Введение

Тип минерала

Магнезит — это минерал с химической формулой (карбонат магния). Железо, марганец, кобальт и никель могут присутствовать в виде примесей, но лишь в небольших количествах.

Возникновение

Магнезит встречается в виде жил и как продукт изменения ультрамафических пород, серпентинита и других магнийсодержащих пород как в контактных, так и в региональных метаморфических условиях. Эти магнезиты часто скрытокристаллические и содержат кремнезем в форме опала или херта. Магнезит также присутствует в реголите над ультрамафическими породами в виде вторичного карбоната в почве и подпочве, где он отлагается в результате растворения минералов, содержащих магний, под воздействием углекислого газа в грунтовых водах.

Изотопная структура: сгущенный изотоп

Недавним достижением в области геохимии стабильных изотопов является изучение изотопного состава минералов и молекул. Это требует изучения молекул с высоким разрешением, с анализом схемы связывания (как тяжелые изотопы связаны между собой), что позволяет понять стабильность молекулы в зависимости от ее изотопного состава. Кислород имеет три стабильных изотопа (16O, 17O и 18O), а углерод – два (13C, 12C). Молекулу 12C16O2 (состоящую только из наиболее распространенных изотопов составляющих элементов) называют «моноизотопным» видом. Если только один атом заменен тяжелым изотопом любого из составляющих элементов (например, 13C16O2), то это «однократно замещенный» вид. Соответственно, когда два атома одновременно заменяются более тяжелыми изотопами (например, 13C16O18O), это называется «двойным замещением». «Скластеризованный» вид (13C16O18O) для CO2 представляет собой молекулу CO2 с двойным замещением. Изотопно замещенные молекулы имеют большую массу. Как следствие, молекулярные колебания уменьшаются, и молекула приобретает более низкую энергию нулевой точки (см. Кинетический изотопный эффект). Содержание определенных связей в определенных молекулах чувствительно к температуре их образования (например, содержание 13C16O18O в карбонатах в виде связи 13C-18O). Эта информация была использована для создания основы кластерной изотопной геохимии. Кластерные изотопные термометры разработаны для карбонатных минералов, таких как доломит, кальцит, сидерит и т.д., а также для некарбонатных соединений, таких как метан и кислород. В зависимости от прочности связей катион-карбонат-кислород (например, Mg-O, Ca-O), различные карбонатные минералы могут по-разному формировать или сохранять кластерные изотопные сигнатуры.

Измерения и отчетность

У кластерного изотопного анализа есть определенные особенности. К ним относятся:

Переваривание, анализ и коррекция кислотной фракционирования

Сгущенный изотопный анализ обычно проводится с помощью газового источника масс-спектрометрии, где CO2, выделяемый из магнезита при разложении фосфорной кислотой, подается в изотопный масс-спектрометр с отношением масс. В этом случае необходимо обеспечить полноту выделения CO2 из магнезита. Разложение магнезита – сложный процесс, требующий значительного времени, и разные лаборатории сообщают о различных параметрах разложения (от 12 часов при 100 °C до 1 часа при 90 °C в фосфорной кислоте). Вследствие разложения при такой высокой температуре, часть связей 13C-18O в выделяемом CO2 разрушается (что приводит к снижению концентрации "сгущенного" CO2) в процессе разложения карбонатов фосфорной кислотой. Для учета этого дополнительного (аналитического артефакта) к значению сгущенного изотопа магнезита, полученному при температуре разложения, добавляется коррекция, называемая "коррекцией на кислотное фракционирование". Поскольку CO2 выделяется из карбонатного минерала в процессе кислотного разложения, оставляя один атом кислорода, происходит фракционирование, и изотопный состав анализируемого газа CO2 должен быть скорректирован с учетом этого. Для магнезита наиболее надежным уравнением для фактора фракционирования (α) является: 103ln(α) = [(6.845 ± 0.475)∗105/T2] + (4.22 ± 0.08); T в K. Различные исследователи также использовали другие факторы фракционирования, например, фактор фракционирования доломита.

Стандарты

При измерении образцов неизвестного состава необходимо проводить измерения стандартных материалов (см. Референтные материалы для анализа стабильных изотопов). Аналитические сеансы регулярно контролируются с использованием внутренних стандартов и стандартных материалов. Основными стандартными материалами являются кальцит и мрамор.

Δ47 Калибровка температуры

Для преобразования данных о сгущенных изотопах в температуру необходима калибровочная кривая, выражающая функциональную зависимость изотопного состава сгущенных изотопов от температуры. Специальной калибровки для магнезита не существует. Согласно некоторым экспериментальным данным, изменение pH осаждающей жидкости влияет на пул DIC и, как следствие, на изотопный состав осаждающегося карбоната.

Минеральная структура и последующие термические эффекты

Кристаллические и криптокристаллические магнезиты имеют существенно различные минеральные структуры. В то время как кристаллический магнезит обладает хорошо развитой кристаллической структурой, криптокристаллический магнезит преимущественно аморфен и представляет собой агрегат из мелких зерен. Поскольку изотопный состав, определяемый по кластерам, зависит от конкретных типов связей, различие в кристаллической структуре, вероятно, повлияет на способ записи изотопных сигналов в этих различных структурах. Это означает, что их исходные сигнатуры могут по-разному изменяться под воздействием последующих термических событий, таких как диагенез или нагрев при захоронении и т.п.

