stringtranslate.com

Камасит

Камасит — это сплав железа и никеля , который на Земле встречается только в метеоритах . По данным Международной минералогической ассоциации (IMA), он считается собственно богатой никелем разновидностью минерала самородного железа . [3] [4] Соотношение железо:никель составляет от 90%:10% до 95%:5%; также могут присутствовать небольшие количества других элементов, таких как кобальт или углерод. Минерал имеет металлический блеск , серый цвет и не имеет четкой спайности, хотя его кристаллическая структура изометрично-гексоктаэдрическая. Его плотность составляет около 8 г/см3 , а твердость — 4 по шкале Мооса . Его также иногда называют балкенайзеном.

Название было придумано в 1861 году и происходит от греческого корня καμακ- «камак» или κάμαξ «камак», что означает виноградная лоза. [5] Это основной компонент железных метеоритов ( типов октаэдрита и гексаэдрита ). В октаэдритах он находится в полосах, перемежающихся с тэнитом, образуя видманштеттеновы узоры . В гексаэдритах часто видны тонкие параллельные линии, называемые линиями Неймана , которые свидетельствуют о структурной деформации соседних камаситовых пластин из-за ударов от ударов.

Иногда камасит может быть настолько тесно перемешан с тэнитом , что их трудно различить визуально, образуя плессит . Самый большой задокументированный кристалл камасита имел размеры 92×54×23 см (36,2×21,3×9,1 дюйма). [6]

Физические свойства

Камасит обладает многими уникальными физическими свойствами, включая структуру Томсона и чрезвычайно высокую плотность.

Идентификация

Камасит непрозрачен, и его поверхность обычно демонстрирует различные оттенки серых полос или «стеганые» узоры. Камасит имеет металлический блеск. Твердость камасита может варьироваться в зависимости от степени удара, которому он подвергся, но обычно занимает четвертое место по шкале твердости Мооса. Удар увеличивает твердость камасита, но это не на 100% надежно для определения истории ударов, поскольку существует множество других причин, по которым твердость камасита может увеличиться. [7]

Камасит имеет измеренную плотность7,9  г/см3 . Он имеет массивную кристаллическую форму, но обычно отдельные кристаллы неразличимы в природных залежах. В камасите нет плоскостей спайности, что придает ему шероховатый излом. Камасит магнитен и изометричен, что заставляет его вести себя оптически изометрично.

Камасит встречается вместе с тэнитом и смешанной областью камасита и тэнита, называемой плесситом . [8]

Тэнит содержит больше никеля (от 12 до 45 мас. % Ni), чем камасит (который содержит от 5 до 12 мас. % Ni). Увеличение содержания никеля приводит к тому, что тэнит имеет гранецентрированную элементарную ячейку, тогда как более высокое содержание железа в камасите приводит к тому, что его элементарная ячейка является объемноцентрированной. Эта разница вызвана тем, что никель и железо имеют схожий размер, но разные межатомные магнитные и квантовые взаимодействия. [9]

Тетрагональная фаза

Имеются доказательства тетрагональной фазы, обнаруженные в рентгеновских порошковых тестах, а затем под микроскопом. При тестировании два метеорита дали d-значения, которые могли быть «индексированы на основе тетрагональной элементарной ячейки, но не на основе кубической или гексагональной элементарной ячейки». [9] Было высказано предположение, что это e-железо, гексагональный полиморф железа.

Структуры Томсона

Структуры Томсона , обычно называемые узорами Видманштеттена , — это текстуры, часто встречающиеся в метеоритах, содержащих камасит. Это полосы, которые обычно чередуются между камацитом и тэнитом. В 1804 году Уильям Томсон наткнулся на эти структуры, когда заметил неожиданные геометрические узоры после очистки образца азотной кислотой ( HNO
3). Он опубликовал свои наблюдения во французском журнале, но из-за наполеоновских войн английские ученые, которые в то время проводили большую часть исследований метеоритов, так и не обнаружили его работу. Только в 1808 году, четыре года спустя, те же самые узоры травления были обнаружены графом Алоизом фон Беком Видманштеттеном , который нагревал железные метеориты, когда он заметил геометрические узоры, вызванные различными скоростями окисления камасита и тэнита. [10] Видманштеттен рассказал многим своим коллегам об этих узорах в переписке, в результате чего в большинстве литературы их стали называть узорами Видманштеттена.

