Ferropericlasa este un mineral de oxid de magneziu–fier cu o compoziție general reprezentată prin (Mg,Fe)O. Îi aparține grupului periclasei și formează o serie de soluții solide între periclasa bogată în magneziu, MgO, și wüstita bogată în fier, FeO. În structura sa, Fe²⁺ înlocuiește Mg²⁺ la locațiile echivalente ale cationilor divalenti, permițând compoziției să varieze în funcție de proporțiile relative ale magneziului și fierului. Numele feropericlază este utilizat în general pentru membrii care conțin fier ai acestui sistem, în special compozițiile în care magneziul rămâne un component principal.
Ferropericlasa cristalizează în sistemul cristalin cubic și are aceeași structură de bază ca periclază. Compoziția și proprietățile sale fizice pot varia semnificativ cu creșterea conținutului de fier. Deoarece Mg²⁺ și Fe²⁺ au raze ionice diferite, substituția de fier afectează parametri precum dimensiunile rețelei cristaline, densitatea, proprietățile optice și comportamentul elastic. Mineralul este de obicei cenușiu întunecat, maroniu, verde-cenușiu sau aproape negru, deși aspectul său poate varia în funcție de compoziție, mărimea granulilor, incluziuni și alterare.
Ferropericlaza natural este asociată în principal cu medii geologice de presiune ridicată. A fost identificată în anumite roci metamorfice formate sub condiții extreme de presiune și ca incluziuni în diamante care au luat naștere la adâncimi considerabile în interiorul Pământului. Ferropericlaza este, de asemenea, recunoscută ca o fază minerală care poate apărea în condițiile de presiune și temperatură ale mantalei inferioare. Prezența sa în aceste condiții reflectă stabilitatea oxidilor Mg–Fe în condiții semnificativ diferite de cele de la suprafața Pământului.
Compoziția feropericlasei nu este neapărat fixă la un anumit raport Mg:Fe. În schimb, magneziul și fierul pot substitui unul pe celălalt într-un interval de compoziții, iar compoziția chimică exactă depinde de mediul geologic în care s-a format mineralul. În eșantioanele naturale, elemente minoritare pot apărea și prin alte substituții. Din acest motiv, feropericlasa este mai bine descrisă utilizându-și compoziția chimică împreună cu caracteristicile sale structurale, mai degrabă decât prin culoare singură.
Istoric și descoperirea feropericlasei
Ferropericlasa nu este în general tratată ca o specie de mineral cu o compoziție fixă unică, în același mod ca periclasa sau wüstita. Numele se referă la materialul bogat în Fe din sistemul de soluție solidă MgO–FeO. Relația dintre periclasa bogată în magneziu și wüstita bogată în fier a fost recunoscută de mult timp prin studii experimentale ale sistemului Mg–Fe–O, iar ferropericlasa naturală a fost ulterior identificată în materiale geologice de înaltă presiune.
Deosebitării mineralogice se bazează în principal pe compoziția chimică și structura cristalină, mai degrabă decât pe culoare sau aspectul extern. Periclazul are compoziția ideală MgO, în timp ce wüstita are compoziția ideală FeO. Între acești membri extremi, Mg²⁺ și Fe²⁺ pot substitui unul pe celălalt în aceeași poziție structurală. Feropericlaza reprezintă, așadar, o compoziție cu conținut de fier, dominantă în magneziu, în cadrul acestui sistem mai larg de oxizi. Feropericlaza naturală a fost raportată din mai multe medii cu presiune ridicată. Una dintre cele mai cunoscute apariții este ca incluziuni minerale în diamante, unde asamblarea incluziunilor poate păstra minerale care s-au format sau s-au echilibrat la adâncimi în mantaua Pământului. Feropericlaza a fost identificată și în materiale metamorfice cu presiune ridicată și alte medii geologice unde condițiile de presiune și temperatură permit stabilitatea oxidelor Mg–Fe.
