نبذة تعريفية عن “معادن السيليكا” وصفاتها وأماكن وجودها

1998 الموسوعة الجيولوجية الجزء الخامس

ترجمة أ.د عبد الله الغنيم واخرون

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

معادن السيليكا صفات معادن السيليكا أماكن وجود معادن السيليكا علوم الأرض والجيولوجيا

يوجد ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) في الطبيعة على هيئة تسعة معادن أساسية متعددة الأشكال وتشتمل هذه المعادن على تريديمييت (Tridymite) (عال ومتوسط ومنخفض) – أي المتكون عند درجات حرارة عالية ومتوسطة ومنخفضة على التوالي – وكريستوباليت (Cristobalite) عال ومنخفض وكوسيت (Coesite) وستيشوفيت (Stishovite) بالإضافة إلى كوارتز (Quartz) عال (الفا-  ) وكوارتز منخفض (بيتا – B).

وتختلف هذه المعادن بعضها عن بعض في أنظمتها البلورية وصفاتها البصرية والفيزيائية، كما تختلف كذلك في مجالات استقرارها عند درجات الحرارة والضغط المختلفة، وفي وجودها.

 

ويوجد نوعان من التحولات بين الأشكال المختلفة للمعادن: النوع الأول يعرف بتحولات الإزاحة (displacive transformations) مثل التحولات التي تحدث بين الكوارتز العالي والكوارتز المنخفض، والتي تنتج من إزاحة أو تغير اتجاه الروابط بين السيليكون وذرات الأكسجين ودون الإخلال بها.

وتحدث هذه التحولات بسرعة وفي اتجاهين أي أنها تحولات عكسية. أما النوع الثاني فيعرف بتحولات إعادة البناء (reconstructive transformations) وتسبب هذه التحولات تكسير الروابط الموجودة، وتكوين روابط جديدة مثل تحول التريديمييت إلى كوارتز وبالعكس وتحول الكوارتز إلى ستيشوفيت وبالعكس.

أما من حيث البنية البلورية فإن معادن السيليكا تتبع المجموعة التكتوسيليكاتية، التي تتميز بترابط المجموعات الرباعية (SiO₄) بعضها ببعض لتكون الهيكل الشبكي ذي الأبعاد الثلاثة.

 

وفي جميع البنيات البلورية لمعادن السيليكا باستثناء ستيشوفيت تحاط ذرات السيلكون بأربع ذرات أكسجين مكونة تناسقاً رباعياً.

وترتبط كل ذرة أكسجين بذرتين من السليكون لينتج بناء متعادلاً. أما في الاستيشوفيت فتحاط ذرات السيلكون بست ذرات أكسجين في تناسق ثماني.

تتكون بنية التريديمييت العالي النموذجي من صفائح متوازية من رباعيات الأوجه، عمودية على المحور البلوري (جـ) بينما تشير رباعيات الأوجه المجاورة إلى اتجاهات عكسية (شكل 1 ).

 

ويرتبط الأكسجين في الأركان الأربعة لرباعي الأوجه بالسيليكون في الصفائح السيليكاتية المجاورة، ليكون بناء شبكياً متصلاً من التماثل السداسي.

وتختلف بنية التريديمييت العالي الموجود في النيازك عن بنية التريديمييت النموذجي، ويتميز الأول بتماثل المعيني القائم،(شكل 2).

والتريديمييت المنخفض له بنية ممماثلة إلا أن تحولات الإزاحة تغير من أشكال الصفائح وينتج تماثلاً منخفضاً.

 

ويحتوي التريديمييت الموجود في الصخور البركانية على ثلاثة أنواع من السيليكات المكون للنيازك فيتبع تماثل أحادي الميل.

وذلك لتشوه الحلقات السداسية. ولا يعرف سوى القليل عن بنية التريديمييت المتوسط ومن المعتقد أنها سداسية التماثل.

وتتكون بنية كريستوباليت العالي مثل التريديمييت من صفائح متوازية من رباعيات الأوجه. وينشأ مكعبي من طبقات رباعيات الأوجه الموازنة لـ [111] وذلك نتيجة لتشوه الحلقات السداسية ودوران الصفائح المجاورة بزاوية 60° بالنسبة لبعضها بعضاً.

 

ويتحول هذا التماثل إلى تماثل رباعي إذا ما تأثرت الصفائح السيليكاتية بتشوه آخر عند درجات حرارة منخفضة (شكل 3) .

يحتوي الكوسيت أيضاً على ذرات سيليكون متناسقة مع ذرات الأكسجين في أشكال رباعية (شكل 4) وتتصل أركان الأشكال متعددة الأوجه ببعضها لتكون سلاسل من حلقات رباعية.

وينتج من الروابط بين السلاسل هيك شبكي من تماثل أحادي الميل ترتبط فيه كل ذرة أكسجين بذرتين من السيليكون.

 

يتناسق السيليكون مع الأكسجين في الاستيشوفيت في شكل ثماني الأوجه. وتتصل أحرف وأركان الأشكال المتناسقة متعددة الأوجه لتكون سلاسل سيليكاتية ثمانية الأوجه موازية للمحور البلوري (جـ)، وتنشأ رباعية شبيهة ببنية الروتيل (Rutile).

يتميز الكوارتز المنخفض بتماثل ثلاثي وبنية تختلف عن بنية الكوارتز العالي في عدم انتظام رباعيات الأوجه ودورانها عن وضعها الأصلي، ويتبع ذلك تكسير لروابط السيليكون – أكسجين أو تغير في البناء الذري.

