Ferropericlase is een magnesium-ijzeroxide-mineraal met een samenstelling die meestal wordt voorgesteld door (Mg,Fe)O. Het behoort tot de groep periclase en vormt een solide-oplossingsserie tussen magnesiumrijke periclase, MgO, en ijzerrijke wüstite, FeO. In zijn structuur vervangt Fe²⁺ Mg²⁺ op equivalente divalente kationenplaatsen, waardoor de samenstelling varieert afhankelijk van de relatieve verhoudingen van magnesium en ijzer. De naam ferropericlase wordt meestal gebruikt voor ijzerhoudende leden van dit systeem, met name samenstellingen waarin magnesium nog steeds een belangrijk onderdeel is.
Ferropericlase kristalliseert in de kubisch kristalstelsel en heeft dezelfde basisstructuur als periclase. Zijn samenstelling en fysische eigenschappen kunnen aanzienlijk veranderen met toenemende ijzerinhoud. Omdat Mg²⁺ en Fe²⁺ verschillende ionenstralen hebben, beïnvloedt ijzervervanging parameters zoals eenheidscelafmetingen, dichtheid, optische eigenschappen en elastische gedrag. Het mineraal is meestal donkergrijs, bruinachtig, groenachtig grijs of bijna zwart, hoewel zijn uiterlijk kan variëren met samenstelling, korrelgrootte, inbeddingen en verandering.
Natuurlijk ferropericlase is vooral verbonden met hoge druk geologische omgevingen. Het is geïdentificeerd in bepaalde metamorfe gesteenten die onder uitzonderlijke drukcondities zijn gevormd en als inname in diamanten die op grote dieptes binnen de Aarde zijn ontstaan. Ferropericlase wordt ook erkend als een mineraalfase die kan voorkomen onder de druk- en temperatuurcondities van de onderste mantel. Zijn voorkomen in deze omgevingen weerspiegelt de stabiliteit van Mg-Fe oxiden onder condities aanzienlijk verschillend van die aan de oppervlakte van de Aarde.
De samenstelling van ferropericlase is niet noodzakelijk vastgelegd op een enkelvoudig Mg:Fe-verhouding. In plaats daarvan kunnen magnesium en ijzer elkaar vervangen over een bereik van samenstellingen, en de exacte chemische samenstelling hangt af van het geologische milieu waarin het mineraal is gevormd. In natuurlijke monsters kunnen ook kleine elementen door extra substituties voorkomen. Vanwege deze reden is ferropericlase het beste te beschrijven met zijn chemische samenstelling samen met zijn structuurkenmerken in plaats van alleen door kleur.
Geschiedenis en ontdekking van Ferropericlase
Ferropericlase wordt niet algemeen beschouwd als een mineraalsoort met een enkele vaste samenstelling, op dezelfde manier als periclase of wüstite. De naam verwijst naar ijzerhoudend materiaal binnen het MgO-FeO vastestofoplosbaarheidssysteem. Het verband tussen magnesiumrijke periclase en ijzerrijke wüstite is al lang geleden erkend door experimentele studies van het Mg-Fe-O-systeem, terwijl natuurlijk voorkomend ferropericlase daarna is geïdentificeerd in hoge druk geologische materialen.
De mineralogische onderscheidingscriteria zijn voornamelijk gebaseerd op chemische samenstelling en kristalstructuur in plaats van op kleur of uiterlijk. Periclase heeft de ideale samenstelling MgO, terwijl wüstit de ideale samenstelling FeO heeft. Tussen deze eindleden kunnen Mg²⁺ en Fe²⁺ elkaar vervangen in dezelfde structuurpositie. Ferropericlase vertegenwoordigt daarom een ijzerhoudend, magnesiumdominantie samenstelling binnen dit bredere oxide-systeem. Natuurlijk ferropericlase is gerapporteerd uit verschillende hoogdrukomgevingen. Een van de bekendste voorkomens is als mineraalinclusies in diamanten, waarbij het inclusie-assenblad mineraalen kan behouden die zijn gevormd of in evenwicht zijn gekomen op dieptes binnen de aardmantel. Ferropericlase is ook geïdentificeerd in hoogdruk metamorfe materialen en andere geologische omgevingen waarin de druk- en temperatuurcondities de stabiliteit van Mg-Fe oxiden toestaan.
