Abstract

Quartz crystals collected in druses, including one annealed at 400°C, from a fracture in the hanging-wall sandstone at the McArthur River uranium deposit in the Paleoproterozoic Athabasca basin, northern Saskatchewan, have been investigated by single-crystal X-band electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy at room temperature and 110 K. The single-crystal EPR spectra allow us to distinguish eight paramagnetic defects, including one new center and seven previously reported centers. These centers, most of which were discovered in artificially irradiated crystals and only a few had been suggested to occur in natural quartz by powder EPR, are herewith positively established for the first time as natural radiation-induced defects by single-crystal EPR. The new center is similar in principal g-factor values to the ozonide radical (O3) in various minerals and synthetic compounds, and is characterized by its g-maximum and g-minimum axes approximately parallel to two O–O edges of the SiO4 quasi-tetrahedron in the quartz structure. This geometry is also compatible with an ozonide radical formed from a silicon vacancy. The observed linewidths of the new ozonide radical vary from 0.087 to 0.257 mT, which are attributed to unresolved site-splittings or unresolved hyperfine splittings. This new ozonide radical is distinct from a previously reported ozonide radical in citrine quartz, which is characterized by the presence of a small 27Al hyperfine structure. The new ozonide radical is probably linked to a Si atom in the neighboring tetrahedron and hence represents a general case in quartz, whereas the previously reported ozonide radical linked to a neighboring Al atom is a special variant in Al-bearing quartz. The presence of natural radiation-induced defects in drusy quartz is attributable to the presence of uranium in mineralized assemblages nearby or late hydrothermal fluids.

Abstract

Des monocristaux de quartz prélevés dans des cavités, et dans un cas avec recuit à 400°C, le long d’une fracture dans le grès formant le toit du gisement d’uranium de McArthur River, dans le bassin paléoprotérozoïque d’Athabasca, dans le nord de la Saskatchewan, ont été étudiés par résonance paramagnétique des électrons dans la bande X à température ambiante et à 110 K. Les spectres EPR obtenus sur monocristaux nous permettent de distinguer huit défauts paramagnétiques, dont sept étaient déjà connus et un centre est nouveau. La plupart de ces centres ont été découverts dans des cristaux irradiés artificiellement. Quelques-uns seulement ont été mentionnés comme possibilités dans les spectres EPR prélevés sur le quartz naturel pulvérisé. On les identifie clairement ici dans nos échantillons comme résultats de la radiation naturelle. Le nouveau centre ressemble, dans ses valeurs du facteur g principal, au radical ozonide (O3), connu déjà dans plusieurs minéraux et composés synthétiques, et caratérisé par l’orientation de l’axe de g maximum et g minimum à peu près parallèle aux deux arêtes O–O du quasi-tétraèdre SiO4 dans la structure du quartz. Cette géométrie est aussi compatible avec un radical ozonide formé aux dépens d’une lacune dans le site Si. Les largeurs de lignes observées de ce nouveau radical varient de 0.087 à 0.257 mT; elles sont attribuables à la subdivision non résolue de sites ou de structures hyperfines. Ce nouveau radical se distingue du radical ozonide décrit antérieurement dans le quartz citrine, qui est attribuable à la présence d’une composante mineure d’une structure hyperfine due au 27Al. Le nouveau radical ozonide résulterait probablement de liaisons avec un atome de Si dans un tétraèdre adjacent, et présenterait donc un cas général dans le quartz, tandis que dans le cas du radical ozonide décrit antérieurement, la liaison implique un atome de Al avoisinant, dans le quartz enrichi en Al. Les défauts dus à la radiation naturelle dans la quartz des cavités serait due à la présence d’uranium dans les assemblages minéralisés, ou aux fluides hydrothermaux tardifs.

(Traduit par la Rédaction)

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