Local spectroscopic studies of the iron oxidation state in mantle spinels

Abstract

Железо - важнейший переходный элемент в минералах и силикатных расплавах. В зависимости от окислительно-восстановительных условий во время образования минеральных фаз, отношение Fe3+/ΣFe может значительно меняться. Количественное определение окислительно-восстановительного состояния Fe является существенным параметром, который используется для определения термодинамических условий, при которых породы образовывались. Для оценки соотношения Fe3+/ΣFe в минеральных монофракциях успешно применяется Мессбауэровская спектроскопия, которая получила широкое распространение в Науках о Земле. Однако, необходимо заметить, что этот метод теряет свою информативность в случае необходимости исследования малых образцов (например, единичных минеральных зерен размером в несколько десятков микрон) или при необходимости исследовать образцы in situ при больших давлениях и температурах. Перспективным локальным методом является Flank метод (наименование метода основано на изучении интенсивностей рентгеновских эмиссионных линий на краях пиков FeLα и FeLβ - от английского «flank» – фланг, крыло) базирующийся на волнодисперсионных спектроскопических исследованиях, который показывает корреляцию измеренных отношений интенсивностей пиков LFe на определенных позициях Lβ и Lα со степенью окисления железа в мантийных гранатах (Hofer, Brey, 1994), однако, применимость этого метода для мантийных шпинелей представляется слабо изученной. Также слабоизученной в отношении мантийных шпинелей и природных шпинелей вообще, представляется спектроскопия рентгеновского поглощения в предкраевой области (XANES - X-ray absorption near edge structure). Преимущества метода Xanes включают возможность измерения in situ отношения Fe3+/ΣFe в микро-масштабе, значительно меньшие времена накопления спектров (минимум 20-30 минут, в среднем – 40 - 50) по сравнению с Мёссбауэровской спектроскопией и возможность изучения других переходных элементов. В работе рассматриваются возможности локальных методов при определении Fe3+/ΣFe в мантийных и синтетических шпинелях в сравнении с Мессбауровской спектроскопией.

Iron is an important transition element in minerals and silicate melts. Depending on the redox conditions during the formation of mineral phases, the Fe3+/ΣFe ratio could considerably vary. The quantitative determination of the iron oxidation state in minerals gives an ability to determine the thermodynamic conditions under which the rocks were formed. Mossbauer spectroscopy is the conventional method for this purposes, and become widespread in the Earth Sciences. Nevertheless, this method allows measuring iron oxidation state in bulk mineral fractions only. This approach excludes the possibility to explore the zoning of individual grains, and determination of Fe3+/ΣFe in primary spinel and spinel from melting zones within the individual sample, as well as spinel inclusions in other minerals. A promising local method is the Flank method, which shows the correlation of the measured LFe peak intensities at certain Lβ and Lα positions with iron oxidation state in mantle garnets (Hofer, Brey, 1994). XANES (X-ray absorption near edge structure), another local method wich shows systematic differences in pre-edge region’s features as a function of Fe3+/ΣFe in mantle garnets (Berry et al, 2010). However, the applicability of these methods to mantle spinels is poorly investigated. Possibilities of these local methods in the determination of iron oxidation state in the mantle and synthetic spinels studied in the thesis.