ВИСОКОБАРИЧНИЙ ПЕРЕХІД ІОНІВ Fe2+ ІЗ ВИСОКО- В НИЗЬКОСПІНОВИЙ ЕЛЕКТРОННИЙ СТАН У СИДЕРИТІ: ОПТИКО-СПЕКТРОСКОПІЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ
УДК 549.08.53
https://doi.org/10.15407/mineraljournal.39.04.003
ВИСОКОБАРИЧНИЙ ПЕРЕХІД ІОНІВ Fe2+ ІЗ ВИСОКО- В НИЗЬКОСПІНОВИЙ ЕЛЕКТРОННИЙ СТАН У СИДЕРИТІ: ОПТИКО-СПЕКТРОСКОПІЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ
М.М. Таран 1, Я. Мюллер 2, А. Фрідріх 3, М. Кох-Мюллер 2
1 Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення ім. М.П. Семененка НАН України
03142, м. Київ, Україна, пр-т Акад. Палладіна, 34
Е-mail: m_taran@hotmail.com
2 Гельмгольц-Центр Потсдам,
Центр геологічних досліджень
14473, Телеграфенберг, м. Потсдам, Німеччина
Е-mail: jmueller@gfz-potsdam.de, mkoch@gfz-potsdam.de
3 Вюрцбурзький університет Юліуса Максиміліана,
Інститут неорганічної хімії
97074, м. Вюрцбург, Німеччина
Е-mail: alexandra.friedrich1@uni-wuerzburg.de
Мова: українська
Мінералогічний журнал 2017, 39 (4): 3-23
Анотація: Оптичні спектри сидериту в спектральному діапазоні 28500—10000 см–1 було виміряно за тиску до ~70 ГПа — діапазон, який включає відносно вузьку зону переходу іонів Fe2+ із високоспінового (ВС) в низькоспіновий (НС) електронний стан. За тиску до 44,5 ГПа в спектрах спостерігається широка дублетна смуга поглинання, зумовлена дозволеним за спіном електронним переходом 5T2g → 5Eg в октаедричних іонах Fe2+. Окрім того, в спектрі, виміряному за 27,6 ГПа, проявляється серія із восьми слабших за інтенсивністю вузьких заборонених за спіном смуг поглинання Fe2+. Останні поступово перекриваються інтенсивним короткохвильовим краєм поглинання, який зі збільшенням тиску швидко зміщується у бік менших енергій. З цієї причини баричну поведінку таких заборонених смуг важко відслідковувати в усьому вивченому діапазоні тисків. Порівняння енергії смуги 5T2g → 5Eg іонів Fe2+ з наявними рентгеноструктурними даними показало, що величина константи С у рівнянні , де — розщеплення кристалічним полем, а — середня відстань Fe—O у структурному октаедрі, залишається постійною в діапазоні тиску від 10–4 до 44,5 ГПа. Під час переходу іонів Fe2+ із ВС в НС електронний стан за тиску від 44,5 до 47,6 ГПа на тлі інтенсивного короткохвильового краю поглинання в спектрах з’являється нова широка смуга поглинання, віднесена до електронного дозволеного за спіном переходу 1A1g → 1T1g в октаедричних іонах Fe2+ в низькоспіновій конфігурації. За оптичними спектрами ми оцінили модуль октаедричного стискування октаедра FeО6 у ВС і НС конфігураціях як функцію тиску. У першому випадку, в діапазоні тиску від 10–4 до 44,4 ГПа, нелінійно зростає від 96 до ~700 ГПа. У процесі переходу в НС стан ця величина знижується до ~240 ГПа, а потім практично лінійно і відносно повільно зростає до 280 ГПа за Р = 65,5 ГПа — найбільшому значенні тиску, за якого в спектрах поглинання ще можна було розрізнити і оцінити енергію смуги 1A1g → 1T1g іона Fe2+ в НС стані. Цікавим спостереженням є те, що зі збільшенням тиску має місце суттєве зростання інтенсивності як дозволених, так і заборонених за спіном смуг поглинання іонів Fe2+ у ВС стані. Ми пояснюємо це тим, що відбувається "запозичування" інтенсивності від УФ смуг поглинання, дозволених правилом Лапорта і зумовлених електронними переходами з переносу заряду типу ліганд—метал .
