Магнезит — минерал с химической формулой Mg C O
3( карбонат магния ). Железо , марганец , кобальт и никель могут встречаться в качестве примесей, но только в небольших количествах.
Магнезит встречается в виде жил и продукта изменения ультраосновных пород , серпентинита и других богатых магнием типов пород как в контактных, так и в региональных метаморфических территориях. Эти магнезиты часто являются скрытокристаллическими и содержат кремний в форме опала или кремня .
Магнезит также присутствует в реголите над ультраосновными породами в качестве вторичного карбоната в почве и подпочве , где он откладывается в результате растворения магнийсодержащих минералов углекислым газом в грунтовых водах.
Недавнее достижение в области геохимии стабильных изотопов — это изучение изотопной структуры минералов и молекул. Это требует изучения молекул с высоким разрешением, рассматривая сценарий связывания (как тяжелые изотопы связаны друг с другом) — что приводит к знанию стабильности молекулы в зависимости от ее изотопной структуры.
Кислород имеет три стабильных изотопа ( 16 O, 17 O и 18 O), а углерод — два ( 13 C, 12 C). Молекула 12 C 16 O 2 (состоящая только из наиболее распространенных изотопов составляющих элементов) называется « моноизотопным » видом. Когда только один атом заменяется тяжелым изотопом любого составляющего элемента (т. е. 13 C 16 O 2 ), это называется «однократно замещенным» видом. Аналогично, когда два атома одновременно заменяются более тяжелыми изотопами (например, 13 C 16 O 18 O), это называется «двойным замещенным» видом. «Сгруппированный» вид ( 13 C 16 O 18 O) для CO 2 — это дважды замещенная молекула CO 2. Изотопно замещенные молекулы имеют большую массу. В результате молекулярная вибрация уменьшается, и молекула приобретает более низкую нулевую энергию (см. Кинетический изотопный эффект ).
Содержание определенных связей в определенных молекулах чувствительно к температуре, при которой они образовались (например, содержание 13 C 16 O 18 O в карбонатах [6] в виде связи 13 C- 18 O). Эта информация была использована для формирования основы геохимии слипшихся изотопов . Термометры слипшихся изотопов были созданы для карбонатных минералов, таких как доломит , [7] [8] кальцит , [9] сидерит [10] и т. д., и некарбонатных соединений, таких как метан [11] и кислород . [12] В зависимости от прочности связей катион-карбонат-кислород (т. е. Mg-O, Ca-O) различные карбонатные минералы могут образовывать или сохранять слипшиеся изотопные сигнатуры по-разному.
Анализ слипшихся изотопов имеет определенные аспекты. Это:
Анализ слипшихся изотопов обычно выполняется с помощью масс-спектрометрии с газовым источником , где CO 2 , высвобождаемый из магнезита путем фосфорнокислотного разложения, подается в масс-спектрометр изотопного отношения. В таком сценарии необходимо убедиться, что высвобождение CO 2 из магнезита завершено. Разложение магнезита является сложным процессом, поскольку он занимает много времени, и разные лаборатории сообщают о разном времени и температуре разложения (от 12 часов при 100 °C [13] до 1 часа при 90 °C [14] в фосфорной кислоте ). Из-за разложения при такой высокой температуре некоторые из связей 13 C- 18 O в освобожденном CO 2 разрываются (что приводит к уменьшению количества «слипшегося» CO 2 ) во время фосфорнокислого разложения карбонатов. Чтобы учесть этот дополнительный (аналитический артефакт), к значению слипшегося изотопа магнезита, полученному при температуре разложения, добавляется поправка, называемая «поправкой на кислотное фракционирование».
