СОДЕРЖАНИЕ
Перечень сокращений и условных обозначений............................5
ВВЕДЕНИЕ........................................................... 1.6
1. Мессбауэровскаи спектроскопии и металлографии железосодержащих фаз метеоритов........................................................13
1.1 Особенности конденсированного состояния вещества, сформированного в космическом пространстве............................................13
1.1.1 Химическое и структурное разнообразие железосодержащих кристаллов внеземного вещества и их термическая история...15
1.1.2 Изменение железосодержащих кристаллов обыкновенных хондритов в результате ударных воздействий................19
1.1.3 Изменение метеоритного вещества в земных условиях........20
1.2 Структурные особенности сплавов Ре-Ы1 в каменных метеоритах......21
1.3 Мессбауэровская спектроскопия метеоритов и некоторых родственных соединений железа земного происхождения...............................26
1.3.1 Сравнительный анализ железных метеоритов и железо-пикелевых сплавов...................................................26
1.3.2 Исследование железосодержащих фаз обыкновенных хондритов.....33
1.3.3 Анализ природных и синтетических оливинов и пироксенов. Связь мессбауэровских параметров с особенностями структуры кристаллов................................................40
1.4 Постановка задач исследования....................................49
2. Методы и объекты исследования.....................................52
2.1 Приготовление объектов исследования..............................52
2.1.1 Аттестация образцов......................................53
2.1.1.1 Металлография металлических частиц в метеоритах 53
2.1.1.2 Электронно-зондовый микроанализ...................54
2.1.2 Приготовление образцов обыкновенных хондритов для измерения мессбауэровских спектров..................................55
2.1.3 Выделение металлической составляющей из вещества хондрига
Царев Ь5 и приготовление образца для измерения мессбауэровского спектра.......................................................55
2.2 Измерение мессбауэровских спектров с высоким скоростным
разрешением. Характеристики спектрометра.............................57
2.3. Выводы..........................................................60
3. Мессбауэровская спектроскопия обыкновенных хондритов 62
3.1 Исследование обыкновенных хондритов методом мессбауэровской спектроскопии с представлением спектров на 512 каналов...............62
3.2 Исследование обыкновенных хондритов методом мессбауэровской спектроскопии с представлением спектров на 1024 канапа...............69
3.3 Исследование металлических кристаллов, выделенных из обыкновенного хондрита Царев Ь5 методом мессбауэровской спектроскопии..............79
3.4 Выводы...........................................................80
4. Взаимосвязь параметров мессбауэровских спектров обыкновенных хондритов, измеренных с высоким скоростным разрешением, с особенностями структуры железосодержащих кристаллов................82
4.1 Металлические кристаллы обыкновенных хондритов...................82
4.2 Силикатные железосодержащие кристаллы обыкновенных хондритов..85
4.3 Кристаллы сульфидов железа обыкновенных хондритов...............89
4.4 Окисленное железо обыкновенных хондритов........................91
4.5. Сравнение данных мессбауэровской спектроскопии с результатами металлографических исследований металлических кристаллов Ре(Ы1, Со) в обыкновенных хондритах.............................................95
4.5.1 Металлография обыкновенных хондритов....................95
4.5.2 Сопоставление параметров сверхтонкой структуры ядер :>7Рс в металлических кристаллах обыкновенных хондритов с данными металлографии.............................................99
4.6 Выводы..........................................................103
5. Распределение ионов Ее в железосодержащих кристаллах обыкновенных хондритов..............................................105
3
ч
*
»
5.1 Фазовый анализ обыкновенных хондритов на основе данных
мсссбауэровской спектроскопии..........................................105
5.2 Возможности систематизации обыкновенных хондритов Ь и Н групп по данным мессбауэровской спектроскопии................................107
5.3. Возможности оценки температуры равновесного катионного упорядочения в силикатных кристаллах по данным мессбауэровской спектроскопии..........................................................112
5.4. Выводы ...........................................................116
Заключение............................................................117
Список литературы......................................................121
4
V'.’
Перечень сокращений и условных обозначений
, I
/
Ра - фаялитная составляющая, характеризующая содержание фаялита Ре^ЯЮ} в оливине (Ре, М§)28Ю4-
Рь - ферросилитная составляющая, характеризующая содержание фсрросилита Ре8Юз в пироксене (Ре, Са)БЮз.
