Abstract

Phase relations along the join Fe4.5Ni4.5S8–Co9S8 in the system Fe–Ni–Co–S were investigated by the evacuated-silica-glass-tube method. Euhedral crystals of high-form cobalt pentlandite (Co9S8) and a member of the solid solution containing 50 mole % Co9S8 were also synthesized by both I2 vapor-transport and NaCl–KCl flux methods. The phases produced in this study were examined by ore microscopy, SEM, EPMA, high-temperature X-ray diffraction and DTA. A continuous solid-solution (low form) between pentlandite and cobalt pentlandite transforms to a high-form solid-solution at temperatures from 615° ± 3°C (pentlandite) to 831° ± 3°C (cobalt pentlandite). Except for end-member compositions, there is a narrow two-phase field with both low- and high-form solid-solutions. The high–low inversion is reversible. High-form solid-solution melts incongruently to liquid and monosulfide solid-solution at temperatures from 865° ± 3°C (high-form pentlandite) to 930° ± 3°C (high-form cobalt pentlandite), and then remnant monosulfide solid-solution melts completely at temperatures from 982° ± 5°C for (Fe,Ni)1–xS to 1069° ± 5°C for Co1–xS. These lines of evidence suggest that in geological processes such as the formation of Ni–Cu(–Co) ore deposits, pentlandite, Co-bearing pentlandite and Ni-bearing cobalt pentlandite can crystallize as the high form by peritectic reaction between monosulfide solid-solution segregated first from liquid (sulfide magma) and residual liquid at relatively high temperatures around 800° to 900°C. Pentlandite (Fe4.5Ni4.5S8.0), cobalt pentlandite (Co9S8) and the member of the solid solution with 50 mole % Co9S8 (Fe2.25Ni2.25Co4.50S8.00) are cubic, Fmm, with a equal to 10.0608(2), 9.9287(2) and 9.9925(2) Å, respectively, at room temperature. On the other hand, the high forms have a primitive cubic (pc) cell with a equal to 5.335(2) Å for Fe4.5Ni4.5S8.0, 5.171(2) Å for Co9S8, and 5.251(2) Å for the composition with 50 mole % Co9S8 at 850°C, corresponding to a/2 of the low form. The inversion of low- and high-form solid-solution is of order–disorder type, from supercell (low form) to subcell.

Abstract

Nous avons étudié les relations de phases du sous-système Fe4.5Ni4.5S8–Co9S8 dans le système Fe–Ni–Co–S en utilisant les synthèses avec tubes de silice évacués et scellés. Nous avons aussi synthétisé des cristaux idiomorphes de la forme de haute température de cobalt pentlandite (Co9S8) et d’un membre de la solution solide contenant 50% de Co9S8 (proportion molaire), en utilisant le tranfert en phase vapeur de I2 et un fondant NaCl–KCl. Ils ont été examinés par microcopie en lumière réfléchie, par microscopie électronique par balayage, par analyses à la microsonde électronique, par diffraction X à température élevée et par analyse thermique différentielle. Il se forme une solution solide continue de basse température entre pentlandite et cobalt pentlandite; cette structure se transforme à une forme stable à température élevée entre 615° ± 3°C (pentlandite) et 831° ± 3°C (cobalt pentlandite). Sauf pour les pôles, il y a une étroite zone de coexistence des deux phases. L’inversion est réversible. Les membres de la solution solide de haute température fondent de façon incongruente à un liquide et une solution solide monosulfurée entre 865° ± 3°C (pentlandite de haute température) et 930° ± 3°C (cobalt pentlandite de haute température), et les vestiges de la solution solide monosulfurée fondent complètement à une température entre 982° ± 5°C pour le (Fe,Ni)1–xS et 1069° ± 5°C pour le Co1–xS. Ces résultats font penser que dans les contextes géologiques, par exemple lors de la formation d’un gîte minéral à Ni– Cu(–Co), pentlandite, pentlandite cobaltifère et cobalt pentlandite nickelifère peuvent cristalliser sous la forme de haute température par réaction péritectique entre la solution solide monosulfurée s’étant séparée d’abord du liquide (magma sulfuré) et le liquide résiduel à température relativement élevée, autour de 800° ou 900°C. La pentlandite (Fe4.5Ni4.5S8.0), la cobalt pentlandite (Co9S8), et le membre de la solution solide ayant 50% de Co9S8 (Fe2.25Ni2.25Co4.50S8.00, proportion molaire) ont une symétrie cubique, Fmm, avec a égal à 10.0608(2), 9.9287(2) et 9.9925(2) Å, respectivement, à température ambiante. D’autre part, la structure de haute température possède une maille cubique primitive (pc) avec a égal à 5.335(2) Å pour Fe4.5Ni4.5S8.0, 5.171(2) Å pour Co9S8, et 5.251(2) Å pour la composition contenant 50% de Co9S8 à 850°C, ce qui correspond à a/2 de la forme de basse température. L’inversion de la forme de basse température à la forme de haute température des solutions solides implique une transformation ordre–désordre en allant de la supermaille à la sous-maille.

(Traduit par la Rédaction)

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