Ferropericlase

Historie og oppdagelse av ferroperiklas

Ferroperiklase behandles ikke vanligvis som en mineralart med en fast sammensetning på samme måte som periklase eller wüstitt. Navnet refererer til jernholdig materiale innenfor MgO–FeO-solidus løsnings-systemet. Forholdet mellom magnesiumrik periklase og jernrik wüstitt har lenge vært kjent gjennom eksperimentelle studier av Mg–Fe–O-systemet, mens naturlig forekommende ferroperiklase har senere blitt identifisert i høye trykk geologiske materialer.

Den mineralogiske forskjellen er primært basert på kjemisk sammensetning og krystallstruktur snarere enn farge eller ytre utseende. Periklas har den ideelle sammensetningen MgO, mens wüstit har den ideelle sammensetningen FeO. Mellom disse endemedlemmene kan Mg²⁺ og Fe²⁺ bytte plass i samme strukturelle posisjon. Ferroperiklas representerer derfor en Fe-inneholdende, Mg-dominerende sammensetning innen dette videre oksydsystemet. Naturlig ferroperiklas har blitt rapportert fra flere høye trykksområder. En av de mer kjente forekomstene er som mineralinkluderinger i diamanter, hvor inkluderingsassembléen kan bevare mineraler som ble dannet eller oppnådd likevekt ved dypere nivåer i jordens mantle. Ferroperiklas har også blitt identifisert i høye trykk metamorfe materialer og andre geologiske miljøer der trykk- og temperaturopplysninger tillater stabiliteten til Mg–Fe oksider.

Sammensetningen til ferroperiklas kan gi informasjon om forholdene under hvilke en individuell prøve ble dannet eller senere likevektet. Relative andeler av magnesium og jern påvirkes av temperatur, trykk, oksygentrykk og sammensetningen til den omgivende mineralforening. Som et resultat kreves det normalt kjemisk analyse for å karakterisere ferroperiklas nøyaktig, spesielt når det skal skilles fra komposisjonelt relaterte medlemmer av periklas–wüstitt-systemet.

Oppbygging og geologisk forekomst av ferroperiklasse

Ferroperiklase dannes under forhold der magnesium og jern forekommer sammen i et oksygenrikt system og trykk-temperaturforholdene favoriserer stabiliteten til den kubiske Mg–Fe-oksydstrukturen. Dens sammensetning styres av proporsjonene mellom Mg og Fe som er tilgjengelig under dannelsen, samt av temperatur, trykk og oksygentilgjengelighet. Under reduksjonsforhold er jern vanligvis fremstendig som Fe²⁺, noe som tillater det å bytte direkte ut Mg²⁺ i periklasestrukturen. Endringer i oksygentilgjengeligheten kan endre proporsjonen av jern som er til stede som Fe²⁺ eller Fe³⁺ og på denne måten påvirke stabiliteten og sammensetningen av oksydassemblaet.

I høye trykk metamorfe miljøer kan ferroperiklas utvikle seg gjennom reaksjoner med Mg-rike silikatmineraler og jernholdige faser. Ved tilstrekkelig høye trykk kan mineraler som er stabile på mindre dypt nivå i skorstenen og øvre mantelen forvandles til assemblasjer som inneholder ferroperiklas. Nåværelsen derfor avhenger ikke bare av bulk-rock sammensetning, men også av trykk-temperaturbanen som steinen har opplevd. Kornstørrelse kan variere fra mikroskopiske krystaller til inkluderinger innenfor andre mineraler, avhengig av geologisk setting.

Ferroperiklase er også kjent fra diamanter som ble dannet på betydelige dyp i jorda. Når ferroperiklase forekommer som en inklusjon omsluttet av en diamant, kan den omkringliggende diamanten beskytte inklusjonen mot senere forandring under transport mot overflaten. Slike inklusjoner kan bevare kjemisk og strukturell informasjon om den høydtrykksmiljøet der de ble dannet eller kom i likevekt. I disse prøvene forekommer ferroperiklase ofte sammen med andre mineraler som er typiske for dyb mantel-foreninger.

Mineralet kan også forekomme i eksperimentelt produserte høypresjonsforekomster, der kontrollert trykk, temperatur og oksygenfugacitet brukes til å undersøke MgO–FeO-systemet. Eksperimentelle studier viser at sammensettingen og de fysiske egenskapene til ferroperiklas endres med trykk, temperatur og jerninnhold. Disse sammenhengene er nyttige ved tolkning av naturlige prøver, spesielt de som kommer fra høypresjonssteiner og dybdeoppståtte mineralinklusjoner.

