Ferroperyklaz

Historia i odkrycie feroperiklasy

Ferroperiklaza nie jest ogólnie traktowana jako gatunek minerału o jednoznacznej składzie, w taki sam sposób jak periklaza czy wustyt. Nazwa odnosi się do materiału zawierającego żelazo w systemie rozpuszczalności MgO–FeO. Zależność między bogatą magnezją periklazą a bogatą żelazem wustytą była długo uznawana na podstawie eksperymentalnych badań układu Mg–Fe–O, podczas gdy naturalnie występująca ferroperiklaza została następnie zidentyfikowana w materiałach geologicznych o wysokim ciśnieniu.

Różnica mineralogiczna opiera się przede wszystkim na składzie chemicznym i strukturze krystalicznej, a nie na kolorze lub wyglądzie zewnętrznym. Periklaza ma idealny skład MgO, natomiast wüstyt ma idealny skład FeO. Między tymi końcowymi członami, jony Mg²⁺ i Fe²⁺ mogą wzajemnie zastępować się w tej samej pozycji strukturalnej. Feroperiklaza zatem reprezentuje skład zawierający żelazo, dominujący przez magnez w tym szerszym systemie tlenków. Naturalna feroperiklaza została zgłoszona w kilku miejscach o wysokim ciśnieniu. Jednym z lepiej znanych występowania jest jako włączenia minerałów w diamentach, gdzie asamblacja włączeń może zachować minerały, które powstały lub osiągnęły równowagę na głębokościach wewnątrz płaszcza Ziemi. Feroperiklaza została również zidentyfikowana w materiałach metamorficznych o wysokim ciśnieniu i innych środowiskach geologicznych, w których warunki ciśnienia i temperatury umożliwiają stabilność tlenków Mg-Fe.

Skład feroperiklasu może dostarczać informacji o warunkach, w których próbka się utworzyła lub następnie równoważono. Względne proporcje magnezu i żelaza zależą od temperatury, ciśnienia, fugacjaty tlenu oraz składu otaczającej asocjacji minerałów. W wyniku tego analiza chemiczna jest zwykle wymagana do dokładnego zidentyfikowania feroperiklasu, szczególnie gdy rozróżnia się go od kompozycyjnie związanych członków systemu periklasy–wustytu.

Formacja i występowanie geologiczne feroperiklasu

Ferroperiklaza powstaje w warunkach, w których magnez i żelazo występują razem w systemie bogatym w tlenki, a warunki ciśnienia i temperatury sprzyjają stabilności struktury sześciennego tlenku Mg-Fe. Jej skład zależy od proporcji Mg i Fe dostępnych podczas tworzenia się, a także od temperatury, ciśnienia i fugacitety tlenu. W warunkach redukujących żelazo jest zwykle obecne głównie jako Fe²⁺, umożliwiając jego bezpośrednie zastąpienie Mg²⁺ w strukturze periklasy. Zmiany fugacitety tlenu mogą zmieniać proporcje żelaza występującego jako Fe²⁺ lub Fe³⁺ i mogą więc wpływać na stabilność i skład asocjacji tlenków.

W wysokociśnieniowych środowiskach metamorficznych feroperlasy może powstawać poprzez reakcje związane z magnezjowymi minerałami krzemianowymi i fazami zawierającymi żelazo. Przy wystarczająco wysokim ciśnieniu minerały stabilne na mniejszych głębokościach skorupy ziemskiej i górnej płaszczyzny mogą przekształcać się w asocjacje zawierające feroperlazę. Zatem jej obecność zależy nie tylko od składu skały, ale także od ścieżki ciśnienia-temperatury przeżytej przez skałę. Wielkość ziarna może się zmieniać od kryształów mikroskopijnych do włączeń zamkniętych w innych minerałach, w zależności od uwarunkowań geologicznych.

