Булах А.Г. Общая минералогия

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 12

СИЛИКАТЫ И ИХ АНАЛОГИ

ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ СОСТАВА И СТРУКТУР

Класс силикатов и их аналогов является самым большим по числу минеральных

видов — к нему относится около 30% от их общего числа. В целом силикаты и алю-

мосиликаты слагают около 75 об.% земной коры, при этом наиболее распространены

полевые шпаты — на их долю приходится около 40 — 45 об.% литосферы. За ними по

распространенности следуют слюды, пироксены, амфиболы и гранаты. В соответствии

с распространенностью химических элементов главными катионами в силикатах и их

аналогах являются К, Na, Ca, Mg, Fe. Значительна также роль алюминия, который,

как показали рентгеноструктурные исследования, может выступать как в качестве

катиона, так и входить в анионный радикал минералов.

Рентгеноструктурные исследования выявили следующие общие черты строения си-

ликатов и их аналогов.

1. Во всех силикатах атомы кремния имеют по отношению к кислороду четверную

координацию, они образуют вместе с кислородом, как в кварце, кремнекислородные

тетраэдры

(Si04)

(см. рис. 133). Связи кремния с кислородом смешанные ионно-

ковалентные, с разной степенью ионности в минералах разной структуры и с разными

катионами (см. с. 23).

2. Кремнекислородные тетраэдры могут быть одиночными, и тогда они соединяются

в общей структуре минерала через катионы, но могут и полимеризоваться, образуя

различные анионные группировки.

3. Алюминий в силикатах может быть^атионом, занимая позиции в октаэдриче-

ских пустотах между кислородом, и может входить в тетраэдры

(АЮ4)

занимая

в структуре минералов позиции, адекватные с кремнием. Например, в каолините

Al2(Si205)(OH)4 алюминий является катионом и имеет координационное число шесть,

а в микроклине K(AlSi30s) он входит в анионный радикал минерала, занимает такие

же позиции, как и кремний, т.е. размещается в центре тетраэдров. Минералы пер-

вого типа называются

силикатами,

второго—являются их аналогами и называются

алюмосиликатами.

Есть минералы, в которых алюминий представлен и как катион и

входит в анионный радикал, например в слюде мусковите КА12(А181зОю)(ОН)2. Ка-

олинит— это силикат алюминия, микроклин — алюмосиликат калия, а мусковит —

алюмосиликат алюминия и калия. Размер тетраэдров

(AIO4)

и его конфигурация

иные, чем у групп

(Si04)

характер химических связей также отличен. Поэтому

имеется предел замещения

<— А1

. Установлено, что в силикатах может заме-

щаться алюминием не более половины кремния в тетраэдрах. Значит, предельны по

составу алюмосиликаты типа анортита Ca(Al2Si20s), нефелина Na(AlSi04) и т.п.

201

4. Помимо кремнекислородных анионных радикалов

во

многих силикатах

алю-

мосиликатах есть дополнительные анионы

—

ОН

, (СОз)

(SO4)

(S2)

(В0

)

(Р2О7)

и др. Так, в

каолините

мусковите имеются дополнительные анионы

ОН

СТРУКТУРНЫЕ

ТИПЫ АНИОННЫХ РАДИКАЛОВ

Разнообразие структур силикатов практически безгранично.

Это

вызвано,

во-

первых, многочисленностью способов полимеризации групп

(Si04)

(АЮ4)

воз-

никновением анионных комплексов разной конфигурации

размеров. Во-вторых,

состав силикатов

алюмосиликатов входит

общей сложности около

60 —

70 химиче-

ских элементов

разным размером ионов

характером осуществляемых ими связей.

результате геометрия сочетаний катионов

анионных группировок может быть самой

разной. Поэтому рассмотрим только основные структурные типы анионных радика-

лов,

характерные

для

наиболее распространенных минералов.

Изолированные тетраэдры

(Si04)

Характерны, например,

для

гранатов

R3R2(Si04)3,

оливинов (Mg, Fe)2(Si04), топаза

Al2(Si04)F2.

