Electrophysical properties of demantoid and andradite garnets according to high-temperature impedance spectroscopy data: the influence of chemical and phase impurities (methodological aspects)

封面

如何引用文章

全文:

详细

   Object of the study and methods. Electrical characteristics of demantoid from clinopyroxenites (Poldnevskoye deposit, Middle Urals) and two samples of andradite 1-2 from skarns (Verkhniy Ufaley, Middle Urals; Sokolovsky mine, Rudny, Kazakhstan) were studied by impedance high-temperature spectroscopy in the heating-cooling mode at temperatures of 200–900 °C and frequencies of 1–106 Hz using of platinum and lanthanum-strontium cobaltite electrodes. Thermogravimetric, X-ray diffraction and diffuse light scattering data are presented.   Results. Experimental chemical formulas of andradite 1-2 and demantoid are (Mg0.24Ca3.16Mn0.04)(Fe1.63Al0.33)Si2.95Ti0.05O12.14, (Ca3.49Mn0.04)(Fe1.79Al0.51)Si2.94Ti0.06O12.97, (Ca3.51Mn0.01) (Fe2.49Al0.05Cr0.0038)Si3.00O13.34, respectively. Andradite 1 contains up to ~20 % clinochlore impurity and an insignificant content of ferrobustamite impurity; in andradite 2 – no more than ~8 % of isostructural impurity of hydroandradite; demantoid does not contain phase impurities, while the peaks of the garnet phase are asymmetric due to the presence of two phases with the garnet structure. In the optical spectra of andradite 1-2, a wide band is observed in the near UV region and a significant number of sufficiently wide bands in the visible region associated with the absorption of Fe2+, Fe3+ and Ti4+ ions; Spectra of annealed samples of andradites at 750 °С are similar. For demantoid, a wide absorption band of 860 nm is observed, it shifts to 700 nm after annealing; it is assumed that the 860 nm band is associated with Cr2+ ions, which undergo additional oxidation during annealing. The Arrhenius dependences of the electrical conductivity of andradite 1 during heating and cooling differ from each other due to the presence of impurity phases (mainly clinochlore) in the sample. Dependencies for andradite 2 and demantoid in heating-cooling mode are close to each other, while the electrical conductivity of andradite 2 is higher than that of andradite 1. At temperatures of 750–775 °C, demantoid has the highest conductivity; while the Cr impurity does not make a significant contribution to its conductivity.   Conclusions. Electrical characteristics of demantoid were obtained for the first time; Arrhenius dependences of two andradites of different chemical and phase composition were analyzed; it was shown that the composition has a significant effect on electrical conductivity. The obtained data can be used to construct geoelectric models of fragments of the earth's crust with the corresponding minerals.

作者简介

I. Zhelunitsyn

A.N. Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry, UB RAS

Email: zhelunitsyn@igg.uran.ru

Z. Mikhaylovskaya

A.N. Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry, UB RAS; Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

