Процессы образования силикатов в земной коре

3. Процессы образования силикатов в земной коре

Теперь рассмотрим минеральный состав земной коры с позиций строения кремнекислородных радикалов. За счет внутренней энергии Земли магма – расплав, состоящий из основных пород (ортосиликаты магния и железа и их твердые растворы), поднимаясь по трещинам на поверхность, обогащается кремнеземом, глиноземом, водой. При этом с понижением температуры из него кристаллизуются сначала тугоплавкие минералы, а оставшийся расплав снова взаимодействует с встречающимися на его пути породами, образующиеся кристаллы взаимодействуют с гидротермальными водами. Из образовавшихся растворов выкристаллизовываются минералы, содержащие воду. Безусловно, это очень упрощенная картина сложных геохимических процессов, происходящих в действительности. К основным минералам относятся оливины – ортосиликат магния Mg2SiO4, в котором часть катионов магния может быть замещена на Fe2 +. Поэтому для оливинов принимается общая формула [Mg, Fe] 2 [SiO4], а их структура образована изолированными тетраэдрами [SiO4] 4 -, соединенными между собой катионами. При увеличении содержания SiO2 образуются пироксены – метасиликаты натрия, магния, кальция, железа, содержащие бесконечные метасиликатные цепочки (SiO3)?. В зависимости от природы катиона найдены различные виды изолированных и более сложных цепочек. Минерал жадеит NaAl[Si2O6], о котором шла речь, также относится к группе пироксенов, то есть к минералам с цепочечной структурой. Ионы натрия и алюминия образуют катионную составляющую структуры.

Следующей ступенью полимеризации являются соединения, содержащие ленточные кремнекислородные радикалы. Некоторые виды этих радикалов, зависящие от природы катионов, представлены на рис. 3. Во времена У.Л. Брэгга такие соединения еще не были известны. К ленточным силикатам относятся амфиболы – гидросиликаты Ca, Mg, Fe, содержащие группы [Si4O11] 6 – К амфиболам относится и один из древнейших минералов, используемых человеком, – нефрит – Ca2 (Mg, Fe) [Si4O11] (OH) 2, и асбесты.

Дальнейшая конденсация приводит к образованию слоистых силикатов. К их числу относятся слюды и глины, содержащие в своей структуре группировки [Z4O10], где Z=Si и Al в четверной координации относительно кислорода. В слюдах слои состоят из шестичленных колец, построенных из алюмо- и кремнекислородных тетраэдров. Слоистых силикатов существует множество: слои могут быть построены из пяти- и шестичленных колец (см. рис. 1); состоять из чередующихся в определенном отношении восьми- и пятичленных колец; могут существовать слои, в которых кремнекислородный тетраэдр необязательно имеет три мостиковых атома кислорода, и др.

И наконец, последней ступенью полимеризации являются силикаты с каркасным строением, которых тоже существует великое множество. Примером каркасных силикатов могут служить кремнезем и полевые шпаты. Полевые шпаты делятся на плагиоклазы (непрерывный ряд твердых растворов в системе альбит-анортит (NaAlSi3O8‑CaAl2Si2O8)) и калиевый полевой шпат K[AlSi3O8]. Их структура представляет собой бесконечный объемно-увязанный каркас из тетраэдров SiO4 и AlO4, в пустотах которого расположены ионы Na, Ca, K (рис. 4). Сам же кремнезем – это вязь из кремнекислородных тетраэдров. К разряду каркасных силикатов, но не полевых шпатов относится и упоминаемый ранее минерал лейцит K[AlSi2O6], казалось бы, метасиликат калия и алюминия. В действительности это каркасный алюмосиликат, в котором атомы алюминия выполняют структурную функцию атомов кремния. Каркас состоит из тетраэдров AlO4 и SiO4 (все атомы кислорода мостиковые), в пустотах которого расположены ионы калия. Полевые шпаты, в свою очередь, в результате процессов выветривания превращаются в глины и различные виды кремнезема:

2K[AlSi3O6] + CO2 +2H2O =

= Al2 [Si2O5] (OH) 4 + K2CO3 + SiO2

Каолинит Кварц, опал

Каолинит – минерал со слоистой структурой. Слои состоят из шестичленных кремнекислородных колец. В конечном итоге процессы выветривания полевых шпатов, слюд, талька, нефелина приводят к образованию растворимых солей щелочных и щелочноземельных металлов, плохо растворимых гидратов оксидов железа и алюминия и гидросиликатов, которые переносятся водными растворами и дают начало образованию новых минералов, с которых как бы начинается новый виток образования силикатных минералов.

