Study of some structural properties of quartz in the sand dunes of region of Ouargla

Samiha BEDDIAF* and Smail CHIHI

Univ Ouargla, Fac. des Mathématiques et des Sciences de la Matière,

Lab. Rayonnement et Plasmas et Physique des Surfaces, Ouargla 30 000 (Algérie)

*Email: samihabed@gmail.com

دراسة بعض الخصائص البنيوية للكوارتز الموجود برمل كثبان منطقة ورقلة

سميحة بضياف و إسماعيل شيحي

مخبر فيزياء الإشعاع و البلازما و فيزياء السطوح (LRPPS)، قسم علوم المادة، جامعة ورقلة

مختصر:في هذا العمل دُرِسَ الكوارتز الموجود في رمل كثبان منطقة ورقلة، و حُدِّدتْ بعض خصائصه البنيوية، و ذلك باستخدام مطيافية الامتصاص ما تحت الأحمر، و كذا بحيود الأشعة السينية. لقد بَيّنتْ مطيافية الامتصاص ما تحت الأحمر بتحويل فورييه أنه يمكن التمييز بين مختلف أنواع السيليكا من خلال الامتصاص المزدوج عند 778 و cm-1 797، كما أن الإنثناءات تدل على البنية α للكوارتز، و أن قيمة النسبة 1.5= تدل على أن الكوارتز الموجود في عينة رملنا يبدي طبيعة عالية التبلور.

     لقد أكدت الدراسة بواسطة حيود الأشعة السينية النتائج المتحصل عليها بواسطة الأشعة تحت الحمراء، إذْ تم الكشف عن وجود الكوارتز، و ذلك بملاحظة الانعراجات الأساسية عند الأبعاد البينية 4.2681 و 3.3539 و Å1.8204 ، و التي تؤكد وجود البنية البلورية α للكوارتز في عينة رملنا. لتحديد التركيبة البلورية للكوارتز استخدمنا برنامج Dicvol 06فوجدنا أن الكوارتز يتبلور في النظام السداسي، و له المجموعة الفضائية  (154) P3221 و وسائط خلية V=113.832 Å3 ، Åc=5.4093   ، a=4.9294 Å.

كلمات دليلية: رمل، حيود الأشعة السينية، الكوارتز، الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه، 06Dicvol

Abstract : The characterization of some structural properties of quartz in the sand dunes of region of Ouargla was performed by IR spectroscopy and X-ray diffraction. The FTIR absorption shows that the characteristic doublet for α- quartz at 797 and 778 cm-1. The degree of crystallinity can be found by measuring the absorption ratio. The calculated absorption ratio of =1.5 indictated that the sample exhibits a highly crystalline nature. The observed principle reflections at the d-spacings of 4.2681, 3.3539, 1.8204 Å confirm the presence of α-quartz crystalline structure in the sample. The structural resolution of this phase, carried out with the program Dicvol 06 gave: Quartz (SiO2), hexagonal system, space group P3221 (154) . The calculated unit cell parameters are : a=4.9294 Å, c=5.4093 Å V=113.832 Å3.

Key words: sand, X-ray diffraction, quartz, FTIR, Dicvol 06

  1. مقدمة:

يعتبر الكوارتز من المعادن الأكثر انتشارا في الطبيعة، فهو مكون أساسي في الصخور النارية الحامضية مثل الجرانيت و البيكماتيت، كما يوجد في كثير من الصخور المتحولة مثل الكوارتزيت و الشست و النيس، و هو المعدن الأساسي في الصخور الرسوبية الرملية، كما يوجد على هيئة عروق حاملة لكثير من الخامات المعدنية. يُعَدُّ الكواتز من المواد المتعددة الأشكال (Polymorphous)، حيث يوجد في الطبيعة بأكثر من صورة معدنية، تبعا لظروف التبلور من ضغط و درجة حرارة، فالكوارتز يتبلور وفق النظام الثلاثي الميل عند درجة الحرارة الأقل من0C 753 ، و وزنه النوعيmg/cm3 2.65 ، و يتبلور وفق النظام السداسي الميل عند درجة حرارة 0C 573-870 وزنه النوعيmg/cm3 2.53 ، و تكون البلورات منشوريةً مخططةً أفقيا و منتهيةً بمُعَيَّني أوجه، و أحيانا لا تنمو الأوجه و تظهر بهيئة مشوهة. الأنواع ذات الألوان الجذابة تستخدم في صناعة الأحجار الكريمة     و أحجار الزينة، و الأنواع النقية الشفافة تستخدم في صناعة الأجهزة البصرية و الكهربائية، أمّا الصخور الرملية فتستخدم في صناعة الزجاج و أغراض البناء و صناعة الطوب الحراري و الخزف[1].

