ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР МИНЕРАЛЬНЫХ ВИДОВ

Изоморфное рассеяние и маскировка редких химических элементов

Другим важнейшим фактором, ограничивающим число минеральных видов, является изоморфизм, то есть способность атомов разных химических элементов замещать друг друга в одних и тех же позициях кристаллической структуры, что приводит к образованию твердых растворов [5, 6]. Главными условиями изоморфизма являются близость размеров атомов или ионов, замещающих друг друга, и близость таких химических свойств, как, например, электроотрицательностей. Известно, что даже при близости размеров (А) ионы Na⁺ (r = 0,95) и Cu⁺ (r = 0,96), K⁺ (r = 1,33) и Ag⁺ (r = 1,26), Ca²⁺ (r = 0,99) и Hg²⁺ (r = 1,10) не образуют изоморфных смесей из-за большого различия электроотрицательностей (х_Na = 0,9, х_Cu = 1,9, х_K = 0,8, х_Ag = 1,9, х_Ca = 1,0, х_Hg = 1,9), то есть, иными словами, из-за разного характера химической связи с какими-либо одинаковыми по размеру атомами. В общем принято считать, что условиями, благоприятными для
изоморфного замещения, являются относительное различие размеров, не превышающее 15% (dr/r  меньше или равно 0,15), и разности электроотрицательностей dx не более 0,4. Однако не следует забывать, что пределы взаимной смесимости резко расширяются с ростом
температуры и другие факторы могут способствовать изоморфизму [6].

Есть несколько химических элементов, которые вообще не образуют собственных минеральных фаз, а входят в кристаллические постройки более распространенных идеальных изоморфных партнеров. Таковы рубидий, постоянно замещающий калий в распространенных полевых шпатах и слюдах, гафний, полностью маскирующийся в минералах циркония, в которых он и был обнаружен, и рений, целиком находящийся в минералах молибдена, прежде всего в молибдените. Несколько других элементов образуют только очень редкие собственные минералы - это германий и галлий, спрятанные почти полностью в минералах кремния и алюминия соответственно, скандий, постоянный спутник магния,
тантал и ниобий, замещающие титан во многих минералах. К этому перечню надо добавить еще группу платиноидов (шесть элементов), а также редкие земли и иттрий (пятнадцать элементов), образующие благодаря тесным изоморфным связям между собой почти исключительно общие кристаллические постройки. Наконец, сюда же относятся кадмий, индий и таллий, которые, как правило, входят в виде примесей в сульфидные минералы полиметаллических руд (сфалерит, галенит, халькопирит). Таким образом, почти треть всех стабильных элементов либо
не дает собственных минералов, либо образует очень редкие минералы, встречающиеся в специфических условиях. Характерна зависимость между числом минеральных видов и атомным весом элемента: чем тяжелее элемент, тем меньше его распространенность и тем менее вероятно для него большое число минералов.

Конечно, это не закон, а лишь правило, из которого имеется много исключений (например, висмут, золото). К примеру, цезий, гораздо менее распространенный, чем его аналог рубидий, тем не менее дает собственные минералы, из которых наиболее известен поллуцит CsAlSi₂O₆. Это связано с тем, что в результате большого различия радиусов К⁺ и Cs⁺ (dr/r = 20%) они не могут быть изоморфными в той же степени, как К⁺ и Rb⁺ (dr/r = 10%), и поэтому слишком крупный Cs⁺ вынужден накапливаться в остаточных расплавах и выделяться из них в виде собственных минералов. Подобна судьба и слишком мелкого Be²⁺ (r = 0,31 А), который не находит себе изоморфных партнеров среди более распространенных элементов и образует собственные минералы (берилл, фенакит) в конечных продуктах кристаллизационной дифференциации. Еще один показательный пример касается минералогии теллура. В отличие от более легкого аналога по группе - селена теллур слишком сильно отличается по размеру от своего потенциального изоморфного хозяина серы (S-Se, dr/r = 7%; S-Te, dr/r = 19%). Это не позволяет ему так же широко пользоваться гостеприимством сульфидных минералов, как селену, и в результате число минералов Te, примерно в 35 раз менее распространенного, чем Se, оказывается сравнимым или даже большим, чем минералов Se.

Исключения, которые только поддтверждают правило

Картина, нарисованная выше, была бы неполной, если не указать некоторые исключения. Среди них одним из наиболее ярких является весьма специфический минералогический мир щелочных пород, примеры которых дают известные горные массивы Хибинских и Ловозерских тундр на Кольском полуострове. Эти породы представляют собой уникальные кладовые редких элементов, которые в них многократно концентрируются. Именно здесь только за 25 последних лет было открыто 114 новых минеральных видов, а всего в этих массивах присутствует около 500 видов, что значительно больше, чем в любом другом горном массиве или месторождении [7]. Подавляющая часть новых находок относится к минералогическим редкостям и, кроме того, весьма часто нестабильным на земной поверхности. Так, десятки из этих минералов растворимы в воде и могут сохраняться только на больших глубинах в специфических по составу и происхождению ультращелочных породах. Само появление этих необычных минералов обязано уникальным условиям (составу, температуре и давлению) среды, и у них нет шансов
сохраниться при изменении условий, например при выветривании.

Другие события, которое дают много новых минеральных видов, сопровождают современные вулканические извержения. При конденсации вулканических газов в кратерах и вблизи них кристаллизуются налеты солей серной, соляной кислот и их аналогов (арсенаты, ванадаты). Хорошо известен, например, легко растворимый в воде нашатырь NH₄Cl, который встречается как продукт возгонов в кратерах вулканов и пустотах среди застывших лав (Везувий, Этна). В холодных фумаролах камчатских вулканов встречаются скопления нашатыря в несколько тонн весом.

С вулканом Кудрявым на острове Итуруп (Курилы) связано недавнее сенсационное открытие [8] единственного минерала рения - ReS₂. Самостоятельная кристаллизация этого вещества и практически полное отделение его от обычного хозяина примесей рения - молибденита MoS₂ требуют совершенно исключительных условий - увеличения концентрации рения на восемь порядков против обычных и очень узкого интервала температур и давлений.

Таким образом, можно утверждать, что новые открытия минеральных видов, которые, несомненно, еще предстоит сделать пытливым испытателям природы, не смогут в корне изменить основы наших представлений о природе того естественного отбора, который столь резко отличает химию Земли и известного нам  Космоса от препаративной и технологической химии.

Литература

Назад