Ferroperiklas är en magnesium-järnoxid-mineral med en sammansättning som vanligtvis representeras av (Mg,Fe)O. Den tillhör periklasgruppen och bildar en fast lösningsserie mellan magnesiumrik periklas, MgO, och järnrik wüstit, FeO. I sin struktur ersätter Fe²⁺ Mg²⁺ på ekvivalenta tvåvärdiga kationssidor, vilket gör att sammansättningen kan variera beroende på de relativa andelarna av magnesium och järn. Namnet ferroperiklas används vanligtvis för järnhaltiga medlemmar i detta system, särskilt sammansättningar där magnesium fortfarande är en huvudkomponent.
Ferroperiklas kristalliserar i kubiskt kristallsystem och har samma grundläggande struktur som periklas. Dess sammansättning och fysiska egenskaper kan förändras kraftigt med ökad järnhalt. Eftersom Mg²⁺ och Fe²⁺ har olika jonradier påverkar järnsubstitution parametrar som enhetscellsdimensioner, densitet, optiska egenskaper och elastiskt beteende. Mineralet är vanligtvis mörkgrått, brunaktigt, gröngulgrått eller nästan svart, även om dess utseende kan variera beroende på sammansättning, kornstorlek, inlänkningar och förändring.
Naturlig ferroperiklas är främst kopplad till högtrycksgeologiska miljöer. Den har identifierats i vissa metamorfa bergarter som bildades under extremt höga tryckvillkor och som innehåll i diamanter som uppstått vid betydande djup inom jorden. Ferroperiklas erkänns också som en mineralfas som kan förekomma under tryck- och temperaturvillkor i den nedre manteln. Dess förekomst i dessa miljöer speglar stabiliteten hos Mg–Fe-oxiderna under villkor som är väsentligt olika från jordens yta.
Sammansättningen av ferroperiklas är inte nödvändigtvis fast vid en enda Mg:Fe-kvot. Istället kan magnesium och järn ersätta varandra över ett omfång av sammansättningar, och den exakta kemiska sammansättningen beror på den geologiska miljö där mineralet bildades. I naturliga prov kan även mindre element förekomma genom ytterligare ersättningar. Därför beskrivs ferroperiklas bäst med dess kemiska sammansättning tillsammans med dess strukturella egenskaper snarare än bara genom färg.
Historia och upptäckt av ferroperiklas
Ferroperiklas behandlas inte allmänt som en mineralart med en enskild fast sammansättning på samma sätt som periklas eller wüstit. Namnet syftar på järdehållande material inom MgO–FeO fasta lösningssystemet. Förhållandet mellan magnesiunrik periklas och järderik wüstit har länge varit känt genom experimentella studier av Mg–Fe–O-systemet, medan naturligt förekommande ferroperiklas har därefter identifierats i hötrycksgeologiska material.
Den mineralogiska skillnaden bygger främst på kemisk sammansättning och kristallstruktur snarare än färg eller yttre utseende. Periklas har den ideala sammansättningen MgO, medan wüstit har den ideala sammansättningen FeO. Mellan dessa ändmedel kan Mg²⁺ och Fe²⁺ ersätta varandra i samma strukturella position. Ferroperiklas representerar därför en järnhaltig, magnesiumdominerad sammansättning inom detta bredare oxid-system. Naturlig ferroperiklas har rapporterats från flera högtrycksformer. En av de bättre kända förekomsterna är som mineralinnehåll i diamanter, där inneslutningsassemblen kan bevara mineraler som bildades eller uppnådde jämvikt vid djup inom jordens mantel. Ferroperiklas har också identifierats i högtrycksmetamorfa material och andra geologiska miljöer där tryck och temperaturvillkoren möjliggör stabiliteten hos Mg-järnoxider.
Sammansättningen av ferroperiklas kan ge information om de förhållanden under vilka ett enskilt prov bildades eller senare ekviperade. De relativa proportionerna av magnesium och järn påverkas av temperatur, tryck, syrefugacitet och sammansättningen i den omgivande mineralassemblen. Därför krävs normalt kemisk analys för att noggrant karaktärisera ferroperiklas, särskilt när det gäller att skilja den från kompositionellt relaterade medlemmar i periklas–wüstit-systemet.