Compoziția feropericlasei poate oferi informații despre condițiile în care un eșantion individual s-a format sau s-a echilibrat ulterior. Proporțiile relative ale magneziului și fierului sunt afectate de temperatură, presiune, fugacitatea oxigenului și compoziția asamblării minereu înconjurătoare. În consecință, analiza chimică este de obicei necesară pentru a caracteriza corect feropericlasa, în special atunci când se distinge aceasta de membrii compozițional legați ai sistemului periclază-wüstită.
Formarea și localizarea geologică a feropericlasei
Ferropericlasa se formează în condiții în care magneziul și fierul apar împreună într-un sistem bogat în oxizi, iar condițiile de presiune-temperatură favorizează stabilitatea structurii oxidului cubic Mg-Fe. Compoziția sa este controlată de proporțiile de Mg și Fe disponibile în timpul formării, precum și de temperatură, presiune și fugacitatea oxigenului. În condiții reducătoare, fierul este de obicei prezent în mod predominant ca Fe²⁺, permițându-i să înlocuiască direct Mg²⁺ în structura periclasei. Schimbările în fugacitatea oxigenului pot modifica proporția de fier prezent ca Fe²⁺ sau Fe³⁺ și pot influența astfel stabilitatea și compoziția asamblajului de oxizi.
În medii metamorfice cu presiune ridicată, feropericlasa poate se forma prin reacții care implică minerale silicat bogate în magneziu și faze cu conținut de fier. La presiuni suficient de mari, mineralele stabile la niveluri mai shallow ale crustei și mantalei superioare pot trece în asamblări care conțin feropericlase. Prezența acesteia depinde deci nu doar de compoziția rociilor, ci și de calea presiune-temperatură pe care a fost supusă roca. Mărimea granului poate varia de la cristale microscopice până la incluziuni închise în alte minerale, în funcție de contextul geologic.
Ferropericlaza este cunoscută și din diamantele care s-au format la adâncimi semnificative în interiorul Pământului. Când ferropericlaza apare ca o incluziune înconjurată de diamant, diamantul din jur poate proteja incluziunea împotriva alterării ulterioare în timpul transportului spre suprafață. Asemenea incluziuni pot păstra informații chimice și structurale despre mediul de presiune ridicată în care s-au format sau s-au echilibrat. În aceste mostre, ferropericlaza apare frecvent împreună cu alte minerale caracteristice asociațiilor din mantaua profundă.
Mineralul poate apărea și în asamblări produse experimental la presiune ridicată, unde condițiile de presiune, temperatură și fugacitate a oxigenului sunt controlate pentru a investiga sistemul MgO–FeO. Studiile experimentale arată că compoziția și proprietățile fizice ale feropericlasei variază în funcție de presiune, temperatură și conținut de fier. Aceste relații sunt utile în interpretarea probelor naturale, în special cele provenite din roci la presiune ridicată și incluziuni minereale de origine profundă.
Structura cristalină a feropericlasei
Ferropericlase are urma structură cristalină cubică caracteristica a sistemului periclaz–wustit. Structura sa se bazează pe aranjamentul de tip sare de masă sau NaCl, în care anionii de oxigen formează un cadru compact și cationii divalenti ocupă site-uri coordonate octaedric între acestea. Magneziul și fierul sunt distribuiți pe aceeași poziție cristalografică de cation, astfel încât structura poate suporta modificări ale raportului Mg:Fe fără a necesita un cadru structural de bază diferit.
Structura idealizată poate fi descrisă astfel ca un șir de cationi Mg²⁺ și Fe²⁺ înconjurați de șase atomi de oxigen. Fiecare atom de oxigen este de asemenea coordonat de către șase cationi divalenti vecini. Înlocuirea Fe²⁺ cu Mg²⁺ modifică dimensiunile medii ale structurii, deoarece Fe²⁺ are un rază ionica mai mare decât Mg²⁺. În timp ce conținutul de fier crește, parametrul de rețea și densitatea cresc în general, în timp ce alte proprietăți fizice și elastice se schimbă în funcție de compoziție.
