Научная статья на тему 'ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ИЗОТРОПНЫХ ВЕЩЕСТВ КАК МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЖИМАЕМОСТИ СТЕКОЛ (РАСПЛАВОВ) И СТЕПЕНИ ДЕПОЛИМЕРИЗАЦИИ ИХ СТРУКТУРЫ'

ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ИЗОТРОПНЫХ ВЕЩЕСТВ КАК МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЖИМАЕМОСТИ СТЕКОЛ (РАСПЛАВОВ) И СТЕПЕНИ ДЕПОЛИМЕРИЗАЦИИ ИХ СТРУКТУРЫ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
94
8
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СИЛИКАТНЫЕ СТЕКЛА / ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / УПРУГИЕ СВОЙСТВА / ВЫСОКИЕ ДАВЛЕНИЯ / GLASSES / OPTICAL PROPERTIES / ELASTIC PROPERTIES / HIGH PRESSURE

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Куряева Р.Г.

В статье подведен итог многолетней работы по исследованию влияния давления на оптические и плотностные свойства силикатных стекол системы SiO2 - Al2O3(MgO) - CaO(Na2O). В основе цикла статей лежит получение данных по сжимаемости силикатных стекол в интервале давлений до 6.0 ГПа по экспериментально полученным значениям показателя преломления с последующим расчетом величины (d-d0)/d, c использованием теории фотоупругости. Автором показано, что разработанная в лаборатории методика определения сжимаемости позволяет сопоставить плотностные свойства стекол (расплавов) разных составов и найти закономерности их изменения в зависимости от степени деполимеризации их структуры. Эти исследования являются важным шагом на пути получения данных по плотностным свойствам расплавов, в том числе и магматических, без проведения трудоемких экспериментов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Куряева Р.Г.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MEASUREMENT OF THE REFRACTIVE INDEX OF ISOTROPIC SUBSTANCES AS A METHOD FOR DETERMINING THE COMPRESSIBILITY OF GLASSES (MELTS) AND THE DEGREE OF DEPOLYMERIZATION OF THEIR STRUCTURE

The article summarizes many years of work to study the effect of pressure on optical properties and density of silicate glasses in the system SiO2 - Al2O3(MgO) - CaO(Na2O). The cycle of works is based on experimental data on the compressibility of silicate glasses in the pressure range up to 6.0 GPa. This process involves measuring the refractive index n of glasses with an error of ±0.002 and calculating the relative change in the density ( d - d0 )/ d, with an average error of ±0.0035. The refractive indices were measured using a polarization-interference microscope and a high-pressure apparatus with diamond anvils. The changes in the relative density characterizing the compressibility of glasses were estimated from the measured refractive indices within the framework of the theory of photoelasticity. The author shows that the method of measuring the refractive index of isotropic substances developed in the laboratory and the method of calculating the relative change in the density under pressure allow comparing the density properties of glasses of different compositions and finding the regularities of their changes depending on the degree of depolymerization of their structure. This study is an important step towards obtaining data on the density properties of melts, including magmatic, without time-consuming experiments.

Текст научной работы на тему «ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ИЗОТРОПНЫХ ВЕЩЕСТВ КАК МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЖИМАЕМОСТИ СТЕКОЛ (РАСПЛАВОВ) И СТЕПЕНИ ДЕПОЛИМЕРИЗАЦИИ ИХ СТРУКТУРЫ»

УДК 550.4.02+550.8.05

ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ИЗОТРОПНЫХ ВЕЩЕСТВ КАК МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЖИМАЕМОСТИ СТЕКОЛ (РАСПЛАВОВ) И СТЕПЕНИ ДЕПОЛИМЕРИЗАЦИИ ИХ СТРУКТУРЫ

© Р. Г. Куряева

Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН Россия, 630090 г. Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 3.

Тел.: +7 (383) 333 29 71.

Email: rufina@igm.nsc.ru

В статье подведен итог многолетней работы по исследованию влияния давления на оптические и плотностные свойства силикатных стекол системы SiO2 - Al2O3(MgO) -CaO(Na2O). В основе цикла статей лежит получение данных по сжимаемости силикатных стекол в интервале давлений до 6.0 ГПа по экспериментально полученным значениям показателя преломления с последующим расчетом величины (d-d0)/d, c использованием теории фотоупругости. Автором показано, что разработанная в лаборатории методика определения сжимаемости позволяет сопоставить плотностные свойства стекол (расплавов) разных составов и найти закономерности их изменения в зависимости от степени деполимеризации их структуры. Эти исследования являются важным шагом на пути получения данных по плот-ностным свойствам расплавов, в том числе и магматических, без проведения трудоемких экспериментов.

