Ананьева Л.Г. Минералогия. Класс силикатов

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Л.Г. Ананьева

МИНЕРАЛОГИЯ

КЛАСС СИЛИКАТОВ

Рекомендовано в качестве учебного пособия

Редакционно-издательским советом

Томского политехнического университета

Издательство

Томского политехнического университета

2011

УДК 549(075.8)

ББК 26.31я73

А64

Ананьева Л.Г.

А64 Минералогия. Класс силикатов: учебное пособие /

Л.Г. Ананьева; Томский политехнический университет. –

Томск: Изд-во Томского политехнического университета,

2011. – 77 с.

В пособии даны методические указания по определению минера-

лов. В приложении приводится диагностические таблицы минералов с их

физическими свойствами, условиями образования и применением.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности

020804 «Геоэкология» дневной и заочной форм обучения. Может быть

использовано при изучении минералогии студентами других геологиче-

ских специальностей.

УДК 549(075.8)

ББК 26.31я73

Рецензенты

Доктор геолого-минералогических наук, профессор ТГУ

А.И. Чернышов

Кандидат геолого-минералогических наук, доцент ТГУ

С.И. Коноваленко

Кандидат геолого-минералогических наук, доцент ТПУ

А.К. Полиенко

политехнического университета, 2011

ВВЕДЕНИЕ

В учебном пособии в краткой и доступной форме изложены современные

представлении о классификации силикатов и их аналогах, которые основаны на

структурно-химическом принципе. Описание подклассов силикатов дается по об-

щей схеме: общая характеристика минералов, кристаллоструктурные особенности,

характерный внешний вид, а также некотор ые физические свойства, характерные

для данного подкласса минералов. Каждый минерал характеризуется формулой хи-

мического состава и примесных компонентов, видовыми разновидностями и основ-

ными диагностическими свойствами характерными для конкретного минерала.

Учебное пособие снабжено иллюстрирующими рисунками, наглядно поясняющими

содержание излагаемого материала, которые были заимствованы из классических

учебников: А.Г. Бетехтина «Курс минералогии», А.Г. Булаха и др. «Общая минера-

логия» и Л. Берри и др. «Минералогия» [1–3, 5]. В учебном пособии используется

практический опыт преподавания курса минералогии в Томском политехническом

университете и автор с большой благодарностью вспоминает своих учителей

Т.И. Полуэктову, А.И. Баженова, А.Г. Бакирова.

В учебном пособие размещены диагностические таблицы, позволяющие на ос-

новании определяемых простейших физических свойств, морфологии, генетической

принадлежности к тем или иным породам, осуществить диагностику минералов.

Рекомендуется для студентов дневной и заочной формы обучения, по специ-

альности 020804 «Геоэкология». Может быть использовано при изучении минерало-

гии студентами других геологических специальностей.

КЛАСС СИЛИКАТЫ И ИХ АНАЛОГИ

Класс силикатов является самым многочисленным и распространенным среди

минерального многообразия, на их долю приходится примерно одна треть числа из-

вестных в природе минеральных вида. По данным А.Е. Ферсмана на долю силика-

тов приходиться 75 об. % земной коры, 40–45 % от всего объема литосферы состав-

ляют наиболее распространенные породообразующие минералы – полевые шпаты,

далее по распространенности следуют такие минералы как слюды, пироксены, ам-

фиболы и гранаты. Силикаты представляют собой породообразующие минералы

магматических, метаморфических горных пород. В осадочных горных породах си-

ликаты являются реликтовыми или вновь образованными минералами. Многие ми-

нералы этого класса встречаются как спутники многих рудных минералов. Среди

силикатов встречаются нерудные полезные ископаемые (керамическое и огнеупор-

ное сырье, строительные материалы и др.), а также драгоценные и поделочные кам-

ни. Некоторые силикаты представляют собой рудные полезные ископаемые.

В качестве главнейших химических элементов, в классе силикатов, выступают

Si, Al, K, Na, Ca, Mg, Fe, Mn, Be, Zr, Ti, O, F, B, H. Другие химические элементы

присутствуют в силикатах в малых количествах. В химическом отношении силика-

ты представляют собой соли известных и гипотетических кремниевых и алюмок-

ремниевых кислот: H

[SiO

] и H

[AlO

Во всех силикатах основной структурной единицей является кремнекислород-

ный тетраэдр [SiO

]

4–

, анионный комплекс, где атом кремния находиться в окруже-

нии четырех атомов кислорода, например, (Mg, Fe)