Структуры Томсона или узоры Видманштеттена создаются по мере охлаждения метеорита; при высоких температурах как железо, так и никель имеют гранецентрированные решетки. Когда метеорит формируется, он начинается как полностью расплавленный тэнит (более 1500 °C), и по мере охлаждения выше 723 °C первичная метастабильная фаза сплава превращается в тэнит, а камасит начинает выпадать в осадок. Именно в этом окне, когда метеорит охлаждается ниже 723 °C, образуются структуры Томсона, и на них могут сильно влиять температура, давление и состав метеорита. [8]

Оптические свойства

Камасит непрозрачен и может наблюдаться только в микроскопии отраженного света. Он изометричен и поэтому ведет себя изотропно .

Магнетизм

Когда метеорит охлаждается ниже 750 °C, железо становится магнитным, поскольку оно переходит в фазу камасита. Во время этого охлаждения метеорит приобретает нетрадиционную термоостаточную намагниченность . Термоостаточная намагниченность на Земле придает железным минералам, образованным в земной коре, более высокую намагниченность, чем если бы они были образованы в том же поле при комнатной температуре. Это нетрадиционная термоостаточная намагниченность, поскольку она, по-видимому, вызвана химическим остаточным процессом, который индуцируется при охлаждении тэнита до камасита. Что делает это особенно интересным, так это то, что было показано, что это объясняет все магнитное поле обычных хондритов, которое, как было показано, достигает 0,4 эрстеда (символ Э). [11]

Кристаллография

Камасит — изометрический минерал с объемной кубической центральной элементарной ячейкой. Камасит обычно не встречается в крупных кристаллах; однако аномально большой найденный и задокументированный кристалл камасита имел размеры 92×54×23 сантиметра. [12] Даже при том, что крупные кристаллы встречаются так редко, крайне важно понимать, что кристаллография играет важную роль в формировании структур Томсона.

Симметрия

Камасит образует изометрические гексаоктаэдрические кристаллы, что приводит к тому, что кристаллы имеют много элементов симметрии. Камасит относится к классу 4/m 3 2/m в нотации Германа–Могена, что означает, что он имеет три четверных оси, четыре тройных оси и шесть двойных осей и девять зеркальных плоскостей. Камасит имеет пространственную группу Fm 3 m.

Элементарная ячейка

Камасит состоит из повторяющихся единиц α-(Fe, Ni), Fe
0.9Ни
0.1, что составляет размеры ячейки a = 8,603  Å , Z = 54  Å ; V = 636,72  Å 3. Межатомные магнитные и квантовые взаимодействия атомов нульвалентного железа (металлического Fe 0 ), взаимодействующих друг с другом, приводят к тому, что камасит имеет объемно-центрированную решетку.

Химия

Формула и доминирующие элементы

Камасит состоит из повторяющихся единиц α-(Fe, Ni), Fe
0.9Ни
0.1, в котором и железо, и никель имеют нулевую валентность (Fe 0 и Ni 0 ), поскольку они являются металлическими самородными элементами, обычно встречающимися в железных метеоритах. Помимо следовых элементов, обычно считается, что он состоит из 90% железа и 10% никеля, но может иметь соотношение 95% железа и 5% никеля. Это делает железо доминирующим элементом в любом образце камасита. Он сгруппирован с самородными элементами в обеих системах классификации: Dana и Nickel-Strunz. [9]

Условия формирования

Камасит начинает формироваться около 723 °C, где железо расщепляется от гранецентрированного к объемноцентрированному, в то время как никель остается гранецентрированным. Чтобы приспособиться к этому, начинают формироваться области с более высокой концентрацией железа, вытесняя никель в области вокруг него, что создает тэнит, который является конечным членом никеля.