Ferroperiklas jest również znany z diamentów powstających na znacznych głębokościach wewnątrz Ziemi. Gdy ferroperiklas występuje jako włącze otoczone diamentem, otaczający diament może chronić włącze przed późniejszą zmianą podczas jego transportu ku powierzchni. Takie włącza mogą zachować informacje chemiczne i strukturalne dotyczące wysokiego ciśnienia środowiska, w którym się utworzyły lub ustaliły. W tych próbkach ferroperiklas często występuje razem z innymi minerałami charakterystycznymi dla głębokich assemblacji płaszczowych.

Minerał może również występować w eksperymentalnie wytworzonych assemblażach o wysokim ciśnieniu, gdzie kontrolowane warunki ciśnienia, temperatury i fugacji tlenowej są używane do badania systemu MgO–FeO. Badania eksperymentalne pokazują, że skład i właściwości fizyczne feroperiklu zmieniają się w zależności od ciśnienia, temperatury i zawartości żelaza. Te relacje są przydatne przy interpretacji próbek naturalnych, szczególnie tych pochodzących z skał o wysokim ciśnieniu i minerałów włączonego pochodzenia głębokiego.

Struktura krystaliczna feroperiklasu

Ferroperiklase ma struktura krystaliczna sześcienna cech systemu periklas–wustytu. Jej struktura opiera się na układzie typu skałowego lub NaCl, w którym aniony tlenowe tworzą gęsto upakowany framework, a kationy dwuzaradowe zajmują sześciokątnie współczynnikowane miejsca między nimi. Magnez i żelazo są rozłożone na tym samym kryształograficznym miejscu kationowym, więc struktura może przystosować się do zmian stosunku Mg:Fe bez potrzeby różnego podstawowego układu strukturalnego.

Struktura idealizowana może więc zostać opisana jako zestaw jonów Mg²⁺ i Fe²⁺ otoczonych przez sześć atomów tlenu. Każdy atom tlenu jest również koordynowany przez sześć sąsiednich jonów dwuwartościowych. Zastąpienie Fe²⁺ przez Mg²⁺ zmienia średnie wymiary struktury, ponieważ Fe²⁺ ma większy promień jonowy niż Mg²⁺. W miarę zwiększania się zawartości żelaza, parametr komórki jednostkowej i gęstość ogólnie wzrastają, podczas gdy inne właściwości fizyczne i sprężyste również zmieniają się w zależności od składu.

Ciśnienie ma znaczący wpływ na zachowanie strukturalne feroperiklasu. W ciśnieniach odpowiednich dla dolnej płaszczy ziemskiej, tlenek zawierający żelazo pozostaje w strukturze sześciennej, ale stan elektronowy żelaza może ulec zmianie. W szczególności jon Fe²⁺ może doznać przejścia wywołanego ciśnieniem z wysokiego spinu na niski spin. Ta zmiana dotyczy ułożenia elektronów w jonie żelazowym, a nie zmiany symetrii całej kryształowej symetrii, ale może wpływać na objętość minerału, gęstość, sprężystość i inne właściwości fizyczne.

Rozkład i zachowanie elektroniczne żelaza w feroperklazie może również zmieniać się w zależności od temperatury, ciśnienia i składu. Te czynniki wpływają na relację między siecią krystaliczną a właściwościami fizycznymi mierzonymi w naturalnych lub eksperymentalnie wytworzonych próbkach. W konsekwencji badania strukturalne feroperklazu często uwzględniają zarówno jego skład Mg–Fe, jak i warunki ciśnienia i temperatury, przy których minerał powstawał lub osiągał równowagę.

Fizyczne i chemiczne właściwości feroperiklasu

Ferroperiklas jest zazwyczaj opisywany jako minerał o ciemno-szarym, brązowym szarym, zielonym szarym lub czarnym kolorze, choć jego wygląd zależy od zawartości żelaza, wielkości ziarna, zanieczyszczeń i stanu próbki. Ponieważ naturalny ferroperiklas często występuje w postaci małych ziaren lub włączeń mineralnych, dobrze rozwinięte krystaliczne struktury makroskopowe są niezwykle rzadkie. Jego połysk jest zwykle szklany do półmetalicznych, a przezroczystość zmienia się od półprzezroczystej do niewidocznej w zależności od grubości ziarna i składu.

