Совместный расчет химических и изотопных равновесий в программном комплексе GEOCHEQ_isotope: изотопы железа

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Программный комплекс GEOCHEQ_Isotope, раннее разработанный для расчета химических и изотопных равновесий углерода и кислорода в гидротермальных и гидрогеохимических системах методом минимизации энергии Гиббса, распространен на одновременный расчет изотопных эффектов углерода, кислорода и железа (основная цель исследования). Как и для углерода и кислорода, при разработке алгоритмов и базы данных для расчета изотопных эффектов железа использовали формализм β-фактора. Согласно разработанному алгоритму энергия Гиббса G*(P,T ) образования редкого изотополога рассчитывалась через энергию Гиббса образования основного изотополога с учетом величины 56Fe/54Fe β-фактора этого вещества и соотношения масс изотопов 54Fe и 56Fe. Использовано приближение идеальности смеси изотопов. Температурная зависимость β-фактора унифицирована в виде полинома третьей степени по обратным четным степеням абсолютной температуры. На основе критического анализа существующих данных по равновесным изотопным факторам, полученным разными методами: упругим и неупругим γ-резонансным рассеянием, экспериментами по изотопному обмену, расчетами “из первых принципов” получен главный результат: впервые разработана внутренне согласованная база данных по β-факторам железа минералов и водных комплексов. Для построения такой базы данных выявлены минералы и водные комплексы, для которых оценки равновесных факторов фракционирования изотопов железа, полученных разными методами, существуют и совпадают в пределах погрешности методов: металлическое железо (α-Fe), гематит, магнетит, сидерит, пирит, водные комплексы FeIII(H2O)6 3+ и FeII(H2O)6 2+. Значения β-факторов железа для этих минералов и водных комплексов, принятые в качестве референтных, составили “становой хребет” построенной базы данных. С учетом того, что равновесные изотопные сдвиги железа между минералами и водными комплексами в рамках одного метода оцениваются значительно точнее, чем соответствующие β-факторы, согласование базы данных осуществлялось путем привязки значений lnβ для минералов и водных комплексов к референтным lnβ. Применение программного комплекса GEOCHEQ_Isotope к закрытой углекислой гидротермальной системе H2O-CO2-Fe2O3-FeO-CaO (T = 200 °С, P = 16 ÷ 350 бар) показало возможность его использования для расчета изменений минерального состава и изотопных эффектов по кислороду, углероду и железу.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Б. Поляков

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: vpolyakov@mail.ru
Россия, 119991, Москва, ГСП-1, ул. Косыгина, 19

М. В. Мироненко

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: mironenko@geokhi.ru
Россия, 119991, Москва, ГСП-1, ул. Косыгина, 19

М. В. Аленина

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: vpolyakov@mail.ru
Россия, 119991, Москва, ГСП-1, ул. Косыгина, 19