5 - изомерный сдвиг
ДЕд — квадрупольнос расщепление (квадрупольный сдвиг для магнитно расщепленных спектров)
Г — ширина линии (ширина на половине высоты)
НС(т- эффективное магнитное поле на ядре
X2 - статистический критерий при обработке по методу наименьших квадратов 8 - площадь спектра
5
ВВЕДЕНИЕ:
Актуальность
Кристаллы внеземного вещества формировались в космических условиях, характеризующихся экстремальными изменениями давления и температуры. Постаккреционный нагрев и дифференциация вещества, сильные ударные взаимодействия, быстрый нагрев до температур плавления вещества и последующее охлаждение приводят к тому, что состав, структура и свойства внеземного вещества оказываются отличными от сходных кристаллов, сформированных в земных условиях. Одним из наиболее доступных объектов внеземного вещества являются метеориты. Поэтому изучение особенностей строения и физических свойств кристаллов метеоритов позволяет получить информацию о влиянии экстремальных условий на формирование кристаллической структуры вещества. Кроме того, исследование структуры внеземного вещества является чрезвычайно важным как для получения новых знаний о процессах эволюции вещества в Солнечной системе, так и для использования новых знаний о фазовых превращениях в технологических процессах.
Обыкновенные хондриты представляют собой недифференцированное или слабодифференцированное метеоритное вещество, относящееся к ранней стадии эволюции газопылевой туманности Солнечной системы. Данный тип метеоритов является агломератом сферических силикатных объектов — хопдр
а
и их осколков, крупных металлических зерен сплава Ре-РН-Со и мелкодисперсной матрицы. Изучение сплавов Ре-РН-Со внеземного происхождения на примере обыкновенных хондритов является важным для понимания механизмов образования различных структур при фазовых превращениях в базовых металлических системах. Кроме этого, изучение особенностей структуры других железосодержащих кристаллов обыкновенных хондритов (оливины (Ре, Мй)28Ю.ь пироксены Са)8Юз и троилит Рей) позволяет получить дополнительную информацию о
6
влиянии космических условий на их формирование. Поскольку вещество всех метеоритов, в том числе обыкновенных хондритов, содержит Ре, его можно изучать методом мессбауэровской спектроскопии.
Мессбауэровская спектроскопия - уникальный метод, позволяющий получать информацию о фазовом составе и о сверхтонких взаимодействиях ядер 5Те в железосодержащих объектах. Однако сложный минеральный состав обыкновенных хондритов затрудняет идентификацию компонент мессбауэровских спектров для детального анализа вещества. Основная сложность заключалась в недостаточном разрешении компонент с различной интенсивностью, соответствующих вкладам от ядер 5Те в отдельных железосодержащих кристаллах в суперпозиционный мессбауэровский спектр хондрита. Один из путей решения данной проблемы заключается в использовании современного высокостабильного прецизионного мессбауэровского спектрометра, позволяющего проводить измерения мессбауоровских спектров с высоким скоростным разрешением, что ранее не представлялось возможным. Это позволяет уменьшить экспериментальную ошибку при оценке параметров сверхтонкой структуры и проводить более реалистичную аппроксимацию спектров.
Цель работы
Выявление взаимосвязи параметров сверхтонкой структуры ядер 57Ге с особенностями кристаллической структуры, химического состава и фазового состояния железосодержащих кристаллов обыкновенных хондритов на основе данных мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- определить фазовые и структурные составляющие металлических кристаллов обыкновенных хондритов методами металлографии;
- разработать методику экстракции металлических кристаллов из вещества обыкновенных хондритов;
- измерить мессбауэровские спектры с высоким скоростным разрешением образцов вещества обыкновенных хондритов;
- провести оценку и анализ значений параметров сверхтонкой структуры ядер >7Ре в железосодержащих кристаллах обыкновенных хондритов;
-выявить связь полученных параметров сверхтонкой структуры отдельных компонент мессбауэровских спектров обыкновенных хондритов с особенностями структуры железосодержащих кристаллов.
Научна*! новизна полученных результатов состоит в следующем:
• впервые обыкновенные хондриты исследованы методом
мсссбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением; увеличение скоростного разрешения в спектре позволило более детально изучить исследуемые хондриты и обнаружить малые изменения параметров сверхтонкой структуры ядер 57Ре в присутствующих железосодержащих кристаллах;
• впервые проведено исследование выделенных из вещества
обыкновенного хондрита Царев Ь5 металлических кристаллов методом мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением, позволившее выявить три ферромагнитных и одну парамагнитную фазы сплава Ге-М-Со;
• впервые выявлены компоненты мессбауэровских спектров,
соответствующих структурно неэквивалентным позициям М1 и М2 для ионов Ре2' в оливинах и пироксенах в цельных образцах обыкновенных хондритов.
