Krotit là một khoáng chất oxit canxi–nhôm tự nhiên với công thức hóa học lý tưởng CaAl₂O₄Nó được phân loại là một khoáng chất oxit và chủ yếu được biết đến từ các khối trong suốt giàu canxi-aluminium trong các meteorit carbonat thô sơ. Khác với hầu hết các khoáng chất thông thường trên Trái Đất, Krotite thường hiện diện dưới dạng hạt vi mô được nhúng trong meteorit chứ không phải là tinh thể lớn, riêng lẻ.
Công thức lý tưởng chứa một nguyên tử canxi, hai nguyên tử nhôm và bốn nguyên tử oxi. Thành phần lý thuyết của nó khoảng 25,4% khối lượng canxi, 34,1% khối lượng nhôm và 40,5% khối lượng oxi. Được biểu diễn dưới dạng oxit, thành phần tương ứng khoảng 35,5% khối lượng CaO và 64,5% khối lượng Al₂O₃. Các hạt tự nhiên có thể chứa các sai lệch hóa học nhỏ, nhưng khoáng chất được xác định bởi cả thành phần CaAl₂O₄ của nó và cấu trúc tinh thể đặc trưng của nó.
Krotite là dạng thấp áp suất của CaAl₂O₄. Dạng cao áp suất được gọi là dmitryivanovite. Hai khoáng chất này có cùng công thức hóa học lý tưởng nhưng có cấu trúc nguyên tử khác nhau, vì vậy chúng phải được phân biệt bằng các phương pháp tinh thể học chứ không chỉ dựa vào thành phần hóa học. Krotite cũng có mối liên hệ cấu trúc với các hợp chất canxi aluminat tổng hợp được sử dụng trong gạch chịu lửa và vữa canxi aluminat, mặc dù các aluminat canxi công nghiệp không được phân loại tự động là khoáng Krotite.
Lịch sử và Phát hiện Krotite
Krotite đã được mô tả chính thức là một khoáng chất mới vào năm 2011. Vật liệu mẫu đến từ meteorit NWA 1934, một loại chondrite carbonat thuộc nhóm CV3 được thu thập ở Bắc Phi. Khoáng chất này xuất hiện trong các khối bao gồm canxi-aluminium, thường được viết tắt là CAI. Những khối này là những thành phần chịu lửa cao nhất được bảo tồn trong các meteorit chondritic nguyên thủy.
Khoáng chất được đặt tên theo Alexander N. Krot, một chuyên gia về vũ trụ học, người nghiên cứu tập trung vào các meteorit hạt nhân, các thành phần chịu nhiệt, quá trình ngưng tụ và sự tiến hóa hóa học ban đầu của Hệ Mặt Trời. Khoáng chất này đã được Hiệp hội Khảo sát Địa chất Quốc tế phê duyệt với mã số IMA 2010-038.
Mô tả ban đầu dựa trên phân tích hóa học, kính hiển vi điện tử, tinh thể học và quan sát địa chất. Sự kết hợp này là cần thiết vì các hạt Krotite nhỏ và xuất hiện trong một tổ hợp phức tạp của oxit canxi-aluminium, silicat và các pha dễ nóng chảy khác. Một phân tích hóa học gần với CaAl₂O₄ sẽ không đủ, bởi vì một số khoáng vật liên quan có tỷ lệ nguyên tố tương tự hoặc có thể xuất hiện trong cùng một bao bọc thiên thạch.
Hình thành và Sự xuất hiện địa chất của Krotite
Các dạng Krotite hình thành trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất thấp trong môi trường hóa học có tính bền vững rất cao. Các vật thể chứa Krotite trong NWA 1934 được cho là sản phẩm của sự ngưng tụ hoặc kết tinh từ khí nóng trong đĩa khí sơ khai của hệ Mặt Trời. Các cân bằng pha cho thấy sự hình thành ở nhiệt độ khoảng 1.500 °C hoặc cao hơn trong điều kiện áp suất thấp. Những điều kiện này phù hợp với sự hình thành các chất rắn bền vững trước khi ngưng tụ của nhiều nguyên tố và khoáng chất dễ bay hơi hơn.
Canxi và nhôm là trong số những nguyên tố chính ít dễ bay hơi nhất trong đĩa khí mặt trời. Khi khí nebulas nóng nguội đi, các nguyên tố này có thể kết hợp với oxi để tạo thành oxit bền nhiệt và silicat canxi-nhôm. Do đó, krotit ghi lại giai đoạn nhiệt độ cao của sự hình thành khoáng chất xảy ra trước khi tiểu hành tinh mẹ của viên đá quý được hình thành. Sự hình thành của nó không nên bị nhầm lẫn với các quá trình núi lửa, thủy nhiệt hoặc biến chất thông thường trên Trái đất.
