Ферропериклаз — это минерал оксида магния и железа, обычно представленный составом (Mg,Fe)OОн принадлежит к группе периклаза и образует ряд твёрдых растворов между магниевым периклазом, MgO, и железным вюститом, FeO. В его структуре Fe²⁺ замещает Mg²⁺ на эквивалентных двузначных катионных сайтах, что позволяет составу изменяться в зависимости от относительных пропорций магния и железа. Название ферропериклаз обычно используется для железосодержащих членов этой системы, особенно для составов, в которых магний остаётся основным компонентом.
Ферропериклаз кристаллизуется в кубическая кристаллическая система и имеет ту же самую структуру, что и периклаз. Его состав и физические свойства могут существенно изменяться с увеличением содержания железа. Поскольку Mg²⁺ и Fe²⁺ имеют разные ионные радиусы, замещение железом влияет на параметры, такие как размеры элементарной ячейки, плотность, оптические свойства и упругие характеристики. Минерал обычно темно-серый, коричневато-серый, зеленовато-серый или почти черный, хотя его внешний вид может варьироваться в зависимости от состава, размера зерна, включений и изменения.
Кристаллический ферропериклаз связан в основном с высоконапряжёнными геологическими условиями. Он был идентифицирован в определённых метаморфических породах, образовавшихся при экстремальных давлениях, а также включениях в алмазах, возникших на значительной глубине внутри Земли. Ферропериклаз также признаётся минеральной фазой, которая может образовываться при давлении и температурных условиях нижней мантии. Его присутствие в этих условиях отражает устойчивость оксидов Mg–Fe при условиях, существенно отличающихся от тех, что наблюдаются на поверхности Земли.
Состав ферропериклазы не обязательно фиксирован на определенном соотношении Mg:Fe. Вместо этого магний и железо могут взаимозаменяться в диапазоне составов, и точный химический состав зависит от геологической среды, в которой минерал образовался. В природных образцах также могут присутствовать примесные элементы благодаря дополнительным замещениям. По этой причине ферропериклаза лучше описывается с учетом ее химического состава вместе со структурными характеристиками, а не только по цвету.
История и открытие ферропериклаза
Ферропериклаз не рассматривается в общем как минеральный вид с единственным фиксированным составом, как периклаз или вюстит. Название относится к материалу, содержащему железо, в системе твёрдых растворов MgO–FeO. Связь между магниевым периклазом и железистым вюститом давно была признана на основании экспериментальных исследований системы Mg–Fe–O, а естественный ферропериклаз был позже выявлен в высокодавлении геологических материалах.
Минералогическое различие в основном основывается на химическом составе и кристаллической структуре, а не на цвете или внешнем виде. Периклаз имеет идеальный состав MgO, тогда как вюстит имеет идеальный состав FeO. Между этими конечными членами Mg²⁺ и Fe²⁺ могут заменять друг друга в той же структурной позиции. Следовательно, ферропериклаз представляет собой композицию с содержанием железа, доминирующей магниевой в этом более широком оксидном системе. Естественный ферропериклаз был зарегистрирован в нескольких условиях высокого давления. Одним из наиболее известных мест обнаружения является минеральные включения в алмазах, где ассоциация включений может сохранять минералы, образовавшиеся или равновесные на глубинах внутри земной мантии. Ферропериклаз также был идентифицирован в высокодавлении метаморфических материалах и других геологических средах, где условия давления и температуры позволяют стабильность оксидов магния-железа.
Состав ферропериклазы может предоставить информацию о условиях, при которых образовался отдельный образец или последующее равновесие. Относительные пропорции магния и железа зависят от температуры, давления, активности кислорода и состава окружающей минеральной ассоциации. В результате химический анализ обычно необходим для точной характеристики ферропериклазы, особенно при различении её с композиционно связанными членами системы периклаз-вюстит.
Формирование и геологическое распространение ферропериклаза
Ферропериклаз образуется в условиях, когда магний и железо присутствуют вместе в системе, богатой оксидами, и условия давления-температуры способствуют стабильности кубической структуры оксида магния-железа. Его состав определяется пропорциями Mg и Fe, доступными во время образования, а также температурой, давлением и фугитивностью кислорода. В восстановительных условиях железо обычно присутствует преимущественно в виде Fe²⁺, что позволяет ему непосредственно замещать Mg²⁺ в структуре периклаза. Изменения фугитивности кислорода могут изменять пропорцию железа, находящегося в виде Fe²⁺ или Fe³⁺, и, следовательно, влиять на стабильность и состав ассоциации оксидов.
