Compositional and structural variabilities of Mg-rich iron oxide spinels from tuffite

Mussel, W. N.; Fabris, J. D.; Coey, J. M. D.; Sans, L. M. A.; Lelis, M. F. F.

doi:10.1590/S0100-06831999000400005

Abstracts

Maghemite (γFe2O3) from tuffite is exceptionally rich in Mg, relatively to most of those reportedly found in other mafic lithosystems. To investigate in detail the compositional and structural variabilities of this natural magnetic iron oxide, sets of crystals were isolated from samples collected at different positions in a tuffite weathering mantle. These sets of crystal were individually powdered and studied by X-ray diffractometry, Mössbauer spectroscopy, magnetization measurements and chemical analysis. Lattice parameter of the cubic cell (a0) was found to vary from 0.834(1) to 0.8412(1) nm. Lower a0-values are characteristic of maghemite whereas higher ones are related to a magnetite precursor. FeO content ranges up to 17 mass % and spontaneous magnetization ranges from 8 to 32 J T-1 kg-1. Zero-field room temperature Mössbauer spectra are rather complex, indicating that the hyperfine field distributions due to Fe3+ and mixed valence Fe3+/2+ overlap. The structural variabilities of the (Mg, Ti)-rich iron oxide spinels is essentially related to the range of chemical composition of its precursor (Mg, Ti)-rich magnetite, and probably to the extent to which it has been oxidized during transformation in soil.

magnetization; Mössbauer; magnetic soil

A maghemita (γFe2O3) de tufito é, excepcionalmente, rica em magnésio, se comparada às comumente encontradas em outros litossistemas máficos. Na tentativa de investigar em detalhes a variabilidades composicional e estrutural desses óxidos naturais de ferro, alguns conjuntos de cristais foram separados de amostras coletadas a diferentes posições de um manto de intemperismo de tufito. Esses conjuntos de cristais foram, individualmente, estudados por difração de raios-X, espectroscopia Mössbauer, medidas de magnetização e análise química. Da difratometria de raios-X, observou-se que o parâmetro da célula cúbica (a0) varia de 0,834(1) a 0,8412(1) nm. Os valores mais baixos de a0 são característicos de maghemita; os mais altos são atribuídos à magnetita, mineral magnético precursor. Os teores de FeO alcançam 17 mass % e os valores de magnetização espontânea variam de 8 a 32 J T-1 kg-1. Os espectros Mössbauer, obtidos com a amostra mantida à temperatura do ambiente, na ausência de campo magnético aplicado, são bastante complexos, com indicações de ocorrência de superposição de distribuições de campo hiperfino, devidas ao Fe3+ e ao íon de valência mista Fe3+/2+. A variabilidade estrutural dos óxidos de ferro, isoestruturais ao espinélio e ricos em Mg e Ti, é, essencialmente, relacionada com os graus variáveis de oxidação do mineral precursor, a magnetita rica em Mg e Ti.

magnetização; Mössbauer; solos magnéticos

SEÇÃO II - QUÍMICA E MINERALOGIA DO SOLO

W. N. Mussel^I; J. D. Fabris^I; J. M. D. Coey^II; L. M. A. Sans^III; M. F. F. Lelis^IV

^IProfessor do Departamento de Química, ICEx, Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG. CEP 31270-901 Belo Horizonte (MG)

^IIProfessor do Department of Physics, Trinity College, University of Dublin, Dublin 2, Ireland

^IIIPesquisador da Embrapa Milho e Sorgo. CEP 35701-970 Sete Lagoas (MG)

^IVProfessora do Departamento de Química, UFES. CEP 29069-900 Vitória (ES)

SUMMARY

Maghemite (γFe₂O₃) from tuffite is exceptionally rich in Mg, relatively to most of those reportedly found in other mafic lithosystems. To investigate in detail the compositional and structural variabilities of this natural magnetic iron oxide, sets of crystals were isolated from samples collected at different positions in a tuffite weathering mantle. These sets of crystal were individually powdered and studied by X-ray diffractometry, Mössbauer spectroscopy, magnetization measurements and chemical analysis. Lattice parameter of the cubic cell (a₀) was found to vary from 0.834(1) to 0.8412(1) nm. Lower a₀-values are characteristic of maghemite whereas higher ones are related to a magnetite precursor. FeO content ranges up to 17 mass % and spontaneous magnetization ranges from 8 to 32 J T^-1 kg^-1. Zero-field room temperature Mössbauer spectra are rather complex, indicating that the hyperfine field distributions due to Fe³⁺ and mixed valence Fe^3+/2+ overlap. The structural variabilities of the (Mg, Ti)-rich iron oxide spinels is essentially related to the range of chemical composition of its precursor (Mg, Ti)-rich magnetite, and probably to the extent to which it has been oxidized during transformation in soil.

Index terms: magnetization, Mössbauer, magnetic soil.

