Минерал оливин ( / ˈ ɒ l . ɪ ˌ v iː n / ) представляет собой силикат магния и железа с химической формулой ( Mg , Fe ) 2 Si O 4 . Это разновидность неосиликата или ортосиликата . Основной компонент верхней мантии Земли [9] . Это распространенный минерал в недрах Земли, но на поверхности он быстро выветривается. По этой причине оливин был предложен в качестве хорошего кандидата для ускоренного выветривания для улавливания 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 промышленное применение, например, в процессах металлообработки .
Соотношение магния и железа варьируется между двумя конечными членами ряда твердых растворов : форстеритом (концевой член Mg: Mg
2Си О
4) и фаялит (Fe-конечный член: Fe
2Си О
4). Составы оливина обычно выражаются в виде молярных процентов форстерита (Fo) и/или фаялита (Fa) ( например , Fo 70 Fa 30 или просто Fo 70 с подразумеваемым Fa 30 ). Температура плавления форстерита необычно высока при атмосферном давлении, почти 1900 °C (3450 °F), тогда как температура плавления фаялита намного ниже — около 1200 °C (2190 °F). Температура плавления двух концевых элементов плавно варьируется, как и другие свойства. Оливин содержит лишь незначительное количество других элементов, кроме кислорода (O), кремния (Si), магния (Mg) и железа (Fe). Марганец (Mn) и никель (Ni) обычно являются дополнительными элементами, присутствующими в самых высоких концентрациях.
Оливин дал свое название группе минералов родственной структуры ( группа оливина ), в которую входят тефроит ( Mn 2 SiO 4 ), монтичеллит ( Ca MgSiO 4 ), ларнит (Ca 2 SiO 4 ) и киршштейнит (CaFeSiO 4 ) ( обычно также пишется кирштейнит [10] ).
Кристаллическая структура оливина включает в себя аспекты ромбической решетки Браве , которая возникает в результате соединения каждой единицы кремнезема (SiO 4 ) двухвалентными катионами металлов, при этом каждый кислород в SiO 4 связан с тремя ионами металлов. Он имеет структуру, подобную шпинели , похожую на магнетит, но использует один четырехвалентный и два двухвалентных катиона M 2 2+ M 4+ O 4 вместо двух трехвалентных и одного двухвалентного катиона. [11]
Оливин назван в честь своего типичного оливково-зеленого цвета, который , как полагают, является результатом присутствия следов никеля , хотя он может измениться на красноватый цвет в результате окисления железа .
Полупрозрачный оливин иногда используется в качестве драгоценного камня , называемого перидот ( peridot , французское слово, обозначающее оливин). Его также называют хризолитом (или хризолитом , от греческих слов, обозначающих золото и камень), хотя сейчас это название редко используется в английском языке. Некоторые из лучших оливинов ювелирного качества были получены из массива мантийных пород на острове Забаргад в Красном море . [12] [13]
Оливин встречается как в основных , так и в ультраосновных магматических породах , а также в качестве основного минерала в некоторых метаморфических породах . Богатый магнием оливин кристаллизуется из магмы , богатой магнием и бедной кремнеземом . Эта магма кристаллизуется в основные породы, такие как габбро и базальт . [14] Ультраосновные породы обычно содержат значительное количество оливина, а те, в которых содержание оливина превышает 40%, называются перидотитами . Дунит имеет содержание оливина более 90% и, вероятно, представляет собой кумулат , образовавшийся в результате кристаллизации и осаждения оливина из магмы или жильного минерала, выстилающего магматические каналы. [15] Оливин и структурные варианты высокого давления составляют более 50% верхней мантии Земли, а оливин является одним из наиболее распространенных минералов Земли по объему. [16] Метаморфизм нечистого доломита или других осадочных пород с высоким содержанием магния и низким содержанием кремнезема также приводит к образованию богатого магнием оливина или форстерита .