De samenstelling van ferropericlase kan informatie geven over de omstandigheden waarin een individueel monster is gevormd of daarna heeft geëquilibreerd. De relatieve verhoudingen van magnesium en ijzer worden beïnvloed door temperatuur, druk, zuurstoffugaciteit en de samenstelling van het omringende mineraalassemblage. Als gevolg daarvan is chemische analyse normaal gesproken vereist om ferropericlase nauwkeurig te karakteriseren, vooral wanneer het onderscheid wordt gemaakt met samengestelde verwante leden van het periclase-wüstite-systeem.
Vorming en geologische voorkomen van ferropericlase
Ferropericlase vormt zich onder omstandigheden waarin magnesium en ijzer samen in een zuurstofrijke systeem voorkomen en de druk-temperatuurcondities gunstig zijn voor de stabiliteit van de kubieke Mg-Fe oxidestructuur. Zijn samenstelling wordt bepaald door de verhoudingen van Mg en Fe die beschikbaar zijn tijdens de vorming, evenals door temperatuur, druk en zuurstoffugaciteit. Bij reducerende omstandigheden is ijzer meestal aanwezig als Fe²⁺, waardoor het direct kan vervangen voor Mg²⁺ in de periclasestructuur. Veranderingen in zuurstoffugaciteit kunnen de verhouding van ijzer als Fe²⁺ of Fe³⁺ veranderen en kunnen dus invloed uitoefenen op de stabiliteit en samenstelling van het oxideassemblage.
In hoge druk metamorfe omgevingen kan ferropericlase ontstaan door reacties met Mg-rijke silicaatmineralen en ijzerhoudende fasen. Bij voldoende hoge drukken kunnen mineralen die stabiel zijn op grotere dieptes van de aardkorst en bovenmantel overgaan in samenstellingen met ferropericlase. De aanwezigheid ervan hangt daarom niet alleen af van de bulk-rocksamenstelling, maar ook van het druk-temperatuurpad dat het gesteente heeft doorlopen. De korrelgrootte kan variëren van microscopische kristallen tot inclusies die ingesloten zijn binnen andere mineralen, afhankelijk van de geologische omstandigheden.
Ferropericlase is ook bekend van diamanten die op grote dieptes binnen de Aarde zijn gevormd. Wanneer ferropericlase voorkomt als een inname ingesloten door een diamant, kan het omringende diamant de inname beschermen tegen latere verandering tijdens de transport naar de oppervlakte. Zo'n inname kunnen chemische en structurele informatie behouden over de hoge drukomstandigheden waarin ze zijn gevormd of in evenwicht zijn gekomen. In deze monsters komt ferropericlase vaak samen met andere mineralen kenmerkend voor diepe mantel-assenblages.
Het mineraal kan ook voorkomen in experimenteel geproduceerde hoge-druk assembly's, waarin gereguleerde druk, temperatuur en zuurstoffugaciteitscondities worden gebruikt om het MgO–FeO-systeem te onderzoeken. Experimentele studies tonen aan dat de samenstelling en fysische eigenschappen van ferropericlase veranderen met druk, temperatuur en ijzerinhoud. Deze relaties zijn nuttig bij het interpreteren van natuurlijke monsters, met name die uit hoge-druk rotsen en diep-originele mineraalinclusies komen.
Kristalstructuur van Ferropericlase
Ferropericlase heeft de kubische kristalstructuur kenmerk van het periclase-wüstiet-systeem. De structuur is gebaseerd op de rotszout- of NaCl-type opstelling, waarin zuurstofanionen een dicht gepakte structuur vormen en divalente kationen octahedraal gecoördineerde plaatsen tussen hen innemen. Magnesium en ijzer zijn verdeeld over hetzelfde kristallografische kationenplaats, zodat de structuur veranderingen in Mg:Fe-verhouding kan aanvaarden zonder dat een ander basisstructuurframe vereist is.
De geidealiseerde structuur kan daarom worden beschreven als een array van Mg²⁺- en Fe²⁺-kationen omgeven door zes zuurstofatomen. Elk zuurstofatoom is eveneens gecoördineerd met zes aangrenzende divalente kationen. Het vervangen van Fe²⁺ door Mg²⁺ verandert de gemiddelde afmetingen van de structuur, omdat Fe²⁺ een grotere ionische straal heeft dan Mg²⁺. Bij toenemende ijzerinhoud nemen de eenheidscelparameter en dichtheid in het algemeen toe, terwijl andere fysische en elastische eigenschappen ook variëren volgens de samenstelling.