Kristallstruktur til ferroperiklas

Ferroperiklas har den kubisk krystallstruktur egenskap til periklas–wüstitt-systemet. Strukturen er basert på kongerocks- eller NaCl-type-arrangement, der oksygenanioner danner et tett pakket rammeverk og divalente kationer opptar oktahedralt koordinerte plasser mellom dem. Magnesium og jern er fordelt over samme kristallografiske kationplass, slik at strukturen kan ta imot endringer i Mg:Fe-forhold uten å kreve et annet grunnleggende strukturell rammeverk.

Den idealiserte strukturen kan derfor beskrives som en rekke med Mg²⁺- og Fe²⁺-kationer omgitt av seks oksygenatomer. Hvert oksygenatom er også koordinert med seks nabo-divalente kationer. Erstattningen av Fe²⁺ med Mg²⁺ endrer gjennomsnittsdimensjonene i strukturen, fordi Fe²⁺ har en større ioneradius enn Mg²⁺. Når jerninnholdet øker, øker vanligvis enhetscelleparameteren og tettheten, mens andre fysiske og elastiske egenskaper også endres etter sammensetning.

Trykk har en betydelig effekt på den strukturelle oppførselen til ferroperiklas. Ved trykk som er relevante for jordens nedre mantle, forblir Fe-inneholdende oksyd i kubisk struktur, men elektronisk tilstand til jern kan endre seg. Spesielt kan Fe²⁺ gjennomgå en trykkindusert høy-spin til lav-spin overgang. Denne endringen involverer oppsettet av elektroner i jernionet snarere enn en endring i den totale krystallsymmetrien, men den kan påvirke mineralets volum, tetthet, elastisitet og andre fysiske egenskaper.

Fordeling og elektronisk atferd til jern i ferroperklase kan også variere med temperatur, trykk og sammensetning. Disse faktorene påvirker forholdet mellom krystallgitteret og de fysiske egenskapene som måles i naturlige eller eksperimentelt produserte prøver. Derfor tar strukturstudier av ferroperklase ofte hensyn til både dens Mg–Fe-sammensetning og trykk-temperaturbetingelsene under hvilke mineralen ble dannet eller kommet i likevekt.

Fysiske og kjemiske egenskaper til ferroperiklasse

Ferroperiklase blir vanligvis beskrevet som en mørk grå, brungrå, grønngrå eller svart mineral, selv om fargen varierer med jerninnhold, kornstørrelse, urenheter og tilstanden til prøven. Fordi naturlig ferroperiklase ofte forekommer som små korn eller mineralinkluderinger, er godt utviklede makroskopiske krystaller uvanlige. Dens glans er generelt glassaktig til delvis metallisk, og gjennomsiktigheten varierer fra gjennemsiktig til tom, avhengig av korntykkelse og sammensetning.

Den kjemiske sammensetningen til ferroperiklas kan uttrykkes bredt som (Mg,Fe)O, med Mg²⁺ og Fe²⁺ som besitter hoveddivalent kationplass. Den relative mengden jern er variabel snarere enn fast, og denne sammensetningsvariasjonen gir en kontinuerlig endring i flere fysiske egenskaper mellom magnesiumrike og jernrike sammensettelser. Mindre elementer kan også forekomme gjennom ekstra substitusjoner, spesielt i naturlige prøver dannet under komplekse geologiske forhold.

Tettheten til ferroperiklas øker generelt med økende jerninnhold fordi Fe²⁺ er tyngre enn Mg²⁺ og har en større ionisk radius. Enhetscelledimensjonene øker også tendensvis når Fe²⁺ erstatter Mg²⁺. Disse sammenhengene gir nyttige sammensetningsindikatorer når ferroperiklas studeres ved røntgendiffraksjon eller andre analytiske metoder. Imidlertid kan trykk og temperatur også påvirke målte strukturelle parametere, så sammensetning bør ikke avledes fra en enkelt fysisk egenskap uten å ta hensyn til geologiske forhold.

Ferroperiklase har en høy smeltepunkt og er stabil over et bredt område av trykk- og temperaturbetingelser. Dens fysiske egenskaper påvirkes sterkt av trykk, spesielt i de høye trykkbetingelsene der naturlige eksempler forekommer. Elastiske egenskaper, tetthet, elektrisk oppførsel og andre målbare karakteristika kan endre seg med både jernkonsentrasjon og trykk. Oppførselen til Fe²⁺ under kompresjon er spesielt viktig fordi endringer i dens elektroniske spinntilstand kan endre de fysiske egenskapene til mineralen uten å endre dens grunnleggende kubiske krystallstruktur. Fra kjemisk synspunkt tilhører ferroperiklase MgO–FeO-oksidsystemet. Under tilstrekkelig oksyderende betingelser kan noe jern forekomme i en høyere oksidasjonsstatus eller kan ferroperiklase finnes sammen med andre jernoksyder og silikatmineraler. Derfor avhenger den faktiske kjemien i et naturlig prøve av dets dannelsestemperatur og senere geologiske historie. Kvantitativ kjemisk analyse er derfor nødvendig for å bestemme Mg/Fe-forholdet og identifisere små elementære substitusjoner.