Микроэлементы

Было проведено много исследований микроэлементов камасита. Наиболее заметными микроэлементами в камасите являются галлий , германий , кобальт , медь и хром . Кобальт является наиболее заметным из них, где содержание никеля варьируется от 5,26% до 6,81%, а содержание кобальта может быть от 0,25% до 0,77%. [13] Все эти следовые элементы являются металлами, и их появление вблизи границы камасита и тэнита может дать важные подсказки относительно среды, в которой образовался метеорит. Масс-спектрометрия показала, что камасит содержит значительные количества платины , в среднем 16,31 (мкг/г), иридия , в среднем 5,40 (мкг/г), осмия , в среднем 3,89 (мкг/г), вольфрама , в среднем 1,97 (мкг/г), золота , в среднем 0,75 (мкг/г), и рения , в среднем 0,22 (мкг/г). [14] Наиболее заметны значительные количества кобальта и платины.

Важные второстепенные элементы, замещения, твердые растворы

Камаситовая сульфуризация была проведена экспериментально в лабораторных условиях. В результате сульфурации образовались три отдельные фазы: моносульфидный твердый раствор ( Fe
х(Никель,Кобальт)
1-xS ), фаза пентландита ( Fe
х(Никель,Кобальт)
9-хС
8), а также богатая фосфором фаза. Это было сделано в лаборатории для создания условий, соответствующих условиям солнечной туманности. С помощью этой информации можно было бы извлечь информацию о термодинамических, кинетических и физических условиях ранней солнечной системы. Это все еще остается предположением, поскольку многие сульфиды в метеоритах нестабильны и были разрушены. [15] Камасит также изменяется в точилинит ( Fe2+
· 5-6 (Mg, Fe2+
)
5С
6(ОЙ)
10). Это полезно для получения подсказок относительно того, насколько сильно был изменен метеорит в целом. Изменение камасита в точилинит можно увидеть в петрологических микроскопах, сканирующем электронном микроскопе и электронном микрозондовом анализе. Это может быть использовано для того, чтобы позволить исследователям легко индексировать количество изменений, которые произошли в образце. Этот индекс может быть позже использован при анализе других областей метеорита, где изменения не столь очевидны. [16]

Связь с тэнитом

Тэнит — это богатый никелем конечный член твердого раствора камасита-тэнита. Тэнит встречается на Земле в природе, тогда как камасит встречается на Земле только тогда, когда попадает из космоса. Камасит образует тэнит по мере того, как он образуется и вытесняет никель в окружающую область, эта область образует тэнит. Из-за гранецентрированной природы решетки камасита и объемноцентрированной природы решетки никеля они образуют сложные углы, когда соприкасаются друг с другом. Эти углы проявляются макроскопически в структуре Томсона. Также из-за этой связи мы получаем термины атаксит, гексаэдрит и октаэдрит. Атаксит относится к метеоритам, которые не демонстрируют грубо гексаэдрическую или октаэдрическую структуру. Метеориты, состоящие из 6% по весу или менее никеля, часто называют гексаэдритами из-за изометрической кристаллической структуры камасита, из-за чего метеорит имеет кубическую форму. Аналогично, если в метеорите преобладает гранецентрированный тэнит, его называют октаэдритом, поскольку камасит будет выделяться из октаэдрических кристаллических границ тэнита, делая метеорит октаэдрическим. И гексаэдриты, и октаэдриты появляются только тогда, когда метеорит ломается вдоль кристаллических плоскостей или когда их готовят для акцентирования структур Томсона, поэтому многие из них ошибочно называют атакситами ar first. [8] [17]

Химическое объяснение тепла

Микроэлементы были проанализированы в образовании камасита при разных температурах, но микроэлементы в тэните, по-видимому, лучше подходят для того, чтобы дать подсказки о температуре образования метеорита. По мере того, как метеорит остывает, а тэнит и камасит отсортировываются друг от друга, некоторые микроэлементы предпочтут находиться в тэните или камасите. Анализ границы тэнит-камасит может дать подсказки о том, как быстро произошло охлаждение, а также о множестве других условий во время формирования по конечному местоположению микроэлементов. [ необходима цитата ]