Ключові слова: карбонати, високий тиск, оптична спектроскопія, спіновий перехід, сидерит.
Література:
1. Бальхаузен К. Введение в теорию поля лигандов. — М. : Мир, 1964. — 360 с.
2. Берсукер И.Б. Электронное строение и свойства координационных соединений: введение в теорию. — Л. : Химия, 1986. — 286 с.
3. Марфунин А.С. Введение в физику минералов. — М. : Недра, 1974. — 328 с.
4. Платонов А.Н., Таран М.Н., Польшин Э.В., Минько О.Е. О природе окраски железосодержащих бериллов // Изв. АН СССР. Сер геол. — 1979. — № 10. — С. 54—68.
5. Aguado F., Rodrýguez F., Núñez P. Pressure effects on NaMnF4: Structural correlations and Jahn-Teller effect from crystal-field spectroscopy // Phys. Rev. — 2003. — B 67, № 20. — Р. 205101.
6. Aguado F., Rodrýguez F., Núñez P. Pressure effects on the cooperative Jahn-Teller distortion in AMnF4 (A = Na, Tl) // High Pressure Research. — 2002. — 22, № 1. — С. 641—675.
7. Anthony J.W., Bideaux R.A., Bladh K.W., Nichols M.C. Handbook of Mineralogy. Vol. I. — Mineral Data Publishing, 1990, Tucson Arizona.
8. Armbruster Th., Libowitzky E., Diamond L., Auernhammer M., Bauerhansl P., Hoffmann Ch., Irran E., Kurka A., Rosenstingl H. Crystal chemistry and optics of bazzite from Furkabasistunnel (Switzerland) // Mineral. Petrol. — 1995. — 52, № 1. — P. 113—126.
9. Badro J., Fiquet G., Guyot F., Rueff J.P., Struzhkin V.V., Vanko G., Monaco G. Iron partitioning in Earth's mantle: toward a deep lower mantle discontinuity // Science. — 2003. — 300, № 5620. — P. 789—791.
10. Badro J., Rueff J.P., Vanko G., Monaco G., Fiquet G., Guyot F. Electronic transitions in perovskite: possible nonconvecting layers in the lower mantle // Science. — 2004. — 305, № 5682. — P. 383—386.
11. Bengtson A., Persson K., Morgan D. Ab initio study of the composition dependence of the pressure-induced spin crossover in perovskite (Mg1−xFex)SiO3 // Earth Planet. Sci. Lett. — 2008. — 265, № 3—4. — Р. 535—545.
12. Burns R.G. Mineralogical application of crystal field theory. Cambridge : Cambridge Univ. Press, 1993. — 550 p.
13. Cerantola V., McCammon C., Kupenko I., Kantor I., Marini C., Wilke M., Ismailova L., Solopova N., Chumakov A., Pascarelli S., Dubrovinsky L. High-pressure spectroscopic study of siderite (FeCO3) with a focus on spin crossover // Amer. Miner. — 2015. — 100, № 11—12. — P. 2670—2681.
14. Cohen R.E., Mazin I.I., Isaak D.G. Magnetic collapse in transition metal oxides at high pressure: implications for the Earth // Science. — 1997. — 275, № 5300. — Р. 654—657.
15. Drickamer H.G., Frank C.W. Electronic Transition and the High Pressure Chemistry and Physics of Solids. Chapman and Hall, London, 1973. — 220 p.
16. Effenberger H., Mereiter K., Zemann J. Crystal structure refinements of magnesite, calcite, rhodochrosite, siderite, smithonite and dolomite, with discussion of some aspects of the stereochemistry of calcite type carbonates // Z. Kristallogr. — 1981. — 156, № 3—4. — Р. 233—243.
17. Farfan G., Wang S., Ma H.,Caracas R., Mao W.L. Bonding and structural changes in siderite at high pressure // Amer. Miner. — 2012. — 97, № 8—9. — P. 1421—1426.
