Минеральный окислительно-восстановительный буфер - Mineral redox buffer

Диаграмма летучесть-температура. Регистрация летучести кислорода в зависимости от температуры при давлении 1 бар для обычных буферных сборок, построенная по алгоритмам, составленным Б. Р. Фростом.^[1] (MH, магнетит-гематит; NiNiO, оксид никеля-никеля; FMQ, фаялит-магнетит-кварц; WM, вюстит-магнетит; IW, железо-вюстит; QIF, кварц-железо-фаялит)

В геологии окислительно-восстановительный буфер представляет собой совокупность минералов или соединений, ограничивающих кислород летучесть как функция температуры. Знание редокс условия (или, что то же самое, летучесть кислорода), при которых порода образуется и развивается, могут быть важны для интерпретации истории породы. Утюг, сера, и марганец три из относительно распространенных элементов в земной коре, которые встречаются более чем в одном степень окисления. Например, железо, четвертый по распространенности элемент в коре, существует как самородное железо, двухвалентное железо (Fe²⁺), и трехвалентное железо (Fe³⁺). 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 летучесть кислорода при уравновешивании определяется одной из кривых на прилагаемой диаграмме летучесть-температура.

Общие окислительно-восстановительные буферы и минералогия

Отчасти окислительно-восстановительные буферы были разработаны для контроля летучести кислорода в лабораторных экспериментах по исследованию устойчивости минералов и истории горных пород. Каждая из кривых, представленных на диаграмме «летучесть-температура», относится к реакции окисления, протекающей в буфере. Эти окислительно-восстановительные буферы перечислены здесь в порядке уменьшения летучести кислорода при данной температуре - другими словами, от более окислительных к более восстановительным условиям в нанесенном на график температурном диапазоне. Пока все чистые минералы (или соединения) присутствуют в буферном комплексе, окислительные условия фиксируются на кривой для этого буфера. Давление оказывает лишь незначительное влияние на эти буферные кривые для условий в земной коры.

MH магнетит -гематит

4 Fe₃О₄ + O₂ = 6 Fe₂О₃

NiNiO никель -оксид никеля

2 Ni + O₂ = 2 NiO

FMQ фаялит -магнетит -кварц

3 Fe₂SiO₄ + O₂ = 2 Fe₃О₄ + 3 SiO₂

WM вюстит -магнетит

3 Fe_1-хО + О₂ ~ Fe₃О₄

IW утюг -вюстит

2 (1-х) Fe + O₂ = 2 Fe_1-хО

QIF кварц -утюг -фаялит

2 Fe + SiO₂ + O₂ = Fe₂SiO₄

Минералы, типы пород и характерные буферы

Минералогия и корреляция с окислительно-восстановительным буфером

Соотношение Fe²⁺ в Fe³⁺ в скале частично определяет силикатный минерал и оксидный минерал сборка скалы. В породе заданного химического состава железо входит в минералы в зависимости от общего химического состава и минеральных фаз, которые стабильны при этой 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 Fe³⁺ и гематит является вероятным минералом в железосодержащих породах. Железо может попадать только в минералы, такие как оливин если он присутствует как Fe²⁺; Fe³⁺ не может войти в решетка из фаялит оливин. Элементы оливина, такие как магний, однако стабилизировать оливин, содержащий Fe²⁺ в условиях более окислительных, чем те, которые требуются для стабильности фаялита. Твердый раствор между магнетитом и титан -несущий конечный член, ульвошпинель, увеличивает поле устойчивости магнетита. Аналогичным образом, в условиях более восстановительных, чем буфер IW (железо-вюстит), минералы, такие как пироксен, все еще могут содержать Fe.³⁺. Таким образом, окислительно-восстановительные буферы являются лишь приблизительными показателями пропорций Fe.²⁺ и Fe³⁺ в минералах и горных породах.

Магматические породы

Наземный Магматические породы обычно регистрируют кристаллизацию при кислороде мимолетность более окислительный, чем WM (вюстит -магнетит ) буфер и более, чем на логарифмическую единицу или около того выше буфера из оксида никеля (NiNiO). Таким образом, их окислительные условия не далеки от условий FMQ (фаялит -магнетит -кварц ) окислительно-восстановительный буфер. Тем не менее, существуют систематические различия, которые коррелируют с тектонический параметр. Вулканическая порода установлен и прорвался в островные дуги обычно регистрируют летучесть кислорода на 1 или более логарифмических единиц более окислительно, чем у буфера NiNiO. В отличие, базальт и габбро в установках без дуги обычно регистрируют летучесть кислорода примерно от таковых в буфере FMQ до единицы регистрации или около того, более низкой, чем этот буфер.

Осадочные породы

Условия окисления обычны в некоторых среды осаждения и диагенез осадочных пород. Летучесть кислорода в буфере MH (магнетит -гематит ) всего около 10⁻⁷⁰ при 25 ° C, но это около 0,2 атмосферы в Атмосфера Земли, поэтому некоторые осадочные среды гораздо более окислительны, чем в магмах. Другие осадочные среды, такие как среды для образования черного сланец, относительно сокращаются.

Метаморфических пород

Летучесть кислорода во время метаморфизм простираются до более высоких значений, чем в магматических средах, из-за более окислительного состава, унаследованного от некоторых осадочных пород. Почти чистый гематит присутствует в некоторых метаморфизованных полосчатые железные образования. Напротив, самородный никель-железо присутствует в некоторых серпентиниты.

Внеземные породы

В метеориты, то утюг -вюстит окислительно-восстановительный буфер может быть более подходящим для описания летучести кислорода этих внеземных систем.

Редокс-эффекты и сера

Сульфид минералы, такие как пирит (FeS₂) и пирротин (Fe_1-хS) встречаются во многих рудных месторождениях. Пирит и его полиморф марказит также важны во многих каменный уголь депозиты и сланцы. Эти сульфидные минералы образуются в более восстановительной среде, чем на поверхности Земли. При контакте с окисляющими поверхностными водами сульфиды реагируют: сульфат (SO₄²⁻), а вода становится кислой и заряжается различными элементами, некоторые из которых потенциально токсичны. Последствия могут быть вредными для окружающей среды, как описано в разделе для кислотный дренаж шахты.

Окисление серы до сульфата или диоксид серы также важен для генерации извержений вулканов, богатых серой, таких как Пинатубо в 1991 г. и Эль-Чичон в 1982 г. Эти извержения внесли необычно большие количества диоксида серы в Атмосфера Земли с последующим воздействием на качество атмосферы и климат. В магмы были необычно окисляющими, почти на две единицы больше, чем буфер NiNiO. В сульфат кальция, ангидрит, присутствовал как вкрапленники в извергнутом тефра. Напротив, сульфиды содержат большую часть серы в магмах, более восстанавливающих, чем буфер FMQ.