Formation och geologisk förekomst av ferroperiklas
Ferroperiklas bildas under förhållanden där magnesium och järn förekommer tillsammans i ett syrerik system och tryck-temperaturförhållandena gynnar stabiliteten i den kubiska Mg-järnoxidstrukturen. Dess sammansättning styrs av proportionerna mellan Mg och Fe som finns tillgängliga vid bildningen, samt av temperatur, tryck och syrefugacitet. Under reducerande förhållanden finns järn vanligtvis främst som Fe²⁺, vilket gör att det kan ersätta direkt Mg²⁺ i periklasstrukturen. Förändringar i syrefugacitet kan ändra andelen järn som finns som Fe²⁺ eller Fe³⁺ och kan därför påverka stabiliteten och sammansättningen av oxidassemblen.
I högtrycksmetamorfa miljöer kan ferroperiklas utvecklas genom reaktioner som involverar Mg-rika silikatmineral och järthaltiga faser. Vid tillräckligt höga tryck kan mineral som är stabila vid lägre nivåer i krusten och övre manteln omvandlas till sammanställningar som innehåller ferroperiklas. Därför beror dess närvaro inte bara på bulk-bergartens sammansättning utan också på den tryck-temperaturbana som bergarten har utsatts för. Kornstorlek kan variera från mikroskopiska kristaller till inlänkningar som är inneslutna inom andra mineral, beroende på den geologiska miljön.
Ferroperiklas är också känt från diamanter som bildades vid betydande djup inom jorden. När ferroperiklas förekommer som en inneslutning omgiven av en diamant kan den omgivande diamanten skydda inneslutningen från senare förändring under dess transport mot ytan. Sådana inneslutningar kan bevara kemisk och strukturell information om den högtrycks miljö där de bildades eller jämviktade. I dessa prov förekommer ferroperiklas ofta tillsammans med andra mineraler som är typiska för djupa mantelassembler.
Mineralet kan också förekomma i experimentellt producerade högtryckssammanställningar, där kontrollerat tryck, temperatur och syre fugacitet används för att undersöka MgO–FeO-systemet. Experimentella studier visar att sammansättning och fysiska egenskaper hos ferroperiklas ändras med tryck, temperatur och järnhalt. Dessa samband är användbara vid tolkning av naturliga prov, särskilt de från högtrycksbergarter och djupursprungliga mineralinnehåll.
Kristallstruktur av ferroperiklas
Ferroperiklas har den kubisk kristallstruktur karakteristika för periklas–wüstit-systemet. Dess struktur bygger på den saltsten- eller NaCl-typiska uppställningen, där syreanioner bildar ett tätt packat ramverk och tvåvärdiga kationer upptar oktahedriska koordinerade platser mellan dem. Magnesium och järn är fördelade över samma kristallografiska kationplats, så strukturen kan ta emot förändringar i Mg:Fe-förhållande utan att kräva en annan grundläggande strukturell struktur.
Den idealiserade strukturen kan därför beskrivas som en rad med Mg²⁺- och Fe²⁺-kationer omgiven av sex syreatomer. Varje syreatom är också koordinerad av sex närliggande divalenta kationer. Ersättningen av Fe²⁺ med Mg²⁺ förändrar de genomsnittliga dimensionerna i strukturen eftersom Fe²⁺ har en större jonradie än Mg²⁺. När järnhalten ökar ökar enhetscellens parameter och densiteten generellt, medan andra fysiska och elastiska egenskaper också förändras enligt sammansättningen.
Trycket har en betydande effekt på den strukturella beteendet hos ferroperiklas. Vid tryck som är relevanta för jordens nedre mantel förblir den järnhaltiga oxiden i den kubiska strukturen, men den elektroniska tillståndet för järn kan förändras. Särskilt kan Fe²⁺ genomgå en tryckinducerad hög-spin till låg-spin övergång. Denna förändring innebär arrangementen av elektroner i järnjonen snarare än en förändring i den totala kristallsymmetrin, men den kan påverka mineralens volym, densitet, elasticitet och andra fysikaliska egenskaper.
