Ferroperiklas je minerál oxidu hořčíku a železa s kompozicí obvykle vyjádřenou jako (Mg,Fe)OPatří do skupiny periklas a tvoří řadu pevných roztoků mezi hojně obsahujícím periklasem, MgO, a železným wüstitem, FeO. V jeho struktuře se Fe²⁺ nahrazuje Mg²⁺ na ekvivalentních místech dvojvalentních kationtů, což umožňuje změnu složení podle poměru hořčíku a železa. Název feroperiklas se obvykle používá pro železné členy tohoto systému, zejména složení, ve kterých zůstává hořčík hlavním komponentem.
Ferroperiklas krystalizuje ve kubický krystalický systém a má stejnou základní strukturu jako periklas. Jeho složení a fyzikální vlastnosti se mohou výrazně měnit s rostoucím obsahem železa. Protože Mg²⁺ a Fe²⁺ mají různé iontové poloměry, nahrazení železem ovlivňuje parametry jako jsou rozměry jednotkové buňky, hustota, optické vlastnosti a pružné chování. Minerál je obvykle tmavě šedý, hnědovatý, zelenavě šedý nebo téměř černý, i když jeho vzhled se může měnit s složením, velikostí zrn, inkluzemi a alterací.
Přirozená feroperiklasa je spojena hlavně s vysokotlakými geologickými prostředími. Byla identifikována v určitých metamorfních horninách vzniklých za extrémních tlakových podmínek a jako zahrnutí v diamantech, které vznikly v dostatečné hloubce uvnitř Země. Feroperiklasa je také známa jako minerální fáze, která může vznikat za tlakových a teplotních podmínek spodního pláště. Její výskyt v těchto prostředích odráží stabilnost oxidů Mg–Fe za podmínkách zásadně odlišných od těch na povrchu Země.
Složení feroperiklasu není nutně pevné při jednom poměru Mg:Fe. Místo toho mohou hořčík a železo navzájem nahrazovat v rozsahu složení a přesná chemická složení závisí na geologickém prostředí, ve kterém se minerál vytvořil. V přirozených vzorcích mohou být také přítomny malé prvky díky dalším nahrazením. Pro tuto příčinu je feroperiklas nejlepší popsat pomocí jeho chemické složení spolu s jeho strukturálními vlastnostmi, nikoli pouze barvou.
Historie a objevování ferroperiklasitu
Ferroperiklas se obvykle nepovažuje za minerální druh s jediným pevným složením ve stejném smyslu jako periklas nebo wüstit. Název odkazuje na materiál obsahující železo v rámci systému tuhého roztoku MgO–FeO. Vztah mezi magneziovým periklasem a železným wüstitem byl dlouho znám díky experimentálním studiím systému Mg–Fe–O, zatímco přirozeně se vyskytující ferroperiklas byl později identifikován ve vysoce tlakem zatížených geologických materiálech.
Mineralogické rozlišení je primárně založené na chemickém složení a krystalové struktuře, nikoli na barvě nebo vnějším vzhledu. Periklas má ideální složení MgO, zatímco wüstit má ideální složení FeO. Mezi těmito koncovými členy se mohou ionty Mg²⁺ a Fe²⁺ navzájem vyměňovat ve stejném strukturálním poli. Ferroperiklas proto představuje složení s obsahem železa, dominujícího hořčíku v tomto širším oxidovém systému. Přirozený ferroperiklas byl hlášen z několika vysokotlakých prostředí. Jednou z dobře známých lokalit je jako minerální inkluze v diamantech, kde assembláž inkluze může zachovat minerały, které vznikly nebo vyrovnaly v hloubkách v zemském plášti. Ferroperiklas byl také identifikován v materiálech vysokotlaké metamorfózy a jiných geologických prostředích, kde podmínky tlaku a teploty umožňují stabilitu oxidů Mg–Fe.
Složení feroperiklasu může poskytnout informace o podmínkách, za kterých se jednotlivý vzorek vytvořil nebo následně vyrovnal. Relativní poměry hořčíku a železa jsou ovlivněny teplotou, tlakem, fugacitou kyslíku a složením okolního minerálního asamblé. V důsledku toho je chemická analýza obvykle nutná pro přesné charakterizování feroperiklasu, zejména při jeho rozlišování od složkově souvisejících členů systému periklas-wüstit.