Поскольку газ CO 2 выделяется из карбонатного минерала во время кислотного разложения, оставляя один O позади, происходит фракционирование, и изотопный состав анализируемого газа CO 2 необходимо скорректировать для этого. Для магнезита наиболее надежное уравнение коэффициента фракционирования ( α) имеет вид: [15]
10 3 ln(α) = [(6,845 ± 0,475)∗10 5 /T 2 ] + (4,22 ± 0,08); T в К
Различные исследователи также использовали другие факторы фракционирования, такие как фактор фракционирования доломита. [16]
При измерении образцов неизвестного состава требуется измерить некоторые стандартные материалы (см. Справочные материалы для анализа стабильных изотопов ). С внутренними стандартами и справочными материалами аналитическая сессия регулярно контролируется. Стандартные материалы в основном кальцит и мрамор.
Для преобразования данных слипшихся изотопов в температуру требуется калибровочная кривая, которая выражает функциональную форму температурной зависимости состава слипшихся изотопов. Для магнезита не существует специфической для минерала калибровки. На основании некоторых экспериментальных данных [14] , где температура осаждения минерала и полученная из слипшихся изотопов температура не совпадают, возникает необходимость в специфической для минерала калибровке. Несоответствие возникает, поскольку связывание в магнезите отличается от кальцита/доломита и/или кислотное разложение проводится при более высокой температуре.
Используя температуру, полученную из сгустков изотопов, можно рассчитать изотопный состав C и O исходной жидкости, используя известные факторы фракционирования изотопов магнезитовой жидкости, поскольку фракционирование зависит от температуры. Факторы фракционирования изотопов O и C магнезитовой жидкости, приведенные в литературе, не согласуются друг с другом. [14] Поведение фракционирования не было подтверждено экспериментальным наблюдением.
При низкой температуре, таким образом, образуются водные карбонаты Mg ( гидромагнезит , несквегонит и т. д.). Эти фазы можно преобразовать в магнезит, изменяя температуру путем растворения-осаждения минералов или дегидратации. Пока это происходит, связанный с этим изотопный эффект может контролировать изотопный состав осажденного магнезита.
Неравновесные процессы, такие как дегазация, быстрое поглощение CO 2 и т. д. изменяют слипшийся изотопный состав карбонатных минералов, особенно при низких температурах. Они по-разному обогащают или обедняют систему тяжелыми изотопами C и O. Поскольку слипшееся изотопное содержание зависит от обилия изотопов C и O, они также изменяются. Другим очень заметным эффектом здесь является влияние pH осаждающейся жидкости. [17] Поскольку pH осаждающейся жидкости изменяется, это влияет на пул DIC и изменяется изотопный состав осаждающегося карбоната.
Кристаллические и криптокристаллические магнезиты имеют очень разные минеральные структуры. В то время как кристаллический магнезит имеет хорошо развитую кристаллическую структуру, криптокристаллический магнезит является аморфным — в основном агрегатом мелких зерен. Поскольку слипшийся изотопный состав зависит от специфической связи, разница в кристаллической структуре, скорее всего, повлияет на способ, которым слипшиеся изотопные сигнатуры регистрируются в этих различных структурах. Это приводит к тому, что их изначальные сигнатуры могут быть изменены по-разному более поздними термическими событиями, такими как диагенез /нагрев захоронения и т. д.
Магнезит может быть образован путем тальк-карбонатного метасоматоза перидотита и других ультраосновных пород. Магнезит образуется путем карбонизации оливина в присутствии воды и углекислого газа при повышенных температурах и высоких давлениях, типичных для фации зеленых сланцев .