Практическая ценность работы
- показано, что измерение мессбауэровских спектров обыкновенных
8
хондритов с более высоким скоростным разрешением позволяет получить более точную и детальную информацию об исследуемых объектах;
- разработана методика выделения металлических кристаллов из вещества обыкновенного хондрита, позволяющая проводить дальнейшее изучение строения только металлических фаз хондритов методом мессбауэровской спектроскопии;
-показано, что распределение атомов Ре2' по структурно неэквивалентным позициям М1 и М2 в оливинах и пироксснах, полученное методом мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением, может быть использовано для оценки термической истории образцов обыкновенных хондритов;
- показано, что параметры некоторых компонент мессбауэровских спектров обыкновенных хондритов могут быть использованы для типизации хондритов по химическим группам.
Результаты мессбауэровских и металлографических исследований вещества обыкновенных хондритов могут быть использованы для иллюстрации фазовых и структурных превращений в металлах после экстремальных воздействий при чтении курсов "Материаловедение" и "Физические основы разрушения материалов".
Данная работа выполнена в рамках госбюджетных тем "Закономерности взаимосвязи структуры и функциональных свойств некоторых железосодержащих и мезогенных объектов живой и неживой природы" и "Спектроскопические и структурные особенности железосодержащих объектов живой и неживой природы" и грантов ФЦП "Интеграция", 2004 г., "Спектрометрические и морфологические
характеристики Ре-содержащих минералов обыкновенных хондритов", (Министерство образования России, 2004-2005 гг.), "Мессбауэровская спектроскопия железосодержащих фаз обыкновенных хондритов" (Научная программа "Развитие научного потенциала высшей школы", 2005 г.), "Особенности фазовых превращений в Бе-Ра сплавах внеземного
9
происхождения" № 06-08-00705-а (Российский фонд фундаментальных исследований, 2006-2008 гг.) и "Мессбауэровская спектроскопия с высоким скоростным разрешением микро- и наноразмерных железосодержащих структур в объектах живой и неживой • природы" (Программа "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)").
Положения, выносимые на защиту:
1. Связь малых отличий параметров сверхтонкой структуры ядер 'Те в одинаковых железосодержащих кристаллах (в оливине, пироксене, металле и троилите, соответственно) с особенностями их кристаллической структуры, химического состава и фазового состояния может быть выявлена методом мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением для цельных образцов каменных метеоритов.
2. Данные о фазовом составе и структуре металлических кристаллов обыкновенных хондритов, полученные методами металлографии, согласуются с данными мессбауэровской спектроскопии.
3. Оценка коэффициентов катионного упорядочения по позициям М1 и М2 в оливинах и пироксенах цельных метеоритов и оценки равновесных температур силикатных кристаллов, не подвергавшихся повторному нагреву, могут быть получены на основе данных мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением.
Личный вклад автора
Постановка задачи исследования, выбор образцов и методов исследования были проведены совместно с научным руководителем и научным консультантом. Автором проведены подготовка образцов, металлографические исследования и электронно-зондовый микроанализ металла в хондритах, усовершенствована методика экстракции металлических кристаллов из вещества обыкновенных хондритов. Совместно с М.И. Оштрахом, О.Б. Мильдером и В.А. Семенкиным проведены долговременные измерения мессбауэровских спектров, планирование
которых принадлежит автору. Совместно с М.И. Оштрахом проведена аппроксимация мессбауэровских спектров и интерпретация полученных параметров. Совместно с М.И. Оштрахом и В.И. Гроховским автор участвовал в подготовке научных публикаций. Расчеты по оценке равновесных температур кристаллов оливина и пироксена, характеризация хондритов по химическим группам на основе мессбауэровских параметров, обобщение результатов и формулировка выводов и защищаемых положений по диссертации выполнены автором.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены и обсуждены на XIII Российской студенческой конференции "Проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Екатеринбург, 2003), на 66-м, 68-м и 69-м Международных съездах метеоритного общества (Германия, Мюнстер, 2003; США, Гатлинбург, 2006; Швейцария, Цюрих, 2007), на V и VI Уральских школах-семинарах металловедов - молодых ученых (Екатеринбург, 2003, 2004), на IX и X Международных конференциях "Мессбауэровская спектроскопия и ее применения" (Екатеринбург, 2004; Ижевск, 2006), на совместно проводимых Международных конференциях по сверхтонким взаимодействиям и Международных симпозиумах по ядерным квадрупольным взаимодействиям (Германия, Бонн, 2004; Бразилия, Игуассу Фолс, 2007), на Международных конференциях по применению эффекта Мессбауэра (Франция, Монпелье, 2005; Индия, Канпур, 2007), на VI Молодежном семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, 2005), на II Международной школе "Физическое материаловедение" и XVII Уральской школе металловедов-термистов "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов" (Тольятти, 2006), на Двенадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков (Новосибирск, 2006), на XVI Российской молодежной научной конференции "Проблемы теоретической и экспериментальной
- Київ+380960830922