S. Votyakov

Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

参考

  1. Бахтерев В.В. (2004) Оценка формационной принадлежности гипербазитов Урала по параметрам их высокотемпературной электропроводности. Докл. РАН, 398(3), 371-373.
  2. Бахтерев В.В., Кузнецов А.Ж. (2012) Высокотемпературная электропроводность магнетитовых руд в связи с их генезисом и минеральным составом (на примере Гороблагодатского скарново-магнетитового месторождения). Геология и геофизика, 53(2), 270-276. doi: 10.1016/j.rgg.2011.12.017
  3. Бахтерев В.В. (2021) Дуниты и клинопироксениты из Кытлымского гипербазитового массива. Результаты исследования высокотемпературной электропроводности. Урал. геофиз. вестник, 1(43), 21-26. doi: 10.25698/UGV.2021.1.3.21
  4. Пархоменко Э.И. (1965) Электрические свойства горных пород. М.: Наука, 164 с.
  5. Пархоменко Э.И. (1984) Электрические свойства минералов и горных пород при высоких давлениях и температурах. Дисс. … докт. физ.-мат. наук. М.: Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта, 420 с.
  6. Ahadnejad V., Krzemnicki M.S., Hirt A.M. (2022) Demantoid from Kerman Province, South-east Iran : A Mineralogical and Gemmological Overview. J. Gemmology, 38(4), 329-347. doi: 10.15506/JoG.2022.38.4.329
  7. Andrut M., Wildner M. (2001) The crystal chemistry of bire-fringent natural uvarovites: Part I. Optical investigations and UV–VIS–IR absorption spectroscopy. Amer. Miner. 86, 1219-1230. doi: 10.2138/am-2001-1010
  8. Burns R.G. (1993) Mineralogical applications of crystal field theory (2nd Ed). Cambridge: Cambridge University Press, 551 p. doi: 10.1017/CBO9780511524899
  9. Dai L., Hu H., Jiang J., Sun W., Li H., Wang M., Vallianatos F., Saltas V. (2020) An overview of the experimental studies on the electrical conductivity of major minerals in the upper mantle and transition zone. Materials, 13(2), 408. doi: 10.3390/ma13020408
  10. Fullea J. (2017) On joint modelling of electrical conductivity and other geophysical and petrological observables to infer the structure of the lithosphere and underlying upper mantle. Surv. Geophys., 38, 963-1004. doi: 10.1007/s10712-017-9432-4
  11. Glover P.W.J. (2015) Geophysical properties of the near surface Earth: Electrical properties. Treat. Geophys. (2nd Ed). Vol. 11. Amsterdam: Elsevier, 89-137. doi: 10.1016/B978-0-444-53802-4.00189-5
  12. Han K., Yi L., Wang D. (2024) Thermal decomposition kinetics of сlinochlore at high temperature and its implications. Can. J. Mineral. Petrol., 62(1),107-116. doi: 10.3749/2300033
  13. Hassan M.A., Ahmad F., Abd El-Fattah Z.M. (2018) Novel identification of ultraviolet/visible Cr6+/Cr3+ optical transitions in borate glasses J. Alloys Comp., 750, 320-327. doi: 10.1016/j.jallcom.2018.03.351
  14. Huebner J.S., Dillenburg R.G. (1995) Impedance spectra of hot, dry, silicate minerals and rock: Qualitative interpretation of spectra. Amer. Miner., 80(1), 46-64. doi: 10.1016/10.2138/am-1995-1-206
  15. Jones R.L., Thrall M., Henderson C.M.B. (2010) Complex impedance spectroscopy and ionic transport properties of natural leucite, K0.90Na0.08O6, as a function of temperature and pressure. Mineral. Mag., 74(3), 507-519. doi: 10.1007/10.1180/minmag.2010.074.3.507
  16. Irvine J.T.S., Sinclair D.C., West A.R. (1990) Electroceramics: Characterization by impedance spectroscopy. Adv. Mater., 2(3), 132-138. doi: 10.1002/adma.19900020304
  17. Izawa M.R.M., Cloutis E.A., Rhind T., Mertzman S.A., Poitras J., Applin D.M., Mann P. (2018) Spectral reflectance (0.35–2.5 µm) properties of garnets: Implications for remote sensing detection and characterization. Icarus, 300, 392-410. doi: 10.1016/j.icarus.2017.09.005
  18. Karato S., Duojun W. (2013) Electrical conductivity of minerals and rocks. Phys. Chem. Deep Earth. U. S.: John Wiley & Sons, 145-182.
