بیوتیت (میکای سیاه) چیست و چه کاربردی دارد؟

میکای سیاه / بیوتیت (Biotite) یک کانی سیلیکات ورقه ای تیره رنگ، حاوی آهن و منیزیم است و کانی اصلی سنگ ساز در برخی از سنگ‌های دگرگونی و آذرین محسوب می‌شود. این کانی در گروه میکاها قرار دارد. پگماتیت‌های گرانیتی، گنیس و میکاشیست‌ها، مهمترین سنگ‌های حاوی بیوتیت هستند. بیوتیت در زیر میکروسکوپ رنگ و چندرنگی قوی از خود نشان می دهد و برجستگی بالایی دارد. از مشخصه های این کانی در نمونه های دستی نیز می‌توان به رنگ تیره، درجۀ سختی کم، رخ عالی و انعطاف پذیری بسیار خوب ورقه‌های آن اشاره کرد. رنگ میکای سیاه اغلب مشکی تا قهوه ای تیره است، اما به رنگ زرد و سبز تیره نیز یافت می‌شود. ترکیب شیمیایی biotite به صورت K(Mg, Fe)₃(AlSi₃O₁₀)(OH)₂ است و یک کانی آب دار محسوب می‌شود. مهمترین کاربرد میکای سیاه، استفاده از آن جهت سن سنجی سنگ‌ها و سازندهای زمین است؛ این کانی همچنین جنبۀ تزئینی دارد.

بیوتیت (میکای سیاه) چیست؟

بیوتیت (به انگلیسی: Biotite) یک کانی ورقه ای شفاف تا نیمه شفاف با سختی کم (2.5 تا 3) است که با دست به راحتی قابل خم کردن و شکستن است. این کانی از خانوادۀ بزرگ میکا است و یک کانی سیلیکاته می‌باشد. نام دیگر بیوتیت، میکای سیاه است. میکای سیاه از کانی های اصلی سنگ های آذرین و دگرگونی محسوب می‌شود.

واژۀ بیوتیت به عنوان یک کانی، به افتخار دانشمند فرانسوی ژان باپتیست بیوت (Jean Baptiste Biot) که زندگی خود را وقف مطالعه خواص نوری میکاها کرد، نامگذاری شده است.

بلور شناسی بیوتیت

Biotite در سیستم منوکلینیک ردۀ 2/m متبلور می‌شود. بلورها به ندرت به صورت منشوری کوتاه یا تخت با فرم غالب {001} و طرح شش گوشه ای دروغین دیده می شوند. معمولاً به صورت توده‌های ورقه ورقه‌ای نامنظم، پولک های پراکنده یا انبوهه های فلسی شکل یافت می شوند.

بیوتیت‌ها گروهی از فیلوسیلیکات‌های تری اُکتاهدرال (سیلیکات ورقه‌ای) هستند. آن‌ها با توده‌ای از «ورقه‌ها» از چهاروجهی‌های (Si, Al)O₄ که به صورت حلقه‌های شش‌ضلعی به هم پیوسته و در دو بعد به طور نامحدود امتداد یافته‌اند و لایه‌های «بروسیت» تری اکتاهدرال که در آن‌ها هر آنیون (^–OH یا ^–O²) توسط سه کاتیون هشت‌ وجهی (Mg, Fe) احاطه شده است، مشخص می‌شوند.

ترکیب شیمیایی و ساختمان میکای سیاه

ترکیب شیمیایی بیوتیت K(Mg, Fe)₃(AlSi₃O₁₀)(OH)₂ است. این ترکیب شبیه فلوگوپیت است؛ با این تفاوت که در بیوتیت، ⁺Fe² به مقدار قابل توجهی جایگزین Mg می‌شود. همچنین، ⁺Fe³ و Al جانشین Mg و Al به جای Si می‌نشیند. Na، Ca، Ba، Rb و Cs نیز ممکن است جانشین K شوند.

خواص فیزیکی بیوتیت و نمودهای تشخیص آن

مشخصه های فیزیکی میکای سیاه که به شناسایی آن کمک می کند، به صورت زیر است.

