ΥΛΙΚΑ ΤΗΣ ΓΗΣ ΙI : Κρυσταλλοχημεία και Συστηματική των Ορυκτών 9 η Διάλεξη: Νησοπυριτικά Ορυκτά ΔΙΔΑΣΚΩΝ : Δ. ΠΑΠΟΥΛΗΣ Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Γεωλογίας

ΣΚΟΠΟΙ ΕΝΟΤΗΤΑΣ Διάκριση νησοπυριτικών ορυκτών Χρήσεις και εμφανίσεις νησοπυριτικών ορυκτών 2

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΝΟΤΗΤΑΣ Νησοπυριτικά Ορυκτά (nesosilicates orthosilicates, isolated tetraedra και silicates) 3

ΝΗΣΟΠΥΡΙΤΙΚΑ ΟΡΥΚΤΑ  Απομονωμένα πυριτικά τετράεδρα («Νησιά»)  Τύπος Si-O : (SiO 4 ) -4  Πολύ σπάνια η αντικατάσταση Si από Al  Αναλογία Si/O = 1/4 4

ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΝΗΣΟΠΥΡΙΤΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ Διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: I.Όλα τα Ο -2 ανήκουν σε κάποιο τετράεδρο (ολιβίνης, γρανάτες και ζιρκόνιο) II.Ορισμένα κατιόντα (Al +3, Ti +4 ) συνδιατάσσονται με O -2, τα οποία δεν ανήκουν σε πυριτικό τετράεδρο (Al 2 SiO 5, σταυρόλιθος, χλωριτοειδές, τιτανίτης, τοπάζιο) 5

Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΟΛΙΒΙΝΗ (Mg,Fe) 2 SiO 4  Απομονωμένα μεταξύ τους τετράεδρα  Τα τετράεδρα ενώνονται με κατιόντα σε οκταεδρική συνδιάταξη  Τα τετράεδρα τοποθετούνται με τις κορυφές τους εναλλάξ πάνω και κάτω  Οι σειρές των τετραέδρων εναλλάσσονται, ευρισκόμενες σε διαφορετικά επίπεδα  Τα δύο αυτά επίπεδα έχουν μεταξύ τους σχέση κατοπτρισμού και ολίσθησης κατά τον b. 6

Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΟΛΙΒΙΝΗ (Mg,Fe) 2 SiO 4 (ΣΥΝΕΧΕΙΑ)  Οι οκταεδρικές θέσεις που ενώνουν τα τετράεδρα του ίδιου επιπέδου κατά μήκος του άξονα c ονομάζονται Μ1  Οι Μ1 και τα αντίστοιχα τετράεδρα ενώνονται με αυτά του άλλου επιπέδου με τις οκταεδρικές θέσεις Μ2  Το Mg και ο Fe τοποθετούνται στις οκταεδρικές Μ1 και Μ2 θέσεις.  Οι θέσεις Μ1 και Μ2 αποτελούν παραμορφωμένα οκτάεδρα και η συμμετρία που προκύπτει είναι ορθορομβική 7

ΑΚΡΑΙΑ ΜΕΛΗ ΟΛΙΒΙΝΗ 1.Φορστερίτης (Mg 2 SiO 4 ) 2.Φαϋαλίτης (Fe 2 SiO 4 ) Εικόνα 1: Ακραία μέλη Ολιβίνη (Παπούλης, 2015) 8

ΔΟΜΗ ΟΛΙΒΙΝΗ  Υπάρχει πλήρες στερεό διάλυμα μεταξύ Φορστερίτη-Φαϋαλίτη  Η σύσταση ενός ολιβίνη δίνεται με την περιεκτικότητα του σε Φορστερίτη (Fo)  Έτσι π.χ. Fo 60 σημαίνει ότι ο ολιβίνης αποτελείται από 60% Fo και 40%Fa Υπολογισμός ακραίων μελών Fo = 100xMg/(Mg + Fe +2 + Fe +3 ) Fa = 100x(Fe +2 + Fe +3 )/(Mg + Fe +2 + Fe +3 ) 9