4. Яркие представители группы силикатов

а) Топаз – полудрагоценный камень, минерал из группы островных силикатов алюминия (Al₂[SiO₄] (F, OH)₂). Примеси Fe²⁺, Fe³⁺, Ti, Cr, V и др. Кристаллизуется в ромбической сингонии, ромбо – дипирамидальный вид симметрии.

Этимология. Название топаз получил по месту первой его находки на острове Топазиос (Топазион) в Красном море, в настоящее время – остров Зеберген, по другой версии – от санскритского слова «топас» – огонь. Синоним – «тяжеловес» (старое название уральских рудокопов, по большому уд. весу)

Свойства. Цветовая гамма топаза разнообразна: от коричнево- и винно-желтого до голубого, розового, золотистого, оранжевого и красновато-оранжевого (редко). Чаще – бесцветный. Встречаются полихромные топазы, когда разные участки или зоны одного кристалла имеют разную окраску (обычно голубой / винно-жёлтый). Твёрдость 8; плотность 3,49–3,6 г/см³. Спайность совершенная в одном направлении по (001). Излом раковистый. Блеск сильный, стеклянный, на плоскостях спайности – перламутровый. Очень устойчив, в кислотах не растворяется. Разлагается фосфорной солью.

Топаз – один из эталонных минералов для определения относительной твёрдости методом царапанья – шкалы Мооса (минералогической шкалы твердости).

Форма нахождения. Обычен в кристаллах. Кристаллы ромбо-призматические или кроткостолбчатые. Иногда крупные, известны находки кристаллов массой до 60–80 кг и более. Грани призмы обычно немногочисленны, а головки кристаллов бывают весьма разнообразны и богаты гранями. Характерны признаки природного растворения, проявляющиеся в конусовидных и сосковидных формах на головках кристаллов и в углублениях и бороздах в форме отрицательных тетрагональных пирамид на призме. Также параллельно-шестоватые крупнокристаллические сростки, скрытокристаллические «яшмоподобные» образования, лучистые и тонкопластинчатые (пикнит) образования.

Местонахождения. Наибольшее число находок топаза в Ильменском минералогическом заповеднике в России (Урал) приходится на гранитные пегматитовые жилы. В Ильменах обнаружено большое количество пегматитовых жил, в которых встречаются топазы. Знаменитыми во всем мире, особо выдающимися и потому успешно выдерживающими конкуренцию на мировом рынке стали всего пять уральских драгоценных камней и среди них топаз. С открытия топазов началась слава Ильменских гор. В Ильменах топаз встречался не только бесцветный, но и более ценный – голубой. Здесь находили топазы массой до 30 кг. Топазы встречаются на Урале в четырех различных формациях, причем для каждой характерна определенная окраска самоцвета и формы кристаллов. Бесцветные топазы, нередко в виде крупных кристаллов, интенсивно добывались в свое время из друзовых полостей амазонитовых гранитных пегматитов Ильменогорского самоцветного пояса, впервые обнаруженные казаком Прутовым еще в начале XIX века и находящиеся в частной коллекции. Из них добыто несколько тонн прозрачных кристаллов. Наиболее крупные кристаллы топаза имели массу до 10 кг. Обломки кристаллов топаза употреблялись преимущественно как ювелирное сырье. Голубые и желтые топазы характерны для жильных гранитных пегматитов топазо-бериллового типа с друзовыми полостями в Мурзинско-Адуйском самоцветном поясе, ярко-голубые – для сложнопостроенных гранит-пегматитовых тел, и, наконец, малиновые и розовые топазы были встречены только в кварцевых жилках около восточного тектонического шва Кочкарского мегантиклинория на Южном Урале. Суммируя общие перспективы Урала по топазовой минерализации, А.Е. Ферсман в 1925 г. писал: «Россия может гордиться своими топазами, которые по красоте тона, чистоте воды и величине кристаллов занимают исключительное место среди топазов всего света: по качеству русский топаз выделяется среди всех топазов известных месторождений, причем красота нежно-голубого топаза Мурзинки, красновато-фиолетовый тон топазов Санарки и Каменки – всё это составляет гордость русских цветных камней».

