Основы геологии

Класс силикатов. Минералы этого класса широко распространены в земной коре (свыше 78%). Они образуются преимущественно в эндогенных условиях, будучи связаны с различными проявлениями магматизма и с метаморфическими процессами. Лишь немногие из них возникают в экзогенных условиях. Многие минералы этого класса являются породообразующими магматических и метаморфических горных пород, реже осадочных.

Силикаты характеризуются сложным химическим составом и внутренним строением. В основе их структуры лежит кремнекислородный тетраэдр (см. рис. 2.2), в центре которого находится ион кремния Si⁴⁺ , а в вершинах - ионы кислорода О^2-, которые создают четырехвалентный радикал [SiO₄]^4-. Частичная замена четырехвалентных ионов кремния трехвалентными ионами алюминия приводит к возникновению у такого соединения некоторого дополнительного отрицательного заряда. Минералы с подобным строением называются алюмосиликатами. Примером минерала силиката является оливин - (Mg,Fe)₂[SiO₄], алюмосиликата-ортоклаз K[AlSi₃O₈]. Кремнекислородные и алюмокремнекислородные тетраэдры в пространстве могут различно сочетаться друг с другом, что определяет кристаллическую структуру минералов и лежит в основе их современной классификации. Например, оливин относится к островным силикатам, и его структура представляет изолированный тетраэдр [SiO₄]^4-, присоединяющий ионы железа и магния (см. рис. 2.2).

Рис. 2.3. Структура силикатов.

Тетраэдры могут образовывать цепочечные, ленточные и слоевые структуры с соответствующими радикалами (рис. 2.3). Трехмерно соединяясь в пространстве через ионы кислорода, кремнекислородные тетраэдры создают структуру, называемую каркасной. Отрицательный заряд алюмокремнекислородных тетраэдров обеспечивает присоединение к каркасной структуре катионов и образование каркасных алюмосиликатов. К ним относятся, например, полевые шпаты.

Внутренняя структура силикатов и алюмосиликатов в значительной степени обусловливает их свойства: минералы с островной структурой, характеризующейся плотной упаковкой ионов, часто образуют изометричные кристаллы, обладают большой твердостью, плотностью и несовершенной спайностью. Минералы с линейно вытянутыми структурами (цепочечными и ленточными) образуют призматические кристаллы, обладающие хорошо выраженной спайностью в двух направлениях вдоль длинной оси структуры. Минералы с слоевой структурой образуют таблитчатые кристаллы с весьма совершенной спайностью, параллельной "слоям" структуры.

Островные силикаты. Оливин, или перидот, (Mg,Fe)₂[SiO₄], член изоморфного² ряда минералов форстерит (бесцветный) Mg₂[SiO₄] и фаялит (черный) Fe₂[SiO₄]. Встречается обычно в виде зернистых агрегатов или отдельных зерен, вкрапленных в породы. Сингония ромбическая.

Цвет желто-зеленый, оливковый до черного; блеск на гранях стеклянный, на изломе часто жирный; слабо просвечивает; излом неровный, иногда раковистый; спайность средняя и несовершенная; твердость 6,5-7; плотность 3,2-3,5. Разновидности, содержащие мало железа, употребляются для изготовления огнеупорного кирпича, хризолит (желто-зеленая разновидность) - драгоценный камень. Породы, богатые оливином, встречаются на Урале, Кавказе и др.

Цепочечные и ленточные силикаты и алюмосиликаты. Цепочечной структурой обладают минералы группы пироксенов, а ленточной - амфиболов. Они близки по свойствам, но пироксены образуют относительно короткие восьмигранные призматические кристаллы и углы между направлениями спайности у них составляют 87^o (93^o). Минералам группы амфиболов свойственны длинностолбчатые, игольчатые или волокнистые шестигранные кристаллы, спайность у них более совершенная и ее плоскости располагаются под углом 124^o (56^o) друг к другу.

В качестве примера минералов группы пироксенов рассмотрим гиперстен (силикат) и авгит (алюмосиликат).

Гиперстен (Fe,Mg)₂[Si₂O₆] относится к сравнительно бедным оксидом кремния пироксенам и представляет собой изоморфную смесь молекул Mg₂ [Si₂O₆] и Fe₂ [Si₂O₆]. Присутствует главным образом в ультраосновных и основных магматических породах. Сингония моноклинная (псевдоромбическая). Цвет серовато-черный с зеленоватым оттенком, коричневато-зеленый; блеск стеклянный, иногда металловидный; твердость 5,5-6; плотность 3,4-3,5.

Авгит (Ca,Na) (Mg,Fe²⁺,A,Fe³⁺) [(Si,Al)₂O₆] встречается в кристаллических агрегатах, реже в виде короткостолбчатых кристаллов моноклинной сингонии. Цвет зеленовато-черный и черный; блеск стеклянный; твердость 5-6,5; плотность 3,2-3,6.