Список литературы

  1. Банникова Л.Н., Гричук Д.В., Рыженко Б.Н. (1987) Расчеты химических и изотопных равновесий в системе C–H–O и их использование при изучении окислительно-восстановительных реакций в гидротермальных условиях. Геохимия. (3), 416–428.
  2. Галимов Э.М. (1973) Изотопы углерода в нефтегазовой геологии. М.: Недра. 372 с.
  3. Галимов Э.М. (1982) Принцип аддитивности в изотопной термодинамике. Геохимия. (6), 767–779.
  4. Галимов Э.М. (2006) Органическая геохимия изотопов. Becтник PAH. 76, 978–988.
  5. Гричук Д.В. (1987) Оценка свободных энергий Гиббса изотопных форм соединений. Геохимия. (2), 178–191.
  6. Гричук Д.В. (1988) Изотопно-химическая термодинамическая модель гидротермальной системы. ДАН СССР. 298, 1222–1225.
  7. Гричук Д.В. (2000) Термодинамические модели субмаринных гидротермальных систем. М.: Научный мир. 304 с.
  8. Гричук Д.В., Леин А.Ю. (1991) Эволюция океанской гидротермальной системы и изотопный состав серы сульфидов. ДАН СССР. 318, 422–425.
  9. Крылов Д.П., Глебовицкий В.А. (2017) Факторы фракционирования 18O/16O гранатов на основе расчетов изотопных сдвигов частот колебаний. ДАН. 475 (3), 306–309.
  10. Мироненко М.В., Сидкина Е.С., Поляков В.Б. (2021) Равновесно-кинетический расчет серпентинизации оливина. Сопоставление с модельным экспериментом. Геохимия. 66 (1), 37–44.
  11. Mironenko M.V., Sidkina E.S., Polyakov V.B. (2021) Equilibrium-Kinetic Calculation of Olivine Serpentinization. A Comparison with the Model Experiment. Geochem. Int. 59 (1), 32–38.
  12. Поляков В.Б. (1991) Квантовостатистическое рассмотрение метода изотопических чисел связей. Журн. физ. химии. 65, 1317–1326.
  13. Поляков В.Б. (1993) Об идеальности смесей изотопов в твердых телах. Журн. физ. химии. 67, 47–73.
  14. Поляков В.Б. (1995) Эффект Мессбауэра и равновесное фракционирование изотопов: оценка масштабов фракционирования изотопов железа. XIV симпозиум по геохимии изотопов, посвященный 100-летию со дня рождения академика А.Л. Виноградова. Тезисы докладов, Москва, 174–175.
  15. Поляков В.Б. (1999) Связь равновесного фракционирования стабильных изотопов и температурного сдвига резонансной частоты в спектрах Мессбауэра. Журн. физ. химии. 73, 690–694.
  16. Поляков В.Б., Минеев С.Д. (1999) Применение мессбауэровской спектроскопии в изотопной геохимии. I. Равновесное фракционирование изотопов железа. Геохимия. (8), 858–870.
  17. Поляков В.Б., Минеев С.Д., Гуревич В.М., Храмов Д.А., Гавричев К.С, Горбунов В.Е., Голушина Л.Н. (2001) Использование мессбауэровской спектроскопии и калориметрии для определения равновесных изотопных констант. Гематит. Журн. физ. химии. 75 (6), 1017–1021.
  18. Поляков В.Б., Мироненко М.В., Аленина М.В. (2021) Совместный расчет химических и изотопных равновесий в программном комплексе Geocheq_Isotope: изотопы кислорода. Геохимия. 66 (11), 1050–1066.
  19. Polyakov V.B., Mironenko M.V., Alenina M.V. (2021) Simultaneous Calculation of Chemical and Isotope Equilibria Using the GEOCHEQ_Isotope Software: Oxygen Isotopes. Geochem. Int. 59 (11), 1090–1105.
  20. Поляков В.Б., Осадчий Е.Г., Воронин М.В., Осадчий В.О., Сипавина Л. В., Чареев Д.А., Тюрин А.В., Гуревич В.М., Гавричев К.С. (2019) Изотопные факторы железа и серы для пирита по данным экспериментальных гамма-резонансных исследований и теплоемкости. Геохимия. 64 (4), 372–386.
  21. Polyakov V.B., Osadchii E.G., Voronin M.V., Osadchii V.O., Sipavina L.V., Chareev D.A., Tyurin A.V., Gurevich V.M., Gavrichev K.S. (2019) Iron and Sulfur Isotope Factors of Pyrite: Data from Experimental Mössbauer Spectroscopy and Heat Capacity. Geochem. Int. 57(4), 369–383.
  22. Поляков В.Б., Харлашина Н.Н. (1989) Влияние давления на равновесное фракционирование изотопов. ДАН СССР. 306(2), 390–395.
  23. Чумаков А.И. (2005) Зондирование магнетизма и динамики наноструктур ядерным рассеянием синхротронного излучения. Международный симпозиум “Нанофизика и наноэлектроника”. 25–29 марта 2005. Нижний Новгород. Труды симпозиума. Т. 1, 72–74. (https://nanosymp.ru/ru/archive)
  24. Шпинель В.С. (1969) Резонанс гамма-лучей в кристаллах. М.: Наука, 408 с.
  25. Anbar A.D., Jarzecki A.A., Spiro T.G. (2005) Theoretical investigation of iron isotope fractionation between Fe(H2O)6 3+ and Fe(H2O)6 2+: implications for iron stable isotope geochemistry. Geochim. Cosmochim. Acta 69, 825–837. https://doi.org/10.1016/j.gca.2004.06.012.
  26. Beard B.L., Johnson C.M. (2004) Fe isotope variations in the modern and ancient Earth and other planetary bodies. Rev. Mineral. Geochem. 82, 319–357.
  27. Beard B.L., Handler R.M., Scherer M.M., Wu L., Czaja A.D., Heimann A., Johnson C.M. (2010) Iron isotope fractionation between aqueous ferrous iron and goethite. Earth Planet. Sci. Lett. 295, 241–250.
  28. Bertaut E.F., Burlet P., Chappert J. (1965) Sur l’absence d’ordre magnetique dans la forme quadratique de FeS. Solid State Commun. 3, 335–338.
  29. Blanchard M., Balan E., Schauble E.A. (2017) Equilibrium fractionation of non-traditional isotopes: A molecular modeling perspective. Rev. Mineral. Geochem. 82, 27–64.