Топаз массой в 5 тонн найден в Бразилии. В большом количестве винно-жёлтые и голубые топазы находят на Волынском месторождении (Украина) – в 1965 году в одной из шахт обнаружили винно-желтый кристалл топаза массой 117 кг. В горах Шри-Ланки еще в древности были обнаружены месторождения драгоценных камней топазов.

Отличительные признаки. Спектр окрасок природных (натуральных) топазов необычайно разнообразен – бесцветные, различные оттенки жетовато-коричневого, зеленовато-синего, розового и синего тонов. Характерной особенностью топазов является плеохроизм, заключающийся в изменении окраски кристалла в зависимости от направления света. Это свойство отчетливо проявлено в розовых и винно-желтых топазах, а в голубых – слабо. Обычно кристаллы прозрачны, иногда с облачным эффектом или эффектом «кошачьего глаза».

В ультрафиолетовых лучах длинноволнового диапазона наблюдается свечение (люминесценция) топазов: для голубых кристаллов – зеленоватое или желтоватое; для розовых и коричневых (винных) – оранжево-желтое. В коротковолновом диапазоне люминесценция слабая.

Физические свойства позволяют достаточно легко отличить топаз от многочисленных внешне сходных с ним камней-имитаторов. Так, шпинель и алмаз, не обладающие двулучепреломлением, легко отсортировать с помощью несложного прибора – порярископа. В отличие от топазов под ультрафиолетовой лампой аквамарин вообще не люминесцирует, а гелиодор светится желтым светом только в коротковолновом диапазоне.

Аквамарин, гелиодор и зеленоватый берилл (берилловая группа) и цитрин (кварцевая группа) отличаются от топаза значительно меньшей плотностью, что легко устанавливается путем вычисления массы вставки. В ряде случаев может помочь испытание карандашами твердости. Топаз по твердости значительно превосходит цитрин и циркон, он несколько тверже турмалина, но уступает рубинам, сапфирам и тем более алмазам. Однако следует иметь в виду, что близкую к топазу твердость имеют шпинель, хризоберилл и схожие с ним представители берилловой группы.

Незаменимым прибором при диагностике топазов является рефрактометр, с помощью которого определяют показатели преломления, являющиеся своеобразным паспортом камня. В ряде случаев идентификации может быть проведена по характеру плеохроизма или способности топаза электризоваться. Последнее свойство с успехом позволяет специалисту отличить от топаза все перечисленные выше камни-имитаторы, за исключением турмалина и алмаза.

  

б) Циркон. С химической точки зрения циркон является силикатом циркония. Название драгоценного камня происходит от персидского слова zargun. В переводе с персидского гаг означает «золото», а gun – «цвет». Следователвно, циркон на этом языке означает «золотоцветный». Помимо наиболее красивых золотисто-желтых и красных цирконов встречаются коричневые, желтовато-зеленые и небесно-голубые камни. Их цвет определяется примесями железа, меди, цинка, кальция, титана и некоторыми редкоземельными элементами.

Встречаются, впрочем, бесцветные и даже черные цирконы. Золотисто-красные камни называют гиацинтами. Согласно древнегреческому мифу. Гиацинт был убит диском, который бросил на состязаниях бог света Аполлон. Упавшие на землю капли крови юноши превратились в цветы гиацинты. Окаменев, они стали драгоценными камнями. В старинных русских рукописях драгоценный камень циркон-гиацинт упоминался как иакинф, иацинт или якинт.

Соломенно-желтые и дымчатые цейлонские цирконы европейские ювелиры не так давно именовали «цейлонскими жаргонами» или просто «жаргонами».

В ювелирном деле нередко используются коричневые цирконы, которые после обжига приобретают великолепной голубой цвет. Такие камни называют старлитами.

Голубовато-зеленые камни являют пример ослепительно-яркой окраски, редко встречаемой у других драгоценных камней. Не лишены великолепия и густо-красные камни, хотя они и несколько мрачноваты, а камни столь красивой золотисто-желтой окраски не дает ни один другой минерал.

Цирконы были давно известны на Цейлоне и нередко попадали в руки посещавших этот солнечный остров путешественников, которые по большей части не понимали, с каким камнем они имеют дело; до тех пор пока на рынке не появились голубые камни, этот минерал в целом не привлекал к себе внимания.

Бесцветные цирконы гранятся главным образом бриллиантовой огранкой. Цветные камни гранят различно в зависимости от назначения, но наиболее обычна смешанная огранка (бриллиантовая огранка верха и ступенчатая низа).