Trong NWA 1934, Krotite tập trung ở phần trung tâm và lớp phủ của một khối lượng canxi-aluminium giàu bất thường. Nó xuất hiện cùng với perovskite, gehlenite, hercynite, mayenite, grossite, hibonite, spinel và diopsid. Hexamolybdenum ở dạng vết cũng đã được báo cáo. Tổ hợp khoáng chất cho thấy khối lượng đã trải qua nhiều giai đoạn ngưng tụ, kết tinh, phản ứng và có thể là tan chảy một phần thay vì hình thành thông qua một phản ứng đơn giản duy nhất.
Phần bên ngoài của sự bao gồm được mô tả là có vẻ ngoài giống vỏ trứng bị nứt hoặc "trứng nứt". Một số vết nứt được lấp đầy bởi hydroxit sắt và nhôm. Những khoáng chất ngậm nước này được giải thích là sản phẩm của quá trình phong hóa trên Trái Đất đã xảy ra sau khi thiên thạch đến Trái Đất. Chúng không được coi là sản phẩm ban đầu của môi trường đĩa khí mặt trời. Sự phân biệt này rất quan trọng vì quá trình phong hóa có thể làm thay đổi các ranh giới và bề mặt của các hạt Krotite ban đầu.
Cấu trúc tinh thể của Krotite
Krotite kết tinh trong hệ tinh thể đơn giản. Nhóm không gian được báo cáo là P2₁/n, số nhóm không gian 14. Các tham số tế bào đơn vị xác định cho vật liệu kiểu là khoảng a = 8,6996 (3) Å, b = 8,0994(3) Å, c = 15,217(1) Å, và β = 90,188(6)°. Ôn thể chứa mười hai đơn vị công thức, được biểu diễn dưới dạng Z = 12, và có thể tích tính toán khoảng 1.071 ų.
Cấu trúc có thể được mô tả một cách tổng quát là một khung bị chi phối bởi các khối đa diện nhôm-oxy, đặc biệt là các tứ diện AlO₄, với canxi chiếm các vị trí cấu trúc lớn hơn trong khung. Sự sắp xếp này không tương đương với cấu trúc spinel, dù công thức hóa học có mối quan hệ hóa trị chung là một cation hai hóa trị với hai cation ba hóa trị và bốn nguyên tử oxy.
Sự khác biệt giữa Krotite và dmitryivanovite là cấu trúc chứ không phải thành phần. Cả hai pha đều có công thức CaAl₂O₄, nhưng chúng ổn định dưới các điều kiện áp suất khác nhau và có cách sắp xếp nguyên tử khác nhau. Krotite đại diện cho dạng áp suất thấp, trong khi dmitryivanovite liên quan đến điều kiện áp suất cao.
Vì Krotite tự nhiên tồn tại dưới dạng các hạt nhỏ được bao bọc bởi các khoáng chất khác, các mặt tinh thể bên ngoài phát triển tốt là không phổ biến. Thông tin cấu trúc do đó thường được thu thập bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ điện tử hoặc nhiễu xạ điện tử phản xạ. Các phương pháp này đặc biệt hữu ích khi các hạt quá nhỏ để phân tích tinh thể đơn thông thường.
Tính chất vật lý và hóa học của Krotite
Krotite thường được quan sát dưới dạng hạt vi mô trong các tiết diện mài hoặc tiết diện mỏng. Mô tả màu sắc và độ sáng của nó ít có giá trị chẩn đoán hơn so với hóa học và cấu trúc tinh thể của nó vì vẻ ngoài thực tế phụ thuộc vào độ dày hạt, hướng, các khoáng chất xung quanh và sự biến đổi. Vật liệu tự nhiên có thể xuất hiện không màu đến nâu nhạt dưới ánh sáng truyền qua hoặc phản chiếu, trong khi các ranh giới của từng hạt có thể khó phân biệt trong các khối lẫn lộn phức tạp.
Cứng độ Mohs được báo cáo là khoảng 6,5, và mật độ tính toán là khoảng 2,94 g/cm³. Đo mật độ trực tiếp rất khó khăn vì các hạt rất nhỏ và thường liên kết với các pha khác. Tách rời và vỡ cũng rất khó đánh giá chính xác trên từng hạt riêng lẻ do cùng lý do đó.
