أكثر

3.4: معادن السيليكات - علوم الأرض


يتم تصنيف المعادن بناءً على تكوينها وهيكلها. تتكون معادن السيليكات حول أيون جزيئي يسمى رباعي السطوح السيليكون والأكسجين. رباعي الوجوه له شكل يشبه الهرم بأربعة جوانب وأربع زوايا. تشكل معادن السيليكات أكبر مجموعة من المعادن على الأرض ، وتشكل الغالبية العظمى من قشرة الأرض ووشاحها. من بين ما يقرب من أربعة آلاف معدن معروف على الأرض ، معظمها نادر. لا يوجد سوى عدد قليل منها يشكل معظم الصخور التي من المحتمل أن تصادفها الكائنات التي تعيش على السطح مثلنا. هذه تسمى بشكل عام المعادن المكونة للصخور.

رباعي السطوح السيليكون والأكسجين (SiO4) يتكون من ذرة سيليكون واحدة في المركز وأربع ذرات أكسجين تقع في الزوايا الأربع للرباعي الوجوه. كل أيون أكسجين له شحنة -2 وأيون السيليكون له شحنة +4. يشترك أيون السيليكون في واحد من إلكترونات التكافؤ الأربعة مع كل من أيونات الأكسجين الأربعة في رابطة تساهمية لإنشاء شكل هرمي متماثل هندسي رباعي الجوانب. يتم مشاركة نصف إلكترونات تكافؤ الأكسجين فقط ، مما يعطي رباعي الوجوه السيليكون والأكسجين شحنة أيونية مقدارها -4. يشكل رباعي السطوح السيليكوني والأكسجين روابط مع العديد من التركيبات الأخرى من الأيونات لتشكيل مجموعة كبيرة من معادن السيليكات.

أيون السيليكون أصغر بكثير من أيونات الأكسجين (انظر الأشكال) ويتناسب مع مساحة صغيرة في وسط أيونات الأكسجين الأربعة الكبيرة ، انظر ما إذا كانت الكرة العلوية قد تمت إزالتها (كما هو موضح في الشكل على اليمين). نظرًا لأنه يتم مشاركة إلكترون واحد فقط من إلكترونات التكافؤ لأكسجين الزاوية ، فإن رباعي السطوح السيليكوني والأكسجين له زوايا نشطة كيميائيًا متاحة لتكوين روابط مع سليكا أخرى رباعية السطوح أو أيونات موجبة الشحنة مثل Al+3، Fe+2,+3ملغ+2، ك+1، نا+1، و Ca+2. اعتمادًا على العديد من العوامل ، مثل كيمياء الصهارة الأصلية ، يمكن أن تتحد رباعي السطوح السيليكا والأكسجين مع رباعي السطوح الأخرى في عدة تكوينات مختلفة. على سبيل المثال ، يمكن عزل رباعي السطوح أو ربطه بسلاسل أو صفائح أو هياكل ثلاثية الأبعاد. تخلق هذه التوليفات وغيرها التركيب الكيميائي الذي يمكن فيه إدخال أيونات موجبة الشحنة لتركيبات كيميائية فريدة تشكل مجموعات معدنية السيليكات.

سيليكات مغنيسيوم الحديد الداكن

عائلة الزبرجد الزيتوني

الزبرجد الزيتوني هو المكون المعدني الأساسي في صخور الوشاح مثل البريدوتيت والبازلت. إنه أخضر بشكل مميز عندما لا يتم التجوية. الصيغة الكيميائية هي (Fe، Mg)2SiO4. كما هو موضح سابقًا ، تشير الفاصلة بين الحديد (Fe) والمغنيسيوم (Mg) إلى أن هذين العنصرين يحدثان في محلول صلب. لا ينبغي الخلط بينه وبين المحلول السائل ، يحدث المحلول الصلب عندما يكون لعنصرين أو أكثر خصائص متشابهة ويمكن أن يحلوا محل بعضهم البعض بحرية في نفس الموقع في التركيب البلوري.

يشار إلى الزبرجد الزيتوني على أنه عائلة معدنية بسبب قدرة الحديد والمغنيسيوم على استبدال بعضهما البعض. يشير الحديد والمغنيسيوم في عائلة الزبرجد الزيتوني إلى محلول صلب يشكل سلسلة تركيبية داخل المجموعة المعدنية التي يمكن أن تشكل بلورات من كل الحديد كعضو طرفي واحد وجميع مخاليط الحديد والمغنيسيوم بينهما لجميع المغنيسيوم في العضو الآخر. يتم تطبيق أسماء معدنية مختلفة على التراكيب بين هذه الأعضاء النهائيين. في سلسلة معادن الزبرجد الزيتوني ، تكون أيونات الحديد والمغنيسيوم في المحلول الصلب بنفس الحجم والشحنة تقريبًا ، لذلك يمكن أن تتناسب أي من الذرتين مع نفس الموقع في البلورات النامية. داخل الصهارة المبردة ، تستمر البلورات المعدنية في النمو حتى تتصلب وتتحول إلى صخور نارية. تحدد الكميات النسبية للحديد والمغنيسيوم في الصهارة الأم المعادن الموجودة في السلسلة. العناصر النادرة الأخرى ذات الخصائص المماثلة للحديد أو المغنيسيوم ، مثل المنغنيز (Mn) ، يمكن أن تحل محل التركيب البلوري للزبرجد الزيتوني بكميات صغيرة. تؤدي هذه البدائل الأيونية في البلورات المعدنية إلى ظهور مجموعة كبيرة ومتنوعة من المعادن وغالبًا ما تكون مسؤولة عن الاختلافات في اللون والخصائص الأخرى داخل مجموعة أو عائلة من المعادن. يحتوي الزبرجد الزيتوني على عضو طرفي من الحديد النقي (يسمى fayalite) وعضو نهائي من المغنيسيوم النقي (يسمى forsterite). كيميائيًا ، الزبرجد الزيتوني هو في الغالب السيليكا والحديد والمغنيسيوم ، وبالتالي يتم تجميعه بين الحديد المغنيسيوم داكن اللون (الحديد = فيرو ، المغنيسيوم = المغنيسيوم) أو مافيك المعادن ، وهو انكماش لرموزها الكيميائية Ma و Fe. يشار أيضًا إلى معادن المافيك بالمعادن المغنيسية الحديدية ذات اللون الداكن. فيرو يعني الحديد و مغنيسيوم يشير إلى المغنيسيوم.

تم بناء الهيكل البلوري للزبرجد الزيتوني من رباعي السطوح السيليكا المستقل. تسمى المعادن ذات الهياكل المستقلة رباعية السطوح نيوسيليكات (أو سيليكات الأورثوسيليكات). بالإضافة إلى الزبرجد الزيتوني ، تشمل معادن النيوسيليكات الشائعة الأخرى العقيق والتوباز والكيانيت والزركون.

