Suurin osa maankuoren kivistä muodostuvista mineraaleista on silikaattimineraaleja. Näihin kuuluvat mineraalit, kuten kvartsi, maasälpä, kiille, amfiboli, pyrokseeni, oliviini ja suuri valikoima savimineraaleja. Kaikkien näiden mineraalien rakennuspalikka on piidioksiditetraedri, neljän happiatomin ja yhden piiatomin yhdistelmä. Ne on järjestetty siten, että happiatomien läpi vedetyt tasot muodostavat tetraedrin (kuva 2.6). Koska pii-ionin varaus on +4 ja kullakin neljästä happi-ionista on varaus -2, piidioksiditetraedrin nettovaraus on –4.

Silikaattimineraaleissa nämä tetraederit on järjestetty ja yhdistetty toisiinsa monin tavoin, yksiköistä monimutkaisiin kehyksiin (kuva 2.9). Yksinkertaisin silikaattirakenne, mineraalioliviinin rakenne, koostuu eristetyistä tetraedreistä, jotka ovat sitoutuneet rauta- ja / tai magnesiumioneihin. Oliviinissa kunkin piidioksiditetraedrin -4-varaus tasapainotetaan kahdella kaksiarvoisella (ts. +2) rauta- tai magnesiumkationilla. Oliviini voi olla joko Mg2SiO4 tai Fe2SiO4 tai jokin näiden kahden yhdistelmä (Mg, Fe) 2SiO4. Magnesiumin ja raudan kaksiarvoiset kationit ovat melko lähellä sädettä (0,73 vs. 0,62 angströmiä). Tämän koon samankaltaisuuden vuoksi ja koska ne ovat molemmat kaksiarvoisia kationeja (molempien varaus on +2), rauta ja magnesium voivat helposti korvata toisiaan oliviinissa ja monissa muissa mineraaleissa.

Kuva 2.9 Silikaattimineraalien kokoonpanot. Kolmiot edustavat piidioksiditetraedraa.

tetraedrikonfiguraatio		Esimerkkimineraalit
	Eristetty (ei-silikaatit)	Oliviini, granaatti, zirkoni, syaniitti
	Parit (sorosilikaatit)	Epidootti, zoosiitti
	renkaat (syklosilikaatit)	turmaliini
	Yksittäiset ketjut (inosilikaatit)	Pyrokseenit, wollastoniitti
	Kaksoisketjut (inosilikaatit)	Amfibolit
	Levyt (filosilikaatit)	Micat, savimineraalit, serpentiini, kloriitti
3-ulotteiset rakenne	Kehys (tektosilikaatit)	Maasälpä, kvartsi, zeoliitti

Harjoitus 2.3 Tetraedrin luominen

Leikkaa muodon ulkopuolelle (yhtenäiset viivat ja katkoviivat) ja taita sitten yhtenäisiä viivoja pitkin muodostaaksesi tetraedrin.

Jos sinulla on liimaa tai teippiä, kiinnitä välilehdet tetraedriin pitämään sitä yhdessä. Jos sinulla ei ole liimaa tai teippiä, tee siivu ohutta harmaata viivaa pitkin ja aseta terävä kieleke rakoon.

Jos teet tämän luokassa, yritä liittää tetraedrisi muiden kanssa parit, renkaat, yksi- ja kaksinkertaiset ketjut, levyt ja jopa kolmiulotteiset kehykset.

Oliviinissa, toisin kuin useimmissa muissa silikaattimineraaleissa, piidioksiditetraedrat eivät ole sitoutuneet kuhunkin. muut. Ne ovat kuitenkin sitoutuneet rautaan ja / tai magnesiumiin kuvan 2.10 mukaisesti.

Kuten jo todettiin, raudan ja magnesiumin +2 ionit ovat kooltaan samanlaisia (vaikkakaan eivät aivan samanlaisia). Tämä antaa heille mahdollisuuden korvata toiset joillakin silikaattimineraaleilla. Itse asiassa silikaattimineraalien tavallisilla ioneilla on laaja kokovalikoima, kuten kuvassa 2.11 on esitetty. Kaikki esitetyt ionit ovat kationeja paitsi happea. Huomaa, että rauta voi olla sekä +2-ionina (jos se menettää kaksi elektronia ionisoinnin aikana) että +3-ionina (jos se menettää kolme). Fe2 + tunnetaan rautarautana. Fe3 + tunnetaan rautarautana. Ionisäteet ovat kriittisiä silikaattimineraalien koostumukselle, joten viitataan tähän kaavioon uudelleen.

