Ридмерджнерит и стиллуэллит-(Ce) из щелочного массива Дара-й-Пиоз: к вопросу о высокотемпературном поведении боросиликатов

Объект исследования. Ридмерджнерит и стиллуэллит-(Ce) из пород щелочного массива Дара-й-Пиоз в Таджикистане, расположенного на южном склоне Алайского хребта и характеризующегося присутствием редких минеральных видов – боросиликатов и литиевых минералов. Цель исследования. Изучение термического поведения ридмерджнерита и стиллуэллита-(Ce) методом высокотемпературной рентгенографии, определение для них температур фазовых переходов и расширения/сжатия параметров элементарной ячейки кристаллической структуры, а также расчет коэффициентов термического расширения. Сопоставление результатов с ранее опубликованными данными. Материалы и методы. Химический анализ проведен с использованием микроскопа TESCAN MIRA 3 (режим EDS) и электронно-зондового микроанализатора JEOL JXA-8230 (режим WDS). Данные высокотемпературной порошковой рентгеновской дифракции получены на дифрактометре D8 ADVANCE Bruker с использованием нагревательной камеры HTK16 в пределах температур от 30 до 750°С на воздухе. Результаты. Найдены значения коэффициентов теплового расширения для ридмерджнерита и стиллуэллита-(Ce). При нагревании ридмерджнерита наблюдаются незначительные изменения параметров элементарной ячейки, при этом наименьшее расширение происходит вдоль оси с, а наибольшее – вдоль оси а. Объем элементарной ячейки при нагревании до 750°C увеличивается на 1.8%, а при охлаждении – возвращается к начальному значению. При нагревании стиллуэллита-(Ce) в интервале температур 400–450°C происходит фазовый переход, что подтверждают ранее зафиксированные значения температур. В результате эксперимента по нагреванию и последующему охлаждению образца значение объема и параметры элементарной ячейки не возвращаются к исходным значениям. Выводы. Изучены коэффициенты тензоров теплового расширения (α_ij) ридмерджнерита и стиллуэллита-(Ce) в зависимости от температуры с использованием высокотемпературных in situ экспериментов. Фазы обладают относительно низкими значениями параметров теплового расширения в сравнении с общими данными по полевым шпатам и боросиликатам, имеющимися в литературе. Полученные данные могут внести вклад в понимание термоупругого поведения данной группы минералов и их потенциальное применение в различных областях.

1. Дусматов В.Д., Ефимов А.Ф., Семенов Е.И. (1963) Первые находки стиллвеллита в СССР. Докл. Акад. наук СССР, 153(4), 913-915.

2. Дусматов В.Д., Попова H.A., Кабанова Л.К. (1967) О первой находке ридмерджнерита в СССР. Докл. Акад. наук Тадж. ССР, 10(10), 51-53.

3. Кржижановская М.Г., Бубнова Р.С., Филатов С.К. (2014) Кристаллография и высокотемпературная кристаллохимия безводных боросиликатов щелочных и щелочноземельных металлов. Журн. структурн. химии, 55, S163-S177.

4. Файзиев А.Р. (2016) Сравнительная минералогическая характеристика щелочных массивов Дункельдык и Драи-Пиёз (Таджикистан). Зап. Рос. минералог. обва, 145(2), 20-29.

5. Хомяков А.П., Прощенко Е.Г. (1974) Находка стилвеллита в щелочных пегматитах Сыннырского массива. Новые данные о минералах CCCP, 23, 229-230.

6. Хомяков А.П., Рогачев Д.Л. (1991) Сирлезит и ридмерджнерит из Ловозерского щелочного массива. Изв. Акад. наук СССР. Сер. геол., (11), 149-152.

7. Angel R.J., Ross N.L., Zhao J., Sochalski-Kolbus L., Krüger H., Schmidt B.C. (2013) Structural controls on the anisotropy of tetrahedral frameworks: the example of monoclinic feldspars. Europ. J. Miner., 25(4), 597-614.