Богатый железом оливиновый фаялит встречается относительно гораздо реже, но он встречается в магматических породах в небольших количествах в редких гранитах и риолитах , а чрезвычайно богатый железом оливин может стабильно существовать с кварцем и тридимитом . Напротив, богатый магнием оливин не встречается стабильно с минералами кремнезема , так как он реагирует с ними с образованием ортопироксена ( (Mg,Fe) 2 Si 2 O 6 ).
Богатый магнием оливин стабилен при давлении, эквивалентном глубине около 410 км (250 миль) на Земле. Поскольку считается, что это самый распространенный минерал в мантии Земли на небольших глубинах, свойства оливина оказывают доминирующее влияние на реологию этой части Земли и, следовательно, на потоки твердого тела, которые вызывают тектонику плит . Эксперименты показали, что оливин при высоких давлениях (12 ГПа , давление на глубинах около 360 км (220 миль)) может содержать по меньшей мере около 8900 частей на миллион (вес) воды, и что такое содержание воды резко снижает сопротивление оливина течению твердого тела. Более того, поскольку оливина так много, в мантийном оливине может быть растворено больше воды, чем содержится в океанах Земли. [17]
Оливиновый сосновый лес ( растительное сообщество ) уникален для Норвегии. Он редок и встречается на сухих оливиновых хребтах в фьордовых районах Суннмёре и Нордфьорд. [18]
Богатый магнием оливин также был обнаружен в метеоритах , [19] на Луне [20] и Марсе , [21] [22] падающих на молодые звезды, [23] а также на астероиде 25143 Итокава . [24] К таким метеоритам относятся хондриты , скопления обломков ранней Солнечной системы ; и палласиты — смеси железа с никелем и оливином. Предполагается, что редкие астероиды А-типа имеют поверхность, в которой преобладает оливин. [25]
Спектральные признаки оливина были замечены в пылевых дисках вокруг молодых звезд. Хвосты комет (которые сформировались из пылевого диска вокруг молодого Солнца ) часто имеют спектральные признаки оливина, а наличие оливина было подтверждено в образцах кометы с космического корабля Stardust в 2006 году. [26] Кометоподобный ( богатый магнием) оливин также был обнаружен в планетезимальном поясе вокруг звезды Бета Живописца . [27]
Минералы группы оливина кристаллизуются в ромбической системе ( пространственная группа P bnm ) с изолированными силикатными тетраэдрами, что означает, что оливин является неосиликатом . Структуру можно описать как гексагональный плотноупакованный массив ионов кислорода , в котором половина октаэдрических позиций занята ионами магния или железа, а одна восьмая тетраэдрических позиций занята ионами кремния.
Существует три отдельных сайта кислорода (отмечены O1, O2 и O3 на рисунке 1), два отдельных сайта металла (M1 и M2) и только один отдельный сайт кремния. O1, O2, M2 и Si лежат в зеркальных плоскостях , а M1 находится в центре инверсии. O3 находится в общем положении.
При высоких температурах и давлениях, обнаруженных на глубине Земли, структура оливина больше не является стабильной. Ниже глубин около 410 км (250 миль) оливин претерпевает экзотермический фазовый переход в соросиликат , вадслеит , а на глубине около 520 км (320 миль) вадслеит экзотермически превращается в рингвудит , который имеет структуру шпинели . На глубине около 660 км (410 миль) рингвудит разлагается на силикатный перовскит ( (Mg,Fe)SiO 3 ) и ферропериклаз ( (Mg,Fe)O ) в эндотермической реакции. Эти фазовые переходы приводят к скачкообразному увеличению плотности мантии Земли , что можно наблюдать сейсмическими методами. Считается также, что они влияют на динамику мантийной конвекции , поскольку экзотермические переходы усиливают поток через фазовую границу, тогда как эндотермическая реакция препятствует ему. [28]
Давление, при котором происходят эти фазовые переходы, зависит от температуры и содержания железа. [29] При 800 ° C (1070 K; 1470 ° F) концевой элемент из чистого магния, форстерит, превращается в вадслеит при 11,8 гигапаскалях (116 000 атм ) и в рингвудит при давлении выше 14 ГПа (138 000 атм). Увеличение содержания железа снижает давление фазового перехода и сужает поле устойчивости вадслеита . При мольной доле фаялита около 0,8 оливин превращается непосредственно в рингвудит в диапазоне давлений от 10,0 до 11,5 ГПа (99 000–113 000 атм). Фаялит превращается в Fe
2SiO
4шпинель при давлении ниже 5 ГПа (49 000 атм). Повышение температуры увеличивает давление этих фазовых переходов.