• رنگ بیوتیت تیره است.
• رخ میکایی دارد؛ به عبارت دیگر، رخ کاملی در راستای {001} دارد.
• ورقه های این کانی خمش پذیر و کشسان هستند؛ اما در صورت خم شدن شدید شکسته می‌شوند.
• سختی میکای سیاه بسیار کم است (2.5 تا 3 موس) و می‌توان آن را به راحتی با دست در امتداد صفحات رخ، شکافت.
• گرانی ویژۀ آن 2.8 تا 3.2 است.
• جلای درخشان دارد.
• در برابر فوتک، به دشواری در درجۀ 5 گداز پذیر است.
• در اسید سولفوریک غلیظ و جوشان متلاشی می‌شود و محلول شیری رنگی حاصل می‌شود.
• در لولۀ بسته بر اثر حرارت آب از دست می‌دهد.

رنگ بیوتیت

رنگ بیوتیت معمولاً قهوه ای تا سیاه، سبز تیره و خیلی به ندرت، زرد روشن است. ورقه‌های نازک آن معمولاً رنگ دودی دارند (وجه تمایز بیوتیت از ورقه های تقریباً بی رنگ مسکویت). هنگامی که این ورق‌ها در برابر نور قرار می‌گیرند، شفاف تا نیمه شفاف هستند و می‌توانند به رنگ های قهوه ای، خاکستری یا سبز باشند.

خواص فیزیکی بیوتیت
طبقه بندی شیمیایی	میکای سیاه
ترکیب شیمیایی	K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(F,OH)2
سیستم تبلور	منوکلینیک
رنگ	مشکی، سبز تیره، قهوه ای تیره، زرد روشن
رنگ خاکه	سفید تا خاکستری، اغلب پوسته ایجاد می‌شود.
جلا	شیشه ای
دیافانیتی	ورق های نازک شفاف تا نیمه شفاف هستند، چندین ورق روی هم مات است.
رخ (کلیواژ)	کامل
سختی موس	2.5-3
گرانی ویژه	2.7-3.4
بارزترین ویژگی شناسایی	رنگ تیره، کلیواژ کامل

بیوتیت زیر میکروسکوپ

در زیر میکروسکوپ های کانی شناسی، بیوتیت به شدت رنگی (قهوه‌ای/سبز) است و نسبت به سایر میکاها، ضریب شکست بالاتری دارد و از این رو، برجستگی نشان می‌دهد. چنانچه کانی از عرض برش خورده باشد، به صورت شش وجهی (شش ضلعی) دیده می‌شود و اگر از طول برش خورده باشد، به صورت مستطیل یا صفحات بسیار نازک دیده می‌شود.

رنگ و چند رنگی همۀ کانی‌ها را باید در نور ساده بررسی کنیم. میکای سیاه چند رنگی متمایز و خاص خود را دارد که به شناسایی آن در زیر میکروسکوپ بسیار کمک می‌کند. چندرنگی قوی و متمایز آن (از قهوه‌ای کم‌رنگ/زرد تا قهوه‌ای تیره/سبز/قهوه‌ای مایل به قرمز) در مقاطع منشوری کشیده و در حالت PPL قابل مشاهده است. زمانی که محور طولی میکای سیاه به موازات پلاریزان (معمولاً افقی یا E-W) قرار دهید، چندرنگی حداکثر خواهد شد. این کانی به علت چندرنگی قوی، رنگ های قهوه ای متغیری از خود نشان می‌دهد.

فلوگوپیت (بیوتیت غنی از منیزیم) نیز چندرنگ است، اما رنگ‌های زرد مایل به زرد تا زرد کم‌رنگ را نشان می‌دهد.

شناسایی بیوتیت از تورمالین در زیر میکروسکوپ

توجه داشته باشید که تورمالین می‌تواند چندرنگی مشابه بیوتیت نشان دهد. اما بر خلاف بیوتیت، اگر محور طولی تورمالین را عمود بر پلاریزان/عمودی قرار دهید (زاویه ۹۰ درجه نسبت به بیوتیت) تیره‌تر خواهد بود. استیلپنوملان در مقایسه با biotite، چندرنگی و رفتار مشابهی را نشان می‌دهد. خوشبختانه، استیلپنوملان یک رخ پایه‌ای نه چندان کامل را نشان می‌دهد و ممکن است یک رخ منشوری ناقص دوم، عمود بر رخ پایه‌ای، نیز داشته باشد.

در نور پلاریزۀ متقاطع یا همان CPL، رنگ‌های تداخلی بالای بیوتیت عموماً توسط رنگ قهوه‌ای پررنگ آن پوشانده می‌شوند. بیوتیت معمولاً به کلریت تبدیل می‌شود. بیوتیت همچنین ممکن است ادخال‌های سوزنی شکل روتیل را نشان دهد که به دلیل عدم اختلاط TiO₂ از بیوتیت تشکیل می‌شوند و عموماً از الگوهای شش ضلعی پیروی می‌کنند (تصویر زیر را ببینید).