  30. Blanchard M., Dauphas N., Hu M.Y., Roskosz M., Alp E.E., Golden D.C., Sio C.K., Tissot F.L.H., Zhao J., Gao L., Morris R.V., Fornace M., Floris A., Lazzeri M., Balan E. (2015) Reduced partition function ratios of iron and oxygen in goethite. Geochim. Cosmochim. Acta 151, 19–33.
  31. Blanchard M., Poitrasson F., Méheut M., Lazzeri M., Mauri F., Balan E. (2009) Iron isotope fractionation between pyrite (FeS2), hematite (Fe2O3) and siderite (FeCO3): A first-principles density functional theory study. Geochim. Cosmochim. Acta 73, 6565–6578.
  32. Blanchard M., Poitrasson F., Meґheut M., Lazzeri M., Mauri F., Balan E. (2012) Comment on “New data on equilibrium iron isotope fractionation among sulfides: Constraints on mechanisms of sulfide formation in hydrothermal and igneous systems” by VB Polyakov and DM Soultanov. Geochim. Cosmochim. Acta 87, 356–359.
  33. Chambaere D.G., De Grave E., Vanleerberghe R.L., Vandenberghe R.E. (1984) The electric field gradient at the iron sites in β-FeOOH. Hyperfine Interactions. 20, 249–262.
  34. Childs, C., Goodman, B., Paterson, E., & Woodhams, F. (1980) The nature of iron in Akaganéite (β-FeOOH). Australian Journal of Chemistry. 33 (1), 15–26.
  35. Chumakov A.I., Sturhahn W. (1999) Experimental aspects of inelastic nuclear resonance scattering. Hyp. Interact. 123–124, 781–808.
  36. Dauphas N., Hu M.Y., Baker E.M., Hu J., Tissot F.L., Alp E.E., Roskosz, Zhao J., W. Bi, Liu J., Lin J.F. (2018) SciPhon: A data analysis software for nuclear resonant inelastic X-ray scattering with applications to Fe, Kr, Sn, Eu and Dy. J. Synchrotron Radiat. 25 (5), 1581–1599.
  37. Dauphas N., John S.G., Roskosz M. (2017) Iron isotope systematics. Rev. Mineral. Geochem. 82, 415–510.
  38. Dauphas N., Roskosz M., Alp E.E., Golden D.C., Sio C.K., Tissot F.L.H., Hu M.Y., Zhao J., Gao L., Morris R.V. (2012) A general moment NRIXS approach to the determination of equilibrium Fe isotopic fractionation factors: Application to goethite and jarosite. Geochim. Cosmochim. Acta 94, 254–275.
  39. Dauphas N., Roskosz M., Alp E.E., Neuville D.R., Hu M.Y., Sio C.K., Tissot F.L.H., Zhao J., Tissandier L., Médard E. (2014) Magma redox and structural controls on iron isotope variations in Earth’s mantle and crust. Earth Planet Sci. Lett. 398, 127–140.
  40. Dauphas N., van Zuilen M., Busigny V., Lepland A., Wadhwa M. and Janney P. E. (2007) Iron isotope, major and trace element characterization of early Archean supracrustal rocks from SW Greenland: protolith identification and metamorphic overprint. Geochim. Cosmochim. Acta 71, 4745–4770.
  41. De Capitani C., Brown T.H. (1987) The computation of chemical equilibrium in complex systems containing nonideal solutions. Geochim. Cosmochim. Acta 51, 2639–2152.
  42. De Grave E, Van Alboom A, Eeckhout S.G. (1998) Electronic and magnetic propertiesof a natural aegirine asobs erved from its Mössbauer spectra. Phys. Chem. Miner. 25, 378–388.
  43. De Grave E., Persoons R. M., Vandenberghe R. E., and de Bakker P. M. A. (1993) Mo¨ssbauer study of the high-temperature phase of Co-substituted magnetites, CoxFe3-xO4. I. x # 0.04. Phys. Rev. B47, 5881–5893.
  44. De Grave E., Van Alboom A. (1991) Evaluation of ferrous and ferric Mössbauer fractions. Phys. Chem. Minerals. 18, 337–342.
  45. De Grave E., Vandenberghe R.E. (1986) 57Fe Mössbauer effect study of well-crystalized goethite (α-FeOOH). Hyperfine Interact. 28, 643–646.
  46. Domagal-Goldman S.D. and Kubicki J.D. (2008) Density functional theory predictions of equilibrium isotope fractionation of iron due to redox changes and organic complexation. Geochim. Cosmochim. Acta 72, 5201–5216.
  47. Eeckhout S.G., De Grave E. (2003) Evaluation of ferrous and ferric Mössbauer fractions Part II. Phys. Chem. Miner. 30, 142–146.
  48. Ellwood B.B., Burkart B., Rajeshwar K., Darwin R.L., Neeley R.A., McCall A.B., Long G.J., Buhl M.L., Hickcox C.W. (1989) Are the iron carbonate minerals, ankerite and ferroan dolomite, like siderite, important in paleomagnetism? J. Geophys. Res. 94, 7321–7331.
  49. Frierdich A.J., Beard B.L., Reddy T.R., Scherer M.M. and Johnson C.M. (2014a) Iron isotope fractionation between aqueous Fe(II) and goethite revisited: New insights based on a multi-direction approach to equilibrium and isotopic exchange rate modification. Geochim. Cosmochim. Acta 139, 383–398.
  50. Frierdich A.J., Beard B.L., Scherer M.M., Johnson C.M. (2014b) Determination of the Fe(II)aq–magnetite equilibrium iron isotope fractionation factor using the three-isotope method and a multi-direction approach to equilibrium. Earth Planet. Sci. Lett. 391, 77–86.
  51. Frierdich A.J., Nebel O., Beard B.L., Johnson C.M. (2019) Iron isotope exchange and fractionation between hematite (alpha-Fe2O3) a and aqueous Fe(II): A combined three-isotope and reversal-approach to equilibrium study. Geochim. Cosmochim. Acta 245, 207–221.
  52. Fujii T., Moynier F., Blichert-Toft J., Albarede F. (2014) Density functional theory estimation of isotope fractionation of Fe, Ni, Cu, and Zn among species relevant to geochemical and biological environments. Geochim. Cosmochim. Acta 140, 553–576.
  53. Fujii T., Moynier F., Telouk P., Albarede F. (2006) Isotope fractionation of iron(III) in chemical exchange reactions using solvent extraction with crown ether. J. Phys. Chem. A 110, 11108–11112. https://doi.org/10.1021/jp063179u
