ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 441, № 1, с. 95-97
ГЕОФИЗИКА
УДК 539.17:539.126:631.48
МЁССБАУЭРОВСКИИ АНАЛИЗ СОЕДИНЕНИИ ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ ЗЕМЛИ И НЕКОТОРЫХ ГРУНТАХ МАРСА
© 2011 г. А. А. Залуцкий, А. В. Иванов, В. В. Морозов, Н. А. Седьмов, член-корреспондент РАН С. А. Шоба
Поступило 08.06.2011 г.
В настоящее время одним из наиболее эффективных методов исследования сложных систем минералов железа и удобным инструментом для получения информации об особенностях их состояния является мёссбауэровская спектроскопия (МС). Исключительная распространенность железа в природе позволяет проводить сравнительные измерения железосодержащих минералов независимо от происхождения образца. Исследование с помощью МС грунтов и пород Марса только начинается [1], тогда как для других объектов Солнечной системы (например, Земля, Луна, метеориты) наблюдается значительный прогресс и имеется обширная информация [2, 3].
Цель настоящей работы — поиск количественных и качественных корреляций при минералогических исследованиях с помощью МС почв Земли и грунтов Марса для выяснения вопросов их общей истории образования. Впервые идея разработки методики сравнительного анализа соединений железа на планетах земной группы была нами высказана в [4] и прошла апробацию на ряде Международных конференций.
С помощью МС нами исследованы три группы образцов. В первую группу включены природные системы, специально отобранные из почв большинства почвенно-биоклиматиче-ских поясов (полярный, бореальный, тропический и т.д.) Земли и различного генезиса (подзолистые, лесные, пеплово-вулканические, погребенные почвы, глубоководные глины Тихого и Индийского океанов) [3]. Вторую группу составляют образцы грунтов с поверхности Марса, полученные с помощью двух американских марсоходов: "Spirit" и "Opportunity". Мёссбауэровские данные были взяты нами из созданной Д.С. Родионовым базы марсианских спектров [5], которая находится в свободном
Ярославский государственный технический университет
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
доступе на сайте [6]. Третья группа представлена модельными системами РеС13-раствор—глинистый минерал, которые подробно описаны в [7].
Сравнительный анализ мёссбауэровских данных по этим образцам показал, что существуют три проблемы, которые требуют обсуждения и разрешения. Первая трудность воника-ет при исследовании состояния минеральной системы гематит—гётит. С помощью МС выявлены следующие различия в параметрах спектров образцов Земли и Марса. Во-первых, наблюдаются различия в значениях соотношения гематит—гётит и эффективного магнитного поля Нп на ядрах 57Бе в образцах разной природы (рис. 1а). Во-вторых, различаются параметры, связанные с комбинированным магнитным и электрическим сверхтонким взаимодействием в структуре гематита. Для характеристики таких взаимодействий информативным является параметр
R =
6 (qJ\Hn)
6 ( Нп)
где е характеризует сдвиг ядерных уровней вследствие квадрупольного взаимодействия, qzz — максимальная компонента градиента электрического поля на ядрах железа, Нп — магнитное поле. Величина Я отражает наличие в а-Бе203 при определенной температуре (ТМ = 252.5 К) фазового перехода, известного как переход Морина. Для широкого набора природных систем Земли нами [3] и другими авторами [8—10] установлено, что переход Морина всегда смещен в область низких (иногда до гелиевых) температур. Известно, что уменьшение ТМ, Я и Нп связано с присутствием примесных ионов (М§2+, А13+ и др.) в решетке а-Бе203, с изменением размеров частиц и наличием дефектов в структуре гематита. Для установления возможных причин этого сдвига для образцов Марса нами был проделан эксперимент по синтезу гематита при условиях, близких к марсианским. В результате параметр Я модельных образцов хорошо совпал со значениями, полученными в [11] для грунтов Марса. Опыты по имитации
96
р(Нп), отн. ед.
(а) а-РеООН-
ЗАЛУЦКИИ и др.
N отн. £
а-Ре9СК
- 250000
240000
230000
Нп, кЭ
N %
Р-РеООН 100
95
90
Ип, кЭ
Рис. 1. Сравнительный мёссбауэровский анализ грунтов Марса (1) и почвенно-минеральных систем Земли (2) по результатам реставрации функции распределения сверхтонкого магнитного поля р(Нп) на ядрах 57Ре: а — природные почвы различного генезиса и гранулометрического состава; б — модельная система раствор—минерал. Т = 240—250 К.
марсианских бурь с помощью традиционной методики механоактивации веществ [12] также оказались удовлетворительными. Гематит частично переходил в фазу, для которой значения мёссбауэровских параметров оказались близкими к таковым для марсианских образцов. Следовательно, такие мелкодисперсные соединения железа, как магнетит или гематит, могут образовываться по причине наличия на Марсе сильнейших ветров.
Отнесение пиков в функции р(Нп) спектров марсианского грунта к предполагаемой фазе а-РеООН при сопоставлении с земным образцом оказалось весьма проблематичным (рис. 1а). Проанализировав широкий спектр различных моделей
и, мм • с
1
_I_I_I_I_I_
-10 -5 0 5 10
и, мм • с 1
Рис. 2. Типичные мёссбауэровские спектры некоторых грунтов Марса (а) и магнитных фракций, выделенных из почв Земли (б) (результат его обработки в рамках механизма вакансий). Фазы для спектра (б):
1 — а-Ре2Оз, 2 — РезО4; 3 — мелкодисперсная фаза
Ре3+.
