ما هي كيمياء السيليكا في الصخور النارية؟

درس الجيولوجيين الصخور النارية بشكل مفصل، والسبب في ذلك أنها تعتبر ناتج للعديد من العمليات الجيولوجية في باطن الأرض وخارجها، ووجد بأن الغالبية العظمى من الصخور النارية تتكون من معادن السيليكات (مما يعني أن اللبنات الأساسية للصهارة التي شكلتها مصنوعة من السيليكون Si والأكسجين O)، ولكن تم العثور على تواجد بسيط للصخور النارية الغنية بالكربونات كذلك.

وفي الواقع في عام 1960 اندلعت حمم كربونات الصوديوم (Na2CO3) مع 0.05% من وزن السيليكا (SiO2) من بركان (Ol Doinyo Lengai) في شمال تنزانيا في أفريقيا، وبسبب التواجد المحدود لمثل هذه الصخور النارية الغنية بالكربونات فإن المناقشة التالية ستنظر في كيمياء صخور السيليكات فقط.

ترتبط الأكاسيد الرئيسية للصخور بشكل عام بمحتواها من السيليكا، وتلك الصخور ذات المحتوى المنخفض من السيليكا يتم إثرائها بأكسيد المغنيسيوم (MgO) وأكاسيد الحديد (FeO ،Fe2O3 ،Fe3O4) وتنضب في الصودا (Na2O) والبوتاس ( K2O)، أما تلك التي تحتوي على كمية كبيرة من السيليكا يتم استنفادها في أكسيد المغنيسيوم وأكاسيد الحديد ولكنها غنية بالصودا والبوتاس.

يتم استنفاد كل من أكسيد الكالسيوم (CaO) والألومينا (Al2O3) في الصخور التي تحتوي على نسبة سيليكا أقل من حوالي 45 بالمائة بالوزن، ولكن فوق 45 بالمائة يمكن أن يصل أكسيد الكالسيوم إلى 10 بالمائة ثم تنخفض هذه الكمية تدريجياً مع زيادة السيليكا، والألومينا في الصخور التي تحتوي على أكثر من 45 في المائة من السيليكا تكون عموماً أعلى من 14 في المائة بالوزن تقريباً، وذلك مع وجود أكبر وفرة في محتوى وسيط من السيليكا يبلغ حوالي 56 في المائة بالوزن.

ونظراً لأهمية محتوى السيليكا فقد أصبح من الشائع استخدام هذه الميزة للصخور النارية كأساس لتقسيمها إلى المجموعات التالية: سيليسيك أو فيلسك (أو حمض مصطلح قديم وغير مصداقي ولكنه راسخ للأسف)، صخور لها أكثر من 66 في المئة من السيليكا، صخور تحتوي على 55 إلى 66 في المائة من السيليكا والصخور السفلية التي تحتوي على أقل من 55 في المائة من السيليكا.

كما يمكن تقسيم الأخيرة إلى مجموعتين؛ فالمجموعة الأولى هي مافيك (وهي صخور تحتوي على 45 إلى 55 في المائة من السيليكا والأشعة فوق البنفسجية، وتلك التي تحتوي على أقل من 45 في المائة تسمى الصخور السفلية المخصبة كما هي في الحديد Fe والمغنيسيوم Mg)، والمجموعة الثانية هي فيميك (من حديد الحديد والمغنيسيوم) بينما يشار إلى الصخور السيليكية باسم السياليك (من السيليكا والألمنيوم التي يتم تخصيبها بها ) أو الساليك (من السيليكا والألمنيوم).

يتم استخدام المصطلحات (mafic من المغنيسيوم والحديد الحديدية) و(felsic الفلسبار والسيليكا) بالتبادل مع (femic وsialic)، كما يعكس محتوى السيليكا أيضاً التركيب المعدني للصخور، وعندما تبرد الصهارة وتبدأ في التبلور يتم أخذ السيليكا من الصهارة ليتم دمجها مع الأكاسيد الكاتيونية الأخرى لتشكيل معادن السيليكات.

فعلى سبيل المثال يتم دمج مول واحد من أكسيد السيليكا مع مول واحد من أكسيد المغنيسيوم لصنع البيروكسين الغني بالمغنيسيوم  (MgSiO3)، ومع ذلك في حالة عدم احتواء الصهارة على كمية كافية من السيليكا بالنسبة لأكسيد المغنيسيوم لإنتاج البيروكسين فإن الصهارة ستعوض عن طريق صنع أوليفين مغنيسيوم (فورستريت Mg2SiO4) جنباً إلى جنب مع البيروكسين، حيث يتطلب الأوليفين واحداً نصف كمية السيليكا لكل مول من أكسيد المغنيسيوم.