Диапазон устойчивости

Камасит стабилен только при температурах ниже 723 °C [8] или 600 °C (Stacey и Banerjee, 2012), [11] , поскольку именно при этих температурах железо становится достаточно холодным, чтобы организоваться в объемно-центрированную кристаллическую структуру. Камасит также стабилен только при низких давлениях, как можно предположить, потому что он образуется только в пространстве . [8]

Эффект шока

Металлографическая и рентгеновская дифракция могут быть использованы на камасите для определения истории удара метеорита. Использование твердости для определения истории удара было экспериментально, но было обнаружено, что это слишком ненадежно. Тест на твердость по Виккерсу был применен к ряду образцов камасита, и было обнаружено, что метеориты, подвергшиеся удару, имеют значения 160–170 кг/мм, а метеориты, не подвергшиеся удару, могут иметь значения до 244 кг/мм. [7] Удар вызывает уникальную структуру превращения железа, которую можно измерить с помощью металлографических и рентгеновских методов дифракции. После использования металлографических и рентгеновских методов дифракции для определения истории удара было обнаружено, что 49% метеоритов, найденных на Земле, содержат доказательства удара.

Геологические явления

Камаситовые метеориты были найдены на всех континентах Земли, а также на Марсе . [18]

Метеориты

Камасит в первую очередь ассоциируется с метеоритами, поскольку ему нужны высокие температуры, низкие давления и немного других более реактивных элементов, таких как кислород. Хондритовые метеориты можно разделить на группы в зависимости от присутствующих хондр . Существует три основных типа: энстатитовые хондриты, углеродистые хондриты и обыкновенные хондриты. Обыкновенные хондриты являются наиболее распространенным типом метеоритов, встречающихся на Земле, составляя 85% всех зарегистрированных метеоритов. [17] Считается, что обыкновенные хондриты все произошли из трех разных источников, поэтому они бывают трех типов LL, L и H; LL означает низкое содержание железа, низкое содержание металла, L означает низкое содержание железа, а H - высокое содержание железа. Все обыкновенные хондриты содержат камасит в убывающем количестве по мере перехода от хондритов H к хондритам LL. [19] Камасит также встречается во многих менее распространенных метеоритах мезосидеритах и ​​хондритах E. E-хондриты — это хондриты, которые состоят в основном из энстатита и составляют всего 2% метеоритов, падающих на Землю. E-хондриты имеют совершенно иную исходную породу, чем обычные хондриты. [17] При анализе камасита в E-хондритах было обнаружено, что они содержат, как правило, меньше никеля, чем в среднем. [20]

Избыток

Поскольку камасит образуется только в космосе и встречается на Земле только в метеоритах, его распространенность на Земле очень мала. Его распространенность за пределами нашей солнечной системы трудно определить. Железо, основной компонент камасита, является шестым по распространенности элементом во Вселенной и самым распространенным из тех элементов, которые обычно считаются металлическими. [21]

Сопутствующие минералы

Тэнит и точилинит — минералы, которые обычно ассоциируются с камацитом. [ необходима цитата ]

Конкретные примеры

Метеоритный кратер Аризона

Камасит был обнаружен и изучен в Метеоритном кратере , Аризона. Метеоритный кратер был первым подтвержденным местом падения метеорита на планете, и не был общепризнанным до 1950-х годов. В 1960-х годах Геологическая служба США обнаружила камасит в образцах, собранных вокруг этого места, что связало минерал с метеоритами. [22]

Планеты

Камасит в основном образуется на метеоритах, но был обнаружен на внеземных телах, таких как Марс. Это было обнаружено марсоходом Opportunity (MER) . Камасит не возник на Марсе, а был занесен туда метеоритом. Это было особенно интересно, потому что метеорит относился к менее известному классу мезосидеритов . Мезосидериты очень редки на Земле, и их наличие на Марсе дает ключ к происхождению его более крупной исходной породы. [23]