نظرا للأهمية الاقتصادية لهذا المعدن، و تواجده بنسب كبيرة في رمل كثبان منطقة ورقلة، و التي لم يتم تثمينها بعدُ، فإننا وجّهْنا دراستنا هذه إلى الكشف عن تواجد الكوارتز و دراسة بعض خواصه البنيوية، مستخدمين في ذلك مطيافية الامتصاص ما تحت الأحمر و حيود الأشعة السينية.

2. عموميات حول رمل الكثبان:

2. 1. مكوناترمل الكثبان:

تتكون رمال الكثبان بشكل رئيس من حبيبات الكوارتزSiO2،و تحتوي على كميات قليلة من الشوائب و المعادن الثقيلة و نسبة معتبرة من أكسيد الحديد الثلاثي Fe2O3و كربونات الكالسيومCaCO3 و نسبة أكبر منأكسيد الألمنيوم Al2O3.

في دراسة[2] لرمل كثبان منطقة ورقلة باستخدام تقنية الفلورة بالأشعة السينية(XRF) تبيّن أن رمل كثبان ورقلة مكون أساسا من السيليس (الكوارتز) SiO2بنسبة % 86.04، و من الألومين Al2O3 بنسبة % 6.63. الجدول 1 يبين المكونات الكيميائية و كذا النسب الوزنية لمختلف المركبات الداخلة في تركيب رمل كثبان منطقة ورقلة.

الجدول1: التحليل الكيميائي لرمل كثبان ورقلة[2]

الأكسيد

SiO2

Al2O3

Fe2O3

MgO

CaCO3

مواد أخرى

النسبة الوزنية %

86.04

6.63

1.35

0.08

0.86

5.00

2. 2. الكوارتز:

                يُعتبر الكوارتز أحد الأشكال المتبلورة للسليكا، و يتشكل اعتياديا بالطور البلوري α، و هو الطور المستقر للكوارتز عند الضغط العادي و درجات الحرارة الأقل من °C573، أمّا عند درجات الحرارة المرتفعة فإن الطور المستقر له هو الطور β[3].

                تتشكل بنية الكوارتز α من رباعيات أوجه من أكسيد السيليسيومSiO4، تتصل فيما بينها بحيثتمتلك كل ذرة سيليكون (Silicon) أربعَ ذرات أكسجين (Oxygen) ، و كل ذرة أكسجين ترتبط بذرتي سيليكون.

                تتكون الوحدة البنيوية للخلية المتبلورة من ثلاث مجموعات SiO2، كلٌّ منها في خلية بنيوية واحدة مع ثلاث من السيليكون للخلية المجاورة، فيتشكل سداسي أضلاع غير منتظم [4]، كما هو موضح في الشكل 1.

        أبعاد الخلية الأولية للبنْية البلورية للكوارتز الثلاثية الميل هي:

a = b = 4.9294Å ;   c =5.4002Å ;   V =113.801Å3   ;    α = β = 90° ;   γ = 120°

 A06010201

                ليس للروابط داخلَ الكوارتز الطولُ نفسه؛ فكل ذرة سيليسيوم محاطة بأربع ذرات أكسجين، إثنتان منها تقعان على مسافة Å1.603 من ذرة السيليسيوم، و الاثنتان الأخريان تقعان على مسافةÅ 1.163 منها [3].