Vznik a geologické výskyt feroperiklasu
Ferroperiklas vzniká za podmínek, kdy se hořčík a železo vyskytují spolu v systému bohatém na oxidy a podmínky tlaku a teploty zajišťují stabilní kubickou strukturu oxidu Mg–Fe. Jeho složení je ovlivněno poměry Mg a Fe dostupnými během tvorby, stejně jako teplotou, tlakem a fugacitou kyslíku. Za redukujících podmínek je železo často přítomno převážně jako Fe²⁺, což umožňuje jeho přímou náhradu za Mg²⁺ ve struktuře periklasu. Změny fugacity kyslíku mohou modifikovat poměr železa jako Fe²⁺ nebo Fe³⁺ a tím ovlivnit stabilitu a složení assembláže oxidů.
Ve vysokotlakých metamorfních prostředích může feroperiklas vznikat reakcemi zapojujícími Mg bohaté silikátové minerały a železoobsahující fáze. Při dostatečně vysokém tlaku se minerały stabilní v hlubších částech koryse a horní plášť mohou přeměnit na assemblance obsahující feroperiklas. Jeho přítomnost tedy závisí nejen na složení celkového kamene, ale také na tlakově- teplotním průběhu, který kámen prošel. Velikost zrn může být od mikroskopických krystalů po inkluze uzavřené v jiných minerálech, podle geologického prostředí.
Ferroperiklas se také vyskytuje v diamantech, které vznikly v hlubokých částech Země. Když se ferroperiklas objeví jako zahrnutina obklopená diamantem, může okolní diamant chránit zahrnutinu před pozdějšími změnami během jejího transportu směrem ke povrchu. Takové zahrnutiny mohou zachovat chemické a strukturální informace o vysokotlakém prostředí, ve kterém vznikly nebo se vyrovnaly. V těchto vzorcích se ferroperiklas často vyskytuje spolu s jinými minerály charakteristickými pro hluboké složení mantlé.
Mineral může být také přítomen ve výsledcích experimentálně produkovaných assemblagů za vysokého tlaku, kde jsou použity kontrolované podmínky tlaku, teploty a fujity kyslíku k vyšetřování systému MgO–FeO. Experimentální studie ukazují, že složení a fyzikální vlastnosti feroperiklasu se mění s tlakem, teplotou a obsahem železa. Tyto vztahy jsou užitečné při interpretaci přirozených vzorků, zejména těch z vysokotlakých hornin a hlubokopůvodních minerálních inkluzí.
Kristalová struktura feroperiklasu
Ferroperiklas má všechny kubická krystalická struktura charakteristika systému periklas–wüstit. Její struktura je založena na rohovcové nebo NaCl typu uspořádání, ve kterém anionty kyslíku tvoří úzce balenou konstrukci a dvojvalentní kationty zabírají oktaedricky koordinované místa mezi nimi. Hořčík a železo jsou rozloženy na stejném krystalografickém kationtovém místě, takže struktura může přijmout změny poměru Mg:Fe bez nutnosti různého základního strukturálního rámu.
Ideální struktura lze tedy popsat jako řadu kationtů Mg²⁺ a Fe²⁺ obklopených šesti atomy kyslíku. Každý atom kyslíku je rovněž koordinován šesti sousedními dvojvalentními kationty. Nahrazení Fe²⁺ za Mg²⁺ změní průměrné rozměry struktury, protože Fe²⁺ má větší iontový poloměr než Mg²⁺. S rostoucím obsahem železa se jednotková buňka a hustota obvykle zvyšují, zatímco jiné fyzikální a pružné vlastnosti se také mění podle složení.
Tlak má významný vliv na strukturální chování feroperiklasu. Ve tlacích odpovídajících spodnímu plášti Země zůstává železo obsahující oxid v kubické struktuře, ale elektronový stav železa se může změnit. Zejména Fe²⁺ může zažít přechod vyššího spinu na nižší spin způsobený tlakem. Tato změna zahrnuje uspořádání elektronů v iontu železa, nikoli změnu celkové krystalické symetrie, ale může ovlivnit objem, hustotu, pružnost a další fyzikální vlastnosti minerálu.
