Ferroperiklas ist ein Magnesium-Eisen-Oxid-Mineral mit einer allgemein durch (Mg,Fe)O. Es gehört zur Periklas-Gruppe und bildet eine Festkörperlösungsserie zwischen magnesiumreicher Periklas, MgO, und eisenreicher Wüstit, FeO. In seiner Struktur ersetzt Fe²⁺ Mg²⁺ an gleichwertigen zweiwertigen Kationenstellen, wodurch sich die Zusammensetzung entsprechend den relativen Anteilen von Magnesium und Eisen verändern kann. Der Name Ferroperiklas wird allgemein für eisenhaltige Mitglieder dieses Systems verwendet, insbesondere für Zusammensetzungen, in denen Magnesium ein Hauptbestandteil bleibt.
Ferroperiklas kristallisiert in der kubisches Kristallsystem und hat die gleiche grundlegende Struktur wie Periklas. Seine Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften können sich mit zunehmendem Eisengehalt erheblich verändern. Da Mg²⁺ und Fe²⁺ unterschiedliche Ionenradien haben, beeinflusst die Eisensubstitution Parameter wie Gitterparameter, Dichte, optische Eigenschaften und elastisches Verhalten. Das Mineral ist typischerweise dunkelgrau, bräunlich, grünlichgrau oder fast schwarz, obwohl sein Aussehen mit der Zusammensetzung, Korngröße, Einschlüssen und Verwitterung variieren kann.
Natürliche Ferroperiklase ist hauptsächlich mit hochdruckgeologischen Umgebungen verbunden. Sie wurde in bestimmten metamorphen Gesteinen identifiziert, die unter extremen Druckbedingungen gebildet wurden, sowie als Einschlüsse in Diamanten, die an beträchtlicher Tiefe im Inneren der Erde entstanden sind. Ferroperiklase wird auch als Mineralphase anerkannt, die unter den Druck- und Temperaturbedingungen des unteren Mantels auftreten kann. Ihr Vorkommen in diesen Umgebungen spiegelt die Stabilität von Mg–Fe-Oxiden unter Bedingungen wider, die sich erheblich von denen an der Oberfläche der Erde unterscheiden.
Die Zusammensetzung von Ferroperiklas ist nicht notwendigerweise an ein einzelnes Mg:Fe-Verhältnis gebunden. Stattdessen können Magnesium und Eisen sich über einen Bereich von Zusammensetzungen gegenseitig ersetzen, und die genaue chemische Zusammensetzung hängt vom geologischen Umfeld ab, in dem das Mineral entstanden ist. In natürlichen Proben können auch geringe Elemente durch zusätzliche Substitutionen auftreten. Aus diesem Grund wird Ferroperiklas am besten durch seine chemische Zusammensetzung zusammen mit ihren strukturellen Eigenschaften beschrieben, anstatt allein anhand der Farbe.
Geschichte und Entdeckung von Ferroperiklase
Ferroperiklas wird im Allgemeinen nicht als Mineralart mit einer einzigen festen Zusammensetzung behandelt, wie bei Periklas oder Wüstit. Der Name bezieht sich auf eisenhaltiges Material innerhalb des MgO–FeO-System der Festkörperlösung. Das Verhältnis zwischen magnesiumreicher Periklas und eisenreicher Wüstit wurde bereits durch experimentelle Studien des Mg–Fe–O-Systems erkannt, während natürlich vorkommendes Ferroperiklas anschließend in hochdruckgeologischen Materialien identifiziert wurde.
Die mineralogische Unterscheidung basiert hauptsächlich auf der chemischen Zusammensetzung und Kristallstruktur und nicht auf Farbe oder äußerem Erscheinungsbild. Periklas hat die ideale Zusammensetzung MgO, während Wüstit die ideale Zusammensetzung FeO hat. Zwischen diesen Endmitgliedern können sich Mg²⁺ und Fe²⁺ in der gleichen strukturellen Position gegenseitig ersetzen. Ferroperiklas stellt daher eine Fe-haltige, Mg-dominierte Zusammensetzung innerhalb dieses umfassenderen Oxidsystems dar. Natürlicher Ferroperiklas wurde aus mehreren Hochdruckumgebungen gemeldet. Eine der besser bekannten Vorkommen ist als Mineralinclusion in Diamanten, wobei die Inklusionsassemblierung Minerale erhalten kann, die bei Tiefen im Erdmantel gebildet oder im Gleichgewicht geblieben sind. Ferroperiklas wurde auch in hochdruckmetamorphen Materialien und anderen geologischen Umgebungen identifiziert, in denen Druck- und Temperaturbedingungen die Stabilität von Mg–Fe-Oxiden ermöglichen.
