السيليكون كأساس جيولوجي

السيليكون، Si، هو أحد العناصر الأساسية في هيكل الأرض الصخري. مع الأكسجين، يهيمن على كيمياء قشرة القارات.

في الظروف الجيولوجية العادية، يرتبط السيليكون بقوة مع الأكسجين. والنتيجة إما السيليكا، SiO₂، أو العائلة الأكبر بكثير من معادن السيليكات، المبنية من رباعيات SiO₄. ترتبط هذه الرباعيات في مجموعات معزولة، سلاسل، صفائح، وهياكل ثلاثية الأبعاد، منتجة معادن مختلفة مثل الأوليفين، البيروكسين، الميكا، الفلسبار، والكوارتز.

الأصل الكوني: كيف صنعت النجوم السيليكون

يتكون السيليكون في النجوم الضخمة خلال مراحل الاحتراق النووي المتأخرة. وعندما تنهي تلك النجوم حياتها في انفجارات السوبرنوفا، يتم تبعثر المواد الحاملة للسيليكون في الفضاء بين النجمي. بعض تلك المواد يتحول إلى غبار في مناطق تكوين النجوم اللاحقة، بما في ذلك حبيبات السيليكات التي تساعد في بناء الأقراص الكوكبية الأولية.

ورثت الأرض السيليكون من هذا الخزان الكوني. بمجرد دمجه في الكوكب الشاب، أصبح السيليكون محبوسًا في الصهارة، معادن الوشاح، الصخور القشرية، الرواسب، ولاحقًا في دورات الرسوبيات والتحول. بهذا المعنى، كل حبة كوارتز وبلورة فلسبار هي منتج جيولوجي وبقايا من الكيمياء النجمية.

دورة السيليكا في قشرة الأرض

يتحرك السيليكون عبر الصخور والمياه والكائنات الحية والرواسب والسوائل. الدورة بطيئة، لكنها واحدة من القصص المركزية للقشرة الأرضية.

مسارات الصخور النارية: كيف تفرز الصهارات السيليكا

تختلف الصهارات في محتوى السيليكا. الصهارات الفيلسكية غنية بالسيليكا وعادة ما تتبلور إلى كوارتز، فلسبار قلوي، بلاجيوكلاز، وميكاس. الصهارات المافية تحتوي على سيليكا أقل ومغنيسيوم وحديد أكثر، مما يفضل معادن مثل الأوليفين، البيروكسين، والبلاجيوكلاز الغني بالكالسيوم.

مع تطور الصهارات عبر التبلور والخلط والامتصاص وتركيز المتطايرات، قد تتركز السيليكا في السوائل المتأخرة. يمكن لهذه السوائل أن تنتج عروق الكوارتز، تجاويف مبطنة بالعقيق، جيوب الأماثيست، وبلورات كوارتز بيجماتيتية.

السيليكا الرسوبية والدياغينية

الكوارتز متين فيزيائيًا ومقاوم كيميائيًا على سطح الأرض، لذا غالبًا ما يبقى بعد التعرض للعوامل الجوية على شكل رمال. تبني هذه الحبيبات الكثبان والشواطئ والحوامل ورمال الحجر الرملي. مع الدفن والتصلب، قد تحافظ الصخور الرملية على سجل طويل للنقل والتدوير والفرز وطاقة الترسيب.

تتحرك السيليكا أيضًا في شكل مذاب. في البيئات البحرية والبحيرات، يمكن أن تتراكم السيليكا البيولوجية من الكائنات الحية على شكل طين، ثم تتحول أثناء الدفن إلى حجر شيرت وفلينت. قد تودع المياه الجوفية أيضًا الكلسيدوني والكوارتز في التجاويف أو الشقوق أو العقيدات، مما ينتج عنه أشرطة العقيق، والجيود، واستبدالات السيليكا للمواد السابقة.

السيليكا المتحولة وتحت الضغط العالي

يعيد التحول المعدني ترتيب الصخور الحاملة للسيليكا دون أن يذيبها بالضرورة. يتحول الحجر الرملي إلى كوارتزيت، وهو صخر قوي مكون من حبيبات كوارتز متشابكة. تحت الضوء المستقطب، قد يكشف الكوارتزيت عن فسيفساء من الحبيبات المشدودة، والاتصالات الملتحمة، والأنسجة المعاد تبلورها.

