Ի՞նչ է Օլիվինի բյուրեղյա կառուցվածքը:

Օլիվինի բյուրեղային կառուցվածքը բաղկացած է օրթորոմբիկ դասավորությունից, որտեղ մեկուսացված սիլիցիումային-թթվածնային քառատետրերը (SiO4) միացված են մետաղական կատիոններով, որոնք զբաղեցնում են ութանիստ տեղամասերը: Այս կառուցվածքը կարելի է պատկերացնել որպես թթվածնի ատոմների վեցանկյուն, փակ-զանգված՝ ութանիստ դատարկությունների կեսը լցված մագնեզիումի կամ երկաթի իոններով, և քառաերթերի մեկ ութերորդը՝ սիլիցիումով:

Օլիվինի խումբը բյուրեղանում է օրթորոմբիկ բյուրեղային համակարգում՝ Pbnm տիեզերական խմբի ներքո (այլընտրանքային պարամետրերում նաև նշվում է որպես Pnma): Այս հիմնարար համաչափությունը սահմանում է, թե ինչպես են ատոմները դասավորվում բյուրեղային ցանցի ներսում և անմիջականորեն ազդում հանքանյութի ֆիզիկական հատկությունների վրա:

Միավոր բջիջը պարունակում է չորս բանաձևի միավոր (Z=4) և ցուցադրում է երեք անհավասար առանցք, որոնք հատվում են ուղիղ անկյան տակ: Ֆորստերիտի համար (Mg2SiO4), տիպիկ վանդակավոր պարամետրերը մոտավորապես=4.75 Å, b=10.20 Å և c=5.98 Å են: Ֆայալիտում (Fe2SiO4) այս պարամետրերը փոքր-ինչ ընդլայնվում են մինչև=4.82 Å, b=10.48 Å և c=6.09 Å՝ շնորհիվ մագնեզիումի համեմատ երկաթի ավելի մեծ իոնային շառավիղի:

Pbnm տիեզերական խմբի նշանակումը բացահայտում է կառուցվածքային կարևոր մանրամասներ: Տիեզերական այս խումբը պարունակում է հայելային հարթություններ և ինվերսիոն կենտրոն՝ ստեղծելով ատոմային դիրքերի հատուկ համաչափության սահմանափակումներ: Կառուցվածքում գոյություն ունեն բյուրեղագրականորեն տարբեր թթվածնի դիրքեր (O1, O2, O3), որոնցում O1 և O2 ընկած են հայելային հարթությունների վրա, մինչդեռ O3-ը զբաղեցնում է ընդհանուր դիրք՝ առանց հատուկ սիմետրիայի:

Օլիվինի կառուցվածքի հիմքում ընկած է մեկուսացված SiO44- քառաեդրոնը, որտեղ կենտրոնական սիլիցիումի ատոմը կովալենտորեն կապվում է շրջակա թթվածնի չորս ատոմների հետ: Այս քառանիստները լիովին անկախ են-նրանք թթվածնի ատոմներով չեն կիսում հարևան տետրաեդրները՝ դասակարգելով օլիվինը որպես նեսոսիլիկատ կամ օրթոսիլիկատ: Յուրաքանչյուր Si{3}}O կապը չափում է մոտավորապես 1,63-1,66 Å և ցուցադրում է ուժեղ կովալենտային բնույթ:

Տետրաեդրները հերթափոխվում են իրենց կողմնորոշմամբ՝ ուղղելով վեր և վար բյուրեղագրական c-առանցքին զուգահեռ տողերով: Այս փոփոխական դասավորությունը կառուցվածքի ներսում ալիքներ է ստեղծում, որտեղ մետաղական կատիոնները կարող են բնակվել: Սիլիցիումի իոնը զբաղեցնում է միայն մեկ բյուրեղագրական հստակ տեղ, որը նստած է հայելային հարթության վրա, ինչը նշանակում է, որ կառուցվածքում սիլիցիումի բոլոր ատոմները կապված են սիմետրիայի գործողություններով:

Մետաղական կատիոնները (սովորաբար Mg2+ կամ Fe2+) զբաղեցնում են երկու հստակ ութանիստ տեղամասեր, որոնք պիտակավորված են M1 և M2: M1 կայքը գտնվում է ինվերսիոն կենտրոնի վրա և ձևավորում է ավելի աղավաղված ութանիստ՝ շրջապատող թթվածնի վեց ատոմներով: Մետաղական-թթվածնային կապի երկարությունը M1-ում տատանվում է մոտավորապես 2,07-2,13 Å մագնեզիումի համար: M2 տեղանքը գտնվում է հայելային հարթության վրա և ստեղծում է ավելի մեծ, ավելի կանոնավոր ութանիստ՝ MO հեռավորություններով, որոնք ընդգրկում են 2,04-2,21 Å:

M1 և M2 տեղամասերի միջև տարբերությունը նշանակալի հետևանքներ ունի այն բանի համար, թե ինչպես են տարբեր կատիոնները բաշխվում կառուցվածքում: Մագնեզիումի-երկաթի պինդ լուծույթների շարքում Mg²⁺ և Fe2⁺ քիչ նախապատվություն են տալիս տեղանքին-երկուսն էլ զբաղեցնում են M1 և M2 տեղամասերը՝ առանց ուժեղ ընտրողականության: Այնուամենայնիվ, կալցիում{8}}պարունակող օլիվիններում, ինչպիսին է մոնտիցելիտը (CaMgSiO4), ավելի մեծ Ca2+ իոնները նախընտրելիորեն մտնում են ավելի ընդարձակ M2 տեղամասեր, մինչդեռ Mg2+-ը նպաստում է M1 փոքր դիրքերին:

olivine crystal structure

Օլիվինի կառուցվածքը նկարագրելու այլընտրանքային եղանակն ընդգծում է թթվածնային ենթաշերտը: Թթվածնի անիոնները կազմում են մոտավորապես վեցանկյուն փակ-փաթեթավորված (hcp) զանգված, որը դրված է a- առանցքի երկայնքով: Այս շրջանակն ապահովում է փայտամած, որի վրա տեղադրվում են սիլիցիումի և մետաղի կատիոնները:

Այս hcp թթվածնի դասավորության շրջանակներում մետաղական կատիոնները լրացնում են հասանելի ութանիստ բացերի կեսը, մինչդեռ սիլիցիումի ատոմները զբաղեցնում են քառաեզրական բացերի մեկ ութերորդը: Տեղանքի այս ընտրովի զբաղվածությունը ստեղծում է M2SiO4-ի բնորոշ օլիվինային ստոյքիոմետրիա, որտեղ M-ը ներկայացնում է երկվալենտ մետաղական կատիոններ:

Յուրաքանչյուր թթվածնի ատոմ կապվում է մեկ սիլիցիումի և երեք մետաղի ատոմների հետ՝ ստեղծելով խիտ եռաչափ շրջանակ։ Թթվածնի ատոմները համարժեք չեն-թթվածնի երեք տարբեր դիրքերը (O1, O2, O3) ունեն մի փոքր տարբեր կապող միջավայրեր և հեռավորություններ հարևան ատոմներից: Թթվածնի տեղամասերի այս փոփոխությունը նպաստում է ընդհանուր կառուցվածքային բարդությանը և ազդում այնպիսի հատկությունների վրա, ինչպիսիք են ջերմային ընդարձակումը և սեղմելիությունը:

Եզրային-համօգտագործվող ութանիստների շերտերը տարածվում են (100) հարթությանը զուգահեռ՝ խաչաձև-կապված մեկուսացված SiO4 քառանիստով: Այս շերտավոր հատկանիշը հատկապես կարևոր է դառնում կիրառվող լարվածության պայմաններում, քանի որ այն ստեղծում է պոտենցիալ սայթաքման հարթություններ, որոնք ազդում են օլիվինի մեխանիկական և սեյսմիկ հատկությունների վրա Երկրի թիկնոցում:

Օլիվինի բյուրեղային կառուցվածքը պարունակում է անընդհատ պինդ լուծույթ մագնեզիումի վերջի-անդամ ֆորստերիտի (Mg2SiO4) և երկաթի վերջի-անդամ ֆայալիտի (Fe2SiO4) միջև։ Այս ամբողջական խառնելիությունը գոյություն ունի, քանի որ Mg2+ (իոնային շառավիղ ~ 0,72 Å) և Fe2+ (իոնային շառավիղ ~ 0,77 Å) չափերով տարբերվում են ընդամենը մոտ 7%-ով, ինչը թույլ է տալիս նրանց ազատորեն փոխարինել՝ առանց էականորեն աղավաղելու բյուրեղային կառուցվածքը։