هناك ترتيبان آخران مشابهان لرباعي الأسطح قريبان في الهيكل من النيوسيليكات ويتجهان نحو المجموعة التالية من المعادن ، البيروكسين. في تباين على رباعي السطوح المستقل يسمى سوروسيليكات ، هناك معادن تشترك في أكسجين واحد بين اثنين من رباعي السطوح وتشمل معادن مثل الفستق الأخضر ، وهو حجر كريم. الاختلاف الآخر هو سيكلوسيليكات ، والتي كما يوحي الاسم ، تتكون من حلقات رباعي السطوح ، وتشمل الأحجار الكريمة مثل البريل ، الزمرد ، الزبرجد ، والتورمالين

عائلة البيروكسين

البيروكسين هي عائلة أخرى من المعادن الحديدية المغنيسية الداكنة ، وعادة ما تكون سوداء أو خضراء داكنة اللون. يمتلك أعضاء عائلة البيروكسين تركيبة كيميائية معقدة تشتمل على الحديد والمغنيسيوم والألمنيوم وعناصر أخرى مرتبطة بسيليكا متبلمر رباعي السطوح. البوليمرات هي سلاسل أو صفائح أو هياكل ثلاثية الأبعاد ، وتتكون من عدة رباعي الأسطح مرتبطة تساهميًا عبر ذرات الأكسجين الزاوية. توجد البيروكسينات بشكل شائع في الصخور البركانية مثل البيريدوتيت والبازلت والجابرو ، وكذلك الصخور المتحولة مثل الإيكلايت والشست الأزرق.

تُبنى البيروكسينات من سلاسل طويلة مفردة من السيليكا المبلمرة رباعي السطوح حيث تشترك رباعي الأسطح في اثنين من الأكسجين في الزاوية. ترتبط سلاسل السيليكا ببعضها البعض في الهياكل البلورية بواسطة الكاتيونات المعدنية. أحد الأعضاء الشائعة في عائلة البيروكسين هو الأوجيت ، الذي يحتوي في حد ذاته على العديد من سلاسل المحاليل الصلبة ذات الصيغة الكيميائية المعقدة (Ca ، Na) (Mg ، Fe ، Al ، Ti) (Si ، Al)2ا6 التي تؤدي إلى ظهور عدد من الأسماء المعدنية الفردية.

يرتبط هذا الهيكل البلوري أحادي السلسلة بالعديد من العناصر ، والتي يمكن أيضًا أن تحل محل بعضها البعض بحرية. التركيب الكيميائي المعمم للبيروكسين هو XZ (Al ، Si)2ا6. يمثل X الأيونات Na أو Ca أو Mg أو Fe ، ويمثل Z Mg أو Fe أو Al. هذه الأيونات لها أحجام أيونية متشابهة ، مما يسمح بالعديد من البدائل الممكنة فيما بينها. على الرغم من أن الكاتيونات قد تحل محل بعضها البعض في البلورة ، إلا أنها تحمل شحنات أيونية مختلفة يجب موازنتها في البنية البلورية النهائية. على سبيل المثال ، تحتوي Na على شحنة +1 ، لكن Ca بها شحنة +2. إذا كان نا+ بدائل أيون للكالسيوم+2 أيون ، فإنه يخلق شحنة غير متساوية يجب موازنتها ببدائل أيونية أخرى في مكان آخر من البلورة. لاحظ أن الحجم الأيوني أكثر أهمية من الشحنة الأيونية بالنسبة للبدائل التي تحدث في سلسلة المحاليل الصلبة في البلورات.

عائلة أمفيبول

يتم بناء معادن الأمفيبول من سلاسل السيليكا المزدوجة المبلمرة ويشار إليها أيضًا باسم inosilicates. تخيل سلسلتين من البيروكسين تتصلان ببعضهما البعض من خلال مشاركة الأكسجين الثالث على كل رباعي الوجوه. توجد الأمفيبولات عادة في الصخور النارية والمتحولة وعادة ما يكون لها نصل طويل عادة الكريستال. أمفيبول الأكثر شيوعًا ، هورنبلند ، هو عادة أسود ؛ ومع ذلك ، فإنها تأتي في مجموعة متنوعة من الألوان اعتمادًا على تركيبها الكيميائي. تتكون الصخور المتحولة ، أمفيبوليت ، بشكل أساسي من معادن أمفيبول.

تتكون الأمفيبولات من الحديد والمغنيسيوم والألمنيوم وكاتيونات أخرى مرتبطة بسيليكا رباعي السطوح. توجد هذه المعادن الحديدية المغنيسية الداكنة بشكل شائع في الجابرو والبازلت والديوريت ، وغالبًا ما تشكل البقع السوداء في الجرانيت. صيغتها الكيميائية معقدة للغاية ويتم كتابتها بشكل عام باسم (RSi4ا11)2حيث تمثل R العديد من الكاتيونات المختلفة. على سبيل المثال ، يمكن أيضًا كتابته بشكل أكثر دقة مثل AX2ض5((Si، Al، Ti)8ا22) (أوه ، ف ، كل ، يا)2. في هذه الصيغة ، قد يكون A Ca أو Na أو K أو Pb أو فارغًا ؛ X تساوي Li أو Na أو Mg أو Fe أو Mn أو Ca ؛ و Z هي Li أو Na أو Mg أو Fe أو Mn أو Zn أو Co أو Ni أو Al أو Cr أو Mn أو V أو Ti أو Zr. تؤدي البدائل إلى إنشاء مجموعة متنوعة من الألوان مثل الأخضر أو ​​الأسود أو عديم اللون أو الأبيض أو الأصفر أو الأزرق أو البني. يمكن أن تشتمل بلورات الأمفيبول أيضًا على أيونات الهيدروكسيد (OH), الذي يحدث من تفاعل بين المعادن المتنامية والمياه الذائبة في الصهارة.

صفيحة سيليكات

صُنعت سيليكات الألواح من رباعي الأسطح التي تشترك في جميع الأوكسجين الثلاثة في الزاوية السفلية ، وبالتالي تشكل صفائح من رباعي الأسطح مع زواياها العلوية المتاحة للارتباط مع الذرات الأخرى. الميكا والطين من الأنواع الشائعة لسيليكات الألواح ، والمعروفة أيضًا باسم سيليكات الصفائح. توجد معادن الميكا عادة في الصخور النارية والمتحولة ، بينما توجد معادن الميكا غالبًا في الصخور الرسوبية. اثنان من الميكا المتواجدين بشكل متكرر هما البيوتايت داكن اللون ، وكثيرًا ما يوجد في الجرانيت ، والمسكوفيت فاتح اللون ، الموجود في الصخور المتحولة التي تسمى الشست.

كيميائيًا ، تحتوي صفيحة السيليكات عادةً على السيليكون والأكسجين بنسبة 2: 5 (Si4ا10). تحتوي الميكا في الغالب على السيليكا والألمنيوم والبوتاسيوم. يحتوي Biotite mica على المزيد من الحديد والمغنيسيوم ويعتبر معدن سيليكات الحديد المغنيسي. تنتمي الميكا المسكوفيت إلى معادن السيليكات الفلسية. الفلسيك هو انكماش يتكون من الفلسبار ، المعدن المهيمن في الصخور الفلسية.

يوضح الرسم التوضيحي للهيكل البلوري للميكا ذرات الزاوية O المرتبطة بذرات K و Al و Mg و Fe و Si ، مكونة صفائح مبلمرة من رباعي الأسطح المتصلة ، مع طبقة ثماني السطوح من Fe ، Mg ، أو Al ، فيما بينها. تشكل أيونات البوتاسيوم الصفراء روابط Van der Waals (التجاذب والتنافر بين الذرات والجزيئات والأسطح) وتمسك الصفائح معًا. تختلف روابط Van der Waals عن الروابط التساهمية والأيونية ، وتوجد هنا بين السندويشات ، وتجمعها معًا في كومة من السندويشات. تعتبر روابط Van der Waals ضعيفة مقارنة بالروابط الموجودة داخل الألواح ، مما يسمح بفصل السندويشات على طول طبقات البوتاسيوم. هذا يعطي الميكا خاصيتها المميزة المتمثلة في الانقسام بسهولة في الأوراق.

