породе // Докл. АН. 1998. Т. 361. № 3. С. 333–336. (Translation: Dokl. Phys. 1998. V. 43. P. 419–422).
  6. Краснобаев А., Вотяков С., Крохалев В. Спектроскопия циркона. Свойства и геологические приложения. М.: Наука, 1988.
  7. Якушев В.В., Уткин А.В., Жуков А.Н. и др. Определение P–T условий, реализующихся при высокотемпературном ударном сжатии нитрида кремния в плоских ампулах сохранения // Теплофизика высоких температур. 2016. Т. 54. Вып. 2. С. 210–218. (Тranslation: Yakushev V.V., Utkin A.V., Zhukov A.N. et al. Determination of P–T conditions developed at high-temperature shock compression of silicon nitride in planar recovery ampoules // High Temperature. 2016. V. 54. P. 197–205).
  8. Bohor B.F., Betterton W.J., Krogh T.E. Impact-shocked zircons: Discovery of shock-induced textures reflecting increasing degrees of shock metamorphism // Earth Planet. Sci. Lett. 1993. V. 119. P. 419–424.
  9. Chen M., Yin F., Li X. et al. Natural occurrence of reidite in the Xiuyan crater of China // Meteorit. Planet. Sci. 2013. V. 48. P. 796–805.
  10. Cesbron F., Blanc P., Ohnenstetter D. et al. Cathodo-luminescence of rare earth doped zircons. I. Their possible use as reference materials // Scanning Micro-scopy. 1995. V. 1995. article 3.
  11. Cherniak D.J., Hanchar J.M., Watson E.B. Rare-Earth diffusion in zircon // Chem. Geol. 1997. V. 134. P. 289–301.
  12. Chiker F., Boukabrine F., Khachai H. et al. Inves-tigating the structural, thermal, and electronic properties of the zircon-type ZrSiO4, ZrGeO4 and HfSiO4 compounds // J. Electron. Material. 2016. V. 45. P. 5811–5821.
  13. Erickson T.M., Pearce M.A., Reddy S.M. et al. Microstructural constraints on the mechanisms of the transformation to reidite in naturally shocked zircon // Contrib. Mineral. Petrol. 2017. V. 172. P. 1–26.
  14. Filimonova O.N., Trigub A.L., Tonkacheev D.E. et al. Substitution mechanisms in In-, Au-, and Cu-bearing sphalerites studied by X-ray absorption spectroscopy of synthetic compounds and natural minerals // Mineral. Mag. 2019. V. 83. P. 435–451.
  15. Fortov V.E., Kim V.V., Lomonosov I.V. et al. Numerical modeling of hypervelocity impacts // Int. J. Impact Eng. 2006. V. 33. P. 244–253.
  16. Friis H., Finch A.A., Williams C.T. et al. Photo-luminescence of zircon (ZrSiO4) doped with REE3+ (REE = Pr, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er) // Phys. Chem. Mineral. 2010. V. 37. P. 333–342.
  17. Gain S.E., Gréau Y., Henry H. et al. Mud tank zircon: Long‐term evaluation of a reference material for U‐Pb dating, Hf‐isotope analysis and trace element analysis // Geost. Geoanalyt. Res. 2019. V. 43. P. 339–354.
  18. Gao Y., Zheng Z., Zhao X. et al. In situ Raman spectroscopy and DFT studies of the phase transition from zircon to reidite at high P–T conditions // Minerals. 2022. V. 12. 1618.
  19. Glass B.P., Liu S. Discovery of high-pressure ZrSiO4 polymorph in naturally occurring shock-metamorphosed zircons // Geology. 2001. V. 29. P. 371–373.
  20. Glazovskaya L.I., Shcherbakov V.D., Piryazev A.A. Logoisk impact structure, Belarus: Shock transformation of zircon // Meteorit. Planet. Sci. 2024. V. 59. P. 88–104.
  21. Gucsik A., Koeberl C., Brandstätter F. et al. Cathodo-luminescence, electron microscopy, and Raman spectroscopy of experimentally shock-metamorphosed zircon // Earth Planet. Sci. Lett. 2002. V. 202. P. 495–509.
  22. Gucsik A., Zhang M., Koeberl C. et al. Infrared and Raman spectra of ZrSiO4 experimentally shocked at high pressures // Mineral. Mag. 2004a. V. 68. P. 801–811.
  23. Gucsik A., Koeberl C., Brandstätter F. et al. Cathodoluminescence, electron microscopy, and Raman spectroscopy of experimentally shock metamorphosed zircon crystals and naturally shocked zircon from the Ries impact crater // Ed. H. Dypvik et al. Cratering in Marine Environments and on Ice. Springer, 2004b.
  24. Kusaba K., Syono Y., Kikuchi M. et al. Shock behavior of zircon: phase transition to scheelite structure and decomposition // Earth Planet. Sci. Lett. 1985. V. 72. P. 433–439.
  25. Leroux H., Reimold W.U., Koeberl C. et al. Experi-mental shock deformation in zircon: A transmission electron microscopic study // Earth Planet. Sci. Lett. 1999. V. 169. P. 291–301.