De druk heeft een groot effect op het gedrag van ferropericlase. Bij de drukken die relevant zijn voor de onderste mantel van de Aarde, blijft het ijzerhoudend oxide in de kubische structuur, maar kan de elektronische toestand van ijzer veranderen. In het bijzonder kan Fe²⁺ een drukgeïnduceerde overgang van hoge spin naar lage spin ondergaan. Deze verandering betreft de rangschikking van elektronen in het ijzerion, niet de globale kristalstructuur, maar kan wel de volume, dichtheid, elasticiteit en andere fysische eigenschappen van het mineraal beïnvloeden.
De verdeling en elektronische eigenschappen van ijzer in ferropericlase kunnen ook variëren met temperatuur, druk en samenstelling. Deze factoren beïnvloeden de relatie tussen het kristalrooster en de fysische eigenschappen die gemeten worden in natuurlijke of experimenteel geproduceerde monsters. Daarom nemen structurele studies van ferropericlase meestal zowel de Mg-Fe samenstelling als de druk-temperatuurcondities waarin het mineraal is gevormd of geëquilibreerd, mee.
Fysische en chemische eigenschappen van ferropericlase
Ferropericlase wordt meestal beschreven als een donkergrijze, bruinige grijze, groenige grijze of zwarte mineraal, hoewel het uiterlijk varieert met de ijzervoorraad, korrelgrootte, verontreinigingen en de toestand van het monster. Omdat natuurlijke ferropericlase meestal voorkomt als kleine korrels of mineraalinclusies, zijn goed ontwikkelde macroscopische kristallen ongewoon. De glans is meestal glasachtig tot submetaalachtig, en de doorzichtigheid varieert van doorschijnd naar donker afhankelijk van de korreldikte en samenstelling.
De chemische samenstelling van ferropericlase kan in het algemeen worden uitgedrukt als (Mg,Fe)Omet Mg²⁺ en Fe²⁺ die de hoofddivalente kationenplaats innemen. Het relatieve aantal ijzer is variabel in plaats van vast, en deze compositievariatie veroorzaakt een continu veranderend in verschillende fysische eigenschappen tussen magnesiumrijke en ijzerrijke samenstellingen. Kleine elementen kunnen ook voorkomen door aanvullende substituties, vooral in natuurlijke monsters die zijn gevormd onder complexe geologische omstandigheden.
De dichtheid van ferropericlase neemt meestal toe met toenemend ijzergehalte, omdat Fe²⁺ zwaarder is dan Mg²⁺ en een grotere ionische straal heeft. De eenheidscelafmetingen nemen ook meestal toe als Fe²⁺ Mg²⁺ vervangt. Deze relaties geven nuttige samenstellingsindicatoren wanneer ferropericlase wordt bestudeerd met röntgendiffractie of andere analytische methoden. Echter, druk en temperatuur kunnen ook de gemeten structuurparameters beïnvloeden, dus de samenstelling mag niet worden afgeleid uit een enkele fysische eigenschap zonder rekening te houden met de geologische omstandigheden.
Ferropericlase heeft een hoog smeltpunt en is stabiel over een breed scala aan druk- en temperatuurcondities. Zijn fysische eigenschappen zijn sterk beïnvloed door druk, vooral in de hoge-drukomgevingen waar natuurlijke voorbeelden voorkomen. Elastische eigenschappen, dichtheid, elektrische gedrag en andere meetbare kenmerken kunnen veranderen met zowel ijzerconcentratie als druk. Het gedrag van Fe²⁺ onder compressie is bijzonder belangrijk omdat veranderingen in zijn elektronische spinstatus de fysische eigenschappen van het mineraal kunnen veranderen zonder dat zijn basis kubieke kristalstructuur verandert. Vanuit chemisch perspectief behoort ferropericlase tot het MgO–FeO oxide-systeem. Onder voldoende oxidatieve omstandigheden kan een deel ijzer in een hogere oxidatietoestand voorkomen of kan ferropericlase samenwerken met andere ijzeroxiden en silicaatmineralen. Daarom hangt de werkelijke chemie van een natuurlijk monster af van zijn vormingsomgeving en latere geologische geschiedenis. Kwantitatieve chemische analyse is daarom noodzakelijk om de Mg/Fe-verhouding te bepalen en kleine elementsubstituties te identificeren.
Typen en variëteiten van ferropericlase
Ferropericlase heeft geen goed gevestigde reeks officieel erkende variëteiten op basis van kleur of uiterlijk. In plaats daarvan wordt natuurlijk voorkomend materiaal vaak onderscheiden aan de hand van zijn chemische samenstelling, met name de relatieve hoeveelheden magnesium en ijzer. Omdat Mg²⁺ en Fe²⁺ elkaar kunnen vervangen binnen hetzelfde structuurpunt, kunnen monsters aanzienlijke samenstellingsvariaties tonen terwijl ze tegelijkertijd dezelfde kubusvormige kristalstructuur behouden.