  54. Hill P.S., Schauble E.A. (2008) Modeling the effects of bond environment on equilibrium iron isotope fractionation in ferric aquo-chloro complexes. Geochim. Cosmochim. Acta 72, 1939–1958. https://doi.org/10.1016/j.gca.2007.12.023
  55. Hill P.S., Schauble E.A., Shahar A., Tonui E., Young E.D. (2009) Experimental studies of equilibrium iron isotope fractionation in ferric aquo-chloro complexes. Geochim. Cosmochim. Acta. 73, 2366–2381. https://doi.org/10.1016/j.gca.2009.01.016
  56. Hill P.S., Schauble E.A., Young E.D. (2010) Effects of changing solution chemistry on Fe3+/Fe2+ isotope fractionation in aqueous Fe–Cl solutions. Geochim. Cosmochim. Acta 74, 6669–6689. https://doi.org/10.1016/j.gca.2010.08.038
  57. Hoefs J. (2018) Stable isotope geochemistry. Springer.
  58. Housley R. M., Hess F. (1966) Analysis of Debye-Waller-factor and Mössbauer-thermal-shift measurements. I. General theory. Phys. Rev. 146, 517–526.
  59. Hu M.Y., Toellner T., Dauphas N., Alp E.E., Zhao J. (2013) Moments in nuclear resonant inelastic x-ray scattering and their applications. Phys. Rev. B. 87, 064301.
  60. Johnson C.M., Beard B.L., Albarède F. (2004) Geochemistry of non-traditional stable isotopes. Overview and general concepts. Rev. Mineral. Geochem. 55, 1–24.
  61. Johnson C.M., Beard B.L., Weyer S. (2020) Iron Geochemistry: An Isotopic Perspective. Springer Nature Switzerland AG.
  62. Johnson C.M., Skulan J.L., Beard B.L., Sun H., Nealson K.H., Braterman P.S. (2002) Isotopic fractionation between Fe(III) and Fe(II) in aqueous solutions. Earth Planet. Sci. Lett. 195, 141–153. https://doi.org/10.1016/s0012-821x(01)00581-7
  63. Johnson J.W., Oelkers E.H., Helgeson H.C. (1992) SUPCRT92: A software package for calculating the standard molal thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bars and 0 to 1000 °C. Comp. Geosci. 18, 899–947.
  64. Josephson, B.D. (1960) Temperature-dependent shift of g-rays emitted by a solid. Phys. Rev. Letters 4, 341–342.
  65. Kobayashi H., Kamimura T., Alfè D., Sturhahn W., Zhao J., Alp E.E. (2004) Phonon density of states and compression behavior in iron sulfide under pressure. Phys. Rev. Lett. 93, 195503.
  66. Kobayashi H., Umemura J., Kazekami Y. and Sakai N. (2007) Pressure-induced amorphization of CuFeS2 studied by 57Fe nuclear resonant inelastic scattering. Phys. Rev. B. 76, 134108.
  67. Kohn V. G. Chumakov A. I. (2000) DOS: Evaluation of phonon density of states from nuclear resonant inelastic absorption Hyp. Interact. 125, 205–221.
  68. Kohn V. G., Chumakov A. I., Rüffer R. (1998) Nuclear resonant inelastic absorption of synchrotron radiation in an anisotropic single crystal. Phys. Rev. B 58, 8437–8444.
  69. Krawczynski M.J., Van Orman J.A., Dauphas N., Alp E.E., Hu M. (2014) Iron isotope fractionation between metal and troilite: a new cooling speedometer for iron meteorites. Lunar Planet Sci Conf. 45, 2755.
  70. Leider H.R., Pipkorn D.N. (1968) Mössbauer effect in MgO:Fe21; low-temperature quadrupole splitting. Phys. Rev. 165, 494–500.
  71. Lin J.-F., Jacobsen S.D., Sturhahn W., Jackson J. M., Zhao J. and Yoo C.-S. (2006) Sound velocities of ferropericlase in the Earth’s lower mantle. Geophys. Res. Lett. 33, L22304.
  72. Lipkin H.J. (1960) Some simple features of the Mössbauer effect. Ann. Phys. (N.Y.) 9, 332–339.
  73. Lipkin H.J. (1962) Some simple features of the Mossbauer effect: II. Sum rules and the moments of the energy spectrum. Ann. Phys. (N.Y.) 18, 182–197.
  74. Lipkin H.J. (1995) Mossbauer sum rules for use with synchrotron sources. Phys. Rev. 57, 10073–10079.
  75. Matsuhisa Y., Goldsmith J.R., Clayton R.N. (1978) Mechanisms of hydrothermal crystallization of quartz at 250 oC and 15 kbar. Geochim. Cosmochim. Acta 42, 173–182.
  76. McCammon C.A., Pring A., Keppler H., Sharp T. (1995) A study of bernalite, Fe(OH)3, using Mössbauer spectroscopy, optical spectroscopy and transmission electron microscopy. Phys. Chem. Minerals 22, 11–20.
  77. Minkiewicz V.J., Shirane G., Nathans R. (1967) Phonon Dispersion Relation for Iron. Phys. Rev. 162, 528–531.
  78. Mineev S.D., Polyakov V.B., Permyakov Y.V. (2007) Equilibrium iron isotope fractionation factors for magnetite from Mössbauer spectroscopy and inelastic nuclear resonant X-ray scattering data. Geochim.Cosmochim. Acta 71, A669
  79. Mironenko M.V., Polyakov V.B., Alenina M.V. (2018) Simultaneous calculation of chemical and isotope equilibria using the Geocheq_Isotope software: Carbon isotopes. Geochem. Int. 56 (13), 1354–1367.
  80. Nie N.X., Dauphas N., Alp E.E., Zeng H., Sio C.K., Hu J.Y., Chen X, Aarons S.M., Zhang Z, Tian H.C., Wang D, Prissel K.B. Greer J. Bi W, Hu, M.Y. Zhao J., Shahar A., Roskosz M., Teng F.Z. Krawczynski M.J., Heck P.R., Spear F.S. (2021). Iron, magnesium, and titanium isotopic fractionations between garnet, ilmenite, fayalite, biotite, and tourmaline: Results from NRIXS, ab initio, and study of mineral separates from the Moosilauke metapelite. Geochim. Cosmochim. Acta 302, 18–45.
  81. Nishihara Y., Ogawa S. (1979) Mössbauer study 57Fe in pyrite-type dichalcogenides. J. Chem. Phys. 71, 3796–3801.