Die Zusammensetzung von Ferroperiklase kann Informationen über die Bedingungen liefern, unter denen ein einzelner Probenbildungsprozess stattfand oder anschließend gleichgewichtet wurde. Die relativen Mengen an Magnesium und Eisen werden durch Temperatur, Druck, Sauerstoffpartialdruck und die Zusammensetzung der umgebenden Mineralassemblage beeinflusst. Als Ergebnis ist eine chemische Analyse normalerweise erforderlich, um Ferroperiklase genau zu charakterisieren, insbesondere wenn sie von kompositionsverwandten Mitgliedern des Periklas-Wüstit-Systems unterschieden wird.
Formation und geologische Vorkommen von Ferroperiklas
Ferroperiklas entsteht unter Bedingungen, bei denen Magnesium und Eisen gemeinsam in einem oxidenreichen System vorkommen und die Druck-Temperatur-Bedingungen die Stabilität der kubischen Mg-Fe-Oxidstruktur begünstigen. Seine Zusammensetzung wird durch die Verhältnisse von Mg und Fe während der Bildung sowie durch Temperatur, Druck und Sauerstofffugazität bestimmt. Unter reduzierenden Bedingungen ist Eisen häufig vorwiegend als Fe²⁺ vorhanden, was es ermöglicht, direkt für Mg²⁺ in der Periklasstruktur zu substituieren. Änderungen der Sauerstofffugazität können das Verhältnis von Eisen als Fe²⁺ oder Fe³⁺ verändern und damit die Stabilität und Zusammensetzung der Oxidassemblage beeinflussen.
In hochdruckmetamorphen Umgebungen kann Ferroperiklas durch Reaktionen mit magnesiumreichen Silikatmineralien und eisenhaltigen Phasen entstehen. Bei ausreichend hohen Drücken können Mineralien, die an oberen Stellen der Kruste und des oberen Mantels stabil sind, in Assemblagen mit Ferroperiklas umwandeln. Sein Vorhandensein hängt daher nicht nur von der Bulk-Rock-Zusammensetzung ab, sondern auch vom Druck-Temperatur-Pfad, den der Felsen durchlief. Die Korngröße kann von mikroskopischen Kristallen bis zu Einschlüssen reichen, die in anderen Mineralien eingeschlossen sind, je nach geologischer Situation.
Ferroperiklas ist auch aus Diamanten bekannt, die in großen Tiefen im Erdinneren gebildet wurden. Wenn Ferroperiklas als Einschluss in einem Diamanten vorkommt, kann der umgebende Diamant den Einschluss vor späterer Veränderung während seiner Transportbewegung zur Erdoberfläche schützen. Solche Einschlüsse können chemische und strukturelle Informationen über die Hochdruckumgebung bewahren, in der sie sich bildeten oder gleichgewichteten. In diesen Proben kommt Ferroperiklas häufig zusammen mit anderen Mineralien, die typisch für tiefe Mantelassemblierungen sind.
Das Mineral kann auch in experimentell hergestellten Hochdruckassemblierungen vorkommen, bei denen kontrollierte Druck-, Temperatur- und Sauerstofffugazitätsbedingungen verwendet werden, um das MgO–FeO-System zu untersuchen. Experimentelle Studien zeigen, dass sich die Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften von Ferroperiklas mit Druck, Temperatur und Eisengehalt verändern. Diese Beziehungen sind nützlich bei der Interpretation natürlicher Proben, insbesondere solcher aus Hochdruckgesteinen und tiefen Ursprungs-Mineralinklusionen.