В условиях высокого давления метаморфических сред ферропериклаз может образовываться в результате реакций, связанных с магниевыми силикатными минералами и железосодержащими фазами. При достаточно высоком давлении минералы, стабильные на более мелких глубинах коры и верхней мантии, могут превращаться в ассоциации, содержащие ферропериклаз. Следовательно, его наличие зависит не только от состава породы, но и от пути давления-температуры, пережитого породой. Размер зерна может варьироваться от микроскопических кристаллов до включений, заключенных внутри других минералов, в зависимости от геологической обстановки.
Ферропериклаз также известен из алмазов, образовавшихся на значительных глубинах внутри Земли. Когда ферропериклаз встречается в виде включения, окружённого алмазом, окружающий алмаз может защитить включение от последующего изменения во время его транспортировки к поверхности. Такие включения могут сохранять химическую и структурную информацию о высоком давлении, в котором они образовались или достигли равновесия. В этих образцах ферропериклаз часто встречается вместе с другими минералами, характерными для глубинных мантийных ассоциаций.
Минерал также может встречаться в экспериментально полученных высоконапорных ассоциациях, где используются контролируемые условия давления, температуры и активности кислорода для изучения системы MgO–FeO. Экспериментальные исследования показывают, что состав и физические свойства ферропериклаза изменяются под действием давления, температуры и содержания железа. Эти соотношения полезны при интерпретации естественных образцов, особенно тех, которые происходят из высоконапорных пород и глубокооригинальных минеральных включений.
Кристаллическая структура ферропериклаза
Ферропериклаз имеет кубическая кристаллическая структура характеристика системы периклаз-вюстит. Её структура основана на строении галита или типа NaCl, в котором оксидные анионы образуют плотноупакованную конструкцию, а двухвалентные катионы занимают октаэдрически координированные места между ними. Магний и железо распределены по одному и тому же кристаллографическому катионному сайту, поэтому структура может принимать изменения соотношения Mg:Fe без необходимости в другом базовом структурном каркасе.
Идеализированная структура, следовательно, может быть описана как массив катионов Mg²⁺ и Fe²⁺, окружённых шестью атомами кислорода. Каждый атом кислорода также координирован шестью соседними двузначными катионами. Замещение Fe²⁺ на Mg²⁺ изменяет средние размеры структуры, потому что Fe²⁺ имеет больший ионный радиус, чем Mg²⁺. При увеличении содержания железа параметр элементарной ячейки и плотность в целом увеличиваются, а другие физические и упругие свойства также изменяются в зависимости от состава.
Давление оказывает значительное влияние на структурное поведение ферропериклаза. При давлениях, соответствующих нижней мантии Земли, оксид, содержащий железо, сохраняет кубическую структуру, но электронное состояние железа может измениться. В частности, Fe²⁺ может претерпеть переход от высокоспинового к низкоспиновому под действием давления. Это изменение связано с расположением электронов в ионе железа, а не с изменением общей кристаллической симметрии, но оно может влиять на объем минерала, плотность, упругость и другие физические свойства.
Распределение и электронное поведение железа в ферропериклазе также могут меняться с температурой, давлением и составом. Эти факторы влияют на связь между кристаллической решеткой и физическими свойствами, измеренными в естественных или экспериментально полученных образцах. В результате структурные исследования ферропериклаза обычно учитывают как его состав Mg–Fe, так и условия давления и температуры, при которых минерал образовался или достиг равновесия.
Физические и химические свойства ферропериклаза
Ферропериклаз обычно описывается как минерал темно-серого, коричнево-серого, зеленовато-серого или черного цвета, хотя его внешний вид зависит от содержания железа, размера зерна, примесей и состояния образца. Поскольку природный ферропериклаз часто встречается в виде мелких зерен или минеральных включений, хорошо развитые макроскопические кристаллы являются редкостью. Его блеск обычно стеклянный до полуметаллического, а прозрачность колеблется от прозрачной до непрозрачной в зависимости от толщины зерна и состава.
Химический состав ферропериклаза можно выразить в общем виде как (Mg,Fe)Oс Mg²⁺ и Fe²⁺, занимающими основной дивалентный катионный сайт. Относительное количество железа переменно, а не постоянно, и эта композиционная вариация вызывает непрерывное изменение нескольких физических свойств между магниевыми и железистыми составами. Мелкие элементы также могут присутствовать благодаря дополнительным заменам, особенно в естественных образцах, образованных при сложных геологических условиях.