  26. Li S.S., Keerthy S., Santosh M. et al. Anatomy of impactites and shocked zircon grains from Dhala reveals Paleoproterozoic meteorite impact in the Archean basement rocks of Central India // Gondwana Res. 2018. V. 54. P. 81–101.
  27. Liu L.G. High pressure transformation in baddeleyite and zircon, with geological implications // Earth Planet. Sci. Lett. 1979. V. 44. P. 390–396.
  28. Mashimo T., Nagayama K., Sawaoka A. Shock compression of zirconia ZrO2 and zircon ZrSiO4 in pressure range up to 150 GPa // Phys. Chem. Mineral. 1983. V. 9. P. 237–247.
  29. Mihailova B., Waeselmann N., Stangarone C. et al. The pressure-induced phase transition(s) of ZrSiO4: Revised // Phys. Chem. Mineral. 2019. V. 46. P. 807–814.
  30. Montalvo S.D., Reddy S.M., Saxey D.W. et al. Nanoscale constraints on the shock-induced trans-formation of zircon to reidite // Chem. Geol. 2019. V. 507. P. 85–95.
  31. Nasdala L., Zhang M., Kempe U. et al. Spectroscopic methods applied to zircon // Rev. Mineral. Geochem. 2003. V. 53. P. 427–467. dоi:10.2113/0530427
  32. Peterman E.M., Reddy S.M., Saxey D.W. et al. Nanoscale processes of trace element mobility in metamorphosed zircon // Contrib. Mineral. Petrol. 2019. V. 174. article 192.
  33. Piazolo S., La Fontaine A., Trimby P. et al. Deformation-induced trace element redistribution in zircon revealed using atom probe tomography // Nature Communications. 2016. V. 7. 10490.
  34. Plan A., Kenny G.G., Erickson T.M. et al. Exceptional preservation of reidite in the Rochechouart impact structure, France: New insights into shock deformation and phase transition of zircon // Meteorit. Planet. Sci. 2021. V. 56. P. 1795–1828.
  35. Potter D.K., Ahrens T.J. Shock induced formation of MgAl2O4 spinel from oxides // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21. no 8. P. 721–724.
  36. Reddy S.M., Johnson T.E., Fischer S. et al. Precambrian reidite discovered in shocked zircon from the Stac Fada impactite, Scotland // Geology. 2015. V. 43. P. 899–902.
  37. Reddy S.M., van Riessen A., Saxey D.W. et al. Mechanisms of deformation-induced trace element migration in zircon resolved by atom probe and correlative microscopy // Geochim. Cosmochim. Acta. 2016. V. 195. P. 158–170.
  38. Reid A.F., Ringwood A.E. Newly observed high pressure transformation in Mn3O4, CaAl2O4 and ZrSiO4 // Earth Planet. Sci. Lett. 1969. V. 6. P. 205–208.
  39. Rémond G., Blanc P., Cesbron F. et al. Cathodo-luminescence of rare earth doped zircons. II. Relationship between the distribution of the doping elements and the contrasts of images // Scan. Microscop. 1995. V. 1995. article 4.
  40. Smirnov M.B., Sukhomlinov S.V., Smirnov K.S. Vibrational spectrum of reidite ZrSiO4 from first principles // Physical Rev. B. 2010. V. 82. 094307.
  41. Stangarone C., Angel R.J., Prencipe M. et al. New insights into the zircon-reidite phase transition // Amer. Mineral. 2019. V. 104. P. 830–837.
  42. Szumila I., Trail D., Erickson T. et al. Microstructural changes and Pb mobility during the zircon to reidite transformation: Implications for planetary impact chronology // Amer. Mineral. 2023. V. 108. P. 1516–1529.
  43. Timms N.E., Erickson T.M., Pearce M.A. et al. A pressure–temperature phase diagram for zircon at extreme conditions // Earth-Sci. Rev. 2017. V. 165. P. 185–202.
  44. Trofimov N.D., Trigub A.L., Tagirov B.R. et al. The state of trace elements (In, Cu, Ag) in sphalerite studied by X-ray absorption spectroscopy of synthetic minerals // Minerals. 2020. V. 10. P. 640. https://doi.org/10.3390/min10070640
  45. van Westrenen W., Frank M. R., Hanchar J. M. et al. In situ determination of the compressibility of synthetic pure zircon (ZrSiO4) and the onset of the zircon-reidite phase transition // Amer. Mineral. 2004. V. 89. P. 197–203.
  46. Wittmann A., Kenkmann T., Schmitt R.T. et al. Shock‐metamorphosed zircon in terrestrial impact craters // Meteorit. Planet. Sci. 2006. V. 41. P. 433–454.
  47. Xing W., Lin Y., Zhang C. et al. Discovery of reidite in the lunar meteorite Sayh al Uhaymir 169 // Geophys. Res. Lett. 2020. V. 47. e2020GL089583.
  48. Yakushev V.V., Utkin A.V., Zhukov A.N. et al. Shock compressibility of polycrystalline nickel aluminide // High Pressure Res. 2019. V. 39. P. 471–479.
  49. Zhao J., Xiao L., Xiao Z. et al. Shock-deformed zircon from the Chicxulub impact crater and implications for cratering process // Geology. 2021. V. 49. P. 755–760.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

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».