ومن ناحية أخرى قد تحتوي الصهارة السيليكية على السيليكا الزائدة، بحيث يتبقى بعضها بعد تكوين جميع معادن السيليكات من مزيج الأكاسيد، حيث تتبلور السيليكا الحرة المتبقية على شكل كوارتز أو أشكاله المتعددة، كما تحدث الحالة الأولى عادةً في الصخور السفلية التي تحتوي بشكل مميز على معادن سيليكات مثل المغنيسيوم أوليفين ونيفلين الصوديوم (NaAlSiO4 والذي يتطلب مول واحد فقط من السيليكون لكل مول من الصوديوم Na) وليوسيت (KAlSi2O6 والذي يتطلب فقط 2 مول من السيليكون إلى مول واحد من البوتاسيوم K).

هذه المعادن الثلاثة تحل جزئياً محل إنستاتيت وألبيت (NaAlSi3O8 الذي يتطلب ثلاثة مولات من السيليكون لمول واحد من الصوديوم) وفلدسبار أورثوكلاز (KAlSi3O8 يتطلب ثلاثة مولات من السيليكون لمول واحد من البوتاسيوم) على التوالي، ومن الواضح أن الكوارتز لن يكون موجوداً في هذه الصخور.

والمعادن مثل المغنيسيوم الزبرجد الزيتوني والنفيلين والليوسيت تسمى غير مشبعة (فيما يتعلق بالسيليكا) والصخور تحت السيليكا التي تحتوي عليها تسمى أيضاً غير مشبعة، وفي حالة الصخور التي تحتوي على السيليكا الزائدة ستحتوي الصخور السيليكية على الكوارتز والمغنيسيوم والبيروكسين، والتي تعتبر معادن مشبعة وتسمى الصخور التي تحتوي عليها مفرطة التشبع.

أصل المكونات المعدنية للصخور النارية:

يمكن تقسيم المكونات المعدنية الرئيسية للصخور البركانية إلى مجموعتين: فيلسك (من الفلسبار والسيليكا) ومافيك (من المغنيسيوم والحديد الحديدية)، وتشمل المعادن الفلسية على الكوارتز، التريديميت، الكريستوباليت، الفلسبار (البلاجيوجلاز والفلسبار القلوي)، الفلسبثويد (النيفلين والليوسيت) ، المسكوفيت، والكوراندوم.

ونظراً لأن المعادن الفلزية تفتقر إلى الحديد والمغنيسيوم فهي عادة ما تكون فاتحة اللون، وبالتالي يشار إليها على أنها كذلك أو ليوكوقراطية، تشمل معادن مافيك الزبرجد الزيتوني والبيروكسين والأمفيبولات والبيوتيت وكلها داكنة اللون، كما يقال إن معادن المافيك تكون ميلانوقراطية، كما يمكن تطبيق هذه المصطلحات على الصخور اعتماداً على النسبة النسبية لكل نوع من أنواع المعادن الموجودة، وفي هذا الصدد يعد مصطلح مؤشر اللون الذي يشير إلى النسبة المئوية الإجمالية للصخور التي تحتلها معادن مافيك (mafic) مفيداً.

إن الصخور الفلسية لها مؤشر لوني أقل من 50 في حين أن صخور المافيك لها مؤشر لوني أعلى من 50، وتلك الصخور التي لها مؤشر لوني أعلى من 90 يشار إليها على أنها فوق المافية، يجب استخدام هذه المصطلحات فقط للمحتوى المعدني للصخور النارية؛ لأنها لا ترتبط بالضرورة مباشرة بالمصطلحات الكيميائية.

فعلى سبيل المثال من الشائع العثور على صخرة فلسية تتكون بالكامل تقريبًا من بلاجيوكلاز المعدني، ولكن من الناحية الكيميائية مثل هذه الصخرة هي صخرة مافيك تحت السيليكية، ومثال آخر هو الصخور النارية التي تتكون فقط من البيروكسين، ومن الناحية المعدنية يمكن أن يطلق عليه اسم (ultramafic) ولكن كيميائياً إنه صخرة نارية مافيتة تحتوي على نسبة سيليكا تبلغ حوالي 50 بالمائة.