Yksiketjuinen rakenne silikaattipyrokseeni on esitetty kuvioissa 2.12 ja 2.13. Pyrokseenissa piidioksiditetraedra on kytketty yhteen ketjuun, jossa yksi happi-ioni kustakin tetraedrista on jaettu viereisen tetraedrin kanssa, joten rakenteessa on vähemmän oksigeenejä.Tuloksena on, että happi / pii-suhde on pienempi kuin oliviinissa (3: 1 4: 1 sijaan) ja nettovaraus piiatomia kohti on pienempi (–2 eikä –4), koska vähemmän kationeja tarvitaan tasapainottamaan tätä maksua. Pyrokseenikoostumukset ovat tyyppiä MgSi03, FeSi03 ja CaSi03 tai jokin näiden yhdistelmä. Pyrokseeni voidaan kirjoittaa myös nimellä (Mg, Fe, Ca) SiO3, jossa suluissa olevia elementtejä voi olla läsnä missä tahansa suhteessa. Toisin sanoen pyrokseenilla on yksi kationi kullekin piidioksiditetraedrille (esim. MgSi03), kun taas oliviinilla on kaksi (esim. Mg2SiO4). Koska kukin pii-ioni on +4 ja kukin happi-ioni on -2, kolme oksigeeniä (–6) ja yksi pii (+4) antavat nettovarauksen –2 piidioksiditetraedrien yksittäiselle ketjulle. Pyrokseenissa yksi kaksiarvoinen kationi (2+) per tetraedri tasapainottaa tämän -2 varauksen. Oliviinissa tarvitaan kaksi kaksiarvoista kationia tasapainottamaan eristetyn tetraedrin –4-varaus.

Pyrokseenin rakenne on ”sallivampi” kuin oliviinin – mikä tarkoittaa, että kationit, joilla on laajempi ionisäde Siksi pyrokseenit voivat sisältää rautaa (säde 0,63 Å) tai magnesiumia (säde 0,72 Å) tai kalsiumia (säde 1,00 Å).

Harjoitus 2.4 Happipitoisuuden poisto

Alla oleva kaavio kuvaa yhtä ketjua silikaattimineraalissa. Laske tetraedrien määrä verrattuna happi-ionien (keltaiset pallot) lukumäärään. Jokaisella tetraedrilla on yksi pii-ioni, joten tämän pitäisi antaa Si: n ja O: n suhde yksiketjuisissa silikaateissa (esim. Pyrokseeni).

Alla oleva kaavio kuvaa kaksoisketjua silikaattimineraalissa. Laske jälleen tetraedrien määrä verrattuna happi-ionien lukumäärään. Tämän pitäisi antaa Si: n ja O: n suhde kaksiketjuisissa silikaateissa (esim. Amfiboli).

Amfibolirakenteissa piidioksiditetraedra on kytketty kaksoisketjuun, jonka happi / pii-suhde on pienempi kuin pyrokseenilla, ja siksi varauksen tasapainottamiseksi tarvitaan vielä vähemmän kationeja. Amfiboli on vielä sallivampi kuin pyrokseeni ja sen koostumukset voivat olla hyvin monimutkaisia. Esimerkiksi Hornblende voi sisältää natriumia, kaliumia, kalsiumia, magnesiumia, rautaa, alumiinia, piitä, happea, fluoria ja hydroksyyli-ionia (OH–).

Kiillarakenteissa piidioksiditetraedrat on järjestetty jatkuviksi levyiksi, joissa jokaisella tetraedrilla on kolme happianionia vierekkäisten tetraedrien kanssa. Hygienien jakautuminen vierekkäisten tetraedrojen välillä on vieläkin suurempi, joten levysilikaattimineraaleille tarvitaan vähemmän varauksia tasapainottavia kationeja. Arkkien välinen liimaus on suhteellisen heikkoa, ja tämä on hyvin kehittynyt yksisuuntainen pilkkominen (kuva 2.14). Biotiitti-kiille voi sisältää rautaa ja / tai magnesiumia, mikä tekee siitä ferromagneettisen silikaattimineraalin (kuten oliviini, pyrokseeni ja amfiboli). Kloriitti on toinen samanlainen mineraali, joka sisältää yleensä magnesiumia. Muskoviittikiillossa ainoat kationit ovat alumiini ja kalium; siten se on ei-ferromagneettinen silikaattimineraali.

