مجموعات المعادن ونشأتها

 
مجموعات المعادن ونشأتها

يوجد في صخور القشرة الرضية ما يزيد على ألفي نوع من المعادن وما زالت تكتشف أنواع جديدة. ومن حسن حظ الدارسين للمعادن أن قلة منها هي الأكثر شيوعاً. وهذه القلة من المعادن المكونة للصخور، وهي التي سنركز على دراستها في ها الفصل.

ويتوقع منك بعد دراسة هذا الفصل أن تكون قادراً على أن:

1-      تتعرف على مجموعات المعادن غير السليكاتية.

2-      تتعرف على مجموعات المعادن السليكاتية.

3-      تفسر البنية البلورية للمعادن السليكاتية.

4-      توضح كيفية تكون التجمعات المعدنية.

13-1

مجموعات المعادن

نظراً لكثرة عدد المعادن واختلاف خصائصها وفصائل تبلورها كان لا بد من تصنيفها. ولعمل ذلك لا بد من اختيار أساس لإجراء عملية التصنيف. ولما كانت الأسس الممكن اختيارها كثيرة ومتعددة اتفق العلماء على اعتماد التصنيف الأكثر شمولية، فكان اعتماد التركيب الكيميائي كأساس لعملية التصنيف. ويعتمد هذا التصنيف على وضع المعادن التي تحوي الأيون السالب ذاته في مجموعة واحدة مثل وضع المعادن التي تحوي أيون الكربونات السالب (CO32-) في مجموعة وتسمى مجموعة الكربونات. ومجموعة المعادن التي تحوي أيونات الكبريتات السالب (SO2-4) تسمى مجموعات الكبريتات، وهكذا...، لاحظ أننا يمكن أن نصنّف المعادن اعتماداً على بنائها البلوري، أو اعتماداً على قساوتها، أو ألوانها.

1-      التصنيف الكيميائي للمعادن

أمكن تصنيف المعادن اعتماداً على تركيبها الكيميائي إلى المجموعات التالية:

أ‌-       المعادن العنصرية مثل: الذهب (AU)، الكبريت (S)، الألماس (C).

ب‌-     الأكاسيد مثل: الهيماتيت (FE2O)، الماغنيتيت ((FE3O، الكورندم (AL2O3).

ج- الكبريتيدات مثل: الغالينا (PbS)، البيريت (FeS2).

د- الكبريتات مثل: الجبس (CASO4.2H2O)، الباريت ((BaSO.

هـ- الهاليدات مثل: الهاليت (NACI) (ملح الطعام)، الفلوريت (CaF2).

و- الكربونات مثل: الكالسيت (CaCO3)، الملاكيت (Cu2CO3(OH) والأوزوريت (Cu3(CO3)2(OH).

ز- الفسفات مثل: الأباتيت (CA5(PO4)(F,CI,OH)، التركواز [CuAI6(PO4)(OH)8.4H2O].

ح- السليكات مثل: الأوليفين (MG,Fe)2 SiO4، والكوارتز SiO2.

ومن دون شك فإن معادن المجموعة الثامنة هي الأكثر أهمية وشيوعاً في القشرة الرضية إذ أن المعادن التي تقع ضمنها هي التي تكون الغالبية العظمى من الصخور.

2-      تصنيف تصنيف المعادن السليكاتية

كما سبق أن ذكرنا تعتبر مجموعة المعادن السليكاتية أكثر مجموعات المعادن شيوعاً في صخور القشرة الأرضية، يليها في ذلك مجموعة الكربونات ممثلة بمعدن الكالسيت، ويعود السبب في ذلك –أي في كونها أكثر المجموعات شيوعاً- على إمكانةي بناء أنسجة بلورية مختلفة عمادها ذرات السليكون والأكسجين، وهي في هذا تشبه المركبات الهيدروجينية التي عمادها ذرتا الكربون والهيدروجين.

الجدول (13-1): قائمة بالعائلات السليكاتية

وفيما يلي وصف لعائلات المعادن السليكاتية الموضحة في الجدول السابق:

أ‌-       الأولفين (Olivine): وهو اسم لعائلة من المعادن تمتاز بلونها الأخضر الزويتوني وبريقها الزجاجي، وتتبلور على درجات حرارة مرتفعة. وتكثر معادن هذه العائلة في صخور البلزلت والغابرو وهي سليكات حديدية مغنيسية.