Одним из наиболее распространенных минералов группы амфиболов является роговая обманка (Ca,Na)₂(Mg,Fe²⁺)₄(Al,Fe³⁺) (OH)₂[(Si,Al)₄O₁₁]₂. По свойствам близка к авгиту, отличаясь формой кристаллов и взаимным расположением плоскостей спайности (см. выше), а также несколько меньшей плотностью-3,1-3,4.

К листовым (слоевым) силикатам и алюмосиликатам относится большое количество минералов, из которых многие являются породообразующими магматических, метаморфических и глинистых осадочных горных пород. Кристаллизуются в моноклинной сингонии. Обладают весьма совершенной спайностью в одном направлении, параллельном "листам" кристаллической структуры, и небольшой твердостью (1-4).

Наиболее распространенными минералами этой структурной группы являются слюды, зерна которых встречаются во многих магматических и метаморфических породах; в жилах отдельные кристаллы слюд достигают в сечении нескольких квадратных метров. Происхождение магматическое, гидротермальное, метаморфическое.

Биотит K(Mg,Fe)₃(OH,F)₂[AlSi₃O₁₀]. Цвет черный, бурый, иногда зеленоватый; блеск стеклянный, местами перламутровый; твердость 2-3; плотность 3-3,2. Как у всех слюд, листочки, отделяющиеся по спайности, упругие.

Мусковит³ KAl₂(OH)₂[AlSi₃O₁₀] по многим свойствам близок к биотиту, но имеет почти бесцветную окраску со светло-розовым или серым оттенком, прозрачен в тонких листочках; плотность 2,7-3,1. Используется в электропромышленности, радиотехнике, приборостроении, для изготовления огнестойких строительных материалов, красок, смазочных материалов и др. Наиболее крупные месторождения СССР в Карелии, Восточной Сибири.

При гидротермальных процессах и метаморфизме основных и ультраосновных магматических пород (см. ниже), а также карбонатных осадочных пород образуются многие минералы той же структурной группы. Ниже остановимся на наиболее распространенных из них.

Тальк Mg₃(OH)₂[Si₄)O₁₀] образует кристаллические агрегаты, реже отдельные крупные кристаллы и их сростки. Цвет белый, светло-зеленый; блеск стеклянный, перламутровый, у плотных мелкозернистых агрегатов матовый; листочки, отделенные по спайности, гибкие, неупругие; твердость 1 (на ощупь жирный); плотность 2,8. Широко используется как огнеупорный материал, при изготовлении изоляторов, в парфюмерии и пр. Крупные месторождения СССР на Урале, в Восточном Саяне.

Серпентин (змеевик) Mg₆(OH)₈[Si₄O₁₀] встречается обычно в виде плотных скрытокристаллических разностей. Тонковолокнистая разновидность называется хризо-асбестом. Цвет светло-зеленый, желто-зеленый до черного, часто пятнистый, у хризо-асбеста золотистый, отдельные волокна белые; блеск стеклянный, жирный, у хризо-асбеста шелковистый; твердость 2-4; плотность 2,5-2,7. Хризо-асбест используется для изготовления огнестойких и теплоизоляционных материалов. Месторождения в СССР на Урале, в Саянах и др.

Хлориты-минералы, представляющие собой изоморфный ряд соединений состава Мg₆(ОН)₈[Si₄O₁₀] и Mg₄Al₂(OH)₈(Al₂Si₂O₁₀], в которых Mg²⁺ и А1³⁺ могут замещаться соответственно Fe²⁺ и Fe³⁺. Название этих минералов связано с их зеленой до зелено-черной окраской. Встречаются обычно в виде плотных кристаллических агрегатов, реже в виде отдельных кристаллов. Блеск стеклянный, местами перламутровый; листочки отделяющиеся по спайности, гибкие неупругие; твердость 2-3; плотность 2,6-2,9.

К листовым силикатам относится ряд минералов осадочного происхождения, образующихся при выветривании преимущественно магматических и метаморфических пород. Составляют основную часть глинистых пород. Из этих минералов наибольшим распространением пользуется каолинит Al₄(OH)₈[Si₄O₁₀], образующий землистые агрегаты. Цвет белый; блеск агрегатов матовый; излом землистый; твердость 1 (на ощупь жирный); плотность 2,6; легко поглощает влагу, намокая, становится пластичным. Употребляется в керамическом производстве, строительном деле, бумажной промышленности и др. Месторождения в СССР многочисленны: на Украине, Урале, Кавказе и в других местах.

В неглубоких морских бассейнах образуется глауконит K(Fe,Al,Mg)₃(OH)₂[AlSi₃O₁₀]^.H₂0 (воды до 5-13%), относимый к гидрослюдам. Встречается в виде мелких зернышек неправильной формы (песчинок) или в виде мелкорассеянного цемента в песчаных и глинистых осадочных породах. Цвет зеленый до темно-зеленого; блеск обычно матовый; твердость 2-3; плотность 2,2-2,8.