Циркон используется не только в ювелирном деле, но и в промышленности, главным образом как источник циркония и окиси циркония. Металл цирконий применяют при выплавке стали для удаления окислов и нитридов. Окись циркония находит много применений: как огнеупор для облицовки плавильных печей, как составная часть эмалей и как абразив. Собственно минерал циркон также используется иногда как огнеупорный материал.

Бесцветные цирконы, хотя они и характеризуются алмазным блеском и сильной игрой, легко отличить от алмаза по их низкой твердости, двупреломлению (которое достаточно велико и обусловливает раздвоение противоположных ребер ограненного камня при разглядывании их через площадку) и низкому светопреломлению (что позволяет значительной части света, падающего на площадку камня с бриллиантовой огранкой, ускользать из нижней части).

Кроме того, алмаз плавает в жидкости Клеричи. Опытный глаз не спутает зеленый гранат демантоид с цирконом, настолько различны оттенки их окраски. Сомнения можно разрешить, определяя плотность, которая меньше у демантоида.

 

в) Беломорит. Форма кристаллов. Столбчатые, толстотаблитчатые, распространены полисинтетические двойники.

Кристаллическая структура. Силикат с бесконечным трехмерным каркасом (SiAl) O₄.

Класс симметрии. Триклинно-пинакоидальный – 1.

Спайность. Весьма совершенная по базису (Р), хорошая по концевой грани пинакоида (М) и призме (Г) (см. полевые шпаты).

Агрегаты. Зернистые, плотные.

Беломорит – это полевой шпат – альбит с ирризацией, т.е. переливчатостью, отсветами серо-голубого, сине-голубого или бледно-фиолетового цвета на плоскостях. Назван А. Ферсманом по месту нахождения – на берегу Белого моря. Древних поверий о камне нет, и только авестийская астрология его изучила и признала хорошим средством от бессонницы и камнем ясновидящих

Непрозрачный белый лунный камень с иризацией в серых и сине-голубых тонах, возникающей при отражении света от плоскости спайности под углом 12–15 градусов. Нахождение – микроклин-олигоклазовые гранитные пегматиты мусковитовой формации (гранат, турмалин, апатит, кварц, мусковит).

г) Берилл. В группу бериллов входят изумруд, аквамарин и обычный берилл. Они имеют неоспоримое право на внимание всех любителей драгоценных камней. Несравненный изумруд давно стоит в ряду наиболее дорогих драгоценных камней. Даже Плиний помещал изумруд на третье место, хотя ему были известны только сравнительно плохие камни из Египта и, возможно, с Урала. Брат изумруда, восхитительный аквамарин, который, кажется, попал к нам прямо из скрытой в глубинах теплого моря сокровищницы русалок, обладает чарами, которые нельзя отрицать.

В минералогии название «берилл» прилагается ко всем разновидностям этого минерала, название «изумруд» – к зеленой разности, а «аквамарин» – к разности цвета морской волны. Но в ювелирном деле термин «берилл» имеет более узкий смысл и используется для обозначения светлоокрашенных камней, а также камней, имеющих не зеленую, а другую окраску, так что вошло в обычай говорить о «желтом берилле» или «розовом берилле». В последнее время проводится дальнейшее разграничение понятий, причем для розовых камней используется название «морганит», а для золотисто-желтых – «гелиодор».

Название минерала пришло к нам через латинское beryllus от греческого «бериллос» – древнего слова, значение которого теряется в веках. Возможно, оно с самого начала относилось, по крайней мере частично, к тем же разновидностям этого минерала, которые и сейчас обозначаются этим названием.

