Ferroperikliasi on magnesium–rauta-oksidi-mineraali, jonka koostoa esitetään yleensä nimellä (Mg,Fe)O. Se kuuluu periklasi-ryhmään ja muodostaa kiinteän ratkaisusarjan rikkaiden magnesiumin periklasin, MgO, ja rikkaiden raudan wüstitin, FeO, välillä. Sen rakenteessa Fe²⁺ korvaa Mg²⁺:ta samalla kationisijalla, mikä mahdollistaa koostumuksen vaihtelun suhteellisten määrien mukaan magnesiumin ja raudan osalta. Nimi ferroperiklasea käytetään yleensä tämän järjestelmän rauta-aiheuttajia, erityisesti niitä koostumuksia, joissa magnesium pysyy tärkeänä komponenttina.
Ferroperikliasi kristalliseerii the kuutiokrystallografinen järjestelmä ja sillä on sama perusrakenne kuin periklasi. Sen koostumus ja fyysiset ominaisuudet voivat muuttua huomattavasti lisääntyvän raudan sisällön myötä. Koska Mg²⁺ ja Fe²⁺:n ionisäteet ovat erilaiset, raudan korvaus vaikuttaa parametreihin kuten yksikkökidemenet, tiheys, optiset ominaisuudet ja joustava käyttäytyminen. Kiviaine on tyypillisesti tumma harmaa, ruskea, vihreäharmaa tai lähes musta, vaikka sen ulkonäkö voi vaihdella koostumuksen, hiukkaskoon, sisällysten ja muutosten mukaan.
Luonnollinen ferroperiklasi liittyy pääasiassa korkeapaineisiin geologisiin ympäristöihin. Se on havaittu tietyissä muodostuneissa kivilajeissa, jotka muodostuivat ääripaineolosuhteissa, sekä diaamantteihin sisältyvänä aineena, jotka syntyivät merkittävällä syvyydellä Maan sisällä. Ferroperiklasia tunnustetaan myös mineraalifasina, joka voi esiintyä alimman vaippa-alueen paine- ja lämpötilaolosuhteissa. Sen esiintyminen näissä olosuhteissa heijastaa Mg–Fe-oksidien stabiilisuutta olosuhteissa, jotka ovat huomattavasti erilaisia kuin Maan pinnalla.
Ferroperiklaasin koostumus ei ole välttämättä kiinteässä Mg:Fe-suhteessa. Sen sijaan magnesium ja rauta voivat korvata toisiaan laajalla koostumuksella, ja tarkka kemiallinen koostumus riippuu kivilajin muodostumisesta olevasta geologisesta ympäristöstä. Luonnollisissa näytteissä pienmääräisiä alkuaineita voi myös esiintyä lisäsubstituutioiden kautta. Tästä syystä ferroperiklaasia kuvataan parhaiten sen kemiallisten ominaisuuksien ja rakenteellisten ominaisuuksien yhdistelmänä, eikä vain väritä.
Historia ja löytö ferroperiklasesta
Ferroperiklasea ei yleensä pidetä mineraalilajina, jolla on yksittäinen kiinteä koostumus, kuten periklasea tai wüstiteä. Nimi viittaa Fe-sisältävään aineeseen MgO–FeO -kierrätysjärjestelmässä. Suhteen välillä magnesiumi- ja rauta-rikas periklasea ja rauta- ja magnesiumi-rikas wüstiteä on pitkään tunnistettu kokeellisten tutkimusten kautta Mg–Fe–O-järjestelmässä, kun taas luonnollisesti esiintyvä ferroperiklasea on myöhemmin havaittu korkeapaineisissa geologisissa materiaaleissa.
Mineraalikäsitteet perustuvat ensisijaisesti kemialiseen koostumukseen ja kiteistruktuuriin, eivätkä värin tai ulkoasun perusteella. Periklasiolla on ideaalinen koostumus MgO, kun taas wüstitellä on ideaalinen koostumus FeO. Näiden pääkomponenttien välillä Mg²⁺ ja Fe²⁺ voivat korvata toisiaan samassa rakenteellisessa asemassa. Ferroperiklasi edustaa siis Fe-sisältöistä, Mg-ylikeritystä koostumusta tässä laajemmassa oksidijärjestelmässä. Luonnollinen ferroperiklasi on raportoitu useista korkeapaine-olosuhteista. Yksi tunnetumpia esiintymiä on mineraalisiirtoaineena diamanteissa, missä siirtoaineen yhdistelmä voi säilyttää mineraaleja, jotka muodostuivat tai tasapainotuivat syvyyksissä Maan maitojen sisällä. Ferroperiklasia on myös havaittu korkeapaineisissa metamorfisissa materiaaleissa ja muissa geologisissa ympäristöissä, joissa paine ja lämpötila ovat sellaiset, että Mg–Fe-oksidit pysyvät stabiileina.
