CIPW-norm

De Cross-Iddings-Pirsson-Washingtonnorm of CIPW-norm is de meestgebruikte norm in de petrologie, een theoretisch model voor de samenstelling van een gesteente. Voor de berekening van de CIPW-norm moet de chemische samenstelling van het gesteente bekend zijn. Deze wordt uitgedrukt in gewichtspercentages van de oxiden van aanwezige elementen. De CIPW-berekening zet de aandelen van de oxiden om in die van een hypothetische set 'normatieve' mineralen. De normatieve mineralen hoeven niet daadwerkelijk in het gesteente aanwezig te zijn. Ze vormen een model voor een gesteente met dezelfde samenstelling dat onder thermodynamisch en mechanisch evenwicht uit magma kristalliseerde.

Achtergrond

De CIPW-norm is genoemd naar Whitman Cross, Joseph Iddings, Louis Pirsson en Henry Washington, die de methode van berekening in 1902 publiceerden. Sindsdien is de CIPW-norm algemeen in gebruik gebleven. De berekening kan na invoering van computers sneller worden uitgevoerd. Ook werd het daardoor mogelijk de mineralogie aan de hand van thermodynamisch evenwicht te berekenen. De CIPW-norm is echter zo robuust gebleken dat ze meestal vergelijkbare resultaten oplevert.

tot halverwege de 20e eeuw vastgesteld met een lange handmatige berekening aan de hand van een tabel. De opkomst van de computer heeft berekeningen aanzienlijk versneld.

Een bulkgesteentesamenstelling wordt meestal uitgedrukt in de oxiden van maximaal 13 elementen. Afhankelijk van de aanwezige componenten worden CIPW-normen samengesteld uit niet meer dan ongeveer 30 verschillende normatieve mineralen, waarvoor veel in de natuur voorkomende, gesteentevormende of aanvullende mineralen met een eenvoudige empirische formule genomen zijn. Verder zijn er onder de normatieve mineralen alleen eindleden van een vaste oplossing, en geen gehydrateerde mineralen.

Veel van de oxiden van een bulkgesteentesamenstelling komen echter in meerdere van normatieve mineralen voor. Het oxide van natrium (Na2O) kan bijvoorbeeld in albiet (NaAlSi3O8, plagioklaas) als nefelien (NaAlSiO4), veldspaatvervanger) voorkomen, en deze twee mineralen kunnen samen in de CIPW-norm van een gesteente voorkomen. De verdeelsleutel vormt de kern van het CIPW-model. Aan welk normatief mineraal een component toegekend wordt is gebaseerd op observatie van in de natuur voorkomend gesteente. De mineraalsamenstelling is het gevolg van de thermodynamische eigenschappen van de mineralen, bijvoorbeeld welk mineraal als eerste kristalliseert in een magma. De kracht van de CIPW-norm blijkt uit het feit dat het resultaat sterk overeenkomt met thermodynamische modellen die de evenwichtssamenstelling berekenen.

De CIPW-norm kan niet direct met de modale samenstelling van het gesteente, de daadwerkelijk aanwezige mineralen, vergeleken worden. De modale samenstelling wordt namelijk in volumepercentages berekend terwijl de norm uit gewichtspercentages bestaat. Om de twee te vergelijken wordt voor elk normatief mineraal het percentage door de soortelijke massa gedeeld. Die omrekening is ook nodig voor het classificeren van gesteente omdat gesteentenamen gedefinieerd zijn op basis van de volumeverhouding tussen mineralen.

Berekening

De CIPW-norm kijkt naar het gesteente in zijn ongehydrateerde staat. Het oxide van waterstof (H2O) in de bulkgesteentesamenstelling wordt daarom niet meegenomen in de berekening. De overige oxiden worden opgeteld en genormaliseerd tot 100%.

Omdat ijzer in twee oxidatietoestanden voorkomt (Fe2+ en Fe3+) kan onduidelijk zijn in welk oxide het element zit. De verdeling over Fe2O3 en FeO heeft sterke invloed op de silicaverzadiging van de norm. Voor deze ratio Fe2O3/FeO kan het getal 0,15 worden genomen (oftewel de ratio Fe3+/Fe2+ = 0,30), dat overeenkomt met natuurlijk gesteente.

Als er in de bulkgesteentesamenstelling nikkel (NiO) en mangaan (MnO) aanwezig is, wordt dit gehalte bij dat van FeO opgeteld. Op dezelfde manier worden SrO en BaO bij CaO opgeteld. De reden is dat nikkel in de praktijk in de kristalroosters ijzer vervangt, en strontium en barium hetzelfde doen met calcium. Er blijven dan 13 oxiden over.

De berekening van de CIPW lijkt een lang proces, maar in de praktijk valt dit voor het meeste gesteente behoorlijk mee. Er is bovendien verschillende software beschikbaar om de berekening snel uit te voeren.

