Kisel: Bildning & Geologiska Varianter
Dela
Bildning, geologi och varianter
Kisel: Från stjärnaska till kvarts, sand, opal och halvledarkristall
En geologisk och materialöversikt av kisel, elementet som utgör grunden för större delen av jordens steniga skorpa: hur det bildas i stjärnor, färdas genom planetära cykler, förekommer som kiseldioxid och silikater, och blir raffinerat elementärt kisel i modern teknik.
- Si
- Elementärt kisel
- Kiseldioxid: SiO2
- Silikatmineral
- Kvarts, kalcedon, opal
Kisel påträffas sällan i naturen som fritt element. Det är vanligtvis bundet till syre som kiseldioxid eller inbyggt i silikatmineral, den strukturella ramen för de flesta bergarter. Samma element som bildar kvartsådror, fältspatrik granit, flinta, agat och opal blir också raffinerat kisels metal, polykrystallint råmaterial och enkristallina skivor genom mänsklig bearbetning.
Kisel som geologisk grund
Kisel, Si, är ett av de stora ramverksämnena i den steniga jorden. Tillsammans med syre dominerar det kemin i den kontinentala jordskorpan.
I vanliga geologiska miljöer binder kisel starkt med syre. Resultatet är antingen kiseldioxid, SiO2, eller den mycket större familjen av silikatmineral, byggda av SiO4-tetraedrar. Dessa tetraedrar länkas ihop i isolerade grupper, kedjor, skikt och tredimensionella ramverk, vilket ger mineral så olika som olivin, pyroxen, glimmer, fältspat och kvarts.
Kisel
Elementet Si. Elementärt kisel är en metalloid och är ovanligt som naturligt mineral i synliga prover.
Kiseloxid
Kiseldioxid, SiO2Kvarts, kalcedon, flinta, flint, kristobalit, kösit och stishovit är alla former av kiseldioxid eller kiselsrika material.
Silikater
En enorm mineralfamilj byggd av kisel-syre-tetraedrar kombinerade med andra element som aluminium, magnesium, järn, kalcium, natrium och kalium.
Syre och kisel utgör tillsammans största delen av den kontinentala jordskorpan efter vikt, vilket är anledningen till att kvarts, fältspat, glimmer, lermineraler och andra silikater är så vanliga i landskap och bergssamlingar.
Kosmiskt ursprung: Hur stjärnor skapade kisel
Kisel bildas i massiva stjärnor under sena stadier av kärnbränning. När dessa stjärnor avslutar sina liv i supernovor sprids kiselförande material ut i det interstellära rummet. En del av detta material blir till damm i senare stjärnbildande regioner, inklusive silikatkorn som hjälper till att bygga protoplanetära skivor.
Jorden ärvde kisel från detta kosmiska reservoar. När det väl införlivades i den unga planeten blev kisel bundet i magma, mantelmieral, skorpebergarter, sediment och senare sedimentära och metamorfa cykler. I denna mening är varje kvartskorn och fältspatskristall både en geologisk produkt och en kvarleva av stjärnkemin.
Kiseldioxidcykeln i jordskorpan
Kisel rör sig genom bergarter, vatten, organismer, sediment och vätskor. Cykeln är långsam, men är en av de centrala processerna i jordskorpan.
Vittring
Silikatmineral bryts ner vid jordens yta. Kemisk vittring frigör löst kiseldioxid och hjälper till att bilda lermineral som kaolinit och smektit.
Transport
Floder, grundvatten och havsvatten transporterar löst kiseldioxid och kvartskorn genom landskap, flodslätter, stränder och marina bassänger.
Biogen upptagning
Diatomer, radiolarier och svampar använder löst kiseldioxid för att bygga opalina skelett. Deras rester kan samlas som kiselslam.
Diagenes
Vid begravning omorganiseras opal-A ofta till opal-CT och slutligen till mikrokristallin kvarts, vilket bildar flinta, flintsten och relaterade kiselsyrabergarter.
Magmatiska vägar: Hur magmor sorterar kiseldioxid
Magmor skiljer sig åt i sitt kiselinnehåll. Felsiska magmor är kiselsrika och kristalliserar ofta kvarts, alkalifältspat, plagioklas och mika. Mafiska magmor innehåller mindre kiseldioxid och mer magnesium och järn, vilket gynnar mineral som olivin, pyroxen och kalciumrik plagioklas.