Ferroperiklaasin koostumus voi antaa tietoa siitä, missä olosuhteissa yksittäinen näyte muodostui tai tasapainotui myöhemmin. Magnesiumin ja raudan suhteelliset määrät vaikuttuvat lämpötilaan, paineeseen, happiaktiivisuuteen ja ympäröivän mineraalijoukon koostumukseen. Tämän vuoksi kemiallinen analyysi on tavallisesti tarpeen ferroperiklaasin tarkkaa kuvausta varten, erityisesti kun se erotetaan periklaasi–wüstiti-järjestelmän muista koostumukseltaan läheisistä jäsenistä.
Muodostus ja geologinen esiintyminen ferroperiklaseista
Ferroperiklase muodostuu olosuhteissa, joissa magnesium ja rauta esiintyvät yhdessä happirikkaisessa järjestelmässä ja paine-lämpötilaolosuhteet edistävät kolmiulotteisen Mg–Fe-oxidin rakenteen vakautta. Sen koostumus määräytyy muodostumisvaiheessa saatavilla olevien Mg:n ja Fe:n osuuksista sekä lämpötilasta, paineesta ja hapen käyttäytymisestä. Redusoivissa olosuhteissa rauta on yleensä enemmän Fe²⁺-muodossa, mikä mahdollistaa sen suoravan korvaamisen Mg²⁺:n periklaseen rakenteessa. Hapen käyttäytymisen muutokset voivat muuttaa raudan osuutta Fe²⁺:n tai Fe³⁺:n muodossa ja siten vaikuttaa oxideihin liittyvän assemblaagin vakauttuneisuuteen ja koostumukseen.
Korkean paineen metamorfisissa ympäristöissä ferroperiklasea voi muodostua reaktioissa, joissa osallistuvat Mg-rikkaiset silikaattimineraalit ja rauta sisältävät vaiheet. Korkealla riittävällä paineella maa-kuoren ja yläviimeen pinnalla stabiilit mineraalit voivat muuttua assemblageiksi, jotka sisältävät ferroperiklasea. Sen läsnäolo riippuu siis ei vain koko-kivin koostumuksesta vaan myös siitä paine-lämpötila-polusta, jonka kivi on kokenut. Hiukkaskoko voi vaihdella mikroskooppisista kiteistä toisiin mineraaleihin suljetuksi sisällytettyihin inkluusioihin, riippuen geologisesta ympäristöstä.
Ferroperiklase on tunnettu myös niistä timantteista, jotka muodostuivat merkittävillä syvyyksillä Maan sisällä. Kun ferroperiklase esiintyy kidehdoksi, joka on ympäröity timanttia, ympäröivä timantti voi suojata sisältöä myöhemmästä muutoksesta sen kulussa pinnalle. Näin ollen nämä sisältöt voivat säilyttää kemiallista ja rakenteellista tietoa korkeapaineympäristöstä, jossa ne muodostuivat tai tasapainottuivat. Näissä näytteissä ferroperiklase esiintyy usein muiden syvän maa-levyn assemblaajien ominaisia mineraaleja yhdessä.
Mineraali voi esiintyä myös kokeellisesti tuotettujen korkeapaineasemblageiden yhteydessä, joissa käytetään kontrolloituja paine- ja lämpötila- sekä happiaktiivisuusolosuhteita tutkiessaan MgO–FeO-järjestelmää. Kokeelliset tutkimukset osoittavat, että ferroperiklaasin koostumus ja fyysiset ominaisuudet muuttuvat paineessa, lämpötilassa ja rautapitoisuuksissa. Näitä suhteita voidaan hyödyntää luonnollisten näytteiden tulkinnassa, erityisesti korkeapaineisten kivien ja syvän alkuperän mineraalikuoren näytteissä.