3. التقنيات التجريبية المستخدمة:

       لقد استخدمنا خلال دراستنا هذه بعض التقنيات الطيفية، نفصّلها فيما يلي:

3. 1. مطيافية امتصاص الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR):

تعتبر مطيافية الأشعة تحت الحمراء من الطرق الأساسية في دراسة المواد، فهي تمكننا من التعرف على بنية المادة المدروسة دون التأثير على خصائصها، و هي تعتمد على دراسة الأطياف الممتصة من طرف العينة، و يمتد مجالها من 0.7 حتى 50 µm   و أبعد، و هو المجال الغني بالمعطيات في الميدان التطبيقي [5].

تتكون المادة من الجزيئات، و التي بدورها تتشكل من ذرات، ترتبط فيما بينها بروابط كيميائية ذات اهتزازات مركزية، لذا يمكن تشبيه الجزيء بمجموعة هزازات توافقية. هذه الهزازات تمتلك رنينا ناتجا عن الاضطراب بجوار حالة الاستقرار.

3. 2. حيود الأشعة السينية(XRD):

      يُستعمل فيها إشعاع سيني وحيد اللون. توجد طريقتان أساسيتان باستعمال طيف الانعراج، الأولى تُعْرف بطريقة ديباي شرر، و يتم فيها تسجيل الطيف على شريط حساس يوضع داخل غرفة تعرف بغرفة ديباي. أمّا الطريقة الثانية، و هي دقيقة في معلوماتها، فيتم التسجيل فيها باستعمال عداد موصول براسم يرسم مخطط الانعراج (كمية الإشعاع أو شدة الخط بدلالة زاوية براغ ). تسمح هذه التقنية بتأشير خطوط الانعراج الحادثة، و معرفة الفاصلة الموافقة للشدة من خلال قانون براغ:

        إنطلاقا من المخطط يتم الحصول على قائمة للثنائيات. هذه القوائم رتبت في جداول تعرف ببطاقات ASTM، و هي مختصر لعبارة (American Society for Testing and Materials)، و التي تعني الجمعية الأمريكية لاختبار المواد. كل بطاقة من هذه البطاقات تشكل بطاقة تعريف لكل مركب انطلاقا من الخطوط الثلاثة الأكثر شدة لكل عنصر أو طور [5].

4. نتائج القياسات و مناقشتها:

1.4. تقنية (FTIR):

للحصول على طيف امتصاص الأشعة تحت الحمراء لعيناتنا استخدمنا جهازا من نوع (SHIMADZUFTIR-8300)،يعمل في المجال الطيفي (400 -cm-14000)، و استعملنا مادة برومير البوتاسيومKBr كمادة حاملة، فحصلنا على الطيف الموضح في الشكل 2.

                من خلال طيف امتصاص عيناتنا للأشعة تحت الحمراء يمكننا معرفة المجموعات الوظيفية لرمل الكثبان، و ذلك من خلال مواقعها في الطيف، و بالتالي استنتاج المركبات المكونة لرمل الكثبان.

A06010202

يمكن تمييز العصابات الأساسية للإمتصاص، موضحةً في الجدول 2.

A06010203

    قصد متابعة التغيرات الحاصلة قُسِّم الطيف إلى منطقتين:
  • منطقة الطيف 1500- cm-1 4000:

أظهر طيف عينة الكثبان التي درسناها ثلاث حزم امتصاص قوية الشدة عند الترددات 3543 و 3404.1 و cm-13242.1 ، تعود إلى اهتزاز الإمتطاط للآصرة (OH) لمجموعة الهيدروكسيل، و أخرى أقل شدةً لوحظت عند cm-1 1867، و هي ناتجة عن الْتِواء الإهتزاز للرابطة H-O-H [4].

  • منطقة الطيف 400-1500 cm-1:

لاحظنا ظهور امتصاص مزدوج في المجال المحصور بين 1200وcm-1 1100، عند حوالي 114.81وcm-11150. بالنسبة للشريط Si-Oالمتناظر يوافق الإهتزاز عند cm-1692، و الذي يبين بوضوح وجود الكوارتز.بعدها بقليل نجد شريطا آخر عند 1080 و 1cm- 1140.3ينسب إلى الإهتزاز اللامتناظر لــــ Si-Oناتج عن استبدال AlبــــSi ،كما أن ظهور الشريطين Si-O     وSi-O-Siيبينوجود الكوارتز [8].

