Минеральный окислительно-восстановительный буфер
В геологии окислительно-восстановительный буфер — это совокупность минералов или соединений, которая ограничивает летучесть кислорода в зависимости от температуры. Знание окислительно-восстановительных условий (или, что то же самое, летучести кислорода), при которых горные породы формируются и развиваются, может быть важным для интерпретации истории горных пород. Железо , сера и марганец — три относительно распространенных элемента в земной коре, которые встречаются более чем в одной степени окисления . Например, железо, четвертый по распространенности элемент в земной коре, существует в виде самородного железа , двухвалентного железа (Fe 2+ ) и трехвалентное железо (Fe 3+ ). Окислительно-восстановительное состояние породы влияет на относительные пропорции степеней окисления этих элементов и, следовательно, может определять как присутствующие минералы, так и их состав. Если порода содержит чистые минералы, составляющие окислительно-восстановительный буфер, то фугитивность кислорода в равновесии определяется одной из кривых на прилагаемой диаграмме фугитивность-температура.
Общие окислительно-восстановительные буферы и минералогия
[ редактировать ]Редокс-буферы были разработаны частично для контроля летучести кислорода в лабораторных экспериментах по изучению стабильности минералов и истории горных пород. Каждая из кривых, представленных на диаграмме фугитивности-температуры, соответствует реакции окисления, протекающей в буфере. Эти окислительно-восстановительные буферы перечислены здесь в порядке уменьшения фугитивности кислорода при данной температуре, другими словами, от более окислительных условий к более восстановительным в указанном температурном диапазоне. Пока все чистые минералы (или соединения) присутствуют в буферном комплексе, условия окисления фиксируются на кривой для этого буфера. Давление оказывает лишь незначительное влияние на эти буферные кривые для условий земной коры .
- 4 Fe 3 O 4 + O 2 ⇌ 6 Fe 2 O 3
NiNiO: : оксид никеля
- 2 Ni + O 2 ⇌ 2 NiO
FMQ: фаялит – магнетит – кварц :
- 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
QIF: кварц – железо – фаялит :
- 2 Fe + SiO 2 + O 2 ⇌ Fe 2 SiO 4
Минералы, типы пород и характерные буферы
[ редактировать ]Минералогия и корреляции с окислительно-восстановительным буфером
[ редактировать ]Соотношение Fe 2+ в Фе 3+ Внутри породы частично определяется силикатный минеральный и оксидный минеральный комплексы породы. В породе заданного химического состава железо попадает в минералы в зависимости от объемного химического состава и минеральных фаз, которые стабильны при данной температуре и давлении. Например, в окислительно-восстановительных условиях, более окислительных, чем в буфере MH (магнетит-гематит), по крайней мере большая часть железа, вероятно, будет присутствовать в виде Fe. 3+ гематит - вероятный минерал железосодержащих пород. Железо может проникать в такие минералы, как оливин, только в том случае, если оно присутствует в виде Fe. 2+ ; Фе 3+ может войти в решетку фаялита не оливина. Однако элементы в оливине, такие как магний , стабилизируют оливин, содержащий Fe. 2+ в более окислительные условия, чем те, которые необходимы для стабильности фаялита. Твердый раствор между магнетитом и титансодержащим , концевым элементом ульвошпинелью , расширяет область стабильности магнетита. Аналогичным образом, в более восстановительных условиях, чем буфер IW (железо-вюстит), такие минералы, как пироксен, все еще могут содержать Fe. 3+ . Таким образом, окислительно-восстановительные буферы являются лишь приблизительными ориентирами для определения пропорций Fe. 2+ и Fe 3+ в минералах и горных породах.
Магматические породы
[ редактировать ]В земных магматических породах кислорода, обычно регистрируется кристаллизация при фугитивности более окисляющей, чем буфер WM ( вюстит - магнетит ), и более восстановленной, чем логарифмическая единица или около того, над буфером оксида никеля-никеля (NiNiO). Таким образом, их окислительные условия близки к условиям окислительно-восстановительного буфера FMQ ( фаялит - магнетит - кварц ). Тем не менее, существуют систематические различия, которые коррелируют с тектонической обстановкой. Магматические породы, внедренные и извергнутые в островных дугах, обычно имеют летучесть кислорода на 1 или более логарифмических единиц, более окисляющую, чем у буферного NiNiO. Напротив, базальт и габбро в условиях без дуги обычно записывают фугитивность кислорода примерно от значений буфера FMQ до логарифмических единиц или около того, более восстанавливающих, чем в этом буфере.