تتواجد معادن الطين في الرواسب التي تكونت عن طريق تجوية الصخور وهي عائلة أخرى من معادن السيليكات ذات هيكل صفيحي رباعي السطوح. تشكل معادن الطين عائلة معقدة وهي مكون مهم للعديد من الصخور الرسوبية. تشمل صفائح السيليكات الأخرى السربنتين والكلوريت ، الموجودة في الصخور المتحولة.

تتكون معادن الطين من سيليكات الألومنيوم المائية. نوع واحد من الطين ، الكاولينيت ، له هيكل مثل شطيرة ذات وجه مفتوح ، حيث يكون الخبز عبارة عن طبقة واحدة من السيليكون والأكسجين رباعي السطوح وطبقة من الألومنيوم تنتشر في تكوين ثماني السطوح مع الأكسجين العلوي للصفائح.

سيليكات الإطار

الكوارتز والفلسبار هما أكثر المعادن وفرة في القشرة القارية. في الواقع ، الفلسبار نفسه هو أكثر المعادن وفرة في قشرة الأرض. هناك نوعان من الفلسبار ، أحدهما يحتوي على البوتاسيوم ويتوافر بكثرة في الصخور الفلزية من القشرة القارية ، والآخر يحتوي على الصوديوم والكالسيوم بكثرة في صخور المافيك في القشرة المحيطية. جنبا إلى جنب مع الكوارتز ، يتم تصنيف هذه المعادن على أنها سيليكات الإطار. إنها مبنية بإطار ثلاثي الأبعاد من السيليكا رباعي السطوح حيث يتم مشاركة جميع الأكسجين في الزوايا الأربعة مع رباعي السطوح المجاور. ضمن هذه الأطر في الفلسبار توجد ثقوب ومساحات يمكن أن تتناسب فيها الأيونات الأخرى مثل الألومنيوم والبوتاسيوم والصوديوم والكالسيوم مما يؤدي إلى ظهور مجموعة متنوعة من التركيبات المعدنية والأسماء المعدنية. عادة ما توجد في الصخور النارية ، مثل الجرانيت والريوليت والبازلت وكذلك الصخور المتحولة والصخور الرسوبية الفتاتية. وتتكون الصخور الرسوبية من جزيئات الصخور المتجمدة ميكانيكيا ، مثل الرمل والحصى. يتواجد الكوارتز بكثرة بشكل خاص في الصخور الرسوبية غير المدمرة لأنه مقاوم للغاية للتحلل بفعل العوامل الجوية.

يتكون الكوارتز من السيليكا النقية ، SiO2 مع رباعي السطوح مرتبة في إطار ثلاثي الأبعاد. تؤدي الشوائب التي تتكون من ذرات داخل هذا الإطار إلى ظهور العديد من أنواع الكوارتز ، ومن بينها الأحجار الكريمة مثل الجمشت ، وكوارتز الورد ، والسترين. يتكون الفلسبار في الغالب من السيليكا مع الألمنيوم والبوتاسيوم والصوديوم والكالسيوم. أورثوكلاز الفلسبار (KAlSi3ا8) ، ويسمى أيضًا الفلسبار البوتاسيوم أو K-spar ، وهو مصنوع من السيليكا والألمنيوم والبوتاسيوم. الكوارتز والفلسبار الأورثوكلاز من المعادن الفلزية. Felsic هو المصطلح التركيبي المطبق على المعادن والصخور البركانية القارية التي تحتوي على وفرة من الفلسبار orthoclase. الفلسبار الآخر هو بلاجيوجلاز مع الصيغة (Ca، Na) AlSi3ا8، المحلول الصلب (Ca ، Na) يشير إلى سلسلة من المعادن ، أحد طرفي السلسلة يحتوي على الكالسيوم CaAl2سي2ا8، يسمى أنورثيت ، والطرف الآخر مع الصوديوم NaAlSi3ا8، تسمى Albite. لاحظ كيف يستوعب المعدن استبدال Ca++ و نا+. المعادن في سلسلة المحاليل الصلبة هذه لها أسماء معدنية مختلفة.

لاحظ أن الألومنيوم ، الذي له حجم أيوني مماثل للسيليكون ، يمكن أن يحل محل السيليكون داخل رباعي السطوح (انظر الشكل). نظرًا لأن أيونات البوتاسيوم أكبر بكثير من أيونات الصوديوم والكالسيوم ، والتي تتشابه كثيرًا في الحجم ، فإن عدم قدرة الشبكة البلورية على استيعاب كل من البوتاسيوم والصوديوم / الكالسيوم يؤدي إلى نشوء عائلتين من الفلسبار: الأورثوكلاز والبلاجيوجلاز على التوالي. ويطلق على سيليكات الهيكل اسم تكتوسيليكات وتشمل الفلسبثويد الغنية بالمعادن القلوية والزيوليت.


21 3.4 تصنيف الصخور النارية

كما تم وصفه بالفعل ، يتم تصنيف الصخور النارية إلى أربع فئات ، بناءً على كيميائها أو تركيبها المعدني: فلزي ، وسيط ، ومافي ، وفوق الماف. يمكن استخدام الرسم البياني في الشكل 3.16 للمساعدة في تصنيف الصخور النارية من خلال تركيبها المعدني. من السمات المهمة التي يجب ملاحظتها في هذا الرسم التخطيطي الخط الأحمر الذي يفصل السيليكات غير الحديدية المغنيسية في أسفل اليسار (K-feldspar ، و quartz ، و plagioclase feldspar) عن سيليكات الحديد المغنيسي في أعلى اليمين (biotite ، amphibole ، pyroxene ، olivine ). عند تصنيف الصخور النارية المتطفلة ، فإن أول شيء يجب مراعاته هو النسبة المئوية لسيليكات المغنيسيوم الحديدي. هذا سهل نسبيًا في معظم الصخور النارية لأن المعادن الحديدية المغنيسية أغمق بشكل واضح من المعادن الأخرى. في الوقت نفسه ، من الصعب تقدير نسب المعادن في الصخر.

استنادًا إلى موضع الخط الأحمر في الشكل 3.16 ، من الواضح أن الصخور الفلزية يمكن أن تحتوي على حوالي 1٪ إلى 20٪ سيليكات الحديد والمغنيسيوم (الخط الأحمر يتقاطع مع الجانب الأيسر من المنطقة الفلزية 1٪ من المسافة من أعلى رسم بياني ، ويتقاطع مع الجانب الأيمن من المنطقة الفلسية 20٪ من المسافة من الأعلى). تحتوي الصخور الوسيطة على ما بين 20٪ و 50٪ سيليكات حديد مغنيسيوم ، وصخور المافيك تحتوي على 50٪ إلى 100٪ سيليكات حديد مغنيسي. لكي تكون أكثر تحديدًا ، تحتوي الصخور الفلسية عادةً على البيوتايت و / أو الصخور الوسيطة الأمفيبولية لها أمفيبول ، وفي بعض الحالات ، تحتوي صخور البيروكسين والمافيك على البيروكسين ، وفي بعض الحالات ، الزبرجد الزيتوني.