زمانی که بیوتیت را در زیر میکروسکوپ بررسی می‌کنید، احتمال وجود زیرکن نیز وجود دارد. در این صورت، زیرکن‌ها توسط هاله‌های تیره چند رنگ احاطه می شوند که در اثر بمباران بیوتیت توسط ذرات تولید شده توسط واپاشی رادیواکتیو U، Th و سایر عناصر سنگین موجود در زیرکن تشکیل می‌شوند.

کانی های گروه بیوتیت

Biotite نامی است که برای تعدادی از کانی‌های میکای سیاه استفاده می‌شود که ترکیبات شیمیایی متفاوت، اما خواص فیزیکی بسیار مشابهی دارند. این کانی ها معمولاً بدون آنالیزهای آزمایشگاهی از یکدیگر قابل تشخیص نیستند. در جدول زیر، فهرستی از کانی های بیوتیت همراه با ترکیبات شیمیایی آنها آورده شده است.

کانی های گروه بیوتیت
نام کانی	ترکیب شیمیایی
آنیت	KFe3(AlSi3) O10(OH)2
فلوگوپیت	KMg3(AlSi3) O10(F,OH)2
سیدروفیلیت	KFe2Al (Al2Si2) O10(F,OH)2
استونیت	KMg2Al (Al2Si3) O10(OH)2
فلورانیت	KFe3(AlSi3) O10F2
فلورو فلوگوپیت	KMg3(AlSi3) O10F2

بیوتیت‌ها یک محلول جامد بین اعضای انتهایی آنیت – فلوگوپیت و سیدروفیلیت – ایستونیت تشکیل می‌دهند. این محلول جامد توسط دو جانشینی اصلی کنترل می‌شود:

1. جانشینی فرومنیزین (Fe → Mg)
2. جانشینی همزمان Al → (Fe,Mg) در جایگاه تری اُکتاهدرال که با Al → Si در جایگاه چهاروجهی متعادل می‌شود. این حالت، جانشینی چِرماک (Tschermak substitution) نامیده می‌شود.

بیوتیت‌ها همچنین ممکن است حاوی جای خالی، یعنی مکان‌های هشت‌وجهی خالی باشند و کاتیون‌های دیگر مانند Ti⁴⁺، Fe³⁺، Mn² و  ⁺Li را در مکان‌های هشت ‌وجهی جای دهند. ⁺Ti⁴ می‌تواند وارد مکان‌های چهاروجهی نیز شود. ⁺K در مکان‌های بین لایه‌ای ممکن است با عناصر یونی بزرگ (Na، Ca، Ba، Rb، Cs…) جایگزین شود. عناصر هالوژن به ویژه ^–F و ^–Cl می‌توانند جایگزین ^–(OH) در ساختار شوند.

سری کاملی بین biotite و فلوگوپیت وجود دارد و ساختمان تری اکتاهدرال آن‌ها به هم شبیه است (شکل 69). متداول ترین چند نوعی بیوتیت، IM با گروه فضایی C2/m است. با این وجود، چند نوعی های 2M1 و 3T نیز دیده شده اند (شکل 76).

میکای سیاه در چه سنگ هایی یافت می شود؟

میکای سیاه در محیط های زمین شناختی گوناگونی یافت می‌شود؛ بنابراین، می‌توان آن را در طیف وسیعی از سنگ‌ها یافت.

میکای سیاه در سنگهای آذرین

در سنگ های آذرین، میکای سیاه مختص گرانیتوئیدهاست و در پگماتیت های گرانیتی، گرانیت ها، تونالیت ها، دیوریت ها و پریدوتیت ها یافت می شود. در برخی موارد، میکای سیاه در سنگ‌های مافیک مانند نوریت‌ها نیز گزارش شده است. همچنین در گدازه های فلسیت (رنگ روشن) و پورفیری ها نیز یافت می‌شود. قطعاتی پر از بلورهای کوچک بیوتیت، درون گدازه های وزوو دیده شده است. اما به طور کلی، میکای سیاه در سنگ های آتشفشانی چندان رایج نیست، زیرا این کانی در فشارهای کم، تمایل به بی ثبات شدن و جایگزینی با کانی‌های دیگر دارد.