Kristallstruktur von Ferroperiklas
Eisenperiklas hat die kubische Kristallstruktur Eigenschaft des Periklas–Wüstit-Systems. Seine Struktur basiert auf der Gesteinssalz- oder NaCl-artigen Anordnung, bei der die Sauerstoff-Anionen ein eng gepacktes Gerüst bilden und zweiwertige Kationen oktaedrisch koordinierte Plätze zwischen ihnen einnehmen. Magnesium und Eisen sind auf dasselbe kristallographische Kationen-Gitterplatz verteilt, sodass die Struktur Änderungen im Mg:Fe-Verhältnis ohne Erfordernis eines unterschiedlichen grundlegenden strukturellen Rahmens aufnehmen kann.
Die idealisierte Struktur kann daher als Array von Mg²⁺- und Fe²⁺-Kationen beschrieben werden, die von sechs Sauerstoffatomen umgeben sind. Jeder Sauerstoffatom ist ebenfalls von sechs benachbarten zweiwertigen Kationen koordiniert. Die Substitution von Fe²⁺ durch Mg²⁺ verändert die durchschnittlichen Abmessungen der Struktur, weil Fe²⁺ einen größeren Ionenradius als Mg²⁺ hat. Mit zunehmendem Eisengehalt erhöhen sich im Allgemeinen die Gitterparameter und die Dichte, während auch andere physikalische und elastische Eigenschaften entsprechend der Zusammensetzung verändern.
Druck hat einen signifikanten Einfluss auf das strukturelle Verhalten von Ferroperiklase. Bei den Drücken, die für den unteren Erdmantel relevant sind, bleibt das eisenhaltige Oxid in der kubischen Struktur, aber der elektronische Zustand des Eisens kann sich verändern. Insbesondere kann Fe²⁺ eine druckinduzierte Hochspin- zu Niederspin-Übertragung durchlaufen. Dieser Wechsel betrifft die Anordnung der Elektronen im Eisenion und nicht die gesamte Kristallsymmetrie, kann aber das Volumen, die Dichte, die Elastizität und andere physikalische Eigenschaften des Minerals beeinflussen.
Die Verteilung und elektronische Eigenschaften von Eisen in Ferroperiklas können sich ebenfalls mit Temperatur, Druck und Zusammensetzung verändern. Diese Faktoren beeinflussen das Verhältnis zwischen dem Kristallgitter und den physikalischen Eigenschaften, die in natürlichen oder experimentell hergestellten Proben gemessen werden. Daher berücksichtigen strukturelle Studien von Ferroperiklas häufig sowohl seine Mg–Fe-Zusammensetzung als auch die Druck–Temperatur-Bedingungen, unter denen das Mineral gebildet oder in Gleichgewicht gebracht wurde.
Physikalische und chemische Eigenschaften von Ferroperiklas
Ferroperiklas wird typischerweise als dunkelgrauer, braunlicher grauer, grünlicher grauer oder schwarzer Mineral beschrieben, wobei seine Erscheinung mit dem Eisengehalt, der Korngröße, Verunreinigungen und dem Zustand des Probenstücks variiert. Da natürliches Ferroperiklas häufig als kleine Körner oder Mineralien in Einschlüssen vorkommt, sind gut ausgebildete makroskopische Kristalle ungewöhnlich. Sein Glanz ist allgemein glasartig bis halbmetallisch, und seine Durchsichtigkeit reicht von durchsichtig bis undurchsichtig, abhängig von der Korndicke und der Zusammensetzung.
Die chemische Zusammensetzung von Ferroperiklas kann allgemein als ausgedrückt werden (Mg,Fe)Omit Mg²⁺ und Fe²⁺, die den Hauptzweivalentkationensit aufnehmen. Der relative Anteil des Eisens ist variabel und nicht festgelegt, und diese chemische Variation führt zu einem kontinuierlichen Wechsel der physikalischen Eigenschaften zwischen magnesiumreichen und eisenreichen Zusammensetzungen. Kleinere Elemente können auch durch zusätzliche Substitutionen auftreten, insbesondere in natürlichen Proben, die unter komplexen geologischen Bedingungen gebildet wurden.
