Система Fe2o3-Fe3c

Эксперимент 1603/2-А4, Т=1000ºС

Образец 1603/2-А4 представляет собой поликристаллический агрегат вюстита. Кристаллы изометричные (округлые), размером от 10 до 50 мкм. В образце видны реакционные структуры замещения когенита вюститом, при котором происходило образование графитовых кайм (рис. 3.6a).

Эксперимент 1599/2-А4, Т=1300ºС

Образец 1599/2-А4 состоит из поликристаллического агрегата вюстита, с размером кристаллов 50-100 мкм (рис. 3.6b). Кристаллы изометричные (округлые). Также в образце установлены кристаллы графита, размером 10-20 мкм и их агрегаты.

Эксперимент 1598/2-В, Т=1500ºС

Образец 1598/2-В представляет собой поликристаллический агрегат вюстита. В образце установлены кристаллы графита и непрореагировавшие зерна когенита (рис.3.6c).

Кристаллы вюстита изометричные, размером 50-200 мкм. кристаллы карбида имеют округлую форму, размер 30-50 мкм. По данным микрозондового анализа, содержание углерода в карбиде ~6,8 вес.% (табл.3.2).

Эксперимент 1602/2-В, Т=1600ºС

Образец 1602/2-А4 представлен поликристаллическим агрегатом вюстита, с размером кристаллов 100-300 мкм, отдельные кристаллы достигают размером 500 мкм (рис. 3.6d). В образце установлены кристаллы графита, которые выполняют реакционные каймы, образованные за счет замещения когенита вюститом.

Рис. 3.6 РЭМ-микрофотографии фрагментов реакционных ампул:

а – Пришлифованная поверхность реакционной ампулы, вертикальное сечение. Реакционная кайма графита, образовавшаяся при замещении когенита вюститом. (система Fe₃C-Fe₂O₃, эксп. 1603/2-А4, T=1000ºC).

b – Пришлифованная поверхность реакционной ампулы, вертикальное сечение. (система Fe₃C-Fe₂O₃, эксп. 1599/2-А4, T=1300ºC).

с - Поликристаллический агрегат вюстита, с отдельными кристаллами графита и когенита. (система Fe₃C-Fe₂O₃, эксп. 1598/2-В, T=1500ºC).

d - Пришлифованная поверхность реакционной ампулы, горизонтальное сечение. (система Fe₃C-Fe₂O₃, эксп. 1602/2-А4, T=1600ºC).

Рис. 3.7 Энергетические дисперсионные спектры продуктов экспериментов, проведенных с использованием графитовых ампул, при давлении 6,3 ГПа в системе Fe₂O₃-Fe₃С:

а – Карбид железа (эксп. 1598/2-В, Т=1500^оС)

b – Вюстит (спектр является типичным, для всей серии экспериментов в данной системе)

Система Fe2o3-Fe3c-SiO2-MgO

Эксперимент 1603/2-А5, Т=1000ºС.

Образец 1603/2-А5 состоит из поликристаллического агрегата оливина, магнезиовюстита, коэсита и ортопироксена. Ортопироксен и оливин образуют реакционные каймы вокруг реликтов SiO₂ (коэсита) (рис. 3.8a).

Магнезиовюстит занимает около 50% объема реакционной ампулы, по составу фаза однородна во всем объеме ампулы, концентрация MgO составляет 2,4 вес.%. Кристаллы магнезиовюстита изометричны, размером 10-30 мкм, отдельные кристаллы достигают размера 200 мкм. Оливин занимает 30% объема реакционной ампулы, состав неоднороден – концентрация FeO составляет 42-46 вес.%, кристаллы изометричные (округлые), размером 10-30 мкм. Ортопироксен образует реакционные каймы, на контакте между коэситом и оливином. Размер кристаллов ортопироксена составляет 10-20 мкм, кристаллы изометричные. Концентрация FeO в фазе достигает 24 вес.%.