Информация из изотопной структуры

Сгущенные изотопы использовались для интерпретации условий образования магнезита и изотопного состава осаждающей жидкости. В пределах ультрамафических комплексов магнезиты встречаются в венах и штокверках в криптокристаллической форме, а также в составе карбонатизированных перидотитовых массивов в кристаллической форме. Эти криптокристаллические формы, как правило, подвержены переменному выветриванию и характеризуются низкой температурой образования. С другой стороны, крупнокристаллические магнезиты указывают на очень высокую температуру, свидетельствующую о гидротермальном происхождении. Предполагается, что крупнокристаллические высокотемпературные магнезиты формируются из флюидов мантийного происхождения, в то время как криптокристаллические осаждаются циркулирующими метеорными водами, поглощая углерод из растворенного неорганического углерода, почвенного углерода и испытывая влияние неравновесных изотопных эффектов. Магнезиты, образующиеся в озерах и засоленных равнинах, обычно обогащены тяжелыми изотопами углерода и кислорода из-за испарения и дегазации CO2. Это отражается в очень низкой температуре, полученной на основе сгущенных изотопов. На них влияют pH, биологическая активность, а также кинетический изотопный эффект, связанный с дегазацией. Магнезит формируется в виде поверхностных пленок в таких условиях, но чаще встречается в виде гидратированных карбонатов магния, поскольку их осаждение кинетически предпочтительно. В большинстве случаев они получают углерод из растворенного неорганического углерода (DIC) или близлежащих ультрамафических комплексов (например, Altin Playa, Британская Колумбия, Канада). Магнезиты в метаморфических породах, напротив, указывают на очень высокую температуру образования. Изотопный состав исходного флюида также, как правило, тяжелый, что характерно для метаморфических флюидов. Это подтверждается температурой, определенной по включениям флюида, а также традиционной изотопной термометрией кислорода с использованием совместно осаждающегося кварца и магнезита. Часто магнезит фиксирует более низкую температуру по сгущенным изотопам, чем сопутствующие доломит и кальцит. Причина может заключаться в том, что кальцит и доломит формируются раньше при более высокой температуре (из флюидов, подобных мантийным), что достаточно увеличивает отношение Mg/Ca в флюиде для осаждения магнезита. По мере того, как это происходит со временем, флюид охлаждается, изменяется путем смешивания с другими флюидами, и когда он формирует магнезит, его температура снижается. Таким образом, присутствие сопутствующих карбонатов контролирует изотопный состав магнезита. Происхождение марсианских карбонатов можно установить с помощью сгущенных изотопов. Источник CO2 и климатические гидрологические условия на Марсе можно оценить по этим породам. Недавнее исследование (с использованием изотопной термометрии сгущенных изотопов) показало, что карбонаты в ALH84001 указывают на образование при низких температурах в условиях испарения из подземных вод и получение CO2 из атмосферы Марса.

Огнеупорный материал

Подобно производству извести, магнезит можно обжигать в присутствии древесного угля для получения MgO, который в виде минерала известен как периклаз. Большие количества магнезита обжигаются для получения оксида магния – важного огнеупорного (жаростойкого) материала, используемого в качестве футеровки доменных печей, обжиговых печей и мусоросжигательных установок. Температура кальцинации определяет реакционную способность получаемых оксидных продуктов, а термины «легкообжжённый» и «мёртвый обжиг» относятся к удельной поверхности и, как следствие, реакционной способности продукта (обычно это определяется промышленным показателем – числом йода). «Легкообжжённый» продукт обычно получают при кальцинации, начинающейся при 450 °C и продолжающейся до верхнего предела 900 °C, что обеспечивает хорошую удельную поверхность и реакционную способность. При температуре выше 900 °C материал теряет свою реакционноспособную кристаллическую структуру и переходит в химически инертный «мёртвый обжиг», который предпочтителен для использования в огнеупорных материалах, таких как футеровка печей. В огневом анализе магнезитовые тигли можно использовать для купелирования, поскольку магнезитовый тигель выдерживает высокие температуры, необходимые в этом процессе.

Другие применения

Магнезит также может использоваться в качестве связующего вещества в напольных материалах (магнезитовая стяжка). Кроме того, он применяется в качестве катализатора и наполнителя при производстве синтетического каучука, а также для получения магниевых химических веществ и удобрений. Ведутся исследования для оценки практической возможности секвестрации парникового газа – углекислого газа – в магнезите в больших масштабах. Эти исследования сосредоточены на перидотитах из офиолитов (выдвинутых на поверхность пород мантии), где магнезит может образовываться в результате реакции углекислого газа с этими породами. Определенный прогресс достигнут в офиолитах Омана. Однако основная проблема заключается в том, что для этих искусственных процессов необходима достаточная проницаемость и пористость, чтобы обеспечить циркуляцию жидкостей, но перидотиты, как правило, не обладают этими свойствами.

Художественные работы

Магнезит можно разрезать, сверлить и полировать для изготовления бусин, используемых в ювелирном деле. Бусины из магнезита можно окрашивать в широкий спектр ярких цветов, включая светло-голубой, имитирующий бирюзу. Японский американец Исаму Ногучи использовал магнезит в качестве скульптурного материала для некоторых своих работ.

Безопасность и здоровье на рабочем месте

Люди могут подвергаться воздействию магнезита на рабочем месте при вдыхании, контакте с кожей и контакте с глазами.

Соединенные Штаты

Управление по охране труда и гигиене труда (OSHA) установило нормативное ограничение (предельно допустимая концентрация) для воздействия магнезита на рабочем месте – 15 мг/м3 при общем воздействии и 5 мг/м3 при воздействии на дыхательные пути за 8-часовой рабочий день. Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) – 10 мг/м3 при общем воздействии и 5 мг/м3 при воздействии на дыхательные пути за 8-часовой рабочий день.