ب‌-     البايروكسين (pyroxene): وهو اسم لعائلة من المعادن تمتاز بلونها السود وانفصام باتجاهين متعامدين، ويكثر وجود هذه المعادن في الصخور البازلتية المكونة للقشرة الأرضية، وهي كذلك سليكات حديدية مغنيسية.

ج- الأمفيبول (Amphibole): أشهر معادن هذه العائلة شيوعاً هو معدن الهورنبلند ولون هذا المعدن إما أخضر غامق أو أسود، وما يميزه عن البايروكسين هو اتجاهات الانفصام والتي تميل على بعضها بزوايا 120/ 60، وهي سليكات حديدية مغنيسية، قد يدخل الكالسيوم وغيره من الأيونات الموجبة في تركيبها.

د- المايكا (Mica): يمثل هذه العائلة معدناً المسكوفيت والبيوتيت. أما معدن المسكوفيت (مايكا بيضاء) فيمتاز بلونه الفاتح وبريقه الؤلؤي (لافلزي). وأما البيوتيت (مايكا سوداء) فله لون غامق بسبب احتوائه على الحديد والمغنيسيوم. ويكثر وجود معادن هذه العائلة في صخور الغرانيت . وتظهر انفصاماً في اتجاه واحد. لاحظ دخول عناصر البوتاسيوم والألمنيوم في بنتيها.

هـ- الفلسيبار (Felspar): تمثل معادن هذه العائلة 50% من مكونات القشرة الرضية وتقسم إلى فرعين:

1-      الأورثوكليز (Orthoclace): أو الفلسبار البوتاسي وهو مكون رئيسي لصخر الغرانيت (الشكل 13-1). لاحظ عدم وجود الحديد في بنيتها، بل إن البوتاسيوم واللومنيوم هي الأيونات الموجية الساسية.

2-      البلاجيوكليز (Plagioclase): أو الفلسبار الصودي الكلسي، ويمثل مجموعة من المعادن التي تتبلور على درجات متفاوتة. اظر الشكل (13-2).

وتمتاز معادن كلا الفرعين بألوانها الفاتحة واتجاهي انفصام متعامدين. وكذلك عدم وجود المغنيسيوم والحديد في بنيتها. بل إن البوتاسيوم والصوديوم والكالسيوم والألومنيوم هي الأيونات الموجبة

الشكل (13-1): عينة من الأورثوكليز.       الشكل (13-2): عينة من البلاجيوكليز.

و- الكوارتز (Quarts): وهو المعد الوحيد من مجموعة المعاجن السليكاتية الذي يتكون من السليكون والأكسجين فقط. وكبقية المعادن الأخرى يمكن أن يحتوي على شوائب تكسبه ألواناً مختلفة كالأبيض والسكني والأرجواني (أميثيست).

لو قدر لك أن تحصل على عينة من كل نوع من المعادن السابق ذكرها لوجدت أنه يمكن تقسيم عيناتها إلى مجموعتين إحداهما معادن غامقة اللون، والأخرى معادن فاتحة اللون. والمعادن الغاكقة تمتاز باحتوائها على عنصري الحديد والمغنيسيوم بالمقارنة مع مجموعة المعادن الفاتحة التي لا تحتوي على هذين العنصرين. لذا قسمت المعادن السليكاتية إلى قسمين هما:

أ‌.        المعادن السليكاتية الفيّرومغنيسية أو الحديدية المغيسية Ferromagnesian Mienerals

ب‌.     المعاد السليكاتية غير الفيّرومغنيسية nonferromagnesian Mienerals

نشاط 13-1

تصنيف المعادن السليكاتية

صنف عائلات المعادن السليكاتية أكثر من 90% من معادن القشرة الأرضية، ويمثل أفراد هذه العائلة مركبات لعنصري السليكون والأكسجين، بالإضافة إلى عنصر أو أكثر من العناصر الفلزية كالحديد والألومنيوم. ووحدة البناء الأساسية في المعادن السليكاتية مكونة من أربع ذرات من الكسجين مرتبة حول ذرة من السليكون، ويربطهما معاً روابط مشتركة، ولو تخيلنا خطوطاً وهمية تربطك بين ذرات الأكسجين الأربع لتنتج لدينا شكل هندسي يسمى رباعية الأوجه منتظم (Tetrahedron) وهو شكل بلوري كما هو موضح فير الشكل (13-3).