Die Dichte von Ferroperiklas steigt allgemein mit zunehmendem Eisengehalt, weil Fe²⁺ schwerer als Mg²⁺ und einen größeren ionischen Radius hat. Die Einheitszellenabmessungen nehmen ebenfalls zu, wenn Fe²⁺ Mg²⁺ ersetzt. Diese Beziehungen bieten nützliche chemische Indikatoren, wenn Ferroperiklas durch Röntgenbeugung oder andere analytische Methoden untersucht wird. Dennoch können Druck und Temperatur auch die gemessenen strukturellen Parameter beeinflussen, sodass die Zusammensetzung nicht aus einer einzelnen physikalischen Eigenschaft abgeleitet werden sollte, ohne die geologischen Bedingungen zu berücksichtigen.
Ferroperiklase hat eine hohe Schmelztemperatur und ist unter einem breiten Bereich von Druck- und Temperaturbedingungen stabil. Seine physikalischen Eigenschaften werden stark vom Druck beeinflusst, insbesondere in den Hochdruckumgebungen, in denen natürliche Beispiele vorkommen. Elastische Eigenschaften, Dichte, elektrisches Verhalten und andere messbare Merkmale können sich mit der Eisenkonzentration und dem Druck verändern. Das Verhalten von Fe²⁺ unter Kompression ist besonders bedeutend, weil Änderungen seines elektronischen Spin-Zustands die physikalischen Eigenschaften des Minerals verändern können, ohne seine grundlegende kubische Kristallstruktur zu verändern. Aus chemischer Sicht gehört Ferroperiklase zum MgO–FeO-Oxidsystem. Unter ausreichend oxidierenden Bedingungen kann ein Teil des Eisens in einem höheren Oxidationszustand vorliegen oder Ferroperiklase kann mit anderen Eisenoxiden und Silikatmineralien koexistieren. Daher hängt die tatsächliche Chemie eines natürlichen Proben von ihrer Bildungsumgebung und der anschließenden geologischen Geschichte ab. Eine quantitative chemische Analyse ist daher erforderlich, um das Mg/Fe-Verhältnis zu bestimmen und geringfügige elementare Substitutionen zu identifizieren.
Arten und Varianten von Ferroperiklas
Ferroperiklas besitzt keine allgemein anerkannten Varietäten, die auf Farbe oder Erscheinungsbild basieren. Stattdessen wird natürlich vorkommendes Material häufig anhand seiner chemischen Zusammensetzung unterschieden, insbesondere anhand der relativen Mengen an Magnesium und Eisen. Da Mg²⁺ und Fe²⁺ sich innerhalb desselben strukturellen Bereichs gegenseitig ersetzen können, können Proben erhebliche chemische Variationen aufweisen, während sie dennoch die gleiche kubische Kristallstruktur behalten.
- Magnesiumreiches Ferroperiklas: Fe²⁺ ist als untergeordneter Bestandteil vorhanden, wobei Magnesium der dominante zweiwertige Kation bleibt. Diese Zusammensetzungen nähern sich dem Periklas-Endmitglied MgO an.
- Mittlere Ferroperiklas: Magnesium und Eisen kommen in erheblichen Mengen vor, wodurch Zusammensetzungen zwischen Periklas und Wüstit entstehen. Physikalische Eigenschaften wie Dichte und Gitterzellenabmessungen variieren entsprechend dem Mg:Fe-Verhältnis.
- Eisenreiches Ferroperiklas: Eisen stellt einen größeren Anteil der divalenten Kationeninhalt dar, und die Zusammensetzung nähert sich der FeO-reichen Seite des MgO-FeO-Systems an.
- Periklas-FePeriklas-Zusammensetzungen: Proben in der Nähe des MgO-Endmitglieds können relativ kleine Mengen an Fe²⁺ enthalten. Ihre Klassifizierung hängt von der chemischen Zusammensetzung ab, die durch Analyse bestimmt wird, und nicht von der visuellen Erscheinung.
- Eisenoxydperiklas in Hochdruckassemblierungen: Material, das in tiefen Ursprungs-Gesteinen oder Mineralien-Einschlüssen vorkommt, kann Zusammensetzungen haben, die durch Druck, Temperatur, Sauerstoff-Fugazität und die umgebende Mineralassemblierung beeinflusst werden. Diese geologischen Unterschiede stellen nicht unbedingt separate Mineralarten dar.