18. Friedrich A., Winkler B., Morgenroth W., Ruiz-Fuertes J., Koch-Müller M., Rhede D., Milman V. Pressure-induced spin collapse of octahedrally coordinated Fe3+ in Ca3Fe2[SiO4]3 from experiment and theory // Phys. Rev. — 2014. — B 90, № 9. — Р. 094105.
19. Fyfe W.S. The possibility of d-electron coupling in olivine at high pressure // Geochim. Cosmochim. Acta. — 1960. — 19, № 2. — Р. 141—143.
20. Goncharov A.F., Beck P., Struzhkin V.V., Haugen B.D., Jacobsen S.D. Thermal conductivity of lower-mantle minerals // Phys. Earth. Planet. Interiors. — 2009. — 174, № 1—4. — Р. 24—32.
21. Goncharov A.F., Haugen B.D., Struzhkin V.V., Beck P., Jacobsen S.D. Radiative conductivity in the Earth’s lower mantle // Nature. — 2008. — 456, № 7219. — P. 231—234. — DOI: https://doi.org/10.1038/nature07412.
22. Goncharov A.F., Struzhkin V.V., Jacobsen S.D. Reduced radiative conductivity of low-spin (Mg,Fe)O in the lower mantle // Science — 2006. — 312. — Р. 1205—1208.
23. Groat L.A., Rossman G.R., Dyar M.D., Turner D., Piccoli P.M.B., Schultz A.J., Ottolini L. Crystal chemistry of dark blue aquamarine from the True Blue showing, Yukon Territory, Canada // Canad. Miner. — 2010. — 48, № 3. — P. 597—613.
24. Gütlich P., Goodwin H.A. Spin crossover: An overall perspective // Top. Curr. Chem. — 2004. — 233. — Р. 1—47.
25. Hauser A. Ligand field theoretical consideration // Adv. Polym. Sci. — 2004. — 233. — P. 49—58.
26. van der Hilst R.D. Changing views on earth’s deep mantle // Science. — 2004. — 306, № 5697. — P. 817—818.
27. Hsu H., Huang Sh.-Ch. Spin crossover and hyperfine interactions of iron in (Mg, Fe)CO3 ferromagnesite // Phys. Rev. — 2016. — B 94, № 6. — Р. 06040.
28. Jackson J.M., Sturhahn W., Shen G.Y., Zhao J.Y., Hu M.Y., Errandonea D., Bass J.D., Fei Y.W. A synchrotron Mossbauer spectroscopy study of (Mg,Fe)SiO3 perovskite up to 120 GPa // Amer. Miner. — 2005. — 90, № 1. — P. 199—205.
29. Keppler H., Dubrovinsky L.S., Narygina O., Kantor I. Optical absorption and radiative thermal conductivity of silicate perovskite to 125 gigapascals // Science. — 2008. — 322, № 5907. — Р. 1529—1532.
30. Keppler H., Kantor I., Dubrovinsky L.S. Optical absorption spectra of ferropericlase to 84 GPa // Amer. Miner. — 2007. — 92, № 2—3. — Р. 433—436.
31. Keppler H., McCammon C.A., Rubie D.C. Crystal-field and charge-transfer spectra of (Mg,Fe)SiO3 perovskite // Amer. Miner. — 1994. — 79, № 11. — Р. 1215—1218.
32. Keppler H., Smyth R.J. Optical and near infrared spectra of ringwoodite to 21.5 GPa: Implications for radiative heat transport in the mantle // Amer. Miner. — 2005. — 90, № 7. — Р. 1209—1212.
33. Langer K. High pressure spectroscopy // Absorption Spectroscopy in Mineralogy / Monttana A., Burragato F. (eds). — Elsevier, 1990. — P. 228—284.
34. Langer K. UV to NIR spectra of silicate minerals obtained by microscope spectrometry and their use in mineral thermodynamics and kinetics // Physical Properties and Thermodynamic Behaviour of Minerals. NATO ASI Ser. — 1988. — 225. — P. 639—685.