образования почвенного гетита и переходов гё-тито-гематит, мы выбрали механизм, предложенный Ф.В. Чухровым [13]. Этот выбор сделан на основе ряда наших работ по исследованию почв на красноцветных отложениях (см., например, [14]), где соотношение гётит-гематит и их параметры по данным МС зависят от почвенных условий. В пользу указанного механизма говорит и наш модельный эксперимент для системы раствор—минерал [7], где для некоторых образцов диагностировались две фазы гидроксидов железа: а-РеООН (гётит) и Р-РеООН (акаганеит). В форме акаганеита гидроксиды редко встречаются на Земле (морские конкреции Тихого океана) и недавно были предположительно обна-
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 441 № 1 2011
МЕССБАУЭРОВСКИЙ АНАЛИЗ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА
97
ружены на Марсе [6]. Поскольку гидроксиды образуется только при участии воды, то совпадение пиков дляр(Нп) у марсианских грунтов и нашей системы раствор—минерал (см. рис. 1б) является прямым свидетельством существования в прошлом воды на поверхности Марса. Так как гётит и акаганеит образуются при разных условиях, то мёссбауэровские данные по их соотношению (так же как и по соотношению гематит—гётит) позволяют нам констатировать наличие похожих условий и на Марсе.
Вторая проблема касается происхождения магнетита, который ответствен за повышенные магнитные свойства некоторых почв и пород Земли [3] и обнаружен в грунтах Марса (рис. 2а). К спектру общих причин наличия магнетита в породах и грунтах для Земли следует добавить биогенный и техногенный факторы, а также выпадение космического вещества на поверхность планеты. При решении вопроса о дифференциации почвенного и космического магнетита нами было установлено, что одним из основных магнитных минералов в исследованных сильномагнитных частицах является нестехиометрический магнетит. Показатель не-
стехиометричности — (отношение интенсивно-1а
стей парциальных спектров магнетита, соответствующих октаэдрическим (В) и тетраэдрическим (А) позициям атомов железа в его структуре) может являться количественным критерием отличия сфе-рул космического и техногенного происхождения. В пользу такого подхода говорит и тот факт, что магнетит в марсианских образцах (рис. 2а), например, из Кратера Гусева является значительно нестехиометричным [5]. Выяснение природы
1в
отклонения величины — от идеального значения
^А
для грунтов Марса потребует, по-видимому, дополнительных исследований, поскольку для природных систем возможны одна из двух или совокупность следующих причин: механизм изоморфных замещений; механизм вакансий. Так, например, при исследовании магнитных фракций, выделенных из различных типов почв Земли (рис. 2б), нами была определена степень вакансий в структуре природного магнетита (и = 0.03—0.14) [15]. Полученные величины параметра и позволяют заключить, что магнетит в верхних горизонтах почв нашей планеты имеет техногенное, вулканическое или космическое происхождение.
Третий вопрос связан с тем, что имеется объективная трудность корректной интерпретации мёсс-бауэровского "дублета", который присутствует практически во всех спектрах Земли [3], Марса [1, 5] или Луны [2] и может иметь различную физическую природу. Чтобы частично снять эту пробле-
му, необходимо учитывать сведения по поведению профиля температурной зависимости площади Sa(T) парциального спектра (или сдвига 8а(Т) мёссбауэровской линии поглощения). Такой подход позволил нам определить эффективную дебаевскую (эйнштейновскую) температуру, силовые константы упругости для различных комплексов железа в модельных минеральных системах и, как следствие, разработать методику по разделению с помощью МС на обменные и структурные фазы соединений железа в почвенных образцах.
Полученные нами результаты позволяют подтвердить гипотезу о сходстве минерального состава планет земной группы. Некоторые имеющиеся различия связаны с особенностями образования и трансформации минералов на этих планетах. Учет этого факта позволит правильно выбрать стратегию проверки широкого спектра гипотез происхождения планет Солнечной системы, носящих в настоящее время в основном дискуссионный характер.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Morris R., Klingelhoefer G., Bernhardt B., et al. // Science. 2004. V. 305. Iss. 5685. Р. 833-836.
2. Малышева Т.В. Эффект Мёссбауэра в геохимии и космохимии. М.: Наука. 1975. 168 с.
3. Бабанин В.Ф., Трухин В.И., Карпачевский Л.О. и др. // Магнетизм почв. Ярославль: ЯГТУ, 1995. 223 с.
4. Залуцкий А.А., Седьмое Н.А., Кузьмин Р.Н., Иванов А.В. // Изв. РАН. Сер. физ. 2010. Т. 74. № 3. С. 410-414.
5. Родионов Д.С.Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук, М.: ИКИ РАН, 2006. 14 с.
6. http://www.mtholyoke.edu/courses/mdyar/database/ Mars Mineral Spectroscopy Database.
7. Залуцкий А.А., Кузьмин Р.Н., Пухов Д.Э. // Зап. РМО. 2007. Ч. 136. В. 7. С. 214-232.
8. Храмо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.