Ferropericlase é um minério de óxido de magnésio e ferro cuja composição é geralmente representada por (Mg,Fe)O. Pertence ao grupo da periclase e forma uma série de soluções sólidas entre a periclase rica em magnésio, MgO, e a wüstita rica em ferro, FeO. Em sua estrutura, Fe²⁺ substitui Mg²⁺ nos locais equivalentes dos cátions bivalentes, permitindo que a composição varie de acordo com as proporções relativas de magnésio e ferro. O nome ferropericlase é geralmente usado para os membros ricos em ferro deste sistema, especialmente as composições nas quais o magnésio permanece um componente principal.
A ferropericlase cristaliza na sistema cristalino cúbico e possui a mesma estrutura básica que a periclase. Sua composição e propriedades físicas podem mudar significativamente com o aumento do teor de ferro. Como Mg²⁺ e Fe²⁺ têm diferentes raios iônicos, a substituição de ferro afeta parâmetros como as dimensões da célula unitária, a densidade, as propriedades ópticas e o comportamento elástico. O minério é normalmente escuro cinza, marrom, cinza esverdeado ou quase preto, embora sua aparência possa variar com a composição, o tamanho dos grãos, inclusões e alteração.
Ferropericlase natural está associado principalmente a ambientes geológicos de alta pressão. Ele foi identificado em certas rochas metamórficas formadas sob condições extremas de pressão e como inclusões em diamantes que se formaram em profundidades consideráveis dentro da Terra. A ferropericlase também é reconhecida como uma fase mineral que pode ocorrer sob as condições de pressão e temperatura do manto inferior. Sua ocorrência nesses ambientes reflete a estabilidade dos óxidos de Mg-Fe sob condições substancialmente diferentes das da superfície da Terra.
A composição da feropericlase não é necessariamente fixa em uma razão Mg:Fe única. Em vez disso, magnésio e ferro podem substituir um ao outro em uma gama de composições, e a composição química exata depende do ambiente geológico em que o mineral se formou. Em amostras naturais, elementos secundários também podem ocorrer por meio de substituições adicionais. Por esse motivo, a feropericlase é melhor descrita usando sua composição química juntamente com suas características estruturais, em vez de apenas pela cor.
História e Descoberta da Ferropericlase
Ferropericlase não é geralmente tratado como uma espécie mineral com composição fixa única, da mesma forma que periclase ou wüstita. O nome refere-se a material rico em Fe no sistema de soluções sólidas MgO–FeO. A relação entre periclase rica em magnésio e wüstita rica em ferro foi reconhecida há muito tempo por meio de estudos experimentais do sistema Mg–Fe–O, enquanto ferropericlase naturalmente ocorrente foi posteriormente identificada em materiais geológicos sob alta pressão.
A distinção mineralógica baseia-se principalmente na composição química e na estrutura cristalina, em vez da cor ou aparência externa. Periclase tem a composição ideal MgO, enquanto wüstita tem a composição ideal FeO. Entre esses membros extremos, os íons Mg²⁺ e Fe²⁺ podem substituir um ao outro na mesma posição estrutural. Ferropericlase, portanto, representa uma composição com teor de ferro, dominada por magnésio, dentro deste sistema mais amplo de óxidos. Ferropericlase natural foi relatado em vários ambientes de alta pressão. Uma das ocorrências mais conhecidas é como inclusões minerais em diamantes, onde o conjunto de inclusões pode preservar minerais que se formaram ou equilibraram em profundidades dentro do manto terrestre. Ferropericlase também foi identificado em materiais metamórficos de alta pressão e outros ambientes geológicos onde as condições de pressão e temperatura permitem a estabilidade dos óxidos Mg-Fe.
