Лаборатория кристаллохимии минералов имени академика Н.В. Белова

Традиционным направлением деятельности Лаборатории является развитие методов анализа структуры и состава минералов и синтетических соединений – рентгеновской дифракции и электронной микроскопии. Лаборатория оснащена рентгеновским дифрактометром AXRD, сканирующими электронными микроскопами JSM-5610-LV и JSM-IT500.

В настоящее время основными направлениями научной деятельности Лаборатории являются исследования структурно-химических характеристик, морфологических особенностей рудных минералов:

• сульфидов железа, меди, никеля и др.;
• минералов платиновой группы и благородных металлов;
• минералов урановых руд, минералов-матриц для РАО;
• глинистых и слоистых минералов.

Применение комплекса методов рентгеновской дифракции и электронной микроскопии для анализа минерального вещества позволяет проводить исследования взаимосвязи между составом и структурой минерала, а также условиями его образования; механизмов роста и преобразования минералов; определения полиморфных и политипных разновидностей минералов; структур распада твердых растворов; явлений порядка-беспорядка; изучение наноминералов и микро- и нановключений; диагностики состава сложных минеральных смесей, химической, фазовой и структурной неоднородности отдельных кристаллов.

В последнее десятилетие активно развиваются исследования в области кристаллохимии соединений платиновой группы (ЭПГ). Основная цель исследований – выявление закономерностей в кристаллическом строении минералов платиноидов, обусловленных природой слагающих его химических элементов, и, также физико-химическими условиями образования. Это дает возможность решать обратную задачу – по характерным кристаллохимическим чертам минерала судить о его генезисе. Знание кристаллических структур минералов платиновой группы необходимо для оценки запасов месторождений, а также для развития методик и технологий разделения минералов и обогащения руд.

Постоянная работа над решением кристаллических структур пополняет «банк» данных о кристаллохимических характеристиках минералов платиноидов. Следует отметить, что минералы платиноидов – объекты сложные для выполнения структурных работ, так как часто представлены в малых и ультрамалых количествах, образуют срастания друг с другом и другими минералами. Недаром эта область кристаллохимии получила бурное развитие только в последнее десятилетие благодаря развитию техники дифракционного эксперимента.

Благодаря проводимой в нашей лаборатории систематической работе по выполнению рентгеноструктурных исследований с использованием монокристальной дифракции растет число структурно изученных минералов ЭПГ. В качестве примеров можно привести работы по решению структур минералов: изомертиита, Pd11As2Sb2, торнрусита, Pd11As2Те2, стилватерита, Pd8As3, арcенопалладинита, Pd8As2.5Sb0.5, мертиита, Pd8Sb2.5As0.5, нипаларсита, Ni8Pd3As4.

Полученные в результате структурных расшифровок данные позволяют проводить кристаллохимический анализ и выявлять закономерности в строении минералов платиноидов. Так, впервые описан тетраэдрический каркас в кристаллических структурах минералов семейства Pd11As2L2 (L=Sb, Te, Bi). Изучено явление морфотропии – закономерного изменения структуры в зависимости от содержания As/Sb в группе соединений состава Pd8T3 (T=As, Sb): минералы стилватерит Pd8As3 – арcенопалладинит Pd8As2.5Sb0.5 – мертиит Pd8Sb2.5As0.5 – синтетическая фаза Pd8Sb3. Структуры соединений данной группы являются политипными: они образованы слоями атомов одинаковой топологии, и различаются количеством слоев в элементарной ячейке и последовательностью их чередования.

Слои из атомов мышьяка и сурьмы в структурах минералов с общей формулой Pd8T3 (T=As, Sb).

Очень важная часть исследований заключается в проведении экспериментов по синтезу аналогов минералов в заданных условиях: температура, давление, химических состав среды кристаллизации. Экспериментальное моделирование условий образования пополняет данные о фазовых диаграммах состояния систем с металлами – важными рудными компонентами, и также дает возможность проведения структурных исследований на искусственных аналогах минералов, в случаях, когда кристаллы природного происхождения с размерами и качеством, необходимым для дифракционных экспериментов, не доступны. Для выполнения этой задачи в Лаборатории развивается направление синтеза аналогов минералов.

В Лаборатории проводятся исследования устойчивости минералов в условиях высоких температур. С помощью in situ высокотемпературных экспериментов (высокотемпературная рентгеновская дифракция, дифференциально-термический анализ, термогравиметрический анализ) изучаются процессы преобразований соединений ЭПГ под воздействием высоких температур в разных окислительно-восстановительных условиях. При этом изучаются явления полиморфизма и фазовые переходы, процессы восстановления, окисления и др., оцениваются температурные поля устойчивости минеральных фаз. Так, показано, что под воздействием высоких температур в инертной атмосфере и в вакууме в структурах висмутидов платины и палладия наблюдаются фазовые полиморфные переходы. Тогда как в окислительной атмосфере происходит окислительный отжиг этих соединений с образованием тонкодисперсной смеси оксидов. Информация, получаемая в результате высокотемпературных экспериментов, вносит вклад в знания об условиях генезиса минералов и пород, а также процессов преобразования минерального вещества.

Изучение преобразований инсизваита, PtBi2, при высоких температурах на воздухе: а) зафиксированные термическим анализом (ДТА+ТГ) два экзотермических пика и прирост массы образца свидетельствует о процессе окисления; б) высокотемпературная рентгеновская дифракция показывает последовательность образования фаз, в) электронно-зондовая микроскопия определяет состав конечных продуктов.

Методом сканирующей электронной микроскопии проводятся исследования химической неоднородности минералов, морфологии кристаллов, минерального состава урановых руд и минералоподобных керамик для иммобилизации РАО. Для поиска и локализации микропримесей металлов в минералах применяется построение профилей и карт распределения элементов в образце. В Лаборатории проводится внедрение нового метода - дифракции обратно-рассеянных электронов (EBSD) - который позволяет выполнять фазовый минеральный анализ и строить карты распределения элементов одновременно с картами распределения минеральных фаз.

Исследование химического элементного и фазового минерального состава зерен с применением дифракции обратно-рассеянных электронов (CEM+EBSD): а) изображение зерна Pd(Bi,Sb) в обратно-рассеянных электронах; б) профиль изменения соотношения Bi/Sb; в) EBSD картирование зерна TiS3.

В Лаборатории выполняются исследования структур новых минералов. В период 1998-2023 гг. сотрудники Лаборатории принимали участие в описании 26 новых минералов. В их числе названные в честь сотрудников Лаборатории: Б.Б. Звягина, Н.И. Органовой, В.С. Урусова: звягенит, органоваит, урусовит. Продолжаются традиции изучения и описания тонкодисперсных минералов. В 2014 г. на основе низкотемпературных (100 K) экспериментальных данных, полученных на синхротроне, решена кристаллическая  структура нового минерала арангасита из месторождения Аляскитового (Восточная Якутия, Россия), представленного в виде микроволокнистого агрегата (размер кристаллов 1х2х10 мкм). В 2019 году решена кристаллическая структура нового минерала новограбленовита, (NH4,K)MgCl3•6H2O. Минерал отличается нестабильностью и малым размером кристаллов, для его исследования были получены низкотемпературные данные на дифрактометре с микрофокусной трубкой.

Изучение нового минерала новограбленовита, (NH4,K)MgCl3•6H2O, найденного в базальтовых лавах вулкана Плоский Толбачик, Камчатка, Россия (фотографии лавовых потоков Округина В.М.).