Rozdělení a elektronické chování železa v feroperiklasu se může také měnit s teplotou, tlakem a složením. Tyto faktory ovlivňují vztah mezi krystalovou mřížkou a fyzikálními vlastnostmi změřenými v přirozených nebo experimentálně vyrobených vzorcích. Důsledkem je, že strukturální studie feroperiklasu často zvažují jak jeho složení Mg–Fe, tak tlakově-teplotní podmínky, za kterých se minerál vytvořil nebo vyrovnal.
Fyzikální a chemické vlastnosti feroperiklasu
Ferroperiklas je obvykle popsán jako temně šedá, hnědá šedá, zelenavá šedá nebo černá hornina, i když její vzhled se mění podle obsahu železa, velikosti zrn, nečistot a stavu vzorku. Protože přirozený ferroperiklas se často vyskytuje jako malá zrna nebo minerální inkluze, dobře vyvinuté makroskopické krystaly jsou neobvyklé. Jeho lesk je obvykle skleněný až polkovový a jeho průhlednost se pohybuje od prosvětleného po neprůhledné podle tloušťky zrn a složení.
Chemické složení feroperiklasu lze vyjádřit všeobecně jako (Mg,Fe)Os Mg²⁺ a Fe²⁺ zabírající hlavní dvojvalentní kationtový místo. Relativní množství železa je proměnlivé, nikoli pevné, a tato kompoziční variabilita způsobuje spojitou změnu několika fyzikálních vlastností mezi magneziovými a železnými složkami. Malé prvky se mohou také objevit prostřednictvím dalších substitucí, zejména v přírodních vzorcích vytvořených za složitých geologických podmínek.
Hustota feroperiklasu obvykle roste s rostoucím obsahem železa, protože Fe²⁺ je těžší než Mg²⁺ a má větší iontový poloměr. Rozměry jednotkové mřížky se také zvyšují, když Fe²⁺ nahrazuje Mg²⁺. Tyto vztahy poskytují užitečné složkové indikátory při studiu feroperiklasu rentgenovou difrakcí nebo jinými analytickými metodami. Avšak tlak a teplota mohou ovlivnit naměřené strukturní parametry, takže složení by nemělo být odvozováno pouze z jedné fyzikální vlastnosti bez ohledu na geologické podmínky.
Ferroperiklas má vysokou teplotu tání a je stabilní v širokém rozsahu tlaků a teplotních podmínek. Jeho fyzikální vlastnosti jsou silně ovlivněny tlakem, zejména v high-pressure prostředích, kde se přirozené příklady vyskytují. Elastické vlastnosti, hustota, elektrické chování a další měřitelné charakteristiky se mohou měnit s koncentrací železa a tlakem. Chování Fe²⁺ při kompresi je zvláště důležité, protože změny jeho elektronového spinového stavu mohou modifikovat fyzikální vlastnosti minerálu bez změny jeho základní kubické krystalické struktury. Z chemického hlediska patří ferroperiklas do oxidového systému MgO–FeO. Za dostatečně oxidujících podmínek může některé železo vystupovat ve vyšším oxidačním stavu nebo může ferroperiklas spolupodílet s jinými železnými oxidy a silikátovými minerály. Důsledkem je, že skutečná chemie přirozeného vzorku závisí na jeho vznikajícím prostředí a následné geologické historii. Kvantitativní chemická analýza je proto nutná pro stanovení poměru Mg/Fe a identifikaci malých prvkových substitucí.
Typy a variety feroperiklasu
Ferroperiklas nemá široce uznávanou sadu oficiálně rozpoznatelných druhů založených na barvě nebo vzhledu. Místo toho je přirozeně se vyskytující materiál často rozlišován jeho chemickým složením, zejména poměrem hořčíku a železa. Protože ionty Mg²⁺ a Fe²⁺ mohou navzájem nahrazovat v rámci stejné strukturální pozice, vzorky mohou ukazovat významnou složkovou variabilitu, zatímco zachovávají stejnou kubickou krystalickou strukturu.