A composição da ferropericlase pode fornecer informações sobre as condições sob as quais uma amostra individual se formou ou posteriormente equilibrou-se. As proporções relativas de magnésio e ferro são afetadas pela temperatura, pressão, fugacidade de oxigênio e composição do conjunto mineral circundante. Como resultado, a análise química é normalmente necessária para caracterizar a ferropericlase com precisão, especialmente ao distingui-la de membros relacionados composicionalmente do sistema periclase-wüstita.
Formação e Ocorrência Geológica da Feropericlase
A ferropericlase forma-se em condições onde magnésio e ferro ocorrem juntos em um sistema rico em óxidos e as condições de pressão e temperatura favorecem a estabilidade da estrutura cúbica de óxido de Mg-Fe. Sua composição é controlada pelas proporções de Mg e Fe disponíveis durante a formação, bem como pela temperatura, pressão e fugacidade de oxigênio. Sob condições redutoras, o ferro geralmente está presente predominantemente como Fe²⁺, permitindo que substitua diretamente o Mg²⁺ na estrutura da periclase. Mudanças na fugacidade de oxigênio podem modificar a proporção do ferro presente como Fe²⁺ ou Fe³⁺ e, portanto, influenciar a estabilidade e a composição do assemblage de óxidos.
Em ambientes metamórficos de alta pressão, a ferropericlase pode desenvolver-se por meio de reações envolvendo minerais silicatados ricos em magnésio e fases com ferro. Em pressões suficientemente altas, minerais estáveis em níveis mais superficiais da crosta e do manto superior podem transformar-se em associações contendo ferropericlase. Sua presença, portanto, depende não apenas da composição da rocha, mas também do caminho pressão-temperatura experimentado pela rocha. O tamanho dos grãos pode variar de cristais microscópicos até inclusões contidas dentro de outros minerais, dependendo do ambiente geológico.
Ferropericlase também é conhecido em diamantes que se formaram em profundidades significativas dentro da Terra. Quando a ferropericlase ocorre como inclusão contida pelo diamante, o diamante circundante pode proteger a inclusão de alterações posteriores durante seu transporte em direção à superfície. Essas inclusões podem preservar informações químicas e estruturais sobre o ambiente de alta pressão em que se formaram ou equilibraram. Nesses exemplos, a ferropericlase ocorre comumente junto com outros minerais característicos das associações do manto profundo.
O minério também pode ocorrer em agregados de alta pressão produzidos experimentalmente, onde condições de pressão, temperatura e fugacidade de oxigênio controladas são usadas para investigar o sistema MgO–FeO. Estudos experimentais mostram que a composição e as propriedades físicas da ferropericlase mudam com a pressão, temperatura e teor de ferro. Essas relações são úteis ao interpretar amostras naturais, especialmente aquelas provenientes de rochas de alta pressão e inclusões minerais de origem profunda.
Estrutura Cristalina da Feropericlase
Peridotita tem a estrutura cristalina cúbica característica do sistema periclase–wüstita. Sua estrutura é baseada na arranjo de sal de rocha ou tipo NaCl, no qual os ânions oxigênio formam um esqueleto compacto e os cátions bivalentes ocupam os sítios coordenados octaédricos entre eles. Magnésio e ferro estão distribuídos sobre o mesmo sítio cristalográfico de cátion, portanto a estrutura pode acomodar mudanças na proporção Mg:Fe sem exigir um quadro estrutural básico diferente.
A estrutura idealizada pode, portanto, ser descrita como um array de cátions Mg²⁺ e Fe²⁺ cercados por seis átomos de oxigênio. Cada átomo de oxigênio também é coordenado por seis cátions divalentes vizinhos. A substituição de Fe²⁺ por Mg²⁺ altera as dimensões médias da estrutura, pois o raio iônico do Fe²⁺ é maior que o do Mg²⁺. À medida que o teor de ferro aumenta, o parâmetro da célula unitária e a densidade geralmente aumentam, enquanto outras propriedades físicas e elásticas também mudam de acordo com a composição.