Presiunea are un efect semnificativ asupra comportării structurale a feropericlasei. La presiunile relevante pentru mantaua inferioară a Pământului, oxidul cu fier rămâne în structura cubică, dar starea electronică a fierului poate schimbă. În particular, Fe²⁺ poate suferi o tranziție de la stare de spin mare la stare de spin mic, provocată de presiune. Această schimbare implică aranjamentul electronilor în ionul de fier, mai degrabă decât o schimbare în simetria cristalului în ansamblu, dar poate afecta volumul, densitatea, elasticitatea și alte proprietăți fizice ale minereului.
Distribuția și comportamentul electronic al fierului în feropericlază pot varia și cu temperatura, presiunea și compoziția. Acești factori influențează relația dintre rețeaua cristalină și proprietățile fizice măsurate în probe naturale sau produse experimental. Prin urmare, studiile structurale ale feropericlazei iau în considerare de obicei atât compoziția Mg–Fe, cât și condițiile de presiune-temperatură în care s-a format sau s-a echilibrat minereul.
Proprietățile fizice și chimice ale feropericlasei
Ferropericlasa este de obicei descrisă ca un mineral întunecat, cenușiu deschis, cenușiu verzui sau negru, deși aspectul său variază în funcție de conținutul de fier, dimensiunea granulului, impuritățile și starea specimenului. Deoarece ferropericlasa naturală apare frecvent sub formă de granule mici sau incluziuni minerale, cristale macroscopice bine dezvoltate sunt rare. Strălucirea sa este de obicei vitrosă până la submetallică, iar transparența variază de la translucidă la opacă, în funcție de grosimea granulului și compoziție.
Compoziția chimică a feropericlasei poate fi exprimată în mod general ca (Mg,Fe)O, cu Mg²⁺ și Fe²⁺ ocupând site-ul principal de cation divalent. Cantitatea relativă de fier este variabilă, nu fixă, iar această variație compozițională produce o schimbare continuă în mai multe proprietăți fizice între compozițiile bogate în magneziu și cele bogate în fier. Elemente minori pot apărea, de asemenea, prin substituții suplimentare, în special în eșantioane naturale formate în condiții geologice complexe.
Densitatea feropericlasei crește în general cu creșterea conținutului de fier, deoarece Fe²⁺ este mai greu decât Mg²⁺ și are un rază ionică mai mare. Dimensiunile rețelei cristaline se măresc și ele în mod obișnuit atunci când Fe²⁺ înlocuiește Mg²⁺. Aceste relații oferă indicatori compoziționali utili atunci când feropericlasa este studiată prin difracție de raze X sau alte metode analitice. Totuși, presiunea și temperatura pot influența și ele parametrii structurale măsurați, așa că compoziția nu trebuie inferată dintr-o singură proprietate fizică fără a lua în considerare condițiile geologice.
Ferropericlasa are o temperatură de topire ridicată și este stabilă într-un domeniu larg de condiții de presiune și temperatură. Proprietățile sale fizice sunt puternic afectate de presiune, în special în mediile de presiune ridicată unde apar exemple naturale. Proprietățile elastice, densitatea, comportamentul electric și alte caracteristici măsurabile pot varia atât cu concentrația de fier, cât și cu presiunea. Comportamentul Fe²⁺ sub compresiune este particular de important, deoarece modificările stării sale de spin electronic poate modifica proprietățile fizice ale minereului fără a schimba structura cristalină cubică de bază. Din perspectiva chimică, ferropericlasa aparține sistemului de oxizi MgO–FeO. În condiții suficient de oxidante, un anumit fier poate apărea într-o stare de oxidare mai ridicată sau ferropericlasele pot coexista cu alte oxizi de fier și minerale silicat. Prin urmare, chimia reală a unui eșantion natural depinde de mediu de formare și de istoria geologică ulterioară. Analiza chimică cantitativă este astfel necesară pentru determinarea raportului Mg/Fe și identificarea substituțiilor elementare minoritare.
Tipuri și varietăți de Feropericlază
Ferropericlasa nu are un set larg răspândit de variante oficial recunoscute, în funcție de culoare sau aspect. În schimb, materialul natural este adesea distins prin compoziția sa chimică, în special proporțiile relative ale magnesiului și fierului. Deoarece Mg²⁺ și Fe²⁺ pot substitui unul pe celălalt în aceeași poziție structurală, eșantioanele pot arăta o variație compozițională considerabilă, menținând totuși aceeași structură cristalină cubică.