- Magnesiumrijke ferropericlase: Fe²⁺ is aanwezig als ondergeschikt component, terwijl magnesium het dominante divale cation blijft. Deze samenstellingen naderen het periclase-eindlid, MgO.
- Middelmatige ferropericlase: Magnesium en ijzer komen in aanzienlijke hoeveelheden voor, waardoor samenstellingen ontstaan tussen periclase en wüstiet. Fysische eigenschappen zoals dichtheid en eenheidscelafmetingen variëren volgens het Mg:Fe-verhouding.
- IJzerrijke ferropericlase: IJzer vertegenwoordigt een groter deel van de divalente kationeninhoud, en de samenstelling benadert de FeO-rijke kant van het MgO-FeO-systeem.
- Periclase-ferropericlase composities: Steekproeven dicht bij het MgO-eindlid kunnen relatief kleine hoeveelheden Fe²⁺ bevatten. Hun classificatie hangt af van de chemische samenstelling die is bepaald door analyse, in plaats van van de visuele uiterlijk.
- Ferropericlase in hoge-druk assemblages: Material dat voorkomt in dieprooorsprongrots of mineraalinclusies kan samenstellingen hebben die beïnvloed worden door druk, temperatuur, zuurstoffugaciteit en de omringende mineralenverzameling. Deze geologische verschillen vertegenwoordigen niet per se aparte mineraalvormen.
De kleur mag niet als basis dienen voor het onderscheiden van deze samenstellingssoorten. Chemische analyse is vereist om de relatieve hoeveelheden magnesium en ijzer te bepalen, terwijl röntgendiffractie en andere structurele methoden kunnen worden gebruikt om de kubieke structuur te bevestigen en veranderingen die gepaard gaan met de samenstelling te karakteriseren.
Waar wordt Ferropericlase gevonden?
Ferropericlase is voornamelijk verbonden met hoge druk geologische omgevingen in plaats van gewone oppervlaktegesteenten. Natuurlijke voorkomens zijn vastgesteld in diepgangsmineraalassortimenten, waaronder ferropericlase die als inclusions binnen diamanten is bewaard. In deze omstandigheden kan het mineraal ingesloten blijven binnen de gastdiamant tijdens het transport vanuit de diepte naar de aardoppervlakte, waardoor zijn samenstelling en kristalstructuur na het bereiken van de gastgesteente op grotere diepte kunnen worden bestudeerd.
Ferropericlase is ook verbonden met hoge-druk metamorfe gesteenten waarin Mg-Fe oxide fasen stabiel worden onder verhoogde druk en temperatuur. Zijn voorkomen hangt af van de totale chemische samenstelling van het gesteente, evenals de druk, temperatuur en zuurstoffugaciteit tijdens de mineralenformatie of latere equilibratie. Het kan samen met hoge-druk silicaatmineralen, andere oxiden en mineralen die magnesium en ijzer bevatten voorkomen.
Het mineraal is vooral verbonden met diepe mantel-geassembleerde stoffen. Onder omstandigheden die overeenkomen met de onderste aardmantel, kan ferropericlase samen bestaan met hoge druk magnesium-ijzer silicaatfasen. Zijn stabiliteit en samenstelling kunnen veranderen met de diepte, omdat toenemende druk de verdeling van ijzer en magnesium tussen coëxisterende mineralen beïnvloedt. Temperatuur en zuurstoffugaciteit kunnen ook de Fe/Mg-verhouding en de oxidatiegraad van ijzer binnen de assemblage beïnvloeden.
Natuurlijke monsters zijn vaak klein en kunnen voorkomen als inname, fijnkorrelige aggregaten of losse korrels binnen hoge druk rotsen. Daarom wordt ferropericlase vaak bestudeerd met microanalytische technieken in plaats van conventionele handmonsteronderzoek. Elektronenmicroscoopanalyse kan de Mg/Fe-verhouding bepalen, terwijl röntgendiffractie, Raman-spectroscopie en andere methoden informatie kunnen geven over zijn kristalstructuur en fysische toestand.
Hoe te herkennen van Ferropericlase
Ferropericlase kan moeilijk te herkennen zijn aan de hand van uiterlijk alleen, omdat natuurlijke monsters vaak fijnkorrelig, donkergekleurd of ingesloten binnen andere mineralen zijn. De samenstelling overlapt ook met andere Mg–Fe oxide fasen, vooral periclase en wüstiet. Een betrouwbare identificatie vereist daarom informatie over zowel de chemische samenstelling als de kristalstructuur, in plaats van alleen op kleur, glans of korrelvorm te vertrouwen.