[SiO

] – оливин. Связи между

кремнием и кислородом настолько сильны, что при любой конфигурации структуры

четыре атома кислорода всегда располагаются в вершинах тетраэдра, имеющего

почти строго постоянные размеры и правильную форму (рис. 1). Алюминий, яв-

ляющийся, после кремния, вторым по распространению элементом в земной коре

может замещать кремний в [SiO

]

4–

-группах и образовывать анионные группы

[AlO

]

5–

, а также может быть катионом. В некоторых соединениях алюминий при-

сутствует как в качестве катиона, так и в анионной группировке, замещая позиции

кремния. Например, KAl

[AlSi

](OH)

– мусковит. Минералы, в которых присут-

ствуют [SiO

]-группы, называются си-

ликатами, минералы в которых присут-

ствуют [AlO

]-группы, являются их

аналогами и называются алюмосилика-

тами. Например, сподумен LiAl[Si

]

– силикат лития и алюминия, ортоклаз

K[AlSi

] – алюмосиликат калия.

Рис. 1. Кремнекислородный тетраэдр:

изображение тетраэдра

с увеличенными расстояниями между

ионами, показывающее расположение

относительно крупных ионов кислорода

по вершинам и маленького иона кремния

в центре тетраэдра

Кроме того, в силикатах могут присутствовать дополнительные анионы – Cl

−

(CO

)

2−

, OH

−

, F

4−

и другие. Например, в серпентине присутствует дополнительные

анионы (OH)

−

–

[Si

](OH)

Расстояние между ионами кремния и кислорода в тетраэдрах равно 1,6 Å, а

между ионами кислорода 2,65 Å. Связь кремния и кислорода в силикатах в значи-

тельной мере является ковалентной. Размеры элементарных ячеек этих минералов

зависят, главным образом, от числа кислородных ионов в ячейке и их расположения

в пространстве. Степень симметрии кристаллов, морфология и физические

свойства

силикатов во многом определяются их структурными особенностями.

Многие силикаты имеют сложный и непостоянный состав за счет включения

изоморфных примесей в минерал и образования изоморфных смесей. Например,

оливин (Mg, Fe)

[SiO

] является изоморфной смесью форстерита Mg

[SiO

] и фая-

лита Fe

[SiO

Классификация силикатов построена на кристаллохимическом принципе, в за-

висимости от типа сочленения кремнекислородных тетраэдров и образующихся при

этом звеньев. Тетраэдры в силикатах либо существуют как самостоятельные струк-

турные единицы, либо сочленяются вершинами тетраэдров через атомы кислорода.

В связи с этим выделяются следующие подклассы силикатов, характеризующиеся

своими особенностями строения и типовыми

анионными группировками: остров-

ные, кольцевые, цепочечные, ленточные, слоевые, каркасные.

ОСТРОВНЫЕ СИЛИКАТЫ

Островные силикаты – это многочисленный подкласс минералов. К числу

наиболее распространенных в природе относятся оливин, гранаты, дистен, эпидот,

циркон и другие.

В этом типе силикатов

кремнекислородный тетраэдр

существует как отдельная струк-

турная единица [SiO

]

4−

, соеди-

няясь между собой с помощью

катионов других металлов. Об-

щий отрицательный заряд такой

группы равен четырем. Напри-

мер, циркон – Zr[SiO

], фаялит –

[SiO

]. Или два кремнекисло-

родных тетраэдра сочленяются

через один общий атом кислоро-

да, образуя изолированные

группы [Si

]

6−

(рис. 2). Общий

отрицательный заряд этого ком-

плекса равен шести. Например,

гемиморфит – Zn

[Si

](OH)

Группа оливина. В эту группу входят силикаты типа R

[SiO

], где R – Mg, Fe,

Mn, Ni, Co, Zn, Ca и Pb. Все они за исключением Ca и Pb изоморфно замещают друг

друга в кристаллических структурах. Кальций и свинец, в следствии больших раз-

меров их ионных радиусов, обуславливают образование двойных соединений. Ряд

оливина является примером непрерывного твердого раствора двух компонентов:

Рис. 2. Типы связи между кремнекислородными

тетраэдрами: а – единичный изолированный

тетраэдр [SiO

]; б – группа из двух связанных

общей вершиной тетраэдров [Si

]

SiO

и Fe

SiO

. В качестве общепри-

нятых употребляются три названия:

«форстерит» для чистого или почти чис-

того Mg

SiO

, «фаялит» для чистого или

почти чистого Fe

SiO

и «оливин» для

распространенных промежуточных раз-

ностей. Форстерит и оливин несовмести-

мы со свободным кремнеземом, потому

что они реагируют с ним, образуя пирок-

сен. Как следствие оливин и кварц не мо-

гут вместе кристаллизоваться в породах.

Однако фаялит не реагирует с кремнезе-

мом и поэтому может встречаться в неко-

торых гранитах и риолитах.

