Оливин: Магний-железистый силикат и его свойства.

Введение

Минерал магниево-железосиликатного ряда твердых растворов.

Минерал оливин (/ɒ//l//.///,/v//iː//n/) является магниево-железосиликатом с химической формулой (Mg,Fe)2SiO4. Это тип несосиликата или ортосиликата. Основной компонент верхней мантии Земли, он является распространенным минералом в земной коре, но быстро выветривается на поверхности. По этой причине оливин был предложен в качестве хорошего кандидата для ускоренного выветривания с целью секвестрации углекислого газа из океанов и атмосферы Земли в рамках смягчения последствий изменения климата. Оливин также имеет множество других исторических применений, таких как драгоценный камень перидот (или хризолит), а также промышленные применения, например, в металлообрабатывающих процессах. Соотношение магния к железу варьируется между двумя конечными членами ряда твердых растворов: форстеритом (Mg-содержащий конечный член) и фаялитом (Fe-содержащий конечный член). Состав оливина обычно выражается в виде молярных процентов форстерита (Fo) и/или фаялита (Fa) (например, Fo70Fa30 или просто Fo70, подразумевая Fa30). Температура плавления форстерита необычно высока при атмосферном давлении, почти , в то время как температура плавления фаялита намного ниже – около . Температура плавления плавно изменяется между двумя конечными членами, как и другие свойства. Оливин содержит лишь незначительное количество элементов, отличных от кислорода (O), кремния (Si), магния (Mg) и железа (Fe). Марганец (Mn) и никель (Ni) обычно присутствуют в наибольших концентрациях в качестве дополнительных элементов. Оливин дал название группе минералов с родственной структурой (оливиновая группа), которая включает тефроит (Mn2SiO4), монтицеллит (CaMgSiO4), ларнит (Ca2SiO4) и киршштейн (CaFeSiO4) (также часто пишется как кирштейнит). Кристаллическая структура оливина включает в себя элементы орторомбической решетки P Bravais, возникающие из-за того, что каждая тетраэдрическая единица кремния (SiO4) соединена с двувалентными металлическими катионами, при этом каждый атом кислорода в SiO4 связан с тремя металлическими ионами. Он имеет структуру, подобную шпинели, как у магнетита, но использует один четырехвалентный и два двухвалентных катиона M22+ M4+O4 вместо двух трехвалентных и одного двухвалентного катиона.

The mineral olivine ('/ɒ//l//.//ᵻ/,/v//iː//n/) is a magnesium iron silicate with the chemical formula |auto=1|(Mg,Fe)2SiO4. It is a type of nesosilicate or orthosilicate. The primary component of the Earth's upper mantle, it is a common mineral in Earth's subsurface, but weathers quickly on the surface. For this reason, olivine has been proposed as a good candidate for accelerated weathering to sequester carbon dioxide from the Earth's oceans and atmosphere, as part of climate change mitigation. Olivine also has many other historical uses, such as the gemstone peridot (or chrysolite), as well as industrial applications like metalworking processes. The ratio of magnesium to iron varies between the two endmembers of the solid solution series: forsterite (Mg endmember: ) and fayalite (Fe endmember: ). Compositions of olivine are commonly expressed as molar percentages of forsterite (Fo) and/or fayalite (Fa) (e. g., Fo70Fa30, or just Fo70 with Fa30 implied). Forsterite's melting temperature is unusually high at atmospheric pressure, almost , while fayalite's is much lower – about Melting temperature varies smoothly between the two endmembers, as do other properties. Olivine incorporates only minor amounts of elements other than oxygen (O), silicon (Si), magnesium (Mg) and iron (Fe). Manganese (Mn) and nickel (Ni) commonly are the additional elements present in highest concentrations. Olivine gives its name to the group of minerals with a related structure (the olivine group) – which includes tephroite (Mn2SiO4), monticellite (CaMgSiO4), larnite (Ca2SiO4) and kirschsteinite (CaFeSiO4) (commonly also spelled kirschteinite). Olivine's crystal structure incorporates aspects of the orthorhombic P Bravais lattice, which arise from each silica (SiO4) unit being joined by metal divalent cations with each oxygen in SiO4 bound to three metal ions. It has a spinel like structure similar to magnetite but uses one quadrivalent and two divalent cations M22+ M4+O4 instead of two trivalent and one divalent cations.

Идентификация и парагенез

Оливин получил своё название благодаря типичному оливково-зелёному цвету, хотя он может приобретать красноватый оттенок в результате окисления железа. Прозрачный оливин иногда используется как драгоценный камень, известный как перидот (перидот, французское слово для оливина). Его также называют хризолитом (или хризолит, от греческих слов, означающих «золото» и «камень»), хотя в настоящее время это название редко употребляется в английском языке. Некоторые из лучших образцов оливина, пригодных для изготовления драгоценных камней, были получены из тел мантийных пород на острове Забаргад в Красном море. Оливин встречается как в мафических, так и в ультрамафических магматических породах, а также в качестве первичного минерала в определённых метаморфических породах. Оливин, богатый магнием, кристаллизуется из магмы с высоким содержанием магния и низким содержанием кремнезёма. Эта магма кристаллизуется в мафические породы, такие как габбро и базальт. Ультрамафические породы обычно содержат значительное количество оливина, а породы с содержанием оливина более 40% классифицируются как перидотиты. Дунит содержит более 90% оливина и, вероятно, является кумулятом, образованным в результате кристаллизации и оседания оливина из магмы или минеральной жилы, выстилающей магматические каналы. Оливин и высокодавние структурные варианты составляют более 50% верхней мантии Земли, и оливин является одним из самых распространённых минералов Земли по объёму. Метаморфизм примесистого доломита или других осадочных пород с высоким содержанием магния и низким содержанием кремнезёма также приводит к образованию оливина, богатого магнием, или форестерита. Оливин, богатый железом (фаялит), относительно менее распространён, но встречается в магматических породах в небольших количествах в редких гранитах и риолитах, а оливин с крайне высоким содержанием железа может стабильно сосуществовать с кварцем и тридимитом. В отличие от этого, оливин, богатый магнием, не стабилен в присутствии минералов кремнезёма, поскольку он вступает с ними в реакцию с образованием ортопироксена (|(Mg,Fe)2Si2O6). Оливин, богатый магнием, стабилен при давлениях, эквивалентных глубине около в недрах Земли. Поскольку считается наиболее распространённым минералом в мантии Земли на относительно небольших глубинах, свойства оливина оказывают определяющее влияние на реологию этой части Земли и, следовательно, на твердотельный поток, который является движущей силой тектоники плит. Эксперименты показали, что оливин при высоких давлениях (12 ГПа, что соответствует давлению на глубине около) может содержать не менее 8900 частей на миллион (по весу) воды, и такое содержание воды значительно снижает сопротивление оливина твердотекучести. Более того, из-за обилия оливина в мантии в нём может быть растворено больше воды, чем во всех океанах Земли. Оливковый сосновый лес (растительное сообщество) является уникальным для Норвегии. Он редок и встречается на сухих оливиновых гребнях в фьордовых районах Суннмёре и Нордфьорд.