  82. Northrop D.A., Clayton R.N. (1966) Oxygen–isotope fractionations in systems containing dolomite. J. Geol. 74, 174–196.
  83. Ohmoto H. (1972) Systematics of sulfur and carbon isotopes in hydrothermal ore deposits. Econ. Geol. 67, 551–578.
  84. Ottonello G., Zuccolini M.V. (2009) Ab-initio structure, energy and stable Fe isotope equilibrium fractionation of some geochemically relevant H–O–Fe complexes. Geochim. Cosmochim. Acta 73, 6447–6469. https://doi.org/10.1016/j.gca.2009.06.034.
  85. Pokrovski G.S., Blanchard M., Saunier G., Poitrasson F. (2021) Mechanisms and rates of pyrite formation from hydrothermal fluid revealed by iron isotopes. Geochim. Cosmochim. Acta 304, 281–304.
  86. Polyakov V.B. (1997) Equilibrium fractionation of the iron isotopes: Estimation from Mössbauer spectroscopy data. Geochim. Cosmochim. Acta 61, 4213–4217.
  87. Polyakov V.B. (2009) Equilibrium iron isotope fractionation at core-mantle boundary conditions. Science 323, 912–914. (doi: 10.1126/science.1166329).
  88. Polyakov V.B., Horita J. (2021) Equilibrium carbon isotope fractionation factors of hydrocarbons: Semi-empirical force-field method. Chem. Geol. 559, 119948.
  89. Polyakov V.B., Kharlashina N.N. (1994) Effect of pressure on the equilibrium isotopic fractionation. Geochim. Cosmochim. Acta 58, 4739–4750.
  90. Polyakov V.B., Mineev S.D. (2000) The use of Mössbauer spectroscopy in stable isotope geochemistry. Geochim. Cosmochim. Acta 64 (5), 849–865.
  91. Polyakov V.B., Mineev S.D., Clayton R.N., Hu G. (2005a) Oxygen isotope equilibrium factors involving cassiterite (SnO2): I. Calculation of reduced partition function ratios from heat capacity and X-ray resonant studies. Geochim. Cosmochim. Acta 69, 1287–1300.
  92. Polyakov V.B., Mineev S.D., Clayton R.N., Hu G. Mineev K.S. (2005b) Determination of tin equilibrium isotope fractionation factors from synchrotron radiation experiments. Geochim. Cosmochim. Acta 69, 5531–5536.
  93. Polyakov V.B., Clayton R.N., Horita J., Mineev S.D. (2007) Equilibrium iron isotope fractionation factors of minerals: reevaluation from the data of nuclear inelastic resonant X-ray scattering and Mossbauer spectroscopy. Geochim. Cosmochim. Acta 71 (15), 3833–3846.
  94. Polyakov V.B., Mironenko M.V., Alenina M.V. (2021) Simultaneous calculation of chemical and isotope equilibria using the Geocheq_Isotope software: oxygen isotopes. Geochem. Int. 59 (11), 1090–1115.
  95. Polyakov V.B., Osadchii E.G, Chareev D.A., Chumakov A.I., Sergeev I.A. (2013) Fe β-factors for sulfides from NRIXS synchrotron experiments. Mineral. Mag. 77, 1985.
  96. Polyakov V.B., Soultanov D.M. (2011) New data on equilibrium iron isotope fractionation among sulfides: constraints on mechanisms of sulfide formation in hydrothermal and igneous systems. Geochim. Cosmochim. Acta 75,1957–1974.
  97. Pound R.V., Rebka G.A., Jr. (1960) Variation with temperature of the energy of recoil-free gamma rays from solids. Phys. Rev. Letters 4, 274–275.
  98. Prissel K.B., Krawczynski M.J., Nie N.X., Dauphas N., Aarons S.M., Heard A. W., Hu M.Y., Alp E.E., Zhao, J. (2024). Fractionation of iron and titanium isotopes by ilmenite and the isotopic compositions of lunar magma ocean cumulates. Geochim. Cosmochim. Acta 372, 154–170.
  99. Rabin S., Blanchard M., Pinilla C., Poitrasson F., Gregoire M. (2021) First-principles calculation of iron and silicon isotope fractionation between Fe-bearing minerals at magmatic temperatures: The importance of second atomic neighbors. Geochim. Cosmochim. Acta 304, 101–118.
  100. Roskosz M., Sio C.K.I., Dauphas N., Bi W., Tissot F.L.H., Hu M.Y., Zhao J. and Alp E.E. (2015) Spinel-olivine-pyroxene equilibrium iron isotopic fractionation and applications to natural peridotites. Geochim. Cosmochim. Acta 169, 184–199.
  101. Rouxel O., Shanks, W.C., Bach W., Edwards K.J. (2008) Integrated Fe- and S-isotope study of seafloor hydrothermal vents at East Pacific Rise 9–10 N. Chem. Geol. 252, 214–227.
  102. Rustad J.R., Casey W.H., Yin Q.-Z., Bylaska E.J., Felmy A.R., Bogatko S.A., Jackson V.E., Dixon D.A. (2010) Isotopic Fractionation of Mg2+ (aq), Ca2+ (aq), and Fe2+ (aq) with Carbonate Minerals. Geochim. Cosmochim. Acta 74, 6301–6323.
  103. Rustad J.R., Dixon D.A. (2009) Prediction of iron-isotope fractionation between hematite (a-Fe2O3) and ferric and ferrous iron in aqueous solution from density functional theory. J. Phys. Chem. A 113, 12249–12255.
  104. Rustad J.R., Yin Q.-Z. (2009) Iron isotope fractionation in the Earth’s lower mantle. Nature geoscience 2, 514–518 (doi: 10.1038/ngeo546).
  105. Schauble E.A., Rossman G.R., Taylor H.P., Jr. (2001) Theoretical estimates of equilibrium Fe-isotope fractionations from vibrational spectroscopy. Geochim. Cosmochim. Acta 65 (15), 2487–2497.
  106. Schauble E.A. (2004) Applying stable isotope fractionation theory to new systems. Rev. Mineral. Geochem. 55, 65–112.
  107. Schauble E.A., Young E.D. (2021) Mass dependence of equilibrium oxygen isotope fractionation in carbonate, nitrate, oxide, perchlorate, phosphate, silicate, and sulfate minerals. Rev. Mineral. Geochem. 86, 137–178.
