منظم الأكسدة والاختزال المعدني
في علم الجيولوجيا، يُعرف مُنظِّم الأكسدة والاختزال بأنه مجموعة من المعادن أو المركبات التي تُقيِّد فاعلية الأكسجين كدالة لدرجة الحرارة. تُعدُّ معرفة ظروف الأكسدة والاختزال (أو ما يُعادلها ، فاعلية الأكسجين) التي تتكوَّن فيها الصخور وتتطوَّر مهمةً لتفسير تاريخها. يُعدُّ الحديد والكبريت والمنغنيز ثلاثةً من العناصر الوفيرة نسبيًا في قشرة الأرض، وتوجد في أكثر من حالة أكسدة . على سبيل المثال، يوجد الحديد، رابع أكثر العناصر وفرةً في القشرة الأرضية، على هيئة حديد حر ، وحديدوز (Fe²⁺ ) ، وحديديك (Fe³⁺ ) . تؤثر حالة الأكسدة والاختزال للصخر على النسب النسبية لحالات أكسدة هذه العناصر، وبالتالي قد تُحدِّد المعادن الموجودة وتركيبها. إذا احتوى الصخر على معادن نقية تُشكِّل مُنظِّم أكسدة واختزال، فإن فاعلية الأكسجين عند التوازن تُحدَّد بأحد المنحنيات في مخطط فاعلية الأكسجين-درجة الحرارة المُرفق.
منظمات الأكسدة والاختزال الشائعة وعلم المعادن
طُوِّرت محاليل الأكسدة والاختزال جزئيًا للتحكم في فاعلية الأكسجين في التجارب المخبرية لدراسة استقرار المعادن وتاريخ الصخور. يُمثل كل منحنى في مخطط فاعلية الأكسجين مقابل درجة الحرارة تفاعل أكسدة يحدث في محلول منظم. تُدرج هذه المحاليل المنظمة هنا بترتيب تنازلي لفاعلية الأكسجين عند درجة حرارة معينة، أي من الظروف المؤكسدة إلى الظروف المختزلة في نطاق درجة الحرارة الموضح. طالما أن جميع المعادن (أو المركبات) النقية موجودة في مجموعة المحلول المنظم، فإن ظروف الأكسدة ثابتة على منحنى ذلك المحلول. لا يؤثر الضغط إلا تأثيرًا طفيفًا على منحنيات هذه المحاليل المنظمة في ظروف قشرة الأرض .
- 4 Fe 3 O 4 + O 2 ⇌ 6 Fe 2 O 3
NiNiO: أكسيد النيكل والنيكل:
- 2 Ni + O 2 ⇌ 2 NiO
FMQ: فاياليت - ماغنيتيت - كوارتز :
- 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
المعادن وأنواع الصخور والخصائص العازلة المميزة
علم المعادن وعلاقاته مع منظم الأكسدة والاختزال
تُحدد نسبة Fe²⁺ إلى Fe³⁺ داخل الصخر، جزئيًا، مجموعة معادن السيليكات والأكاسيد فيه. ففي صخرة ذات تركيب كيميائي مُحدد، يدخل الحديد في المعادن بناءً على التركيب الكيميائي الكلي والأطوار المعدنية المستقرة عند تلك الدرجة من الحرارة والضغط . على سبيل المثال، في ظروف أكسدة واختزال أكثر تأكسدًا من مُخزن MH (المغنيتيت-الهيماتيت)، يُرجح وجود جزء كبير من الحديد على شكل Fe³⁺، ويُعد الهيماتيت معدنًا مُحتملًا في الصخور الحاملة للحديد. لا يدخل الحديد في معادن مثل الأوليفين إلا إذا كان موجودًا على شكل Fe²⁺ ؛ إذ لا يستطيع Fe³⁺ الدخول في شبكة الأوليفين الفاياليتي . مع ذلك، تُساهم عناصر في الأوليفين، مثل المغنيسيوم ، في استقرار الأوليفين المحتوي على Fe²⁺ في ظروف أكثر تأكسدًا من تلك المطلوبة لاستقرار الفاياليت. يُوسع المحلول الصلب بين المغنيتيت والعنصر النهائي الحامل للتيتانيوم ، وهو الألفوسبينيل ، نطاق استقرار المغنيتيت. وبالمثل، في ظروف اختزالية أكثر من تلك التي يوفرها مُنظِّم الحديد والوستيت (IW)، قد تحتوي معادن مثل البيروكسين على أيونات الحديد الثلاثي (Fe³⁺ ). ولذلك، فإن مُنظِّمات الأكسدة والاختزال ليست سوى مؤشرات تقريبية لنسب أيونات الحديد الثنائي (Fe²⁺ ) والثلاثي (Fe³⁺ ) في المعادن والصخور.