Ключевые слова: силикатные стекла, оптические свойства, упругие свойства, высокие давления.

Введение

Силикатные стекла являются особым классом материалов, свойства которых тесно связаны со свойствами расплавов, закалкой которых (возможно с последующим отжигом) получены эти стекла. Силикатные стекла нашли многостороннее применение в науке, технике и быту благодаря их дешевизне, доступности, сравнительной простоте промышленного производства и большому разнообразию свойств. Для получения разнообразных свойств стекол оксиды различных элементов добавляют к основному компоненту SiO2. Каждая составляющая стекла придает ему определенные свойства. Например, известно, что введение СаО, М^О, 2иО повышает химическую стойкость и механическую прочность стекла, а введение практически любых катионов щелочных и щелочноземельных элементов понижает температуру стеклования и увеличивает коэффициент термического расширения [1-2].

Особый интерес представляют стекла (расплавы), которые, наряду с другими оксидами, содержат А12О3. Общепринято, что ионы А13+, так же как ионы Si4+, являются сеткообразователями, и, при достаточном количестве щелочных (М+) и щелочноземельных (М2+) катионов, ионы А13+ имеют тетраэдрическую координацию. Изменение состава стекол и расплавов влияет на свойства, зависящие от степени полимеризации, такие как вязкость [3-5] или сжимаемость [6-8]. Например, для стекол системы А12О3-М(М2)О-^Ю2, с соотношением А12О3/М(М2)О = 1, увеличение содержания кремнезема приводит к увеличению вязкости [3; 5] и сжимаемости [6-9]. Изменение соотношения А12О3/М(М2)О в ту или другую сторону

от соотношения А12О3/М(М2)О = 1 приводит к уменьшению сжимаемости алюмосиликатных стекол [7; 10]. Алюмосиликатные стекла системы А12О3-М(М2)О^Ю2, содержащие катионы щелочноземельных элементов, имеют меньшую сжимаемость по сравнению со стеклами, содержащими катионы щелочных металлов [11-13]. И, наконец, замена катиона на К+ в составе стекла МА^3О8 сопровождается увеличением сжимаемости [14]. Степень полимеризации является одним из наиболее важных параметров, контролирующих плотностные свойства силикатных стекол и расплавов.

Данная статья завершает серию работ по исследованию показателя преломления и плотност-ных свойств стекол системы A12O3(MgO)• Са(№2)О-^Ю2 с одинаковым мольным содержанием А12О3 (MgO) и Са(№2)О в интервале давлений до 6.0 ГПа. Целью данной работы было обобщить полученные данные и показать, что измерение показателя преломления под давлением является инструментом, позволяющим не только определить сжимаемость стекол (расплавов), но и степень деполимеризации исследуемого объекта, которая характеризует связность структуры.

Методика измерения показателя преломления и расчет относительного изменения плотности (сжимаемости).

Для измерения необходимо изготовить тонкие (15-30 мкм) плоскопараллельные пластинки стекол. Методика измерения показателя преломления при атмосферном и высоких гидростатических давлениях подробно описана в работе [15]. Для измерения используется поляризационно-интерференционный микроскоп и аппарат высо-

кого давления с алмазными наковальнями. Поля-ризационно-интерференционный микроскоп позволяет измерять оптическую разность хода, вызванную измеряемым образцом, которая изменяется по мере увеличения давления. Оптическая разность хода Ф и показатели преломления объекта пх и окружающей среды п, в данном случае смеси спиртов метанол-этанол 4:1, связаны соотношением:

Ф = (пх - п)Г

(1)

При увеличении давления происходит уменьшение Ф вследствие меняющегося соотношения показателей преломления объекта пх и окружающей среды п (показатель преломления жидкости под давлением увеличивается значительно быстрее показателя преломления стекла). Чтобы определить пх, необходимо знать разность хода Ф, показатель преломления среды п и толщину образца Ь при каждом давлении. Ф измеряется экспериментально при каждом давлении. Показатель преломления смеси «метанол-этанол» (4:1) при атмосферном давлении и комнатной температуре, п0, измеряли с использованием рефрактометра с ошибкой оп0 = ±0.0002. Изменение показателя преломления смеси спиртов при каждом давлении определяется по уравнению:

Ап = АР + БРт +СРт (2)

с константами А = -0.0222 ГПа, Б = 0.2134 ГПа1/2 С = -0.075 ГПа1/3. Зависимость от давления показателя преломления смеси спиртов была получена в работах [16-17]. Ошибка измерения показателя преломления смеси спиртов в интервале давлений до 6.0 ГПа составляла ап = ±0.001. Толщина образца Ь, полученная при атмосферном давлении, была использована при расчете Ф при давлениях до 6.0 ГПа. Изменение толщины образца под давлением не учитывалось, так как согласно оценке, сделанной для силикатных стекол нескольких составов [16-17], изменение толщины стекол в изученной области давлений вносит в расчеты показателя преломления систематическую ошибку, которая сравнима с ошибкой измерения. Давление определяли по сдвигу Я1 линии люминесценции рубина [18-19]. Погрешности определения давления и показателя преломления составляли аР = +0.05 ГПа и апх = + 0.003.

Значения относительной плотности стекол рассчитываются из экспериментальных значений показателей преломления с применением теории фотоупругости Мюллера [20] по уравнению:

Ай/й = 6пАп/(п2 - 1)(п2 + 2)(1 -Л)

(3),

где Л = -(АЯ/К0)/(Ай/й) - поляризационно-дефор-мационный фактор Мюллера. Для алюмосиликат-ных и магнийсиликатных стекол получены значения деформационно-поляризационного фактора Л = 0.24 [21] и Л = 0.2 [22] соответственно.

В достоверности данных, полученных методом измерения показателя преломления, можно убедиться, если сравнить плотности стекла кремнезема, полученные разными методами, включая наш метод [16; 23], (рис. 1). Как видно из рис. 1, все данные имеют близкие значения.

Рис. 1. Зависимость плотности стекла кремнезема (й) от давления (Р): черные ромбы - наши данные, полученные методом измерения показателя преломления [16]; крестики - данные Бриджман [24]; пустые квадраты - данные Сасакура и др., [25]; треугольники - данные Шроедер [26]; заполненные квадраты - данные Тсиок [27].

Результаты и их обсуждение

Данные, изложенные в серии статей по исследованию показателя преломления и сжимаемости стекол системы 8Ю2-Л1203(М^)-Са0(№20) [9-13; 22-23; 28-32], показали: 1) для стекол, содержащих в своем составе одинаковые компоненты, увеличение содержания 8Ю2 приводит к увеличению сжимаемости; 2) магний-силикатные стекла этой системы менее сжимаемы, чем алю-мосиликатные стекла такого же мольного состава; 3) натрийсодержащие стекла при прочих равных условиях имеют большую сжимаемость, чем кальций-содержащие стекла. Однако чтобы сопоставить характеристики сжимаемости стекол системы 8Ю2-Л1203(М^)-Са0(№20) и найти закономерности изменения свойств с составом, необходимо выбрать параметр, связанный со структурой стекол (расплавов). В качестве основы был взят структурно-химический параметр ЫБО/Т, связанный с числом немостиковых атомов кислорода (ЫБО), характеризующий степень деполимеризации структурной сетки, который был использован в работе [33], чтобы описать структуру стекол и расплавов. Этот параметр определяется по формуле:

ЫБО/Т = (2О - 4Т)/Т (4),

где Т - общее число грамм-ионов сеткообразовате-лей, О - число грамм-ионов кислорода в стекле или в расплаве.

Работы ряда современных авторов (например, [4; 34-35]) изменили представление о структуре алюмосиликатных стекол (расплавов) как состоящих только из четырехкоординированных сеткооб-разователей и двухкоординированных ионов кислорода. Оказалось, что алюминий может иметь координационное число (к.ч.) не только равное четырем, но и к.ч. = 5 и 6. Ионы кислорода могут быть не только двухкоординированы, но и трехко-ординированы (в случае образования трикласте-ров). В наших работах [9; 13] формула (4) была трансформирована с учетом образования трикла-стеров, высококоординированного алюминия и роли ионов магния как сеткообразователя и модификатора [30-32]. В этом случае выражение для структурного параметра имеет вид:

ЫБО/Т = [2О + 301 - 4(Т- Ту)]/ (Т- Т-) (5),

где 0г - число грамм-ионов трикластерного кислорода, Ту - число грамм-ионов сеткообразователя, имеющих координационное число больше четырех.