Typer og variasjoner av ferroperiklas

Ferroperiklas har ikke en vel etablert serie med offisielt anerkjente varianter basert på farge eller utseende. I stedet skiller naturlig forekommende materiale seg vanligvis ved sitt kjemiske innhold, spesielt de relative andelene av magnesium og jern. Fordi Mg²⁺ og Fe²⁺ kan bytte plass med hverandre i samme strukturell posisjon, kan prøver vise betyelig kjemisk variasjon samtidig som de beholder samme kubiske krystallstruktur.

• Magnesiumrikt ferroperiklas: Fe²⁺ finnes som en underordnet komponent, med magnesium som dominerende toverdig kation. Disse sammensettingene nærmer seg periklase-endemedlemmet, MgO.
• Mellomstadiet ferroperiklase: Magnesium og jern forekommer i betydelige proporsjoner, og produserer sammensetninger mellom periklase og wüstitt. Fysiske egenskaper som tetthet og enhetscelledimensjoner varierer etter Mg:Fe-forholdet.
• Jernrike ferroperiklase: Jern utgjør en større andel av kationinnholdet, og sammensetningen nærmer seg FeO-rike siden av MgO–FeO-systemet.
• Periklas-ferroperiklas-sammensetninger: Prøver nær MgO-endemedlemmet kan inneholde relativt små mengder Fe²⁺. Deres klassifisering avhenger av den kjemiske sammensetningen som bestemmes ved analyse, snarere enn av visuell utseende.
• Ferroperiklase i høypresjonsassembleringer: Material som forekommer i dypt opprinnelsessteiner eller mineralinklusjoner kan ha sammensetninger som er påvirket av trykk, temperatur, oksygenfugacitet og omgivende mineralassembler. Disse geologiske forskjellene representerer ikke nødvendigvis separate mineralvarianter.

Farge bør ikke brukes som primær grunnlag for å skille disse sammensetnings-typeene. Kjemisk analyse er nødvendig for å bestemme relative mengder av magnesium og jern, mens røntgendiffraksjon og andre strukturelle metoder kan brukes til å bekrefte kubisk struktur og karakterisere endringer som følge av sammensetning.

Hvor Finnes Ferroperiklas?

Ferroperiklase er hovedsakelig knyttet til høye trykksjeftegeologiske miljøer snarere enn vanlige overflatebergarter. Naturlige forekomster har blitt dokumentert i dybde-origo mineralassembler, inkludert ferroperiklase som er bevart som innslag i diamanter. I disse settingene kan mineralen forbli innferdig i den vertskjønnende diamanten under transport fra dypet mot jordens overflate, noe som tillater dens sammensetning og krystallstruktur å bli undersøkt etter at den vertskjønnende bergarten når mer overflaten.

Ferroperiklase er også knyttet til høye trykk metamorfe steiner hvor Mg–Fe oksydfaser blir stabile under økte trykk og temperatur. Dets forekomst avhenger av den totale kjemiske sammensettingen til steinen samt trykk, temperatur og oksygenfugacitetsbetingelser under mineralbildning eller senere likevekt. Den kan forekomme sammen med høye trykksilikatmineraler, andre oksyder og mineraler som inneholder magnesium og jern.

Mineralen er spesielt knyttet til dyb mantle-forekomster. Under forhold som tilsvarer jordens nedre mantle, kan ferropericlase eksistere sammen med høye trykk-magnesium-jern-silikatfaser. Stabiliteten og sammensetningen kan endre seg med dybde, siden økende trykk påvirker fordelingen av jern og magnesium mellom samtidige mineraler. Temperatur og oksygenfugacitet kan også påvirke Fe/Mg-forholdet og oxidasjonstallet til jern i forekomsten.

Naturlige prøver er ofte små og kan forekomme som inklusjoner, finekornete aggregater eller isolerte partikler i høyttrykkssteiner. Derfor studeres ferropericlase ofte ved hjelp av mikroanalytiske teknikker snarere enn konvensjonell håndprøveeksaminasjon. Elektronmikroprobanalyse kan bestemme dens Mg/Fe-forhold, mens røntgendiffraksjon, Raman-spektroskopi og andre metoder kan gi informasjon om dens krystallstruktur og fysiske tilstand.