Плотность ферропериклазы обычно увеличивается с увеличением содержания железа, потому что Fe²⁺ тяжелее Mg²⁺ и имеет больший ионный радиус. Размеры элементарной ячейки также склонны увеличиваться при замещении Fe²⁺ на Mg²⁺. Эти соотношения предоставляют полезные составные индикаторы при изучении ферропериклазы методом рентгеновской дифракции или другими аналитическими методами. Однако давление и температура также могут влиять на измеренные структурные параметры, поэтому состав не следует выводить только по одному физическому свойству без учета геологических условий.
Ферропериклаз имеет высокую температуру плавления и устойчив в широком диапазоне давления и температурных условий. Его физические свойства сильно зависят от давления, особенно в высокодавленных средах, где происходят естественные примеры. Упругие свойства, плотность, электрическое поведение и другие измеряемые характеристики могут меняться как по концентрации железа, так и по давлению. Поведение Fe²⁺ при сжатии особенно важно, потому что изменения его электронного спинового состояния могут изменить физические свойства минерала без изменения его основной кубической кристаллической структуры.С химической точки зрения ферропериклаз относится к оксидной системе MgO–FeO. При достаточно окислительных условиях некоторое железо может находиться в более высокой степени окисления или ферропериклаз может существовать совместно с другими оксидами железа и силикатными минералами. Следовательно, фактическая химия образца зависит от его среды формирования и последующей геологической истории. Количественный химический анализ необходим для определения соотношения Mg/Fe и выявления незначительных элементарных замещений.
Типы и разновидности ферропериклаза
Ферропериклаз не имеет широко признанных разновидностей, основанных на цвете или внешнем виде. Вместо этого естественные материалы обычно различаются по химическому составу, особенно по относительному содержанию магния и железа. Поскольку Mg²⁺ и Fe²⁺ могут заменять друг друга в одном и том же структурном сайте, образцы могут показывать значительные колебания состава, сохраняя при этом ту же кубическую кристаллическую структуру.
- Богатый магнием ферропериклаз: Fe²⁺ присутствует как вспомогательный компонент, при этом магний остается доминирующим двувалентным катионом. Эти составы приближаются к конечному члену периклаза, MgO.
- Средний ферропериклаз: Магний и железо встречаются в значительных количествах, образуя составы между периклазом и вюститом. Физические свойства, такие как плотность и размеры элементарной ячейки, изменяются в зависимости от соотношения Mg:Fe.
- Богатый железом ферропериклаза: Железо представляет большую долю содержания дивалентных катионов, и состав приближается к FeO-богатой стороне системы MgO–FeO.
- Составы периклаза-ферропериклаза: Пробы, близкие к конечному члену MgO, могут содержать относительно небольшие количества Fe²⁺. Их классификация зависит от химического состава, определенного анализом, а не от визуального внешнего вида.
- Ферропериклаз в высоконапряженных ассоциациях: Материал, встречающийся в глубинных породах или минеральных включениях, может иметь состав, влияемый давлением, температурой, фугитивностью кислорода и окружающей минеральной ассоциацией. Эти геологические различия не обязательно представляют собой отдельные разновидности минералов.
Цвет не должен использоваться как основа для различия этих композиционных типов. Химический анализ необходим для определения относительных количеств магния и железа, тогда как рентгено-дифракционный анализ и другие структурные методы могут использоваться для подтверждения кубической структуры и характеристики изменений, связанных с составом.
Где находится ферропериклаз?
Ферропериклаз в основном связан с высоконапорными геологическими средами, а не с обычными поверхностными породами. Естественные проявления были зарегистрированы в глубинных минеральных ассоциациях, включая ферропериклаз, сохранённый в виде включений внутри алмазов. В этих условиях минерал может оставаться заключённым внутри хостового алмаза во время транспортировки с глубины к поверхности Земли, позволяя изучить его состав и кристаллическую структуру после того, как порода достигает более мелких условий.
Ферропериклаз также связан с метаморфическими породами высокого давления, в которых фазы оксида магния и железа становятся стабильными при повышенном давлении и температуре. Его присутствие зависит от химического состава породы, а также от условий давления, температуры и активности кислорода во время минералообразования или последующего равновесия. Он может присутствовать вместе с высокопрессовыми силикатными минералами, другими оксидами и минералами, содержащими магний и железо.
Минерал особенно связан с глубокими ассоциациями мантии. При условиях, соответствующих нижней мантии Земли, ферропериклаз может сосуществовать с высокодавленными магниево-железными силикатными фазами. Его устойчивость и состав могут меняться с глубиной, поскольку увеличивающееся давление влияет на распределение железа и магния между сосуществующими минералами. Температура и активность кислорода также могут влиять на соотношение Fe/Mg и окислительное состояние железа в ассоциации.
