Диссертация: Кристаллохимия природных слоистых двойных гидроксидов

Актуальность темы
Слоистые двойные гидроксиды (СДГ) являются активно исследуемым в настоящее время классом материалов, что связано с их уникальными физико-химическими свойствами, обусловленными особенностями кристаллической структуры. Её основу составляют положительно заряженные октаэдрические слои бруситового типа, между которыми располагаются молекулы воды и дополнительные анионы (карбонат-, гидроксид-, сульфат-, фосфат-, хлорид-ионы и т.д.). В связи с тем, что октаэдрические слои имеют положительный заряд, слоистые двойные гидроксиды являются редким случаем анионных обменников. Они широко используются для селективного извлечения анионов из раствора, создания катализаторов, абсорбции тяжёлых металлов и органических соединений, в фото- и электрохимии и фармацевтике.
Интерес к природным слоистым двойным гидроксидам обусловлен недостаточной изученностью данного класса минералов в структурном плане. В промышленных целях используются искусственные слоистые двойные гидроксиды, представленные тонкодисперсными порошками, что затрудняет детальное исследование кристаллической структуры. Природные слоистые двойные гидроксиды достаточно редки и еще реже образуют достаточные по размеру и качеству кристаллы для проведения структурных исследований. Ковдорский щелочно-ультраосновной комплекс (Кольский п-ов, Россия) является уникальным местом находки природных слоистых двойных гидроксидов, поскольку ковдорский квинтинит, которому посвящена основная часть работы, образует кристаллы, разнообразные по размеру, цвету, формам выделения и габитусу. Помимо ковдорского квинтинита, в работе изучены образцы квинтинита, гидроталькита и пироаурита из различных российских и зарубежных месторождений.
Высокая кристалличность природных образцов в сравнении с синтетическими слоистыми двойными гидроксидами позволила исследовать их с помощью комплекса методов: ИК-спектроскопии, электронно-зондового микроанализа, порошковой рентгеновской дифракции, а самое главное - современными методами рентгеноструктурного анализа с использованием высокоэффективных плоских детекторов рентгеновского излучения (ССD, Image Plate). Это дало возможность детального изучения кристаллической структуры, в частности, политипии, катионного упорядочения, образования сверхструктур, что значительно расширяет общее представление о кристаллохимии этого класса соединений.
Цели и задачи работы
Целью настоящей работы являлось кристаллохимическое исследование квинтинита, гидроталькита и пироаурита из месторождений России и зарубежных стран с целью изучения их минералогической принадлежности, особенностей политипии и внутреннего строения.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1) детальный просмотр и микроскопическое изучение минералогического материала;
2) рентгеноструктурный анализ образцов методом дифракции рентгеновских лучей на моно- и поликристаллах;
3) изучение химического состава минералов методами электронно-микрозондового анализа и ИК-спектроскопии;
4) анализ и обобщение полученного фактического материала.
Объекты и методы исследования
Объекты: квинтинит из Ковдорского ультраосновного комплекса (Кольский п-ов, Россия), Баженовского хризотил-асбестового месторождения (Средний Урал, Россия), Мариинского/Малышевского изумрудного месторождения (Средний Урал, Россия), Рудногорского железорудного месторождения (Восточная Сибирь, к СВ от Нижне-Илимска, Россия), карьера Цальберг (Бавария, Германия), шахты Франклин (Нью Джерси, США), Якупирангских шахт (Сан-Пауло, Бразилия), Таёжного железорудного месторождения (центральная часть Алданского щита, Россия); гидроталькита из типового месторождения Снарум (Норвегия), Зеленцовской и Прасковье-Евгеньевской копи (Южный Урал, Россия), Талнахского месторождения полиметаллических руд (близ Норильска, Средняя Сибирь, Россия), из месторождения Сомервиль (округ Сент-Лоренс, Нью-Йорк, США) и пироаурита из типового Fe-Mn месторождения Лонгбан (Вермланд, Швеция), провинции Венето (Италия).
Методы: рентгеноструктурный анализ, порошковая рентгенография, электронно-зондовый микроанализ, ИК-спектроскопия. Исследования проводились на кафедре кристаллографии, в ресурсных центрах СПбГУ: «Рентгенодифракционные методы исследования» и «Геомодель», а также в Геологическом институте и Центре Наноматериаловедения (ЦНМ) Кольского Научного центра (КНЦ) РАН.
Научная новизна
1) Проведена идентификация ряда природных слоистых двойных гидроксидов из различных месторождений, однозначно определена их минералогическая принадлежность.
2) Кристаллохимическое исследование квинтинита выявило наличие пяти политипов минерала: 2T-3с[6R], 3R, 1М, 2Н, 2T, три из которых: 2T-3с[6R], 1М, 2Н, ранее не были описаны, а два других: 3R, 2T, близки к ранее известным (Allmann and Jepsen, 1969; Аракчеева и др., 1996).
3) На основании полученных результатов сделаны выводы касательно генезиса и условий роста различных политипов квинтинита.
4) Кристаллохимическое исследование гидроталькита выявило две политипные модификации: 3R и 2H, для пироаурита был обнаружен только 3R политип.
5) Разработан способ рентгеновской идентификации карбонатных минералов группы гидроталькита и квинтинита на основе межслоевых расстояний (d). Показано отличие карбонатных членов группы гидроталькита от таковых представителей группы квинтинита по данным ИК-спектроскопии.