Ferroperiklaasin kristallirakenne
Ferroperikliasi on olemassa kubinen kiteenrakenne ominaisuus periklaasi–wüstitti-järjestelmässä. Sen rakenteessa perustuu kivisuola- tai NaCl-tyypin järjestelmään, jossa happi-anionit muodostavat tiiviisti pakattua vierekkäistä rakennetta ja kaksihapoiset kationit täyttävät oktaedrisesti koordinoituja aukoja niiden välissä. Magnesium ja rauta ovat jakautuneet samalle kristallografiselle kationipaikalle, joten rakenteeseen voidaan sijoittaa muutoksia Mg:Fe-suhteessa ilman eri perusrakenteen tarvetta.
Idealisoidun rakenteen voidaan siis kuvata Mg²⁺- ja Fe²⁺-kationien rivinä, jotka ovat ympäröityneet kuudella happiatomilla. Jokainen happiatomi on samalla koordinoitu kuudella vierekkäisellä kaksivaihtoisen kationilla. Fe²⁺:n korvaaminen Mg²⁺:lla muuttaa rakenteen keskimääräisiä mittoja, koska Fe²⁺:llä on suurempi ionisäde kuin Mg²⁺:lla. Kun rautapitoisuus kasvaa, yksikkökopan parametri ja tiheys kasvavat yleensä, kun taas muut fysikaaliset ja joustavuusominaisuudet muuttuvat myös koostumuksen mukaan.
Paine vaikuttaa merkittävästi ferroperiklaasin rakenteelliseen käyttäytymiseen. Maan alimman maitojärjestelmän paineissa rauta sisältävä oksidi pysyy kuutiollisessa rakenteessa, mutta raudan elektronitilan voi muuttua. Erityisesti Fe²⁺ voi kokea paineaiheutunutta korkean spinin alaspinnin siirtymää. Tämä muutos liittyy raudan ionin elektronien järjestykseen eikä kokonaisen kiteen symmetriaan, mutta se voi vaikuttaa mineraalin tilavuuteen, tiheyteen, joustavuuteen ja muuhun fyysiseen ominaisuuteen.
Jauheen jakauma ja sähköinen käyttäytyminen ferroperiklaseissa voi myös vaihdella lämpötilan, paineen ja koostumuksen mukaan. Nämä tekijät vaikuttavat kristallirakenteen ja luonnollisissa tai kokeellisesti tuotetuissa näytteissä mitattujen fyysisien ominaisuuksien väliseen suhteeseen. Seurauksena on, että ferroperiklasin rakenteelliset tutkimukset tarkastelevat usein sekä sen Mg–Fe-koostumusta että mineraalin muodostumisen tai tasapainottumisen aikana vallinneita paine- ja lämpötilaolosuhteita.
Ferroperiklaasin fyysiset ja kemialliset ominaisuudet
Ferroperiklase kuvataan yleensä tummanharmaana, ruskeaharmaana, vihreäharmaana tai mustana mineraalina, vaikka sen näkötila vaihtelee rautapitoisuuksien, hiomakoon, liitosten ja näytteen tilan mukaan. Koska luonnollinen ferroperiklase esiintyy usein pieninä hiomina tai mineraalinkluusiona, hyvin kehittyneet makroskooppiset kiteet ovat harvinaisia. Sen kiilto on yleensä lasimainen tai puolimetallinen, ja läpinäkyvyytensä vaihtelee läpinäkyvästä aina peittävään riippuen hioman paksuudesta ja koostumuksesta.
Kemiallinen koostumus ferroperiklasea voidaan ilmaista yleisesti nimellä (Mg,Fe)O, jossa Mg²⁺ ja Fe²⁺ sijaitsevat päädivalenttisessa kationisiteissä. Rauta-alkion suhteellinen määrä vaihtelee eikä ole kiinteä, ja tämä koostumuksen muutos aiheuttaa jatkuvaa muutosta useissa fysikaalisissa ominaisuuksissa magnesiumi- ja rauta-rikkaissa koostumuksissa. Pienmääräiset alkiot voivat myös esiintyä lisäsubstituutioiden kautta, erityisesti luonnollisissa näytteissä, jotka on muodostunut monimutkaisissa geologisissa olosuhteissa.