- Feropericlază bogată în magneziu: Fe²⁺ este prezent ca componentă secundară, cu magneziul rămânând cationul divalent dominant. Aceste compoziții se apropie de membrul periclasei, MgO.
- Ferropericlază intermediară: Magnesiul și fierul apar în proporții semnificative, producând compoziții între periclază și wüstită. Proprietățile fizice precum densitatea și dimensiunile celulei unitate variază în funcție de raportul Mg:Fe.
- Feropericlază bogată în fier: Fierul reprezintă o proporție mai mare din conținutul cationilor divalenti, iar compoziția se apropie de partea FeO-rică a sistemului MgO–FeO.
- Compoziții periclază–feropericlază: Mostre aproape de membrul MgO pot conține cantități relativ mici de Fe²⁺. Clasificarea lor depinde de compoziția chimică determinată prin analiză, nu de aspectul vizual.
- Feropericlază în asamblări la presiune ridicată: Materiale prezent în rocile de origine profundă sau incluziuni minereale pot avea compoziții influențate de presiune, temperatură, fugacitatea oxigenului și asamblarea minerală din jur. Aceste diferențe geologice nu reprezintă obligatoriu varietăți separate de minerale.
Culoarea nu trebuie utilizată ca bază principală pentru a distinge aceste tipuri compozitionale. O analiză chimică este necesară pentru a determina cantitățile relative de magneziu și fier, în timp ce difracția razeilor X și alte metode structurale pot fi utilizate pentru a confirma structura cubică și a caracteriza modificările asociate cu compoziția.
Unde se găsește Ferropericlază?
Ferropericlasa este în principal asociată cu medii geologice de înaltă presiune, mai degrabă decât cu roci de suprafață obișnuite. Occurențele naturale au fost documentate în asociații de minerale de origine profundă, inclusiv ferropericlase păstrate ca incluziuni în diamante. În aceste condiții, mineralul poate rămâne închis în interiorul diamantului gazdă în timpul transportului din adâncime spre suprafața Pământului, permițându-i să-și mențină compoziția și structura cristalină după ce roca gazdă ajunge la condiții mai puțin profunde.
Ferropericlasa este, de asemenea, asociată cu roci metamorfice la presiune ridicată în care fazele de oxid Mg–Fe devin stabile sub presiune și temperatură crescută. Prezența sa depinde de compoziția chimică globală a rocii, precum și de condițiile de presiune, temperatură și fugacitatea oxigenului în timpul formării mineralului sau ulterioară echilibrare. Aceasta poate apărea împreună cu minereuri silicatice la presiune ridicată, alte oxizi și minerale care conțin magneziu și fier.
Mineralul este în mod special asociat cu asamblările din mantaua profundă. În condițiile corespunzătoare mantalei inferioare a Pământului, feropericlazul poate coexista cu faze de silicat magneziu-feros la presiune ridicată. Stabilitatea și compoziția sa pot varia cu adâncimea, deoarece creșterea presiunii afectează distribuția fierului și magneziului între mineralele coexistente. Temperatura și fugacitatea oxigenului pot influența și raportul Fe/Mg și starea de oxidare a fierului din asamblaj.
Mostrele naturale sunt adesea mici și pot apărea ca incluziuni, aglomerări cu granulație fină sau particule izolate în roci de presiune ridicată. Din această cauză, feropericlasa este adesea studiată utilizând tehnici microanalitice, mai degrabă decât examinarea obișnuită a probelor. Analiza cu microsondă electronică poate determina raportul Mg/Fe, în timp ce difracția de raze X, spectroscopia Raman și alte metode pot oferi informații despre structura cristalină și starea fizică a acesteia.
Cum să identifici Ferropericlază
Ferropericlasa poate fi dificil de identificat din aparență singură, deoarece specimenele naturale sunt adesea fini, colorate întunecat sau închise în alte minerale. Compoziția sa se suprapune, de asemenea, cu alte faze oxidelor Mg–Fe, în special periclază și wüstită. Prin urmare, o identificare sigură necesită informații despre compoziția chimică și structura cristalină, mai degrabă decât să se bazeze doar pe culoare, luciu sau morfologie a granulului.