A pressão tem um efeito significativo no comportamento estrutural da feropericlase. Às pressões relevantes para o manto inferior da Terra, o óxido com ferro permanece na estrutura cúbica, mas o estado eletrônico do ferro pode mudar. Em particular, o Fe²⁺ pode sofrer uma transição de spin alto para spin baixo induzida pela pressão. Essa mudança envolve a disposição dos elétrons no íon de ferro, em vez de uma mudança na simetria cristalina geral, mas pode afetar o volume, densidade, elasticidade e outras propriedades físicas do mineral.
A distribuição e o comportamento eletrônico do ferro na ferropericlase também podem variar com a temperatura, pressão e composição. Esses fatores influenciam a relação entre a rede cristalina e as propriedades físicas medidas em amostras naturais ou produzidas experimentalmente. Consequentemente, estudos estruturais da ferropericlase normalmente consideram tanto sua composição Mg–Fe quanto as condições de pressão e temperatura sob as quais o mineral se formou ou equilibrou.
Propriedades Físicas e Químicas da Feropericlase
Ferropericlase é normalmente descrito como um minério escuro cinza, cinza marrom, cinza esverdeado ou preto, embora sua aparência varie com o teor de ferro, tamanho de grão, impurezas e a condição da amostra. Como a ferropericlase natural ocorre comumente como grãos pequenos ou inclusões minerais, cristais macroscópicos bem desenvolvidos são incomuns. Sua lustro é geralmente vítreo a submetálico, e sua transparência varia de translúcida a opaca, dependendo do espessura do grão e da composição.
A composição química da feropericlase pode ser expressa amplamente como (Mg,Fe)O, com Mg²⁺ e Fe²⁺ ocupando o local principal para cátions bivalentes. A quantidade relativa de ferro é variável em vez de fixa, e essa variação composicional produz uma mudança contínua em várias propriedades físicas entre as composições ricas em magnésio e as ricas em ferro. Elementos menores também podem ocorrer por substituições adicionais, especialmente em amostras naturais formadas sob condições geológicas complexas.
A densidade da ferropericlase geralmente aumenta com o aumento do teor de ferro, pois o Fe²⁺ é mais pesado que o Mg²⁺ e possui um raio iônico maior. As dimensões da célula unitária também tendem a aumentar à medida que o Fe²⁺ substitui o Mg²⁺. Essas relações fornecem indicadores compostos úteis quando a ferropericlase é estudada por difração de raios X ou outros métodos analíticos. No entanto, pressão e temperatura também podem influenciar os parâmetros estruturais medidos, portanto, a composição não deve ser inferida a partir de uma única propriedade física sem considerar as condições geológicas.
Periclásio ferroso possui uma alta temperatura de fusão e é estável em uma ampla faixa de condições de pressão e temperatura. Suas propriedades físicas são fortemente afetadas pela pressão, especialmente nos ambientes de alta pressão onde os exemplos naturais ocorrem. Propriedades elásticas, densidade, comportamento elétrico e outras características mensuráveis podem mudar com a concentração de ferro e a pressão. O comportamento do Fe²⁺ sob compressão é particularmente significativo porque mudanças no estado de spin eletrônico podem modificar as propriedades físicas do mineral sem alterar sua estrutura cristalina cúbica básica. Do ponto de vista químico, o periclásio ferroso pertence ao sistema óxido MgO–FeO. Sob condições suficientemente oxidantes, algum ferro pode ocorrer em um estado de oxidação mais alto ou o periclásio ferroso pode coexistir com outros óxidos de ferro e minerais silicatados. Consequentemente, a química real de uma amostra natural depende do ambiente de formação e da história geológica subsequente. A análise química quantitativa é, portanto, necessária para determinar a proporção Mg/Fe e identificar substituições de elementos menores.