Կոմպոզիցիաները պայմանականորեն արտահայտվում են որպես մոլային տոկոսներ, օրինակ՝ Fo₇0Fa₃0 (կամ պարզապես Fo70)՝ նշելով 70% ֆորստերիտ և 30% ֆայալիտ: Բնական օլիվինները մաֆիկ ժայռերից սովորաբար տատանվում են Fo50-ից մինչև Fo₉0, մինչդեռ թիկնոցի օլիվինները հիմնականում ավելի մագնեզիական են՝ Fo₈8-ից մինչև Fo₉2 բաղադրություններով:

Ցանցի պարամետրերը գրեթե գծայինորեն մեծանում են երկաթի պարունակության հետ: Քանի որ Fe2+-ը փոխարինում է Mg2+-ին, միավորի բջիջն ընդլայնվում է, քանի որ երկաթի ավելի մեծ չափերը ատոմները մի փոքր ավելի հեռու են մղում միմյանցից: Այս հարաբերությունն այնքան կանխատեսելի է, որ բջջի միավորի չափերը կարող են օգտագործվել ողջամիտ ճշգրտությամբ օլիվինի բաղադրությունը որոշելու համար:

Բացի Mg-Fe-ի հիմնական փոխարինումից, օլիվինի կառուցվածքը կարող է ներառել փոքր քանակությամբ այլ կատիոններ: Կալցիումը մտնում է կառուցվածքը սահմանափակ քանակությամբ՝ նախընտրելով M2 տեղանքը։ Մանգանը (տեֆրոիտում Mn2SiO4) կարող է ամբողջությամբ փոխարինել մագնեզիումին կամ երկաթին: Նիկելի, քրոմի և նույնիսկ երկաթի (Fe3⁺) հետքի քանակները կարող են փոխարինվել ութանիստ տեղամասերում, թեև ավելի փոքր չափաբաժիններով:

Օլիվինի կառուցվածքը կայուն է մնում միայն հատուկ ճնշման և ջերմաստիճանի պայմաններում: Քանի որ Երկրի ներսում խորությունը մեծանում է, օլիվինի դասավորությունը դառնում է էներգետիկ անբարենպաստ և վերածվում է ավելի խիտ պոլիմորֆների՝ տարբեր բյուրեղային կառուցվածքներով:

Մոտավորապես 410 կմ խորության վրա (համապատասխանում է շուրջ 14 ԳՊա ճնշումներին), օլիվինը ենթարկվում է էկզոտերմիկ փուլի անցում դեպի վադսլեյիտ: Այս փոխակերպումը ներառում է կառուցվածքային զգալի վերադասավորում, որտեղ թթվածնային ենթացանցը վեցանկյուն փակից-փոխվում է դեպի ավելի խորանարդ դասավորություն: Wadsleyite-ը պահպանում է օրթորոմբիկ համաչափությունը, սակայն ընդունում է սպինելի{5}}նման ձևափոխված կառուցվածք՝ սիլիցիումի որոշ ատոմներով ութանիստ կոորդինացման մեջ:

Ավելի խորը Երկրի թիկնոցում, մոտավորապես 520 կմ խորության վրա (18-20 ԳՊա), վադսլիիտը վերածվում է ռինգվուդիտի, որն ընդունում է խորանարդ սպինելի կառուցվածք: Ռինգվուդիտում ամբողջ սիլիցիումը զբաղեցնում է ոչ թե քառանիստ դիրք, այլ ութանիստ տեղամասեր: Այս փուլային անցումները առաջացնում են խտության կտրուկ աճ, որը սեյսմոլոգները հայտնաբերում են որպես սեյսմիկ ալիքների արագությունների ընդհատումներ:

Ճնշումը, որի դեպքում տեղի են ունենում այս անցումները, կախված է ջերմաստիճանից և կազմից: Երկաթի-հարուստ օլիվինը փոխակերպվում է ավելի ցածր ճնշման դեպքում, քան մագնեզիումով հարուստ սորտերը: 800 աստիճանի դեպքում մաքուր ֆորստերիտը վերածվում է վադսլեյիտի 11,8 ԳՊա, մինչդեռ վադսլեյիտի--ռինգվուդիտի անցումը տեղի է ունենում 14 ԳՊա-ից բարձր: Երկաթե ծայրի-անդամ ֆայալիտը բաց է թողնում վադսլեյիտի կառուցվածքը և ավելի ցածր ճնշման դեպքում վերածվում է ուղղակիորեն արենզիտի (երկաթի-կրող ռինգվուդիտի անալոգային):

olivine crystal structure

Օլիվինի կառուցվածքը արձագանքում է անիզոտրոպիկ ճնշմանը-տարբեր բյուրեղագրական ուղղություններով սեղմվում են տարբեր արագություններով: M2 ութանիստը ավելի հեշտությամբ սեղմվում է, քան M1 ութանիստը բոլոր կոմպոզիցիաներում՝ ֆորսթերիտից մինչև ֆայալիտ: Այս դիֆերենցիալ սեղմումը տեղի է ունենում, քանի որ M2 տեղամասն ունի ավելի մեծ սկզբնական ծավալ և ավելի ճկունություն իր կապի կոնֆիգուրացիայի մեջ:

Մինչև 8 ԳՊա մեկ բյուրեղային ռենտգենյան-դիֆրակցիոն հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ M2-O կապի երկարությունը ավելի արագ է կրճատվում, քան M1-O կապերը ճնշման տակ: M1 ութանիստը համեմատաբար ավելի քիչ սեղմելի է դառնում երկաթի պարունակության աճով, ինչը պարադոքսալ կերպով հանգեցնում է նրան, որ զանգվածային մոդուլը (ընդհանուր սեղմման դիմադրությունը) մի փոքր ավելանում է ֆորստերիտից ֆայալիտի, ինչը ի սկզբանե հակաինտուիտիվ արդյունք է, քանի որ երկաթն ավելի ծանր է, քան մագնեզիումը:

Ջերմաստիճանը տարբեր կերպ է ազդում կառուցվածքի վրա: Ջեռուցումը հանգեցնում է միավորի բջիջի ընդլայնմանը, որտեղ b-առանցքը ցույց է տալիս ջերմային ընդարձակման ամենամեծ գործակիցը: Մինչև 900 աստիճան ֆորստերիտի բարձր{3}}ջերմաստիճանի ուսումնասիրությունները ցույց են տալիս, որ M-O կապի երկարությունները համակարգվածորեն աճում են, սակայն հիմնական կառուցվածքային տոպոլոգիան մնում է անփոփոխ մինչև հալման ջերմաստիճանի մոտենալը:

SiO4 քառանիստները նկատելիորեն կոշտ են՝ համեմատած մետաղական-թթվածնային ութաեդրների հետ: Si-O կապի երկարությունները նվազագույնը փոխվում են ճնշման կամ ջերմաստիճանի հետ կապված Si-O կապերի ուժեղ կովալենտային բնույթի պատճառով: Կառուցվածքային ճկունության մեծ մասը առաջանում է M-O կապի երկարությունների և բազմաեզրերի միջև եղած անկյունների ճշգրտումից, այլ ոչ թե հենց բազմաեզրերի սեղմումից:

Օլիվինի կառուցվածքային շրջանակը կարևոր տեխնոլոգիական կիրառություն է գտնումլիթիումի երկաթի ֆոսֆատ մարտկոցներ(LiFePO4 կամ LFP): Որպես կաթոդային նյութ հայտնաբերված 1996 թվականին, լիթիումի երկաթի ֆոսֆատը ընդունում է նույն հիմնարար օլիվինի կառուցվածքի տեսակը, ինչ օլիվինի հանքանյութը, թեև ֆոսֆատային խմբերը փոխարինում են մեկուսացված սիլիկատային տետրահեդերին:

LiFePO4-ում կառուցվածքը պահպանում է օրթորոմբիկ սիմետրիա (տարածության խումբ Pnma/Pbnm) ցանցային պարամետրերով a=6.008 Å, b=10.334 Å և c=4.693 Å: Երկաթի ատոմները զբաղեցնում են ութանիստ տեղամասեր (առաջացնելով FeO6 ութաթևեր), մինչդեռ ֆոսֆորի ատոմները նստած են քառաեդրային տեղամասերում (ձևավորում են PO4 քառաեդրեր), ինչը նման է նրան, թե ինչպես են մետաղի և սիլիցիումի ատոմները դասավորվում հանքային օլիվինի մեջ։

Հիմնական տարբերությունը կայանում է լրացուցիչ լիթիումի կատիոնների մեջ: Լիթիումի իոնները գտնվում են կառուցվածքի ութանիստ ալիքներում, որոնք դասավորված են զիգզագաձև ձևով: Մարտկոցի լիցքավորման և լիցքաթափման ժամանակ լիթիումի իոնները կարող են շրջելիորեն դուրս հանվել և մտցնել այդ ալիքներից՝ առանց փլուզելու հիմնական օլիվինի շրջանակը: Երկաթը ենթարկվում է ռեդոքս ցիկլավորման Fe2+-ի և Fe3+-ի միջև՝ պահպանելու լիցքի հավասարակշռությունը, երբ լիթիումը շարժվում է ներս և դուրս:

