Химики исследуют особенности дегазации силикатных минералов

В лаборатории геохимии углерода им. Э. М. Галимова и лаборатории геохимии мантии Земли Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) изучены особенности дегазации основных силикатных минералов в интервале температур 200–1000 С. Мотивацией данного исследования послужил значительный интерес к лунным недрам после успехов китайских лунных миссий «Чанъэ».

Выяснилось, что Луна не всегда была безнадежно «сухой», в определенные моменты ее эволюции в ее мантии могли находится вода, газы и летучие соединения. Природа их происхождения до сих пор непонятна, и необходимы дополнительные исследования. Как первый шаг, в настоящей работе была изучена дегазация основных силикатных минералов (оливины, пироксены, плагиоклазы), слагающих мантийные породы, близкие по химическому составу лунным морским базальтам. Это позволит лучше оценить запасы ценных ресурсов (вода и летучие соединения) в лунном реголите, которые важны для функционирования и эксплуатации будущей лунной базы. Результаты опубликованы в журнале Solar System Research.

С целью изучения состава газов, связанных с происхождением и удержанием воды и летучих соединений в планетных недрах, в ГЕОХИ РАН создана экспериментальная установка для дегазации минералов при высоких температурах. В ней используется прокаливание небольшого объема вещества в реакторе из цельного кварцевого стекла в инертной атмосфере гелия, который также используется в подключенном газовом хроматографе. Закрытая система продувается гелием до исчезновения следов атмосферных газов, что проверялось периодическим отбором газов через шприц с помощью хроматографа и занимало около двух часов. Анализ состава газов происходил на газовом хроматографе «Кристаллюкс-4000М», который позволяет определять содержание веществ с точностью до миллионных долей (ppm) при установленной градуировке прибора.

Для определения собственной летучести кислорода минералов глубинного происхождения использовалась высокотемпературная установка с двумя твердыми электролитами (на основе окиси циркония, стабилизированной окисью иттрия), созданная в ГЕОХИ РАН Еленой Жарковой под руководством профессоров Арнольда Кадика и Олега Луканина. «Эта установка имеет возможность не только оценить поведение летучести кислорода в различном интервале температур, но и по калибровочной величине электродвижущей силы (ЭДС) также достаточно точно прямо измерить ее абсолютную величину. Предварительный химический анализ минералов был проведен на электронном микрозонде Cameca SX100. Использовались ток величиной 10 мА и напряжение 15 кЭв»,— прокомментировал старший научный сотрудник лаборатории геохимии углерода им. Э. М. Галимова ГЕОХИ РАН, кандидат физико-математических наук Сергей Воропаев.

В статье представлены результаты экспериментальных исследований по ступенчатому нагреву (без накопления) с определением состава выделяемых газов методами газовой хроматографии в интервале температур от 200 до 1000 °С. Проведено сравнение состава выделяемых газов с фугитивностью кислорода в оливинах. Получены КР- и ИК-спектры как исходных минералов, так и минералов после изотермического отжига при различных температурах. На их основе прослежен ход теплового преобразования кристаллической структуры минералов и получены оценки их устойчивости. Проведено сравнение составов силикатных минералов с образцами лунного грунта, доставленного космической миссией КНР Chang’e-5.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Сергей Воропаев, Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что такое дегазация в минералогии и зачем она нужна?

— Газы и жидкости из родительского силикатного расплава (магмы), в котором кристаллизуются минералы, могут сохраняться в их структуре. Это могут быть пузырьки газожидкостных включений или рассеянные молекулы. При нагреве решетка минерала начинает деформироваться, и газы выходят наружу, причем начиная только с определенной температуры. Определяя химический и изотопный состав выделяющихся газов можно понять, сколько их было в магме и какие были условия кристаллизации.

— Как именно изучение дегазации земных минералов поможет ученым выяснить состав мантии Луны?

— Есть обоснованные предположения, что Земля и Луна произошли из единого источника вещества. Это показывает, например, изотопный состав лунных пород, доставленных миссиями «Луна-16–24» и «Аполлонами».

После формирования Луны как планеты у нее началась собственная история эволюции: она быстрее остыла, покрылась толстой корой и у нее не было тектоники плит, как у Земли. Соответственно, типичные земные силикатные минералы (оливины, пироксены, плагиоклазы) оказались в иных, нежели на Земле, условиях. Понимая в деталях их поведение и свойства на Земле, можно оценить их возможное поведение на Луне.

— Изучение дегазации — это только первый шаг в исследованиях. Какие будут следующие шаги?

— Важен не только количественный состав выделяющихся газов, но и их соотношение. Пропорции таких газов, как CO, CO2 и H2, СH4 (отдельная тема — N2, H2S), определяют окислительно-восстановительные (ОВ) условия в мантии Луны. Это важная геохимическая величина, от которой многое зависит — например, количество воды, сохраненное в лунном реголите. Экспериментальное и теоретическое исследование ОВ недр Луны с помощью лунных метеоритов и пород, доставленных миссиями Chang’e (КНР) и будущими миссиями «Луна-26–28», является следующим важным этапом.

— Как результаты экспериментальных исследований могут помочь в оценке запасов ценных ресурсов в лунном реголите? Почему эти запасы важны для функционирования будущей лунной базы?

— ОВ недр Луны определяют не только состав газов и количество воды в лунном реголите, но и формы нахождения ценных редких металлов. В зависимости от ОВ они могут находиться либо в виде оксидов, либо в самородном виде. От этого будет зависеть трудоемкость их добычи, переработки и применения.

Для долговременного функционирования лунной базы потребуются вода, азот, кислород и жизненно необходимые микроэлементы для систем гидропоники. Возможность и формы их нахождения в лунном реголите необходимо исследовать уже сейчас.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки
Внешний вид установки дегазации ГЕОХИ РАН.