Tipos e Variedades de Feropericlase
Periclase de ferro não possui um conjunto amplamente estabelecido de variedades oficialmente reconhecidas baseadas em cor ou aparência. Em vez disso, o material naturalmente ocorrente é comumente distinguido por sua composição química, especialmente as proporções relativas de magnésio e ferro. Como os íons Mg²⁺ e Fe²⁺ podem substituir um ao outro dentro do mesmo local estrutural, as amostras podem mostrar variação composta considerável, mantendo a mesma estrutura cristalina cúbica.
- Percelita rica em magnésio: Fe²⁺ está presente como um componente secundário, com magnésio permanecendo o cátion divalente dominante. Essas composições se aproximam do membro periclase, MgO.
- Ferropericlase intermediária: Magnésio e ferro ocorrem em proporções significativas, produzindo composições entre periclase e wüstita. Propriedades físicas como densidade e dimensões da célula unitária variam de acordo com a razão Mg:Fe.
- Ferropericlase rica em ferro: O ferro representa uma proporção maior do conteúdo de cátions bivalentes, e a composição se aproxima do lado rico em FeO do sistema MgO–FeO.
- Composições periclase-ferropericlase: Amostras próximas ao membro MgO podem conter quantidades relativamente pequenas de Fe²⁺. Sua classificação depende da composição química determinada por análise, e não da aparência visual.
- Periclasa de ferro em associações de alta pressão: Material ocorrente em rochas de origem profunda ou inclusões minerais podem ter composições influenciadas pela pressão, temperatura, fugacidade de oxigênio e assembléia mineral circundante. Essas diferenças geológicas não representam necessariamente variedades minerais separadas.
A cor deve ser usada como base principal para distinguir esses tipos compostos. Análise química é necessária para determinar as quantidades relativas de magnésio e ferro, enquanto difração de raios X e outros métodos estruturais podem ser usados para confirmar a estrutura cúbica e caracterizar mudanças associadas à composição.
Onde a Ferropericlase É Encontrada?
Ferropericlase está principalmente associada a ambientes geológicos de alta pressão, em vez de rochas superficiais comuns. Ocorrências naturais foram documentadas em associações minerais de origem profunda, incluindo ferropericlase preservada como inclusões dentro de diamantes. Nesses ambientes, o mineral pode permanecer fechado dentro do diamante hospedeiro durante o transporte da profundidade em direção à superfície da Terra, permitindo que sua composição e estrutura cristalina sejam examinadas após a rocha hospedeira atingir condições mais rasas.
Ferropericlase também está associada a rochas metamórficas de alta pressão nas quais fases de óxido de Mg-Fe tornam-se estáveis sob alta pressão e temperatura. Sua ocorrência depende da composição química geral da rocha, bem como das condições de pressão, temperatura e fugacidade de oxigênio durante a formação mineral ou equilíbrio subsequente. Pode ocorrer junto com minerais silicatos de alta pressão, outros óxidos e minerais contendo magnésio e ferro.
O minério está particularmente associado a agregados do manto profundo. Sob condições correspondentes ao manto inferior da Terra, a ferropericlase pode coexistir com fases de silicato de magnésio-ferro de alta pressão. Sua estabilidade e composição podem mudar com a profundidade, pois a pressão crescente afeta a partição de ferro e magnésio entre os minerais coexistentes. A temperatura e a fugacidade de oxigênio também podem influenciar a razão Fe/Mg e o estado de oxidação do ferro dentro do agregado.
Amostras naturais são comumente pequenas e podem ocorrer como inclusões, aglomerados de grãos finos ou grãos isolados em rochas de alta pressão. Por esse motivo, a ferropericlase é frequentemente estudada utilizando técnicas microanalisadoras em vez da observação convencional de amostras manuais. A análise do microscópio eletrônico pode determinar a proporção Mg/Fe, enquanto a difração de raios X, espectroscopia Raman e outros métodos podem fornecer informações sobre sua estrutura cristalina e estado físico.