Также в образце отчетливо видны каймы замещения когенита магнезиовюститом (рис. 3.8b)

а

b

с

dn

Рис. 3.8 Фрагменты реакционной ампулы образца (a,b) 1603/2-A5 (T=1000^oС) и энергетические дисперсионные спектры полученных фаз (c,d,e)

а – Реакционная кайма ортопироксена и оливина вокруг кристаллов коэсита

b – Реакционная кайма графита, образовавшаяся при замещении когенита вюститом

c – Магнезиовюстит

d – Оливин

e - Ортопироксен

e

Эксперимент 1599/2-А5, Т=1300ºС

В образце 1599/2-А5 основными фазами являются магнезиовюстит, оливин, также в образце установлены кристаллы графита и когенита (рис. 3.10а).

Оливин занимает 55% объема реакционной ампулы, состав фазы однороден во всем объеме ампулы, концентрация FeO составляет 47 вес.%. Кристаллы оливина изометричные, размер кристаллов 20-100 мкм. Магнезиовюстит имеет однородный состав во всем объеме, концентрация MgO равна 3 вес.%. Кристаллы данной фазы изометричные, размером 30-80 мкм, отдельные кристаллы достигают размеров 200 мкм. Содержание углерода в когените 6,64 вес.%, кристаллы округлые, размером 10 мкм.

Эксперимент 1598/2-А5, Т=1500ºС

Образец 1598/2-С представляет собой поликристаллический агрегат магнезиовюстита, оливина и когенита (рис. 3.10b).

Магнезиовюстит занимает 30% объема реакционной ампулы. Состав магнезиовюстита однороден во всем объеме реакционной ампулы, концентрация MgO составляет 4,62 вес.%. Кристаллы изометричные, размером 30-60 мкм. Оливин занимает 70% объема реакционной ампулы, состав фазы однороден. Содержание FeO 43,64 вес.%. Кристаллы округлые, размером 50-90 мкм. Концентрация углерода в карбиде 6,9 вес.%, кристаллы размером 30 мкм, некоторые достигают 100 мкм.

В краевых частях реакционного объема и в интерстициях между кристаллами была установлена силикат-оксидная закалочная фаза (рис. 3.10с).

Эксперимент 1602/2-А5, Т=1600ºС

Образец 1602/2-А5 представляет собой поликристаллический агрегат, состоящий из оливина, магнезиовюстита, когенита и графита. (рис. 3.10d) В образце установлена закалочная фаза силикат-оксидного расплава.

Магнезиовюстит занимает 55% объема реакционной ампулы. Кристаллы изометричные, размером 60-150 мкм. Состав фазы однороден во всем объеме ампулы, концентрация MgO составляет 8,9 вес.%. Оливин занимает 35% объема ампулы. Кристаллы оливина изометричные, размер кристаллов 80-200 мкм. Состав фазы однороден, концентрация FeO составляет 33,41 вес.%. Кристаллы когенита имеют округлую форму, размер 20-50 мкм, отдельные достигают 100 мкм.

Рис. 3.11 Энергетические дисперсионные спектры продуктов экспериментов, проведенных в графитовых ампулах, в системе Fe₂O₃-Fe₃С-SiO₂-MgO при давлении 6,3 ГПа:

а – Магнезиовюстит (Т=1300^оС). b – Магнезиовюстит (Т=1500^оС).

c – Магнезиовюстит (Т=1600^оС). d – Оливин (Т=1300^оС).

e – Оливин (Т=1500^оС). f – Оливин (Т=1600^оС).

Таб. 3.2 Химический состав фаз экспериментов, проведенных при 6,3 ГПа, в системе Fe3C-Fe2O3, по данным EDS-спектроскопии
№ эксп.	Т, Сº	t, ч	Материал ампулы	Фаза	Составы, вес.%
					SiO2	FeO	MgO	Total
1603/2-A4	1000	18	Графит	Ws	-	97,6	-	97,6
					-	96,4	-	96,4
1593/2-А4	1100	20	Тальк	OРx	58,5	0,5	38,2	97,2
				Ol	33,1	42,2	21,6	96,9
1592/2-A4	1200	20	Тальк	OPx	58	3,2	36,3	97,5
					56,5	4,3	34,7	95,5
1599/2-A4	1300	18	Графит	Ws	-	96,2	-	96,2
					-	96,1	-	96,1
1588/2-B	1400	18	MgO	MWs	-	69,5	27,3	96,8
					-	73,4	23,2	96,6
1598/2-B	1500	18	Графит	Ws	-	96,1	-	96,1
					-	95,4	-	95,4
1602/2-A4	1600	18	Графит	Ws	-	96,8	-	96,8
					-	96,4	-	96,4
Ol - оливин, Ws - вюстит, MWs - магнезиовюстит, OРx - oртопироксен

