Кротит — это природно occurring кальций-алюминиевый оксид минерал с идеальной химической формулой CaAl₂O₄Оно классифицируется как оксидный минерал и в основном известно из включений, богатых кальцием и алюминием, в примитивных углеродистых хондритах. В отличие от большинства обычных земных минералов, Krotite обычно присутствует в виде микроскопических зерен, встроенных в метеориты, а не в виде крупных, изолированных кристаллов.
Идеальная формула содержит один атом кальция, два атома алюминия и четыре атома кислорода. Ее теоретический состав составляет примерно 25,4 мас.% кальция, 34,1 мас.% алюминия и 40,5 мас.% кислорода. Выраженный как оксиды, состав соответствует примерно 35,5 мас.% CaO и 64,5 мас.% Al₂O₃. Природные зерна могут содержать незначительные химические отклонения, но минерал определяется как своей композицией CaAl₂O₄, так и своим характерным кристаллическим строением.
Кротит — это низкого давления диморф CaAl₂O₄. Высокого давления диморф называется дмитрийивановитом. Эти два минерала имеют одинаковую идеальную химическую формулу, но разные атомные расположения, поэтому их необходимо различать методами кристаллографии, а не только по химическому составу. Кротит также структурно связан с синтетическими соединениями оксида кальция и алюминия, используемыми в огнеупорной керамике и цементах на основе оксида кальция и алюминия, хотя промышленные оксиды кальция и алюминия не автоматически классифицируются как минерал кротит.
История и открытие кротита
Кротит был формально описан как новый минерал в 2011 году. Типовой материал был получен из метеорита NWA 1934, CV3 углистый хондрит, найденный в Северо-Западной Африке. Минерал встречается внутри включения, богатого кальцием и алюминием, обычно сокращенно обозначаемого как CAI. Эти включения являются одними из самых устойчивых компонентов, сохранившихся в примитивных хондритовых метеоритах.
Минерал назван в честь Александра Н. Крота, космохимика, исследования которого были направлены на хондрические метеориты, рефракторные включения, процессы конденсации и раннюю химическую эволюцию Солнечной системы. Минерал был утвержден Международным минералогическим сообществом под обозначением IMA 2010-038.
Оригинальное описание опиралось на химический анализ, электронную микроскопию, кристаллографию и петрографические наблюдения. Это сочетание было необходимо, потому что зерна кротита малы и встречаются в сложной ассоциации оксидов кальция-алюминия, силикатов и других термостойких фаз. Химический анализ, близкий к CaAl₂O₄, сам по себе не был бы достаточным, потому что несколько связанных минералов имеют схожие элементные пропорции или могут встречаться в том же включении метеорита.
Формирование и геологическое расположение кротита
Кротиты образуются при высоких температурах и низком давлении в сильно огнеупорной химической среде. Включение, содержащее кротит, в NWA 1934 интерпретируется как продукт конденсации или кристаллизации из горячего газа в ранней солнечной туманности. Рассмотрение равновесия фаз указывает на образование при температурах около 1500 °C или выше при условиях низкого давления. Эти условия согласуются с образованием огнеупорных твердых веществ до конденсации многих более летучих элементов и минералов.
Кальций и алюминий являются одними из наименее летучих основных элементов в солнечной туманности. Когда горячий газ туманности охлаждался, эти элементы могли соединяться с кислородом, образуя refractory оксиды и силикаты кальция-алюминия. Поэтому кротит фиксирует этап минералообразования при высокой температуре, который произошел до того, как был собран родительский астероид метеорита. Его образование не следует путать с обычными земными извержениями, гидротермальными или метаморфическими процессами.
В NWA 1934 кротит сосредоточен в центральной и мантийной частях необычного включения, богатого кальцием и алюминием. Он встречается с перовскитом, геленитом, эрцитином, майенитом, гроссулитом, гибонитом, спиналом и диопсидом. Также было зарегистрировано следовое количество гексамолибдена. Минеральный ассоциативный состав указывает на то, что включение пережило несколько этапов конденсации, кристаллизации, реакции и, возможно, частичного плавления, а не образовалось в результате одного простого химического процесса.
Внешняя часть включения описана как имеющая вид разбитой скорлупы или "разбитого яйца". Некоторые трещины заполнены гидроксидами железа и алюминия. Эти гидратированные минералы интерпретируются как продукты земной погоды, произошедшие после того, как метеорит достиг Земли. Они не считаются первичными продуктами окружающей среды солнечной системы. Это различие важно, потому что погодные условия могут изменять границы и поверхности исходных зерен кротита.