Осадочные породы
[ редактировать ]Окислительные условия распространены в некоторых обстановках отложения и диагенеза осадочных пород. Летучесть кислорода в буфере МГ ( магнетит - гематит ) составляет всего около 10 −70 это около 0,2 атмосферы при 25 ° C, но в атмосфере Земли , поэтому некоторые осадочные среды гораздо более окислительные, чем магмы. Другие осадочные среды, такие как среды образования черных сланцев , являются относительно восстановительными.
Метаморфические породы
[ редактировать ]Летучесть кислорода при метаморфизме достигает более высоких значений, чем в магматических средах, из-за более окислительных составов, унаследованных от некоторых осадочных пород. присутствует почти чистый гематит В некоторых метаморфизованных полосчатых железных образованиях . Напротив, в некоторых серпентинитах присутствует самородный никель-железо .
Внеземные породы
[ редактировать ]В метеоритах окислительно-восстановительный буфер железо - вюстит может быть более подходящим для описания летучести кислорода в этих внеземных системах.
Редокс-эффекты и сера
[ редактировать ]Сульфидные минералы, такие как пирит (FeS 2 ) и пирротин (Fe 1-x S), встречаются во многих рудных месторождениях. Пирит и его полиморфный марказит также играют важную роль во многих угольных месторождениях и сланцах . Эти сульфидные минералы образуются в средах более восстановительных, чем на поверхности Земли. При контакте с окислительными поверхностными водами сульфиды вступают в реакцию: сульфат (SO 4 2− ) образуется, а вода становится кислой и заряжается множеством элементов, некоторые из которых потенциально токсичны. Последствия могут быть вредными для окружающей среды, как обсуждалось в статье о кислотном дренаже шахт .
Окисление серы до сульфата или диоксида серы также важно для возникновения извержений богатых серой вулканов, таких как извержения вулкана Пинатубо. [3] в 1991 году и Эль-Чичон в 1982 году. Эти извержения внесли необычно большое количество диоксида серы в атмосферу Земли , что оказало последующее воздействие на качество атмосферы и климат. Магмы . были необычно окисляющими, почти на две логарифмические единицы больше, чем буфер NiNiO Сульфат кальция , ангидрит , присутствовал в виде вкрапленников в изверженной тефре . Напротив, сульфиды содержат большую часть серы в магмах, более восстанавливающих, чем буфер FMQ.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фрост, БР (1991). В: Линдсли, Д.Х., изд. (1991). «Обзоры по минералогии», том 25, «Окисленные минералы: петрологическое и магнитное значение». Минералогическое общество Америки.
- ^ Линдсли, Дональд Х., изд. (1991). Оксидные минералы: петрологическое и магнитное значение . Обзоры по минералогии. Том. 25. Вашингтон (округ Колумбия): Минералогическое общество Америки. п. 509. ИСБН 0-939950-30-8 .
- ^ Скайлет, Б.; Эванс, BW (1 марта 1999 г.). перед извержением PT-fO 2 -fH 2 «Извержение горы Пинатубо 15 июня 1991 года. I. Фазовые равновесия и условия дацитовой магмы O». Журнал петрологии . 40 (3): 381–411. дои : 10.1093/petroj/40.3.381 . ISSN 0022-3530 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Линдсли, Дональд Х., изд. (1991). Оксидные минералы: петрологическое и магнитное значение . Обзоры по минералогии. Том. 25. Вашингтон (округ Колумбия): Минералогическое общество Америки. п. 509. ИСБН 0-939950-30-8 .
- Линдсли, Дональд Х., изд. (2018). Оксидные минералы: петрологическое и магнитное значение . Обзоры по минералогии и геохимии. Де Грютер. ISBN 978-1-5015-0868-4 . Проверено 8 апреля 2024 г.
- Скайлет, Б.; Эванс, BW (1 марта 1999 г.). «Извержение горы Пинатубо 15 июня 1991 года. I. Фазовые равновесия и условия перед извержением P – T – fO 2 – fH 2 O в дацитовой магме». Журнал петрологии . 40 (3): 381–411. дои : 10.1093/petroj/40.3.381 . ISSN 0022-3530 .
- Аненбург, Майкл; О'Нил, Хью Ст. С. (29 октября 2019 г.). «Окисление-восстановление магмы: комментарий к недавнему исследованию вулканов Кайзерштуль (Браунгер и др., Журнал петрологии, 59, 1731–1762, 2018) и некоторые другие заблуждения». Журнал петрологии . doi : 10.1093/petrology/egz046 .