Tiheyden kasvu ferroperiklasiassa johtuu yleensä rautapitoisuuden lisääntyessä, koska Fe²⁺ on painavampi kuin Mg²⁺ ja sillä on suurempi ionisäde. Yksikkökidemenet myös kasvavat, kun Fe²⁺ korvaa Mg²⁺. Nämä suhteet tarjoavat hyödyllisiä koostumusviitteitä, kun ferroperiklasi tutkitaan röntgendiffraktiolla tai muilla analyysimenetelmillä. Kuitenkin paine ja lämpötila voivat vaikuttaa mitattuihin rakenteellisiin parametreihin, joten koostumusta ei tulisi päätellä yhdestä fyysisestä ominaisuudesta ilman geologisten olosuhteiden huomioimista.
Ferroperiklaseilla on korkea sulamispiste ja se on stabiili laajalla paine- ja lämpötilavälillä. Sen fyysiset ominaisuudet ovat voimakkaasti vaikuttuneita paineeseen, erityisesti niissä korkean paineen ympäristöissä, joissa luonnolliset esimerkit esiintyvät. Joustavuusominaisuudet, tiheys, sähköinen käyttäytyminen ja muut mitattavat ominaisuudet voivat muuttua sekä rautapitoisuuksessa että paineessa. Fe²⁺ -kationin käyttäytyminen puristuksessa on erityisen merkittävää, koska sen elektronisen spin-tilan muutokset voivat muuttaa mineraalin fyysisiä ominaisuuksia ilman sen perusrakennekuoren muutoksia. Kemiallisesta näkökulmasta ferroperiklase kuuluu MgO–FeO-oksidi-järjestelmään. Riittävän hapettavissa olosuhteissa osa raudasta voi esiintyä korkeammassa hapetusasteessa tai ferroperiklaseen voi yhdistyä muiden rautaoksidien ja silikaattimaiden kanssa. Seurauksena luonnollisen näytteen todellinen kemia riippuu sen muodostumisympäristöstä ja myöhemmästä geologisesta historiasta. Määrällinen kemiallinen analyysi on siksi tarpeen määrittääksesi Mg/Fe-suhteen ja tunnistaa pieniä alkeellisia korvauksia.
Tyypit ja lajit ferroperiklasesta
Ferroperikliasi ei ole laajasti hyväksyttyjä virallisesti tunnistettuja muotoja, jotka perustuvat väriin tai ulkonäköön. Sen sijaan luonnollisesti esiintyvä materiaali erotellaan usein sen kemiallisesta koostumuksesta, erityisesti magnesiumin ja raudan suhteellisista määristä. Koska Mg²⁺ ja Fe²⁺ voivat korvata toisiaan samassa rakenteellisessa paikassa, näytteet voivat olla huomattavasti erilaisia kemiallisesti säilyttäen saman kuution muotoisen kiteen.
- Rikkakattinen ferroperikliasi: Fe²⁺ esiintyy alikomponenttina, kun taas magnesium pysyy päädivaaliokationina. Näillä koostumuksilla on lähestymässä periklaasin loppuosaa, MgO.
- Keskiarvoinen ferroperikliasi: Magnesium ja rauta esiintyvät merkittävissä määrissä, tuottaen koostumuksia periklaasista ja wüstitistä. Fysikaaliset ominaisuudet, kuten tiheys ja yksikkökiteen mitat, vaihtelevat riippuen Mg:Fe-suhteesta.
- Rauta-rikas ferroperiklase: Rauta edustaa suuremman osan kahden varauksen kationipitoisuudesta, ja koostumus lähestyy MgO–FeO-järjestelmän rautaoksidirikkaista puolta.
- Periklaasi–rautaperiklaasi koostumukset: Näytteet, jotka ovat lähellä MgO-pääasiallista, voivat sisältää suhteellisen pieniä määriä Fe²⁺. Niiden luokittelu riippuu kemiantehtävän määrittämästä koostumuksesta eikä näkyvästä ulkonäöstä.
- Hapanpainekokoonpanoissa oleva ferroperikliasi: Materiaali syvän alkuperän kivikkeissä tai mineraalin inkluusionissa voi olla koostumukseltaan vaikutuksesta paineeseen, lämpötilaan, hapen fugaattisuuteen ja ympäröivään mineraalimaisemaan. Nämä geologiset erot eivät välttämättä edusta erillisiä mineraalilajeja.