В обсуждаемой серии статей [9-13; 22-23; 28-32] исследовались преимущественно стекла, содержащие равные мольные количества А1203(М^) и Са0(№20), то есть высокополимеризованные стекла. Структура стекол подобных составов была изучена различными методами, такими, как измерение вязкости [36], рамановская спектроскопия [37-38], калориметрические измерения [39-40], рентгеновский анализ [41] и др. Исследования ряда стекол (например, состава анортита [42]) показали присутствие небольших количеств высококоординирован-ного алюминия и немостиковых атомов кислорода. Для магний-силикатных стекол было показано, что 2/3 ионов магния являются сеткообразователями, а 1/3 - модификаторами [43]. На основании экспериментальных данных, используя общую формулу (5) для стекол, исследованных в представленной серии статей, были рассчитаны значения ЫБО/Т, характеризующие степень деполимеризации структуры стекол. Зависимость относительного изменения плотности стекол (й - йд)/й, при Р = 4.0 ГПа от степени их деполимеризации, ЫБО/Т, полученная в работе [31], представлена на рис. 2.

Эта зависимость позволяет не только определять степень деполимеризации стекол (ЫБО/Т) по экспериментально полученным значениям сжимаемости, но и решать обратную задачу. По полученной зависимости при условии правильного расчета степени деполимеризации, можно определить сжимаемость стекла известного состава, не прибегая к эксперименту.

Учитывая специфику нашего Института (Институт геологии и минералогии), методика определения плотностных свойств стекол разрабатывалась с целью получения данных для магматических расплавов. В работе [23] были сравнены плотностные свойства стекол и расплавов. В качестве характеристики плотностных свойств были использованы

величины начального объемного модуля стекол и расплавов, К0 (рис. 3).

0.16 -,

0.04 -I-,-,-,-,-,

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

ыво/т

Рис. 2. Корреляция между степенью деполимеризации (ЫБО/Т) и изменением относительной плотности (сжимаемостью, (й -й0)/й)) для стекол при давлении 4.0 ГПа: ромбы - алюмосиликатные стекла [9-12, 32]; квадраты -магний-силикатные стекла [22; 31-32; 44].

25

10 -5 -

О -I-1-1-1-1-1

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

ыво/т

Рис. 3. Корреляция между начальным объемным модулем К,(Т),0 и степенью деполимеризации ЫБО/Т для силикатных стекол и расплавов (данные взяты из работы [23] табл. 2): квадраты - данные для расплавов, ромбы и крестики - данные для стекол.

Как видно из рис. 3, стекла и расплавы с более высокой степенью деполимеризации (ЫБО/Т > 3) имеют более близкие значения начального объемного модуля, чем стекла и расплавы более полиме-ризованные (ЫБО/Т < 3). Поскольку расплавы сложных составов, включая магматические, как правило, имеют довольно высокие значения степени деполимеризации (например, природное стекло толеитового базальта характеризуется значением

NBO/T = 0.32), можно считать, что K0 таких стекол применимо для определения K0 расплавов сходного состава. Однако при близких значениях K0 расплавы имеют более высокую сжимаемость, чем стекла, что объясняется меньшим значением производной объемного модуля K' расплавов по сравнению со стеклами, что можно учесть при расчете относительной плотности расплава d/d0 по уравнению Бирча-Мурнагана [23].

Заключение

Показано, что разработанный в нашей лаборатории метод измерения показателя преломления изоморфных веществ является простым и точным методом определения сжимаемости стекол. За годы исследования силикатных стекол был накоплен большой практический материал, который позволил найти зависимость сжимаемости силикатных стекол от степени деполимеризации их структурной сетки, которая, в свою очередь, может быть использована для оценки сжимаемости расплавов, в том числе магматических.

Автор выражает благодарность своим коллегам-соавторам по обсуждаемому циклу работ Н. В. Суркову,

H. В. Дмитриевой и В. А. Киркинскому за плодотворное сотрудничество.

Статья подготовлена в рамках выполнения научно-исследовательской работы в Институте геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН (проект №03302016-0012).