Այս կառուցվածքային կայունությունը-ժառանգված է ամուր օլիվինային ճարտարապետությունից-LiFePO₄ մարտկոցներին տալիս է բացառիկ անվտանգության առանձնահատկություններ և երկար ցիկլի կյանք: Ֆոսֆատ քառատետրում առկա P{3}}O կովալենտային ամուր կապերը դիմադրում են թթվածնի արտազատմանը, ինչը կանխում է ջերմային արտազատվող ռեակցիաները, որոնք պատուհասում են լիթիում-իոնային մարտկոցների որոշ այլ քիմիա: Առևտրային LFP մարտկոցները կարող են հասնել ավելի քան 3000 լիցքավորման-լիցքաթափման ցիկլերի՝ պահպանելով հզորությունը:

Օլիվինի կառուցվածքը մի սահմանափակում է դնում. լիթիումի իոնները պետք է ցրվեն մեկ-չափ ալիքներով բյուրեղագրական առանցքների երկայնքով, այլ ոչ թե ազատ շարժվեն եռաչափով: Սա սահմանափակում է իոնային հաղորդունակությունը և արագության հնարավորությունը: Հետազոտողները դա լուծում են նանոկառուցվածքի միջոցով (նվազեցնելով մասնիկների չափը՝ դիֆուզիոն ուղիները կրճատելու համար) և ածխածնային ծածկույթով (էլեկտրոնային հաղորդունակության բարելավում): Փոփոխված տարբերակները, ինչպիսիք են լիթիումի մանգան երկաթի ֆոսֆատը (LMFP) պահպանում են օլիվինի կառուցվածքը, մինչդեռ մանգանը փոխարինում է որոշ երկաթով` գործառնական լարումը բարձրացնելու համար:

Օլիվինի կառուցվածքի ժամանակակից ըմբռնումը հիմնականում բխում է X-ճառագայթների դիֆրակցիայի տեխնիկայից: Ուիլյամ Լոուրենս Բրեգը և Գ.Բ. Բրաունն առաջին անգամ որոշեցին ֆորստերիտի բյուրեղային կառուցվածքը 1926 թվականին՝ օգտագործելով վաղ ռենտգենյան բյուրեղագրության մեթոդները։ Նրանց աշխատանքը հաստատեց օլիվինը, որը կազմված է մեկուսացված SiO4 քառաեզրից-հիմնական պատկերացում սիլիկատային միներալոգիայի համար:

Միակ-ռենտգենյան-դիֆրակցիան մնում է ոսկու ստանդարտ կառուցվածքի ճշգրիտ որոշման համար: Օլիվինի փոքր բյուրեղը (սովորաբար 0,1-0,5 մմ) տեղադրվում է գոնոմետրի վրա և պտտվում ռենտգենյան ճառագայթով: Ստացված դիֆրակցիոն օրինաչափությունը պարունակում է հազարավոր անհատական արտացոլումներ, որոնցից յուրաքանչյուրը ներկայացնում է բյուրեղագրական հարթությունների մի շարք: Բարդ ծրագրակազմը ճշգրտում է ատոմային դիրքերը, ջերմային պարամետրերը և տեղանքի զբաղվածությունը՝ դիտված դիֆրակցիայի ինտենսիվությանը համապատասխանելու համար:

Նեյտրոնների դիֆրակցիան լրացուցիչ տեղեկատվություն է տալիս, հատկապես արժեքավոր ջրածնի ատոմները (ջրային փուլերում) տեղորոշելու և էլեկտրոնների նման քանակով տարրերը տարբերակելու համար, ինչպիսիք են մագնեզիումը և ալյումինը: Նեյտրոնային փորձերը պահանջում են ավելի մեծ բյուրեղներ և նեյտրոնային աղբյուրներով մասնագիտացված սարքավորումներ, բայց դրանք առաջարկում են բարձր ճշգրտություն մագնիսական կառուցվածքների և որոշ լույսի տարրերի դիրքերը որոշելու համար:

Հաղորդման էլեկտրոնային մանրադիտակը (TEM) ուսումնասիրում է օլիվինի կառուցվածքը նանոմաշտաբում՝ բացահայտելով թերություններ, տիրույթի սահմաններ և դիֆրակցիոն մեթոդների համար անտեսանելի տեղային փոփոխություններ։ Բարձր-լուծաչափով TEM-ը կարող է պատկերել առանձին ատոմային սյունակներ՝ ուղղակիորեն պատկերացնելով ատոմների դասավորությունը: Սա հատկապես հզոր է դառնում, երբ ուսումնասիրում են դեֆորմացված նմուշները կամ փուլային անցումները, որտեղ կառուցվածքը տատանվում է փոքր հեռավորությունների վրա:

Raman-ը և ինֆրակարմիր սպեկտրոսկոպիան ուսումնասիրում են օլիվինի կառուցվածքը թրթռման ռեժիմների միջոցով: SiO4 քառաեդրոնն ունի չորս հիմնական թրթռման ռեժիմ, և դրանց հաճախականությունները կախված են Si-O կապի ուժից և շրջակա կառուցվածքային միջավայրից: Կազմը ազդում է այս թրթռումային հաճախությունների վրա կանխատեսելի ձևերով-ֆորստերիտը ցույց է տալիս տարբեր սպեկտրային գագաթներ, քան ֆայալիտը, քանի որ Fe-O կապերն ավելի թույլ են, քան Mg-O կապերը: Այս սպեկտրոսկոպիկ մեթոդները ոչ-կործանարար են աշխատում և կարող են բնութագրել փոքր նմուշները կամ ներդիրները:

Բյուրեղագրական դասավորությունը ուղղակիորեն վերահսկում է օլիվինի դիտելի հատկությունները: Հանքանյութը սովորաբար ձիթապտղի-կանաչ է թվում, քանի որ ութանիստ կոորդինացիայի մեջ գտնվող Fe2+ իոնները կլանում են լույսը որոշակի ալիքի երկարություններում՝ փոխանցելով կանաչը: Մաքուր ֆորստերիտը անգույնից մինչև գունատ դեղին-կանաչ է, մինչդեռ երկաթի-հարուստ բաղադրությունը ավելի մուգ կանաչից մինչև շագանակագույն-սև է:

Օլիվինն ավելի շուտ կոնխոիդային կոտրվածք է ցուցադրում, քան ճեղքվածք, քանի որ ութաեդրների հետ կապված մեկուսացված քառանիստների եռաչափ շրջանակը ստեղծում է հավասարապես ամուր կապեր բոլոր ուղղություններով: Կառուցվածքում թուլության հարթություններ չկան, որոնք համեմատելի են միկաների կամ շերտ սիլիկատների թիթեղային կառուցվածքների հետ: Երբ օլիվինը կոտրվում է, այն անկանոն կոտրվում է կառուցվածքի վրա, այլ ոչ թե ճեղքվում հատուկ բյուրեղագրական հարթությունների երկայնքով:

Օրթորոմբի սիմետրիան ստեղծում է անիզոտրոպ հատկություններ-ֆիզիկական բնութագրերը տարբերվում են բյուրեղագրական ուղղությունից: Սեյսմիկ ալիքների արագությունները տարբերվում են՝ կախված բյուրեղային առանցքների տարածման ուղղությունից: Արագ արագության ուղղությունը համապատասխանում է a{{3}առանցքին, միջին արագությունը` c-առանցքին, իսկ դանդաղ արագությունը` b-առանցքին: Այս սեյսմիկ անիզոտրոպիան թիկնոցի օլիվինում օգնում է երկրաֆիզիկոսներին մեկնաբանել թիկնոցի հոսքի ուղղությունն ու մեծությունը:

Կարծրությունը (6,5{3}}7 Մոհսի սանդղակով) և խտությունը (3,27-3,37 գ/սմ³ ֆորստերիտի համար, 4,39 գ/սմ³ ֆայալիտի համար) երկուսն էլ կապված են կառուցվածքի ամուր փաթեթավորման և մետաղ-թթվածնային կապերի ամրության հետ։ Ավելի խիտ թթվածնային շրջանակը և մետաղ-թթվածին ավելի կարճ հեռավորությունները օլիվինի կառուցվածքում ստեղծում են կոշտ, խիտ հանքանյութ, որը դիմացկուն է քիմիական եղանակներին Երկրի խորը պայմաններում:

olivine crystal structure

Իրական օլիվինի բյուրեղները պարունակում են կառուցվածքային թերություններ, որոնք զգալիորեն ազդում են նրանց վարքի վրա: Կետային թերությունները ներառում են թափուր աշխատատեղեր (բացակայող ատոմներ), ինտերստիցիալներ (հավելյալ ատոմներ սեղմված սովորաբար չզբաղեցված դիրքերում) և փոխարինող թերություններ (սխալ ատոմներ նորմալ տեղամասերում): Այս թերությունները, թեև հազվադեպ են, վերահսկում են դիֆուզիոն արագությունը և էլեկտրական հաղորդունակությունը՝ ստեղծելով իոնային շարժման ուղիներ:

Օլիվինի մեխանիկական հատկությունների վրա գերակշռում են տեղաշարժերը-գծային թերությունները, որտեղ կանոնավոր բյուրեղագրական դասավորությունը քայքայվում է-: Դիսլոկացիայի սողանքը (այս գծային արատների շարժումը բյուրեղի միջով) ներկայացնում է մանթիայի օլիվինի հիմնական դեֆորմացման մեխանիզմը երկրաբանական ժամանակային սանդղակում: Հատուկ սայթաքման համակարգերը (բյուրեղագրական հարթություններ և տեղահանման շարժման ուղղություններ) որոշում են, թե ինչպես են օլիվինի հատիկները դեֆորմացվում և զարգացնում նախընտրելի բյուրեղագրական կողմնորոշումները:

Ընդլայնված թերությունները, ինչպիսիք են հատիկների սահմանները և զույգ սահմանները, ստեղծում են միջերեսներ, որտեղ բյուրեղային կառուցվածքը անցնում է մի կողմնորոշումից մյուսը: Այս սահմանները ազդում են մեխանիկական ուժի վրա և ապահովում են արագ դիֆուզիոն ուղիներ քիմիական փոփոխության համար: Ենթահատիկի սահմանները-ցածր-անկյունների սահմանները, որոնք կազմված են տեղաշարժերի զանգվածներից-զարգանում են դեֆորմացված օլիվինի մեջ և գրանցում դեֆորմացիայի պատմությունը:

Երկրի մակերևույթի վրա օլիվինն արագ եղանակային եղանակ է ունենում՝ չնայած իր ամուր կառուցվածքին: Ջրի մոլեկուլները կարող են թափանցել արատների և հատիկների սահմանների երկայնքով՝ արձագանքելով օլիվինի շրջանակի հետ: Ամենատարածված փոփոխական արտադրանքը սերպենտինն է, որը ձևավորվում է, երբ ջրի մոլեկուլները մտնում են կառուցվածքի մեջ՝ 2Mg2SiO4 + 3H2O → Mg3Si2O5(OH)4 + Mg(OH)2: Այս ռեակցիան ընդլայնում է սկզբնական ծավալը 30-40%-ով և ոչնչացնում է օլիվինի սկզբնական կառուցվածքը՝ այն փոխարինելով թիթեղային սիլիկատային շերտերով։

Այլ փոփոխական արտադրանքները ներառում են iddingsite (երկաթի օքսիդների և կավե հանքանյութերի նուրբ հատիկավոր խառնուրդ) և բոուլինգիտը (հիդրացված երկաթ-սիլիկատներ պարունակող): Փոփոխության այս գործընթացներն ամենաարագ են ընթանում ճեղքերի և բյուրեղների եզրերի երկայնքով, որտեղ ջուրը կարող է ամենահեշտ մուտք գործել կառուցվածք: Ամբողջական կեղծ մորֆ փոխարինումը կարող է տեղի ունենալ, երբ փոփոխված նյութը պահպանում է արտաքին բյուրեղային ձևը, մինչդեռ ներքին կառուցվածքը ամբողջությամբ վերածվում է երկրորդական հանքանյութերի:

Ինչո՞վ է օլիվինի կառուցվածքը տարբերվում այլ սիլիկատային միներալներից:

Օլիվինը պարունակում է մեկուսացված SiO4 տետրաեդրաներ, որոնք միմյանց հետ չեն կիսում թթվածնի ատոմները՝ սահմանելով այն որպես նեսոսիլիկատ: Սա հակադրվում է շղթայական սիլիկատներին (ինչպես պիրոքսենները), թիթեղային սիլիկատներին (ինչպես միկաները) և շրջանակային սիլիկատներին (ինչպես քվարցը), որտեղ տետրաեդրաները կիսում են թթվածինը` ձևավորելով ընդարձակ կառուցվածքներ: Մեկուսացված քառանիստները ստեղծում են խիտ եռ-չափ ցանց, որը միմյանց հետ պահվում է մետաղական-թթվածնային կապերով:

Ինչո՞ւ է օլիվինն ունի երկու տարբեր մետաղական տեղամասեր (M1 և M2):