Fördelningen och den elektriska beteendet hos järn i ferroperiklas kan också variera med temperatur, tryck och sammansättning. Dessa faktorer påverkar förhållandet mellan kristallgretet och de fysiska egenskaperna som mäts i naturliga eller experimentellt framställda prov. Konsekvent är strukturstudier av ferroperiklas vanligtvis både dess Mg–Fe-sammansättning och tryck–temperaturvillkoren under vilka mineralet bildades eller kom till jämvikt.
Fysiska och kemiska egenskaper hos ferroperiklas
Ferroperiklas beskrivs vanligtvis som en mörk grå, brungrå, gröngrej eller svart mineral, även om dess utseende varierar med järnhalten, kornstorlek, föroreningar och provets tillstånd. Eftersom naturlig ferroperiklas förekommer ofta som små korn eller mineralinnehåll är välutvecklade makroskopiska kristaller ovanliga. Dess glans är vanligtvis glasartad till delvis metallisk, och dess genomskinlighet varierar från halvgenomskinlig till opak beroende på kornens tjocklek och sammansättning.
Den kemiska sammansättningen av ferroperiklas kan uttryckas i grova drag som (Mg,Fe)Omed Mg²⁺ och Fe²⁺ som upptar den huvudsakliga divalenta kationssidan. Den relativa mängden järn är variabel snarare än fast, och denna sammansättningsvariation orsakar en kontinuerlig förändring i flera fysikaliska egenskaper mellan magnesiumrika och järnrika sammansättningar. Mindre element kan också förekomma genom ytterligare substitutioner, särskilt i naturliga prov som bildats under komplexa geologiska förhållanden.
Densiteten hos ferroperiklas ökar vanligtvis med ökad järnhalt eftersom Fe²⁺ är tungare än Mg²⁺ och har en större jonradie. Enhetscellens dimensioner ökar också tendentiellt när Fe²⁺ ersätter Mg²⁺. Dessa samband ger användbara kompositionssignaler när ferroperiklas studeras med röntgendiffraktion eller andra analytiska metoder. Dock kan tryck och temperatur också påverka mätta strukturella parametrar, så komposition bör inte dras från en enda fysisk egenskap utan att beakta de geologiska förhållandena.
Ferroperiklas har en hög smältpunkt och är stabil över ett brett omfång av tryck- och temperaturvillkor. Dess fysiska egenskaper påverkas starkt av tryck, särskilt i de högtrycksomgivningar där naturliga exempel förekommer. Elasticitetsegenskaper, densitet, elektriskt beteende och andra mätbara egenskaper kan förändras med både järnkoncentration och tryck. Beteendet hos Fe²⁺ vid kompression är särskilt viktigt eftersom förändringar i dess elektroniska spinstillstånd kan ändra den minerals fysiska egenskaper utan att ändra dess grundläggande kubiska kristallstruktur. Från kemisk synpunkt tillhör ferroperiklas MgO–FeO oxid-systemet. Under tillräckligt oxiderande villkor kan något järn förekomma i ett högre oxidationstillstånd eller så kan ferroperiklas finnas tillsammans med andra järnoxider och silikatmineraler. Därför beror den faktiska kemien i ett naturligt prov på dess bildningsmiljö och efterföljande geologiska historia. Kvantitativ kemisk analys är därför nödvändig för att bestämma Mg/Fe-förhållandet och identifiera mindre elementära substitutioner.
Typer och varianter av ferroperiklas
Ferroperiklas har inte en väl etablerad uppsättning officiellt erkända varieteter baserat på färg eller utseende. Istället skiljer man naturligt förekommande material ofta åt genom dess kemiska sammansättning, särskilt de relativa proportionerna av magnesium och järn. Eftersom Mg²⁺ och Fe²⁺ kan ersätta varandra inom samma strukturell plats kan prover visa betydande sammansättningsskillnader samtidigt som de behåller samma kubiska kristallstruktur.