Farbe sollte nicht als primäre Grundlage für die Unterscheidung dieser zusammengesetzten Typen verwendet werden. Eine chemische Analyse ist erforderlich, um die relativen Mengen von Magnesium und Eisen zu bestimmen, während Röntgenbeugung und andere strukturelle Methoden zur Bestätigung der kubischen Struktur und zur Charakterisierung von Veränderungen im Zusammenhang mit der Zusammensetzung eingesetzt werden können.
Wo wird Ferroperiklase gefunden?
Ferroperiklas ist hauptsächlich mit hochdruckgeologischen Umgebungen verbunden, nicht mit gewöhnlichen Oberflächen-Gesteinen. Natürliche Vorkommen wurden in tiefen Ursprung mineralischen Assemblagen dokumentiert, einschließlich Ferroperiklas, der als Einschlüsse innerhalb von Diamanten erhalten geblieben ist. In diesen Situationen kann das Mineral während des Transports aus der Tiefe zur Erdoberfläche in dem Host-Diamanten eingeschlossen bleiben, wodurch seine Zusammensetzung und Kristallstruktur nachdem das Host-Gestein zu tieferen Bedingungen gelangt ist, untersucht werden können.
Ferroperiklas ist auch mit hochdruckmetamorphen Gesteinen verbunden, in denen Mg–Fe-Oxidphasen unter erhöhtem Druck und Temperatur stabil werden. Ihre Vorkommen hängen von der gesamten chemischen Zusammensetzung des Gesteins sowie vom Druck, der Temperatur und der Sauerstofffugazitätsbedingungen während der Bildung der Minerale oder nachfolgenden Gleichgewichtsbildung ab. Sie kann gemeinsam mit hochdrucksilikatischen Mineralien, anderen Oxiden und Mineralien mit Magnesium und Eisen vorkommen.
Das Mineral ist besonders mit tiefen Mantelassemblierungen verbunden. Unter Bedingungen, die dem unteren Erdmantel der Erde entsprechen, kann Ferroperiklas mit hochdruckstabilen Magnesium-Eisen-Silikatphasen koexistieren. Seine Stabilität und Zusammensetzung können sich mit der Tiefe verändern, da der Druckanstieg die Verteilung von Eisen und Magnesium zwischen koexistierenden Mineralien beeinflusst. Temperatur und Sauerstoffpartialdruck können auch den Fe/Mg-Verhältnis und den Oxidationszustand von Eisen innerhalb der Assemblierung beeinflussen.
Natürliche Proben sind häufig klein und können als Einschlüsse, feinkörnige Aggregate oder isolierte Körner in hochdruckreichen Gesteinen vorkommen. Aus diesem Grund wird Ferroperiklas oft mit mikroanalytischen Techniken untersucht, anstatt mit konventionellen Handprobenuntersuchungen. Die Elektronenmikrosonde kann das Mg/Fe-Verhältnis bestimmen, während Röntgenbeugung, Ramanspektroskopie und andere Methoden Informationen über seine Kristallstruktur und den physikalischen Zustand liefern können.
Wie man Ferroperiklas identifiziert
Ferroperiklas kann anhand der Erscheinung allein schwer zu identifizieren sein, da natürliche Proben häufig feinkörnig, dunkel gefärbt oder in anderen Mineralien eingeschlossen sind. Seine Zusammensetzung überlappt auch mit anderen Mg–Fe-Oxidphasen, insbesondere Periklas und Wüstit. Eine zuverlässige Identifizierung erfordert daher Informationen über chemische Zusammensetzung und Kristallstruktur, anstatt sich nur auf Farbe, Glanz oder Kornmorphologie zu verlassen.
Die chemische Analyse ist eine der primären Methoden zur Charakterisierung von Ferroperiklas. Die Elektronen-Mikrosondenanalyse kann die Konzentrationen von Magnesium und Eisen bestimmen und das Mg/Fe-Verhältnis eines einzelnen Korns feststellen. Zusätzliche Elemente können ebenfalls gemessen werden, um geringfügige Substitutionen zu identifizieren. Da das Fe/Mg-Verhältnis erheblich variieren kann, ist die quantitative Analyse besonders nützlich, um Ferroperiklas von Kompositionen zu unterscheiden, die näher am Periklas- oder Wüstit-Endmitglied liegen.