وقد لوحظ تأثير فرط التشبع ونقص التشبع على المعادن للصخور أعلاه، حيث أنه أثناء تبلور الصهارة لن تتشكل المعادن المفرطة التشبع مع المعادن غير المشبعة، وتشمل المعادن الفائقة التشبع الكوارتز ومتعدد الأشكال وبيروكسين لتقويم العظام منخفض الكالسيوم.

ولا يمكن أن تتعايش هذه مع أي من الفلسبثويدات (على سبيل المثال الليوسيت والنيفلين) أو الزبرجد الزيتوني الغني بالمغنيسيوم، وفي الصخور البركانية التي تم إخمادها (تبريدها بسرعة) بحيث تم بلورة جزء صغير فقط من الصهارة من الممكن العثور على بلورة فورستريت (أوليفين غني بالمغنيسيوم) محاطة بزجاج مشبع أو مفرط التشبع.

إذاً في هذه الحالة قد تتآكل الحافة الخارجية للزبرجد الزيتوني أو يتم استبدالها ببيروكسين غني بالمغنيسيوم (يسمى حافة التفاعل)، وقد كان الزبرجد الزيتوني أول من تمت بلورته لكنه كان في طور التفاعل مع الصهارة المشبعة لتكوين المعدن المشبع عندما أوقف انفجار البركان التفاعل، ولو سمح للصهارة أن تتبلور بالكامل فإن كل الفورستريت قد تحول إلى البيروكسين الغني بالمغنيسيوم وربما تبلور الكوارتز.

أصناف المعادن الشائعة والملحقة في نسيج الصخور النارية:

إن المعادن الملحقة الموجودة في الصخور النارية بكميات قليلة تشمل على المونازيت، الألانيت، الأباتيت، العقيق، الإلمنيت، المغنتيت، التيتانيوم، الإسبنيل والزركون، وقد يكون الزجاج مرحلة رئيسية في بعض الصخور البركانية ولكن عند وجودها توجد عادة بكميات قليلة.

وقد تعرضت الصخور النارية التي تعرضت للعوامل الجوية والمياه الجوفية إلى درجة معينة من التغيير، وقد كانت منتجات التغيير الشائعة هي التلك أو السربنتين المتكون على حساب الزبرجد الزيتوني والكلوريت الذي يحل محل البيروكسين والأمفيبولات وأكاسيد الحديد التي تحل محل أي معادن مافيك ومعادن طينية وإيدوت تكونت من الفلسبار والكالسيت الذي قد يتشكل على حساب أنها حاملة للكالسيوم المعدنية عن طريق التفاعل مع محلول يحمل ثاني أكسيد الكربون (CO2).

وعادة ما يتم تغيير الزجاج إلى معادن طينية وريوليت، ومع ذلك في بعض الحالات خضع الزجاج لعملية إزالة التزجيج (حيث يتم تحويله إلى مادة بلورية) بدأت عن طريق تفاعل الزجاج مع الماء أو عن طريق إعادة التسخين اللاحقة، وتشمل المنتجات الشائعة لإزالة التزجيج الكوارتز ومتعدد الأشكال والفلسبار القلوي وبلاجيوكلاز والبيروكسين والريوليت والطين والكلوريت.

وعادةً ما يتم تحديد نسيج الصخور النارية من خلال حجم وشكل الحبيبات المعدنية المكونة لها والعلاقات المكانية للحبوب الفردية مع بعضها، ومع أي زجاج قد يكون موجوداً، ويمكن وصف النسيج بشكل مستقل عن الكتلة الصخرية بأكملها وتوفر خصائصه الهندسية رؤى قيمة للظروف التي تشكلت فيها الصخر، ومن بين الخصائص الأساسية للصخور النارية هو التبلور والحُبُب وهما مصطلحان يعكسان عن كثب الاختلافات في تكوين الصهارة والاختلافات بين بيئات التكوين البركانية والمتنوعة.

كما تسمى الصخور البلورية التي يمكن من خلالها التعرف على الحبوب المعدنية بالعين المجردة (phanerites) ويسمى نسيجها (phaneritic)، أولئك الذين لديهم حبيبات معدنية صغيرة جداً بحيث لا يمكن حل حدودهم بدون مساعدة عدسة اليد أو المجهر يطلق عليهم اسم (aphanites) ويطلق على نسيجهم اسم (aphanitic).