Pyroxenen zijn de belangrijkste en talrijkste groep van gesteentevormende ferromagnesilicaten. Zij worden gevonden in bijna alle soorten stollingsgesteenten en komen voor in gesteenten van zeer verschillende samenstelling, die zijn gevormd onder omstandigheden van regionaal en contactmetamorfisme. De naam pyroxeen is afgeleid van het Griekse pyro, dat “vuur” betekent, en xenos, dat “vreemdeling” betekent, en werd door Haüy gegeven aan de groenachtige kristallen die in veel lavas werden aangetroffen en die er volgens hem per ongeluk in waren opgenomen.
De chemische samenstelling van mineralen van de pyroxeengroep kan worden uitgedrukt met de algemene formule:

XYZ2O6

waarin X = Na+, Ca2+, Mn2+, Fe2+, Mg2+, Li+; Y = Mn2+, Fe2+, Mg2+, Fe3+, Al3+, Cr3+, Ti4+; en Z= Si4+, Al3+. Het bereik van mogelijke chemische substituties in pyroxeen wordt beperkt door de grootte van de beschikbare plaatsen in de structuur en de lading van de substituerende kationen. De X-kationenplaatsen zijn in het algemeen groter dan de Y-kationenplaatsen. Uitgebreide atomaire substitutie komt voor tussen de ideale eindlid samenstellingen. De meeste pyroxenen hebben slechts beperkte substitutie van aluminium voor silicium in de Z (tetrahedrale) site. Wanneer een substituerend ion in lading verschilt, wordt de elektrische neutraliteit gehandhaafd door gekoppelde substituties. Bijvoorbeeld, het paar bestaande uit Na+ en Al3+ substitueert voor 2Mg2+.
De meest voorkomende pyroxenen kunnen worden weergegeven als onderdeel van het chemische systeem CaSiO3 (wollastoniet, een pyroxenoïde), MgSiO3 (enstatiet), en FeSiO3 (ferrosiliet). (Fig.1). Aangezien er geen echte pyroxenen bestaan met een calciumgehalte dat hoger is dan dat van de diopside-hedenbergiet verbinding, staat het deel van dit systeem onder deze verbinding bekend als de pyroxeenvierhoek.

Fig.1: Ternair Composition Diagram for Pyroxenes.

Volledige substitutie bestaat tussen enstatiet (Mg2Si2O6) en ferrosiliet (Fe2Si2O6), en volledige vaste oplossing van ijzer voor magnesium bestaat tussen diopside (CaMgSi2O6) en hedenbergiet (CaFeSi2O6). Augiet, subcalcisch augiet, en pigeoniet liggen in het inwendige van de pyroxeenvierhoek. Compositorisch is augiet verwant aan leden van de diopside-hedenbergiet reeks met beperkte substitutie van Na+ voor Ca2+, Al3+ voor Mg2+ en Fe2+, en Al3+ voor Si4+ in de Z (tetrahedral) site. Augieten met veel aluminium of natrium kunnen niet strikt in het viervlak worden weergegeven. Monoklien duiveniet omvat een veld van magnesium-ijzer vaste oplossingen met een iets hoger calciumgehalte dan de orthorhombische enstatiet-orthoferrosiliet series.

Gekoppelde substituties waarbij Na+, Li+, of Al3+ voor Mg2+ in de enstatiet structuur komen, leveren pyroxenen op die buiten het quadrilaterale compositieveld liggen. De gekoppelde substitutie van Na+ en Al3+ voor 2Mg2+ in enstatiet levert het pyroxeen jadeiet op. De gekoppelde substitutie van Na+ en Fe3+ voor 2Mg2+ levert het pyroxeen aegirine (acmiet) op. Substitutie van Li+ en Al3+ voor 2Mg2+ levert spodumeen op. Substitutie van Al3+ voor Mg2+ en Al3+ voor Si4+ levert de ideale tschermakietcomponent MgAlSiAlO6 op. Andere minder algemene pyroxenen met samenstellingen buiten de pyroxeenvierhoek zijn johannseniet en kosmochloor (ureyiet). Johannseniet heeft mangaan in plaats van ijzer in hedenbergiet. Kosmochlor heeft chroom (Cr) in plaats van ijzer of aluminium in een sodische pyroxeen.
Bij hoge temperaturen hebben pyroxenen uitgebreidere velden van vaste oplossing dan bij lagere temperaturen. Dientengevolge, als de temperaturen dalen, past het pyroxeen zijn samenstelling in vaste toestand aan door een afzonderlijke fase op te lossen in de vorm van lamellen binnen de gastheer pyroxeenkorrel. De lamellen worden opgelost langs specifieke kristallografische richtingen, waardoor georiënteerde intergrowths ontstaan met parallelle en visgraatstructuur. Er zijn vijf hoofdcombinaties van exsolutieparen: (1) augiet met enstatietlamellen, (2) augiet met pigeonietlamellen, (3) augiet met zowel pigeoniet- als enstatietlamellen, (4) pigeoniet met augietlamellen, en (5) enstatiet met augietlamellen.
De pyroxenen verschillen qua samenstelling in twee belangrijke opzichten van de amfibolen. Pyroxenen bevatten geen essentieel water in de vorm van hydroxyls in hun structuur, terwijl amfibolen als gehydrateerde silicaten worden beschouwd. Het tweede belangrijke chemische verschil tussen de twee is de aanwezigheid van de A-site in amfibolen, die de grote alkali-elementen bevat, meestal natrium en soms kalium; de pyroxenen hebben geen equivalente site die kalium kan huisvesten.

