Fysische Geologie

Het overgrote deel van de mineralen waaruit de gesteenten van de aardkorst zijn opgebouwd zijn silicaatmineralen. Hiertoe behoren mineralen als kwarts, veldspaat, mica, amfibool, pyroxeen, olivijn, en een grote verscheidenheid aan kleimineralen. De bouwsteen van al deze mineralen is de silica tetraëder, een combinatie van vier zuurstofatomen en één siliciumatoom. Deze zijn zo gerangschikt dat de door de zuurstofatomen getrokken vlakken een tetraëder vormen (figuur 2.6). Aangezien het silicium ion een lading van +4 heeft en elk van de vier zuurstof ionen een lading van -2 heeft, heeft het silica tetraëder een netto lading van -4.

In silicaat mineralen zijn deze tetraëders op verschillende manieren gerangschikt en aan elkaar gekoppeld, van enkelvoudige eenheden tot complexe raamwerken (figuur 2.9). De eenvoudigste silicaatstructuur, die van het mineraal olivijn, is opgebouwd uit geïsoleerde tetraëders die gebonden zijn aan ijzer- en/of magnesiumionen. In olivijn wordt de -4 lading van elke silica tetraëder gecompenseerd door twee tweewaardige (d.w.z. +2) ijzer of magnesium kationen. Olivijn kan zowel Mg2SiO4 als Fe2SiO4 zijn, of een combinatie van beide (Mg,Fe)2SiO4. De tweewaardige kationen van magnesium en ijzer liggen qua radius dicht bij elkaar (0,73 versus 0,62 angstroms). Vanwege deze overeenkomst in grootte, en omdat ze beide tweewaardige kationen zijn (beide hebben een lading van +2), kunnen ijzer en magnesium elkaar gemakkelijk vervangen in olivijn en in vele andere mineralen.

Micas, kleimineralen, serpentijn, chloriet

Tetraëderconfiguratie		Voorbeeld Mineralen
	Isolated (nesosilicaten)	Olivine, granaat, zirkoon, kyaniet
	Paren (sorosilicaten)	Epidoot, zoisiet
	Ringen (cyclosilicaten)	Tourmalijn
	enkelvoudige ketens (inosilicaten)	Pyroxenen, wollastoniet
	Dubbele ketens (inosilicaten)	Amfibolen
	Sheets (fyllosilicaten)
3-dimensionale structuur	Kader (tectosilicaten)	Veldspaten, kwarts, zeoliet

De structuur van het eenkernige silicaat pyroxeen is te zien in de figuren 2.12 en 2.13. In pyroxeen zijn de silica tetraëders met elkaar verbonden in een enkele keten, waarbij één zuurstofion van elke tetraëder gedeeld wordt met de aangrenzende tetraëder, zodat er minder oxygenen in de structuur zijn. Het resultaat is dat de zuurstof-silicium verhouding lager is dan in olivijn (3:1 in plaats van 4:1), en de netto lading per siliciumatoom is minder (-2 in plaats van -4), omdat er minder kationen nodig zijn om die lading in evenwicht te houden. Pyroxeen samenstellingen zijn van het type MgSiO3, FeSiO3, en CaSiO3, of een combinatie van deze. Pyroxeen kan ook geschreven worden als (Mg,Fe,Ca)SiO3, waarbij de elementen tussen de haakjes in elke verhouding aanwezig kunnen zijn. Met andere woorden, pyroxeen heeft één kation voor elke silica tetraëder (b.v. MgSiO3) terwijl olivijn er twee heeft (b.v. Mg2SiO4). Omdat elk siliciumion +4 is en elk zuurstofion -2, geven de drie oxygenen (-6) en het ene silicium (+4) een netto lading van -2 voor de enkele keten van silica tetraëders. In pyroxeen compenseert het ene tweewaardige kation (2+) per tetraëder die -2 lading. In olivijn zijn twee tweewaardige kationen nodig om de -4 lading van een geïsoleerd tetraëder te compenseren.

De structuur van pyroxeen is meer “permissief” dan die van olivijn – dat wil zeggen dat kationen met een breder scala aan ionische stralen erin kunnen passen. Daarom kunnen pyroxenen ijzer- (straal 0,63 Å) of magnesium- (straal 0,72 Å) of calcium- (straal 1,00 Å) kationen hebben.

In amfiboolstructuren zijn de silica tetraëders verbonden in een dubbele keten die een lagere zuurstof-siliciumverhouding heeft dan die van pyroxeen, en dus zijn er nog minder kationen nodig om de lading in evenwicht te houden. Amfibool is nog toleranter dan pyroxeen en zijn samenstellingen kunnen zeer complex zijn. Hornblende, bijvoorbeeld, kan natrium, kalium, calcium, magnesium, ijzer, aluminium, silicium, zuurstof, fluor, en het hydroxyl ion (OH-) bevatten.