Skład chemiczny feroperysku można wyrazić ogólnie jako (Mg,Fe)O, z Mg²⁺ i Fe²⁺ zajmującą główny jon dwuwartościowy. Względna ilość żelaza jest zmienna, a nie stała, a ta zmienność składu powoduje ciągłą zmianę kilku właściwości fizycznych między składami bogatymi w magnez i bogatymi w żelazo. Elementy drobne mogą również występować przez dodatkowe substitutions, szczególnie w naturalnych próbkach powstających w skomplikowanych warunkach geologicznych.

Gęstość feroperiklasu ogólnie wzrasta wraz ze wzrostem zawartości żelaza, ponieważ Fe²⁺ jest cięższy niż Mg²⁺ i ma większy promień jonowy. Wymiary komórki jednostkowej również tendencyjnie rosną, gdy Fe²⁺ zastępuje Mg²⁺. Te zależności stanowią przydatne wskaźniki składu podczas badania feroperiklasu metodami dyfrakcji promieni X lub innymi metodami analitycznymi. Jednak ciśnienie i temperatura mogą również wpływać na zmierzone parametry strukturalne, więc skład nie powinien być wnioskowany na podstawie jednej właściwości fizycznej bez uwzględnienia warunków geologicznych.

Ferroperiklas ma wysoką temperaturę topnienia i jest stabilny w szerokim zakresie warunków ciśnienia i temperatury. Jego właściwości fizyczne są silnie wpływanie przez ciśnienie, szczególnie w wysokociśnieniowych środowiskach, w których występują naturalne przykłady. Właściwości sprężyste, gęstość, zachowanie elektryczne i inne mierzalne cechy mogą się zmieniać zarówno ze względu na stężenie żelaza, jak i ciśnienie. Zachowanie Fe²⁺ pod zwiększonym ciśnieniem jest szczególnie istotne, ponieważ zmiany jego stanu spinowego elektronowego mogą modyfikować właściwości fizyczne minerału bez zmiany jego podstawowej struktury krystalicznej o sześciokątnej budowie. Z punktu widzenia chemicznego, ferroperiklas należy do systemu tlenków MgO–FeO. W odpowiednio utleniających warunkach część żelaza może występować w wyższym stopniu utlenienia lub ferroperiklas może współistnieć z innymi tlenkami żelaza i minerałami silikatowymi. Dlatego rzeczywista chemia próbki naturalnej zależy od środowiska jej powstawania oraz późniejszej historii geologicznej. Analiza chemiczna ilościowa jest więc konieczna do określenia stosunku Mg/Fe oraz identyfikacji mniejszych substytucji elementów.

Typy i odmiany feroperiklasu

Ferroperiklas nie ma szeroko uznanych odmian oficjalnie zatwierdzonych na podstawie koloru lub wygląd. Zamiast tego naturalny materiał jest często odróżniany przez jego skład chemiczny, szczególnie względne proporcje magnezu i żelaza. Ponieważ jony Mg²⁺ i Fe²⁺ mogą zastępować się wzajemnie w tym samym miejscu strukturalnym, próbki mogą pokazywać znaczne zmiany składu, utrzymując przy tym tę samą strukturę krystaliczną sześcienną.

• Bogato magnezjowe feroperiklaszy: Fe²⁺ występuje jako składnik podporządkowany, z magnezem pozostającym głównym kationem dwuwartościowym. Te składy zbliżają się do końcowego składnika periklasy, MgO.
• Średnie feroperiklaz: Magnezjum i żelazo występują w znacznych ilościach, tworząc skład między periklazą a wüstytą. Właściwości fizyczne takie jak gęstość i wymiary komórki jednostkowej zmieniają się w zależności od stosunku Mg:Fe.
• Zawierający żelazo feroperiklasa: Żelazo stanowi większą proporcję zawartości jonów dwuwartościowych, a skład zbliża się do strony FeO w systemie MgO–FeO.
• Skład periklasy–ferroperiklasy: Próbki zbliżone do końcowego składu MgO mogą zawierać stosunkowo małe ilości Fe²⁺. Ich klasa zależy od składu chemicznego określonego przez analizę, a nie od wygląd wizualnego.
• Ferroperiklas w assemblach wysokiego ciśnienia: Materia występująca w skałach o głębokim pochodzeniu lub minerałach inkluzjach może mieć skład wpływany przez ciśnienie, temperaturę, fugację tlenową i otaczającą asocjację minerałów. Te różnice geologiczne nie koniecznie reprezentują osobne odmiany minerałów.