الشكل 3.16 مخطط تصنيف مبسط للصخور النارية بناءً على تركيباتها المعدنية [SE]

إذا ركزنا على السيليكات غير الحديدية ، فمن الواضح أن الصخور الفلسية يمكن أن تحتوي على من 0٪ إلى 35٪ من الفلسبار K ، ومن 25٪ إلى 35٪ كوارتز (يتراوح السمك الرأسي لحقل الكوارتز من 25٪ إلى 35٪ ) ، ومن 25٪ إلى 50٪ بلاجيوجلاز (وهذا البلاجيوجلاز سيكون غني بالصوديوم ، أو ألبيتيك). يمكن أن تحتوي الصخور المتوسطة على ما يصل إلى 25٪ كوارتز و 50٪ إلى 75٪ بلاجيوجلاز. تحتوي صخور المافيك فقط على بلاجيوجلاز (تصل إلى 50٪) ، وسيكون هذا البلاجيوجلاز غنيًا بالكالسيوم ، أو أنورثتيك.

تمارين

التمرين 3.5: النسب المعدنية في الصخور النارية

تمثل الخطوط السوداء المتقطعة في الرسم البياني أربعة صخور نارية. أكمل الجدول بتقدير النسب المعدنية للصخور الأربعة (لأقرب 10٪).

تلميح: روكس ب و د هي أسهل بداية مع هؤلاء.

يقدم الشكل 3.17 تمثيلًا تخطيطيًا لنسب المعادن الداكنة في الصخور ذات الألوان الفاتحة. يمكنك استخدام ذلك عند محاولة تقدير المحتوى المعدني للمغناطيسية الحديدية للصخور الفعلية ، ويمكنك الحصول على بعض التدريبات على القيام بذلك عن طريق إكمال التمرين 3.6.

/> الشكل 3.17 دليل لتقدير نسب المعادن الداكنة في الصخور ذات الألوان الفاتحة

تمارين

تمرين 3.6 نسب سيليكات المغنيسيوم الحديدي

تحتوي الصخور النارية الأربعة الموضحة أدناه على نسب مختلفة من سيليكات المغنيسيوم الحديدي. قدر تلك النسب باستخدام الرسوم البيانية في الشكل 3.17 ، ثم استخدم الشكل 3.16 لتحديد اسم الصخور المحتمل لكل منها.

___% ___% ___% ___%
__________ __________ __________ __________

يتم تصنيف الصخور النارية أيضًا وفقًا لقوامها. ستتم مناقشة قوام الصخور البركانية في الفصل 4 ، لذلك سنلقي نظرة هنا فقط على التركيبات المختلفة للصخور النارية المتطفلة. تحتوي جميع الصخور النارية المتطفلة تقريبًا على بلورات كبيرة بما يكفي للرؤية بالعين المجردة ، ونستخدم المصطلح phaneritic (من الكلمة اليونانية الفانيروس معنى مرئي) لوصف ذلك. عادةً ما يعني هذا أنها أكبر من حوالي 0.5 مم - سمك خط قوي مصنوع بقلم حبر جاف. (إذا كانت البلورات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن تمييزها ، وهو ما يميز معظم الصخور البركانية ، فإننا نستخدم المصطلح أباني .) الصخور المتطفلة الموضحة في الشكل 3.13 هي كلها من phaneritic ، كما هو موضح في التمرين 3.6.

بشكل عام ، يتناسب حجم البلورات مع معدل التبريد. كلما طالت المدة التي يستغرقها جسم الصهارة ليبرد ، كلما كانت البلورات أكبر. ليس من غير المألوف رؤية صخرة نارية متطفلة ذات بلورات يصل طولها إلى سنتيمتر واحد. في بعض المواقف ، خاصة في نهاية مرحلة التبريد ، يمكن أن تصبح الصهارة غنية بالمياه. إن وجود الماء السائل (لا يزال سائلاً عند درجات حرارة عالية لأنه تحت الضغط) يعزز الحركة السهلة نسبيًا للأيونات ، وهذا يسمح للبلورات بالنمو بشكل كبير ، وأحيانًا تصل إلى عدة سنتيمترات (الشكل 3.18). كما تم وصفه سابقًا ، إذا مرت الصخور النارية بعملية تبريد ذات مرحلتين ، فسيكون نسيجها بورفيريًا (الشكل 3.15).

الشكل 3.18 بيغماتيت مع ميكا وكوارتز وتورمالين (أسود) من منجم وايت إليفانت ، داكوتا الجنوبية [من http://en.wikipedia.org/wiki/Pegmatite#mediaviewer/File:We-pegmatite.jpg]


3.4: معادن السيليكات - علوم الأرض

تتكون القشرة القارية بشكل أساسي من ثمانية عناصر: O ، Si ، Al ، Fe ، Ca ، Na ، K ، Mg.

اللبنة الأساسية للسيليكات هي السيليكا رباعي الوجوه.

[شكل الدراسة 3.10 في الصفحة 56 من النص]

يمكن أن تتحد هذه رباعي السطوح في سلاسل أو صفائح أو هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة لإنتاج معادن السيليكات التي لها مجموعة متنوعة من الخصائص.

[جدول الدراسة 3.3 في الصفحة 63 من النص

مجموعات معدنية مهمة

نصنف المعادن على أساس الأنيونات الموجودة في المركبات.

المعادن في الأرض

الأرض النواة يتكون بشكل أساسي من الحديد والنيكل بكمية صغيرة من عنصر أخف ، ربما الأكسجين أو الكبريت.

ال عباءة يكاد يكون سيليكات بالكامل وغني بالمغنيسيوم. معادن الزبرجد الزيتوني والبيروكسين هي الأكثر شيوعًا ، وهي من المعادن الحاملة للألمنيوم. ثلاثة أسطر من الأدلة على الوشاح العلوي:

للأرض نوعان من قشرة - المحيطات والقارية.

تتكون القشرة المحيطية من البازلت ، نتيجة الذوبان الجزئي للوشاح. وهي غنية في Mg ، Fe ، Ca ، Al الموجودة في معادن الزبرجد الزيتوني ، البيروكسين بلاجيوجلاز الفلسبار.

قشرة قارية متنوعة وقديمة وتتكون من عناصر غير متوافقة لا تتناسب جيدًا مع المعادن المستقرة في الوشاح (K و Na). تتركز العناصر في معادن منخفضة الكثافة مثل الكوارتز والفلسبار.


3.4: معادن السيليكات - علوم الأرض

يتم توفير جميع المقالات المنشورة بواسطة MDPI على الفور في جميع أنحاء العالم بموجب ترخيص وصول مفتوح. لا يلزم الحصول على إذن خاص لإعادة استخدام كل أو جزء من المقالة المنشورة بواسطة MDPI ، بما في ذلك الأشكال والجداول. بالنسبة للمقالات المنشورة بموجب ترخيص Creative Common CC BY ذي الوصول المفتوح ، يمكن إعادة استخدام أي جزء من المقالة دون إذن بشرط الاستشهاد بالمقال الأصلي بوضوح.

تمثل الأوراق الرئيسية أكثر الأبحاث تقدمًا مع إمكانات كبيرة للتأثير الكبير في هذا المجال. يتم تقديم الأوراق الرئيسية بناءً على دعوة فردية أو توصية من قبل المحررين العلميين وتخضع لمراجعة الأقران قبل النشر.

يمكن أن تكون ورقة الميزات إما مقالة بحثية أصلية ، أو دراسة بحثية جديدة جوهرية غالبًا ما تتضمن العديد من التقنيات أو المناهج ، أو ورقة مراجعة شاملة مع تحديثات موجزة ودقيقة عن آخر التقدم في المجال الذي يراجع بشكل منهجي التطورات الأكثر إثارة في العلم. المؤلفات. يوفر هذا النوع من الأوراق نظرة عامة على الاتجاهات المستقبلية للبحث أو التطبيقات الممكنة.

تستند مقالات اختيار المحرر على توصيات المحررين العلميين لمجلات MDPI من جميع أنحاء العالم. يختار المحررون عددًا صغيرًا من المقالات المنشورة مؤخرًا في المجلة ويعتقدون أنها ستكون مثيرة للاهتمام بشكل خاص للمؤلفين أو مهمة في هذا المجال. الهدف هو تقديم لمحة سريعة عن بعض الأعمال الأكثر إثارة المنشورة في مجالات البحث المختلفة بالمجلة.


2.4 معادن السيليكات

الغالبية العظمى من المعادن التي تشكل صخور قشرة الأرض و # 8217 هي معادن السيليكات. وتشمل هذه المعادن مثل الكوارتز والفلسبار والميكا والأمفيبول والبيروكسين والزبرجد الزيتوني ومجموعة كبيرة ومتنوعة من المعادن الطينية. اللبنة الأساسية لكل هذه المعادن هي رباعي السطوح السيليكا، وهو مزيج من أربع ذرات أكسجين وذرة سيليكون واحدة. يتم ترتيبها بحيث تشكل الطائرات المرسومة عبر ذرات الأكسجين رباعي السطوح (الشكل 2.6). نظرًا لأن شحنة أيون السيليكون تبلغ +4 ولكل من أيونات الأكسجين الأربعة شحنة –2 ، فإن شحنة رباعي السطوح السيليكا لها صافي شحنة قدرها –4.

في معادن السيليكات ، يتم ترتيب هذه التتراهدرا وربطها معًا بطرق متنوعة ، من الوحدات الفردية إلى الأطر المعقدة (الشكل 2.9). أبسط هيكل سيليكات المعدن الزبرجد الزيتوني، يتكون من رباعي الأسطح معزول مرتبط بأيونات الحديد و / أو المغنيسيوم. في الزبرجد الزيتوني ، تتم موازنة شحنة -4 لكل سيليكا رباعي السطوح بمقدار اثنين ثنائي التكافؤ (أي +2) كاتيونات الحديد أو المغنيسيوم. يمكن أن يكون أوليفين إما Mg2SiO4 أو Fe2SiO4، أو مزيج من الاثنين (Mg ، Fe)2SiO4. الكاتيونات ثنائية التكافؤ للمغنيسيوم والحديد متقاربة جدًا في نصف القطر (0.73 مقابل 0.62 أنجستروم [1]). بسبب هذا التشابه في الحجم ، ولأن كلاهما كاتيونات ثنائية التكافؤ (كلاهما له شحنة +2) ، يمكن للحديد والمغنيسيوم أن يحلوا محل بعضهم البعض بسهولة في الزبرجد الزيتوني وفي العديد من المعادن الأخرى.

الشكل 2.9 التكوينات المعدنية للسيليكات. تمثل المثلثات السيليكا رباعي السطوح.
تكوين رباعي السطوح مثال المعادن
معزولة (نيزوسيليكات) زيتون ، عقيق ، زركون ، كيانيت
أزواج (سوروسيليكات) إبيدوت ، زوزيت
الحلقات (سيكلوسيليكات) التورمالين
سلاسل مفردة (inosilicates) بيروكسين ، ولاستونيت
سلاسل مزدوجة (inosilicates) أمفيبولات
صفائح (phyllosilicates) الميكا ، معادن الطين ، السربنتين ، الكلوريت
هيكل ثلاثي الأبعاد الإطار (تكتوسيليكات) الفلسبار ، الكوارتز ، الزيوليت

التمرين 2.3 اصنع رباعي السطوح

قص حول الجزء الخارجي من الشكل (خطوط صلبة وخطوط منقطة) ، ثم اطوِ على طول الخطوط الصلبة لتشكيل رباعي السطوح.

إذا كان لديك غراء أو شريط لاصق ، فقم بتثبيت الألسنة على رباعي الوجوه لتثبيتها معًا. إذا لم يكن لديك غراء أو شريط ، اصنع شريحة على طول الخط الرمادي الرفيع وأدخل اللسان المدبب في الشق.

إذا كنت تفعل ذلك في فصل دراسي ، فحاول ربط رباعي الوجوه مع الآخرين في أزواج ، وحلقات ، وسلاسل مفردة ومزدوجة ، وأوراق ، وحتى أطر ثلاثية الأبعاد.

في الزبرجد الزيتوني ، على عكس معظم معادن السيليكات الأخرى ، لا ترتبط رباعي السطوح السيليكا ببعضها البعض. ومع ذلك ، يتم ربطها بالحديد و / أو المغنيسيوم كما هو موضح في الشكل 2.10.

الشكل 2.10 رسم لبنية الزبرجد الزيتوني كما يتضح من الأعلى. يمكن كتابة الصيغة الخاصة بهذا الزبرجد الزيتوني ، الذي يحتوي على ثلاثة أيونات Fe لكل أيون Mg: Mg0.5Fe1.5SiO4.

كما لوحظ بالفعل ، فإن +2 أيونات من الحديد والمغنيسيوم متشابهة في الحجم (على الرغم من أنها ليست متشابهة تمامًا). هذا يسمح لهم أن يحلوا محل بعضهم البعض في بعض معادن السيليكات. في الواقع ، للأيونات الشائعة في معادن السيليكات مجموعة واسعة من الأحجام ، كما هو موضح في الشكل 2.11. جميع الأيونات المعروضة كاتيونات ، باستثناء الأكسجين. لاحظ أن الحديد يمكن أن يوجد على شكل أيون +2 (إذا فقد إلكترونين أثناء التأين) أو +3 أيون (إذا فقد ثلاثة). يُعرف Fe 2+ باسم حديدية حديد. يُعرف Fe 3+ باسم حديدي حديد. تعتبر أنصاف الأقطار الأيونية ضرورية لتكوين معادن السيليكات ، لذلك سنشير إلى هذا الرسم البياني مرة أخرى.

الشكل 2.11 نصف القطر الأيوني (الأحجام الفعالة) في الأنجستروم ، لبعض الأيونات الشائعة في معادن السيليكات

يظهر هيكل بيروكسين السيليكات أحادي السلسلة في الشكلين 2.12 و 2.13. في البيروكسين ، يتم ربط رباعي السطوح السيليكا معًا في سلسلة واحدة ، حيث يتم مشاركة أيون أكسجين واحد من كل رباعي الوجوه مع رباعي الوجوه المجاور ، وبالتالي يوجد عدد أقل من الأكسجين في الهيكل. والنتيجة هي أن نسبة الأكسجين إلى السيليكون أقل منها في الأوليفين (3: 1 بدلاً من 4: 1) ، والشحنة الصافية لكل ذرة سيليكون أقل (–2 بدلاً من –4) ، نظرًا لضرورة وجود عدد أقل من الكاتيونات لتحقيق التوازن بين هذه الرسوم. تكون تركيبات البيروكسين من النوع MgSiO3، FeSiO3و CaSiO3، أو مزيج من هؤلاء. يمكن أيضًا كتابة البيروكسين كـ (Mg ، Fe ، Ca) SiO3، حيث يمكن أن توجد العناصر الموجودة بين قوسين بأي نسبة. بمعنى آخر ، يحتوي البيروكسين على كاتيون واحد لكل رباعي السطوح السيليكا (على سبيل المثال ، MgSiO3) بينما يحتوي الزبرجد الزيتوني على اثنين (على سبيل المثال ، Mg2SiO4). نظرًا لأن كل أيون سيليكون هو +4 وكل أيون أكسجين يساوي -2 ، فإن الأوكسجين الثلاثة (–6) والسيليكون الواحد (+4) يعطي شحنة صافية قدرها -2 للسلسلة المفردة من السيليكا رباعي السطوح. في البيروكسين ، يوازن الكاتيون ثنائي التكافؤ (2+) لكل رباعي السطوح ما –2. في الزبرجد الزيتوني ، يتطلب الأمر اثنين من الكاتيونات ثنائية التكافؤ لموازنة –4 شحنة رباعي الوجوه المعزولة.

إن بنية البيروكسين أكثر "تساهلاً" من تلك الموجودة في الأوليفين - مما يعني أن الكاتيونات التي لها نطاق أوسع من أنصاف الأقطار الأيونية يمكن أن تتناسب معها. لهذا السبب يمكن أن تحتوي البيروكسينات على كاتيونات الحديد (نصف قطرها 0.63 Å) أو المغنيسيوم (نصف قطرها 0.72 Å) أو كاتيونات الكالسيوم (نصف قطرها 1.00).

الشكل 2.12 رسم لبنية البيروكسين. تستمر سلاسل رباعي السطوح إلى اليسار واليمين ويتخلل كل منها سلسلة من الكاتيونات ثنائية التكافؤ. إذا كانت هذه أيونات Mg ، فإن الصيغة هي MgSiO3. الشكل 2.13 رباعي السطوح واحد من السيليكا (يسار) مع أربعة أيونات أكسجين لكل أيون سيليكون (SiO4). جزء من سلسلة واحدة من رباعي السطوح (يمين) ، حيث تتقاسم ذرات الأكسجين في الزوايا المجاورة بين اثنين من رباعي السطوح (الأسهم). بالنسبة لسلسلة طويلة جدًا ، تكون النسبة الناتجة من السيليكون إلى الأكسجين من 1 إلى 3 (SiO3).

تمرين 2.4: الحرمان من الأكسجين

يمثل الرسم البياني أدناه سلسلة واحدة في معدن السيليكات. عد عدد رباعي السطوح مقابل عدد أيونات الأكسجين (الكرات الصفراء). يحتوي كل رباعي الوجوه على أيون سيليكون واحد ، لذا يجب أن يعطي هذا نسبة Si إلى O في السيليكات أحادية السلسلة (على سبيل المثال ، البيروكسين).

يمثل الرسم البياني أدناه سلسلة مزدوجة في معدن السيليكات. مرة أخرى ، احسب عدد رباعي السطوح مقابل عدد أيونات الأكسجين. يجب أن يمنحك هذا نسبة Si إلى O في سيليكات مزدوجة السلسلة (على سبيل المثال ، أمفيبول).

في أمفيبول الهياكل ، السليكا رباعي السطوح مرتبطة في سلسلة مزدوجة تحتوي على نسبة أكسجين إلى سيليكون أقل من تلك الموجودة في البيروكسين ، وبالتالي لا يزال هناك عدد أقل من الكاتيونات اللازمة لموازنة الشحنة. يعتبر الأمفيبول أكثر تساهلاً من البيروكسين ويمكن أن تكون تركيباته معقدة للغاية. يمكن أن يشتمل Hornblende ، على سبيل المثال ، على الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم والمغنيسيوم والحديد والألمنيوم والسيليكون والأكسجين والفلور وأيون الهيدروكسيل (OH -).

في الميكا الهياكل ، يتم ترتيب رباعي السطوح السيليكا في صفائح متصلة ، حيث يشترك كل رباعي السطوح في ثلاثة أنيون أكسجين مع رباعي السطوح المجاور. هناك مشاركة أكبر للأكسجين بين رباعي الأسطح المتجاورة ، وبالتالي هناك حاجة إلى عدد أقل من الكاتيونات لموازنة الشحنة لمعادن سيليكات الألواح. الترابط بين الأوراق ضعيف نسبيًا ، وهذا يفسر الانقسام أحادي الاتجاه المتطور (الشكل 2.14). البيوتايت يمكن أن تحتوي الميكا على الحديد و / أو المغنيسيوم فيه مما يجعلها مغنيسيوم حديدي معدن السيليكات (مثل الزبرجد الزيتوني والبيروكسين والأمفيبول). كلوريت هو معدن آخر مشابه يشتمل عادة على المغنيسيوم. في المسكوفيت الميكا ، الكاتيونات الوحيدة الموجودة هي الألمنيوم والبوتاسيوم ومن ثم فهي معدن سيليكات غير مغنيسيوم.

الشكل 2.14 ميكا البيوتايت (يسار) والميكا المسكوفيت (يمين). كلاهما عبارة عن صفيحة سيليكات وتنقسم بسهولة إلى طبقات رقيقة على طول المستويات الموازية للأوراق. البيوتايت داكن مثل السيليكات الأخرى الحاملة للحديد و / أو المغنيسيوم (مثل الزبرجد الزيتوني والبيروكسين والأمفيبول) ، بينما المسكوفيت فاتح اللون. (يبلغ عرض كل عينة حوالي 3 سم).

بصرف النظر عن المسكوفيت والبيوتايت والكلوريت ، هناك العديد من الأنواع الأخرى صفيحة السيليكات (أو phyllosilicates) ، والتي توجد عادةً على هيئة شظايا بحجم الطين (أي أقل من 0.004 مم). وتشمل معادن الطين الكاولين, إيليت و السميكتايت، وعلى الرغم من صعوبة دراستها نظرًا لصغر حجمها ، إلا أنها مكونات مهمة للغاية للصخور وخاصة التربة.

تحتوي جميع معادن سيليكات الألواح أيضًا على مياه في بنيتها.

يتم ربط السليكا رباعي السطوح في أطر ثلاثية الأبعاد في كل من الفلسبار و كوارتز. هؤلاء هم معادن غير حديدية مغنيسية - لا تحتوي على أي حديد أو مغنيسيوم. بالإضافة إلى السيليكا رباعي السطوح ، يحتوي الفلسبار على كاتيونات الألمنيوم والبوتاسيوم والصوديوم والكالسيوم في تركيبات مختلفة. يحتوي الكوارتز فقط على رباعي السطوح السيليكا.

الثلاثة الرئيسية الفلسبار المعادن الفلسبار البوتاسيوم، (الملقب ب. K- الفلسبار أو K-spar) ونوعين من الفلسبار بلاجيوجلاز: معدن الألبيت (صوديوم فقط) و أنورثيت (الكالسيوم فقط). كما هو الحال بالنسبة للحديد والمغنيسيوم في الزبرجد الزيتوني ، هناك مجموعة مستمرة من التركيبات (سلسلة المحاليل الصلبة) بين الألبيت والأنورثيت في بلاجيوجلاز. وذلك لأن أيونات الكالسيوم والصوديوم متطابقة تقريبًا في الحجم (1.00 Å مقابل 0.99 Å). أي تراكيب وسيطة بين CaAl2سي3ا8 و NaAlSi3ا8 يمكن أن توجد (الشكل 2.15). هذا مثير للدهشة بعض الشيء لأنه على الرغم من تشابههما في الحجم ، إلا أن أيونات الكالسيوم والصوديوم ليس لها نفس الشحنة (Ca 2+ مقابل Na +). يتم حساب هذه المشكلة عن طريق الاستبدال المقابل لـ Al 3+ لـ Si 4+. لذلك ، ألبيت هو NaAlSi3ا8 (واحد Al وثلاثة Si) بينما anorthite هو CaAl2سي2ا8 (اثنان من Al واثنين من Si) ، وفلسبار بلاجيوجلاز للتكوين الوسيط لها نسب وسيطة من Al و Si. وهذا ما يسمى "الاستبدال المزدوج".