ويمثل هذا للشكل الهندسي وحدة البناء الأساسية في المعادن السليكاتية. ويرجع سر وجود هذا العدد الكبير من المعادن السليكاتية في القشرة الأرضية بالمقارنة مع بقية مجموعات المعادن الأخرى إلى إمكانية ربط مجسمات رباعي الأوجه منتظم (Tetrahedron) مع بعضها بعضاً بطرق مختلفة كما هو موضح في الشكل (13-4).    الشكل (13-3): (أ) مجسم رباعي الوجه منتظم لأربع ذرات من الكسجين (O) مرتبة حول ذرة من السليكون

(ب) مسقط لمجسم رباعي الوجه منتظم

أ‌-       ترابط أيوني: بهذه الكيفية ترتبط مجسمات رباعي الوجه المنتظم والمكونة من SiO-44 السالبة الشحنة مع أيونات كالحديد أو المغنيسيوم (Fe2+, Mg2+) الموجبة الشحنة كما في الأوليفين. انظر الشكل (13-4أ).

ب‌-     ترابط على شكل أحادي السلسلة: حيث تشترك مجسمات رباعي الأوجه المنتظم مع بعضها لإنتاج سلسلة من المجسمات كما هو الحال في البايروكسين. انظر الشكل (13-4ب).

ج- ترابط علة شكل سلسلة مزدوجة: كما هو الحال في الأمفيبولات. لاحظ الشكل (13-4ج).

د- ترابط على شكل صفائح: كما هو الحال في المايكا. لاحظ الشكل (13-4د).

الشكل (13-4): بعض من كيفيات ترابط مجسمات رباعي الوجه المنتظم مع بعضها بعضاً لإنتاج المعادن السليكاتية.

نشأة التجمعات المعدنية (خامات المعدن)

إذا تجمعت في الطبيعة كميات مناسبة من معدن أو مجموعة من المعادن، تسمح باستغلالها اقتصادياً أطلق على هذا التجمع كله خام المعدن. وعادة يحدث التجمع في صخور القشرة الأرضية. ويسمى الصخر الذي يتم تجمع الخام فيه بالصخر المضيف والسائل الذي جرى نقل مادة خام المعدن بواسطته بالوسط الناقل. وخامات المعادن مختلفة في أنواعها يكاد لا يتشابه إثنان منها، وتتكون في الطبيعة بطرق مختلفة. ومن بين العوامل التي تؤثر في تكونها: درجة الحرارة والضغط وطبيعة الصخر المضيف والوسط الناقل.

وفيا يلي سنتحدث بقليل من التفصيل عن بعض العمليات التي تؤدي إلى نشأة التجمعات المعدنية:

1-      التركيز الماغمي (Magmatic Concentration)

أحياناً يجري تركيز بعض مكونات الماغما على شكل تجمعات Concentration )) تسمى توضعات معدنية (Mineral Deposites) مقل تجمعات الكروميت والبلاتينيوم. وتمتاز التوضعات  المعدنية الماغمية بعلاقات وثيقة مع الصخور النارية الجوفية (انظر الوحدة الخامسة). ويعتبر بعض الجيولوجيين هذه التجمعات أنها صخور نارية.

2-      التسامي (Sublimation)

تعلم أن عملية التسامي تتضمن تحول المادة من الحالة الصلبة إلى للحالة الغازية أو بالعكس دون المرور بالحالة السائلة، مثلما يحدث لعنصر اليود إذا سخن. وقد عرفت في وحدة الأرصاد الجوية أن بعض بلورات الثلج في السحب تتحول أحياناً إلى بخار دون أن تمر بحالة السيولة. ومثل ذلك يحدث في البراكين حيث يتحول الصلب إلى بخار في الصهارة، والبخار إلى صلب يترسب حول فوهات البراكين كبعض الملاح والكبريت.

3-      العمليات الحرمائية  (Hydrothermal Processes)

تسمى المحاليل المائية الساخنة بالمحاليل الحرمانية. ويمكن أن تنشأ مثل هذه المحاليل كبقايا لعمليات تبلور الماغما أو نتيجة تسخين المياه الجوفية في باطن الأرض حيث تزداد درجات الحرارة مع العمق، أو بساطة عمليات التحول التي تؤدي إلى تكوّن لصخور المتحولة. (انظر الوحدة الخامسة).

مثل هذه المحاليل الحرمائية يمكن أن تكون مصدراً رئيسياً لكثير من توضّعات المعادن. فعند مرور هذه المحاليل الساخنة والمحملة بالملاح المعدنية في بعض أنواع للصخور يجري ترسيب محتوةياتها. وأحسن مثال لهذا النوع من العمليات توضح الهيماتيت (خام الحديد) في الصخور الجيرية بمغارة وردة بالقرب من برما بمنطقة عجلون.

4-      الترسيب (Ssedimenation)

بقصد بها ترسيب المعدن من مياه البحر العادية مباشرة؛ فالأيونات الذائبة في الماء بفعل عمليات التجوية الكيميائية تنقل وتتجمع في مواقع مناسبة للترسيب مثل البحار والمحيطات. وتترسب التوضعات المعجنةي الرسوبية في ظروف مناسبة مثل حموضة المياه وجهد الأكسدة والاختزال.

إن مصدر العناصر المكونة للتوضعات المعدنية لرسوبية ناتج أصلاً من عمليات التجوية الكيميائية، ففي توضعات الحديد الرسوبية يأتي الحديد من تجوية الصخور النارية الحاوية على المعادن الحديدية والمغنيسية، مثل الأمفيبول، والبيروكسين، والبيوتيت. ومصدر الفسفات الرسوبي معادن حاملة للفسفور كانت موجودة أصلاً في صخور القشرة الأرضية مثل معدن الأباتيت الذي يتكون في الصخور النارية.

ومن امثل المعادن التي تتكون بهذه الطريقة؛ معدنا الكالسيت والدولوميت، اللذان يمثلان توضعات معدنية رسوبية جرى ترسيبها من مياه مالحة، بعد أن نقلت إلى المياه بفعل عملايت التجوية.

5-      التركيز المتبقي والميكانيكي (Residual and Mechanical Concentration)

تعنل التجوية على تفتيت وتحليل مكونات صخور القشرة الأرضية. والمعادن غير القادرة على مقاومة التجوية تعاني من تحلل كيميائي بحيث تتم إزالة الأجزاء القابلة للذوبان منها. أما الأجزاء غير القابلة للذوبان فقد تتجمع منتجة توضعات معدنية متبقية. وأحسن مثال على هذه العملية هو خام الألومنيوم المسمى البوكسيت (AL2O3.2H2O Bauxite الذي يتبقى عن تجوية تربة اللاتريت في المتاطق الاستوائية. أما التركيز الميكانيكي فهو عملية فصل طبيعية للمعادن الثقيلة عن المعادن الخفيفة تمت تحت تأثير الجابية الرضية بفعل الماء الجاري أو الهواء بحيث تتركز النعادن الثقيلة منتجة ما يسمى المكيث (Placer Deposits) وتعني كلمة مكيث "كثير المكوث في غير مكانه". ويتم ذلك على مرحلتين:

أ‌-       الأولى: تحرير المعادن من الصخور الحاوية لها بفعل التجوية.

ب‌-     والثانية: تركيزها، ويحدث التركيز عادة للمعاجن التي تمتلك الخصائص التالية:

1.      لها كثافى عالية.

2.      مقاومة للتجوية الكيميائية والميكانيكية، وأشهر معادن المكيث التي تمتلك هذه الخصائص هي: الذهب، الماغنيتيت، الزركون.

6- التبخّر (Evaporation)

يقوم التبخر بدور بارز في إنتاج كثير من التوضّعات المعدنية ذات الفائدة الاقتصادية. فعندما تهاجر المياه الجوفية من الأعماق إلى السطح في المناطق الجافة تتبخر تاركة وراءها المعادن التي كانت ذائبة فيها. كما أن كثيراً

من البحيرات تلاشت بفعل التبخر تاركة وراءها أنواعاً مختلفة من الأملاح المعدنية. أضف إلى ذلك أن أجزاءً من المحيطات قد جرى اقتطاعها بفعل انحسار ماء البحر كما في الشكل (13-5)، ومع مرور الوقت يتبخر ماء الجزاء المتقطعة مخلفاً وراءه ترسبات ملحية. وأشهر الملاح التي يمكن أن

تترسب بهذه الكيفية ملح الطعام (الهاليت). لاحظ الشكل (13-6) . والجبس _كبريتات الكاتلسيوم المائية)، والكارناليت (Carnalite) وهو مزيج من كلوريد البوتاسيوم والمغنيسيوم، والسيليفيت (Sylvite) (كلوريد البوتاسيوم)، ونترات الصوديوم والبورات (Borate).