عند ضغوط أعلى بكثير، يمكن للسيليكا أن تتحول إلى أشكال متعددة أكثر كثافة. الكوزيت مرتبط بالتحول تحت الضغط العالي وظروف الاصطدام، بينما الستيشوفيت هو علامة على الضغط الشديد، خاصة في أحداث الصدمات. نادرًا ما تُصادف هذه الأشكال كبلورات عرضية عادية؛ عادةً ما يتم تأكيدها من خلال التحليل المختبري في عينات جيولوجية متخصصة.

السيليكون العنصري والسيليكون المعدني المكرر

القطع المرئية من السيليكون العنصري عادة ما تكون من صنع الإنسان، وليست بلورات طبيعية تم جمعها من القشرة الأرضية.

تقارير عن وجود السيليكون الطبيعي النقي نادرة وعادة ما تتعلق بحبيبات مجهرية أو سياقات غير عادية مثل النيازك، الأنظمة البركانية، أو البيئات الدقيقة شديدة الاختزال. في الصخور العادية الغنية بالأكسجين، من المرجح أن يوجد السيليكون على شكل سيليكا أو معادن السيليكات.

يبدأ السيليكون المكرر بالكوارتز أو مواد خام غنية بالسيليكا الأخرى. في فرن كهربائي، تتفاعل السيليكا مع الكربون لإنتاج سيليكون بدرجة معدنية وأول أكسيد الكربون. يمكن أن تؤدي المزيد من التنقية إلى إنتاج السيليكون متعدد البلورات للاستخدام في الطاقة الشمسية والإلكترونيات، شرائح السيليكون البلورية المفردة، أو أشكال تقنية أخرى.

SiO₂ الأشكال المتعددة

تظهر السيليكا في عدة أشكال هيكلية. يمكن أن تبقى الصيغة الكيميائية SiO₂ بينما يتغير الترتيب الذري مع درجة الحرارة، الضغط، أو تاريخ الصدمة.

أنواع وأشكال المواد الحاملة للسيليكون

كلمة "سيليكون" تُستخدم غالبًا بشكل فضفاض، لكن الدقة الجيولوجية مهمة. السيليكون العنصري، معادن السيليكا، الأوبال المائي، وكربيد السيليكون مرتبطة كيميائيًا لكنها مختلفة جدًا في الأصل، الهيكل، والعناية.

المصطلحات، الوثائق، والوعي بالمعالجة

المصطلحات الواضحة تمنع الالتباس. يجب أن يعني "السيليكون" العنصر Si. و"السيليكا" تشير إلى SiO₂يشير مصطلح "السيليكات" إلى عائلة المعادن الأكبر المبنية حول رباعيات السليكون والأكسجين. أما "السيليكون" فهو عائلة بوليمرية وليست معدنًا.

• بالنسبة للسيليكون العنصري: وصفه كسيليكون مكرر، أو معدن السيليكون، أو السيليكون متعدد البلورات، أو السيليكون أحادي البلورة عندما يكون معروفًا.
• بالنسبة لأنواع الكوارتز: استخدم أسماء الأنواع المعدنية المعترف بها وميز اللون الطبيعي عن المواد المعالجة بالحرارة أو المشعة عندما يكون ذلك معروفًا.
• بالنسبة للعقيق والكالسيدوني: كشف الصبغ، التثبيت، ملء الشقوق، أو المعالجات الأخرى عندما تكون معروفة أو مشتبه بها.
• بالنسبة للأوبال: ميز بين الأوبال الصلب، والدوبيت، والتريبليت، والأوبال العادي، والأوبال الثمين، والمواد المعالجة أو المثبتة.
• بالنسبة للكويسيت أو الستيشوفيت: توقع وجود وثائق تحليلية. هذه ليست معادن عرض عادية من السيليكا.

العناية والمناولة

تختلف المواد الحاملة للسيليكون بشكل كبير في المتانة. الكوارتز صلب ومستقر؛ الأوبال قد يكون حساسًا للحرارة والجفاف والمواد الكيميائية؛ السيليكون المكسور يمكن أن يقطع الجلد؛ واستنشاق غبار السيليكا خطر خطير.