В них

тетраэдрические

группы соединяются через катионы

(рис. 163, а). Эти

минер*алы можно рассматри-

вать

так же, как

соли ортокремниевой кислоты

H4S104,

поэтому раньше

их

называли

ортоси лик атами.

Сдвоенные тетраэдры. Группы

(Si04)

полимеризуясь, соединяются попарно

через общую вершину атомом кислорода, суммарно формула комплексного аниона

(Si207)

Такие анионы соединяются через катионы. Примером служит гемиморфит

Zn4(Si207)(OH)2

Н2О (рис.

163, б).

Минералы

подобными радикалами нередко назы-

ваются диортосиликатами. Есть минералы (например, эпидот),

структуре которых

присутствуют группы

(Si04)

(Si207)

Их

называют орто-диортосиликатами.

Рис.

163.

Схемы кристаллической структуры оливина

(а) и

гемиморфита

(б).

Кольца тетраэдров. Наиболее обычен кольцевой одноярусный анионный радикал

из шести тетраэдров,

как у

берилла (рис.

164, в), но

есть минералы

кольцевыми ради-

калами

из

трех

четырех тетраэдров

и со

сдвоенными (двухъярусными) радикалами

из четырех

шести колец.

шестерных одноярусных радикалах число атомов крем-

ния равно

6, но

кислород играет разную структурную роль:

это

двенадцать атомов

ки-

слорода

свободных вершинах тетраэдров, которые осуществляют связь

катионами,

и шесть атомов кислорода

сдвоенных (соединившихся) вершинах. Итоговая формула

такого радикала

(SieOie)

12-

общая формула, например, берилла ВезАЬ

(SieOie).

202

Рис. 164. Типы кольцевых радикалов.

Рис. 165. Типы цепочечных радикалов.

Цепочки тетраэдров. Их много разных, наиболее проста и чаще всего встречается

так называемая пироксеновая цепочка (рис. 165). Она бесконечна, имеет, как видно

из рисунка, период повторяемости в два тетраэдра, отсюда общая формула радикала

203

(Si

0e)

Примером служит минерал диопсид CaMg(Si

06).

Его

можно тракто-

вать

так же, как

природную соль метакремниевой кислоты. Такие минералы нередко

называли ранее метасиликатами.

Ленты тетраэдров.

Их

много.

Наиболее распространена

сили-

катах

так

называемая амфиболо-

вая лента.

Она

бесконечна

и как

бы состоит

из

двух соединившихся

друг

другом пироксеновых

це-

почек

(рис. 166).

Нередко

так и

говорят: пироксеновая

—

это оди-

нарная,

амфиболовая

—

двой-

ная цепочка.

амфиболовой лен-

те период повторяемости

—

одно

кольцо тетраэдров. Выведем

по

нему формулу анионного радика-

ла:

на

тетраэдры

3 и 6

прихо-

дится

два

атома кремния

восемь

атомов кислорода, каждый тетра-

эдр

из

четырех

(1, 2, 4, 5)

принад-

лежит сразу двум кольцам, зна-

чит,

каждом

из них на

выбранное

нами

для

подсчетов кольцо при-

ходятся пол-атома кремния

пол-

атома кислорода

вершине, нако-

нец, есть

еще два

атома кислорода

(они указаны

на

рисунке стрел-

ками), каждый

из них

принадле-

жит двум кольцам.

сумме имеем

для кремния:

2+1/2x4 = 4, для

кислорода:

8+1/2x4+1/2x2 =

11,

формула анионного радикала

(Si40n)

Примером минерала

с таким радикалом является тре-

молит

(Si40n)

(0H)

или

(Si

022)(OH)

Слои (сетки) тетраэдров.

Они

тоже бывают разными. Наиболее важны каоли-

нитовые слои (сетки), поскольку

они

имеются

большинстве слюд, глинистых минера-

лов,

серпентинов.

каолинитовых сетках тетраэдры лежат своими основаниями

в од-

ной плоскости,

их

вершины развернуты

одну сторону,

простейшим многократно

по-

вторяемым,

как

трафарет

на

обоях, узором является шестичленное кольцо

(рис. 167).