Normatieve mineralen

De volgende lijst toont welk mineralen in de CIPW-norm voorkomen. Omdat de CIPW-norm van 'droog' gesteente uitgaat, ontbreken vergeleken met modale mineralen de hydraten en hydroxiden. Mica's en mineralen die bij diagenese of verwering vormen, zoals kleimineralen, komen daarom niet in de norm voor.

mineraal symbool empirische formule formule in oxiden gewichtspercentage per mol
kwarts Q SiO2 SiO2 60,09 [SiO2]
korund C Al2O3 Al2O3 101,96 [Al2O3]
zirkoon Z ZrSiO4 ZrO2•SiO2 183,31 [ZrO2]
fluoriet fr CaF2 - 39,04 [F]
pyriet pr FeS2 - 59,98 [S]
orthoklaas or KAlSi3O8 K2O•Al2O3•6SiO2 556,67 [K2O]
albiet ab NaAlSi3O8 Na2O•Al2O3•6SiO2 524,46 [Na2O]
anorthiet an CaAl2Si2O8 CaO•Al2O3•2SiO2 278,21 [CaO]
acmiet ac Na2Fe2Si4O6 Na2O•Fe2O3•4SiO2 462,02 [Na2O]
natriummetasilicaat ns Na2SiO3 Na2O•SiO2 122,07 [Na2O]
kaliummetasilicaat ks K2SiO3 K2O•SiO2 154,3 [K2O]
calciumorthosilicaat cs Ca2SiO4 2CaO•SiO2 86,12 [CaO]
chromiet cm FeCr2O4 FeO•Cr2O3 223,84 [Cr2O3]
magnetiet mt Fe3O4 FeO•Fe2O3 231,54 [FeO]
hematiet hm Fe2O3 Fe2O3 159,69 [Fe2O3]
ilmeniet il FeTiO3 FeO•TiO2 151,75 [TiO2]
titaniet (sfeen) tn CaTiSiO5 CaO•TiO2•SiO2 196,07 [TiO2]
rutiel ru TiO2 TiO2 79,90 [TiO2]
calciet cc CaCO3 CaO•CO2 100,09 [CO2]
apatiet ap Ca5(PO4)3F 9CaO•3P2O3•F2O 336,21 [P2O3]
diopsied di (en/fs) Ca(Mg,Fe)Si2O6 CaO•(Mg,Fe)O•SiO2 (116,17 + 0,7609(MgO/FeO)) [(Mg,Fe)O]
wollastoniet wo CaSiO3 CaO•SiO2 116,17 [CaO]
hyperstheen hy (en/fs) (Mg,Fe)2Si2O6 (Mg,Fe)O•SiO2 0,7609(MgO/FeO) [(Mg,Fe)O]
olivijn ol (fo/fa) (Mg,Fe)2SiO4 2(Mg,Fe)•SiO2 0,6905(MgO/FeO) [(Mg,Fe)O]
perovskiet pf CaTiO3 CaO•TiO2 135,98 [TiO2]
leuciet lc KAlSi2O6 K2O•Al2O3•4SiO2 436,50 [K2O]
nefelien ne NaAlSiO4 Na2O•Al2O3•2SiO2 284,11 [Na2O]
kaliofilliet kp KAlSiO4 K2O•Al2O3•2SiO2 316,33 [K2O]

CIPW-norm voor silicaverzadigd gesteente

De oxiden van het bulkgesteente worden in opeenvolgende stappen over de normatieve mineralen verdeeld. Daarbij is van belang de stappen in de correcte volgorde te volgen. De 'gewone' berekening gaat uit van silicaverzadigd gesteente, waarin zoveel silica (SiO2) zit dat het na de verdeling van de andere oxiden nog steeds over is. In de laatste stap wordt het overgebleven silica in normatief kwarts omgezet.

Niet alle gesteente heeft een dergelijk overschot aan silica. Bij silica-onderverzadigd gesteente moet op de berekening van de CIPW-norm na afloop nog een correctie worden uitgevoerd. Daarbij worden sommige 'voorlopige' normatieve mineralen omgezet in andere, die minder silica bevatten. Een 'voorlopig' mineraal wordt met een apostrof (') aangemerkt.

Normatief chromiet, zirkoon, zwavel, apatiet, fluoriet en calciet
Normatief veldspaat en ijzer- en titaniumoxiden
Normatief pyroxeen

Na deze stappen overgebleven MgO en FeO gaat in pyroxeen (of olivijn) zitten. Deze twee oxiden worden daarbij samen genomen. Hun verhouding (FeO/MgO) komt tot uiting in de verhouding tussen forsteriet (Mg-olivijn) en fayaliet (Fe-olivijn).

Als na al deze stappen SiO2 groter is dan 0, is het gesteente verzadigd in silica. Het overgebleven SiO2 wordt dan toegekend aan kwarts (Q). Daarmee is de berekening compleet.

Correctie bij een tekort aan silica

Als na de voorgaande stappen SiO2 kleiner is dan 0 was er te weinig silica in het gesteente aanwezig om de eerder berekende normatieve mineralen te vormen. Sommige mineralen (met name veldspaat en pyroxeen) moeten dan worden omgerekend naar mineralen die minder silica bevatten. Het tekort aan silica wordt weergegeven met de letter D. Het omzetten van mineralen gaat met zeven opeenvolgende stappen. Als het silicatekort volledig kan worden opgevangen na een aantal van die stappen hoeven de verdere stappen niet doorlopen te worden.

Als de berekening compleet is worden de molaire hoeveelheden van de normatieve mineralen omgerekend naar gewichtspercentages. Daarvoor wordt in elk normatief mineraal een kenmerkend oxide genomen, waarvan het aantal mol vermenigvuldigd wordt met een omrekeningsfactor.