- Magnesiumrik ferroperiklas: Fe²⁺ finns som en underordnad komponent, med magnesium kvar som dominerande tvåvärt kation. Dessa sammansättningar närmar sig periklas-ändmedlet, MgO.
- Mittelförnämlig ferrorperiklas: Magnesium och järn förekommer i betydande proportioner, vilket ger sammansättningar mellan periklas och wüstit. Fysiska egenskaper som densitet och enhetscellsdimensioner varierar enligt Mg:Fe-förhållande.
- Järnrik ferroperiklas: Järn utgör en större andel av innehållet i divalenta kationer, och sammansättningen närmar sig FeO-rika sidan av MgO–FeO-systemet.
- Periklas–ferroperiklas sammansättningar: Prov som är nära MgO-ändmedlet kan innehålla relativt små mängder Fe²⁺. Deras klassificering beror på den kemiska sammansättningen som fastställs genom analys och inte på visuell utseende.
- Ferroperiklas i högtrycksassembler: Material som förekommer i djupursprungsklart eller mineralinnehåll kan ha sammansättningar som påverkas av tryck, temperatur, syrefugasitet och den omgivande mineralassemblen. Dessa geologiska skillnader representerar inte nödvändigtvis separata mineralformer.
Färg bör inte användas som huvudsaklig metod för att skilja på dessa sammansatta typer. Kemi-analys krävs för att bestämma de relativa mängderna av magnesium och järn, medan röntgendiffraktion och andra strukturella metoder kan användas för att bekräfta kubisk struktur och karaktärisera förändringar som är kopplade till sammansättningen.
Var finns Ferroperiklas?
Ferroperiklas är främst kopplad till högtrycksgeologiska miljöer snarare än vanliga ytskiffer. Naturliga förekomster har dokumenterats i djupursprungsmineraliska sammanställningar, inklusive ferroperiklas som bevarats som inlåsningar inom diamanter. I dessa miljöer kan mineralet förbli inneslutet i den värdande diamanten under transport från djupet mot jordens yta, vilket gör det möjligt att undersöka dess sammansättning och kristallstruktur efter att värdskämet når lägre djup.
Ferroperiklas är också kopplad till högtrycks metamorfa bergarter där Mg–Fe oxidfaser blir stabila vid ökad tryck och temperatur. Dess förekomst beror på den totala kemiska sammansättningen i bergarten samt tryck, temperatur och syrefugacitetsvillkor under bildning av mineralen eller senare jämvikt. Den kan förekomma tillsammans med högtrycks silikatmineraler, andra oxider och mineraler som innehåller magnesium och järn.
Mineralen är särskilt kopplad till djupa mantelassembler. Under förhållanden som motsvarar jordens undermantel kan ferroperiklas samexistera med högtrycks magnesium-järn-silikatfas. Dess stabilitet och sammansättning kan ändras med djupet eftersom ökad tryck påverkar fördelningen av järn och magnesium mellan samexisterande mineraler. Temperatur och syrefugacitet kan också påverka Fe/Mg-förhållandet och oxidationstillståndet hos järnet i assemblagen.
Naturliga prov är ofta små och kan förekomma som inneslutningar, finkorniga aggregationar eller ensamma korn inom högtrycksbergarter. Därför studeras ferropericlase ofta med mikroanalysmetoder snarare än traditionell handprovundersökning. Elektronmikroprobanalys kan bestämma dess Mg/Fe-förhållande, medan röntgendiffraktion, Raman-spektroskopi och andra metoder kan ge information om dess kristallstruktur och fysiska tillstånd.
Hur man identifierar ferroperiklas
Ferroperiklas kan vara svår att identifiera utifrån utseende ensamt eftersom naturliga prov är vanligtvis finkorniga, mörkfärgade eller inneslutna inom andra mineraler. Dess sammansättning överlappar också andra Mg–Fe oxidfaser, särskilt periklas och wüstit. En pålitlig identifikation kräver därför information om både kemisk sammansättning och kristallstruktur snarare än att bara förlita sig på färg, glans eller kornmorfologi.