Вычислим формулу такого кольца, подсчитав сначала состав единичного тетраэдра:

в каждом тетраэдре заключен один атом кремния,

каждому тетраэдру относится

один атом кислорода

в его

вершине,

три

других атома кислорода

основании при-

надлежат данному тетраэдру наполовину. Значит,

на

каждый тетраэдр приходится

кремния

атом, кислорода

1 + 3 х 0,5 = 2,5, т.е. его

состав SiiОг,5• Всего таких

тетраэдров

кольце шесть,

но

каждый

из них

принадлежит трем соседним кольцам.

Таким образом,

на все

кольцо приходится только

два

тетраэдра. Отсюда выводим

формулу кольца:

(Sii0

• 2, т.е.

(Si^Oa)

Примерами минералов

таким ани-

онным радикалом являются каолинит Al

(Si

05)(0H)4, тальк Mg

(Si

05)

(0H)

или

Амфиболовая

лента

Рис.

166.

Типы ленточных радикалов.

204

(Si4.0io)(OH)2.

В химии из-

вестна двуметакремниевая кисло-

та H2Si205, поэтому минералы с

каолинитовыми слоями нередко

называют димета- и (упрощенно)

метаси ликатами.

Каркасные группировки

тетраэдров. В них тетраэдры со-

единены всеми своими четырьмя

вершинами с соседними тетраэд-

рами, формируя таким образом

бесконечную трехмерную построй-

ку с большими "полостями" в ней.

Геометрия и характер симметрии

таких группировок могут быть

различными из-за несколько раз-

ной ориентации тетраэдров отно-

сительно друг друга.

Если все тетраэдры заняты

кремнием, то получаются различ-

ные модификации кремнезема.

Во многих учебниках и справоч-

никах кварц и другие полиморфы

Si02

так и считаются силикатами.

Если же часть тетраэдров в та-

ком кремниево-кислородном кар-

касе занята алюминием, минералы называются алюмосиликатами. В качестве при-

меров мы уже приводили микроклин, анортит, нефелин и указывали, что только не

более половины тетраэдров может быть занята алюминием (см. с. 201).

Помимо алюминия в состав каркаса может входить бор, как в данбурите Ca(B

Si20s)-

Такие минералы называются боросиликатами.

Таковы главные группировки тетраэдров в силикатах и их аналогах, число их всех

очень велико. Имеется еще много силикатов с нерасшифрованной структурой. Рент-

геноструктурные исследования силикатов приводят к открытию всё новых структур.

КЛАССИФИКАЦИЯ

Классификация силикатов и их аналогов (алюмосиликатов и др.) производится по

их структурам. Так выделяют шесть подклассов: островные, кольцевые, цепочеч-

ные,

ленточные, слоистые, каркасные. К островным отнесены-силикаты с группами

(Si04)

(Si

07)

Здесь следует добавить, что в некоторых книгах и учебниках,

особенно в старых, выделяют ортосиликаты, диортосиликаты, орто-диортосиликаты,

метасиликаты, диметасиликаты. Кольцевые силикаты иногда относят к островным,

иногда к силикатам с замкнутыми цепочками. Силикаты с цепочками и лентами в

некоторых учебниках и монографиях объединены под общим названием " цепочечные"

(но с одинарными и сдвоенными цепочками). Кварц в одних книгах относят к окси-

дам, в других — к силикатам. Есть классификации с нуль-, моно-, ди-, трисиликатами

и т.д.

Мы уже отмечали в начале этого учебника, что принятые в минералогии две

основы —структура и состав —не могут привести к созданию единой, до конца ло-

гически формализованной систематики. Но эти разногласия быстро отступают на

второй план и легко преодолеваются при изучении минералов, они не создают осо-

205

бых трудностей в познании минералогии в объеме учебной программы. Ясно, что

для

науки в целом несовершенная систематика ее объектов есть недостаток, но не самый

существенный. Как отмечал В. И. Вернадский, цель и суть минералогии состоит не в

статичном описании минеральных фаз как мертвых тел и не в составлении классифи-

каций, явление и процесс — вот главные ее объекты.