När magmor utvecklas genom kristallisation, blandning, assimilation och koncentration av flyktiga ämnen kan kiseldioxid koncentreras i vätskor i sena skeden. Dessa vätskor kan bilda kvartsådror, agatklädda håligheter, ametistfickor och pegmatitiska kvartskristaller.
| Magmatyp | Typisk SiO2 intervall | Representativa bergarter | Vanliga kiselförande mineral |
|---|---|---|---|
| Felsisk | Ungefär 65–77% | Granite, ryolit, pegmatit | Kvarts, kalifältspat, plagioklas, muskovit |
| Mellanliggande | Ungefär 55–65% | Diorit, andesit | Plagioklas, amfibol, biotit, ibland kvarts |
| Mafisk | Ungefär 45–55% | Gabbro, basalt | Pyroxen, olivin, kalciumrik plagioklas |
Sedimentär och diagenetisk kiseldioxid
Kvarts är fysiskt hållbart och kemiskt resistent vid jordens yta, så det överlever ofta vittring som sand. Dessa korn bygger upp sanddyner, stränder, sandbankar och sandstenar. Vid begravning och cementering kan sandstenar bevara en lång historia av transport, avrundning, sortering och avsättningsenergi.
Kiseldioxid rör sig också i löst form. I marina och sjömiljöer kan biogen kiseldioxid från organismer ackumuleras som slem, som sedan omvandlas under begravning till flinta och flintsten. Grundvatten kan också avsätta kalcedon och kvarts i håligheter, sprickor eller noduler, vilket bildar agatband, geoder och kiselerättningar av tidigare material.
Kvartssand
Rundade kvartskorn visar transport av vind, floder, vågor eller glaciärer. Ren kvartsrik sand kan senare bli kvartsarenit.
Kiseldolomit och flinta
Finkorniga kiselsorter bildade genom diagenes, ersättning eller direkt utfällning. Många bryts med skarpa konkoidala brott.
Agat och kalcedon
Fiberrik mikrokristallin kiseldioxid som avsätts i pulser från kiseldioxidrika vätskor, ofta i vulkaniska håligheter eller sprickor.
Metamorfa och högtrycks-kiseldioxid
Metamorfos omarrangerar kiseldioxidbärande bergarter utan att nödvändigtvis smälta dem. Sandsten omkristalliseras till kvartsit, en hård bergart bestående av sammanlänkade kvartskorn. Under polariserat ljus kan kvartsit visa en mosaik av påverkade korn, sammanfogade kontakter och omkristalliserade strukturer.
Vid mycket högre tryck kan kiseldioxid omvandlas till tätare polymorfer. Coesit är förknippat med högtrycksmetamorfos och nedslagsmiljöer, medan stishovit är ett kännetecken för extremt tryck, särskilt chockhändelser. Dessa former påträffas sällan som vanliga visningskristaller; de bekräftas vanligtvis genom laboratorieanalys i specialiserade geologiska prover.
Elementärt kisel och raffinerat kisels metal
Synliga bitar av elementärt kisel är vanligtvis människotillverkade, inte naturliga kristaller insamlade från jordskorpan.
Rapporter om naturligt natursilikon är sällsynta och involverar vanligtvis mikroskopiska korn eller ovanliga sammanhang som meteoriter, vulkaniska system eller starkt reducerande mikro-miljöer. I vanliga syre-rika bergarter förekommer kisel oftare som kiseldioxid eller silikatmineraler.
Raffinerat kisel börjar med kvarts eller annat kiseldioxidrikt råmaterial. I en elektrisk ugn reagerar kiseldioxid med kol för att producera metallurgiskt kisel och kolmonoxid. Ytterligare rening kan ge polykrystallint kisel för sol- och elektronikråmaterial, enkristallina kiselskivor eller andra tekniska former.
Metallurgiskt kisel
Produceras genom karbotermisk reduktion av kiseldioxid. Det är grunden för många industriella kiselsorter och vidare reningsmetoder.
Polykrystallint kisel
Består av många sammanlänkade kristaller. Brutna bitar kan visa silvergrå, metalliska ytor och skarpa, skal-liknande brott.
Enkristallina skivor
Framställda genom kontrollerade kristallmetoder som Czochralski eller float-zone-tillväxt. Dessa skivor är den raffinerade formen som är förknippad med mikroelektronik och vissa solarteknologier.
Brutet kisel kan ha skarpa, flintliknande kanter. Färdiga bitar bör hanteras varsamt, men kisel bör inte slipas, borras eller nötas utan lämpliga tekniska kontroller.
