Общая характеристика

Таблица – наиболее распространенные минералы подкласса «Каркасные силикаты»

Каркасные силикаты, характеризующиеся трехмерным сочленением анионных тетраэдров (Si, Al)O₄, принадлежат к числу весьма широко распространенных и важных породообразующих минералов.

Соединения этого подкласса, с химической точки зрения, представляют собой почти исключительно алюмосиликаты, т. е. такие соединения, в кристаллических структурах которых участвуют анионные комплексы, состоящие не только из тетраэдров SiO₄, но и из тетраэдров АlO₄. При этом число ионов Si⁴⁺, замещенных ионами Аl³⁺, не превышает половины.

Весьма характерно, что в числе катионов, занимающих " полости" в каркасах, принимают участие только катионы, обладающие большими ионными радиусами: Na¹⁺, Са²⁺, К¹⁺, Ва²⁺, изредка Cs¹⁺ и Rb¹⁺. Катионы с малым ионным радиусом с характерной для них шестерной координацией - Mg²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Al³⁺, Fe³⁺ и др., которые широко представлены в других подклассах силикатов, в соединениях каркасных силикатов совершенно отсутствуют. Катионы Mg²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Al³⁺, Fe³⁺ и некоторые другие являются хромофорами, т. е. обусловливают окраску минералов. Отсутствие этих катионов в составе каркасных силикатов определяет преимущественно светлую окраску минералов данного подкласса.

Твердость каркасных силикатов в основном колеблется между 5 и 6, т. е. уступает среди силикатов лишь силикатам с изолированными тетраэдрами SiO₄ (подкласс «Островные силикаты»). Спайность каркасных силикатов, в отличие от минералов группы кварца, где спайность отсутствует, проявляется от ясной до совершенной по нескольким направлениям. Это объясняется тем, что для минералов группы кварца прочность химических связей Si-О-Si одинакова во всех трех основных направлениях. Во многих кристаллических структурах каркасных силикатов, несмотря на трехмерную связь, в некоторых преимущественных направлениях все же имеет место более тесная упаковка анионных тетраэдров. Так, например, в псевдотетрагонально построенных кристаллических структурах полевых шпатов проявляется спайность по " псевдотетрагональной" призме, в гексагональных структурах нефелина - по " псевдогексагональной" призме и т.п.

Замечательной особенностью минералов цеолитов (входят в число каркасных силикатов, но в данном курсе подробно не рассматриваются) является наличие в цеолитах слабо удерживаемых молекул Н₂O. Как при обезвоживании, так и при обводнении кристаллические структуры цеолитов не изменяются. Это определяется существованием в цеолитах" каналов", достаточно свободных для продвижения как молекул воды, так и других веществ. Отсюда берет свое название специфический для подземных вод термин – цеолитная вода. Другой важной химической чертой цеолитов является их способность к обмену различными катионами без изменения кристаллической структуры.

Следует упомянуть о том, что полевые шпаты, входящие в состав каркасных силикатов, и многие цеолиты, являясь сложными химическими соединениями, в структурном отношении приближаются к высокосимметричным кристаллическим структурам. Нарушается общая тенденция, выраженная законом Федорова – Грота – чем сложнее состав вещества, тем ниже, в общем случае, категория симметрии. Для полевых шпатов и цеолитов исключение из закона Федорова – Грота объясняется стремлением этих минералов к двойникованию, причем двойники часто полисинтетические. Симметрия двойников всегда выше симметрии индивидов.

Из многочисленных минералов, входящих с состав каркасных силикатов, в настоящем курсе рассмотрим наиболее распространенные в природе полевые шпаты и нефелин.

Группа «полевые шпаты»

Полевые шпаты* из всех силикатов являются наиболее распространенными в земной коре, составляя около 50% ее массы. Примерно 60% полевых шпатов заключено в магматических горных породах; около 30% приходится на долю метаморфических горных пород, преимущественно кристаллических сланцев; остальные 10-11% находятся в осадочных горных породах - главным образом в песчаниках и конгломератах.

* Шпаты – минералы, обладающие совершенной спайностью в двух направлениях. Происхождение термина «полевые шпаты» не ясно. Возможно, чаще всего, обломки этих минералов находили в средние века именно на крестьянских полях.

По химическому составу полевые шпаты представляют алюмосиликаты Na, К и Са, изредка Ва. Иногда в ничтожных количествах присутствуют Li, Rb, Cs в виде изоморфной примеси к щелочам и Sr, заменяющий Са.

Кристаллизуются полевые шпаты в моноклинной или триклинной сингонии, причем те и другие по морфологическим признакам мало отличимы друг от друга. Рентгенометрические исследования показывают большое сходство в кристаллической структуре всех шпатов.

Много общего в физических свойствах полевых шпатов. Все они преимущественно имеют светлую окраску; относительно низкие показатели преломления; большую твердость - 6-6, 5; совершенную спайность по двум направлениям, пересекающимся под углом, близким к 90°; сравнительно небольшие плотности - 2, 5-2, 7. По этим признакам полевые шпаты довольно легко отличаются от похожих на них минералов.

В соответствии с химическим составом и параметрами кристаллического строения группа полевых шпатов классифицируется на три подгруппы:

- подгруппа натриево-кальциевых полевых шпатов, называемых плагиоклазами. Представляют собой непрерывный изоморфный ряд альбит Na[AlSi₃O₈] – анортит Ca[Al₂Si₂O₈];

- подгруппа кали-натриевых полевых шпатов, которые при высоких температурах также дают непрерывные твердые растворы K[AlSi₃O₈] - Na[AlSi₃O₈], распадающиеся при медленном охлаждении на два компонента - существенно калиевый и существенно натриевый;

- подгруппа редко встречающихся кали-бариевых полевых шпатов, называемых гиалофанами. Представляют собой изоморфные смеси K[AlSi₃O₈] - Ba[Al₂Si₂O₈].

В настоящем курсе рассмотрим наиболее распространенные среди полевых шпатов плагиоклазы и кали-натриевые полевые шпаты.

Подгруппа «плагиоклазы» или кальций-натриевые полевые шпаты

Плагиоклазы - (100-n)Na[AlSi₃O₈] - nCa[Al₂Si₂O₈], где n – содержание анортитовой (составляющей (таблица 1) - меняется от 0 до 100. " Плагиоклаз" в переводе с греческого языка - косораскалывающийся. По сравнению с другими полевыми шпатами, у которых угол между плоскостями спайности (001) и (010) равен 90° или очень близок к этой цифре, у плагиоклазов он меньше - 86°24'-86°50'.

Таблица 1 – Плагиоклазы

Русский минералог и кристаллограф Евграф Степанович Федоров в ХIХ веке предложил очень удобную и наиболее рациональную классификацию с обозначением каждого плагиоклаза определенным номером соответственно процентному содержанию в нем анортитовой молекулы. Так, например, плагиоклаз № 72 представляет изоморфную смесь, содержащую 72% анортита и 28% альбита.

Иногда для общих соображений при систематике магматических пород удобно придерживаться грубого деления плагиоклазов по их составу, а именно: плагиоклазы кислые - № 0-30; плагиоклазы средние - № 30-60; плагиоклазы основные - № 60-100.

Здесь названия " кислый", " средний", " основный" применены не в обычном смысле - они обусловлены тем, что содержание Si0₂ (" кремнекислоты") от альбита к анортиту постепенно падает (табл. 2).

Таблица 2 – Систематика плагиоклазов

Плагиоклазы кристаллизуются в триклинной сингонии. Облик кристаллов. Хорошо образованные простые кристаллы встречаются относительно редко. Имеют таблитчатый и таблитчато-призматический облик (рисунок). Простые двойники редки, зато чрезвычайно широко распространены сложные полисинтетические двойники, наблюдаемые и в зернах неправильной формы. В прозрачных шлифах полисинтетические двойники сразу обнаруживаются при окрещенных николях и настолько типичны, что позволяют быстро отличить плагиоклазы от других минералов.

Рисунок – Кристалл альбита. Угол между (010) и (001) равен 86°24'

Агрегаты. Альбит в пустотах среди пегматитов довольно часто наблюдается в виде друз или агрегатов, пластинчатых кристаллов, иногда называемых клевеландитом. Встречаются также зернистокристаллические породы, состоящие почти целиком из плагиоклазов. Таковы, например, сахаровидная альбитовая порода, образующаяся нередко метасоматическим путем в пегматитах; анортозиты или лабрадориты Украины, используемые в качестве облицовочного камня и др.

Цвет белый, серовато-белый, иногда с зеленоватым, синеватым, реже красноватым оттенком. Блеск стеклянный.

Разновидности плагиоклазов, получившие особые названия благодаря некоторым оптическим эффектам:

- лунный камень - кислый плагиоклаз (но чаще кали-натриевый полевой шпат), обладающий своеобразным нежно-синеватым отливом, напоминающим лунный свет;

- авантюрин или солнечный камень - кислый плагиоклаз, а также кали-натриевый полевой шпат, обладающий красивым искристо-золотистым отливом, обусловленным включениями тончайших чешуек железного блеска;

- лабрадор - главный минерал так называемого лабрадорового камня, являющийся основным или средним плагиоклазом, часто обнаруживающий на плоскостях спайности красивый переливчатый отсвет в синих и зеленых тонах.

Твердость плагиоклазов 6-6, 5. Спайность совершенная по [001} и {010}. Плотность непрерывно возрастает от 2, 62 (альбит) до 2, 76 (анортит, табл. 2).

Диагностические признаки. В случае более или менее крупных кристаллов и зерен плагиоклазы от похожих на них кали-натриевых полевых шпатов можно отличить по косому углу их спайности. Однако внутри ряда плагиоклазов отличить различные минеральные виды друг от друга не представляется возможным без дополнительных анализов.

П. п. тр. плавятся с трудом в стекло, часто окрашивая пламя в желтый цвет (Na). В кислотах не растворяются.