Kolor nie powinien być używany jako podstawowy sposób rozróżniania tych typów kompozycyjnych. Analiza chemiczna jest wymagana do określenia względnych ilości magnezu i żelaza, podczas gdy dyfrakcja promieni X i inne metody strukturalne mogą być użyte do potwierdzenia struktury sześcienną i zcharakteryzowania zmian związanych z składem.

Gdzie Znajduje Się Ferroperiklasa?

Ferroperiklas jest głównie związany z wysokieciśnieniowymi środowiskami geologicznymi, a nie z typowymi skałami powierzchniowymi. Wystąpienia naturalne zostały zarejestrowane w głębokich asocjacjach minerałów, w tym ferroperiklasie zachowanym jako inkluzje w diamentach. W tych warunkach minerał może pozostać zamknięty w gospodarującym diamancie podczas transportu z głębi ku powierzchni Ziemi, umożliwiając analizę jego składu i struktury krystalicznej po osiągnięciu przez skałę powierzchniową warunków głębszych.

Ferroperiklas jest również związany z metamorficznymi skałami wysokiego ciśnienia, w których fazy tlenków magnezu i żelaza stają się stabilne pod wyższym ciśnieniem i temperaturą. Jego występowanie zależy od składu chemicznego skały oraz warunków ciśnienia, temperatury i fugacjity tlenu podczas tworzenia minerału lub późniejszego równowagowania. Może występować razem z wysokociśnieniowymi minerałami krzemianowymi, innymi tlenkami oraz minerałami zawierającymi magnez i żelazo.

Minerał jest szczególnie związany z asocjacjami głębokiego płaszczu. W warunkach odpowiadających dolnemu płaszczowi Ziemi, feroperiklas może współistnieć z wysokociśnieniowymi fazami magnezjowożelazowymi siarczkami. Jego stabilność i skład mogą się zmieniać z głębokością, ponieważ wzrastające ciśnienie wpływa na rozdział żelaza i magnezu między współistniejącymi minerałami. Temperatura i fugacjowość tlenu mogą również wpływać na stosunek Fe/Mg oraz stan utlenienia żelaza w assemblacji.

Naturalne próbki są często małe i mogą występować jako włączenia, drobnoziarniste agregaty lub izolowane ziarna w skałach wysokiego ciśnienia. Dlatego feropierlaz jest często badany za pomocą technik mikroanalizy zamiast konwencjonalnej analizy próbek ręcznych. Analiza mikropromieniowania elektronowego może określić stosunek Mg/Fe, podczas gdy dyfrakcja promieni X, spektroskopia Ramana i inne metody mogą dostarczać informacji o jego strukturze krystalicznej i stanie fizycznym.

Jak zidentyfikować feroperylazę

Ferroperiklaza może być trudna do zidentyfikowania na podstawie wyglądu samodzielnie, ponieważ naturalne próbki są często drobnoziarniste, ciemnokolorowe lub zawarte w innych minerałach. Jej skład również pokrywa się z innymi fazami tlenków Mg–Fe, szczególnie periklazą i wustytą. Dlatego wiarygodna identyfikacja wymaga informacji o składzie chemicznym i strukturze krystalicznej, a nie tylko kolorze, połysku czy morfologii ziarna.