Контрольные вопросы

1. Какую роль играет алюминий в силикатах и в каких структурных позициях находятся

его атомы?

2. Какие главные типы кремнекислородных группировок в структурах силикатов вы можете

назвать? Как рассчитать их формулы?

Какие оксиды можно считать каркасными силикатами и что такое каркасные алюмоси-

ликаты?

Глава

ОСТРОВНЫЕ СИЛИКАТЫ

ОБЩИЕ

СВЕДЕНИЯ

Среди силикатов

это

наиболее многочисленный подкласс минералов.

Его

характер-

ными представителями являются оливин (Mg,

Fe)

(Si04),

альмандин Fe3Al2(Si04.)3,

гроссуляр

Al2(Si0

)3,

топаз Al

(Si0

, эпидот

Са

(А1,

Fe)(Si0

)(Si

)0(0H).

Силикаты этого подкласса имеют разнообразный состав

—

это минералы магния,

же-

леза, кальция, марганца, титана, алюминия, редких земель, тория, циркония, нио-

бия

и др., ни в

одном другом подклассе

нет

такого разнообразия катионов.

этому

подклассу относятся также совсем особые

по

составу

структуре минералы, очень

редкие

природе

—

это силикофосфаты,

в них

имеются дополнительные радикалы

(Р2О7)

(РО4)

(например, минерал ломоносовит

приблизительной формулой

Na5Ti

(Si207)(P04)02

силикокарбонаты (спёррит Ca5(Si04)2(C0

)

др.)).

К числу породообразующих

наиболее широко распространенных

природе мине-

ралов относятся оливины, гранаты, эпидот, кианит, титанит, циркон. Практическое

значение имеет лишь ничтожная доля

от

общего числа минералов.

качестве абра-

зивных материалов используются гранаты, драгоценными минералами являются

то-

паз,

альмандин, пироп, уваровит, хризолит (разновидность оливина). Рудным минера-

лом бериллия является фенакит Be2(Si04), скандия

—

тортвейтит Sc2(Si207), цинка

—

виллемит Zn2(Si04)

гемиморфит

Zn4(Si207)(OH)2-H20,

циркония

гафния

—

циркон

(Zr,Hf)(Si0

КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКИЕ

ОСОБЕННОСТИ

Кристаллохимическое своеобразие минералов подкласса островных силикатов опре-

деляется сочетанием двух факторов:

а)

присутствием

в них

орто-

диортогрупп

—

(Si04)

(Si207)

б)

большой ролью

в их

составе катионов октаэдрической

ко-

ординации

радиусом

от 0,060 до 0,080 нм

(Ti

—0,064;

—

0,067;

—

0,069;

— 0,078;

— 0,082

нм,

по В. М.

Гольдшмидту), главными

из них

являются маг-

ний

железо. Благодаря такому сочетанию типичных

для

плотнейшей упаковки

ее

тетраэдрических

октаэдрических полиэдров, структуры островных силикатов наибо-

лее компактны

прочны среди силикатов других подклассов. Кроме перечисленных

катионов большую роль,

но не во

всех,

а в

некоторых островных силикатах играют

относительно крупные катионы восьмерной

(и

более) координации

—

Са

(0,106 нм),

(0,098 нм),

Се

(0,118 нм). Их

координационные полиэдры несоразмерны

с ок-

таэдрами

тетраэдрами. Структура таких минералов,

за

малым исключением (грос-

суляр), менее компактна.

Характерная особенность алюминия

островных силикатах заключается

в том, что

он всегда занимает октаэдрические позиции

является

этих силикатах катионом.

207

Разнообразие катионов,

их

разные радиусы

свойства приводят

усложнению кри-

сталлических структур островных силикатов

часто

вхождению

них дополнитель-

ных анионов

(ОН)

. Особенно характерны такие анионы

для

силикатов, содер-

жащих одновременно группы

(S1O4)

(Si207)

резко различающиеся

по

метал-

лическим свойствам катионы: Са

(титанит), Са

А1

(эпидот),

(лампрофиллит). Дополнительные анионы характерны также

для

силикатов,

состав которых входят только группы

(Si04)

алюминий

качестве катиона,

—

топаза

Ab(Si04)F2,

кианита Al

(Si04)0

др.