  108. Schuessler, J.A., Schoenberg, R., Behrens, H., von Blanckenburg, F., (2007) The experimental calibration of the iron isotope fractionation factor between pyrrhotite and peralkaline rhyolitic melt. Geochim. Cosmochim. Acta 71 (2), 417–433.
  109. Seto M., Yoda Y., Kikuta S., Zhang X.W., Ando M. (1995) Observation of Nuclear Resonant Scattering Accompanied by Phonon Excitation Using Synchrotron Radiation. Phys. Rev. Lett. 74, 3828–3831.
  110. Seto M., Kitao S., Kobayashi Y., Haruki R., Yoda Y., Mitsui T., Ishikawa T. (2003) Site-specific phonon density of states discerned using electronic states. Phys. Rev. Lett. 91, 185505.
  111. Shahar A., Elardo S.M., Macris C.A. Equilibrium fractionation of non-traditional stable isotopes: an experimental perspective. Rev. Mineral. Geochem. 82, 65–84.
  112. Shahar A., Schauble E.A., Caracas R., Gleason A.E., Reagan M.M., Xiao Y., Shu J., Mao W. (2016) Iron isotope fractionation in the Earth’s lower mantle. Science 352, 580-582 (doi: 10.1126/science.aad8352).
  113. Shahar A., Young E.D., Manning C.E. (2008) Equilibrium high-temperature Fe isotope fractionation between fayalite and magnetite: an experimental calibration. Earth Planet. Sci. Lett. 268, 330–338.
  114. Shiryaev A.A., Polyakov V.B., Rols S., Rivera A., Shenderova O. (2020) Inelastic neutron scattering: A novel approach towards determination of equilibrium isotopic fractionation factors. Size effects on heat capacity and beta-factor of diamond. Physical Chemistry Chemical Physics 22, 13261–13270.
  115. Skulan, J.L., Beard, B.L., Johnson, C.M. (2002) Kinetic and equilibrium Fe isotope fractionation between aqueous Fe(III) and hematite. Geochim. Cosmochim. Acta 66, 2995–3015.
  116. Sossi P.A., O’Neill H.St. C. (2017) The effect of bonding environment on iron isotope fractionation between minerals at high temperature. Geochim. Cosmochim. Acta 196, 121–143.
  117. Struzhkin V.V., Mao H.-K., Mao W.L., Hemley R.J., Sturhahn W., Alp E.E., L’Abbe C., Hu M.Y., Errandonea D. (2004) Phonon density of states and elastic properties of Fe-based materials under compression. Hyp. Interac. 153, 3–15.
  118. Struzhkin V.V., Mao H.K., Hu J.Z., Schwoerer-Bohning M., Shu J. F., Hemley R.J., Sturhahn W., Hu M.Y., Alp E.E., Eng P., Shen G.Y. (2001) Nuclear inelastic X-ray scattering of FeO to 48 GPa. Phys. Rev. Lett. 87, 255501.
  119. Sturhahn W., Alp E.E., Toellner T.S., Hession P., Hu M., Sutter J. (1998) Introduction to nuclear resonant scattering with synchrotron radiation Hyperfine Interactions 113, 47–58.
  120. Sturhahn W., Chumakov A. (1999) Lamb–Mössbauer factor and second-order Doppler shift from inelastic nuclear resonant absorption. Hyperfine Interactions 123/124, 809–824.
  121. Sturhahn W., Toellner T.S., Alp E.E., Zhang X., Ando M., Yoda Y., Kikuta S., Seto M., Kimball C.W., Dabrowski B. (1995) Phonon Density of States Measured by Inelastic Nuclear Resonant Scatterin Phys. Rev. Lett. 74, 3832–3835.
  122. Syverson D. D., Borrok D.M., Seyfried W.E. (2013) Experimental determination of equilibrium Fe isotopic fractionation between pyrite and dissolved Fe under hydrothermal conditions. Geochim. Cosmochim. Acta 122, 170–183.
  123. Syverson D.D., Luhmann A.J., Tan C., Borrok D.M., Ding K., Seyfried W.E. (2017) Fe isotope fractionation between chalcopyrite and dissolved Fe during hydrothermal recrystallization: An experimental study at 350oC and 500 bars. Geochim. Cosmochim. Acta 200, 87–109.
  124. Thirring H. (1913) Zur Theorie der Raumgitterschwingungen und der spezifischen Wärme fester Körper. Phys. Z. 14, 867–873.
  125. Thirring H. (1914) Raumgitterschwingungen und spezifischen Wärme fester Körper. I. Phys. Z. 15, 127–133.
  126. Voronin M.V., Polyakov V.B., Osadchii E.G., Sipavina L.V. (2023) Equilibrium iron isotope factors for troilite from mössbauer spectroscopy data: A new evaluating technique. Experiment in GeoSciences 29, 70–74.
  127. Welch S.A., Beard B.L., Johnson C.M., Braterman P.S. (2003) Kinetic and equilibrium Fe isotope fractionation between aqueous Fe(II) and Fe(III). Geochim. Cosmochim. Acta 67, 4231–4250.
  128. Wiesli R.A., Beard B.L., Johnson C.M. (2004) Experimental determination of Fe isotope fractionation between aqueous Fe(II), siderite and “green rust” in abiotic systems. Chem. Geol. 211, 343–362.
  129. Williams K.B., Krawczynski M.J., Nie N.X., Dauphas N., Couvy H., Hu M.Y., Alp E.E. (2016) The role of differentiation processes in mare basalt iron isotope signatures. Lunar Planet. Sci. Conf. 47, 2779. https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2016/pdf/2779.pdf
  130. Ye H., Wu C., Brzozowski M.J., Yang T., Zha X., Zhao S., Gao B., Li W. (2020) Calibrating equilibrium Fe isotope fractionation factors between magnetite, garnet, amphibole, and biotite. Geochim. Cosmochim. Acta 271, 78–95.
  131. Young E.D., Tonui E., Manning C.E., Schauble E.A., Macris C.A. (2009) Spinel–olivine magnesium isotope thermometry in the mantle and implications for the Mg isotopic composition of Earth. Earth Planet. Sci. Lett. 288, 524–533.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. β-факторы для металлического железа (α-Fe), полученные разными методами.