بیوتیت در سنگ های دگرگونی

در سنگ های دگرگونی، biotite در گسترۀ وسیعی از دما و فشار تشکیل می‌شود و می‌توان آن را هم در سنگهای دگرگونی همبری و هم در سنگ های دگرگونی ناحیه ای یافت. در شرایط دگرگونی، زمانی که سنگ‌های رسی یا حاوی رس، در معرض گرما و فشار قرار می‌گیرند و شیست و گنیس را تشکیل می‌دهند، بیوتیت نیز شکل می‌گیرد.

در رخساره‌ شیست سبز بالایی، بیوتیت در سنگ‌های متاپلیتی/متاسدیمنتری از واکنش‌های مصرف مسکویت، کلریت و فلدسپار پتاسیم ظاهر می‌شود. biotite پس از تشکیل، ممکن است با سایر کانی‌های فرومنیزین مانند کوردیریت، استارولیت، کلریتوئید یا گارنت همزیستی داشته باشد. در سنگ‌های متابازیک، biotite ممکن است در رخساره‌های آمفیبولیت رخ دهد و از واکنش‌های بین مسکویت و آمفیبول تشکیل شود.

در دگرگونی سنگ های رسی، تبلور biotite به عنوان آغاز شرایط دما و فشار منطقۀ (زون) biotite در نظر گرفته می‌شود. مجموعه های شاخص این درجۀ دگرگونی عبارتند از: بیوتیت – کلریت و بیوتیت – مسکویت.

میکای سیاه ممکن است در سنگ های رسوبی به عنوان یک کانی آواری وجود داشته باشد. گاهی اوقات نیز در رسوبات و ماسه سنگ ها یافت می‌شود. اما به طور کلی، این کانی در برابر هوازدگی مقاومت چندانی ندارد و به کانی های رسی تبدیل می‌شود، از این رو، در سنگ های رسوبی فراوان نیست.

گونه های مشابه biotite

گلوکونیت با ترکیبی مشابه بیوتیت یک کانی درجازا است که در سنگ های رسوبی به صورت گلوله های سبز رنگ یافت می‌شود.

ورمیکولیت یک کانی ورقه ای است که از دگرسانی بیوتیت به وجود می آید. ساختمان آن شبیه به تالک است و مولکول‌های آب بین لایه ای دارد (شکل 71)

استیلپنوملان، با ترکیبی نزدیک به K_0.6(Mg,Fe²⁺,Fe³⁺)₆Si₈Al(O,OH)₂₇2-4H₂O می‌تواند کانی مهم و درجه پایین سازندۀ شیست های دگرگون شدۀ ناحیه ای، سنگ های دگرگونی رخسارۀ گلوکوفان و سازندهای آهن نواری دگرگون نشدۀ پرکامبرین باشد. در نمونه دستی، تشخیص استیلپنوملان از میکای سیاه ممکن نیست! برای شناسایی این دو کانی از یکدیگر، باید از روش های میکروسکوپی نوری و آنالیزهای شیمیایی استفاده کرد.

کاربردهای میکای سیاه

یکی از کاربردهای مهم میکای سیاه، استفاده از آن جهت سن سنجی در زمین شناسی است. در روش های سن سنجی پتاسیم-آرگون و آرگون-آرگون، از کانی بیوتیت برای سن سنجی سنگ های آذرین استفاده می‌شود. محتوای پتاسیم این کانی برای این تکنیک‌های سن سنجی رادیومتری ضروری است. سهم بیوتیت در این زمینه بیشتر کیفی است تا کمی.

سایر کاربردهای مهم biotite در موارد زیر است.

• به عنوان پرکننده و گسترش دهنده در صنعت رنگ سازی جهت ساخت رنگ ها.
• به عنوان پوشش سطحی نچسب روی زوناهای آسفالتی و سقف های نورد شده.
• به عنوان افزودنی به گل های حفاری. در گل‌های حفاری، بیوتیت برای کمک به تثبیت دیواره‌های چاه و خنک کردن مته‌های برش اضافه می‌شود. مقدار مورد استفاده به الزامات خاص حفاری بستگی دارد، اما به عنوان یک افزودنی کاربردی در این مخلوط‌ها عمل می‌کند.
• به عنوان پرکننده بی اثر و عامل رهاسازی قالب در محصولات لاستیکی. مقاومت حرارتی میکای سیاه، آن را در صنعت ساخت لاستیک ارزشمند می‌کند، اگرچه معمولاً به دلیل واکنش‌پذیری شیمیایی و نرمی آن در مقادیر کم استفاده می‌شود.