Die Röntgenbeugung kann verwendet werden, um die charakteristische kubische Struktur des Minerals zu bestätigen. Die Substitution von Fe²⁺ durch Mg²⁺ beeinflusst die Abmessungen der Einheitszelle, sodass gemessene Gitterparameter zusätzliche Informationen über die Zusammensetzung liefern können. Strukturelle Parameter werden jedoch auch durch Druck, Temperatur und den physikalischen Zustand des Probenmaterials beeinflusst, insbesondere wenn Material untersucht wird, das unter hohen Druckbedingungen gebildet wurde und nach der Rückgewinnung analysiert wird. Raman-Spektroskopie und andere spektroskopische Methoden können zusätzliche Informationen über den strukturellen und chemischen Zustand des Minerals liefern, insbesondere wenn die verfügbaren Körner sehr klein sind. Für ferroperiklas, der als Einschluss in Diamant oder einem anderen Trägermineral erhalten blieb, können nichtzerstörende analytische Methoden besonders nützlich sein, da der Einschluss nur wenige Mikrometer groß sein kann.
Die wichtigsten Mineralien und Phasen, die von Ferroperiklas unterschieden werden müssen, umfassen Periklase und Wüstit. Periklas stellt das MgO-reiche Endmitglied dar, während Wüstit das FeO-reiche Endmitglied des Mg-Fe-Oxid-Systems darstellt. Da diese Phasen eng verwandte Strukturen und Zusammensetzungen aufweisen, kann die Unterscheidung nicht immer zuverlässig anhand visueller Merkmale erfolgen. Daher sollten bei der Identifizierung eines natürlichen Proben die chemische Zusammensetzung, kristallographische Daten und die geologische Umgebung gemeinsam berücksichtigt werden.
Anwendungen und Verwendungen von Ferroperiklas
Ferroperiklas hat keinen etablierten Einsatz als Industriematerial, Edelstein oder Schmuckmineral. Natürlicher Material wird normalerweise als kleine Körner, Mineralien in Einschlüssen oder Komponenten von Hochdruck-Mineralassemblierungen angetroffen, anstatt als Material für kommerzielle Anwendungen extrahiert zu werden. Seine variable Zusammensetzung und typische geologische Vorkommen begrenzen ihren Einsatz als konventionelles Mineralprodukt.
Die Hauptanwendungen von Ferroperiklas sind mit mineralogischer und experimenteller Forschung verbunden. Natürliche Proben können analysiert werden, um die chemischen Beziehungen zwischen Magnesium und Eisen in Oxidmineralien zu untersuchen und herauszufinden, wie diese Elemente unter koexistierenden Hochdruckphasen verteilt sind. Zusammensetzungsinformationen von Ferroperiklas können auch mit Daten aus zugehörigen Mineralien kombiniert werden, um den Druck, die Temperatur und die Sauerstoffbedingungen der Bildung von Mineralien zu studieren.
Ferroperiklas wird auch experimentell untersucht, da sich seine Eigenschaften unter Kompression verändern. Die Forschung untersucht häufig die Auswirkungen von Druck und Temperatur auf seine Kristallstruktur, Dichte, Elastizität und den elektronischen Zustand des Eisens. Der druckinduzierte Wechsel zwischen hochspin- und nieder-spin-Zuständen von Fe²⁺ ist ein wichtiger Teil seines Verhaltens unter tiefes Erdbedingungen und kann mehrere messbare physikalische Eigenschaften beeinflussen.
Bei Studien zu Diamanten und anderen Materialien mit tiefem Ursprung können Einschlüsse von Ferroperiklas Informationen über die Bedingungen liefern, unter denen das Trägermineral in der Tiefe existierte. Da einzelne Einschlüsse sehr klein sein können, werden analytische Techniken wie Elektronenmikroskopie, Elektronenmikrosondenanalyse, Röntgendiffraktion, Ramanspektroskopie und andere spektroskopische Methoden häufiger verwendet als herkömmliche, auf Proben basierende Untersuchungen.