Kemisk analys är en av de primära metoderna som används för att karaktärisera ferroperiklas. Elektronmikropipanalys kan bestämma koncentrationerna av magnesium och järn och fastställa Mg/Fe-förhållandet i en ensam korn. Ytterligare element kan också mätas för att identifiera mindre substitutioner. Eftersom Fe/Mg-förhållande kan variera betydligt, är kvantitativ analys särskilt användbar för att skilja ferroperiklas från sammansättningar närmare periklas eller wüstit-ändpunkten.
Röntgendiffraktion kan användas för att bekräfta den karaktäristiska kubiska strukturen hos mineralen. Ersättningen av Fe²⁺ med Mg²⁺ påverkar dimensionerna i enhetscellen, så mätta gitterparametrar kan ge ytterligare information om sammansättningen. Dock påverkas strukturella parametrar också av tryck, temperatur och fysikalisk tillstånd för provet, särskilt när material som bildats under högt tryck undersöks efter återvinning. Raman-spektroskopi och andra spektroskopiska metoder kan ge ytterligare information om mineralens strukturella och kemiska tillstånd, särskilt när de tillgängliga kornen är mycket små. För ferroperiklas som bevarats som en inneslutning i diamant eller ett annat växthuusmineral kan icke-skadande analytiska metoder vara särskilt användbara eftersom inneslutningen kanske bara är några mikrometer över.
De huvudsakliga mineral och faser som kan behöva skiljas från ferroperiklas inkluderar periklas och wüstit. Periklas representerar den MgO-rika ändmedlemmen, medan wüstit representerar den FeO-rika ändmedlemmen i Mg–Fe oxid-systemet. Eftersom dessa faser har nära relaterade strukturer och sammansättningar kan skillnaden inte alltid pålitligt göras från visuella egenskaper. Kemi, kristallografisk data och geologiskt sammanhang bör därför övervägas tillsammans vid identifiering av ett naturligt prov.
Tillämpningar och användningsområden för Ferroperiklas
Ferroperiklas har ingen etablerad användning som industriellt råmaterial, smyckenskärl eller dekorativt mineral. Naturligt material förekommer vanligtvis som små partiklar, mineralinnehåll eller komponenter i högtrycksmineralassembleringar snarare än som material som utvinns för kommersiella tillämpningar. Dess varierande sammansättning och typiska geologiska förekomst begränsar dess användning som ett konventionellt mineralvaru.
De huvudsakliga tillämpningarna av ferroperiklas är relaterade till mineralogisk och experimentell forskning. Naturliga prov kan analyseras för att undersöka de kemiska relationerna mellan magnesium och järn i oxidmineraler samt för att bestämma hur dessa element fördelas mellan samexisterande högtrycksfaser. Kompisitionella data från ferroperiklas kan också kombineras med information från kopplade mineraler för att studera tryck, temperatur och syre-villkor vid bildningen av mineraler.
Ferroperiklas studeras också experimentellt eftersom dess egenskaper förändras vid kompression. Forskning undersöker ofta effekterna av tryck och temperatur på dess kristallstruktur, densitet, elasticitet och den elektroniska tillståndet hos järn. Förändringen mellan högspinn och lågspinnstillstånd hos Fe²⁺ som orsakas av tryck är en viktig del av dess beteende under djupjordvillkor och kan påverka flera mätbara fysiska egenskaper.
I studier av diamanter och andra material från djupet kan inlåsningar av ferroperiklas ge information om de förhållanden som den värdande mineralet utsattes för i djupet. Eftersom enskilda inlåsningar kan vara extremt små används analytiska tekniker som elektronmikroskopi, elektronmikroprovanalys, röntgendiffraktion, ramanspektroskopi och andra spektroskopiska metoder vanligtvis istället för konventionell provbaserad undersökning.