Como Identificar Ferropericlase
Ferropericlase pode ser difícil de identificar apenas com base na aparência, pois as amostras naturais são comumente finas, escuras ou incluídas em outros minerais. Sua composição também se sobrepõe a outras fases de óxido de Mg-Fe, particularmente periclase e wüstita. Portanto, uma identificação confiável requer informações sobre a composição química e a estrutura cristalina, em vez de depender apenas da cor, brilho ou morfologia do grão.
Análise química é um dos métodos principais utilizados para caracterizar a ferropericlase. Análise por microscópio eletrônico pode determinar as concentrações de magnésio e ferro e estabelecer a proporção Mg/Fe de um grão individual. Elementos adicionais também podem ser medidos para identificar substituições menores. Como a proporção Fe/Mg pode variar significativamente, a análise quantitativa é particularmente útil para distinguir a ferropericlase de composições mais próximas aos membros extremos da periclase ou wüstita.
A difração de raios X pode ser usada para confirmar a estrutura cúbica característica do mineral. A substituição de Fe²⁺ por Mg²⁺ afeta as dimensões da célula unitária, portanto, os parâmetros de rede medidos podem fornecer informações adicionais sobre a composição. No entanto, os parâmetros estruturais também são influenciados pela pressão, temperatura e estado físico da amostra, especialmente quando materiais formados sob condições de alta pressão são examinados após a recuperação. A espectroscopia Raman e outros métodos espectroscópicos podem fornecer informações adicionais sobre o estado estrutural e químico do mineral, especialmente quando os grãos disponíveis são muito pequenos. Para a ferropericlase preservada como inclusão em diamante ou outro minério hospedeiro, métodos analíticos não destrutivos podem ser particularmente úteis, pois a inclusão pode ter apenas alguns micrômetros de diâmetro.
Os principais minerais e fases que podem precisar ser distinguidos da feropericlase incluem periclássico e wüstita. Periclase representa o membro rico em MgO, enquanto a wüstita representa o extremo rico em FeO do sistema de óxidos Mg-Fe. Como estas fases compartilham estruturas e composições muito relacionadas, a distinção não pode sempre ser feita com confiança a partir de características visuais. A composição química, dados cristalográficos e o ambiente geológico devem, portanto, ser considerados juntos ao identificar uma amostra natural.
Aplicações e Usos da Feropericlase
Ferropericlase não tem uso estabelecido como matéria-prima industrial, gemas ou mineral ornamental. O material natural geralmente é encontrado como grãos pequenos, inclusões minerais ou componentes de associações minerais de alta pressão, em vez de ser extraído para aplicações comerciais. Sua composição variável e ocorrência geológica típica limitam seu uso como commodity mineral convencional.
As principais aplicações da ferropericlase estão relacionadas à pesquisa mineralógica e experimental. Amostras naturais podem ser analisadas para investigar as relações químicas entre magnésio e ferro em minerais óxidos e para determinar como esses elementos são distribuídos entre fases de alta pressão coexistentes. Dados composicionais da ferropericlase também podem ser combinados com informações de minerais associados para estudar as condições de pressão, temperatura e oxigênio da formação dos minerais.
A ferropericlase também é estudada experimentalmente porque suas propriedades mudam sob compressão. Pesquisas comumente examinam os efeitos da pressão e temperatura sobre sua estrutura cristalina, densidade, elasticidade e estado eletrônico do ferro. A mudança induzida por pressão entre os estados de alto spin e baixo spin do Fe²⁺ é uma parte importante do seu comportamento sob condições da Terra profunda e pode influenciar vários parâmetros físicos mensuráveis.
Em estudos de diamantes e outros materiais de origem profunda, inclusões de ferropericlase podem fornecer informações sobre as condições experimentadas pelo mineral hospedeiro em profundidade. Como as próprias inclusões podem ser extremamente pequenas, técnicas analíticas como microscopia eletrônica, análise por microscópio eletrônico, difração de raios X, espectroscopia Raman e outros métodos espectroscópicos são comumente usados em vez de exame baseado em amostras convencionais.