ЛИТЕРАТУРА

I. Аппен А. А. Химия стекла. Ленинград: Химия, 1974. 350 с.

2. Роусон Г. Неорганические стеклообразующие системы. М.: Мир, 1970. 312 с.

3. Hochella M. F., Brown G. E. Structure and viscosity of rhyo-litic composition melts // Geochim. Cosmochim. Acta. 1984. Vol. 48. P. 2631-2640.

4. Toplis M. J., Dingwell D. B., Lenci T. Peraluminous viscosity maxima in Na2O-Al2O3-SiO2 liquids: The role of triclusters in tectosilicate melts // Geochim. Cosmochim. Acta. 1997. Vol. 61. P. 2605-2612.

5. Kushiro I. Change in viscosity with pressure of melts in the system CaO-Al2O3-SiO2 // Carnegie Institution of Washington Year Book 1980-1981. 1981. P. 339-341.

6. Webb S., Courtial P. Compressibility of melts in the CaO— Al2O3—SiO2 system // Geochim. Cosmochim. Acta. 1996. Vol. 60. P. 75-86.

7. Kress V. C., Williams Q., Carmichael I. S. I. Ultrasonic investigation of melts in the system Na2O—Al2O3—SiO2 // Geochim. Cosmochim. Acta. 1988. Vol. 52. P. 283-292.

8. Куряева Р. Г., Киркинский В. А. Влияние степени связности кремнекислородного каркаса на свойства силикатных стекол при высоких давлениях // Геохимия. 2001. В. 3. C. 349-352.

9. Kuryaeva R. G. Effect of pressure on the refractive index and relative density of the CaO -Al2O3-6SiO2 glass // J. Non-Cryst. Solids. 2009. Vol. 355. P. 159-163.

10. Куряева Р. Г. Влияние давления на показатель преломления и относительную плотность стекол системы CaO—Al2O3—SiO2 // Физ. Хим. Стекла. 2008. Т. 34, №.1. C. 48-53.

11. Куряева Р. Г. Степень полимеризации алюмосиликатных стекол и расплавов // Физика и химия стекла. 2004. Т. 30. C.212-224.

12. Куряева Р. Г., Сурков Н. В. Поведение показателя преломления и сжимаемости стекла состава альбита в интервале давлений до 6.0ГПа// Геохимия. 2010. Т. 48, №>.8. C. 887-893.

13. Kuryaeva R. G., Dmitrieva N. V. Effect of the replacement of sodium by calcium on compressibility in the CaO(Na2O) -Al2O3 - SiO2 glass system // Phys. Chem. Glasses. 2014. Vol. 55. P. 253-260.

14. Куряева Р. Г. Показатель преломления и сжимаемость стекла состава KAlSi3O8 в области давлений до 6.0 ГПа // Физика и химия стекла. 2011. Т. 37. C. 329-339.

15. Куряева Р. Г., Киркинский В. А. Измерение показателя преломления при высоких давлениях в аппарате с алмазными наковальнями // Приборы и техника эксперимента. 1994. В. 6. C. 166-172.

16. Куряева Р. Г., Киркинский В. А. Показатель преломления стекла кремнезема при гидростатических давлениях до 5.0 ГПа // Физика и химия стекла. 1995. В. 4. С. 373-382.

17. Kuryaeva R. G., Kirkinskii V. A. Influence of high pressure on the refractive index and density of tholeiite basalt glass // Phys. Chem. Minerals. 1997. Vol. 25. P. 48-54.

18. Piermarini G. J., Block S., Barnett J. D., Forman R. A. Calibration of pressure dependence of the R1 ruby fluorescence line to 195 kbar // J. Appl. Phys. 1975. Vol. 46, No. 6. P. 2774-2780.

19. King H. I., Prewitt C. T. Improved pressure calibration system using the ruby Ri fluorescence // Rev. Sci. Instr. 1980. Vol. 51. P. 1037-1039.

20. Mueller H. Theory of photoelastisity in amorphous solids // Physics. 1935. Vol. 6. P. 179-184.

21. Куряева Р. Г. Влияние высокого давления на показатель преломления и плотность алюмосиликатного природного стекла системы SiO2—Al2O3— TiO2—Fe2O3—P2O5—FeO—MnO— CaO—MgO—Na2O—K2O состава щелочного базальта // Физика и химия стекла. 2004. Т. 30, №6. С. 712-723.