Օրթորոմբիկ համաչափությունը և թթվածնի ատոմների հատուկ փաթեթավորման դասավորությունը ստեղծում են երկու բյուրեղագրական հստակ ութանիստ դիրքեր՝ մի փոքր տարբեր չափերով և աղավաղումներով: M1-ը նստած է ինվերսիոն կենտրոնի վրա և ավելի փոքր է և ավելի աղավաղված, մինչդեռ M2-ը ընկած է հայելային հարթության վրա և ավելի մեծ է և կանոնավոր: Այս տարբերակումն ազդում է, թե որ կատիոնները որ տեղամասերն են նախընտրում և վերահսկում է նյութի ֆիզիկական հատկությունները:

Ինչպե՞ս է բաղադրությունը ազդում օլիվինի բյուրեղների կառուցվածքի վրա:

Քանի որ երկաթը մագնեզիումին փոխարինում է ֆորստերիտ-ֆայալիտների շարքում, միավորի բջիջը միատեսակ ընդլայնվում է, քանի որ Fe2⁺ ավելի մեծ է, քան Mg2+: Հիմնական կառուցվածքային տոպոլոգիան մնում է անփոփոխ-նույն տիեզերական խումբը, նույն ատոմային դիրքերը, նույն համակարգման միջավայրերը: Կապերի երկարությունը մի փոքր մեծանում է, բայց ատոմների դասավորությունը մնում է սկզբունքորեն նման: Սա թույլ է տալիս ամբողջական ամուր լուծում վերջնական-անդամների միջև:

Կարո՞ղ է օլիվինի կառուցվածքը տեղավորել ջուր կամ այլ ցնդող նյութեր:

Օլիվինի ստանդարտ կառուցվածքը չի պարունակում հիդրօքսիլային խմբեր կամ մոլեկուլային ջուր: Այնուամենայնիվ, ջրածնի հետքային քանակությունները կարող են ներառվել որպես կետային թերություններ-սովորաբար որպես OH խմբեր, որոնք փոխարինում են թթվածնի ատոմներին կամ բնակվում են սովորաբար դատարկ տեղամասերում: Այս «ջրի» պարունակությունը մնում է շատ ցածր (սովորաբար<50 ppm by weight), but even trace hydrogen significantly affects electrical conductivity and diffusion rates. Water content increases with pressure, making transition zone olivine polymorphs potentially important water reservoirs in Earth's deep interior.

Օլիվինի բյուրեղային կառուցվածքը ցուցադրում է հետևյալ հիմնական բնութագրերը.

Բյուրեղյա համակարգՕրթորոմբիկ Pbnm տիեզերական խմբով (կամ Pnma այլընտրանքային պայմաններում)

Ցանցային պարամետրեր:

Ֆորստերիտ՝ a ≈ 4,75 Å, b ≈ 10,20 Å, c ≈ 5,98 Å

Ֆայալիտ՝ a ≈ 4,82 Å, b ≈ 10,48 Å, c ≈ 6,09 Å

ՇինանյութերՄեկուսացված SiO4 քառանիստ միացված մետաղական-թթվածնային ութաեդրների (MO6) միջոցով

Մետաղական կայքերԵրկու տարբեր ութանիստ տեղամասեր (M1 և M2) տարբեր չափերով և աղավաղումներով

Թթվածնի դիրքերըԵրեք բյուրեղագրորեն տարբեր թթվածնային տեղամասեր ասիմետրիկ միավորում

Կառուցվածքային տեսակըՎեցանկյուն փակ-փաթեթավորված թթվածնային զանգված՝ կատիոններով քառասյուն և ութանիստ դատարկություններում

ԴասակարգումՆեսոսիլիկատ (օրթոսիլիկատ)՝ մեկուսացված քառանիստ միավորների պատճառով

ՀամակարգումSi 4-կոորդինացիայի մեջ (չորսանկյուն), M կատիոնները 6-կոորդինացիայի մեջ (ութանիստ)

Այս կառուցվածքային շրջանակը զգալիորեն ամուր է, պահպանելով կայունությունը կոմպոզիցիոն լայն տիրույթներում երկրաբանական միջավայրերում, միևնույն ժամանակ հիմք է ստեղծում առաջադեմ մարտկոցների նյութերի համար տեխնոլոգիական կիրառություններում: Օլիվինի կառուցվածքի ուժեղ կովալենտ Si-O կապերի համակցությունը ճկուն մետաղի-թթվածնի կոորդինացման հետ այն դարձնում է Երկրի ամենակարևոր և բազմակողմանի հանքային կառուցվածքներից մեկը: