Размытый фазовый α-β переход в поверхностном слое природного кварца
Категория: 15-4
УДК 550.32
Г.А. Соболев(1), В.И. Веттегрень(2), С.М. Киреенкова(1), Ю.А. Морозов(1), А.И. Смульская(1), Р.И. Мамалимов(2), В.Б. Кулик(2)
(1) Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия
(2) Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург, Россия
Методами инфракрасной и рамановской спектроскопии исследована температурная зависимость концентрации a-фазы в поверхностных слоях и объеме пластин кварца, выпиленных на расстоянии 2 мм от естественной поверхности роста друз месторождения Додо на Приполярном Урале. Обнаружено, что в объеме образцов температурная зависимость ведет себя как и ожидается для фазового перехода первого рода: до 800 К она неизменна, а при бóльших температурах стремится к нулю. В поверхностных слоях толщиной ~0.15 и ~1 мкм концентрация a-фазы при повышении температуры до 780 К приблизительно монотонно уменьшается на ~10%. Температурная зависимость концентрации a-фазы в слое, расположенном на глубине ~6 мкм, имеет минимумы при ~370 и ~570 К, в которых концентрация a-фазы уменьшается почти наполовину.
Обнаруженные зависимости концентрации a-фазы от температуры объяснены искажениями кристаллической решетки около винтовых дислокаций в поверхностном слое кварца, где при его толщине до ~1 мкм с увеличением температуры появляются растягивающие напряжения, достигающие ~170 МПа при 780 К. Под влиянием напряжений образуются трещины, что приводит к разрушению образца. Появление растягивающих напряжений объясняется увеличением объема поверхностного слоя макрокристалла толщиной
~6 мкм из-за роста в нем концентрации b-фазы.
Ключевые слова: кварц, фазовый переход, внутренние напряжения.
Литература
Богатиков О.А. Неорганические частицы в природе // Вестник РАН. 2003. Т. 73, № 5. С.426–428.
Веттегрень В.И., Кулик В.Б. Наноструктуры в глубинном ксенолите до и после деформирования // Физика Земли. 2009. № 9. С.3–11.
Веттегрень В.И., Кулик В.Б. Исследование влияния высокого давления и температуры на свойства нанокристаллов в горных породах методом рамановской спектроскопии // Физика Земли. 2011. № 6. С.3–12.
Веттегрень В.И., Мамалимов Р.И., Соболев Г.А. Размытый фазовый переход в поверхностном слое кварца при изменении температуры // Физика твердого тела. 2013. Т. 55, вып. 10. С.1987–1992.
Веттегрень В.И., Мамалимов Р.И., Соболев Г.А., Киреенкова С.М., Морозов Ю.А., Смульская А.И. ИК-спектроскопическое изучение нанокристаллов кварца, образовавшихся при интенсивном дроблении гетерогенного материала (гранита) // Физика твердого тела. 2011. Т. 53, вып. 12. С.2371–2375.
Веттегрень В.И., Мамалимов Р.И., Соболев Г.А., Киреенкова С.М., Морозов Ю.А., Смульская А.И. Фазовый переход в нанокристаллах кварца в псевдотахилите при изменении температуры // Физика твердого тела. 2013. Т. 55, вып. 5. С.981–986.
Кулик В.Б., Соболев Г.А., Веттегрень В.И., Киреенкова С.М. Изучение нанокристаллов в горных породах, подверженных естественным и искусственным механическим и термическим воздействиям // Физика Земли. 2011. № 10. С.19–24.
Кенциг В. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. М.: ИЛ, 1960. 235 с.
Киреенкова С.М., Соболев Г.А. О возможности изучения природных процессов на наномасштабном уровне в физике Земли // Геофизические исследования. 2005. Вып. 1. С.108–115.
Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Физматлит, 2003. 848 с.
Никитин А.Н., Васин Р.Н., Балагуров А.М., Соболев Г.А., Пономарев А.В. Исследование тепловых и деформационных свойств кварцита в температурной области полиморфного a-b перехода методами электронной дифракции и акустической эмиссии // Письма в ЭЧАЯ. 2006. Т. 3, № 1. С.76–91.
Никитин А.Н., Маркова Г.В., Балагуров А.М., Васин Р.Н., Алексеева О.В. Исследование структуры и свойств кварца в области a-b перехода методами электронной дифракции и акустической эмиссии // Кристаллография. 2007. Т. 52, № 3. С.450–457.
Соболев Г.А., Пономарев А.В., Никитин А.Н., Балагуров А.М., Васин Р.Н. Исследование динамики полиморфного перехода в кварците методами нейтронной дифрактометрии и акустической эмиссии // Физика Земли. 2004. № 10. С.5–15.
Соболев Г.А., Веттегрень В.И., Киреенкова С.М., Кулик В.Б., Морозов Ю.А., Смульская А.И., Пикулин В.А. Исследование нанокристаллов в горной породе методом спектроскопии комбинационного рассеяния // Физика Земли. 2007. № 6. С.7–14.
Соболев Г.А., Геншафт Ю.С., Киреенкова С.М., Морозов Ю.А., Смульская А.И., Веттегрень В.И., Кулик В.Б. Исследование влияния высокого давления и температуры на свойства нанокристаллов в горных породах методом рамановской спектроскопии // Физика Земли. 2011. № 6. С.3–12.
Соболев Г.А., Киреенкова С.М., Морозов Ю.А., Смульская А.И., Веттегрень В.И., Кулик В.Б., Мамалимов Р.И. Исследование нанокристаллов в зоне динамической подвижки // Физика Земли. 2012. № 9/10. С.17–25.
Чантурия В.А., Трубецкой К.Н., Викторов С.Д., Бунин И.Ж. Наночастицы в процессе вскрытия и разрушения материалов. М., 2006. 216 с.
Ayensu A. Interaction between dislocations and precipitated water bubbles during high temperature creep of quartz // J. Materials Sci. 1997. V. 32. P.123–128.
Almeida R.M., Pantano C.G. Structural investigation of silica gel films by infrared spectroscopy // J. Appl. Phys. 1990. V. 68. P.4225–4232.
Bakker R.J., Jansen J.B. A mechanism for preferential H2O linkage from fluid inclusions in quartz, based on TEM observations // Contrib. Mineral Petrol. 1994. V. 116. P.7–20.
Bommei H.E., Mason W.P., Warner A.W. Dislocations, relaxations, and inelasticity of crystal quartz // Phys. Rev. 1956. V. 102, N 1. P.64–71.
Dove P.M., Han N., De Yoreo J.J. Mechanisms of classical crystal growth theory explains quartz and silicate dissolution behavior // PNAS. 2005. V. 102, N 43. P.15357–15362.
Etchepare J., Merian M., Kaplan P. Vibrational normal modes of SiO2 a and b quartz // J. Chem. Phys. 1974. V. 60, N 5. P.1873–1876.
Iishi K., Yamacuchi H. Study of the Force Field and the Vibrational Normal Modes in the a-b Quartz Phase Transition // American Mineralogist. 1975. V. 60. P.907–912.
Ipatova I.P., Maradudin A.A., Wallis R.F. The temperature dependence of the width of the fundamental lattice-vibrations absorption peak in ionic crystal. II. Approximate numerical results // Phys. Rev. 1967. V. 155, N 3. P.882–895.
Kamp P.C. Smectite-illite-muscovite transformations, quartz dissolution, and silica release in shales // Clays and Clay Minerals. 2008. V. 56. P.66–81.
Kristiansen K., Valtiner M., Greene G.W., Boles J.R., Israelachvili J.N. Pressure solution – The importance of the electrochemical surface potentials // Geochim. Cosmochim. Acta. 2011. V. 75. P.6882–6892.
Kuzmenko A.B. Kramers-Kronig constrained vibriational analysis of optical spectra // Rev. Sci. Instr. 2005. V. 76. 083108.
Lakshtanov D.L., Sinogeikin S.V., Bass J.D. High-temperature phase transitions and elasticity of silica polymorphs // Phys. Chem. Minerals. 2007. V. 34. P.11–22.
Lang A.R., Miuscov V.F. Dislocations and Fault Surfaces in Synthetic Quartz // J. Appl. Phys. 1967. V. 38. P.2477–2483.
Madelung O. Festkorpertheorie. Berlin: Springer, 1972. 416 s.
Meyer E.E., Greene G.W., Alcantar N.A., Israelachvili J.N., Boles J.R. Experimental investigation of the dissolution of quartz by a muscovite mica surface: Implications for pressure solution // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. B08202.
Sarma D.S., Mohan M.R., Prasad P.S.R. Infrared Spectroscopic studies on the Mobility of Metamorphic Fluid in Quartz veins of Dharwar Craton // Open Mineralogy J. 2010. V. 4. P.1–8.
Savin M., Reichenbach G. Infrared spectra of muscovite as affected by chemical composition, heating and particle size // Clay minerals. 1978. V. 13. P.241–254.
Spitzer W.G., Kleinman D.A. Infrared lattice bands of quartz // Phys. Rev. 1961. V. 121, N 5. P.1324–1335.
Raz U., Girsperger S., Thompson A.B. Thermal expansion, compressibility and volumetric changes of quartz obtained by single crystal dilatometry to 700°C and 3.5 kilobars (0.35 GPa) // e-collection.library.ethz.ch/view/eth:25671. 2002.
Velde B. Infrared spectra of synthetic micas in the series muscovite-MgAl celadonite // American Mineralogist. 1978. V. 63. P.343–349.
Yamagishi H., Nakashima S., Ito Y. High temperature infrared spectra of hydrous microcrystalline quartz // Phys. Chem. Minerals. 1997. V. 24. P.66–74.
Сведения об авторах
СОБОЛЕВ Геннадий Александрович – доктор физико-математических наук, член-корр. РАН, заведующий лабораторией, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123995, ГСП-5, Москва, Д-242, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: 8(499)254-91-41. E-mail: sobolev@ifz.ru
ВЕТТЕГРЕНЬ Виктор Иванович – доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН. 191021, Санкт-Петербург, Политехническая улица, д. 26. Тел. (812)292-71-39. E-mail: Victor.Vettegren@mail. ioffe.ru
КИРЕЕНКОВА Светлана Михайловна – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123995, ГСП-5, Москва, Д-242, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: 8(499)254-89-50. E-mail: ksm@ifz.ru
МОРОЗОВ Юрий Алексеевич – доктор геолого-минералогических наук, зам. академика-секретаря, Президиум РАН. 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 32а. E-mail: morozov@geodep.ras.ru
СМУЛЬСКАЯ Анна Игоревна – старший научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123995, ГСП-5, Москва, Д-242, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. E-mail: anna-smulskaya@mail.ru
МАМАЛИМОВ Рустам Исмагилович – кандидат технических наук, научный сотрудник, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН. 191021, Санкт-Петербург, Политехническая улица, д. 26. Тел.: (812)292-71-39. E-mail: mamalimov@mail.ru
КУЛИК Виталий Борисович – кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН. 191021, Санкт-Петербург, Политехническая улица, д. 26. E-mail: vitaly.kulik@mail.ioffe.ru