22. Куряева Р. Г., Сурков Н. В. Показатель преломления и сжимаемость стекла состава Di64An36 в интервале давлений 0-5.0 ГПа // Геохимия. 2012. В. 12. С. 1140-1146.

23. Kuryaeva R. G. Density properties of glasses of CaO(Na2O) -Al2O3(MgO) - SiO2 system, studied at pressures to 6.0 GPa , in comparison with the properties of similar melts // Sol. State Sci. 2015. Vol. 42. P. 52-61.

24. Bridgman P. W. The compression of 39 substances to 100000 kg/cm2 // Proc. Am. Acad. Arts. Sci. 1948. Vol. 76. P. 55-70.

25. Sasakura T., Suito K., Fujisawa H. Measurement of ultrasonic wave velocities in fused quartz under hydrostatic pressures up to 6.0 GPa // in: Novikov N. V., Chistyakov Y. M. (Eds.) High Pressure Science and Technology, Naukova Dumka. Kiev.

1989. Vol. 2. P. 60-72.

26. Schroeder J., Bilodeau T. G., Zhao X.- S. Brillouin and Raman scattering from glasses under pressure // High Pressure Res.

1990. Vol. 4. P. 531-533.

27. Tsiok O. B., Brazhkin V. V., Lyapin A. G., Khvostant-sev L. G. Logarithmic kinetics of the amorphous- amorphous transformations in SiO2 and GeO2 glasses under high pressure // Phys. Rev. Letters. 1998. Vol. 80. P. 999-1002.

28. Куряева Р. Г. Степень полимеризации алюмосиликатного стекла состава CaAl2Si2O8 // Физика и химия стекла. 2006. Т. 32. №5. С. 690-697.

29. Куряева Р. Г., Сурков Н. В. Изменение под давлением показателя преломления и плотности стекол системы CaO • AI2O3 • xSiO2 // Геохимия. 2008. В. 1. C. 100-103.

30. Куряева Р. Г. Состояние магния в силикатных стеклах и расплавах // Физика и химия стекла. 2009. Т. 35. №4. С. 489-496.

31. Kuryaeva R. G. Compressibility of magnesium silicate glasses in comparison with those of aluminosilicate glasses // Sol. State Sci. 2013. Vol. 24. P. 133-139.

32. Kuryaeva R. G., Surkov N. V. Effect of the replacement of aluminum by magnesium on the compressibility and degree of polymerization of silicate glasses // J. Mater. Sci. 2013. Vol. 48. P. 4416-4426.

33. Mysen B. O. Structure and properties of silicate melts. Elsev-er. Amsterdam. 1968.

34. Neuville D. R., Cormier L., Massiot D. Al coordination and speciation in calcium aluminosilicate glasses: Effect of composition determined by 27Al MQ-MAS NMR and Raman spec- 40. troscopy // Chem. Geol. 2006. Vol. 229. P. 173-185.

35. Allwardt J. R., Stebbins J. F., Schmidt B. C., Frost D. J., Withers A. C., Hirschmann M. M. Aluminum coordination

and the densification of high-pressure aluminosilicate glasses 41

// Am. Min. 2005. Vol. 90. P. 1218-1222.

36. Riebling E. F. Structure of molten sodium aluminosilicate

liquids contaning at least 50 mol% SiO2 at 1500 °C // J. Chem. 42

Phys. 1966. Vol. 44. P. 2857-2865.

37. McMillan P., Piriou B., Navrotsky A. A Raman spectroscopic

study of glasses along the joins silica-calcium aluminate, sili- ^

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ca-sodium aluminate, and silica-potassium aluminate // Geo- 43

chim. Cosmochim. Acta. 1982. Vol. 46. P. 2021-2037.

38. White W. B., Minser D. G. Raman spectra and structure of

natural glasses // J. Non-Cryst. Sol. 1984. Vol. 67. P. 45-59. 44

39. Navrotsky A., Perandean G., McMillan P., Conturies J. P. A thermochemical study of glasses and crystals along the joins

silica-calcium aluminate and silica-sodium aluminate // Geo-chim. Cosmochim. Acta. 1982. V. 46. P. 2039-2047. Hervig R. L., Navrotsky A. Thermochemical study of glasses in the system NaAlSi3O8-KAlSi3O8-Si4O8 and the Join Na1.8Al1.6Si2.4O8-K1.6Al1.6Si2.4O8 // Geochim. Cosmochim. Acta. 1984. Vol. 48. P. 513-522.