Sådan kan du identifisere ferroperiklasse

Ferroperiklase kan være vanskelig å identifisere utelukkende på grunnlag av utseende, fordi naturlige prøver ofte er finkornete, mørkefargede eller inneholdt i andre mineraler. Sammensetningen overlapper også med andre Mg–Fe oksidfasener, spesielt periklase og wüstit. En pålitelig identifikasjon krever derfor informasjon om både kjemisk sammensetning og krystallstruktur snarere enn å bare stole på farge, glans eller kornmorfologi.

Kjemisk analyse er en av de primære metodene som brukes til å karakterisere ferroperiklas. Elektronmikrosondianalyse kan bestemme koncentrasjonen av magnesium og jern og fastslå Mg/Fe-forholdet i en individuell korn. Andre elementer kan også måles for å identifisere små substitusjoner. Fordi Fe/Mg-forholdet kan variere betraktelig, kvantitativ analyse er spesielt nyttig for å skille ferroperiklas fra sammensetninger nærmere periklas eller wüstit endmedlemmer.

Røntgendiffraksjon kan brukes til å bekrefte den karakteristiske kubiske strukturen til mineralen. Erstattingen av Fe²⁺ med Mg²⁺ påvirker dimensjonene til enhetscellen, slik at målte gitterparametere kan gi ytterligere informasjon om sammensetningen. Imidlertid påvirkes strukturelle parametere også av trykk, temperatur og fysisk tilstand til prøven, spesielt når materialer som ble dannet under høye trykk betyr etter oppsamlings. Raman-spektroskopi og andre spektroskopiske metoder kan gi ytterligere informasjon om mineralens strukturelle og kjemiske tilstand, spesielt når de tilgjengelige kornene er svært små. For ferroperiklas som er bevart som en inkludering i diamant eller et annet bæremineral, kan ikke-destruktive analytiske metoder være spesielt nyttige fordi inkluderingen kan være bare noen mikrometer over.

De viktigste mineralene og fasene som muligvis må skilles fra ferroperiklasse inkluderer perikles og wüstit. Periklas representerer den MgO-rike endemedlemmen, mens wüstit representerer den FeO-rike enden av Mg–Fe oksydsystemet. På grunn av at disse fasene deler tette relerte strukturer og sammensetninger, kan forskjellen ikke alltid gjøres pålitelig fra visuelle egenskaper. Kjemisk sammensetning, krystallografiske data og den geologiske setting må derfor vurderes sammen når en naturprøve skal identifiseres.

Anvendelser og bruk av ferroperiklas

Ferroperiklase har ikke et etablert bruk som industrielt råstoff, smykkedrømmet eller dekorativt mineral. Naturlig materiale finnes vanligvis som små partikler, mineralinklusjoner eller komponenter i høypressemineralforeninger snarere enn som materiale som trekkes ut for kommersielle anvendelser. Dens variable sammensetning og typiske geologiske forekomst begrenser bruk som konvensjonelt mermaterial.

Hovedanvendelsene til ferroperiklase er knyttet til mineralogisk og eksperimentell forskning. Naturlige prøver kan analyseres for å undersøke de kjemiske sammenhengene mellom magnesium og jern i oksidmineraler og for å bestemme hvordan disse elementene er fordelt mellom samtidige høytrykksfaser. Sammensetningsdata fra ferroperiklase kan også kombineres med informasjon fra tilknyttede mineraler for å studere trykk, temperatur og oksygenbetingelser ved dannelse av mineraler.

Ferroperiklase blir også studert eksperimentelt fordi egenskapene endrer seg under kompresjon. Forskning undersøker ofte effekten av trykk og temperatur på dens krystallstruktur, tetthet, elastisitet og elektronisk tilstand hos jern. Trykkindusert endring mellom høyspin- og lavspin-tilstander hos Fe²⁺ er en viktig del av dens oppførsel under dybde-Jordforhold og kan påvirke flere målbare fysiske egenskaper.

I studier av diamanter og andre materialer med dybdeoppståelse kan ferroperiklas-inklusjoner gi informasjon om forholdene som den bærende mineralen har opplevd i dybden. Fordi individuelle inklusjoner kan være svært små, brukes analytiske teknikker som elektronmikroskopi, elektronmikrosondeanalyse, røntgendiffraksjon, ramanspektroskopi og andre spektroskopiske metoder vanligvis i stedet for konvensjonell prøvebasert undersøkelse.