الصخور النارية
عادةً ما تُسجّل الصخور النارية الأرضية تبلورًا عند مستويات ضغط أكسجين أعلى من مستوى ضغط الأكسجين في مُنظِّم WM ( الويستيت - الماغنيتيت )، وأقل اختزالًا بمقدار وحدة لوغاريتمية تقريبًا من مستوى ضغط الأكسجين في مُنظِّم NiNiO. وبالتالي، فإن ظروف الأكسدة فيها ليست بعيدة عن ظروف مُنظِّم FMQ ( الفاياليت - الماغنيتيت - الكوارتز ). ومع ذلك، توجد اختلافات منهجية ترتبط بالبيئة التكتونية . فالصخور النارية التي تبلورت وانفجرت في الأقواس الجزرية تُسجّل عادةً مستويات ضغط أكسجين أعلى بمقدار وحدة لوغاريتمية واحدة أو أكثر من مستوى ضغط الأكسجين في مُنظِّم NiNiO. في المقابل، تُسجّل البازلت والجابرو في البيئات غير القوسية عادةً مستويات ضغط أكسجين تتراوح من مستوى ضغط الأكسجين في مُنظِّم FMQ إلى مستوى اختزال أعلى بمقدار وحدة لوغاريتمية تقريبًا من مستوى ضغط الأكسجين في مُنظِّم NiNiO .
الصخور الرسوبية
تُعدّ الظروف المؤكسدة شائعة في بعض بيئات ترسيب وتكوين الصخور الرسوبية. تبلغ فعالية الأكسجين عند حاجز الماغنيتيت - الهيماتيت حوالي 10⁻⁷⁰ عند 25 درجة مئوية، بينما تبلغ حوالي 0.2 ضغط جوي في الغلاف الجوي للأرض ، لذا فإن بعض البيئات الرسوبية أكثر تأكسدًا بكثير من تلك الموجودة في الصهارة. في المقابل، تُعدّ بيئات رسوبية أخرى، مثل بيئات تكوين الصخر الزيتي الأسود ، مختزلة نسبيًا.
الصخور المتحولة
تصل قيم ضغط الأكسجين أثناء التحول إلى قيم أعلى من تلك الموجودة في البيئات الصهارية، وذلك بسبب التركيبات المؤكسدة الموروثة من بعض الصخور الرسوبية. يوجد الهيماتيت النقي تقريبًا في بعض تكوينات الحديد المخططة المتحولة . في المقابل، يوجد الحديد والنيكل الأصلي في بعض السربنتينيت .
صخور من خارج الأرض
في النيازك ، قد يكون منظم الأكسدة والاختزال الحديدي - الوستيت أكثر ملاءمة لوصف فاعلية الأكسجين في هذه الأنظمة خارج الأرض.
تأثيرات الأكسدة والاختزال والكبريت
توجد معادن الكبريتيد، مثل البيريت (FeS₂ ) والبيروتيت ( Fe₁₋ₓS )، في العديد من رواسب الخامات. كما يُعد البيريت وشكله المتعدد ماركاسيت من المعادن المهمة في العديد من رواسب الفحم والصخور الطينية . تتشكل هذه المعادن الكبريتيدية في بيئات أكثر اختزالًا من بيئة سطح الأرض. عند ملامستها للمياه السطحية المؤكسدة، تتفاعل الكبريتيدات مُنتجةً الكبريتات (SO₄²⁻ ) ، فتصبح المياه حمضية ومُحمّلة بمجموعة متنوعة من العناصر، بعضها سام. قد تكون العواقب وخيمة على البيئة، كما هو موضح في مدخل تصريف المياه الحمضية من المناجم .