Кристаллическая структура кротита
Кротит кристаллизуется в моноклинной кристаллической системе. Его заявленная пространственная группа является P2₁/n, номер пространственной группы 14. Единичные параметры ячейки, определенные для типового материала, приблизительно a = 8,6996(3) Å, b = 8,0994(3) Å, c = 15,217(1) Å, и β = 90,188(6)°. Ячейка содержит двенадцать формульных единиц, выраженных как Z = 12, и имеет рассчитанный объем около 1 071 ų.
Структура может быть описана в общем виде как каркас, доминируемый алюминий-кислородными полиэдрами, особенно AlO₄ тетраэдрами, с кальцием, занимающим более крупные структурные места внутри каркаса. Расположение не эквивалентно спинельной структуре, хотя химическая формула имеет общее стехиометрическое соотношение одного двухвалентного катиона к двум трёхвалентным катионам и четырём атомам кислорода.
Разница между кротитом и дмитрийивановитом является структурной, а не составной. Оба фазы имеют формулу CaAl₂O₄, но они устойчивы при разных условиях давления и имеют разные расположения своих атомов. Кротит представляет собой низкое давление формы, тогда как дмитрийивановит связан с более высокими условиями давления.
Поскольку природный кротит встречается в виде мелких зерен, заключенных в других минералах, хорошо развитые внешние кристаллические грани являются редкостью. Следовательно, структурная информация обычно получается с помощью рентгеновской дифракции, электронной дифракции или электронной обратной дифракции. Эти методы особенно полезны, когда зерна слишком малы для обычного анализа монокристаллов.
Физические и химические свойства кротита
Кротит обычно наблюдается в виде микроскопических зерен в полированных сечениях или тонких сечениях. Описания его цвета и блеска менее диагностичны, чем его химический состав и кристаллическая структура, поскольку видимый внешний вид зависит от толщины зерна, ориентации, окружающих минералов и изменения. Естественный материал может выглядеть бесцветным до светло-коричневого под проходящим или отраженным светом, при этом границы отдельных зерен могут быть трудно различимы в сложных включениях.
Показатель твёрдости по шкале Мооса составляет примерно 6,5, а расчётная плотность около 2,94 г/см³. Прямое измерение плотности затруднено, так как зерна очень маленькие и часто взаимно переплетены с другими фазами. Плёстность и трещиноватость также трудно оценить надёжно на отдельных зернах по той же причине.
Идеальный химический состав — CaAl₂O₄. Анализы с помощью электронно-микроопроводного анализа обычно показывают соотношение кальция к алюминию, близкое к 1:2, после учета кислорода и аналитической неопределенности. Небольшие количества магния, кремния, титана, железа, натрия или других элементов могут присутствовать в следовых количествах или быть введены загрязнением из соседних минералов. Такие незначительные компоненты не автоматически определяют отдельную разновидность Кротита.
Кротит устойчив только в определённом поле давления-температуры-состава. При более высоком давлении CaAl₂O₄ может принять структуру дмитрийивановита. В других химических условиях кальций и алюминий могут образовать гроссит, гибонит, геленит, майенит, перовскит или другие оксиды и силикаты кальция и алюминия.
Типы и разновидности кротита
У Кротита нет формально признанных сортов драгоценных камней или коммерческих цветовых сортов. Следующие категории являются описательными, а не официальными минералогическими подразделениями:
- Метеоритный Кротит: Естественный Кротит, встречающийся в включениях, богатых кальцием и алюминием, в углеродистых хондритах, включая типовой материал из NWA 1934.
- Низкое давление CaAl₂O₄: Кротит — это форма низкого давления структуры CaAl₂O₄.
- Высокое давление CaAl₂O₄: Дмитрийивановит является высокого давления диморфом CaAl₂O₄. Это отдельный минеральный вид, а не разновидность Кротита.
- Синтетический кальций алюминат: Лабораторно-производный CaAl₂O₄ может химически или структурно напоминать Кротит, но является искусственным материалом, а не естественной минеральной формацией.
Различия в размере зерна, содержании следовых элементов, изменении и связанных минералах могут вызывать различные внешние проявления в отдельных образцах метеоритов. Эти различия описывают геологическую историю зерен и не представляют собой официально названные разновидности.
Где находится Krotite?
Наиболее хорошо документированный естественный случай наличия кротита — это включение, богатое кальцием и алюминием, в углистом хондрите NWA 1934 CV3. Метеорит был найден в Северо-Западной Африке, но сам кротит образовался гораздо раньше в Солнечной системе, вероятно, в высокотемпературной области солнечной туманности.
Внутри метеорита кротит в основном встречается в центральной и мантийной частях рефракторного включения. Он связан с минералами, такими как перовскит, геленит, эрцинит, майенит, гроссулит, гибонит, спинель и диопсид. Эти минералы в совокупности свидетельствуют о процессах высокотемпературного конденсирования и кристаллизации, связанных с кальцием, алюминием, титаном, магнием, кремнием и кислородом.