Магнезит также может быть образован путем карбонизации магниевого серпентина (лизардита) по следующей реакции :
Однако при проведении этой реакции в лабораторных условиях тригидратированная форма карбоната магния (несквегонит) образуется при комнатной температуре. [18] Это самое наблюдение привело к постулированию «дегидратационного барьера», участвующего в низкотемпературном образовании безводного карбоната магния. [19] Лабораторные эксперименты с формамидом , жидкостью, напоминающей воду, показали, что такой дегидратационный барьер может не присутствовать. Основная трудность зародышеобразования безводного карбоната магния остается при использовании этого неводного раствора. Не дегидратация катионов, а пространственная конфигурация карбонатных анионов создает барьер при низкотемпературном зародышеобразовании магнезита. [20]
Магнезит был обнаружен в современных отложениях, пещерах и почвах. Известно, что его низкотемпературное (около 40 °C [104 °F]) образование требует чередования интервалов осаждения и растворения. [21] [22] [23] Низкотемпературное образование магнезита вполне может иметь значение для крупномасштабного связывания углерода . [24] Большой шаг вперед к промышленному производству магнезита при атмосферном давлении и температуре 316 К был описан Вандегинсте. [25] [26] В этих экспериментах небольшие добавки соляной кислоты периодически чередовались с добавками раствора карбоната натрия. Новым также была очень короткая продолжительность, всего несколько часов, для чередующихся циклов растворения и осаждения.
Магнезит был обнаружен в метеорите ALH84001 и на самой планете Марс . Магнезит был обнаружен на Марсе с помощью инфракрасной спектроскопии со спутниковой орбиты. [27] Около кратера Джезеро были обнаружены карбонаты магния, которые, как сообщается, образовались в преобладающей там озерной среде. [28] До сих пор существуют разногласия относительно температуры образования этих карбонатов . Было высказано предположение о низкотемпературном образовании магнезита из метеорита ALH84001, полученного с Марса. [29] [30]
Богатый магнием оливин ( форстерит ) способствует образованию магнезита из перидотита. Богатый железом оливин ( фаялит ) способствует образованию магнетит-магнезит-кремнеземных составов.
Магнезит может также образовываться путем метасоматоза в скарновых отложениях, в доломитовых известняках , в сочетании с волластонитом , периклазом и тальком .
Устойчивый к высоким температурам и способный выдерживать высокое давление, магнезит был предложен в качестве одной из основных карбонатсодержащих фаз в мантии Земли [31] и возможных носителей для глубоких резервуаров углерода. [32] По той же причине он обнаружен в метаморфизованных перидотитовых породах в Центральных Альпах, Швейцария [33] и высоконапорных эклогитовых породах Тянь-Шаня, Китай. [34]
Магнезит также может осаждаться в озерах в присутствии бактерий либо в виде водных карбонатов магния, либо в виде магнезита. [35] [36]
Скопления изотопов использовались для интерпретации условий образования магнезита и изотопного состава осаждающейся жидкости. В ультрамафических комплексах магнезиты встречаются в жилах и штокверках в криптокристаллической форме, а также в карбонатизированных перидотитовых единицах в кристаллической форме. Эти криптокристаллические формы в основном изменчиво выветрены и дают низкую температуру образования. [37] С другой стороны, грубые магнезиты дают очень высокую температуру, что указывает на гидротермальное происхождение. Предполагается, что грубые высокотемпературные магнезиты образуются из флюидов, полученных из мантии, тогда как криптокристаллические осаждаются циркулирующей метеорной водой, поглощая углерод из растворенного неорганического углеродного пула, почвенного углерода и подвергаясь воздействию неравновесных изотопных эффектов.
Магнезиты, образующиеся в озерах и плайях , в целом обогащены тяжелыми изотопами C и O из-за испарения и дегазации CO 2 . Это отражается в том, что температура, полученная из слипшихся изотопов, очень низкая. На них влияет эффект pH , биологическая активность, а также кинетический изотопный эффект, связанный с дегазацией. Магнезит образуется в виде поверхностных форм в таких условиях, но чаще встречается в виде водных карбонатов Mg, поскольку их осаждение кинетически благоприятно. В большинстве случаев они получают C из DIC или близлежащих ультраосновных комплексов (например, Altin Playa, Британская Колумбия, Канада [38] ).
С другой стороны, магнезиты в метаморфических породах указывают на очень высокую температуру образования. Изотопный состав исходного флюида также тяжелый — в основном метаморфические флюиды. Это было подтверждено температурой, полученной из включений флюида, а также традиционной термометрией изотопов O с участием соосаждающегося кварца-магнезита.