ΔΟΜΗ ΟΛΙΒΙΝΗ 2  Σπάνια εισέρχεται στη δομή του Ολιβίνη και το Mn  Οπότε προκύπτει το ακραίο μέλος Τεφροϊτης : Mn 2 SiO 4  Ο Φορστερίτης έχει υψηλότερο σημείο τήξης από τον Φαϋαλίτη  Τα Mg-ούχα μέλη σχηματίζονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες  Με μείωση της θερμοκρασίας σχηματίζονται τα πιο Fe-ούχα μέλη 10

ΔΟΜΗ ΟΛΙΒΙΝΗ 3  Οι Mg-ούχοι ολιβίνες είναι σχεδόν απίθανο να συνυπάρξουν με χαλαζία λόγω της αντίδρασης  Mg 2 SiO 4 + SiO 2 → Mg 2 Si 2 O 6 Fo Qz En  Σε πολύ υψηλές πιέσεις, όπως στο μανδύα της Γης, ο ολιβίνης δεν είναι σταθερός  Η δομή του μεταπίπτει σε δομή σπινελίου (6-10% πυκνότερη)  Δημιουργούνται δύο πολύμορφα : ο β-σπινέλιος και ο γ-σπινέλιος με κυβική συμμετρία 11

ΔΟΜΗ ΟΛΙΒΙΝΗ 4  Η απότομη αύξηση της ταχύτητας των σεισμικών κυμάτων περίπου στο βάθος 400 km, αποδίδεται σε αυτήν την αλλαγή της δομής του ολιβίνη σε σπινέλιο  Επίσης, οι σεισμοί μεγάλου βάθους θεωρείται ότι προκαλούνται κατά τον μετασχηματισμό αυτών των δομών 12

Η ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΓΡΑΝΑΤΩΝ  Απομονωμένα τετράεδρα διάσπαρτα στο χώρο ενώνονται με δισθενή και τρισθενή κατιόντα  Τα τρισθενή κατιόντα βρίσκονται σε οκταεδρική συνδιάταξη.  Τα δισθενή κατιόντα καταλαμβάνουν τους κενούς χώρους μεταξύ τετραέδρων – οκταέδρων και έχουν αριθμό συνδιάταξης 8 (παραμορφωμένες κυβικές θέσεις)  Παρά την πολυπλοκότητα της δομής, η συμμετρία των γρανατών είναι κυβική 13

ΓΡΑΝΑΤΕΣ - ΓΕΝΙΚΟΣ ΧΗΜΙΚΟΣ ΤΥΠΟΣ Χ 3 Υ 2 (SiO 4 ) 3 X: Δισθενή κατιόντα (Ca +2, Fe +2, Mg +2, Mn +2 ) στις παραμορφωμένες κυβικές θέσεις Y: Τρισθενή κατιόντα (Al +3, Fe +3, Cr +3 ) στις οκταεδρικές θέσεις 14

ΓΡΑΝΑΤΕΣ ΟυγκρανδίτεςΧ.Τ.Dδ.δ.Χρώμα ΟυβαροβίτηςCa 3 Cr 2 (SiO 4 ) 3 3,851,87Έντονο πράσινο Γροσσουλάριο ς Ca 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 3,591,734Άχρωμο, πράσινο ΑνδραδίτηςCa 3 Fe 2 (SiO 4 ) 3 3,861,887Κίτρινο, πράσινο Πίνακες 1 και 2: Γρανάτες (Παπούλης, 2015) 15

ΑΛΟΥΜΙΝΟΠΥΡΙΤΙΚΑ ΟΡΥΚΤΑ - Al 2 SiO 5 Τα αλουμινοπυριτικά περιλαμβάνουν τρία πολύμορφα με χημικό τύπο Al 2 SiO 5 :  Κυανίτης  Σιλλιμανίτης  Ανδαλουσίτης Αν ο χημικός τους τύπος γραφτεί αναλυτικά: AlAlOSiO4 προκύπτει εύκολα ότι πρόκειται για νησοπυριτικά με δύο διαφορετικές δομικές θέσεις για το Al 16

Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΑΝΔΑΛΟΥΣΙΤΗ  Αλυσίδες οκταεδρικών Al +3 (AlO 6 -9 ) εκτείνονται κατά μήκος του άξονα c  Αυτές περιέχουν το μισό Al της σύστασης του ορυκτού  Τα υπόλοιπα Al +3 ενώνονται με αριθμό συνδιάταξης 5 (εξαιρετικά ασυνήθιστος)  Τα πολύεδρα των Al +3 εναλλάσσονται με πυριτικά τετράεδρα  Συμμετρία ορθορομβική 17

Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΣΙΛΛΙΜΑΝΙΤΗ  Αλυσίδες οκταεδρικών Al +3 (AlO 6 -9 ) εκτείνονται κατά μήκος του άξονα c  Αυτές περιέχουν το μισό Al της σύστασης του ορυκτού  Τα υπόλοιπα Al +3 ενώνονται με αριθμό συνδιάταξης 4 18

Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΣΙΛΛΙΜΑΝΙΤΗ (ΣΥΝΕΧΕΙΑ)  Τα πολύεδρα των Al +3 εναλλάσσονται με πυριτικά τετράεδρα  Συμμετρία ορθορομβική  Η εναλλαγή των τετραέδρων Si +4 - Al +3, στην ιδεατή δομή είναι κανονική  Σε ορισμένες περιπτώσεις όμως παρατηρείται μερική αταξία στην εναλλαγή αυτή 19

Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΚΥΑΝΙΤΗ  Αλυσίδες οκταεδρικών Al +3 (AlO 6 -9 ) εκτείνονται κατά μήκος του άξονα c  Αυτές περιέχουν το μισό Al της σύστασης του ορυκτού  Τα υπόλοιπα Al +3 ενώνονται με αριθμό συνδιάταξης 6 οκταεδρική συνδιάταξη  Τα πολύεδρα των Al +3 εναλλάσσονται με πυριτικά τετράεδρα  Συμμετρία τρικλινής 20

ΑΝΔΑΛΟΥΣΙΤΗΣ Εικόνα 2: Ανδαλουσίτης (Παπούλης, 2015) 21

ΣΙΛΛΙΜΑΝΙΤΗΣ Εικόνα 3: Σιλλιμανίτης (Παπούλης, 2015) 22

ΚΥΑΝΙΤΗΣ Εικόνα 4: Κυανίτης (Παπούλης, 2015) 23

ΑΛΟΥΜΙΝΟΠΥΡΙΤΙΚΑ ΟΡΥΚΤΑ Τα τρία πολύμορφα απαντούν σε μεταμορφωμένα πετρώματα πλούσια σε Al Το καθένα σχηματίζεται σε διαφορετικό καθεστώς P-T Αποτελούν χρήσιμους δείκτες προσδιορισμού των συνθηκών μεταμόρφωσης Ο Κυανίτης είναι το πολύμορφο υψηλών πιέσεων Ο Σιλλιμανίτης είναι πολύμορφο υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων Ο Ανδαλουσίτης είναι πολύμορφο υψηλών θερμοκρασιών (χαμηλότερες σε σχέση με τον Σιλλιμανίτη) 24

Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΣΤΑΥΡΟΛΙΘΟΥ (Fe 2 Al 9 O 6 (SiO 4 ) 4 (OH) 2 )  Δομή πολύπλοκη  Το Al +3 βρίσκεται σε οκταεδρική συνδιάταξη και σχηματίζει αλυσίδες κατά μήκος του c  Το Si +4 και ο Fe +2 βρίσκονται σε τετραεδρική συνδιάταξη και ενώνουν τις οκταεδρικές αλυσίδες  Συμμετρία μονοκλινής 25

ΣΤΑΥΡΟΛΙΘΟΣ Εικόνα 5: Σταυρόλιθος (Παπούλης, 2015) 26

Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΤΟΠΑΖΙΟΥ (Al 2 SiO 4 (OH,F) 2 )  Οκταεδρικά Al +3 τοποθετούνται κατά μήκος του άξονα c, καθώς επίσης και τα ιόντα OH -, F  Οι οκταεδρικές αλυσίδες ενώνονται με Si +4 σε τετραεδρική συνδιάταξη 27