يُعدّ تأكسد الكبريت إلى كبريتات أو ثاني أكسيد الكبريت عاملاً مهماً في توليد الانفجارات البركانية الغنية بالكبريت، مثل انفجارات بركان بيناتوبو [ 3 ] عام 1991 وبركان إل تشيتشون عام 1982. وقد ساهمت هذه الانفجارات بكميات كبيرة غير معتادة من ثاني أكسيد الكبريت في الغلاف الجوي للأرض ، مما أدى إلى آثار سلبية على جودة الهواء والمناخ. وكانت الصهارة مؤكسدة بشكل غير عادي، حيث كانت أكثر تأكسداً بمقدار وحدتين لوغاريتميتين تقريباً من مُخفِّف NiNiO. وُجد كبريتات الكالسيوم ، الأنهيدريت ، على شكل بلورات كبيرة في الرماد البركاني المنبعث . في المقابل، تحتوي الكبريتيدات على معظم الكبريت في الصهارة الأكثر اختزالاً من مُخفِّف FMQ.
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ فروست، بي آر (1991). في: ليندزلي، دي إتش، محرر (1991). "مراجعات في علم المعادن"، المجلد 25، "المعادن الأكسيدية: الأهمية البترولوجية والمغناطيسية". الجمعية المعدنية الأمريكية.
- ↑ ليندزلي، دونالد هـ.، محرر. (1991). المعادن الأكسيدية: أهميتها البترولوجية والمغناطيسية . مراجعات في علم المعادن. المجلد 25. واشنطن العاصمة: الجمعية المعدنية الأمريكية. ص 509. ISBN 0-939950-30-8.
- ^ سكايليت، ب. إيفانز، بي دبليو (1999/03/01). “ثوران جبل بيناتوبو في 15 يونيو 1991. I. توازن المرحلة وظروف ما قبل الثوران PT-fO 2 -fH 2 O في صهارة داسيت”. مجلة علم البترول . 40 (3): 381-411 . دوى : 10.1093/بتروج/40.3.381 . ISSN 0022-3530 .
للمزيد من القراءة
- ليندزلي، دونالد هـ.، محرر. (1991). المعادن الأكسيدية: أهميتها البترولوجية والمغناطيسية . مراجعات في علم المعادن. المجلد 25. واشنطن العاصمة: الجمعية المعدنية الأمريكية. ص 509. ISBN 0-939950-30-8.
- ليندزلي، دونالد هـ.، محرر. (2018). المعادن الأكسيدية: أهميتها البترولوجية والمغناطيسية . مراجعات في علم المعادن والكيمياء الجيولوجية. دي جرويتر. ISBN 978-1-5015-0868-4تم الاطلاع عليه بتاريخ 2024-04-08 .
- سكيليت، ب. إيفانز، بي دبليو (1999/03/01). “ثوران جبل بيناتوبو في 15 يونيو 1991. I. توازن المرحلة وما قبل الثوران P – T – fO 2 – fH 2 O ظروف صهارة داسيت”. مجلة علم البترول . 40 (3): 381-411 . دوى : 10.1093/بتروج/40.3.381 . ISSN 0022-3530 .
- أنينبورغ، مايكل؛ أونيل، هيو سانت سي (29 أكتوبر 2019). "الاختزال التأكسدي في الصهارة: تعليق على دراسة حديثة لصخور كايزرشتول البركانية (براونغر وآخرون، مجلة علم الصخور، 59، 1731-1762، 2018) وبعض المفاهيم الخاطئة الأخرى". مجلة علم الصخور . doi : 10.1093/petrology/egz046 .
- الكيمياء غير العضوية
- الصخور النارية
- علم الصخور
- الكيمياء الجيولوجية