Подгруппа «кали-натриевые полевые шпаты»

Кали-натриевые полевые шпаты в зависимости от температуры могут кристаллизоваться в разных модификациях (моноклинной и триклинной). Вследствие того, что К¹⁺ и Na¹⁺ существенно отличны друг от друга по размерам ионных радиусов (соответственно 1, 33 и 0, 98Å), образующиеся при высоких температурах твердые растворы с постепенным понижением температуры распадаются, образуя так называемые пертиты, обычно представляющие закономерные срастания продуктов распада твердых растворов.

Это обусловливает значительные усложнения в составе и структуре относящихся к кали-натриевым полевым шпатам минеральных видов. Общую систематику их можно представить в следующем виде:

Моноклинный высокотемпературный ряд: - санидин K[AlSi₃O₈]; - натронсанидин (К, Na)[AlSi₃O₈]

Моноклинный низкотемпературный ряд: - ортоклаз K[AlSi₃O₈]; - натронортоклаз (Na, К)[AlSi₃O₈]

Триклинный ряд: - микроклин К[AlSi₃O₈]; - анортоклаз (Na, К)[AlSi₃O₈]

Таким образом, для соединения K[AlSi₃O₈] существуют две моноклинные модификации - санидин, устойчивый при температуре выше 900°С; - ортоклаз, устойчивый ниже температуры 900°С, - и одна триклинная модификация, называемая микроклином. В настоящем курсе рассмотрим наиболее часто встречающиеся в природе ортоклаз и микроклин.

Ортоклаз - K[AlSi₃O₈] или К₂O•Al₂O₃•6SiO₂. " Ортоклаз" по-гречески - прямораскалывающийся. Действительно, угол между плоскостями спайностями равен 90°. Бесцветная прозрачная разновидность ортоклаза носит название адуляра. В процессе нагревания при температуре около 900°С ортоклаз переходит в санидин-модификацию, отличающуюся по некоторым оптическим константам.

Химический состав. К₂O - 16, 9%, Аl₂O₃ - 18, 4%, SiO₂ - 64, 7%. Часто присутствует Na₂O в количестве нескольких процентов, иногда превышая содержание К₂O (натронортоклаз). Примеси: BaO, FeO, Fe₂O₃ и др.

Сингония моноклинная. Облик кристаллов чаще всего призматический (рисунок). Простые двойники довольно часты.

Рисунок – Кристаллы калиевого полевого шпата

Цвет. Обычные непрозрачные ортоклазы обладают светло-розовым, буровато-желтым, красновато-белым, иногда мясо-красным цветом. Блеск стеклянный, особенно у адуляра. Твердость 6-6, 5. Спайность совершенная в двух направлениях под углом 90°. Плотность 2, 64-2, 57.

Диагностические признаки. Макроскопически ортоклазы довольно легко узнаются по желтоватым и красноватым светлым окраскам, высокой твердости и углу между спайностями. Отличить ортоклаз от не менее распространенного микроклина аналогичной окраски на глаз (без микроскопического изучения) невозможно.

Микроклин - K[AlSi₃O₈]. " Микроклин" по-гречески - незначительно отклоненный: угол между плоскостями спайности отличается от прямого угла всего на 20'.

Химический состав аналогичен составу ортоклаза. Почти всегда содержит Na₂O в существенных количествах. Кроме того, в зеленых разновидностях микроклина (амазонит) устанавливаются чаще, чем в обычных микроклинах и ортоклазах, примеси Rb₂O (иногда до 1, 4%) и Cs₂O (до 0, 2%).

Сингония триклинная. Облик кристаллов - аналогично ортоклазу, приведен на рисунке. Агрегаты. В пегматитовых жилах часто наблюдается в виде необычайно крупнокристаллических агрегатов, легко раскалывающихся при ударе по плоскостям спайности. Размеры индивидов, устанавливаемых по спайности, нередко измеряются десятками сантиметров, иногда даже метрами.

Цвет микроклина обычно такой же, как ортоклаза. Встречается разновидность зеленого цвета, называемая амазонитом. Эта окраска бывает неоднородной, приуроченной нередко к периферии кристаллов, или распространяется внутрь их в форме жилок, линзочек или неправильной формы пятен, иногда в соседстве с прожилками белого кварца. Блеск стеклянный, на плоскостях спайности слегка перламутровый. Твердость 6-6, 5. Спайность, так же как у ортоклаза, совершенная в двух направлениях. Плотность 2, 54-2, 57.

Распространены оригинальные срастания микроклина с кварцем, носящие название " еврейского камня" или " письменного гранита" (рисунок).

Рисунок – Закономерные срастания кварца (темное) с микроклином – «еврейский камень» или «письменный гранит»

Диагностические признаки. По внешним признакам микроклин не отличим от ортоклаза. В прозрачных шлифах под микроскопом легко узнается по характерному решетчатому строению отдельных индивидов, хорошо наблюдаемому при скрещенных николях. Нерешетчатый микроклин диагностируется по оптическим константам.