8. Appleman D.E., Clark J.R. (1965) Crystal structure of reedmergnerite, a boron albite, and its relation to feldspar crystal chemistry. Amer. Miner.: J. Earth Planet. Mat., 50(11-12), 1827-1850.

9. Belokoneva E.L., David W.I.F., Forsyth J.B., Knight K.S. (1997) Structural aspects of the 530°C phase transition in LaBGeO5. J. Phys.: Condens. Matter, 9, 3503-3519.

10. Belokoneva E.L., David W.I.F., Forsyth J.B., Knight K.S. (1998) Structures and phase transitions of PrBGeO5 in the temperature range 20–800°C. J. Phys.: Condens. Matter, 10, 9975-9989.

11. Belokoneva E.L., Shuvaeva V.A., Antipin M.Yu., Leonyuk N.I. (1996) Crystal structure of a high-temperature modification of LaBSiO5, a synthetic analog of stillwellite. Zhurnal Neorganicheskoi Khimii, 4, 1097-1101.

12. Brow R.K., Schmitt M.L. (2009) A survey of energy and environmental applications of glass. J. Europ. Ceram. Soc., 29(7), 1193-1201.

13. Brown I.D. (1981) The bond-valence method: an empirical approach to chemical structure and bonding. Structure and Bonding in Crystals II. (Еds M. O’Keeffe, A. Navrotsky). N. Y.: Academic Press, 356 p.

14. Bruker AXS. (2008) Topas V4: General profile and structure analysis software for powder diffraction data. – User’s Manual, Bruker AXS, Karlsruhe, Germany. 72 p.

15. Burns P.C., Hawthorne F.C., MacDonald D.J., della Ventura G., Parodi G.C. (1993) The crystal structure of stillwellite. Canad. Miner., 31(1), 147-152.

16. Clark J.R., Appleman D.E. (1960) Crystal structure refinement of reedmergnerite, the boron analog of albite. Science, 132(3442), 1837-1838.

17. Derkacheva E.S., Krzhizhanovskaya M.G., Bubnova R.S. (2017) Thermal behavior of reedmergnerite NaBSi3O8 and searlesite NaBSi2O5(OH)2. Glass Phys. Chem., 43(5), 459-463.

18. Downs R.T., Yang H., Hazen R.M., Finger L.W., Prewitt C.T. (1999) Compressibility mechanisms of alkali feldspars: New data from reedmergnerite. Amer. Miner., 84(3), 333-340.

19. Fleet M.E. (1992) Tetrahedral-site occupancies in reedmergnerite and synthetic boron albite (NaBSi3O8). Amer. Miner., 77, 76-84.

20. Gatta G.D. (2010) Extreme deformation mechanisms in open-framework silicates at high-pressure: evidence of anomalous inter-tetrahedral angles. Micropor. Mesopor. Mater., 128(1-3), 78-84.

21. Grew E.S., Belakovskiy D.I., Fleet M.E., Yates M.G., McGee J.J., Marquez N. (1993) Reedmergnerite and associated minerals from peralkaline pegmatite, Dara-i-Pioz, southern Tien Shan, Tajikistan. Europ. J. Miner., 5, 971-984.

22. Hackwell T.P., Angel R.J. (1992) The comparative compressibility of reedmergnerite, danburite and their aluminium analogues. Europ. J. Mineral., 4(6), 1221-1227.

23. Hawthorne F.C., Burns P.C., Grice J.D. (1996) The crystal chemistry of boron. Rev. Miner. Geochem., 33(1), 41-115.

24. Juwhari H.K., White W.B. (2010) Luminescence of rare earth borosilicates with the stillwellite and related structures. Mater. Lett., 64(15), 1751-1754.

25. Karthikeyani A., Sathriya N., Anbukumaran K. (2020) Photo luminescence studies of stillwellite type Eu3+, Ho3+, Er3+ co-doped lanthanum borosilicate up conversion luminescent materials for solar energy applications. Mater. Today: Proceed., 23, 123-130.