الفلسبار ذو التركيب الوسيط بلاجيوجلاز هو أوليجوكلاز (10٪ إلى 30٪ Ca) ، أنديسين (30٪ إلى 50٪ Ca) ، لابرادوريت (50٪ إلى 70٪ Ca) ، و bytownite (70٪ إلى 90٪ Ca). K- الفلسبار (كالسي3ا8) له بنية مختلفة قليلاً عن تلك الموجودة في بلاجيوجلاز ، نظرًا للحجم الأكبر لأيون البوتاسيوم (1.37) وبسبب هذا الحجم الكبير ، لا يمكن استبدال البوتاسيوم والصوديوم ببعضهما البعض بسهولة ، إلا في درجات الحرارة المرتفعة. These high-temperature feldspars are likely to be found only in volcanic rocks because intrusive igneous rocks cool slowly enough to low temperatures for the feldspars to change into one of the lower-temperature forms.

Figure 2.15 Compositions of the feldspar minerals

في quartz (SiO2), the silica tetrahedra are bonded in a “perfect” three-dimensional framework. Each tetrahedron is bonded to four other tetrahedra (with an oxygen shared at every corner of each tetrahedron), and as a result, the ratio of silicon to oxygen is 1:2. Since the one silicon cation has a +4 charge and the two oxygen anions each have a –2 charge, the charge is balanced. There is no need for aluminum or any of the other cations such as sodium or potassium. The hardness and lack of cleavage in quartz result from the strong covalent/ionic bonds characteristic of the silica tetrahedron.

Exercise 2.5 Ferromagnesian Silicates?

Silicate minerals are classified as being either ferromagnesian or non-ferromagnesian depending on whether or not they have iron (Fe) and/or magnesium (Mg) in their formula. A number of minerals and their formulas are listed below. For each one, indicate whether or not it is a ferromagnesian silicate.

Mineral Formula Ferromagnesian Silicate?
olivine (Mg,Fe)2SiO4
pyrite FeS2
plagioclase CaAl2سي2ا8
pyroxene MgSiO3
hematite Fe2ا3
orthoclase KAlSi3ا8
quartz SiO2
Mineral Formula* Ferromagnesian Silicate?
amphibole Fe7سي8ا22(OH)2
muscovite ك2Al4 سي6Al2ا20(OH)4
magnetite Fe3ا4
biotite ك2Fe4Al2سي6Al4ا20(OH)4
dolomite (Ca,Mg)CO3
garnet Fe2Al2سي3ا12
serpentine Mg3سي2ا5(OH)4

*Some of the formulas, especially the more complicated ones, have been simplified.


Vesuvianite Varieties

The name "Californite" is used for a green massive variety of vesuvianite found in Fresno, Siskiyou, and Tulare Counties, California. It polishes to a greasy luster and has an appearance that imitates jade. Californite is cut into cabochons and used as an ornamental stone. It is sometimes called "California jade" or "American jade", which are misnomers that should be avoided.

"Cyprine" is a name used for blue idocrase that might be colored by trace amounts of copper.

"Fluorvesuvianite" is a white variety of vesuvianite in which F exceeds OH.


12 2.4 Silicate Minerals

The vast majority of the minerals that make up the rocks of Earth’s crust are silicate minerals. These include minerals such as quartz, feldspar, mica, amphibole, pyroxene, olivine, and a great variety of clay minerals. The building block of all of these minerals is the silica tetrahedron, a combination of four oxygen atoms and one silicon atom. These are arranged such that planes drawn through the oxygen atoms form a tetrahedron (Figure 2.6). Since the silicon ion has a charge of +4 and each of the four oxygen ions has a charge of –2, the silica tetrahedron has a net charge of –4.

In silicate minerals, these tetrahedra are arranged and linked together in a variety of ways, from single units to complex frameworks (Figure 2.9). The simplest silicate structure, that of the mineral olivine, is composed of isolated tetrahedra bonded to iron and/or magnesium ions. In olivine, the –4 charge of each silica tetrahedron is balanced by two divalent (i.e., +2) iron or magnesium cations. Olivine can be either Mg2SiO4 or Fe2SiO4, or some combination of the two (Mg,Fe)2SiO4. The divalent cations of magnesium and iron are quite close in radius (0.73 versus 0.62 angstroms [1] ). Because of this size similarity, and because they are both divalent cations (both have a charge of +2), iron and magnesium can readily substitute for each other in olivine and in many other minerals.

Figure 2.9 Silicate mineral configurations. The triangles represent silica tetrahedra.
Tetrahedron Configuration Example Minerals
Isolated (nesosilicates) Olivine, garnet, zircon, kyanite
Pairs (sorosilicates) Epidote, zoisite
Rings (cyclosilicates) Tourmaline
Single chains (inosilicates) Pyroxenes, wollastonite
Double chains (inosilicates) Amphiboles
Sheets (phyllosilicates) Micas, clay minerals, serpentine, chlorite
3-dimensional structure Framework (tectosilicates) Feldspars, quartz, zeolite

Exercise 2.3 Make a Tetrahedron

Cut around the outside of the shape (solid lines and dotted lines), and then fold along the solid lines to form a tetrahedron.

If you have glue or tape, secure the tabs to the tetrahedron to hold it together. If you don’t have glue or tape, make a slice along the thin grey line and insert the pointed tab into the slit.

If you are doing this in a classroom, try joining your tetrahedron with others into pairs, rings, single and double chains, sheets, and even three-dimensional frameworks.

In olivine, unlike most other silicate minerals, the silica tetrahedra are not bonded to each other. They are, however, bonded to the iron and/or magnesium as shown on Figure 2.10.

Figure 2.10 A depiction of the structure of olivine as seen from above. The formula for this particular olivine, which has three Fe ions for each Mg ion, could be written: Mg0.5Fe1.5SiO4.

As already noted, the +2 ions of iron and magnesium are similar in size (although not quite the same). This allows them to substitute for each other in some silicate minerals. In fact, the common ions in silicate minerals have a wide range of sizes, as shown in Figure 2.11. All of the ions shown are cations, except for oxygen. Note that iron can exist as both a +2 ion (if it loses two electrons during ionization) or a +3 ion (if it loses three). Fe 2+ is known as ferrous iron. Fe 3+ is known as ferric iron. Ionic radii are critical to the composition of silicate minerals, so we’ll be referring to this diagram again.