Таблица 3.3 Химический состав продуктов экспериментов, проведенных при 6,3 ГПа, в системе Fe3C-Fe2O3-SiO2-MgO по данным микрозондового анализа и энергодисперсионной спектроскопии.
№ эксп.	Т, ºС	t, ч	Материал ампулы	Фаза	Составы, вес.%
					SiO2	FeO	MgO	Сумма
1603/2-А5	1000	18	Графит	MWs	-	97,41	2,49	99,9
				Ol	32,93	47,99	18,23	99,15
				OPx	47,96	44,41	7,08	99,45
				OPx	53,23	24,41	21,79	99,43
1593/2-А5	1100	20	Тальк	MWs	-	96,9	3	99,9
				Ol	33,43	46,1	20,5	100,03
1592/2-А5	1200	20	Тальк	MWs	-	95,94	3,11	99,05
				Ol	33,1	45,5	21,3	99,9
1599/2-А5	1300	18	Графит	MWs	-	96,06	3,21	99,27
				Ol	33,19	44,76	21,74	99,69
1588/2-С	1400	18	MgO	MWs	-	95,7	3,7	99,4
				Ol	33,8	44,45	22	100,25
1598/2-С	1500	18	Графит	MWs	-	95,07	4,62	99,69
				Ol	34,18	43,64	22,12	99,94
				Lsil-ox	23,87	61,52	6,63	92,02
1602/2-А5	1600	18	Графит	MWs	-	90,68	8,9	99,58
				Ol	36,04	33,41	30,26	99,71
				Lsil-ox	24,11	60,34	8,03	92,48
MWs - магнезиовюстит, OPx - ортопироксен, Ol - оливин, Lsil-ox - силикатно-оксидный расплав

Результаты исследования продуктов экспериментов, проведенных с использованием ампул из графита, при 6,3 ГПа, интервале температур 1000-1600 ^оС и длительностью 18 часов показали, что взаимодействия между ампулами и исходными реактивами во всем интервале температур не происходило. Таким образом, графит является наиболее оптимальным материалом ампул для данных исследований, и именно поэтому основная серия экспериментов была проведена с использованием графитовых ампул.

В экспериментах в системе Fe₃C-Fe₂O₃, во всем интервале температур образовывался вюстит и графит. В эксперименте при 1500 ^оС кроме вюстита и графита образовывался когенит.

В системе Fe₃C-Fe₂O₃-SiO₂-MgO во всем интервале образовывалась ассоциация магнезиовюстит-оливин-графит. В низкотемпературном эксперименте (1603/2-А5, Т=1000 ^оС), в продуктах эксперимента установлен коэсит, который является реликтом SiO₂, оставшимся в результате того, что исходные реактивы не прореагировали полностью. Вокруг коэсита образовывались реакционные каймы ортопироксена и оливина. Это означает, что 18 часов, при данной температуре, было недостаточно для наступления равновесия. В интервале температур 1300 - 1600 ^оС кроме магнезиовюстита, оливина и графита также образовывался метастабильный когенит. В интервале 1500 - 1600 ^оС, происходило образование силикатно-оксидного расплава. Для расплава, с повышением температуры установлено снижение концентрации железа, увеличение кремнекислотности. Для таких фаз, как магнезиовюстит и оливин также установлены закономерности изменения составов с повышением температуры. На рисунке 3.12, 3.13 видно, что с повышением температуры, содержание железа в данных фазах уменьшается.

Метастабильный графит образовывался во всем интервале температур. Было установлено, что графит образовывался при замещении когенита вюститом. То есть процесс взаимодействия карбид-оксид, при мантийных P,T- параметрах, является углерод-продуцирующим. Образование такой ассоциации, как магнезиовюстит или вюстит – когенит в экспериментах, свидетельствуют о том, что фугитивность кислорода находилась в области близкой к буферу IW.

Рис. 3.12 Изменение железистости оливина, при повышении температуры от 1000 до 1600 ^оС.

Рис. 3.13 Изменение железистости магнезиовюста, при повышении температуры от 1000 до 1600 ^оС.