Таблица

34.

Главные

минералы

—

островные силикаты

Группа

Минерал

Син-

гония

Твер-

дость

Оливина

Форстерит

(Si04)

Фаялит

Fe2(Si04)

Ромб.

6,5-7

6-6,5

Фенакита Фенакит

Be2(Si04)

Триг.

7,5-8

Виллемит

Zri2(Si04)

5-6

Циркона

Циркон

Zr(Si0

)

Торит

Th(Si04)

Коффинит

U(SiC>4)

Тетр.

7,5-8

4,5-5

5-6

Гранатов Гроссуляр Ca3Al2(SiC>4)з Куб.

6,5-7,5

Андрадит

Ca3Fe

(Si0

Голдманит

СазУ

(8Ю4)з

6,5-7,5

Андрадит

Ca3Fe

(Si0

Голдманит

СазУ

(8Ю4)з

6,5-7,5

Уваровит СазСг

(3104)з »

7-7,5

Пироп

Al2(Si0

7-7,5

Кноррингит

(Si04)3

7-7,5

Альмандин

Fe3Al2(Si04)3

7-7,5

Спессартин МпзА1

(8Ю4)з »

7-7,5

Хондродита

Хондродит

(Si04)

Кианит

Al2(Si04)0

Мон.

6-6,5

Кианита

Хондродит

(Si04)

Кианит

Al2(Si04)0

Трикл.

4,5 - 6,5

Силлиманит

Al(AlSiOs)

Ромб.

Андалузит

AlAl(Si04)0

6,5-7,5

Ставролита

Ставролит

Fe(Si0

)

(OH)2

Мон.

7-7,5

Топаза

Топаз

(Si0

Ромб.

Титанита Титанит

CaTi(Si0

Мон.

5-6

Везувиана

Везувиан

(SiO4)

(Si

O7)2(OH)

Тетр.

6,5

Клино- Клиноцоизит Мон.

6,5

цоизита

Al3(Si04)(Si

07)0(OH)

Эпидот »

6,5

Са

(Al

Fe)

(Si0

)(Si

)0(ОН)

Алланит

(Са,

Th,Ce)

(Al,Fe)

(Si0

)(Si

)0(OH)

Геми- Гемиморфит

Ромб.

4-5

морфита

(Si

)(OH)

-Н

Лампро-

Лампрофиллит Мон.

2-3

филлита

NaSr(Tii,

5)(Si2O

)OF2

Принцип строения ортосиликатов

диортосиликатов показан выше

на

примере оли-

вина (Mg,Fe)2(Si04)

гемиморфита Zn

(Si207)(OH)2

•

0 (см.

рис.

163).

Перечень главнейших островных силикатов приведен

табл.

34.

208

МОРФОЛОГИЯ КРИСТАЛЛОВ

И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Островные силикаты образуются даже

стесненных условиях роста

виде хоро-

ших кристаллов

(рис. 168). Это

объясняется

их

большой силой кристаллизации,

что

обусловлено относительной компактностью

простотой структур этих силикатов,

мно-

гозарядностью анионных комплексов

значительной силой связей катионов, входящих

их

состав.

виде изометричных хорошо ограненных зерен (кристаллов кубической

сингоний

—

ромбододекаэдров

тетрагон-триоктаэдров) встречаются гранаты (отсюда

их

название:

от лат. granula —

зернышко), идеально развитые дипирамидальные

призматические кристаллы тетрагональной сингоний образует циркон,

совершенных

кристаллах ромбической сингоний обычно наблюдаются топаз

ставролит. Можно

привести много таких примеров высокой степени идиоморфизма (совершенства) кри-

сталлов островных силикатов.

Ну а

сфен (сейчас

его

принято называть титанитом)

даже получил свое название

за то, что он

почти всегда встречается

виде идеально

ограненных клиновидных кристаллов

(от

греч.

sphen —

клин).

Из

распространенных

минералов, пожалуй, лишь оливин

хондродит редки

кристаллах.