Кротит не следует путать с земным минералом, образовавшимся на месте, где был найден метеорит. Земное пребывание метеорита повлияло на внешние части включения через гидратацию и окисление, но первичные зерна Кротита образовались до существования родительского тела метеорита. Ни одна широко признанная земная геологическая локаль не связана с Кротитом.
Как определить Кротит
Кротит обычно не может быть определен при визуальном осмотре без помощи. Зерна маленькие, часто переплетаются с другими огнеупорными фазами и могут напоминать несколько оксидов и силикатов кальция и алюминия. Поэтому для первоначального этапа используется петрографический анализ, за которым следует химический и кристаллографический анализ.
Микроскопия тонких или полированных сечений позволяет выявлять форму зерен, контакты, зональность, включения и отношения с окружающими минералами. Изображение с обратным рассеянием электронов в сканирующем электронном микроскопе полезно, поскольку фазы с разными средними атомными числами дают разные уровни контраста изображения. Это позволяет находить области, богатые кротитом, до количественного анализа.
Анализ с помощью электронного микроскопа обычно используется для определения концентраций кальция, алюминия, кислорода по стехиометрическому расчету, а также любых примесных элементов. Анализы должны проводиться вне границ зерен, так как загрязнение геленитом, гибонитом, гросситом, майенитом или другими соседними минералами может привести к неверному составу.
Кристаллографическое подтверждение необходимо, когда различие между связанными фазами имеет важное значение. Рентгеновская дифракция, электронная дифракция и электронная дифракция отражения могут использоваться для проверки моноклинной структуры и её совместимости с пространственной группой P2₁/n. Одиночный спектр рентгеновского энергетического рассеяния обычно недостаточен, особенно когда зерно имеет размер всего несколько микрометров.
Важные минералы, которые следует отличать от Кротита, включают Гроссит, CaAl₄O₇; Хибонит, CaAl₁₂O₁₉; и Геленит, Ca₂Al₂SiO₇. Майенит также может присутствовать в тех же рефракторных включениях. Димитрийивановит требует особого внимания, потому что у него такая же идеальная химическая формула, как у Кротита, но другая кристаллическая структура.
Применение и использование кротита
Естественный кротит не имеет установленного использования в качестве драгоцен камня, декоративного материала, промышленного сырья или отдельно добываемой руды. Его зерна слишком малы и слишком разрежены для коммерческой добычи. Минерал обычно изучается как часть сечений метеоритов и включений, богатых кальцием и алюминием.
Его главное значение аналитическое и космохимическое. Включения, содержащие кротит, предоставляют информацию о высокотемпературном конденсате, образовании минералов кальция и алюминия, составе газа в протопланетном диске и условиях давления и температуры, существовавших на самых ранних этапах истории Солнечной системы. Это также предоставляет естественную ссылку для сравнения экзотеррачных минеральных фаз с экспериментально синтезированными кальций-алюминатами.
Синтетические CaAl₂O₄ и связанные с ними кальциевые алюминаты используются в огнеупорной керамике, высокотемпературных связующих веществах и кальциевых алюминатных цементах. Эти промышленные применения связаны с изготовленными материалами с контролируемым составом и историей обработки. Они не являются прямыми коммерческими применениями природного Кротита.
Krotite также может помочь отличить первичные небулярные признаки от последующих изменений. Зерно, сохраненное внутри refractory включения, может сохранять доказательства высокотемпературного формирования, тогда как его края могут быть изменены гидратацией, окислением или термической эрозией. Минералогическая интерпретация должна поэтому учитывать как первичную кристаллическую структуру, так и последующую историю метеорита.
Связанные минералы и номенклатура
Кротит принадлежит к более широкому собранию термостойких минералов кальция-алюминия, найденных в примитивных метеоритах. К ним относятся гибонит, гроссулит, перовскит, шпинель, геленит и майенит. Они различаются по химическим пропорциям, структурному расположению, содержанию анионов и условиям устойчивости.
Имя Krotite относится конкретно к природному низкого давления фазе CaAl₂O₄ с кротитной структурой. Оно не должно использоваться как общее слово для каждого кальциевого алумината с тем же номинальным составом. В частности, дмитрийивановит рассматривается как отдельный минеральный вид, потому что он представляет собой другую структурную форму CaAl₂O₄.
Ссылки
Ма, С., Кампф, А. Р., Коннолли, Г. С., и др. (2011). «Кротит, CaAl₂O₄, новый огнеупорный минерал из метеорита NWA 1934». Американский минералог, 96, 709–715. https://doi.org/10.2138/am.2011.3693
Геологическое общество Америки. «Кротит». Руководство по минералогии. PDF