SiO2 Polymorfer
Kiseldioxid förekommer i flera strukturella former. Den kemiska formeln kan förbli SiO2 medan atomarrangemanget ändras med temperatur, tryck eller stötvågs historia.
| Form | Typiskt sammanhang | Geologisk betydelse | Vanlig synlighet |
|---|---|---|---|
| Kvarts | Låga till måttliga temperaturer i jordskorpan | Den vanligaste kristallina kiseldioxidformen i vanliga bergarter och ådror. | Vanlig som kristaller, ådror, geoder, sand och kvartsiter. |
| Tridymit | Högtemperatur vulkaniska miljöer | Registrerar specialiserade vulkaniska förhållanden. | Vanligtvis små och bäst studerade petrograpfiskt. |
| Kristobalit | Högtemperatur vulkaniska bergarter och kiseldioxidrika glas | Kan bildas i vulkaniska håligheter, obsidian och devitrifierat glas. | Ibland synlig som sferulitiska strukturer; ofta mikroskopisk. |
| Koesit | Högtrycksmetamorfa och nedslagssammanhang | En markör för djup begravning, subduktion eller tryck från stötvågor. | Sällsynt; kräver vanligtvis laboratoriebekräftelse. |
| Stishovit | Extremtrycksmiljöer, särskilt vid nedslagssjock | Indikerar mycket högt tryck vid bildning. | Sällsynt i vanliga samlingar; analytisk bekräftelse är nödvändig. |
| Opal | Lågtemperaturutfällning av kiseldioxid | Hydrerad, icke-kristallin till svagt kristallin kiseldioxid; ädelopal visar diffraktion från ordnade kiseldioxidsfärer. | Vanligt i dekorativa och ädelstenssammanhang, men mer känsligt än kvarts. |
Varianter och former av kiselförande material
Ordet ”kisel” används ofta löst, men geologisk precision är viktig. Elementärt kisel, kiseldioxidmineral, hydrerad opal och kiselkarbid är kemiskt relaterade men mycket olika i ursprung, struktur och hantering.
| Kategori | Vad det är | Typiskt utseende | Bildningssammanhang |
|---|---|---|---|
| Elementärt kisel | Si, vanligtvis raffinerat av människor | Silvergrå klumpar, skivor eller tekniska fragment med metalliskt utseende. | Produceras från kiseldioxid och kol, sedan renat för industriellt eller elektroniskt bruk. |
| Makrokristallin kvarts | Kristallin SiO2 | Klart, vitt, lila, gult, rökigt, rosa eller inklusionsrika kristaller och geoder. | Hydrotermala ådror, pegmatiter, håligheter, vuggar och metamorfa bergarter. |
| Kalcédon och agat | Mikrokristallin till kryptokristallin kiseldioxid | Vaxartade, bandade, genomskinliga eller ogenomskinliga massor; inkluderar agat, jaspis, flinta och flintsten. | Vätskedeponering, diagenetisk ersättning, hålfyllning och kiseldioxidrika grundvattensystem. |
| Opal | Hydrerad amorf kiseldioxid | Vanlig opal, ädelopal, eldopal och opaliserat material. | Lågtemperaturutfällning av kiseldioxid i sprickor, sediment, vulkaniska bergarter eller vittrade profiler. |
| Kiselkarbid | SiC, känt som naturlig moissanit eller syntetisk karborundum | Slipad moissanit, iriserande syntetiska kluster, slipmedelskorn eller tekniska skivor. | Naturlig moissanit är sällsynt; det mesta synliga SiC är laboratorie- eller ugnstillverkat. |
Ametist
Lila kvarts färgad av järnrelaterade färgcentra och bestrålning. Vanligt förekommande i geoder och hydrotermala håligheter.
Citrin
Gul till honungsfärgad kvarts. Viss citrin är naturlig; mycket kommersiellt material är värmebehandlad ametist eller rökig kvarts.
Rökig kvarts
Grå till brun kvarts färgad av naturlig strålning som interagerar med aluminiumrelaterade defekter.
Rosakvarts
Rosa kvarts vars färg kan bero på spårämnen, defekter eller fina fibrösa inklusioner beroende på materialtyp.
Agat
Bandad kalcedon avsatt i upprepade kiselsrika pulser, ofta i vulkaniska håligheter eller sedimentära noduler.