Гванат

Окраска островных силикатов обычно обусловлена присутствием

в их

составе

в ка-

честве главных

примесных компонентов элементов-хромофоров

(Fe, Mn, Ti и Сг).

Атомы двух-

трехвалентного железа вызывают

при

разных своих соотношениях зеле-

ные (гроссуляр, эпидот), коричневые (андрадит, ставролит, титанит) цвета. Окрашен-

ные марганцем

железом минералы имеют малиново-красный, лилово-красный цвет

209

(альмандин). Железо в сочетании с Ti вызывает коричнево-черную окраску минера-

лов,

таков цвет титанистого андрадита — шерломита. Хром обусловливает изумруд-

ную окраску уваровита. Он же в сочетании с Fe вызывает бордово-красную окраску

драгоценных пиропов (" богемских гранатов") — при особом сочетании количеств Сг и

Fe эти гранаты меняют цвет от зеленых при обычном свете до красно-фиолетовых при

искусственном освещении. Лишь в редких случаях встречаются бесцветные, белые

островные силикаты — это химически чистые гроссуляр, форстерит, топаз, каламин.

Компактность структуры и наличие в минералах небольших, но высокозарядных

катионов проявляются в высокой плотности и твердости (от б до 8) этих минералов.

Из-за большой твердости эти минералы черты не дают (они процарапывают бисквит-

ную пластинку), даже у густо окрашенных минералов она чуть заметна.

ОСОБЕННОСТИ

УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ

Островные силикаты — это минералы преимущественно высоких температур и да-

влений, т.е. минералы больших глубин. Главными типами месторождений являются

магматические и метаморфические горные породы и некоторые метасоматиты. Как

исключение они образуются в приповерхностных условиях.

Магматические горные породы. В ультраосновных глубинных горных поро-

дах (оливинитах и перидотитах) главным минералом является оливин. О глубинном

образовании этих пород свидетельствует то, что их ксенолиты выносятся из глубо-

ких (в том числе мантийных) очагов зарождения при вулканических извержениях и

при возникновении кимберлитовых трубок взрыва. Известны два полиморфа одного

состава — оливин (Mg, Fe)2(Si04) и "шпинель"

Si(Mg,

Fe)204,

возможно, что вторая мо-

дификация существует еще глубже в мантии как более плотная. В основных, средних,

кислых горных породах островные силикаты играют роль акцессорных минералов —

это некоторые гранаты, циркон, титанит. В гранитных пегматитах образуются совер-

шенные кристаллы топазов. В щелочных горных породах, в тех разновидностях, ко-

торые содержат нефелин, островные силикаты являются характерными минералами.

Это циркон, титанит, ринколит, лампрофиллит.

Метаморфические горные породы. В них островные силикаты нередко играют

главную роль. Они образуются при региональном и контактовом метаморфизме. В

регионально метаморфизованных породах (гнейсах и сланцах) типичны гранаты (аль-

мандин, пироп), ставролит, кианит, эпидот. В контактовых породах (скарнах) глав-

ными минералами являются гранаты (гроссуляр, андрадит), большую роль играют в

них везувиан и эпидот.

Метасоматиты. Островные силикаты встречаются только в некоторых высоко-

температурных метасоматитах. Это в первую очередь альбититы и микроклиниты —

участки сплошной гидротермальной переработки гранитов, сиенитов, нефелиновых

сиенитов. К ним обычно приурочен то циркон, то торит, то фенакит. Другим ти-

пом метасоматитов являются грейзены, нередка они значительно обогащены топазом,

иногда в некоторых разновидностях грейзенов присутствует фенакит.

Приповерхностные условия образования типичны для виллемита и каламина —

минералов зоны окисления цинково-сульфидных руд.

КРАТКИЕ

СВЕДЕНИЯ О МИНЕРАЛАХ

Оливины. Это группа минералов переменного состава, образующих почти не-

прерывный ряд изоморфных смесей от форстерита Mg

(Si04) до фаялита

(Si04).

Магнезиальный член ряда — форстерит — встречается в мраморах и некоторых ти-

пах скарнов в виде белых или желтых округлых зерен и бесформенных выделений

210