Structuur

De pyroxeengroep omvat mineralen die zich zowel in het orthorhombische als in het monokliene kristalsysteem vormen. Orthorhombische pyroxenen worden orthopyroxenen genoemd, en monoklinische pyroxenen worden clinopyroxenen genoemd. Het essentiële kenmerk van alle pyroxeenstructuren is de verbinding van de silicium-zuurstof (SiO4) tetraëders door het delen van twee van de vier hoeken om continue ketens te vormen. De ketens, die zich oneindig parallel aan de c-kristallografische as uitstrekken, hebben de samenstelling (Si2O6) (Fig.2). Een herhaalde afstand van ongeveer 5,3 Å over de lengte van de keten definieert de c-as van de eenheidscel. De Si2O6-ketens zijn gebonden aan een laag van octaëdrisch gecoördineerde kationbanden die eveneens evenwijdig aan de c-as lopen.

Fig.2: schematische weergave van de structuur van pyroxeen met één keten. Waar twee tetraëders elkaar raken, delen ze een zuurstofion. Uit Wikipedia

De octahedrale stroken bestaan uit M1 en M2 octahedralen ingeklemd tussen twee tegengesteld gerichte tetrahedrale ketens. De M1 plaatsen worden bezet door kleinere kationen zoals magnesium, ijzer, aluminium, en mangaan, die gecoördineerd zijn met zes zuurstofatomen om een regelmatig octaëder te vormen. In monokliene pyroxenen is de M2-site een groot onregelmatig veelvlak dat bezet wordt door de grotere calcium- en natriumkationen die achtvoudig gecoördineerd zijn. In de orthorhombische pyroxenen met laag calciumgehalte bevat M2 magnesium en ijzer, en neemt het veelvlak een meer regelmatige octahedrale vorm aan. De kationenstrook M1 is gebonden aan zuurstofatomen van twee tegengesteld gerichte tetrahedrale ketens (Fig.3). Samen vormen deze een tetrahedraal-octahedraal-tetrahedrale (t-o-t) strook. Een schematische projectie van de pyroxeenstructuur loodrecht op de c-as en de relatie van de pyroxeensplitsing tot de t-o-t stroken of I-balken wordt getoond in Fig. 3.

Fig.3: Schematische projectie van de monokliene pyroxeenstructuur loodrecht op de c-as. T-O-T stroken, I-balken genaamd, hebben zeer sterke bindingen die bestand zijn tegen breken en de typische bijna 90° splijting van pyroxenen produceren (stippellijnen).

In dunne doorsneden onderscheiden monokliene pyroxenen zich door twee splijtrichtingen op ongeveer 87° en 93°, achtzijdige basale doorsneden, en lichtbruine of groene kleur. Orthorhombische pyroxenen verschillen van monokliene pyroxenen door hun parallelle extinctie.

Bibliografie

– Cox et al. (1979): The Interpretation of Igneous Rocks, George Allen and Unwin, London.
– Howie, R. A., Zussman, J., & Deer, W. (1992). An introduction to the rock-forming minerals (p. 696). Longman.
– Le Maitre, R. W., Streckeisen, A., Zanettin, B., Le Bas, M. J., Bonin, B., Bateman, P., & Lameyre, J. (2002). Igneuze gesteenten. A classification and glossary of terms, 2. Cambridge University Press.
– Middlemost, E. A. (1986). Magmas and magmatic rocks: an introduction to igneous petrology.
– Shelley, D. (1993). Igneous and metamorphic rocks under the microscope: classification, textures, microstructures and mineral preferred-orientations.
– Vernon, R. H. & Clarke, G. L. (2008): Principles of Metamorphic Petrology. Cambridge University Press.