ΤΟΠΑΖΙΟ Εικόνα 6: Τοπάζιο (Παπούλης, 2015) 28

Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΖΙΡΚΟΝΙΟΥ (ZrSiO 4 )  Τα απομονωμένα τετράεδρα συγκρατούνται από ιόντα Zr +4 με αριθμό συνδιάταξης 8  Συμμετρία τετραγωνική 29

ΖΙΡΚΟΝΙΟ Εικόνα 7: Ζιρκόνιο (Παπούλης, 2015) 30

Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΤΙΤΑΝΙΤΗ (CaTiSiO 5 )  Αποτελείται από οκταεδρικές θέσεις οι οποίες καταλαμβάνονται από Ti +4 και σχηματίζουν κεκαμένες αλυσίδες  Τα οκτάεδρα συνδέονται μεταξύ τους με τετράεδρα (SiO 4 -4 )  Δημιουργούνται έτσι κενοί χώροι, στους οποίους τοποθετούνται ιόντα Ca +2, με αριθμό συνδιάταξης 7  Συμμετρία μονοκλινής 31

ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΝΗΣΟΠΥΡΙΤΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ  Κόκκοι ολιβίνη χρησιμοποιούνται ως πυρίμαχη άμμος  Ποικιλίες γρανατών αποτελούν ημιπολύτιμους λίθους  Κόκκοι γρανατών χρησιμοποιούνται ως λειαντικά (π.χ. γυαλόχαρτο)  Οι γρανάτες χρησιμοποιούνται σε φίλτρα καθαρισμού νερού σε βιολογικούς καθαρισμούς  Τα αλουμινοπυριτικά ορυκτά, μετά από πύρωση, μετατρέπονται σε μουλίτη και πυρίμαχο γυαλί (πρώτη ύλη για πυρίμαχα και πορσελάνες) 32

ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΝΗΣΟΠΥΡΙΤΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ 2  Ποικιλίες τοπάζιου και ζιρκόνιου αποτελούν πολύτιμους λίθους  Το ζιρκόνιο αποτελεί πηγή μεταλλικού Zr και Hf καθώς και σπανίων γαιών (REE) (αντικαθιστούν το Zr)  Το ζιρκόνιο χρησιμοποιείται επίσης σε πυρηνικούς αντιδραστήρες  Το ζιρκόνιο είναι συστατικό σε πυρότουβλα 33

ΕΜΦΑΝΙΣΕΙΣ ΚΑΙ ΚΟΙΤΑΣΜΑΤΑ ΝΗΣΟΠΥΡΙΤΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ Ολιβίνης 1.Βάβδος Χαλκιδικής 2.Λιβάδι Θεσσαλονίκης 3.Βούρινος Κοζάνης 4.Περιβόλι Γρεβενών Γρανάτης 1.Ξάνθη 2.Δράμα 3.Χαλκιδική 4.Λαύριο 34

ΕΜΦΑΝΙΣΕΙΣ ΚΑΙ ΚΟΙΤΑΣΜΑΤΑ ΝΗΣΟΠΥΡΙΤΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ 2 Αλουμινοπυριτικά Ορυκτά 1.Μαρμαροαμφιβολιτική σειρά Ροδόπης 2.Ξάνθη, Θάσος (κυανίτης)  Σταυρόλιθος 1.Μαρμαροαμφιβολιτική σειρά Ροδόπης 35

ΕΜΦΑΝΙΣΕΙΣ ΝΗΣΟΠΥΡΙΤΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ Πίνακας 3: Εμφανίσεις Νησοπυριτικών ορυκτών (Παπούλης, 2015) 36

ΕΜΦΑΝΙΣΕΙΣ ΝΗΣΟΠΥΡΙΤΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ 2 Πίνακας 4: Εμφανίσεις Νησοπυριτικών ορυκτών (Παπούλης, 2015) 37

ΤΕΛΟΣ ΕΝΟΤΗΤΑΣ 38

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 39

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Δ. Παπούλης (Επίκουρος Καθηγητής). «Υλικά της Γης ΙΙ: Κρυσταλλοχημεία και Συστηματική των Ορυκτών. Διάλεξη 9 η ». Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 40

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 41

Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Όλες οι εικόνες που περιέχονται στην ενότητα 9 προέρχονται από το προσωπικό αρχείο του κ. Δημητρίου Παπούλη. Τέλος Ενότητας 42