Из каркасных алюмосиликатов рассмотрим минералы группы полевых шпатов и один минерал, относящийся к фельдшпатоидам. Почти все они характеризуются сравнительно светлой окраской, просвечивают по краю, твердость их около 6; плотность 2,5-2,75.

Минералы группы полевых шпатов пользуются широким распространением в земной коре, составляя в ней около 50 %. Являются породообразующими многих магматических и метаморфических горных пород. В трещинах образуют крупные кристаллы. Для всех полевых шпатов характерна спайность совершенная или средняя в двух направлениях под углом, близким к 90^o. По химическому составу полевые пшаты делятся на две подгруппы: 1) калиевые (калинатровые, или щелочные) полевые шпаты; 2) известково-натровые (кальциево-натровые) полевые шпаты, или плагиоклазы, представляющие непрерывный изоморфный ряд Na[AlSi₃O₈] и Са [Al₂Si₂O₈].

Из первой подгруппы наиболее распространен ортоклаз К[А1Si₃О₈]. Высокотемпературная его разновидность называется санидином. Кристаллизуется в моноклинной сингонии. Цвет от бесцветного (санидин), белого, светло-серого до разных оттенков розового и красно-желтого; спайность в двух направлениях под углом 90^o (отсюда и название минерала - прямоколющийся).

Минерал того же состава, но кристаллизующийся в триклинной сингонии, называется микроклином. В отличие от ортоклаза у него угол между плоскостями спайности на 20' меньше прямого. По внешним признакам микроклин неотличим от ортоклаза, и только его голубовато-зеленая разновидность - амазонит - по цвету легко отличается от других полевых шпатов.

Калиевые полевые шпаты (особенно микроклин) из пегматитовых жил используются в керамической и стекольной промышленности.

В подгруппу плагиоклазов входят минералы, представляющие, как сказано выше, изоморфный ряд, в котором происходит сложное замещение разновалентных ионов Na¹⁺ - Са²⁺ и А1^3- - Si⁴⁺, что приводит к уменьшению содержания оксида кремния от чисто натриевого минерала альбита к кальциевому анортиту. Между ними располагаются олигоклаз, андезин, лабрадор, битовнит, в которых последовательно увеличивается содержание кальциевой составляющей и соответственно убывает количество натриевой, что сопровождается уменьшением содержания оксида кремния. Среди плагиоклазов по количеству оксида кремния выделяют кислые, средние и основные минералы (табл. 2.3).

Плагиоклазы кристаллизуются в триклинной сингонии, по свойствам близки друг к другу и макроскопически обычно не разделяются. Исключение составляет лабрадор, у которого на сером фоне хорошо видны синие и зеленые переливы - иризация.

Плагиоклазы макроскопически мало отличаются и от калиевых полевых шпатов. Иногда их можно различить по окраске: плагиоклазы преимущественно белые, серые, зеленовато-серые, калиевые полевые шпаты белые, светло-серые, розовые и желтые разных оттенков. Существует также различие в угле между плоскостями спайности, который у плагиоклазов меньше прямого - 86-87^o, откуда и происходит название минералов (плагиоклаз-косоколющийся). Однако такое отклонение от прямого угла макроскопически не фиксируется. Плагиоклазы часто, но не всегда образуют полисинтетические двойники, которые заметны на плоскостях спайности в виде тонкой параллельной штриховки или полосчатости (двойниковая штриховка). Макроскопически часто удается установить лишь принадлежность минерала к группе полевых шпатов без более точного их определения.

Минералы группы фельдшпатоидов содержат по сравнению с полевыми шпатами меньше кремнезема и относительно больше щелочей и поэтому замещают полевые шпаты в щелочных магматических породах (см. ниже). Наиболее распространенным минералом этой группы является нефелин KNa₃[AlSiO₄]₄. Сингония гексагональная. Бесцветный, чаще серый, красновато-серый до коричневого и мясо-красного, цвет часто меняется в одном куске; блеск на гранях стеклянный, на изломе жирный; излом неровный; спайность несовершенная; твердость 5,5-6; плотность 2,6. Используется в керамической, стекольной промышленности и для добычи алюминия. Крупные месторождения в СССР на Кольском полуострове, на Урале.

При изучении минералов важно выяснить условия их образования и характер минеральных скоплений. Это позволяет устанавливать парагенетические ассоциации минералов, т.е. совместное нахождение минералов, образующихся на той или иной стадии одного и того же процесса в сходных физико-химических условиях.

² Явление изоморфизма заключается в том, что некоторые атомы, ионы или их группы, обладающие близкими радиусами и поляризационными свойствами, могут замещать друг друга в кристаллической структуре, не вызывая ее изменений.

³ Мелкокристаллическая разновидность его называется серицитом.