Thành phần hóa học lý tưởng là CaAl₂O₄. Các phân tích bằng kính hiển vi điện tử thường mong đợi tỷ lệ canxi trên nhôm gần 1:2, sau khi đã tính đến oxi và sai số phân tích. Một lượng nhỏ magie, silic, titan, sắt, natri hoặc các nguyên tố khác có thể xuất hiện ở mức vết hoặc có thể được đưa vào bởi sự nhiễm bẩn từ các khoáng chất lân cận. Các thành phần nhỏ này không tự động xác định một dạng riêng biệt của Krotite.
Krotite chỉ ổn định trong một lĩnh vực áp suất-nhiệt độ-thành phần nhất định. Ở áp suất cao hơn, CaAl₂O₄ có thể nhận cấu trúc của dmitryivanovite. Trong các điều kiện hóa học khác nhau, canxi và nhôm có thể thay vào đó hình thành grossite, hibonite, gehlenite, mayenite, perovskite hoặc các oxit và silicat canxi-aluminium khác.
Loại và Các Loại Krotite
Krotite không có các loại đá quý được công nhận chính thức hoặc các loại màu thương mại. Các danh mục sau đây mang tính mô tả chứ không phải là các phân chia khoáng chất chính thức:
- Krotit thiên thạch: Krotit tự nhiên xuất hiện trong các khối lượng canxi–nhôm giàu của các meteorit carbonaceous, bao gồm cả vật liệu mẫu từ NWA 1934.
- CaAl₂O₄ áp suất thấp: Krotite là dạng cấu trúc áp suất thấp của CaAl₂O₄.
- Quy trình áp suất cao CaAl₂O₄: Dmitryivanovite là dạng dimorph áp suất cao của CaAl₂O₄. Đó là một loài khoáng vật riêng biệt, không phải là dạng của Krotite.
- Aluminat canxi tổng hợp: Vật liệu nhân tạo CaAl₂O₄ có thể giống về mặt hóa học hoặc cấu trúc với Krotite, nhưng đây là một vật liệu nhân tạo chứ không phải hiện tượng tự nhiên.
Sự khác biệt về kích thước hạt, hàm lượng nguyên tố vết, sự biến đổi và khoáng chất liên quan có thể tạo ra các ngoại hình khác nhau trong các mẫu thiên thạch riêng lẻ. Những khác biệt này mô tả lịch sử địa chất của các hạt và không đại diện cho các giống được công nhận chính thức.
Krotite Được Tìm Thấy Ở Đâu?
Vật thể Krotite được ghi chép nhiều nhất là thành phần giàu canxi–nhôm trong khối meteorit CV3 carbonaceous NWA 1934. Meteorit này được thu hồi ở Bắc Phi, nhưng chính Krotite đã hình thành sớm hơn nhiều trong Hệ Mặt Trời, có lẽ ở một khu vực nhiệt độ cao của đĩa khí mặt trời.
Trong meteorit, Krotite chủ yếu xuất hiện ở phần trung tâm và lớp vỏ của khối phân rã nhiệt độ cao. Nó liên quan đến các khoáng chất như perovskite, gehlenite, hercynite, mayenite, grossite, hibonite, spinel và diopsid. Các khoáng chất này cùng nhau cung cấp bằng chứng cho các quá trình ngưng tụ và kết tinh ở nhiệt độ cao liên quan đến canxi, nhôm, titan, magie, silic và oxi.
Krotite không nên nhầm lẫn với một khoáng chất địa cầu đã hình thành tại nơi mà thiên thạch được thu thập. Thời gian cư trú địa cầu của thiên thạch đã ảnh hưởng đến các phần ngoài của vật thể bao gồm thông qua quá trình thủy hóa và oxy hóa, nhưng các hạt Krotite chính đã hình thành trước khi thân thiên thạch tồn tại. Không có bất kỳ địa điểm địa chất địa cầu nào được công nhận rộng rãi nào liên quan đến Krotite.
Làm thế nào để nhận biết Krotite
Krotite thường không thể được xác định bằng quan sát trực tiếp. Các hạt rất nhỏ, thường liên kết với các pha chịu lửa khác, và có thể giống với một số oxit và silicat canxi–nhôm. Do đó, kiểm tra địa chất học được sử dụng như bước đầu tiên, sau đó là phân tích hóa học và tinh thể học.
Kính hiển vi tiết diện mỏng hoặc tiết diện đánh bóng có thể làm nổi bật hình dạng hạt, mối liên hệ, sự phân tầng, các tạp chất và mối quan hệ với các khoáng vật xung quanh. Hình ảnh điện tử phản xạ trong kính hiển vi điện tử quét rất hữu ích vì các pha có số nguyên tử trung bình khác nhau tạo ra mức độ tương phản hình ảnh khác nhau. Điều này cho phép xác định các vùng giàu Krotite trước khi tiến hành phân tích định lượng.