Taylor M., Brown G. E. Structure of mineral glasses—I. The feldspar glasses NaAlSi3O8, KAlSi3O8, CaA^Si2O8 // Geochim. Cosmochim. Acta. 1979. Vol. 43. P. 61-75. Stebbins J. F. , Xu Z. NMR evidence for excess non-bridging oxygens in an aluminosilicate glass // Nature. 1997. Vol. 390. P. 60-62.

Yin C. D., Okuno M., Morikawa H., Marumo F. Structure analysis of MgSiO3 glass // J. Non-Cryst. Sol. 1983. V. 55. P. 131-141.

Куряева Р. Г., Киркинский В. А. Показатель преломления и сжимаемость стекла диопсидового состава при давлениях до 5.0 ГПа // Геохимия. 2000. В. 9. C. 963-969.

Поступила в редакцию 14.06.2018 г.

MEASUREMENT OF THE REFRACTIVE INDEX OF ISOTROPIC SUBSTANCES AS A METHOD FOR DETERMINING

THE COMPRESSIBILITY OF GLASSES (MELTS) AND THE DEGREE OF DEPOLYMERIZATION OF THEIR STRUCTURE

© R. G. Kuryaeva

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian branch of RAS 3 Akademik Koptyug Avenue, 630090 Novosibirsk, Russian Federation.

Phone: +7 (383) 333 29 71.

Email: rufina@igm.nsc.ru

The article summarizes many years of work to study the effect of pressure on optical properties and density of silicate glasses in the system SiO2 - Al2O3(MgO) - CaO(Na2O). The cycle of works is based on experimental data on the compressibility of silicate glasses in the pressure range up to 6.0 GPa. This process involves measuring the refractive index n of glasses with an error of ±0.002 and calculating the relative change in the density (d-d0)/d, with an average error of ±0.0035. The refractive indices were measured using a polarization-interference microscope and a high-pressure apparatus with diamond anvils. The changes in the relative density characterizing the compressibility of glasses were estimated from the measured refractive indices within the framework of the theory of photoelasticity. The author shows that the method of measuring the refractive index of isotropic substances developed in the laboratory and the method of calculating the relative change in the density under pressure allow comparing the density properties of glasses of different compositions and finding the regularities of their changes depending on the degree of depolymerization of their structure. This study is an important step towards obtaining data on the density properties of melts, including magmatic, without time-consuming experiments.

Keywords: glasses, optical properties, elastic properties, high pressure.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Appen A. A. Khimiya stekla [Chemistry of glass]. Leningrad: Khimiya, 1974.