 

الصفات:

تختلف الصفات الطبيعية والبصرية والكيميائية لمعادن السيليكا باختلاف بنيتها البلورية، فالاستيشوفيت ذو النظام الشبكي المغلق (dense packing) له وزن نوعي عال = 4.35

في حين أن التريديمييت والكريستوباليت اللذين يتميزان ببنية متوحة لها وزن نوعي منخفض (2.26 للتريديمييت و 2.32 للكريستوباليت)، وبصفة عامة فالأشكال المعدنية عالية الحرارة لها نظام شبكي مفتوح ووزن نوعي منخفض عن نظائرها من الأشكال منخفضة الحرارة.

وتعتمد معاملات انكسار معادن السيليكا أيضاً على البنيات البلورية ويتناسب متوسط معامل الانكسار طردياً مع الوزن النوعي ويتراوح بين 1.47 للتريديمييت و 1.18 للاستيشوفيت ويوح جدول (1) الصفات البصرية والفيزيائية المميزة لمعادن السيليكا.

وتعتبر التوأمية صفة شائعة في معظم هذه المعادن وكما في حالة الكوارتز تتكون التوأمية في المعتاد نتيجة لتغير الأشكال عالية الحرارة والتماثل إلى أشكال منخفضة الحرارة والتماثل.

تتكون معادن السيليكا كيميائياً من ثاني أكسيد السيليكون النقي، ولكن قد يكتنف الكوارتز ببعض الشوائب وقد توجد بعض العناصر الغريبة أيضاً في التريديمييت والكريستوباليت.

وذلك نتيجة إحلال أيوني مزدوج بين الألومنيوم أو الحديد ثلاثي التكافؤ والسيلكون رباعي التكافؤ، ومعادلة الشحنة الناتجة بكاتيونات أحادية أو ثنائية التكافؤ والتي تمثل الفراغات البينية في النظام المفتوح للمعدنين.

 

وقد يتسبب الإحلال الأيوني في أن تصل نسبة ثاني أكسيد السيليكون في التريديمييت أو الكريستوباليت إلى 95% فقط.

ويوضح شكل (6) مجالات استقرار معادن السيليكا عند درجة الحرارة والضغط المختلفة. تحت ضغط جوي = 1 يتبلور الكوارتز المنخفض عند درجة أقل من 573°س، بينما يتبلور الكوارتز العالي عند درجة أعلى من هذه الدرجة وحتى 870°س.

ويستقر التريديمييت بين 870 و 1470°س والكريستوباليت بين 1470 و 1720°س. ولا يصل الكوسيت أو ستيشوفيت إلى الاستقرار إلا عند ضغط مرتفع.

 

ويحدث التغير بين التريديمييت العالي والتريديمييت المنخفض وبين الكريستوباليت العالي والكريستوباليت المنخفض عند درجات حرارة تتفاوت بين 117 و 163°س وبين 200 و 275°س على التوالي.

وعموماً تختلف درجات حرارة التحول باختلاف التركيب البنائي. ومن الجدير بالذكر أنه أثناء عملية التحول من نوع إلى آخر، يعاود النظام الرباعي المرتبط بعضه مع بعض والمكون للشكل الشبكي ترتيب مجموعاته بما يتناسب مع درجة الحرارة الجديدة.

 

الوجود:

معدن الكوارتز من المعادن شائعة الوجود في الطبيعة، فهو يكون أساساً للصخور النارية الحمضية وكذلك يكون الكوارتز معظم حبيبات الصخور الرسوبية الرملية.

كما يوجد المعدن في كثير من الصخور المتحولة. ويترسب الكوارتز من المحاليل المائية الحرارية ليكون الغث (gangue minerals) الغالب في معظم العروق.

يوجد التريديمييت والكريستوباليت في أرضية الصخور البركانية السيليكاتية مثل الريوليت والتراكيب والانديزيت أو في الفجوات التي بها. ونادراً ما يوجد في صخور البازلت.

 

كما يوجد المعدنان أيضاً في الصخور الرسوبية الرملية، مثل الحجر الرملي والاركوز التي تأثرت بدرجة حرارة عالية نتيجة تحولها بالتماس وفي النيازك وفي بعض صخور القمر.

ويتكون الكريستوباليت والتريديمييت أحياناً نتيجة تحول السيليكا العضوية غير المتبلورة (أوبال opal) في الرسوبيات البحرية إلى كوارتز أثناء عملية تغيرات ما بعد النشأة وذلك على النحو التالي:

أوبال ← كريستوباليت ← كالسيدوني (كوارتز دقيق التبلور ← كوارتز.

 

يوجد الكوسيت والستيشوفيت حول الفوهات العميقة والتي تشبه فوهات البراكين، والتي نتجت من ارتطام الشهب والنيازك بسطح الأرض، ويوجد الكوسيت أيضاً في نيازك التكتيت وفي الأماكن التي تأثرت بانفجارات نووية عنيفة.

كما يوجد كمعدن دخيل في الماس المكون لصخور الكمبرليت (Kimberlite) التي تتبلور على أعماق سحيقة من سطح الأرض وتحت ضغط مرتفع جداً. وبصفة عامة تشير وجود الكوسيت والستيشوفيت إلى بيئة جيولوجية تأثرت بضغط مرتفع جداً.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]