In mica structuren, zijn de silica tetraëders gerangschikt in continue bladen, waar elke tetraëder drie zuurstof anionen deelt met aangrenzende tetraëders. Er is zelfs meer deling van oxygenen tussen aangrenzende tetraëders en daarom zijn er minder lading-balancerende kationen nodig voor silicaat mineralen. De binding tussen de platen is relatief zwak, en dit verklaart de goed ontwikkelde splitsing in één richting (figuur 2.14). Biotietmica kan ijzer en/of magnesium bevatten en dat maakt het tot een ferromagnesisch silicaatmineraal (net als olivijn, pyroxeen, en amfibool). Chloriet is een ander soortgelijk mineraal dat gewoonlijk magnesium bevat. In muscoviet mica zijn de enige aanwezige kationen aluminium en kalium; daarom is het een niet-ferromagnesisch silicaatmineraal.

Naast muscoviet, biotiet en chloriet zijn er nog vele andere bladsilicaten (of fyllosilicaten), die meestal voorkomen als fragmenten ter grootte van klei (d.w.z., minder dan 0,004 mm). Hiertoe behoren de kleimineralen kaoliniet, illiet, en smectiet, en hoewel zij moeilijk te bestuderen zijn vanwege hun zeer kleine afmetingen, zijn zij uiterst belangrijke componenten van gesteenten en vooral van bodems.

Alle plaat-silicaat mineralen hebben ook water in hun structuur.

Silica tetraëders zijn gebonden in driedimensionale raamwerken in zowel de veldspaten als in kwarts. Dit zijn niet-ferromagnesische mineralen – ze bevatten geen ijzer of magnesium. Naast de silica tetraëders bevatten veldspaten de kationen aluminium, kalium, natrium, en calcium in verschillende combinaties. Kwarts bevat alleen kiezelzuur tetraëders.

De drie belangrijkste veldspaat mineralen zijn kalium veldspaat, (ook wel K-veldspaat of K-spar genoemd) en twee soorten plagioklaas veldspaat: albiet (alleen natrium) en anorthiet (alleen calcium). Zoals het geval is voor ijzer en magnesium in olivijn, is er een continu bereik van samenstellingen (vaste oplossingsreeksen) tussen albiet en anorthiet in plagioklaas. Dit komt doordat de calcium- en natriumionen bijna identiek in grootte zijn (1,00 Å versus 0,99 Å). Tussenliggende samenstellingen tussen CaAl2Si3O8 en NaAlSi3O8 kunnen bestaan (figuur 2.15). Dit is enigszins verrassend omdat, hoewel ze qua grootte sterk op elkaar lijken, calcium- en natriumionen niet dezelfde lading hebben (Ca2+ versus Na+). Dit probleem wordt verklaard door overeenkomstige substitutie van Al3+ voor Si4+. Daarom is albiet NaAlSi3O8 (één Al en drie Si) terwijl anorthiet CaAl2Si2O8 (twee Al en twee Si) is, en plagioklaas veldspaten van intermediaire samenstelling hebben intermediaire verhoudingen van Al en Si. Dit wordt een “gekoppelde-substitutie” genoemd.

De plagioklaas veldspaten van intermediaire samenstelling zijn oligoklaas (10% tot 30% Ca), andesine (30% tot 50% Ca), labradoriet (50% tot 70% Ca), en bytowniet (70% tot 90% Ca). K-veldspaat (KAlSi3O8) heeft een iets andere structuur dan plagioklaas, vanwege de grotere afmeting van het kaliumion (1,37 Å) en vanwege deze grote afmeting kunnen kalium en natrium elkaar niet gemakkelijk vervangen, behalve bij hoge temperaturen. Deze hoge-temperatuur veldspaten worden waarschijnlijk alleen gevonden in vulkanische gesteenten, omdat intrusieve stollingsgesteenten langzaam genoeg afkoelen tot lage temperaturen om de veldspaten te laten veranderen in een van de lagere-temperatuur vormen.

In kwarts (SiO2) zijn de silica tetraëders in een “perfect” driedimensionaal raamwerk aan elkaar gebonden. Elke tetraëder is gebonden aan vier andere tetraëders (met een zuurstof gedeeld op elke hoek van elke tetraëder), en als gevolg daarvan is de verhouding tussen silicium en zuurstof 1:2. Aangezien het ene siliciumkation een +4 lading heeft en de twee zuurstofanionen elk een -2 lading hebben, is de lading in evenwicht. Er is geen aluminium of een van de andere kationen zoals natrium of kalium nodig. De hardheid en het gebrek aan splijting in kwarts zijn het gevolg van de sterke covalente/ionische bindingen die kenmerkend zijn voor de silica tetraëder.