Olivine is named for its typically olive green color, though it may alter to a reddish color from the oxidation of iron. Translucent olivine is sometimes used as a gemstone called peridot (péridot, the French word for olivine). It is also called chrysolite (or chrysolithe, from the Greek words for gold and stone), though this name is now rarely used in the English language. Some of the finest gem quality olivine has been obtained from a body of mantle rocks on Zabargad Island in the Red Sea. Olivine occurs in both mafic and ultramafic igneous rocks and as a primary mineral in certain metamorphic rocks. Mg rich olivine crystallizes from magma that is rich in magnesium and low in silica. That magma crystallizes to mafic rocks such as gabbro and basalt. Ultramafic rocks usually contain substantial olivine, and those with an olivine content of over 40% are described as peridotites. Dunite has an olivine content of over 90% and is likely a cumulate formed by olivine crystallizing and settling out of magma or a vein mineral lining magma conduits. Olivine and high pressure structural variants constitute over 50% of the Earth's upper mantle, and olivine is one of the Earth's most common minerals by volume. The metamorphism of impure dolomite or other sedimentary rocks with high magnesium and low silica content also produces Mg rich olivine, or forsterite. Fe rich olivine fayalite is relatively much less common, but it occurs in igneous rocks in small amounts in rare granites and rhyolites, and extremely Fe rich olivine can exist stably with quartz and tridymite. In contrast, Mg rich olivine does not occur stably with silica minerals, as it would react with them to form orthopyroxene (|(Mg,Fe)2Si2O6). Mg rich olivine is stable to pressures equivalent to a depth of about within Earth. Because it is thought to be the most abundant mineral in Earth's mantle at shallower depths, the properties of olivine have a dominant influence upon the rheology of that part of Earth and hence upon the solid flow that drives plate tectonics. Experiments have documented that olivine at high pressures (12 GPa, the pressure at depths of about ) can contain at least as much as about 8900 parts per million (weight) of water, and that such water content drastically reduces the resistance of olivine to solid flow. Moreover, because olivine is so abundant, more water may be dissolved in olivine of the mantle than is contained in Earth's oceans. Olivine pine forest (a plant community) is unique to Norway. It is rare and found on dry olivine ridges in the fjord districts of Sunnmøre and Nordfjord.

Инопланетные явления

Богатый магнием оливин также был обнаружен в метеоритах, на Луне и Марсе, вблизи формирующихся звёзд, а также на астероиде 25143 Итокава. К таким метеоритам относятся хондриты – скопления обломков ранней Солнечной системы, и палласиты – смеси железо-никелевого сплава и оливина. Предполагается, что поверхность редких астероидов типа А преимущественно состоит из оливина. Спектральная характеристика оливина наблюдалась в пылевых дисках вокруг молодых звёзд. Хвосты комет (образовавшихся из пылевого диска вокруг молодого Солнца) часто демонстрируют спектральную характеристику оливина, а наличие оливина было подтверждено в образцах кометы, доставленных космическим аппаратом Stardust в 2006 году. Подобный оливину (богатый магнием) был также обнаружен в планезимальном поясе вокруг звезды Бета Пикторис.

Кристальная структура

Минералы оливиновой группы кристаллизуются в орторомбической системе (пространственная группа Pbnm) с изолированными силикатными тетраэдрами, что означает, что оливин является незосиликатом. Структура может быть описана как гексагонально плотноупакованный массив ионов кислорода, с половиной октаэдрических позиций, занятых ионами магния или железа, и одной восьмой тетраэдрических позиций, занятых ионами кремния. Существует три различных кислородных сайта (обозначенных O1, O2 и O3 на рисунке 1), два различных металлических сайта (M1 и M2) и только один различный кремниевый сайт. Сайты O1, O2, M2 и Si лежат на плоскостях симметрии, в то время как M1 находится в центре инверсии. Сайт O3 расположен в общем положении.

Полиморфы высокого давления

При высоких температурах и давлениях, наблюдаемых в глубине Земли, структура оливина становится нестабильной. Ниже глубины примерно 410 километров оливин претерпевает экзотермический фазовый переход в соросиликат вадслеит, а на глубине около 660 километров вадслеит экзотермически превращается в рингвудит, имеющий шпинелевую структуру. На глубине около 660 километров рингвудит разлагается на силикатный перовскит (Mg,Fe)SiO3 и ферропериклаз (Mg,Fe)O в эндотермической реакции. Эти фазовые переходы приводят к скачкообразному увеличению плотности мантии Земли, которое можно наблюдать сейсмическими методами. Считается также, что они влияют на динамику мантийной конвекции: экзотермические переходы усиливают поток через фазовую границу, а эндотермическая реакция его замедляет. Давление, при котором происходят эти фазовые переходы, зависит от температуры и содержания железа. При температуре 0 °C чистый магниевый конечный член, форстерит, превращается в вадслеит при давлении выше, а в рингвудит – при давлении выше. Увеличение содержания железа снижает давление фазового перехода и сужает поле устойчивости вадслеита. При приблизительно 0,8 мольной фракции фаялита оливин превращается непосредственно в рингвудит в определенном диапазоне давления. Фаялит превращается в шпинель при давлениях ниже. Повышение температуры увеличивает давление этих фазовых переходов.

