Silikat Mineralleri

Şekil 3.12: Bir dörtyüzlü.

Mineraller, bileşimlerine ve yapılarına göre kategorize edilir. Silikat mineralleri, silikon-oksijen tetrahedron adı verilen bir moleküler iyon etrafında inşa edilmiştir. Bir tetrahedron, dört kenarı ve dört köşesi olan piramit benzeri bir şekle sahiptir. Silikat mineralleri, Dünya'nın manto ve kabuğunun büyük çoğunluğunu oluşturan Dünya'daki en büyük mineral grubunu oluşturur. Dünya üzerinde bilinen yaklaşık dört bin mineralin çoğu nadirdir. Yüzeyde yaşayan varlıklar gibi bizim tarafımızdan muhtemelen karşılaşılacak kayaların çoğunu oluşturan sadece birkaç tür bulunmaktadır. Bunlar genellikle kayaç oluşturan mineraller olarak adlandırılır.

Şekil 3.13: Silikat tetrahedron.

Silikon-oksijen tetrahedron (SiO4), merkezde tek bir silikon atomu ve tetrahedronun dört köşesinde bulunan dört oksijen atomundan oluşur. Her bir oksijen iyonu -2 yüke ve silikon iyonu +4 yüke sahiptir. Silisyum iyonu, dört değerlik elektronundan birini dört oksijen iyonunun her biriyle kovalent bir bağda paylaşarak simetrik geometrik dört kenarlı piramit figürü oluşturur. Oksijenin değerlik elektronlarının sadece yarısı paylaşılır, bu da silikon-oksijen tetrahedronuna -4 iyonik yük verir. Bu silikon-oksijen tetrahedron, silikat minerallerinin büyük grubunu oluşturmak için diğer birçok iyon kombinasyonu ile bağlar oluşturur.

Silikon iyonu oksijen iyonlarından çok daha küçüktür (şekillere bakın) ve üstteki top çıkarıldığında (sağdaki şekilde gösterildiği gibi) görülen dört büyük oksijen iyonunun ortasındaki küçük bir boşluğa sığar. Köşe oksijenlerinin değerlik elektronlarından yalnızca biri paylaşıldığından, silikon-oksijen tetrahedronu, diğer silika tetra-hedralarla veya Al+3, Fe+2,+3, Mg+2, K+1, Na+1 ve Ca+2 gibi diğer pozitif yüklü iyonlarla bağ oluşturmak için kimyasal olarak aktif köşelere sahiptir. Orijinal magma kimyası gibi birçok faktöre bağlı olarak, silika-oksijen tetrahedralar diğer tetrahedralarla birkaç farklı konfigürasyonda birleşebilir. Örneğin, tetrahedra izole edilebilir, zincirler, tabakalar veya üç boyutlu yapılar halinde eklenebilir. Bu kombinasyonlar ve diğerleri, silikat mineral gruplarını oluşturan benzersiz kimyasal bileşimler için pozitif yüklü iyonların eklenebileceği kimyasal yapıyı oluşturur.

Koyu Ferromanyezyen Silikatlar

Olivine Ailesi

Şekil 3.14: Bazalt içinde olivin kristalleri.

Olivin, peridotit ve bazalt gibi manto kayalarındaki birincil mineral bileşenidir. Ayrışmadığı zaman karakteristik olarak yeşildir. Kimyasal formülü (Fe,Mg)2SiO4'tür. Daha önce açıklandığı gibi, demir (Fe) ve magnezyum (Mg) arasındaki virgül, bu iki elementin katı bir çözeltide meydana geldiğini gösterir. Sıvı çözelti ile karıştırılmaması gereken katı çözelti, iki veya daha fazla element benzer özelliklere sahip olduğunda ve kristal yapıda aynı konumda birbirinin yerine serbestçe geçebildiğinde oluşur.

Şekil 3.15: Olivinin tetrahedral yapısı.