2. Rouson G. Neorganicheskie stekloobrazuyushchie sistemy. Moscow: Mir, 1970.

3. Hochella M. F., Brown G. E. Geochim. Cosmochim. Acta. 1984. Vol. 48. Pp. 2631-2640.

4. Toplis M. J., Dingwell D. B., Lenci T. Geochim. Cosmochim. Acta. 1997. Vol. 61. Pp. 2605-2612.

5. Kushiro I. Carnegie Institution of Washington Year Book 1980-1981. 1981. Pp. 339-341.

6. Webb S., Courtial P. Geochim. Cosmochim. Acta. 1996. Vol. 60. Pp. 75-86.

7. Kress V. C., Williams Q., Carmichael I. S. I. Geochim. Cosmochim. Acta. 1988. Vol. 52. Pp. 283-292.

8. Kuryaeva R. G., Kirkinskii V. A. Geokhimiya. 2001. Vol. 3. Pp. 349-352.

9. Kuryaeva R. G. J. Non-Cryst. Solids. 2009. Vol. 355. Pp. 159-163.

10. Kuryaeva R. G. Fiz. Khim. Stekla. 2008. Vol. 34, No. .1. Pp. 48-53.

11. Kuryaeva R. G. Fizika i khimiya stekla. 2004. Vol. 30. Pp. 212-224.

12. Kuryaeva R. G., Surkov N. V. Geokhimiya. 2010. Vol. 48, No. .8. Pp. 887-893.

13. Kuryaeva R. G., Dmitrieva N. V. Phys. Chem. Glasses. 2014. Vol. 55. Pp. 253-260.

14. Kuryaeva R. G. Fizika i khimiya stekla. 2011. Vol. 37. Pp. 329-339.

15. Kuryaeva R. G., Kirkinskii V. A. Pribory i tekhnika eksperimenta. 1994. Vol. 6. Pp. 166-172.

16. Kuryaeva R. G., Kirkinskii V. A. Fizika i khimiya stekla. 1995. Vol. 4. Pp. 373-382.

17. Kuryaeva R. G., Kirkinskii V. A. Phys. Chem. Minerals. 1997. Vol. 25. Pp. 48-54.

18. Piermarini G. J., Block S., Barnett J. D., Forman R. A. J. Appl. Phys. 1975. Vol. 46, No. 6. Pp. 2774-2780.

19. King H. I., Prewitt C. T. Rev. Sci. Instr. 1980. Vol. 51. Pp. 1037-1039.

20. Mueller H. Physics. 1935. Vol. 6. Pp. 179-184.

21. Kuryaeva R. G. Fizika i khimiya stekla. 2004. Vol. 30, No. 6. Pp. 712-723.

22. Kuryaeva R. G., Surkov N. V. Geokhimiya. 2012. Vol. 12. Pp. 1140-1146.

23. Kuryaeva R. G. Sol. State Sci. 2015. Vol. 42. Pp. 52-61.

24. Bridgman P. W. Proc. Am. Acad. Arts. Sci. 1948. Vol. 76. Pp. 55-70.

25. Sasakura T., Suito K., Fujisawa H. in: Novikov N. V., Chistyakov Y. M. (Eds.) High Pressure Science and Technology, Naukova Dum-ka. Kiev. 1989. Vol. 2. Pp. 60-72.

26. Schroeder J., Bilodeau T. G., Zhao X.- S. High Pressure Res. 1990. Vol. 4. Pp. 531-533.

27. Tsiok O. B., Brazhkin V. V., Lyapin A. G., Khvostantsev L. G. Phys. Rev. Letters. 1998. Vol. 80. Pp. 999-1002.

28. Kuryaeva R. G. Fizika i khimiya stekla. 2006. Vol. 32. No. 5. Pp. 690-697.

29. Kuryaeva R. G, Surkov N. V. Geokhimiya. 2008. Vol. 1. Pp. 100-103.

30. Kuryaeva R. G Fizika i khimiya stekla. 2009. Vol. 35. No. 4. Pp. 489-496.

31. Kuryaeva R. G. Sol. State Sci. 2013. Vol. 24. Pp. 133-139.

32. Kuryaeva R. G., Surkov N. V. J. Mater. Sci. 2013. Vol. 48. Pp. 4416-4426.

33. Mysen B. O. Structure and properties of silicate melts. Elsever. Amsterdam. 1968.

34. Neuville D. R., Cormier L., Massiot D. Chem. Geol. 2006. Vol. 229. Pp. 173-185.

35. Allwardt J. R., Stebbins J. F., Schmidt B. C., Frost D. J., Withers A. C., Hirschmann M. M. Am. Min. 2005. Vol. 90. Pp. 1218-1222.

36. Riebling E. F. J. Chem. Phys. 1966. Vol. 44. Pp. 2857-2865.

37. McMillan P., Piriou B., Navrotsky A. Geochim. Cosmochim. Acta. 1982. Vol. 46. Pp. 2021-2037.

38. White W. B., Minser D. G. J. Non-Cryst. Sol. 1984. Vol. 67. Pp. 45-59.

39. Navrotsky A., Perandean G., McMillan P., Conturies J. P. Geochim. Cosmochim. Acta. 1982. Vol. 46. Pp. 2039-2047.

40. Hervig R. L., Navrotsky A. Geochim. Cosmochim. Acta. 1984. Vol. 48. Pp. 513-522.

41. Taylor M., Brown G. E. Geochim. Cosmochim. Acta. 1979. Vol. 43. Pp. 61-75.

42. Stebbins J. F. , Xu Z. Nature. 1997. Vol. 390. Pp. 60-62.

43. Yin C. D., Okuno M., Morikawa H., Marumo F. J. Non-Cryst. Sol. 1983. Vol. 55. Pp. 131-141.

44. Kuryaeva R. G., Kirkinskii V. A. Geokhimiya. 2000. Vol. 9. Pp. 963-969.

Received 14.06.2018.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.