Väriä ei tulisi käyttää ensisijaisena perustana näiden rakenteellisten tyyppien erotteluun. Kemiallinen analyysi on tarpeen määrittää magnesiumin ja raudan suhteelliset määrät, kun taas röntgenkristallografia ja muut rakenteelliset menetelmät voidaan käyttää vahvistamaan kuutiollisen rakenteen ja karakterisoimaan muutoksia, jotka liittyvät koostumukseen.
Missä Ferroperiklasea löytyy?
Ferroperiklase liittyy pääasiassa korkeapainoisisiin geologisiin ympäristöihin eivätkä tavallisiin pintakivipiireihin. Luonnolliset esiintymät on dokumentoitu syvän alkuperän mineraalimaisemista, mukaan lukien ferroperiklase, joka säilyy inkluusiona diamanteissa. Näissä olosuhteissa mineraali voi pysyä suljetuna isänäiväkivin sisällä ajan mittaan maanpinnan suuntaan, mahdollistamalla sen koostumuksen ja kiteen rakenteen tarkastelun, kun isänäiväkivi saavuttaa pinnalla lähellä olevia olosuhteita.
Ferroperiklase liittyy myös korkean paineen muodostuskuoren kivilajeihin, joissa Mg–Fe-oksidi vaiheet tulevat stabiileiksi korkeassa paineessa ja lämpötilassa. Sen esiintyminen riippuu kivin kokonaiskemiallisesta koostumuksesta sekä paineesta, lämpötilasta ja happiaktiivisuudesta, jotka vallitsivat mineraalin muodostuksen tai myöhemmän tasapainottumisen aikana. Se voi esiintyä yhdessä korkean paineen silikaattimineraalien, muiden oksidien ja magnesiumia ja rautaa sisältävien mineraalien kanssa.
Mineraali on erityisesti yhteydessä syvän maa-kuoren assemblageihin. Alkuperäisissä olosuhteissa, jotka vastaavat Maan alimman kuoren olosuhteita, ferroperiklaseja voi esiintyä yhdessä korkeapaineisissa magnesiumi- ja rautasilikaattivaiheissa. Sen stabiilius ja koostumus voivat muuttua syvyyden mukaan, koska kasvava paine vaikuttaa raudan ja magnesiumin jakautumiseen yhdyskunnissa olevien mineraalien välillä. Lämpötila ja happipaine voivat myös vaikuttaa Fe/Mg-suhde ja raudan hapettumistason assemblageissa.
Luonnolliset näytteet ovat yleensä pieniä ja voivat esiintyä sisältyminä, hienorakenteisina aggregaateina tai erillisinä hiukkaina korkeapaineisissa kivissä. Tämän vuoksi ferroperiklasea tutkitaan usein mikroanalyysimenetelmillä tavallisen käsi-näytteen tarkastelun sijaan. Elektronimikropiirianalyysi voi määrittää sen Mg/Fe-suhteen, kun taas röntgen-rikostutkimus, Raman-spektroskopia ja muut menetelmät voivat antaa tietoa sen kiteen rakenteesta ja fyysisestä tilasta.
Kuinka tunnistaa ferroperiklasi
Ferroperiklase on vaikea tunnistaa vain ulkonäön perusteella, koska luonnolliset näytteet ovat yleensä hienosirutteisia, tummia tai suljettuja muissa mineraaleissa. Sen koostumus yhtyy myös muiden Mg–Fe-oksidi-asteikkojen kanssa, erityisesti periklasi ja wüstitti. Luotettava tunnistaminen vaatii siis tietoa sekä kemiallisesta koostumuksesta että kiteen rakenteesta eikä sen sijaan ainoastaan väristä, loistosta tai hiomorfologiasta.
Kemiallinen analyysi on yksi ensisijaisista menetelmistä, joilla karakterisoidaan ferroperiklaasia. Elektronimikropohjan analyysi voi määrittää magnesiumin ja raudan pitoisuudet sekä asettaa yksittäisen hiukkasen Mg/Fe-suhteen. Lisäelementtejä voidaan myös mitata tunnistamaan pieniä korvauksia. Koska Fe/Mg-suhde voi vaihdella huomattavasti, kvantitatiivinen analyysi on erityisen hyödyllinen ferroperiklaasin erottamiseen periklaasin tai wüstitin ääripääkohtia lähinnä olevista koostumisista.