Использует

Основное исследовательское применение камасита — пролить свет на историю метеорита. Будь то изучение истории ударов в железных структурах или условий во время формирования метеорита с использованием границы камасита-тэнита, понимание камасита является ключом к пониманию нашей Вселенной. [ необходима цитата ]

Подготовка образцов для музеев, университетов и фотоматериалов

Из-за редкости и, как правило, тусклого внешнего вида камасита он не популярен среди частных коллекционеров. Однако во многих музеях и университетах есть образцы камасита в своих коллекциях. Обычно образцы камасита готовятся с использованием полировки и кислоты, чтобы продемонстрировать структуры Томсона. Подготовка образцов включает их промывку в растворителе, например, как это сделал Томсон с азотной кислотой, чтобы выявить структуры Томсона. Затем их тщательно полируют, чтобы они выглядели блестящими. Обычно камасит можно легко отличить от тэнита, так как после этого процесса камасит выглядит немного темнее тэнита. [24]

Взгляд в будущее

Камасит и тэнит оба имеют потенциал быть экономически ценными. Вариант, который сделал бы добычу астероидов более прибыльной, — это сбор микроэлементов. Одной из трудностей будет очистка таких элементов, как платина и золото. Платина стоит около 12 000 долларов США/кг (камасит содержит 16,11 мкг/г платины), а золото стоит около 12 000 долларов США/кг (камасит содержит 0,52 мкг/г золота); однако вероятность прибыльной прибыли довольно мала. [25] Добыча астероидов для использования в космосе может быть более практичной, поскольку транспортировка материалов с Земли обходится дорого. Подобно текущим планам повторного использования модулей Международной космической станции в других миссиях, железный метеорит может быть использован для строительства космического корабля в космосе. НАСА выдвинуло предварительные планы по строительству космического корабля в космосе. [26]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Минералиеатлас
  2. ^ Данные о минерале камасит
  3. ^ «Международная минералогическая ассоциация (IMA), Комиссия по новым минералам, номенклатуре и классификации, Официальный список минералов IMA».
  4. ^ Берк, EAJ (2006). «Массовая дискредитация минералов GQN». Канадский минералог . 44 (6): 1557–1560. Bibcode : 2006CaMin..44.1557B. doi : 10.2113/gscanmin.44.6.1557.
  5. ^ "kamacite" . Оксфордский словарь английского языка (Электронная правка). Oxford University Press . (Требуется подписка или членство в участвующем учреждении.)
  6. ^ PC Rickwood (1981). «Крупнейшие кристаллы» (PDF) . American Mineralogist . 66 : 885–907.
  7. ^ ab Jain, VA; Gordon, RB; Lipschutz, ME (1972). «Твёрдость камасита и история ударов 119 метеоритов». Журнал геофизических исследований . 77 (35): 6940–6954. Bibcode : 1972JGR....77.6940J. doi : 10.1029/jb077i035p06940..
  8. ^ abcde Goldstein, JI (1965). "Формирование фазы камасита в металлических метеоритах". Journal of Geophysical Research . 70 (24): 6223–6232. Bibcode :1965JGR....70.6223G. doi :10.1029/jz070i024p06223. hdl : 2060/19650024149 .
  9. ^ abc Ramsden, AR (1966). «Суперструктуры камасита и тэнита и метастабильная тетрагональная фаза в железных метеоритах». The American Mineralogist . 51 : 1–2, 37.
  10. ^ Панет, ФА (1960). «Открытие и самые ранние репродукции фигур Видманштеттена». Geochimica et Cosmochimica Acta . 18 (3): 176–182. Бибкод : 1960GeCoA..18..176P. дои : 10.1016/0016-7037(60)90085-5.