26. Krzhizhanovskaya M.G., Kopylova Y.O., Obozova E.D., Zalesskii V.G., Lushnikov S.G., Gorelova L.A., Shilovskikh V.V., Ugolkov V.L., Britvin S.N., Pekov I.V. (2023) Thermal evolution of stillwellite, CeBSiO5, a natural prototype for a family of NLO-active materials. J. Solid Statе Chem., 318, 123786.

27. Krzhizhanovskaya M.G., Vereshchagin O.S., Kopylova Yu.O., Gorelova L.A., Pankin D.V., Yukhno V.A., Vlasenko N.S., Bocharov V.M., Britvin S.N. (2024) The structural origin and boundaries of thermal transitions in stillwellite-type LnBSiO5. Optic. Mater., 147, 114651.

28. Langreiter T., Kahlenberg V. (2015) TEV –a program for the determination of the thermal expansion tensor from diffraction data. Crystals, 5, 143-153.

29. Levinson A.A. (1966) A system of nomenclature for rare-earth minerals. Amer. Miner., 51, 152-158.

30. Lotarev S.V., Lipatiev A.S., Lipateva T.O., Fedotov S.S., Naumov A.S., Moiseev I.A., Sigaev V.N. (2019) Ultra-fast-laser vitrification of laser-written crystalline tracks in oxide glasses. J. Non-Cryst. Solids, 516, 1-8.

31. Lv P., Wang C., Stevensson B., Yu Y., Wang T., Edén M. (2022) Impact of the cation field strength on physical properties and structures of alkali and alkaline-earth borosilicate glasses. Ceram. Int., 48(13), 18094-18107.

32. McAndrew J., Scott T.R. (1955) Stillwellite, a new rare-earth mineral from Queensland. Nature, 176, 509-510.

33. Milton C., Axelrod J.M., Grimaldi F.S. (1955) New minerals, reedmergnerite (Na2O·B2O3·6SiO2) and eitelite (Na2O·MgO·2CO2) associated with leucosphenite, shortite, searlesite, and crocidolite in the Green River formation, Utah. Amer. Miner., 40, 326-327.

34. Milton C., Chao E.C.T., Axelrod J.M., Grimaldi F.S. (1960) Reedmergnerite, NaBSi3O8, the boron analogue of albite, from the Green River formation, Utah. Amer. Miner., 45, 188-199.

35. Neumann H., Bergstol S., Nilssen B. (1966) Stillwellite in the Langesundfjord nepheline syenite pegmatite dykes. Norsk Geologisk Tidsskrift, 46, 327-334.

36. Rahaman M.N., Day D.E., Bal B.S., Fu Q., Jung S.B., Bonewald L.F., Tomsia A.P. (2011) Bioactive glass in tissue engineering. Acta Biomaterialia, 7(6), 2355-2373.

37. Shannon R.D. (1976) Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides. Acta Cryst., A32, 751-767.

38. Tostanoski N.J., Möncke D., Youngman R., Sundaram S.K. (2022) Structure‐terahertz property relationship in sodium borosilicate glasses. Int. J. Appl. Glass Sci., 14(2), 288-306.

39. Voronkov A.A., Pyatenko Y.A. (1967) X-ray diffraction study of the atomic structure of stillwellite CeBO[SiO4]. Sov. Phys. Cryst., 12, 258-265.

40. Zhang Z., Yuan X., Wang M., Zhou C., Tang Y., Chen X., Lin M., Cheng D. (2018) Alkaline-lacustrine deposition and paleoenvironmental evolution in Permian Fengcheng Formation at the Mahu sag, Junggar Basin, NW China. Petrol. Explor. Dev., 45, 1036-1049.

41. Zhu S., Qin Y., Liu X., Wei C., Zhu X., Zhang W. (2017) Origin of dolomitic rocks in the lower Permian Fengcheng formation, Junggar Basin, China: evidence from petrology and geochemistry. Miner. Petrol., 111, 267-282.