Röntgendiffraktio voidaan käyttää varmistaakseen mineraalin ominaisen kuutiollisen rakenteen. Fe²⁺:n korvaaminen Mg²⁺:lla vaikuttaa yksikkökopan mittoihin, joten mitatut hilaparametrit voivat antaa lisätietoa koostumuksesta. Kuitenkin rakenneparametrit ovat myös vaikuttuvia paineeseen, lämpötilaan ja näytteen fysikaaliseen tilaan, erityisesti kun materiaalia, joka muodostui korkean paineen olosuhteissa, tarkastellaan sen palauttamisen jälkeen. Raman-spektroskopia ja muut spektroskopiset menetelmät voivat tarjota lisätietoa mineraalin rakenteellisesta ja kemiallisesta tilasta, erityisesti kun saatavilla olevat hiukkaset ovat hyvin pieniä. Ferroperiklaasin säilyttämiseen diamiidin tai toisen isänmineraalin sisällä ei-tuhoava analyysi voi olla erityisen hyödyllinen, koska sisältö voi olla vain muutamia mikrometrejä.
Päämineraalit ja vaiheet, joita saattaa tarvita erottaa ferroperiklaseista, ovat perikliisi ja wüstite. Periklaasi edustaa MgO-rikas pääkomponentti, kun taas wüstiti edustaa FeO-rikasta pääkomponenttia Mg–Fe oksidi-järjestelmässä. Koska nämä faasit jakavat läheisesti yhteen liittyvät rakenteet ja koostumukset, eroa ei aina voida luotettavasti tehdä visuaalisista ominaisuuksista. Kemianteollisuus, kristallografinen data ja geologinen asento tulisi siis ottaa huomioon yhdessä luonnoksen tunnistamisessa.
Soveltuksia ja käyttökohtia ferroperiklasesta
Ferroperiklase ei ole yleisesti tunnettu teolliseksi raaka-aineeksi, kivilajiksi tai koristekiviksi. Luonnollinen materiaali esiintyy yleensä pieninä hiukkaina, mineraalin inkluusiona tai korkeapainoisissa mineraalikokonaisuuksien komponenttina eikä tavallisesti kaupallisista sovelluksista eristetyttä materiaalia. Sen muuttuvan koostumuksen ja tyypillisen geologisen esiintymän seikat rajoittavat sen käyttöä tavalliseksi mineraalituotteena.
Pääsovellukset ferroperiklaseista liittyvät kiviluontoiseen ja kokeelliseen tutkimukseen. Luonnollisia näytteitä voidaan analysoida selvittääkseen magnesiumin ja raudan kemiallisia suhteita oksidi-aineissa sekä määrittääkseen, miten nämä alkiot jakautuvat yhtä aikaa esiintyvien korkeapainoisten vaiheiden välillä. Ferroperiklaasin koostumustiedot voidaan myös yhdistää liittyvien mineraalien tiedojen kanssa tutkimaan mineraalien muodostumisen paine-, lämpö- ja happioloja.
Ferroperiklasea tutkitaan myös kokeellisesti, koska sen ominaisuudet muuttuvat puristuksessa. Tutkimus keskittyy usein painon ja lämpötilan vaikutuksiin sen kiteen rakenteeseen, tiheyteen, joustavuuteen ja raudan elektronisen tilan muutoksiin. Paineen aiheuttama muutos korkean spin- ja matalan spin-tilojen välillä Fe²⁺:lla on tärkeä osa sen käyttäytymistä syvällä maapallon alueilla ja voi vaikuttaa useisiin mitattaviin fyysisiin ominaisuuksiin.
Koska yksittäiset sisällytykset voivat olla erittäin pieniä, analyysimenetelmät kuten elektronimikroskopia, elektronimikropohja-analyysi, röntgenkiilahajottumisanalyysi, Raman-spektroskopia ja muut spektroskooppiset menetelmät ovat yleisesti käytettyjä tavalliseen näyteperusteiseen tarkasteluun sijaan.