  19. Kubelka P., Munk F. (1931) Ein Beitrag zur Optik der Farbanstriche. Z. Tech. Phys., 12, 593-601.
  20. Kuganathan N., Ganeshalingam S., Chroneos A. (2020) Defect, transport, and dopant properties of andradite garnet Ca3Fe2Si3O12. AIP Advances, 10, 075004. doi: 10.1063/5.0012594
  21. Mizuno S., Yao H. (2021) On the electronic transitions of α-Fe2O3 hematite nanoparticles with different size and morphology: Analysis by simultaneous deconvolution of UV–vis absorption and MCD spectra. J. Magn. Magn. Mater., 517, 167389. doi: 10.1016/j.jmmm.2020.167389
  22. Naif S., Selway K., Murphy B.S., Egbert G., Pommier A. (2021) Electrical conductivity of the lithosphere-asthenosphere system. Phys. Earth Planet. Int., 313, 106661. doi: 10.1016/j.pepi.2021.106661
  23. Palke A. (2017) Heat treatment of gem quality andradite (var. demantoid): Is intervalence charge transfer necessary for brown coloration in andradite? Geol. Soc. Amer. Abstr. Progr. Washington, USA. doi: 10.1130/abs/2017AM-294617
  24. Qian Y., Shen Y., Sun F., Chen J., Tang M., Chen F., Chen Y., Sun Y., Shen H. (2024) Improving the UV transmittance of synthetic quartz through defect repair methods. J. Non-Cryst. Solids, 635, 123019. doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2024.123019
  25. Roberts J.J., Tyburczy J.A. (1993) Impedance spectroscopy of single and polycrystalline olivine: Evidence for grain boundary transport. Phys. Chem. Miner., 20, 19-26. doi: 10.1007/BF00202246
  26. Scheetz B.E., White W.B. (1972) Synthesis and optical absorption spectra of Cr2+-containing orthosilcates. Contrib. Mineral. Petrol., 37, 221-227 doi: 10.1007/BF00373070
  27. Schlechter E., Stalder R., Behrens H. (2012) Electrical conductivity of H-bearing orthopyroxene single crystals measured with impedance spectroscopy. Phys. Chem. Miner., 39, 531-541. doi: 10.1007/s00269-012-0509-9
  28. Stockton C.M., Manson D.V. (1983) Gem Andradite Garnets. Gems & Gemology, 19, 202-208. doi: 10.5741/GEMS.19.4.202
  29. Sun W., Dai L., Li H., Hu H., Jiang J., Liu C. (2019) Experimental study on the electrical properties of carbonaceous slate: A special natural rock with unusually high conductivity at high temperatures and pressures. High Temp.-High Pres., 48, 439-454. doi: 10.32908/hthp.v48.749
  30. Torrent J., Vidal B. (2002) Diffuse Reflectance Spectroscopy of Iron Oxides. Encycl. Surface Colloid Sci. Vol. 1. N. Y.-Basel: Marcel Dekker Inc., 1438-1446.
  31. Wang Y., Sun Q., Duan D, Bao X., Liu X. (2019) The study of crystal structure on grossular–andradite solid solution. Minerals, 9(11), 691. doi: 10.3390/min9110691
  32. Yang X. (2011) Origin of high electrical conductivity in the lower continental crust : A review. Surv. Geophys., 32, 875-903. doi: 10.1007/10.1007/s10712-011-9145-z
  33. Yoshino T. (2019) Electrical properties of rocks. Encycl. Solid Earth Geophys. Cham: Springer, 1–7. doi: 10.1007/978-3-030-10475-7_45-1
  34. Yue Y., Dzięgielewska A., Hull S., Krok F., Whiteley R.M., Toms H., Malys M., Zhang M., Abrahams H.Y. (2022) Local structure in a tetravalent-substituent BIMEVOX system: BIGEVOX. J. Mater. Chem. A, 10, 3793-3807. doi: 10.1039/D1TA07547K
  35. Zhang L. (2017) A review of recent developments in the study of regional lithospheric electrical structure of the Asian continent. Surv. Geophys., 38, 1043-1096. doi: 10.1007/s10712-017-9424-4
  36. Zhu M., Xie H., Guo J., Bai W., Xu Z. (2001) Impedance spectroscopy analysis on electrical properties of serpentine at high pressure and high temperature. Sci. China Ser. D-Earth Sci., 44(4), 336-345. doi: 10.1007/BF02907104

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

版权所有 © Zhelunitsyn I.A., Mikhaylovskaya Z.A., Votyakov S.L., 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».