كما يشارك التبخير بصورة جزئية في تكوين رواسب محلية عند فوهات الينابيع الحارة مثل ترسبات الترافرتين (Travertine)، وهو كربونات كالسيوم والجيزريت (Geyserite) وهو مكون من حبيبات

من السليكا النقية." وأشهر مثال على كيفية الحصول على الأملاح المعدنية من المياه المالحة بفعل التبخر هو ما تقوم به شركة البوتاس من استخراج للبوتاس من البحر الميت.

الأسئلة

1-      ما الأساس المعتمد في تصنيف المعادن؟

2-      ما أكثر العائلات شيوعاً في صخور القشرة الأرضية؟

3-      ما معنى المعادن المكوّنة للصخور؟ أعط أمثلة عليها.

4-      كيف تميز بين الأمفيبول والبايركسين؟

5-      ما الصفات المشتركة بين المسكوفيت والبيوتيت؟

6-      أي من المعاجن يتبلور في درجات الحرارة المرتفعة؟

7-      ما الذي يميز المعادن الفيرومغنيسية؟

8-      ما المعدن الذي يتكون كلية من السليكون والأكسجين؟

9-      ما اسم خامات المعادن التي يستخلص منها الحديد والرصاص؟

10-    ما الصناعات القائمة على المعادن التالية:

الكوارتز، الكالسيت.

11-    يحتوي كل من البيريت والهيماتيت على نسبة كبيرة من عنصر الحديد. لماذا لا يعد هذين المعدنين من المعادن الفيرمغنيسية؟

12-    اختر الإجابة الصحيحة فيما أتي:

1)      العلاقة بين الكالسيت والفلوريت والأباتين هي:

أ) معادن حاوية على عنصر Ca        ب) معادن كربوناتية

ج) ضمن مقياس موهس                د) أ+ ج

2) تتكون مجموعة الكبريدات من اتحاد عنصر فلزي أو أكثر مع:

أ) SO3          ب)S-2

ج)SO2           د)SO-24

3) إحدى العمليات الآتية تؤدي إلى تكوين معدن الأوليفين:

أ) المحاليل الحرمائية         ب)التركيز الماغمي

ج) الترسيب                   د) التبخر

أسئلة الوحدة

1-      ما معنى كل من التالية: اللون، البريق، الحكاكة، القساوة، التضوء، المغناطيسية، الوزن النوعي، الانفصام.

2-      ما الذي يميز الفصيلة البلورية المكعبة عن الفصيلة البلورية السداسية؟

3-      قارن بين الانفصام والمكسر؟

4-      أي من التالية لا يعتبر معدناً ولماذا؟

أ- الألماس            ب- الذهب

ج- الماء             د- الماغنيتيت

5- كيف تقدر قساوة معدن ما باستخدام مقياس موهس؟

6- ما الذي يجمع بين الأورثوكليز والبلاجيوكليز؟

7- ما الفرق بين المصطلحين التاليين: السليكون، السليكات؟

8- ما اسم مجموعة المعادن التي تلي مجموعة السليكات في شيوعها في القشرة الأرضية

9- اختر تتمة الجمل الآتية من الخيارات المتاحة تحت كل جملة:

1) أي من الفصائل البلورية التالية يحتوي على ثلاثة محاور تناظر فقط:

أ) المكعبة           ب)المعين القائم

ج)السداسية          د) أحادية الميل

2) إحدى مجموعات المعادن السليكاتية شيوعاً هي:

أ) الفلسبار            ب)الهاليدات

ج)الأمفيبول         د) الكوارتز

3)إحدى المعادن التالية لا يحتوي على الحديد:

أ) الأوليفين         ب)البايروكسين

ج) البيوتيت         د)لا شيء مما ذكر

4)أي من العمليات الجيولوجية التالية يؤدي إلى تكوّن خام البوكسيت:

أ) الترسيب            ب) المحاليل الحرمائية

ج) التركيز المتبقي والميكانيكي      د)التسامي

5) عينة من معدن وزنها في الهواء 8 نيوتن ووزنها في الماء 6 نيوتن، الوزن النوعي للمعدن يعادل:

أ) 1.3       ب)2           ج)2.5            د)4

6) الفصيلة البلورية التي تتميز بوجود ثلاثة محاور ثنائية التناظر فقط هي:

أ) الرباعية       ب)السداسية       ج) المكعبة          د) البلورية المعينة القائمة.