Olivin, demir ve magnezyumun birbirinin yerine geçebilme özelliği nedeniyle bir mineral ailesi olarak adlandırılır. Olivin ailesindeki demir ve magnezyum, mineral grubu içinde bir uç üye olarak tamamen demirden ve diğer uç üyede tamamen magnezyuma kadar tüm demir ve magnezyum karışımlarından kristaller oluşturabilen bir bileşim serisi oluşturan katı bir çözeltiye işaret eder. Bu uç üyeler arasındaki bileşimlere farklı mineral isimleri verilir. Olivin mineral serisinde, katı çözeltideki demir ve magnezyum iyonları yaklaşık aynı boyut ve yüktedir, bu nedenle her iki atom da büyüyen kristallerde aynı konuma sığabilir. Soğuyan magmanın içindeki mineral kristalleri, katılaşarak magmatik kayaya dönüşene kadar büyümeye devam eder. Ana magmadaki demir ve magnezyumun göreceli miktarları, serideki hangi minerallerin oluşacağını belirler. Manganez (Mn) gibi demir veya magnezyuma benzer özelliklere sahip diğer nadir elementler, küçük miktarlarda olivin kristal yapısına girebilir. Mineral kristallerindeki bu tür iyonik ikameler çok çeşitli minerallerin ortaya çıkmasına neden olur ve genellikle bir grup veya mineral ailesi içindeki renk ve diğer özelliklerdeki farklılıklardan sorumludur. Olivinin saf bir demir uç üyesi (fayalit olarak adlandırılır) ve saf bir magnezyum uç üyesi (forsterit olarak adlandırılır) vardır. Kimyasal olarak olivin çoğunlukla silika, demir ve magnezyumdan oluşur ve bu nedenle koyu renkli ferromagnezyen (demir=ferro, magnezyum=magnezyen) veya mafik mineraller arasında gruplandırılır, kimyasal sembolleri Ma ve Fe'nin kısaltmasıdır. Mafik mineraller koyu renkli ferromagnezyen mineraller olarak da adlandırılır. Ferro demir anlamına gelmektedir. Ferromanyezyen silikatlar, ferromanyezyen olmayan silikatlardan daha yoğun olma eğilimindedir. Yoğunluktaki bu fark, bu minerallerden oluşan magmatik kayaçların davranışını kontrol etmede önemli hale gelir: tektonik bir plakanın dalıp dalmayacağı büyük ölçüde kayaçlarının yoğunluğuna bağlıdır ve bu yoğunluk da onları oluşturan minerallerin yoğunluğu tarafından kontrol edilir.

Olivinin kristal yapısı bağımsız silika tetrahedralardan oluşur. Bağımsız tetrahedral yapıya sahip minerallere neosilikatlar (veya ortosilikatlar) denir. Olivine ek olarak, diğer yaygın neosilikat mineralleri arasında granat, topaz, kiyanit ve zirkon bulunur.

Tetrahedra'nın iki diğer benzer düzenlemesi, neosilikatlara yapı olarak yakın olup, yapısıyla birlikte bir sonraki mineral grubu olan piroksenlere doğru ilerler. Sorosilikatlar olarak adlandırılan bağımsız tetrahedraların bir varyasyonunda, iki tetrahedra arasında bir oksijeni paylaşan ve değerli bir taş olan fıstık yeşili epidot gibi mineralleri içeren mineraller vardır. Bir diğer varyasyon ise, adından da anlaşılacağı üzere dört yüzlü halkalardan oluşan ve beril, zümrüt, akuamarin ve turmalin gibi değerli taşları içeren siklosilikatlardır

Piroksen Ailesi

Şekil 3.16: Piroksen ailesinin bir üyesi olan diyopsit kristalleri.

Piroksen, tipik olarak siyah veya koyu yeşil renkli bir başka koyu ferromagnezyen mineral ailesidir. Piroksen ailesinin üyeleri, demir, magnezyum, alüminyum ve polimerize silika tetrahedralara bağlanmış diğer elementleri içeren karmaşık bir kimyasal bileşime sahiptir. Polimerler zincirler, tabakalar veya üç boyutlu yapılardır ve köşe oksijen atomları aracılığıyla kovalent olarak bağlanmış birden fazla tetrahedra tarafından oluşturulurlar. Piroksenler genellikle peridotit, bazalt ve gabro gibi mafik magmatik kayaçların yanı sıra eklojit ve mavi şist gibi metamorfik kayaçlarda bulunur.