Оливин (Mg, Fe)

[SiO

], по химизму

представляет собой непрерывный ряд

изоморфных смесей от форстерита

[SiO

]

до фаялита Fe

[SiO

], часто

присутствует марганец, образуя ряд до

тефроита Mn

[SiO

] (рис. 3). Диагностика: узнается по бутылочно-зеленому цвету,

стеклянному блеску, зернистым агрегатам, твердости, парагенезисом с энстатитом,

бронзитом, основными плагиоклазами, хромшпинелидами, магнетитом. При гидро-

термальном изменении замещается серпентином. Разновидности: хризолит, перидот

прозрачные ювелирные разновидности оливина.

Группа циркона. Циркон Zr[SiO

] (Th, Ce, Hf, Nb, Ta, Al) (рис. 4). Диагностика:

узнается по форме кристаллов, цвету, высокой твердости, алмазному блеску, несо-

вершенной спайности. Схож с рутилом, отличается большей твердостью, отсутстви-

ем штриховки на гранях призмы; касситеритом, отличается по удельному весу,

твердости, парагенезису; монацитом, отличается большей твердостью, несовершен-

ной спайностью, обликом кристаллов. Разновидности: гиацинт, прозрачная желто-

Рис. 3. Кристалл оливина

Рис. 4. Кристаллы циркона

красная или красно-коричневая драгоценная разновидность; малакон, циртолит,

разновидности богатые радиоактивными элементами. Радиоактивные разновидно-

сти подвергаются метамиктному (под действием собственных радиоактивных эле-

ментов) распаду, при этом увеличиваются в объеме, разбивают трещинками окру-

жающие минералы, образуя ореолы ожелезнения.

Группа сфена. Сфен CaTi[SiO

]O (Nb, Ta, Fe), синоним титанит (рис. 5). Диаг-

ностика: узнается по цвету, клиновидным формам кристаллов (как раздутые почто-

вые конверты), поперечным сечениям в

виде ромба или клина, сильному стек-

лянному (до алмазного) блеску.

Группа топаза. Топаз Al

[SiO

](F,

OH)

(Fe, Cr, Mg, газово-жидкие вклю-

чения) (рис. 6). Диагностика:

узнается

по твердости, форме кристаллов, верти-

кальной штриховке перпендикулярной

направлению спайности, удельному ве-

су. От похожего на него кварца отлича-

ется по форме кристаллов, штриховкой

(у кварца она поперек удлинения кри-

сталлов), спайностью (у кварца несо-

вершенная), удельным весом 3,6 г/см

отличие от кварца – 2,6 г/см

. Разно-

видности: пикнит, разновидность топа-

за в виде столбчатых, шестоватых, сте-

бельчатых агрегатов.

Группа дистена. В эту группу вхо-

дят три полиморфные модификации состава Al

SiO

, отличающиеся между собой

структурными особенностями. Образу-

ются эти минералы при метаморфизме

богатых глиноземом кристаллических

сланцев. Сначала образуются силлима-

нит или андалузит, при увеличении

давления появляется более плотная, по

сравнению с двумя другими полиморф-

ными модификациями, разновидность –

дистен. Уверенно диагностируются по

оптическим константам.

Дистен Al

[SiO

]O (Fe, Cr), сино-

ним кианит, псевдоандалузит, саппарит,

шерл тальковый (рис. 7). Диагностика:

узнается по цвету, обычно синему, го-

лубому, синевато-зеленому; резкой ани-

зотропии твердости, вдоль удлинения

кристалла – 4,5, поперек – 6,5; удли-

ненно-таблитчатым, уплощенным, дос-

ковидным, часто изогнутым кристал-

Рис. 5. Кристалл сфена

Рис. 6. Кристалл топаза

лам; совершенной спайности по двум пи-

накоидам; стеклянному, на плоскостях

спайности перламутровому блеску.

Андалузит Al

[SiO

]O (Fe, Mn). Ди-

агностика: по характерным почти прямо-

угольным призматическим формам кри-

сталлов с сечением близким к квадрату,

высокой твердости, цвету. Кристаллы ан-

далузита во время роста могут захваты-

вать углистый или глинистый материал.

Его концентрация происходит в опреде-

ленных кристаллографических направле-

ниях, в результате чего возникает харак-

терная фигура креста; такая разновидность

называется хиастолитом (греч. «хиастос» −

скрещенный, «литос» − камень).