Phân tích bằng kính hiển vi điện tử thường được sử dụng để xác định nồng độ canxi, nhôm, oxi bằng tính toán hóa học, và các nguyên tố vi lượng. Các phép phân tích nên được thực hiện ở xa biên giới hạt vì sự ô nhiễm từ gehlenite, hibonite, grossite, mayenite hoặc các khoáng chất lân cận khác có thể tạo ra một thành phần không chính xác.
Xác nhận tinh thể học là bắt buộc khi sự phân biệt giữa các pha liên quan là quan trọng. Phương pháp nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ điện tử và nhiễu xạ điện tử phản xạ có thể được sử dụng để kiểm tra cấu trúc đơn giản và tính tương thích của nó với nhóm không gian P2₁/n. Một phổ tia X phát xạ năng lượng thường không đủ, đặc biệt là khi hạt chỉ có vài micromet.
Các khoáng chất quan trọng cần phân biệt với Krotite bao gồm grossite, CaAl₄O₇; hibonite, CaAl₁₂O₁₉; và gehlenite, Ca₂Al₂SiO₇. Mayenite cũng có thể xuất hiện trong cùng các khối bao chứa chất dễ cháy. Dmitryivanovite cần được chú ý đặc biệt vì nó có cùng công thức hóa học lý tưởng như Krotite nhưng cấu trúc tinh thể khác nhau.
Ứng dụng và Sử dụng của Krotite
Krotit tự nhiên không có công dụng được xác định nào như đá quý, vật liệu trang trí, nguyên liệu công nghiệp hoặc quặng được khai thác riêng biệt. Các hạt của nó quá nhỏ và phân bố thưa thớt để khai thác thương mại. Khoáng chất này thường được nghiên cứu như một phần của các đoạn meteorit và các thành phần giàu canxi–nhôm.
Điểm quan trọng chính của nó là phân tích và cosmochemical. Các vật thể chứa krotit cung cấp thông tin về sự ngưng tụ nhiệt độ cao, hình thành khoáng chất canxi-aluminium, thành phần khí đĩa nguyên thủy, và điều kiện áp suất-nhiệt độ đã tồn tại trong giai đoạn đầu tiên của lịch sử Hệ Mặt Trời. Nó cũng cung cấp một tham chiếu tự nhiên để so sánh các pha khoáng ngoại hành tinh với canxi aluminates được tổng hợp bằng thí nghiệm.
CaAl₂O₄ tổng hợp và các aluminat canxi liên quan được sử dụng trong gốm chịu lửa, chất kết dính ở nhiệt độ cao và vữa aluminat canxi. Những ứng dụng công nghiệp này liên quan đến các vật liệu được sản xuất với thành phần và lịch sử xử lý được kiểm soát. Chúng không phải là ứng dụng thương mại trực tiếp của Krotite tự nhiên.
Krotite cũng có thể giúp phân biệt các đặc điểm nguyên thủy của đám mây khí với các thay đổi sau này. Một hạt được bảo tồn bên trong của một khối chịu lửa có thể giữ lại bằng chứng về sự hình thành ở nhiệt độ cao, trong khi các mép của nó có thể bị thay đổi bởi sự thủy hóa, oxy hóa hoặc thời tiết trên Trái Đất. Do đó, việc giải thích về khoáng vật phải xem xét cả cấu trúc tinh thể nguyên thủy và lịch sử sau này của mẫu vật.
Khoáng vật liên quan và tên gọi
Krotite thuộc về một tập hợp rộng hơn các khoáng chất canxi–nhôm chịu lửa được tìm thấy trong các thiên thạch nguyên thủy. Những khoáng chất này bao gồm hibonit, grossit, perovskit, spinel, gehlenit và mayenit. Chúng khác nhau về tỷ lệ hóa học, cấu trúc sắp xếp, thành phần anion và điều kiện ổn định.
Tên Krotite áp dụng cụ thể cho pha tự nhiên có áp suất thấp CaAl₂O₄ với cấu trúc Krotite. Nó không nên được sử dụng như một thuật ngữ chung cho mọi canxi aluminat có cùng thành phần hóa học danh nghĩa. Đặc biệt, dmitryivanovite được coi là một loài khoáng vật riêng biệt vì nó đại diện cho một dạng cấu trúc khác của CaAl₂O₄.
Tham khảo
Ma, C., Kampf, A. R., Connolly, H. C., et al. (2011). “Krotite, CaAl₂O₄, một khoáng chất chịu lửa mới từ mẫu vật NWA 1934.” American Mineralogist, 96, 709–715. https://doi.org/10.2138/am.2011.3693
Hội Khoa học Địa chất Hoa Kỳ. “Krotite.” Bách khoa về khoáng vật. PDF