Şekil 3.17: Piroksende tek zincirli tetrahedral yapı.

Piroksenler, tetrahedraların iki köşe oksijeni paylaştığı polimerize silika tetrahedraların uzun, tek zincirlerinden oluşur. Silika zincirleri, metal katyonları tarafından kristal yapılarda birbirine bağlanır. Piroksen ailesinin ortak bir üyesi olan augite, karmaşık bir kimyasal formüle (Ca,Na)(Mg,Fe,Al,Ti)(Si,Al)2O6 sahip birkaç katı çözelti serisi içerir ve bu da bir dizi bireysel mineral ismine yol açar.

Bu tek zincirli kristal yapı, birbirinin yerine serbestçe geçebilen birçok elementle bağ kurar. Piroksen için genelleştirilmiş kimyasal bileşim XZ(Al,Si)2O6'dır. X; Na, Ca, Mg veya Fe iyonlarını ve Z; Mg, Fe veya Al iyonlarını temsil eder. Bu iyonlar benzer iyonik boyutlara sahiptir, bu da aralarında birçok olası ikameye izin verir. Katyonlar kristalde birbirlerinin yerine serbestçe geçebilse de, nihai kristal yapıda dengelenmesi gereken farklı iyonik yükler taşırlar. Örneğin Na +1 yüke sahiptir, ancak Ca +2 yüke sahiptir. Eğer bir Na+ iyonu bir Ca+2 iyonu ile yer değiştirirse, kristalin başka bir yerindeki diğer iyonik yer değiştirmelerle dengelenmesi gereken eşit olmayan bir yük oluşturur. Kristallerdeki katı çözelti serilerinde meydana gelecek yer değiştirmeler için iyonik boyutun iyonik yükten daha önemli olduğunu unutmayın.

Amfibol Ailesi

Şekil 3.18: Ortoklaz içinde uzun hornblend kristalleri.

Amfibol mineralleri polimerize çift silika zincirlerinden oluşur ve inosilikatlar olarak da adlandırılırlar. Her bir tetrahedra üzerinde üçüncü bir oksijeni paylaşarak birbirine bağlanan iki piroksen zinciri düşünün. Amfiboller genellikle magmatik ve metamorfik kayaçlarda bulunur ve tipik olarak uzun kanatlı kristal alışkanlığına sahiptir. En yaygın amfibol olan hornblend genellikle siyahtır; ancak kimyasal bileşimlerine bağlı olarak çeşitli renklerde olabilirler. Metamorfik kayaç olan amfibolit, temel olarak amfibol minerallerinden oluşur.

Şekil 3.19: Hornblende kristalleri.

Amfiboller, silika tetrahedra ile bağlanmış demir, magnezyum, alüminyum ve diğer katyonlardan oluşur. Bu koyu renkli ferromagnezyen mineraller genellikle gabro, bazlt ve diyoritte bulunur ve genellikle granitteki siyah lekeleri oluşturur. Kimyasal formülleri çok karmaşıktır ve genellikle (RSi4O11)2 şeklinde yazılır; burada R birçok farklı katyonu temsil eder. Örneğin, tam olarak AX2Z5((Si,Al,Ti)8O22)(OH,F,Cl,O)2 şeklinde de yazılabilir. Bu formülde A Ca, Na, K, Pb veya boş olabilir; X Li, Na, Mg, Fe, Mn veya Ca'ya eşittir; ve Z Li, Na, Mg, Fe, Mn, Zn, Co, Ni, Al, Cr, Mn, V, Ti veya Zr'dir. İkameler yeşil, siyah, renksiz, beyaz, sarı, mavi veya kahverengi gibi çok çeşitli renkler yaratır. Amfibol kristalleri, büyüyen mineraller ile magmada çözünmüş su arasındaki etkileşimden meydana gelen hidroksit iyonlarını (OH-) da içerebilir.

Şekil 3.20: Çift zincir yapısı.