Часто магнезит регистрирует более низкую температуру слипшихся изотопов, чем связанный с ним доломит, кальцит. [39] Причина может заключаться в том, что кальцит, доломит образуются раньше при более высокой температуре (из флюидов, подобных мантии), что увеличивает соотношение Mg/Ca в жидкости достаточно для осаждения магнезита. Поскольку это происходит с увеличением времени, жидкость охлаждается, эволюционирует, смешиваясь с другими жидкостями, и когда она образует магнезит, она снижает свою температуру. Таким образом, присутствие связанных карбонатов контролирует изотопный состав магнезита.
Происхождение марсианских карбонатов может быть деконволюционировано с применением слипшихся изотопов. Источник CO 2 , климатические и гидрологические условия на Марсе могут быть оценены по этим породам. Недавнее исследование показало (применение слипшейся изотопной термометрии ), что карбонаты в ALH84001 указывают на образование при низкотемпературных условиях испарения из подземных вод и происхождение CO 2 из марсианской атмосферы. [40]
Подобно производству извести, магнезит можно сжигать в присутствии древесного угля для получения MgO , который в форме минерала известен как периклаз . Большие количества магнезита сжигаются для получения оксида магния : важного огнеупорного (жаропрочного) материала, используемого в качестве футеровки в доменных печах , обжиговых печах и мусоросжигательных печах .
Температуры прокалки определяют реакционную способность образующихся оксидных продуктов, а классификации на слабообожженные и полностью обожженные относятся к площади поверхности и результирующей реакционной способности продукта (обычно это определяется промышленной метрикой йодного числа).
« Слабообожженный » продукт обычно относится к продукту, прокаливание которого начинается при температуре 450 °C и продолжается до верхнего предела 900 °C, что обеспечивает хорошую площадь поверхности и реакционную способность.
При температуре выше 900 °C материал теряет свою реактивную кристаллическую структуру и превращается в химически инертный « намертво обожженный » продукт, который предпочтителен для использования в огнеупорных материалах, таких как футеровка печей.
При пробирном анализе для купелирования можно использовать магнезитовые купели , поскольку они выдерживают высокие температуры.
Магнезит также может использоваться в качестве связующего в напольных покрытиях ( магнезитовая стяжка ). [41] Кроме того, он используется в качестве катализатора и наполнителя при производстве синтетического каучука и при приготовлении магниевых химикатов и удобрений.
Продолжаются исследования по оценке практичности секвестрации парниковых газов диоксида углерода в магнезите в больших масштабах. [42] Это было сосредоточено на перидотитах из офиолитов (обдуктированных мантийных пород на коре), где магнезит может быть создан путем реакции диоксида углерода с этими породами. Некоторый прогресс был достигнут в офиолитах из Омана. [43] Но главная проблема заключается в том, что эти искусственные процессы требуют достаточной пористости-проницаемости, чтобы флюиды могли течь, но это вряд ли относится к перидотитам .
Магнезит можно резать, сверлить и полировать, чтобы получить бусины, которые используются в ювелирном деле. Бусины из магнезита можно окрашивать в широкий спектр смелых цветов, включая светло-голубой цвет, который имитирует бирюзу .
Японо-американский художник Исаму Ногучи использовал магнезит в качестве скульптурного материала для некоторых своих произведений искусства. [44]
Люди могут подвергаться воздействию магнезита на рабочем месте при вдыхании его паров, попадании на кожу и в глаза.
Управление по охране труда и здоровья (OSHA) установило допустимый предел воздействия ( допустимый предел воздействия ) для воздействия магнезита на рабочем месте в размере 15 мг/м 3 общего воздействия и 5 мг/м 3 респираторного воздействия в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) в размере 10 мг/м 3 общего воздействия и 5 мг/м 3 респираторного воздействия в течение 8-часового рабочего дня. [45]