Muskoviitin, biotiitin ja kloriitin lisäksi on monia muita levysilikaatteja (tai filosilikaatteja), jotka yleensä olemassa savikokoisina fragmentteina (ts. alle 0,004 mm). Näihin kuuluvat savimineraalit kaoliniitti, illiitti ja smektiitti, ja vaikka niitä onkin vaikea tutkia erittäin pienen koonsa vuoksi, ne ovat erittäin tärkeitä kivien ja erityisesti maaperän komponentteja.

Kaikki levysilikaatti mineraalien rakenteessa on myös vettä.

Piidioksiditetraederit ovat sitoutuneet kolmiulotteisiin kehyksiin sekä maasälpäissä että kvartsissa. Nämä ovat ei-ferromagneettisia mineraaleja – ne eivät sisällä rautaa tai magnesiumia.Piidioksiditetraedrien lisäksi maasälpä sisältää kationeja alumiini, kalium, natrium ja kalsium erilaisina yhdistelminä. Kvartsi sisältää vain piidioksiditetraedraa.

Kolme tärkeintä maasälpämineraalia ovat kaliummaasälpä (eli K-maasälpä tai K-spar) ja kahden tyyppiset plagioklassiset maasälpä: albiitti (vain natrium) ja anorttiitti (vain kalsium) . Kuten oliviinissa olevan raudan ja magnesiumin tapauksessa, plagioklaasissa on albiitin ja anorttiitin välillä jatkuvasti koostumuksia (kiinteät liuossarjat). Tämä johtuu siitä, että kalsium- ja natriumionien koko on melkein identtinen (1,00 Å vs. 0,99 Å). CaAl2Si3O8: n ja NaAlSi3O8: n väliset välikoostumukset voivat olla olemassa (kuvio 2.15). Tämä on hieman yllättävää, koska vaikka ne ovatkin kooltaan hyvin samanlaisia, kalsium- ja natriumionien varaus ei ole sama (Ca2 + vs. Na +). Tämä ongelma selittyy vastaavalla Al3 +: n korvaamisella Si4 +: lla. Siksi albiitti on NaAlSi3O8 (yksi Al ja kolme Si), kun taas anortiitti on CaAl2Si2O8 (kaksi AI ja kaksi Si), ja välikoostumuksella varustetuissa plagioklaseen maasälpäissä on välitön määrä Al: a ja Si: tä. Tätä kutsutaan ”kytketyksi substituutioksi”.

Väliaikaisen koostumuksen plagioklaasiset maasälpät ovat oligoklaasia (10% – 30% Ca), andesiinia (30% – 50% Ca), labradoriittia (50% – 70%). K-maasälpäillä (KAlSi3O8) on hiukan erilainen rakenne kuin plagioklaasilla, johtuen suuremman kaliumionin koosta (1,37 Å) ja tämän suuren koon vuoksi. , kalium ja natrium eivät korvaa helposti toisiaan paitsi korkeissa lämpötiloissa.Näitä korkean lämpötilan maasälpäitä esiintyy todennäköisesti vain tulivuorikivissä, koska tunkeilevat magmakivikylmät jäähtyvät riittävän hitaasti mataliin lämpötiloihin, jotta maasälpä muuttuu yhdeksi alemman lämpötilan muodot.

Kvartsissa (SiO2) piidioksiditetraederit ovat sitoutuneet ”täydelliseen” kolmiulotteiseen kehykseen. Jokainen tetraedri on sitoutunut neljään muuhun tetraedriin (hapen ollessa jaettu jokaisen tetraedrin jokaisessa kulmassa), ja seurauksena piin ja hapen suhde on 1: 2. Koska yhdellä piikationilla on +4 varausta ja kahdella hapen anionilla on kullakin -2 varausta, varaus on tasapainossa. Ei tarvita alumiinia tai muita kationeja, kuten natrium tai kalium. Kvartsin kovuus ja pilkkoutumisen puute johtuvat piidioksiditetraedrille tyypillisistä voimakkaista kovalenttisista / ionisidoksista.