- Bohatý hořčík feroperiklasa: Fe²⁺ je přítomen jako podřadný komponent, zatímco hořčík zůstává dominantním dvojvalentním kationtem. Tyto složení se blíží periklasovému koncovému členu, MgO.
- Střední ferroperiklas: Magnezium a železo se vyskytují v významných množstvích, vytvářejí složení mezi periklasem a wüstitem. Fyzikální vlastnosti jako hustota a rozměry jednotkové buňky se mění podle poměru Mg:Fe.
- Železová feroperiklasa: Železo představuje větší podíl obsahu dvouvalentních kationtů a složení se blíží straně bohaté na FeO v systému MgO–FeO.
- Složení periklas–ferroperiklas: Vzorky blízké koncovému členu MgO mohou obsahovat relativně malé množství Fe²⁺. Jejich klasifikace závisí na chemickém složení určeném analýzou, nikoli na vizuálním vzhledu.
- Ferroperiklas v vysokotlakých sestavách: Materiál vyskytující se v hlubokých původu horninách nebo minerálních inkluzích může mít složení ovlivněné tlakem, teplotou, fukositou kyslíku a okolním minerálním assembláží. Tyto geologické rozdíly nemusí nutně představovat samostatné minerální variety.
Barva by neměla být použita jako hlavní základ pro rozlišování těchto složkových typů. Chemická analýza je potřeba k určení relativních množství hořčíku a železa, zatímco rentgenová difrakce a jiné strukturální metody lze použít k potvrzení kubické struktury a charakterizaci změn spojených s složením.
Kde se nachází feroperiklasit?
Ferroperiklas je hlavně spojen s vysokotlakými geologickými prostředími a ne s běžnými povrchovými horninami. Přírodní výskyty byly zaznamenány ve složení hlubokých minerálů, včetně ferroperiklasu zachovaného jako inkluze uvnitř diamantů. V těchto podmínkách může být minerál uzavřen v hostitelském diamantu během dopravy z hloubky směrem k povrchu Země, což umožňuje zkoumat jeho složení a krystalickou strukturu po dosažení hlubších podmínek hostitelskou horninou.
Ferroperiklas je také spojen s vysoce tlakem metamorfními horninami, ve kterých se fáze oxidu hoříku a železa stávají stabilními za zvýšeného tlaku a teploty. Jeho výskyt závisí na celkovém chemickém složení horniny, stejně jako na tlaku, teplotě a fugacitě kyslíku během mineralizace nebo následné rovnováhy. Může se objevit společně s vysoce tlakem silikátovými minerály, jinými oxidy a minerály obsahující hořčík a železo.
Mineral je zvlášť spojen s hlubokými asamblíemi mantelu. Za podmínek odpovídajících spodnímu mantelu Země může feroperklas koevidovat s vysokotlakými fázemi hořčíku a železa. Jeho stabilita a složení se mohou měnit s hloubkou, protože rostoucí tlak ovlivňuje rozdělení železa a hořčíku mezi spoluvyskytujícími minerály. Teplota a oxidační stav také mohou ovlivnit poměr Fe/Mg a oxidace železa ve asamblíi.
Přirozené vzorky jsou často malé a mohou vystupovat jako inkluze, jemnozrnné agregáty nebo izolované zrny ve vysoce tlakem zvýšených horninách. Z tohoto důvodu je feroperkles často studován pomocí mikroanalytických technik namísto konvenčních zkoušek na rukou. Elektronová mikroprobní analýza může určit poměr Mg/Fe, zatímco rentgenová difrakce, Ramanova spektroskopie a jiné metody mohou poskytnout informace o jeho krystalické struktuře a fyzikálním stavu.
Jak identifikovat feropericláz
Ferroperiklas může být obtížné identifikovat pouze podle vzhledu, protože přirozené vzorky jsou často jemnozrnné, tmavě zbarvené nebo uzavřené v jiných minerálech. Její složení se také překrývá s jinými fázemi oxidů Mg–Fe, zejména s periklasem a wüstitem. Důvěryhodná identifikace tedy vyžaduje informace o chemickém složení i krystalické struktuře, nikoli jen barvě, lesku nebo tvaru zrn.
