Mineralny bufor redoks - Mineral redox buffer
W geologii bufor redoks to zbiór minerałów lub związków, które ograniczają lotność tlenu w funkcji temperatury. Znajomość warunków redoks (lub równoważnie ulotności tlenu), w których tworzy się i ewoluuje skała, może być ważna dla interpretacji historii skał. Żelazo , siarka i mangan to trzy stosunkowo obfite pierwiastki w skorupie ziemskiej, które występują na więcej niż jednym stopniu utlenienia . Na przykład żelazo, czwarty najbardziej rozpowszechniony pierwiastek w skorupie, występuje jako rodzime żelazo , żelazo (Fe 2+ ) i żelazo (Fe 3+ ). Stan redoks skały wpływa na względne proporcje stopni utlenienia tych pierwiastków, a zatem może determinować zarówno występujące minerały, jak i ich skład. Jeśli skała zawiera czyste minerały, które stanowią bufor redoks, wówczas lotność tlenu w równowadze jest określona przez jedną z krzywych na załączonym wykresie lotności-temperatura.
Typowe bufory redoks i mineralogia
Bufory redoks zostały opracowane częściowo w celu kontrolowania ulotności tlenu w eksperymentach laboratoryjnych w celu zbadania stabilności minerałów i historii skał. Każda z krzywych wykreślonych na wykresie lotności-temperatura dotyczy reakcji utleniania zachodzącej w buforze. Te bufory redoks wymieniono tutaj w kolejności malejącej lotności tlenu w danej temperaturze - innymi słowy, od warunków bardziej utleniających do bardziej redukujących w wykreślonym zakresie temperatur. Dopóki wszystkie czyste minerały (lub związki) są obecne w zespole buforowym, warunki utleniające są ustalone na krzywej dla tego buforu. Ciśnienie ma tylko niewielki wpływ na te krzywe buforowe dla warunków w skorupie ziemskiej .
4 Fe 3 O 4 + O 2 = 6 Fe 2 O 3
Tlenek niklu i niklu NiNiO
2 Ni + O 2 = 2 NiO
FMQ fajalit - magnetyt - kwarc
3 Fe 2 SiO 4 + O 2 = 2 Fe 3 O 4 + 3 SiO 2
3 Fe 1 − x O + O 2 ~ Fe 3 O 4
2 (1-x) Fe + O 2 = 2 Fe 1 − x O
2 Fe + SiO 2 + O 2 = Fe 2 SiO 4
Minerały, rodzaje skał i charakterystyczne bufory
Mineralogia i korelacje z buforem redoks
Stosunek Fe 2+ do Fe 3+ w skale częściowo determinuje skład minerału krzemianowego i tlenkowego w skale. W skale o danym składzie chemicznym żelazo wchodzi do minerałów w oparciu o ogólny skład chemiczny i fazy mineralne, które są stabilne w tej temperaturze i ciśnieniu. Na przykład w warunkach redoks bardziej utleniających niż bufor MH (magnetyt-hematyt), co najmniej duża część żelaza będzie prawdopodobnie obecna w postaci Fe 3+, a hematyt jest prawdopodobnym minerałem w skałach zawierających żelazo. Żelazo może przenikać do minerałów, takich jak oliwin, tylko wtedy, gdy występuje jako Fe 2+ ; Fe 3+ nie może wejść do kraty z fajalitowego oliwinu. Jednak pierwiastki w oliwinie, takie jak magnez , stabilizują oliwin zawierający Fe 2+ w warunkach silniej utleniających niż te wymagane dla stabilności fajalitu. Roztworu stałego od magnetytu i tytanu olejowe endmember , ulvöspinel , zwiększa pole stabilność magnetytu. Podobnie, w warunkach bardziej redukujących niż bufor IW (żelazo-wustyt), minerały takie jak piroksen mogą nadal zawierać Fe 3+ . Dlatego bufory redoks są jedynie przybliżonymi wskazówkami co do proporcji Fe 2+ i Fe 3+ w minerałach i skałach.