Figure 2.11 The ionic radii (effective sizes) in angstroms, of some of the common ions in silicate minerals

The structure of the single-chain silicate pyroxene is shown on Figures 2.12 and 2.13. في pyroxene, silica tetrahedra are linked together in a single chain, where one oxygen ion from each tetrahedron is shared with the adjacent tetrahedron, hence there are fewer oxygens in the structure. The result is that the oxygen-to-silicon ratio is lower than in olivine (3:1 instead of 4:1), and the net charge per silicon atom is less (–2 instead of –4), since fewer cations are necessary to balance that charge. Pyroxene compositions are of the type MgSiO3, FeSiO3, and CaSiO3, or some combination of these. Pyroxene can also be written as (Mg,Fe,Ca)SiO3, where the elements in the brackets can be present in any proportion. In other words, pyroxene has one cation for each silica tetrahedron (e.g., MgSiO3) while olivine has two (e.g., Mg2SiO4). Because each silicon ion is +4 and each oxygen ion is –2, the three oxygens (–6) and the one silicon (+4) give a net charge of –2 for the single chain of silica tetrahedra. In pyroxene, the one divalent cation (2+) per tetrahedron balances that –2 charge. In olivine, it takes two divalent cations to balance the –4 charge of an isolated tetrahedron.

The structure of pyroxene is more “permissive” than that of olivine — meaning that cations with a wider range of ionic radii can fit into it. That’s why pyroxenes can have iron (radius 0.63 Å) or magnesium (radius 0.72 Å) or calcium (radius 1.00 Å) cations.

Figure 2.12 A depiction of the structure of pyroxene. The tetrahedral chains continue to left and right and each is interspersed with a series of divalent cations. If these are Mg ions, then the formula is MgSiO3. Figure 2.13 A single silica tetrahedron (left) with four oxygen ions per silicon ion (SiO4). Part of a single chain of tetrahedra (right), where the oxygen atoms at the adjoining corners are shared between two tetrahedra (arrows). For a very long chain the resulting ratio of silicon to oxygen is 1 to 3 (SiO3).

Exercise 2.4 Oxygen Deprivation

The diagram below represents a single chain in a silicate mineral. Count the number of tetrahedra versus the number of oxygen ions (yellow spheres). Each tetrahedron has one silicon ion so this should give the ratio of Si to O in single-chain silicates (e.g., pyroxene).

The diagram below represents a double chain in a silicate mineral. Again, count the number of tetrahedra versus the number of oxygen ions. This should give you the ratio of Si to O in double-chain silicates (e.g., amphibole).

في amphibole structures, the silica tetrahedra are linked in a double chain that has an oxygen-to-silicon ratio lower than that of pyroxene, and hence still fewer cations are necessary to balance the charge. Amphibole is even more permissive than pyroxene and its compositions can be very complex. Hornblende, for example, can include sodium, potassium, calcium, magnesium, iron, aluminum, silicon, oxygen, fluorine, and the hydroxyl ion (OH – ).

في mica structures, the silica tetrahedra are arranged in continuous sheets, where each tetrahedron shares three oxygen anions with adjacent tetrahedra. There is even more sharing of oxygens between adjacent tetrahedra and hence fewer charge-balancing cations are needed for sheet silicate minerals. Bonding between sheets is relatively weak, and this accounts for the well-developed one-directional cleavage (Figure 2.14). Biotite mica can have iron and/or magnesium in it and that makes it a ferromagnesian silicate mineral (like olivine, pyroxene, and amphibole). Chlorite is another similar mineral that commonly includes magnesium. في muscovite mica, the only cations present are aluminum and potassium hence it is a non-ferromagnesian silicate mineral.

Figure 2.14 Biotite mica (left) and muscovite mica (right). Both are sheet silicates and split easily into thin layers along planes parallel to the sheets. Biotite is dark like the other iron- and/or magnesium-bearing silicates (e.g., olivine, pyroxene, and amphibole), while muscovite is light coloured. (Each sample is about 3 cm across.)

Apart from muscovite, biotite, and chlorite, there are many other sheet silicates (or phyllosilicates), which usually exist as clay-sized fragments (i.e., less than 0.004 mm). These include the clay minerals kaolinite, illite, و smectite, and although they are difficult to study because of their very small size, they are extremely important components of rocks and especially of soils.

All of the sheet silicate minerals also have water in their structure.

Silica tetrahedra are bonded in three-dimensional frameworks in both the feldspars و quartz. These are non-ferromagnesian minerals — they don’t contain any iron or magnesium. In addition to silica tetrahedra, feldspars include the cations aluminum, potassium, sodium, and calcium in various combinations. Quartz contains only silica tetrahedra.

The three main feldspar minerals are potassium feldspar, (a.k.a. K-feldspar or K-spar) and two types of plagioclase feldspar: albite (sodium only) and anorthite (calcium only). As is the case for iron and magnesium in olivine, there is a continuous range of compositions (solid solution series) between albite and anorthite in plagioclase. This is because the calcium and sodium ions are almost identical in size (1.00 Å versus 0.99 Å). Any intermediate compositions between CaAl2سي3ا8 and NaAlSi3ا8 can exist (Figure 2.15). This is a little bit surprising because, although they are very similar in size, calcium and sodium ions don’t have the same charge (Ca 2+ versus Na+). This problem is accounted for by corresponding substitution of Al 3+ for Si 4+ . Therefore, albite is NaAlSi3ا8 (one Al and three Si) while anorthite is CaAl2سي2ا8 (two Al and two Si), and plagioclase feldspars of intermediate composition have intermediate proportions of Al and Si. This is called a “coupled-substitution.”

The intermediate-composition plagioclase feldspars are oligoclase (10% to 30% Ca), andesine (30% to 50% Ca), labradorite (50% to 70% Ca), and bytownite (70% to 90% Ca). K-feldspar (KAlSi3ا8) has a slightly different structure than that of plagioclase, owing to the larger size of the potassium ion (1.37 Å) and because of this large size, potassium and sodium do not readily substitute for each other, except at high temperatures. These high-temperature feldspars are likely to be found only in volcanic rocks because intrusive igneous rocks cool slowly enough to low temperatures for the feldspars to change into one of the lower-temperature forms.

Figure 2.15 Compositions of the feldspar minerals

في quartz (SiO2), the silica tetrahedra are bonded in a “perfect” three-dimensional framework. Each tetrahedron is bonded to four other tetrahedra (with an oxygen shared at every corner of each tetrahedron), and as a result, the ratio of silicon to oxygen is 1:2. Since the one silicon cation has a +4 charge and the two oxygen anions each have a –2 charge, the charge is balanced. There is no need for aluminum or any of the other cations such as sodium or potassium. The hardness and lack of cleavage in quartz result from the strong covalent/ionic bonds characteristic of the silica tetrahedron.

Exercise 2.5 Ferromagnesian Silicates?

Silicate minerals are classified as being either ferromagnesian or non-ferromagnesian depending on whether or not they have iron (Fe) and/or magnesium (Mg) in their formula. A number of minerals and their formulas are listed below. For each one, indicate whether or not it is a ferromagnesian silicate.

Mineral Formula Ferromagnesian Silicate?
olivine (Mg,Fe)2SiO4
pyrite FeS2
plagioclase CaAl2سي2ا8
pyroxene MgSiO3
hematite Fe2ا3
orthoclase KAlSi3ا8
quartz SiO2
Mineral Formula* Ferromagnesian Silicate?
amphibole Fe7سي8ا22(OH)2
muscovite ك2Al4 سي6Al2ا20(OH)4
magnetite Fe3ا4
biotite ك2Fe4Al2سي6Al4ا20(OH)4
dolomite (Ca,Mg)CO3
garnet Fe2Al2سي3ا12
serpentine Mg3سي2ا5(OH)4

*Some of the formulas, especially the more complicated ones, have been simplified.


شاهد الفيديو: أكثر العناصر شيوعا في الأرض (شهر اكتوبر 2021).