Analiza chemiczna jest jednym z głównych metod stosowanych do charakteryzowania feroperiklasu. Analiza mikroprzyrządem elektronowym może określić stężenia magnezu i żelaza oraz ustalić stosunek Mg/Fe pojedynczego ziarna. Dodatkowe elementy mogą również być mierzone w celu identyfikacji mniejszych zastąpień. Ze względu na znaczne zmiany stosunku Fe/Mg, analiza ilościowa jest szczególnie przydatna do odróżniania feroperiklasu od składów zbliżonych do końcowego składu periklasu lub wüstytu.

Diffrakcja promieni X może być używana do potwierdzenia charakterystycznej struktury sześcienną minerału. Zastąpienie Fe²⁺ przez Mg²⁺ wpływa na wymiary komórki elementarnej, więc zmierzone parametry sieci mogą dostarczyć dodatkowej informacji o składzie. Jednak parametry strukturalne są również wpływane przez ciśnienie, temperaturę i stan fizyczny próbki, szczególnie gdy analizowany jest materiał utworzony w warunkach wysokiego ciśnienia po jego odzyskaniu. Spektroskopia Ramana i inne metody spektroskopowe mogą dostarczać dodatkowej informacji o strukturze i stanie chemicznym minerału, zwłaszcza gdy dostępne ziarna są bardzo małe. Dla feroperiklasu zachowanego jako włączenie w diament lub inny minerał nośny, metody analizy niezniszczeniowej mogą być szczególnie przydatne, ponieważ włączenie może mieć tylko kilka mikrometrów średnicy.

Główne minerały i fazy, które mogą wymagać odróżnienia od feroperiklasu to periklaza i wustytyna. Periklaza reprezentuje skrajny człon bogaty w MgO, a wüstytę reprezentuje skrajny człon bogaty w FeO w systemie tlenków Mg–Fe. Ponieważ te fazy mają bliskie struktury i skład chemiczny, różnica nie zawsze może być wiarygodnie wykrywana na podstawie cech wizualnych. Dlatego przy identyfikacji próbki naturalnej należy brać pod uwagę razem skład chemiczny, dane krystalograficzne oraz uwarunkowania geologiczne.

Zastosowania i użycie feroperiklasy

Ferroperiklas nie ma ustanowionego zastosowania jako surowiec przemysłowy, kamień szlachetny czy minerał dekoracyjny. Materiał naturalny występuje zwykle jako małe ziarna, włączenia minerałów lub składniki asocjacji minerałów o wysokim ciśnieniu, a nie jako materiał wydobywany do zastosowań komercyjnych. Zmieniająca się skład i typowe występowanie geologiczne ograniczają jego użycie jako konwencjonalnego surowca mineralnego.

Główne zastosowania feroperiklasu są związane z badaniami mineralogicznymi i eksperymentalnymi. Próbki naturalne mogą być analizowane w celu zbadania zależności chemicznych między magnezem a żelazem w minerałach tlenkowych oraz określenia, jak te elementy są rozłożone między współistniejącymi fazami o wysokim ciśnieniu. Dane składowe z feroperiklasu mogą również być łączone z informacjami z towarzyszących minerałów w celu badania warunków ciśnienia, temperatury i tlenowego występowania minerałów.

Ferroperiklas jest również badany eksperymentalnie, ponieważ jego właściwości ulegają zmianom pod wpływem kompresji. Badania często analizują wpływ ciśnienia i temperatury na strukturę krystaliczną, gęstość, sprężystość oraz stan elektronowy żelaza. Zmiana spowodowana ciśnieniem między stanami wysokiego i niskiego spinu jonów Fe²⁺ stanowi ważną część jego zachowania w warunkach głębokiej Ziemi i może wpływać na kilka mierzalnych właściwości fizycznych.

W badaniach diamentów i innych materiałów pochodzących z głębi, włącza ferroperklazy mogą dostarczać informacji o warunkach, jakie doznała minerał macierzysty na głębokości. Ponieważ poszczególne włącza mogą być bardzo małe, techniki analizy takie jak mikroskopia elektronowa, analiza mikropromieniowa, dyfrakcja promieni X, spektroskopia Ramana i inne metody spektroskopowe są często stosowane zamiast konwencjonalnej oceny próbki.