Levha Silikatlar

Şekil 3.21: Biyotit mika levha kristalleri.

Tabaka silikatlar, alt köşe oksijenlerinin üçünü de paylaşan tetrahedralardan oluşur, böylece üst köşeleri diğer atomlarla bağlanmak için mevcut olan tetrahedra tabakaları oluşturur. Mikalar ve killer, filosilikatlar olarak da bilinen yaygın tabaka silikat türleridir. Mika mineralleri genellikle magmatik ve metamorfik kayaçlarda bulunurken, kil mineralleri daha çok tortul kayaçlarda bulunur. Sıklıkla bulunan iki mikas, sıklıkla granitte bulunan koyu renkli biyotit ve şist adı verilen metamorfik kayada bulunan açık renkli muskovittir.

Şekil 3.22: Muskovit mika kristali.

Kimyasal olarak, tabaka silikatlar genellikle 2:5 oranında silikon ve oksijen içerir (Si4O10). Mikalar çoğunlukla silika, alüminyum ve potasyum içerir. Biyotit mika daha fazla demir ve magnezyuma sahiptir ve ferromagnezyen bir silikat minerali olarak kabul edilir. Muskovit mikaları felsik silikat minerallerine aittir. Felsik, felsik kayaçlardaki baskın mineral olan feldispattan oluşan bir daralmadır.

Şekil 3.24: Bir mikanın kristal yapısı

Mika kristal yapısının gösterimi, K, Al, Mg, Fe ve Si atomları ile bağlanmış köşe O atomlarını, aralarında Fe, Mg veya Al'dan oluşan oktahedral bir tabaka ile bağlantılı tetrahedraların polimerize tabakalarını oluşturduğunu göstermektedir. Sarı potasyum iyonları Van der Waals bağları (atomlar, moleküller ve yüzeyler arasındaki çekim ve itim) oluşturur ve tabakaları bir arada tutar. Van der Waals bağları kovalent ve iyonik bağlardan farklıdır ve burada sandviçler arasında bulunur ve onları bir sandviç yığını halinde bir arada tutar. Van der Waals bağları, tabakalar içindeki bağlara kıyasla zayıftır ve sandviçlerin potasyum tabakaları boyunca ayrılmasına izin verir. Bu, mikaya kolayca tabakalara ayrılma karakteristik özelliğini verir.

Şekil 3.25: Mika "silika sandviç" yapısı. Bu benzetmede, bir "sandviç" ile başlayabilirsiniz: üstteki çörek, sandviçi dolduran anyonlardan oluşan bir "reçel" ile bir silika tabakasıdır. Alttaki çörek ise başka bir silika tabakasıdır. Daha sonra bu sandviçi mevcut bir sandviçin üzerine yerleştirirseniz, iki sandviçi bir arada tutmak için tereyağı kullanabilirsiniz - bu "tereyağı", iki sandviçin alt ve üst çöreklerini (silika tabakaları) bir arada tutan Van der Waals bağlarını oluşturan büyük potasyum iyonları olacaktır.

Kil mineralleri, kayaların ayrışmasıyla oluşan tortularda meydana gelir ve tetrahedral tabaka yapısına sahip bir başka silikat minerali ailesidir. Kil mineralleri karmaşık bir aile oluşturur ve birçok tortul kayacın önemli bir bileşenidir. Diğer tabaka silikatlar metamorfik kayalarda bulunan serpantin ve kloriti içerir.

Şekil 3.26: Kaolinitin yapısı.

Kil mineralleri sulu alüminyum silikatlardan oluşur. Bir kil türü olan kaolinit, açık yüzlü bir sandviç gibi bir yapıya sahiptir; ekmek, tek bir silikon-oksijen tetrahedra tabakası ve tabakaların üst oksijenleri ile oktahedral bir konfigürasyonda yayılmış bir alüminyum tabakasıdır.

Çerçeve Silikatlar

Şekil 3.27: Kristal yüzlerini gösteren serbestçe büyüyen kuvars kristalleri.