Метеорологические изменения

Оливин является одним из наименее стабильных распространенных минералов на поверхности согласно ряду растворимости Голдиха. Он легко подвергается изменению в иддингзит (комбинацию глинистых минералов, оксидов железа и ферригидрита) при наличии воды. Искусственное ускорение скорости выветривания оливина, например, путем распыления мелкозернистого оливина на пляжах, было предложено как экономичный способ секвестрации CO2. Обнаружение иддингсита на Марсе указывало бы на то, что в прошлом там существовала жидкая вода и могло бы помочь ученым установить, когда на планете в последний раз была жидкая вода. Вследствие быстрой подверженности выветриванию, оливин редко встречается в осадочных породах.

Норвегия

Норвегия является основным источником оливина в Европе, особенно в районе, простирающемся от Охейма до Тафьорда и от Хорниндаля до Флемсёй в районе Суннмёре. Оливин также встречается в муниципалитете Эйд. Около 50% мирового объема оливина для промышленного использования производится в Норвегии. В Свархаммерене в Нордале добыча оливина велась примерно с 1920 по 1979 год, с ежедневной добычей до 600 метрических тонн. Оливин также получали при строительстве гидроэлектростанций в Тафьорде. В Роббервике в муниципалитете Нордал открытый карьер работает с 1984 года. Характерный красный цвет отражен в нескольких местных названиях, содержащих слово "красный", таких как Раудбергвик (Красная скальная бухта) или Рауднаккен (Красный хребет). Ханс Стрём в 1766 году описал типичный красный цвет оливина на поверхности и синий цвет в его глубине. Стрём писал, что в районе Нордал большие объемы оливина откалывали от скального основания и использовали в качестве точильных камней. Каллскарет, расположенный недалеко от Тафьорда, является природным заповедником с месторождениями оливина.

Применение

Во всем мире ведутся поиски недорогих способов секвестрации CO2 посредством минеральных реакций, называемых ускоренным выветриванием. Удаление посредством реакции с оливином – привлекательный вариант, поскольку он широко распространен и легко реагирует с (кислотным) CO2 из атмосферы. При измельчении оливин полностью выветривается в течение нескольких лет, в зависимости от размера зерна. Весь CO2, образующийся при сжигании одного литра нефти, может быть секвестрирован менее чем одним литром оливина. Реакция экзотермическая, но протекает медленно. Для утилизации тепла, выделяющегося в ходе реакции, с целью производства электроэнергии, большой объем оливина необходимо хорошо теплоизолировать. Конечными продуктами реакции являются диоксид кремния, карбонат магния и небольшое количество оксида железа. Некоммерческая организация Project Vesta исследует данный подход на пляжах, где волновое воздействие увеличивает перемешивание и площадь поверхности измельченного оливина. Оливин используется как замена доломита на сталелитейных предприятиях. В алюминиево-литейной промышленности используется оливиновый песок для отливки изделий из алюминия. Оливиновый песок требует меньше воды, чем кварцевый, при этом сохраняя форму при обработке и заливке металла. Меньшее количество воды означает меньшее количество газа (пара), выделяемого из формы при заливке металла. В Финляндии оливин продается как идеальный камень для печей саун благодаря его сравнительно высокой плотности и устойчивости к выветриванию при многократном нагревании и охлаждении. Оливин ювелирного качества используется в качестве драгоценного камня, известного как перидот.