35. Lavina B., Dera P., Downs R.T., Prakapenka V., Rivers M., Sutton S., Nicol M. Siderite at lower mantle conditions and the effects of the pressure-induced spin-pairing transition // Geophys. Res. Lett. — 2009. — 36, № 23. — Р. L23306.
36. Lavina B., Dera P., Downs R.T., Yang W., Sinogeikin S., Meng Y., Shen G., Schiferl D. Structure of siderite FeCO3 to 56 GPa and hysteresis of its spin pairing transition // Phys. Rev. — 2010. — B 82, № 6. — Р. 064110.
37. Li J., Struzhkin V.V., Mao H.K., Shu J.F., Hemley R.J., Fei Y.W., Mysen B., Dera P., Prakapenka V., Shen G.Y. Electronic spin state of iron in lower mantle perovskite // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. — 2004. — 101. — P. 14027—14030.
38. Li J., Sturhahn W., Jackson J.M., Struzhkin V.V., Lin J.F., Zhao J., Mao H.K., Shen G.Y. Pressure effect on the electronic structure of iron in (Mg, Fe)(Si, Al)O3 perovskite: a combined synchrotron Möossbauer and X-ray emission spectroscopy study up to 100 GPa // Phys. Chem. Mineral. — 2006. — 33. — P. 575—585.
39. Lin J.-F., Gavriliuk A.G., Struzhkin V.V., Jacobsen S.D., Sturhahn W., Hu M.Y., Chow P., Yoo C.-S. Pressure-induced electronic spin transition of iron in magnesiowustite-(Mg, Fe)O // Phys. Rev. — 2006. — B73, № 11. — P. 113107.
40. Lin J.-F., Liu J., Jacobs C., Prakapenka V.B. Vibrational and elastic properties of ferromagnesite across the electronic spin-pairing transition of iron // Amer. Miner. — 2012. — 97, № 4. — P. 583—591.
41. Lin J.-F., Struzhkin V.V., Jacobsen S.D., Hu M.Y., Chow P., Kung J., Liu H.Z., Mao H.K., Hemley R.J. Spin transition of iron in magnesiowustite in the Earth's lower mantle // Nature. — 2005. — 436, № 7049. — P. 377—380.
42. Lin J.-F., Tsuchiya T. Spin transition of iron in the Earth’s lower mantle // Phys. Earth Planet. Interiors. — 2008. — 170, № 3—4. — P. 248—259.
43. Lin J.-F., Vanko G., Jacobsen S.D., Iota V., Struzhkin V.V., Prakapenka V.B., Kuznetsov A., Yoo C.-S. Spin transition zone in Earth's lower mantle // Science. — 2007. — 317, № 7049. — P. 1740—1743.
44. Liu J., Lin J.-F., Mao Zh., Prakapenka V.B. Thermal equation of state and spin transition of magnesiosiderite at high pressure and temperature // Amer. Miner. — 2014. — 99, № 1. — Р. 84—93.
45. Lobanov S.S., Goncharov A.F., Litasov K.D. Optical properties of siderite (FeCO3) across the spin transition: Crossover to iron-rich carbonates in the lower mantle // Amer. Miner. — 2015. — 100, № 5—6. — Р. 1059—1064.
46. Lobanov S.S., Holtgrewe N., Goncharov A.F. Reduced radiative conductivity of low spin FeO6-octahedra in FeCO3 at high pressure and temperature // Earth Planet. Sci. Lett. — 2016. — 449. — Р. 20—25.
47. Mao H.K., Xu J., Bell P.M. Calibration of the ruby pressure gauge to 800 kbar under quasi-hydrostatic conditions // J. Geophys. Res. — 1986. — 91, № B5. — P. 4673—4676.