Chemická analýza je jednou z hlavních metod používaných k charakterizaci feroperiklasu. Elektronová mikroprobná analýza může určit koncentrace hořčíku a železa a stanovit poměr Mg/Fe jednotlivého zrnka. Další prvky lze také měřit, aby byly identifikovány nepodstatné substituce. Protože poměr Fe/Mg se může výrazně lišit, kvantitativní analýza je zejména užitečná pro rozlišení feroperiklasu od složení blíže periklasu nebo wüstitu.
Rentgenová difrakce může být použita k potvrzení charakteristické kubické struktury minerálu. Nahrazení Fe²⁺ za Mg²⁺ ovlivňuje rozměry jednotkového prostoru, takže naměřené parametry mřížky mohou poskytnout další informace o složení. Nicméně strukturní parametry jsou také ovlivněny tlakem, teplotou a fyzikálním stavem vzorku, zejména pokud je zkoumán materiál vzniklý za vysokého tlaku po jeho návratu. Ramanova spektroskopie a jiné spektroskopické metody mohou poskytnout další informace o strukturním a chemickém stavu minerálu, zejména když jsou dostupné velmi malé zrní. Pro feroperiklas, který je zachován jako inkluze v diamantu nebo jiném hostitelském minerálu, mohou nezničující analytické metody být zvláště užitečné, protože inkluze může mít jen několik mikrometrů v průměru.
Hlavní minerály a fáze, které mohou potřebovat být odlišeny od feroperiklasu, zahrnují periklása a wüstitPeriklas představuje konečný člen bohatý na MgO, zatímco wüstit představuje konečný člen bohatý na FeO v systému oxidů Mg–Fe. Protože tyto fáze mají blízké struktury a složení, nelze vždy spolehlivě určit rozdíl na základě vizuálních znaků. Při identifikaci přirozeného vzorku by proto měly být uvažovány společně chemické složení, krystalografická data a geologické prostředí.
Použití a aplikace ferroperiklasu
Ferroperiklas nemá stanovené použití jako průmyslová surovina, drahokam nebo dekorativní minerál. Přírodní materiál se obvykle vyskytuje jako malé zrnek, minerální inkluze nebo složky vysokotlakých minerálních asociací, nikoli jako materiál extrahovaný pro komerční aplikace. Jeho proměnlivé složení a typické geologické výskyt omezuje jeho použití jako konvenční minerální suroviny.
Hlavní aplikace feroperiklasu jsou spojeny s mineralogickým a experimentálním výzkumem. Přirozené vzorky lze analyzovat, aby se studovaly chemické vztahy mezi hořčíkem a železem v oxidových mineralech a aby se zjistilo, jak jsou tyto prvky rozloženy mezi spoluvyskytujícími vysoce tlakem fázemi. Kompoziční údaje z feroperiklasu lze také kombinovat s informacemi z přidružených minerálů, aby se studovaly tlak, teplota a podmínky kyslíku při vzniku minerálů.
Ferroperiklas se také studuje experimentálně, protože jeho vlastnosti se mění při stlačování. Výzkum často zkoumá dopady tlaku a teploty na jeho krystalickou strukturu, hustotu, pružnost a elektronický stav železa. Tlakem způsobená změna mezi vysokospinovým a nízko-spinovým stavem Fe²⁺ je důležitou součástí jeho chování za podzemních podmínek a může ovlivnit několik měřitelných fyzikálních vlastností.
Ve studiích diamantů a jiných materiálů pocházejících z hlubokého původu mohou inkluze feroperklesu poskytovat informace o podmínkách, kterým byl hostitelský minerál v hloubce vystaven. Protože jednotlivé inkluze mohou být velmi malé, analytické techniky jako elektronová mikroskopie, elektromikroprobová analýza, rentgenová difrakce, Ramanova spektroskopie a další spektroskopické metody se často používají místo konvenčního zkoumání vzorků.