  11. ^ ab Stacey, FD; Banerjee, SK (2012). Физические принципы магнетизма горных пород . Глава 13 Магнетизм метеоритов: Elsevier . стр. 170.{{cite book}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )
  12. ^ PC Rickwood (1981). «Крупнейшие кристаллы» (PDF) . American Mineralogist . 66 : 885–907.
  13. ^ Ничипорук, В. (1957). «Вариации содержания никеля, галлия, германия, кобальта, меди и хрома в камаситовой и тэнитовой фазах железных метеоритов». Geochimica et Cosmochimica Acta . 13 (4): 233–236. Бибкод : 1958GeCoA..13..233N. дои : 10.1016/0016-7037(58)90025-5.
  14. ^ Расмуссен, К.; Гринуэй, Т.; Гвоздз, Р. (1989). «Состав камасита в железных метеоритах, исследованный с помощью ускорительной масс-спектроскопии, нейтронно-активационного анализа и аналитической электронной микроскопии». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . 36 (1): 43. Bibcode :1989NIMPB..36...43R. doi :10.1016/0168-583X(89)90058-X.
  15. ^ Лоретта, Д. (1998). "Сульфиризация камасита в солнечной туманности". Метеоритика и планетарная наука . 33 (4): 4. Bibcode :1998M&PS...33..821L. doi :10.1111/j.1945-5100.1998.tb01689.x.
  16. ^ Палмер, Э. Э. (2010). «Индекс изменения камасита для хондритов CM». 41-я конференция по науке о Луне и планетах (1533): 2211. Bibcode : 2010LPI....41.2211P.
  17. ^ abc Norton, OR (2008). Полевое руководство по метеорам и метеоритам. Серия «Практическая астрономия» Патрика Мура . Хондриты: Springer. С. 75–111.
  18. ^ "NASA - Увеличенный взгляд на метеорит на Марсе". www.nasa.gov . Архивировано из оригинала 28 сентября 2022 года . Получено 5 октября 2020 года .
  19. ^ Рубин, А.; Джеффри, Т.; Маджоре, П. (1990). «Камасит и оливин в обыкновенных хондритах: межгрупповые и внутригрупповые отношения». Geochimica et Cosmochimica Acta . 54 (5): 1217–1232. Bibcode : 1990GeCoA..54.1217R. doi : 10.1016/0016-7037(90)90148-e.
  20. ^ Истон, А. Дж. (1986). «Исследования камасита, перриита и шрейберзита в E-хондритах и ​​обритах». Метеоритика . 21 (1): 79–93. Bibcode : 1986Metic..21...79E. doi : 10.1111/j.1945-5100.1986.tb01227.x .
  21. ^ Распространенность элементов во Вселенной
  22. ^ Мид, К.; Литтлер, Дж.; Чао, Э. (1965). «Металлические сфероиды из кратера Метеор, Аризона». Американский минералог . 50 : 667.
  23. ^ Шредер, К.; Эшли, Дж. В.; Чепмен, МГ; Коэн, БА; Фарранд, WH; Флейшер, И.; Геллерт, Р.; Херкенхофф, KE; Джонсон, Дж. Р.; Джоллифф, BL; Джозеф, Дж.; Клингельхофер, Г.; Моррис, Р. В.; Сквайрес, СВ; Райт, СП (22 марта 2009 г.). «Санторини — еще один метеорит на Марсе и третий по счету». Труды 40-й конференции по науке о Луне и планетах : 1665. Бибкод : 2009LPI....40.1665S.
  24. ^ Флемминг, Р. (2007). «Микрорентгеновская дифракция (μXRD): универсальный метод для характеристики земных и планетарных материалов». Канадский журнал наук о Земле . 44 (9): 1333–1346. Bibcode : 2007CaJES..44.1333F. doi : 10.1139/e07-020.
  25. ^ Росс, С. (2001). «Добыча полезных ископаемых на околоземных астероидах». Космос : 107–81.
  26. ↑ Брюстер, Сигне (29 августа 2013 г.). «НАСА хочет построить огромный космический корабль на орбите с помощью роботов и 3D-принтеров». Gigaom. Gigaom.
Камасит и тэнит после тэнита, демонстрирующие октаэдрическую структуру тэнита, железный метеорит Нантан (Нандан), уезд Нандан , Гуанси-Чжуанский автономный район , Китай. Размер: 4,8×3,0×2,8 см. Железо Нантана, засвидетельствованное падение в 1516 году, имеет состав 92,35% железа и 6,96% никеля .
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Камасите».