Силлиманит Al[AlSiO

] (Fe). Диаг-

ностика: узнается по часто изогнутым

мелким игольчатым, тонковолокнистым,

спутанно-волокнистым и лучистым агре-

гатам; цвету; высокой твердости; занози-

стому излому; парагенезису. Природа вытянутых кристаллов обусловлена присутст-

вием цепочек алюмокислородных групп, параллельных оси с. Разновидности: фиб-

ролит, тонковолокнистый войлокоподобный агрегат силлиманита.

Группа ставролита. Ставролит Al

Fe[SiO

]

(OH)

(Mn, Mg, Ni, Co, Zn)

(рис. 8). Диагностика: узнается по темному цвету; часто короткостолбчатым кри-

сталлам с ромбическим поперечным сечением; крестообразным двойникам пророс-

тания; высокой твердости 7−7,5; парагенезису.

Рис. 7. Кристалл дистена

Рис. 8. Двойники ставролита

Группа гранатов. В эту группу входят обширная группа минералов с общей

формулой R

[SiO

]

, где R

– Mg, Fe, Mn, R

– Al, Fe, Cr, Mn. Среди минералов этой

группы наиболее распространены минералы двух изоморфных рядов:

Андрадитовый ряд

(уграндиты)

(Cr

Al, Fe)

[SiO

]

Альмандиновый ряд

(пиральспиты)

(Mg, Fe, Mn)

[SiO

]

кальций содержащие гранаты алюминий содержащие гранаты

Уваровит Ca

[SiO

]

Пироп Mg

[SiO

]

Гроссуляр Ca

[SiO

]

Альмандин Fe

[SiO

]

Андрадит Ca

[SiO

]

Спессартин Mn

[SiO

]

Составы гранатов редко соответствуют приведенным формулам, т.к. имеют

место изоморфные замещения элементов. Fe

, Mg и Mn, взаимозамещаемые эле-

менты, и между альмандином, спессартином и пиропом существует ряд промежу-

точных составов. Аналогично, промежуточные составы существуют между альман-

дином, гроссуляром и андрадитом. Встречаются гранаты и другого состава

Ti-содержащие гранат – шорломит, меланит, Zr-содержащий – кимцеит,

V-содержащий – голдманит, гибшит – разновидность гроссуляра, содержащая гид-

роксильные группы и др. Диагностика: узнаются по форме кристаллов (рис. 9),

жирному в изломе блеску, высокой твердости и относительно высокому удельному

весу, продольной штриховке на гранях по диагонали ромба, которая имеет в неко-

торых агрегатах секториальный вид. Между собой гранаты визуально определяются

по агрегатам и парагенетической ассоциацией минералов, с которыми встречаются.

Для гранатов андрадитовго ряда характерны друзы, зернистые и плотные агрегаты.

Для альмандинового ряда – вкрапленники отдельных кристаллов или зерен.

Группа эпидота.

В эту группу входят цоизит, эпидот, ортит (алланит), с общей

формулой R

[Si

][SiO

]O(OH). Эти минералы относятся к категории сложных

островных силикатов, в структурах которых присутствуют одиночные и спаренные

Рис. 9. Наиболее распространенные кристаллы гранатов

кремнекислородные тетраэдры с дополнительными анионными группами (кислоро-

дом и гидроксилом).

Цоизит Ca

[Si

][SiO

]O(OH) (Fe, Mn, Cr) (рис. 10). Синоним: сосюрит –

скрытокристаллическая разность в

смеси с актинолитом, хлоритом и

другими минералами, возникающими

за счет основных, богатых кальцием

плагиоклазов при процессах их гид-

ротермального изменения. Разновид-

ности: тулит – розового цвета, марга-

нецсодержащий; хромцоизит – хром-

содержащий, зеленого цвета. Диагно-

стика: по цвету; призматическому об-

лику кристаллов с вертикальной

штриховкой; совершенной спайности

по удлинению кристалла, уверенно

диагностируется лишь по оптическим

константам.

Эпидот Ca

(Fe,Al)

[Si

][SiO

]O(OH) (Cu, Mg, Mn) (рис. 11). Разновидности:

пьемонтит, манганэпидот – марганецсодержащий коричнево-красный, вишнево-

красный до черного; хромэпидот – ярко-зеленый. Диагностика: узнается по цвету,

облику кристаллов; совершенной спайности в одном направлении по удлинению кри-

сталлов; штриховке, параллельной удлинению кристаллов; твердости; парагенезису.

Ортит (Ca, Ce, Th)

(Al,Fe

)

[Si

][SiO

]O(OH)

(La, Y)

(рис. 12). Синоним:

алланит. В химическом составе отмечаются большие колебания в содержаниях от-

дельных оксидов. Ce

– до 6 %, (La…)

– до 7 %. Также могут присутствовать

Рис. 11. Кристалл эпидота

Рис. 10. Кристалл цоизита