RESUMO

A maghemita (γFe₂O₃) de tufito é, excepcionalmente, rica em magnésio, se comparada às comumente encontradas em outros litossistemas máficos. Na tentativa de investigar em detalhes a variabilidades composicional e estrutural desses óxidos naturais de ferro, alguns conjuntos de cristais foram separados de amostras coletadas a diferentes posições de um manto de intemperismo de tufito. Esses conjuntos de cristais foram, individualmente, estudados por difração de raios-X, espectroscopia Mössbauer, medidas de magnetização e análise química. Da difratometria de raios-X, observou-se que o parâmetro da célula cúbica (a₀) varia de 0,834(1) a 0,8412(1) nm. Os valores mais baixos de a₀ são característicos de maghemita; os mais altos são atribuídos à magnetita, mineral magnético precursor. Os teores de FeO alcançam 17 mass % e os valores de magnetização espontânea variam de 8 a 32 J T^-1 kg^-1. Os espectros Mössbauer, obtidos com a amostra mantida à temperatura do ambiente, na ausência de campo magnético aplicado, são bastante complexos, com indicações de ocorrência de superposição de distribuições de campo hiperfino, devidas ao Fe³⁺ e ao íon de valência mista Fe^3+/2+. A variabilidade estrutural dos óxidos de ferro, isoestruturais ao espinélio e ricos em Mg e Ti, é, essencialmente, relacionada com os graus variáveis de oxidação do mineral precursor, a magnetita rica em Mg e Ti.

Termos de indexação: magnetização, Mössbauer, solos magnéticos.

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ACKNOWLEDGMENTS

Work financially supported by CNPq, FINEP and FAPEMIG (Brazil). CAPES (Brazil) granted a DSc fellowship to W.N. Mussel. We are indebted to Ms Kelen Cristina Lopes Martins (CNPMS/EMBRAPA, Brazil) for the technical support on the crystal separation and some chemical laboratory manipulations; to Ms Maria Beatriz Harmendari Vieira (Vale do Rio Doce Co., Brazil) for the optical microscope analysis and to Dr. Genilson P. Santana (Department of Chemistry, Federal University of Amazonas, Brazil) for some Mössbauer measurements.

To Dr. Derli P. Santana (CNPMS/EMBRAPA) and Professor Nilton Curi (Departamento de Ciências do Solo, UFLA) for their help on the soil sellection and soil sample collection.

LITERATURE CITED

Recebido para publicação em setembro de 1998

Aprovado em agosto de 1999

CARMO, D.N.; CURI, N. & RESENDE, M. Caracterização e gênese de Latossolos da região do Alto Paranaíba (MG). R. Bras. Ci. Solo, 8:235-240, 1984.
CUGAT, O.; BYRNE, R.; McCAULEY, J. & COEY, J.M.D. A compact vibrating-sample magnetometer. Rev. Sci. Instrum., 65:3570-3573, 1994.
CURI, N. & FRANZMEIER, D.P. Toposequense of oxisols from the Central Plateau of Brazil. Soil Sci. Soc. Am. J., 48:341-346, 1984.
FABRIS, J.D.; COEY, J.M.D.; JESUS FILHO, M.F.; SANTANA, D.P.; GOULART, A.T.; FONTES, M.F. & CURI, N. Mineralogical analysis of a weathering mantle derived from tuffite. Hyperfine Interact., 91:751-757, 1994.
FABRIS, J.D.; COEY, J.M.D.; QI, Q. & MUSSEL, W.N. Characterization of Mg-rich maghemite from tuffite: Am. Mineral., 80:664-669, 1995.
FABRIS, J.D.; MUSSEL, W.N.; COEY, J.M.D.; JESUS FILHO, M.F. & GOULART, A.T. Mg-rich iron oxide spinels from tuffite. Hyperfine Interact., 110:33-40, 1997.
FERREIRA, S.A.D.; SANTANA, D.P.; FABRIS, J.D.; CURI, N.; NUNES FILHO, E. & COEY, J.M.D. Interrelações entre magnetização, elementos traços e litologia de duas seqüências de solos do estado de Minas Gerais. R. Bras. Ci. Solo, 18:167-174, 1994.
GOULART, A.T.; JESUS FILHO, M.F.; FABRIS, J.D. & COEY, J.M.D. Multiple iron-rich spinel phases and hematite of a magnetic soil developing on tuffite. Phys. Chem. Miner., 25:63-69, 1997.
JEFFERY, P.G. & HUTCHISON, D. Chemical methods of rock analysis. 3.ed. Oxford, Pergamon Press, 1981. 379p.
MUSSEL, W.W.; COLY, J.M.D. FABRIS, J.D. & JESUS FILHO, M.F. Mössbauer study of Mg-doped maghemite. Hyperfine Interactions, 2:53-60, 1997.