Естественные образцы обычно малы и могут встречаться в виде включений, тонкозернистых агрегатов или изолированных зерен в высокопрессионных породах. В связи с этим ферропериклаз часто изучают с помощью микропробоаналитических методов, а не традиционного исследования на руках. Электронно-микроанализный анализ может определить соотношение Mg/Fe, тогда как рентгено-дифракционный анализ, рамановская спектроскопия и другие методы могут предоставить информацию о его кристаллической структуре и физическом состоянии.
Как определить ферропериклаз
Ферропериклаз может быть сложно определить по внешнему виду, поскольку природные образцы часто имеют мелкозернистую структуру, темный цвет или находятся внутри других минералов. Его состав также перекрывается с другими фазами оксида Mg–Fe, особенно периклазом и вюститом. Поэтому надежная идентификация требует информации как о химическом составе, так и о кристаллической структуре, а не только на основе цвета, блеска или формы зерна.
Химический анализ является одним из основных методов, используемых для характеристики ферропериклаза. Электронно-микроаналитический анализ позволяет определить концентрации магния и железа и установить соотношение Mg/Fe отдельной зерна. Дополнительные элементы также могут быть измерены для выявления незначительных замещений. Поскольку отношение Fe/Mg может значительно варьироваться, количественный анализ особенно полезен для различения ферропериклаза от составов, ближе к конечным членам периклаза или вюстита.
Рентгеновская дифракция может использоваться для подтверждения характерной кубической структуры минерала. Замещение Fe²⁺ на Mg²⁺ влияет на размеры элементарной ячейки, поэтому измеренные параметры решетки могут предоставить дополнительную информацию о составе. Однако структурные параметры также зависят от давления, температуры и физического состояния образца, особенно когда материал, образовавшийся при высоком давлении, исследуется после восстановления. Рамановская спектроскопия и другие спектроскопические методы могут предоставить дополнительную информацию о структурном и химическом состоянии минерала, особенно когда доступные зерна очень маленькие. Для ферропериклаза, сохраненного в виде включения в алмазе или другом основном минерале, неконтактные аналитические методы могут быть особенно полезны, так как включение может быть всего несколько микрометров в поперечнике.
Основные минералы и фазы, которые могут потребовать отличия от ферропериклаза, включают перикласс и вюстит. Периклаз представляет собой конечный член, богатый MgO, а вюстит представляет собой конечный член, богатый FeO, в системе оксидов Mg-Fe. Поскольку эти фазы имеют близкие структуры и составы, различие не всегда можно надежно определить по визуальным признакам. Поэтому при идентификации естественной пробы следует учитывать химический состав, кристаллографические данные и геологическую среду.
Применение и использование ферропериклазы
Ферропериклаз не имеет установленного использования в качестве промышленного сырья, драгоценного камня или декоративного минерала. Естественный материал обычно встречается в виде мелких зерен, минеральных включений или компонентов высокого давления минеральных ассоциаций, а не как материал, извлекаемый для коммерческого применения. Переменная состав и типичное геологическое расположение ограничивают его использование как традиционного минерального товара.
Основные применения ферропериклаза связаны с минералогическими и экспериментальными исследованиями. Естественные образцы могут быть проанализированы для изучения химических взаимосвязей между магнием и железом в оксидных минералах и определения того, как эти элементы распределены среди сопутствующих высокодавленных фаз. Композиционные данные из ферропериклаза также могут быть объединены с информацией из связанных минералов для изучения условий давления, температуры и кислорода при образовании минералов.
Ферропериклаз также изучается экспериментально, поскольку его свойства изменяются при сжатии. Исследования часто изучают влияние давления и температуры на его кристаллическую структуру, плотность, упругость и электронное состояние железа. Изменение состояния высокого спина на низкое спины Fe²⁺ под действием давления является важной частью его поведения в условиях глубокой Земли и может влиять на несколько измеряемых физических свойств.
В исследованиях алмазов и других материалов глубинного происхождения включения ферропериклазы могут предоставить информацию о условиях, пережитых оболочкой минерала на глубине. Поскольку отдельные включения могут быть чрезвычайно маленькими, аналитические методы, такие как электронная микроскопия, электронно-микроаналитический анализ, рентгеновская дифракция, рамановская спектроскопия и другие спектроскопические методы, обычно используются вместо традиционного испытания образцов.