Analiza chimică este una dintre metodele principale folosite pentru caracterizarea feropericlasei. Analiza cu microscoapă electronică poate determina concentrațiile de magneziu și fier și poate stabili raportul Mg/Fe al unui granul individual. Alte elemente pot fi, de asemenea, măsurate pentru a identifica substituțiile minore. Deoarece raportul Fe/Mg poate varia semnificativ, analiza cantitativă este în special utilă pentru a distinge feropericlasa de compoziții mai apropiate de extremele periclasei sau wüstită.
Difracția razei X poate fi folosită pentru a confirma structura cubică caracteristică a minereului. Înlocuirea Fe²⁺ cu Mg²⁺ afectează dimensiunile celulei unitate, așadar parametrii rețelei măsurați pot oferi informații suplimentare despre compoziție. Cu toate acestea, parametrii structurale sunt de asemenea influențați de presiune, temperatură și starea fizică a probei, în special atunci când se examinează materialul format în condiții de presiune ridicată după recuperare. Spectroscopia Raman și alte metode spectroscopice pot oferi informații suplimentare despre starea structurală și chimică a minereului, în special atunci când grăunțele disponibile sunt foarte mici. Pentru feropericlază păstrată ca inclusiune în diamant sau alt mineral gazdă, metodele analitice neinvazive pot fi deosebit de utile, deoarece inclusiunea poate avea doar câțiva micrometri în diametru.
Principalele minereale și faze care ar putea trebui deosebite de feropericlază includ periclistă și wüstită. Periclaza reprezintă membrul extrem bogat în MgO, în timp ce wüstita reprezintă extremitatea bogată în FeO a sistemului de oxizi Mg-Fe. Deoarece aceste faze împărtășesc structuri și compoziții foarte asemănătoare, diferențierea nu poate fi întotdeauna realizată în mod sigur pe baza caracteristicilor vizuale. Compoziția chimică, datele cristalografice și contextul geologic ar trebui, prin urmare, considerate împreună în identificarea unui eșantion natural.
Aplicatii si utilizari ale feropericlasei
Ferropericlasa nu are utilizare stabilită ca material brut industrial, pietre prețioase sau mineral ornamentale. Materialul natural este de obicei întâlnit sub formă de granule mici, incluziuni minerale sau componente ale asociațiilor minerale de înaltă presiune, mai degrabă decât ca material extras pentru aplicații comerciale. Compoziția sa variabilă și localizarea geologică obișnuită limitează utilizarea sa ca commodity mineral conventional.
Aplicațiile principale ale feropericlasei sunt legate de cercetarea mineralogică și experimentală. Probele naturale pot fi analizate pentru a investiga relațiile chimice dintre magneziu și fier în minereurile de oxizi și pentru a determina cum acești elemente sunt distribuiți între fazele de presiune ridicată în concordanță. Datele privind compoziția feropericlasei pot fi, de asemenea, combinate cu informații din minereuri asociate pentru a studia condițiile de presiune, temperatură și oxigen ale formării mineralelor.
Ferropericlasa este de asemenea studiată experimental deoarece proprietățile sale se modifică sub compresie. Cercetările examinează frecvent efectele presiunii și temperaturii asupra structurii cristaline, densității, elasticității și stării electronice a fierului. Schimbarea indusă de presiune între stările high-spin și low-spin ale Fe²⁺ reprezintă o parte importantă a comportamentului său în condițiile din adâncul Pământului și poate influența mai multe proprietăți fizice măsurabile.
În studiile diamantelor și altor materiale de origine profundă, incluziunile de feropericlază pot oferi informații despre condițiile trăite de mineralul gazdă la adâncime. Deoarece incluziunile individuale pot fi extrem de mici, tehnici de analiză precum microscopia electronică, analiza cu microsondă electronică, difracția razeilor X, spectroscopia Raman și alte metode spectroscopice sunt utilizate frecvent în locul examinării tradiționale a probelor.