48. Morosin B. Structure and thermal expansion of beryl // Acta Cryst. — 1972. — B 28. — Р. 1899—1903.
49. Müller J., Efthimiopoulos I., Jahn S., Koch-Müller M. Effect of temperature on the pressure-induced spin transition in siderite and iron-bearing magnesite: a Raman spectroscopy study // Eur. Jour. Mineral. — 2017. — June 08. — DOI: https://doi.org/10.1127/ejm/2017/0029-2645
50. Nagai T., Ishido T., Seto Y., Nishio-Hamane D., Sata N., Fujino K. Pressure-induced spin transition in FeCO3-siderite studied by X-ray diffraction measurements // J. Physics: Conference Series. — 2010. — 215, № 1. — Р. 012002.
51. Nagy D.L., Dézci I., Gonser U. Mössbauer studies of FeCO3 (siderite) // N. Jb. Miner. Mh. — 1975. — № H3. — Р. 101—114.
52. Pasternak M.P., Taylor R.D., Jeanloz R., Li X., Nguyen J.H., McCammon C.A. High pressure collapse of magnetism in Fe0.94O: Mossbauer spectroscopy beyond 100 GPa // Phys. Rev. Lett. — 1997. — 79, № 25. — P. 5046—5049.
53. Ross N.L., Sowerby J.R. High pressure crystal field spectra of single-crystal clinoferrosilite // Eur. J. Miner. — 1999. — 11, № 5. — P. 791—801.
54. Rossman G.R. Optical Spectroscopy // Spectroscopic Methods in Mineralogy and Geology / Hawthorne F.C. (ed.), Reviews in Mineral. — 2014. — 78, № 1. — Р. 371—398.
55. Shankland T.J., Duba A.J., Woronow A. Pressure shifts of optical absorption bands in iron-bearing garnet, spinel, olivine, pyroxene and periclase // J. Geophys. Res. — 1974. — 79, № 23. — P. 3273—3282.
56. Slack G.A., Ham F.S., Chrenko R.M. Optical absorption of tetrahedral Fe2+ (3d6) in cubic ZnS, CdTe and MgAl2O4 // Phys. Rev. — 1966. — 152, № 1. — P. 367—402.
57. Taran M.N., Dyar D.M., Khomenko V.M., Boesenberg J.S. Optical absorption, Mössbauer and FTIR spectroscopic studies of two blue bazzites // Phys. Chem. Miner. — 2017. — 44, Iss. 8. — P. 497—507. — DOI: https://doi.org/10.1007/s00269-017-0877-2
58. Taran M.N., Koch-Mueller M., Langer K. Electronic absorption spectroscopy of natural (Fe2+, Fe3+)-bearing spinels of spinel s.s.-hercynite and gahnite-hercynite solid solutions at different temperatures and high-pressures // Phys. Chem. Miner. — 2005. — 32, № 3. — Р. 175—188.
59. Taran M.N., Langer K., Platonov A.N. Pressure- and temperature-effects on exchange-coupled-pair bands in electronic spectra of some oxygen-based iron-bearing minerals // Phys. Chem. Miner. — 1996. — 23. — P. 230—236.
60. Taran M.N., Müller J., Friedrich A., Koch-Müller M. High-pressure optical spectroscopy study of natural siderite // Phys. Chem. Miner. — 2017. — 44, Iss. 8. — P. 537—546. — DOI: https://doi.org/10.1007/s00269-017-0880-7
61. Taran M.N., Ohashi H., Koch-Müller M. Optical spectroscopic study of synthetic NaScSi2O6—CaNiSi2O6 pyroxenes at normal and high pressures // Phys. Chem. Miner. — 2008. — 35, № 3. — P. 117—127.
62. Taran M.N., Rossman G.R. Optical spectroscopic study of tuhualite and a re-examination of the beryl, cordierite and osumilite spectra // Amer. Miner. — 2001. — 86, № 9. — P. 973—980.
63. Urusov V.S. A geometric model of deviations from Vegard’s rule // J. Solid State Chem. — 1992. — 98, № 1. — P. 223—236.
64. Wildner M., Andrut M., Rudowicz Cz.Z. Optical absorption spectroscopy in geosciences: Pt I: Basic concepts of crystal field theory // EMU notes in Mineral. — 2004. — 6, Ch. 3. — Р. 93—144.