Jaspis
Ogenomskinlig, oren kalcedon färgad av järnoxider, lera, organiskt material eller andra inklusioner.
Kiseldolomit och flinta
Täta mikrokristallina kiselsorter som ofta spricker konkoidalt och bevarar sedimentära eller biogena kiselhistorier.
Ädelopal
Hydrerad kiseldioxid med ordnade mikroskopiska sfärer som diffrakterar ljus till färgspel när strukturen är tillräckligt regelbunden.
Terminologi, dokumentation och medvetenhet om behandling
Tydlig terminologi förhindrar förvirring. ”Kisel” bör betyda grundämnet Si. ”Kiseldioxid” avser SiO2”Silikat” avser den större mineralfamiljen byggd kring kisel-syre-tetraedrar. ”Silikon” är en polymerfamilj och är inte ett mineral.
- För elementärt kisel: beskriv det som raffinerat kisel, kiselsmetall, polykrystallint kisel eller enkristallint kisel när det är känt.
- För kvartsvarianter: använd erkända mineralvarianter och skilj på naturlig färg och värmebehandlat eller bestrålat material när det är känt.
- För agat och kalcedon: uppge färgning, stabilisering, sprickfyllning eller andra behandlingar när de är kända eller misstänkta.
- För opal: skilj på solid opal, doublet, triplet, vanlig opal, ädelopal och behandlat eller stabiliserat material.
- För coesit eller stishovit: förvänta dig analytisk dokumentation. Dessa är inte vanliga kiseldisplaymineraler.
Skötsel och hantering
Kiselhaltiga material varierar mycket i hållbarhet. Kvarts är hårt och stabilt; opal kan vara känsligt för värme, torrhet och kemikalier; sprucket kisel kan skära huden; och inandning av kiseldamm är en allvarlig risk.
Kvarts och kalcedon
Generellt hållbar, men undvik onödig kemisk exponering. Porösa eller färgade bitar bör hållas borta från starka rengöringsmedel och blötläggning.
Opal
Undvik värmeschock, långvarig direkt sol, starka kemikalier, ultraljudsrengöring och plötslig torkning. Dubletter och tripletter kräver extra fuktkontroll.
Elementärt kisel
Hantera trasiga bitar som skarpt tekniskt material. Slipa, såga, borra eller slipa inte kisel utanför lämpliga kontroller.
Kiseldioxid-damm
Skär, slipa eller polera inte kiseldioxidrika bergarter utan lämpliga professionella dammkontroller. Utställningsobjektet är inte problemet; andningsbart damm är det.
Vanliga frågor
Finns kisel naturligt som kristaller?
Synliga naturliga elementära kiselkristaller är extremt sällsynta. I vanliga geologiska miljöer förekommer kisel som kiseldioxid och silikatmineral. De silvergrå elementära kiselbitar som vanligtvis ses i utbildnings- eller utställningssammanhang är raffinerat industriellt material.
Vad är skillnaden mellan kisel, kiseldioxid, silikat och silikon?
Kisel är grundämnet Si. Kiseldioxid är kiseloxid, SiO2. Silikater är mineral byggda av kiseldioxid-tetraedrar kombinerade med andra grundämnen. Silikon är en syntetisk polymerfamilj, inte ett mineral eller bergart.
Hur bildas agater och geoder?
Agater bildas när kiseldioxidrika vätskor avsätter kalcedon i upprepade lager, ofta inuti håligheter i vulkaniska bergarter eller noduler i sedimentära miljöer. Geoder bildas när håligheter blir fodrade med kristaller, vanligtvis kvarts, efter att mineralrika vätskor cirkulerat genom dem.
Är moissanit en form av kisel?
Moissanit är kiselkarbid, SiC, inte elementärt kisel och inte kiseldioxid. Naturlig moissanit är sällsynt, medan de flesta fasetterade ädelstensmoissaniter och de flesta karborundum är laboratorie- eller ugnstillverkade.
Varför finns det så många varianter av kvarts?
Kvarts har en grundläggande kemi, SiO2, men färg och textur förändras med spårämnen, bestrålning, inklusioner, tillväxtförhållanden, uppvärmning, vätskehistoria och efter-tillväxtförändringar.
Är coesit och stishovit samlarobjekt bland kiseldioxidmineral?
De är vetenskapligt viktiga, men de är inte vanliga skåpsmineral. Coesit och stishovit förekommer vanligtvis i specialiserade högtrycks- eller chockmiljöer och kräver analytisk bekräftelse.