                الإهتزاز الملاحظ عند حوالي 1cm-800يُستعمل لتحديد مختلف أنواع السيلكا، لذا فإننا نرجح أن يكون الامتصاصُ المزدوجُ الملاحظُ عند 795و1cm-779.2دليلا على وجود السليكا من الصنفα-quartz)α)[9].

                يمكن الحصول على درجة التبلور بقياس النسبة بين شدتي الإمتصاص عند 669.3و795 cm-1[10].لقد حسبنا هذه النسبة فكانت 1.5، مما يدل على أن العينة المدروسة تبدي طبيعةً عاليةَ التبلور [11].

2.4. تقنية (XRD):

لإجراء تحليل كيفي لرمل كثبان منطقة ورقلة بواسطة انعراج الأشعة السينية، استعملنا جهازًا يحمل التسمية D8 Advance من شركة BRUKER، يعمل وفقا لهندسة .Bragg-Brentan الأشعة الواردة تخرج من أنبوب الأشعة X بزاوية° 6، تنعرج و تُحلَّل عن طريق عداد قادر على قياس إشعاعات ذات أطوال موجات بين 0.3 و 0.5Å. عندما تدور العينة بسرعة زاوية ثابتة Ɵ، فإن العداد يدور بسرعة مضاعفة. المهبط المستعمل من النحاس، يُغذَّى بواسطة مولد مستقر، و يعمل تحت توتر مقداره KV 40 و شدة تيار mA 40. الطول الموجي لهذا الإشعاع λCukα =1.54 Å.

A06010204

الجدول 3 : الملحقات الخاصة بانعراج الأشعة السينية على رمل كثبان ورقلة

L

k

h

(Å)dhkl

I (u.a)

sin q

2q (°)

Raie

0

0

2

1

4

1

0

2

1

0

2

1

4

2

1

3

2

2

0

1

0

0

0

1

1

1

0

0

0

3

0

1

1

2

0

1

0

1

1

1

1

0

1

2

2

2

1

0

2

1

1

7.5752

3.7932

3.3539

3.3249

3.0571

2.8724

2.6908

2.4988

2.4668

2.2792

1.1383

1.0610

1.0027

0.9412

0.8892

0.8561

0.8314

368.0099

136.2407

54.2680

947.7837

76.1892

23.8806

24.7323

33.7689

39.4154

27.0265

16.38801

13.9247

46.9139

49.9154

45.7286

18.9818

30.6818

0.1017

0.2031

0.2279

0.23.17

0.2520

0.2682

0.2863

0.3083

0.3123

0.3380

0.6767

0.7260

0.7682

0.8184

0.8662

0.8997

0.9264

11.6911

20.9038

23.4553

26.7059

29.1820

33.4349

36.0187

36.6075

39.5089

40.3474

42.5921

46.5600

50.1962

54.9318

60.0201

64.1194

67.8887

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

يتبين أن معظم خطوط الإنعراج تابعة للكوارتز (SiO2)، مع وجود بعض الخطوط التابعة لكربونات الكالسيوم (CaCO3 و أكسيد الحديد ((Fe2O3. تنبغي الإشارة إلى أن ارتفاع خط انعراج الأشعة السينية لا يدل على كمية المعدن فحسْبُ، بل أيضا على التبلور العالي له (شدة التبلور)، و بالتالي توجد أطوار ثانوية في كثير من الأحيان قد لا تكون مرئية في DRX، فعلى سبيل المثال، رملُنا يحوي نسبة معتبرة من أكسيد الألمنيوم Al2O3، و هو ما يظهره طيف الامتصاص ما تحت الأحمر IR،ولكن لا يُلاحَظ أي خط انعراج للأشعة السينية يمثل ذلك، و ذلك يعود إلى أن أكسيد الألمنيوم ليست له بنية بلورية؛     إذْ أن تقنية حيود الأشعة السينية لا تكشف إلا عن المواد ذات البنية البلورية.