Скачать (121KB)
Метаданные
3. Рис. 2. β-факторы железа для гематита, полученные разными методами. Погрешности отвечают интервалу 1σ. Затененная область на рисунке маркирует значения β-факторов, которые рассчитаны методом функционала плотности с использованием различных приближений.

Скачать (115KB)
Метаданные
4. Рис. 3. β-факторы магнетита (а) и равновесный коэффициент фракционирования гематит-магнетит (б), определенные разными методами. 1)по данным (Поляков и др., 2001; Polyakov et al., 2007) – гематит, (Mineev et al., 2007) – магнетит, мессбауэровская спектроскопия; 2)по данным (Dauphas et al., 2012, 2017) – гематит, ЯНГРР, (Mineev et al., 2007) – магнетит, мессбауэровская спектроскопия; 3)по данным (Blanchard et al., 2009) – гематит, расчет из “первых принципов”, (Mineev et al., 2007) – магнетит, мессбауэровская спектроскопия; 4)по данным (Polyakov et al., 2007) – гематит, мессбауэровская спектроскопия, (Rabin et al., 2021) – магнетит, расчет из "первых принципов"; 5)по данным (Dauphas et al., 2012, 2017) – гематит, ЯНГРР, (Rabin et al., 2021) – магнетит, расчет из "первых принципов"; 6)по данным (Blanchard et al., 2009) – гематит, (Rabin et al., 2021) – магнетит, расчет из "первых принципов"; 7)по данным (Frierdich et al., 2019) – гематит удельная поверхность 7 м2/г, (Frierdich et al., 2014b) – магнетит, изотопный обмен минералов с Feaq 2+; 8)по данным (Frierdich et al., 2019) – гематит удельная поверхность 32 м2/г, (Frierdich et al., 2014b) – магнетит, изотопный обмен минералов с Feaq 2+; 9)по данным (Frierdich et al., 2019) – гематит удельная поверхность 60 м2/г, (Frierdich et al., 2014b) – магнетит, изотопный обмен минералов с Feaq 2+; 10)по данным (Skulan et al., 2002) – изотопный обмен гематит – Feaq 3+ , (Welch et al., 2003) – изотопный обмен гематит Feaq 2+ – Feaq 3+ , (Frierdich et al., 2014b) – изотопный обмен магнетит – Feaq 2+.