Согласно ряду растворения Гольдича, оливин — один из менее стабильных распространенных минералов на поверхности . Он легко превращается в иддингсит (комбинация глинистых минералов, оксидов железа и ферригидрита ) в присутствии воды. [30] Искусственное увеличение скорости выветривания оливина, например, путем рассеивания мелкозернистого оливина на пляжах, было предложено в качестве дешевого способа улавливания CO 2 . [31] [32] Присутствие иддингсита на Марсе предполагает, что там когда-то существовала жидкая вода, и может позволить ученым определить, когда на планете в последний раз была жидкая вода. [33]
Из-за быстрого выветривания оливин редко встречается в осадочных породах . [34]
Норвегия является основным источником оливина в Европе, особенно на территории, простирающейся от Охайма до Тафьорда и от Хорниндала до Флемсёя в районе Суннмёре . В муниципалитете Ид также есть оливин . Около 50% мирового оливина для промышленного использования производится в Норвегии. В Свартхаммарене в Норддале оливин добывался примерно с 1920 по 1979 год, ежедневная добыча достигала 600 метрических тонн. Оливин также добывали на строительной площадке ГЭС в Тафьорде. В Роббервике в муниципалитете Норддал с 1984 года работает открытый карьер. Характерный красный цвет отражен в нескольких местных названиях с «красным», таких как Раудбергвик (Залив Красных скал) или Рауднаккен (Красный хребет). [35] [36] [37] [38]
Ханс Стрём в 1766 году описал типичный красный цвет оливина на поверхности и синий цвет внутри. Стрём писал, что в районе Норддал большое количество оливина было извлечено из коренной породы и использовано в качестве точильных камней . [39]
Каллскарет возле Тафьорда — природный заповедник с оливином. [40]
Во всем мире ведутся поиски дешевых способов улавливания CO 2 посредством минеральных реакций, называемых усиленным выветриванием . Удаление реакцией с оливином является привлекательным вариантом, поскольку он широко доступен и легко реагирует с (кислотой) CO 2 из атмосферы. Когда оливин измельчают , он полностью выветривается в течение нескольких лет, в зависимости от размера зерна. Весь CO 2 , образующийся при сжигании одного литра нефти, может быть поглощен менее чем одним литром оливина. Реакция экзотермическая, но медленная. Чтобы восстановить тепло, выделяемое в результате реакции, для производства электричества, большой объем оливина должен быть термически хорошо изолирован. Конечными продуктами реакции являются диоксид кремния , карбонат магния и небольшое количество оксида железа. [41] [42] Некоммерческая организация Project Vesta исследует этот подход на пляжах, который увеличивает волнение и площадь поверхности измельченного оливина за счет воздействия волн. [43]
Оливин используется вместо доломита на сталелитейных заводах. [44]
В литейной промышленности алюминия используется оливиновый песок для отливки предметов из алюминия. Оливиновый песок требует меньше воды, чем кварцевый песок, но при этом удерживает форму во время обработки и заливки металла. Меньше воды означает меньше газа (пара), выходящего из формы при заливке металла в форму. [45]
В Финляндии оливин позиционируется как идеальный камень для банных печей из-за его сравнительно высокой плотности и устойчивости к атмосферным воздействиям при многократном нагревании и охлаждении. [46]
Оливин ювелирного качества используется в качестве драгоценного камня под названием перидот .
Удельный вес 3,5–4,5
Удельный вес составляет примерно 3,2, когда чистота увеличивается с увеличением содержания железа.
G = от 3,22 до 4,39. Удельный вес увеличивается, а твердость уменьшается с увеличением Fe.
Удельный вес: от 3,2 (разновидность с высоким содержанием магния) до 4,3 (разновидность с высоким содержанием железа) (средний вес)