المسافات البينية مقدرةً بالأنغستروم: 3.7932، 3.3249، 2.4988 ، 2.4668 ، 2.2792 ، 1.1383 ، 1.0610 ، 1.0027 ،  0.9412 و 0.8892 ، و مخطط الإنعراج الموضح في الشكل 3 يؤكد وجود الكوارتز في رمل كثبان منطقة ورقلة.

        تؤكد أهمُّ الإنعراجات التي تقع على المسافات البينية dhkl: 3.7932 ، 3.3249 وجود الكوارتز ذي البنية البلورية من الصنف ألفا (a)في رملنا[4]. أمّا المسافات البينية: 2.6908 Å ،3.0571 ،3.3539 ، 7.5752 فهي الانعراجات الناتجة عن كربونات الكالسيوم ، أمّا 2.8724 و Å 0.8561 فهي لأكسيد الحديد.

يمثل الجدول 4 مقارنة بين النتائج المشاهدة من خلال الانعراج على رملنا و تلك المحسوبة من قبل برنامج Dicvol 06. تبدو النتائج العملية و النظرية متقاربةً، ممّا يدل على أن نتائجنا التجريبية مقبولة.

A06010205

لقد استخدمنا نتائج انعراجات الكوارتز المتحصل عليها من تقنية DRX في برنامج Dicvol 06، و ذلك لتحديد التركيبة البلورية لهذا الكوارتز، فتبيّن أنه متبلور في النظام السداسي، المجموعة الفضائية P3221 (154)، و له وسائط خلية:a=4.9294 Å   وc=5.4093 ÅوV=113.832 Å3.

5. خلاصة:

بعد عرض نتائج التحليل الطيفي المتحصل عليها بالتقنيات المختلفة، يمكننا تلخيص الخصائص البنيوية للكوارتز الموجود في رمل كثبان منطقة ورقلة، و المتحصل عليها من خلال تقنيتي DRXوFTIRوبرنامج Dicvol 06في الجدول 5.

A06010206

المراجع

البصيلي أحمد مصطفى و مظفر محمد محمود؛ المعادن و الصخور، وزارة التعليم العالي و البحث العلمي، دار المكتبة الوطنية، بغداد (1980)

[1]

A. Amirat ; formulation et comportement d’un béton de sable de dune pour structures, Mémoire d’ingéniorat, poly-tech d’Alger  (2004)

[2]

Anniche Froideval ; Chimie de l’uranium (VI) à l’interface solution, minéraux (quartz et hydrox d’aluminium), expérience et caractérisation spectroscopiques thése docteur, Univ Louis Pasteur Strasbourg I, pp 63- 64 (2004)

[3]

G. Anbalagana, A. Prabakaramb and S. Gunasebaramb; Spectroscopic characterization of Indian standar sand, Journal of Applied Spectroscopy, Vol. 77, No 01 ( 2010)

[4]

أحمد الصفار؛ الطرق الآلية في التحليل الكيميائي، ديوان المطبوعات الجامعية ص 100-125 (1991)

[5]

A. Boulmokh, Y. Berredjem, K. Guerfi and A. Gheid; Research Journal of Applied Sciences, 2, pp435-440 (2007)

[6]

H.H.W. Moenke; Silica, the three-dimensional silicates, borosilicates and beryllium silicates. In The Infrared Spectra of Minerals, Mineralogical Society Monograph 4, V.C. Farmer, ed., Mineralogical Society , pp365-382, London (1974), 365-382.

[7]

J. Hlavay, K. Jonas, S. Elek and J. Inczedy; Clays and Clay Minerals, 26: 139-143 (1978)

[8]

H. Marel and H. Bentelspacher; Atlas of Infrared spectroscopy of Clay minerals and their admixtures, Elsevier, New York (1976)

[9]

K. Nakaoto; Infrared and Raman spectra of inorganic and coordination compounds, Willey Interscience, New York (1986)

[10]

J. Michael Hollas; Modern spectroscopy, Ed Willey (1974)

[11]