Скачать (297KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Равновесное фракционирование изотопов железа между гетитом и гематитом. μ-гетит – кристаллы гетита микронного размера; n-гетит – наноразмерные кристаллы гетита.

Скачать (179KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Равновесное фракционирование между магнетитом и оксидами двухвалентного железа по данным GEOCHEQ_Isotope.

Скачать (358KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Сравнение β-факторов железа для фаялита и форстерита, полученных разными методами. (а) Сравнение γ-резонансных и расчетных методов оценки β-факторов. (б) Сравнение равновесного изотопного сдвига между магнетитом и фаялитом, полученного разными методами, с экспериментами по изотопному обмену.

Скачать (288KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Результаты измерения температурного сдвига (SOD) в спектрах Мессбауэра (а) и сравнение β-факторов железа для эгирина, рассчитанных “из первых принципов” и определенных по результатам мессбауэровских измерений (б). При температурах, превышающих 200 K, квантовая добавка в SOD становится малой и наблюдаются “скачки” в температурной зависимости квантовой части SOD. Это приводит к неправильной оценке температуры Мессбауэра (см. текст), результаты оценки которой существенно различаются: 539 K при использовании всех шести измерений и 479 K при использовании только трех низкотемпературных измерений. Последняя оценка приводит к значениям β-факторов железа для эгирина, которые согласуются с результатами расчетов “из первых принципов”.

Скачать (231KB)
Метаданные
9. Рис. 8. 56Fe/54Fe фракционирование между ильменитом (а) и магнетитом (б) и Fe2+-гранатом (альмандином).

Скачать (265KB)
Метаданные
10. РИС. 9. β-факторы железа для пирита, измеренные различными методами.

Скачать (141KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Температурные зависимости β-факторов железа для троилита и пирротина.

Скачать (168KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Температурные зависимости β-фактора железа для халькопирита, полученные разными методами (а) и сравнение фракционирования изотопов железа между пиритом и халькопиритом по данным ЯНГРР с результатами эксперимента по изотопному обмену (б). Указанные погрешности отвечают диапазону 1σ.

Скачать (261KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Сравнение равновесных коэффициентов разделения изотопов железа, полученных в экспериментах по изотопному обмену, с коэффициентами, рассчитанными по β-факторам, включенным в базу данных GEOCHEQ_Isotope. (а) Между минералами и растворенным в воде закисным (Fe2+) железом. (б) Между гематитом и растворенным в воде окисным (Fe3+) железом. Для сравнения приведены данные по равновесному фракционированию изотопов между водными комплексами Fe(III) и Fe(II). Показанные экспериментальные погрешности соответствуют интервалу 1σ.

Скачать (211KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Зависимость мольных количеств основных компонентов гидротермальной системы (а) и их изотопных эффектов углерода (б), кислорода (в) и железа (г) от давления. Т = 200С. На рисунке (а) левая ось относится только к мольным количествам воды (жидкость и газ).

Скачать (414KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024