Chemische analyse is een van de primaire methoden die wordt gebruikt om ferropericlase te karakteriseren. Elektronenmicroscoopanalyse kan de concentraties van magnesium en ijzer bepalen en de Mg/Fe-verhouding van een individueel deeltje vaststellen. Bijkomende elementen kunnen ook worden gemeten om kleine substituties te identificeren. Aangezien de Fe/Mg-verhouding aanzienlijk kan variëren, is kwantitatieve analyse vooral nuttig bij het onderscheiden van ferropericlase van samenstellingen dichter bij de periclase of wüstiet eindleden.
Röntgendiffractie kan worden gebruikt om de kenmerkende kubische structuur van het mineraal te bevestigen. De vervanging van Fe²⁺ door Mg²⁺ heeft invloed op de afmetingen van de eenheidscel, zodat gemeten roosterparameters extra informatie kunnen geven over de samenstelling. Echter, structurele parameters worden ook beïnvloed door druk, temperatuur en de fysische toestand van het monster, vooral wanneer materiaal dat onder hoge druk is gevormd na herwinning wordt bestudeerd. Raman-spectroscopie en andere spectroscopische methoden kunnen extra informatie geven over de structuur en chemische toestand van het mineraal, vooral wanneer de beschikbare korrels zeer klein zijn. Voor ferropericlase die als inname in diamant of een ander gastmineraal is bewaard, kunnen niet-vernietigende analytische methoden bijzonder nuttig zijn omdat de inname slechts enkele micrometer groot kan zijn.
De belangrijkste mineraalvormen en fasen die mogelijk van ferropericlase moeten worden onderscheiden zijn periclasse en wüstiet. Periclase vertegenwoordigt het MgO-rijke eindlid, terwijl wüstiet het FeO-rijke eindlid van het Mg-Fe oxide systeem vertegenwoordigt. Omdat deze fasen nauw verwante structuren en samenstellingen delen, kan de onderscheid niet altijd betrouwbaar worden gemaakt aan de hand van visuele kenmerken. De chemische samenstelling, kristallografische gegevens en de geologische omgeving moeten daarom samen worden overwogen bij het identificeren van een natuurlijk monster.
Toepassingen en gebruik van Ferropericlase
Ferropericlase heeft geen erkende toepassing als industriële ruwmatie, edelsteen of siermineraal. Natuurlijk materiaal komt meestal voor als kleine korrels, mineraalinclusies of componenten van hoogdrukmineraalverzamelingen in plaats van als materiaal dat wordt geëxploiteerd voor commerciële toepassingen. Zijn variabele samenstelling en typische geologische voorkomen beperken zijn gebruik als conventionele mineraalcommodity.
De belangrijkste toepassingen van ferropericlase zijn gerelateerd aan mineralogische en experimentele onderzoek. Natuurlijke monsters kunnen worden geanalyseerd om de chemische relaties tussen magnesium en ijzer in oxide-mineralen te onderzoeken en om te bepalen hoe deze elementen verdeeld zijn onder coexistente hoge-druk fasen. Compositiesgegevens van ferropericlase kunnen ook worden gecombineerd met informatie uit bijbehorende mineralen om de druk, temperatuur en zuurstofomstandigheden van mineralenformatie te bestuderen.
Ferropericlase wordt ook experimenteel bestudeerd omdat zijn eigenschappen veranderen onder compressie. Onderzoek onderzoekt vaak de effecten van druk en temperatuur op zijn kristalstructuur, dichtheid, elasticiteit en het elektronische toestand van ijzer. De drukgeïnduceerde verandering tussen hoge-spin- en lage-spin toestanden van Fe²⁺ is een belangrijk onderdeel van zijn gedrag onder diep-aardse omstandigheden en kan meebeslissen verschillende meetbare fysische eigenschappen.
In studies naar diamanten en andere materialen van diepe oorsprong kunnen ferropericlase-inclusies informatie bieden over de omstandigheden die het gastmineraal op diepte heeft ervaren. Omdat individuele inclusies extreem klein kunnen zijn, worden analytische technieken zoals elektronenmicroscopie, elektronenmicro-afstandsanalyse, röntgendiffractie, Raman-spectroscopie en andere spectroscopische methoden vaak gebruikt in plaats van conventionele monstergebaseerde onderzoeksmethoden.