Kuvars ve feldispat kıtasal kabukta en bol bulunan iki mineraldir. Aslında, feldispatın kendisi yerkabuğunda en bol bulunan tek mineraldir. Biri potasyum içeren ve kıtasal kabuğun felsik kayaçlarında bol miktarda bulunan, diğeri ise okyanus kabuğunun mafik kayaçlarında bol miktarda bulunan sodyum ve kalsiyum içeren iki tür feldispat vardır. Kuvars ile birlikte bu mineraller çerçeve silikatlar olarak sınıflandırılır. Dört köşe oksijenin tamamının bitişik tetrahedralarla paylaşıldığı üç boyutlu bir silika tetrahedra çerçevesi ile inşa edilmişlerdir. Feldspattaki bu çerçevelerin içinde alüminyum, potasyum, sodyum ve kalsiyum gibi diğer iyonların sığabileceği delikler ve boşluklar bulunur ve bu da çeşitli mineral bileşimlerine ve mineral isimlerine yol açar.

Şekil 3.28: Yerkabuğundaki mineral bolluğu pasta grafiği.

Feldspatlar genellikle granit, riyolit ve bazalt gibi magmatik kayaçların yanı sıra metamorfik kayaçlarda ve detrital tortul kayaçlarda bulunur. Detrital tortul kayaçlar, kum ve çakıl gibi mekanik olarak ayrışmış kaya parçacıklarından oluşur. Kuvars özellikle detrital tortul kayaçlarda bol miktarda bulunur çünkü ayrışma ile parçalanmaya karşı çok dirençlidir. Kuvars, dayanıklılığı nedeniyle Dünya yüzeyinde en bol bulunan mineral olsa da, feldispat mineralleri Dünya'nın kabuğunda en bol bulunan minerallerdir ve kabuğu oluşturan toplam minerallerin yaklaşık %50'sini oluşturur.

Şekil 3.29: Pembe ortoklaz kristalleri.

Kuvars, üç boyutlu bir çerçeve içinde düzenlenmiş tetrahedra ile saf silika, SiO2'den oluşur. Bu çerçevedeki atomlardan oluşan empüriteler, aralarında ametist, gül kuvarsı ve sitrin gibi değerli taşların da bulunduğu birçok kuvars çeşidinin ortaya çıkmasına neden olur. Feldspatlar çoğunlukla silika ile alüminyum, potasyum, sodyum ve kalsiyumdan oluşur. Potasyum feldispat veya K-spar olarak da adlandırılan ortoklaz feldispat (KAlSi3O8) silika, alüminyum ve potasyumdan oluşur. Kuvars ve ortoklaz feldispat felsik minerallerdir. Felsik, bol miktarda silika içeren kıtasal magmatik minerallere ve kayaçlara uygulanan bileşimsel bir terimdir. Diğer bir feldispat ise (Ca,Na)AlSi3O8 formülüne sahip plajiyoklazdır, katı çözelti (Ca,Na) bir dizi minerali gösterir, serinin bir ucu anortit olarak adlandırılan kalsiyum CaAl2Si2O8 ve diğer ucu albit olarak adlandırılan sodyum NaAlSi3O8 içerir. Mineralin Ca++ ve Na+ ikamesine nasıl uyum sağladığına dikkat edin. Bu katı çözelti serisindeki minerallerin farklı mineral isimleri vardır.

Şekil 3.30: Feldspatın kristal yapısı.

Silisyuma benzer bir iyonik boyuta sahip olan alüminyumun tetrahedra içinde silisyumun yerine geçebileceğini unutmayın. Potasyum iyonları, boyutları çok benzer olan sodyum ve kalsiyum iyonlarından çok daha büyük olduğundan, kristal kafesin hem potasyum hem de sodyum/kalsiyumu barındıramaması, sırasıyla ortoklaz ve plajiyoklaz olmak üzere iki feldispat ailesinin ortaya çıkmasına neden olur. Çerçeve silikatlar tektosilikatlar olarak adlandırılır ve alkali metal bakımından zengin feldspatoidleri ve zeolitleri içerir.

Önceki Ders: Minerallerin Oluşumu

Sonraki Ders: Silikat Olmayan Mineraller

Bu Blogda Ara

Üniversite Dersleri