Skały magmowe
Naziemne skały magmowe zwykle rejestrują krystalizację w tlenku fugacji bardziej utleniającej niż bufor WM ( wüstite - magnetyt ) i bardziej zredukowanej niż jednostka logarytmiczna powyżej buforu z tlenku niklu i niklu (NiNiO). Stąd ich warunki utleniające nie są znacznie od tych z FMQ ( fajalit - magnetytu - kwarc ) redoks buforowego. Niemniej jednak istnieją systematyczne różnice, które korelują z warunkami tektonicznymi . Skała magmowa umieszczona i wybuchła w łukach wysp zazwyczaj rejestruje ucieczki tlenu o 1 lub więcej jednostek log bardziej utleniających niż te z buforu NiNiO. W przeciwieństwie do tego, bazalt i gabro w ustawieniach innych niż łuk zwykle rejestrują ucieczki tlenu od mniej więcej tych z buforu FMQ do jednostki logarytmicznej, a więc bardziej redukującej niż ten bufor.
Skały osadowe
W niektórych środowiskach osadzania się i diagenezy skał osadowych często występują warunki utleniające . Lotność tlenu w buforze MH ( magnetyt - hematyt ) wynosi tylko około 10-70 przy 25 ° C, ale w ziemskiej atmosferze wynosi około 0,2 atmosfery , więc niektóre środowiska osadowe są znacznie bardziej utleniające niż w magmach. Inne środowiska osadowe, takie jak środowiska formowania się czarnych łupków , są stosunkowo ograniczone.
Skały metamorficzne
Fugacities tlenu podczas metamorfizmu sięgają wyższych wartości niż te w środowiskach magmowych, z powodu bardziej utleniających kompozycji odziedziczonych po niektórych skałach osadowych. Prawie czysty hematyt jest obecny w niektórych przemienionych formacjach żelaza pasmowego . W przeciwieństwie do tego natywny nikiel-żelazo występuje w niektórych serpentynitach .
Skały pozaziemskie
W ciągu meteorytów The żelazo - wüstite bufor redoks może być bardziej odpowiednie dla opisania lotności tlenu tych pozaziemskich systemów.
Efekty redoks i siarka
Minerały siarczkowe, takie jak piryt (FeS 2 ) i pirotyt (Fe 1 − x S) występują w wielu złożach rud. Piryt i jego polimorficzny markasyt są również ważne w wielu złożach węgla i łupkach . Te minerały siarczkowe tworzą się w środowiskach bardziej redukujących niż na powierzchni Ziemi. W kontakcie z utleniającymi wodami powierzchniowymi siarczki reagują: tworzy się siarczan (SO 4 2− ), a woda staje się kwaśna i naładowana różnymi pierwiastkami, z których niektóre są potencjalnie toksyczne. Konsekwencje mogą być szkodliwe dla środowiska, jak omówiono we wpisie dotyczącym kwaśnego odwadniania kopalń .
Utlenianie siarki do siarczanu lub dwutlenku siarki jest również ważne w generowaniu bogatych w siarkę erupcji wulkanicznych, takich jak wybuchy wulkanów Pinatubo w 1991 roku i El Chichon w 1982 roku. Erupcje te dostarczyły do atmosfery ziemskiej niezwykle duże ilości dwutlenku siarki , co w konsekwencji wpłynęło na jakość atmosfery. i klimat. W magm były niezwykle utleniający, prawie dwa jednostek logarytmicznych bardziej niż bufor Ninio. Siarczanu wapnia , anhydryt , był obecny w fenokryształów w The wybuchł tefry . W przeciwieństwie do tego siarczki zawierają większość siarki w magmach bardziej redukując niż bufor FMQ.
Zobacz też
Bibliografia
- Donald H. Lindsley (redaktor), Minerały tlenkowe: znaczenie petrologiczne i magnetyczne. Mineralogical Society of America Reviews in Mineralogy, tom 25, strony 509 (1991). ISBN 0-939950-30-8 .Linki zewnętrzne
- Bruno Scaillet i Bernard W. Evans, 15 czerwca 1991 Erupcja góry Pinatubo. I. Równowagi fazowe i przederupcja P – T – fO2 – fH2O Warunki magmy dacytowej. Journal of Petrology, tom 40, strony 381-411 (1999).