Берилл, если иметь в виду название, под которым этот минерал известен науке, является алюмосиликатом бериллия и имеет формулу Be3Al2Si6O18L. Анализы часто показывают присутствие в нем небольших количеств щелочных металлов, а также гелия. Полагают, что атомы этих элементов не входят в кристаллическую решетку содержащего их берилла, а удерживаются в каналах структуры, расположенных параллельно оси симметрии шестого порядка. Алюминий может замещаться небольшими количествами хрома и окисного железа. В изумрудах было обнаружено от 1 до 2% воды. Бериллий, как указывает его название, впервые был открыт в образце минерала берилла в 1798 г. химиком Вок-леном. Одно время он был известен под названием «глициний» (от греческого «глицис» – сладкий) из-за сладкого вкуса его солей. Чистый берилл бесцветен, но благодаря почти неизменному присутствию примесей он приобретает различную окраску. Наиболее часты следующие цвета: зеленый (он столь своеобразен у этой разновидности, что соответствующий оттенок подучил название изумрудно-зеленого), от зеленоватого (цвета морской волны) до голубого у аквамарина, розовый у морганита и желтый. Цвет изумруда обычно обусловлен незначительной примесью хрома. Много лет назад Гольдшмидт обнаружил, что в зеленых норвежских бериллах содержится больше ванадия, чем хрома, и на основании этого факта пришел к выводу, что трехвалентный ванадий может играть в берилле ту же роль, что и хром. С тех пор ванадий был обнаружен в изумрудах из многих месторождений, а в зеленом берилле из Салининхи в бразильском штате Баия ванадий сопровождается заметным количеством железа и лишь следами хрома. Окрашенные одним лишь ванадием зеленые бериллы получены искусственным путем. Предлагалось название «изумруд» использовать лишь для обозначения зеленых бериллов, окрашенных примесью хрома. Такое ограничение понятия «изумруд» было бы полезным для специалистов, причем наличие или отсутствие хрома быстро определялось бы с помощью спектроскопа, но весьма вероятно, что для непрофессионалов изумруд всегда останется «сверкающей зеленой разновидностью берилла». В аквамаринах оттенки цвета, меняющиеся от голубоватого до желтовато-зеленого, обусловлены, по-видимому, главным образом примесью железа. Розоватый оттенок морганита может быть связан с присутствием лития, а с примесью окисного железа обычно связана окраска желтых бериллов.

Гелиодор содержит незначительную примесь урана и поэтому радиоактивен.

Плотность берилла варьирует от 2,67 до 2,90. Таким образом, берилл гораздо плотнее, чем кварц, и если берилл и кварц поместить в трубку с соответственно подобранной тяжелой жидкостью, первый всегда будет скапливаться ниже второго (рис. 74). Плотность колумбийских и сибирских изумрудов колеблется от 2,68 до 2,74, но в среднем равна 2,712. Бразильские бледные изумруды менее плотные, плотность их колеблется от 2,67 до 2,70, а южноафриканские изумруды более плотные, плотность их изменяется от 2,72 до 2,77, но в большинстве случаев значение плотности близко к 2,75. Плотность аквамаринов и желтых бериллов колеблется от 2,68 до 2,75. Бразильский зеленый берилл имеет плотность около 2,80, а морганит имеет самую большую плотность по сравнению с другими разновидностями берилла: от 2,72 до 2,90, в большинстве случаев около 2,82. Эти высокие значения плотности могут быть обусловлены присутствием щелочных металлов – цезия и рубидия. У синтетических изумрудов, которые были получены раньше, плотность и оптические константы были заметно ниже, чем у природных камней, но в искусственных изумрудах, полученных позднее, такое различие отсутствует. Тщательное изучение включений остается одним из лучших методов, позволяющим отличать природные и искусственные камни.

Твердость берилла варьирует от 7,5 до 8, причем изумруд несколько мягче, чем другие разновидности. Отмечается слабая спайность, параллельная базису. Подобно большинству драгоценных камней, берилл весьма хрупок и легко раскалывается и покрывается трещинами. Замутненные, непрозрачные из-за трещинок камни называют моховыми. В пламени паяльной трубки берилл плавится с трудом. Он устойчив к воздействию фтористо-водородной кислоты, а также других кислот.

Непрозрачные бериллы, не находящие применения в ювелирном деле, являются главной рудой для получения металла бериллия, который используется для приготовления специальных сплавов – главным образом с медью, а также с железом и никелем.

д) Везувиан – это минерал, силикат кальция и алюминия сложного состава. Кристаллы везувиана часто имеют столбчатую, призматическую или пирамидальную форму. При этом когда смотришь на достаточно крупные кристаллы везувиана, создается впечатление, что они составлены из соединенных вместе простых геометрических тел – кубиков, словно спаянных, смешанных друг с другом. Отсюда другое название этого минерала, образованное с помощью корней греческого языка, – идокраз (греч. crasys – «смесь»). Под таким именем везувиан известен с 1796 г. Цвет везувиана зеленовато-желтый, бурый, бутылочно-зеленый, изредка изумрудно-зеленый; окраска обусловлена примесью железа, стойкая. В ювелирном деле для огранки и вставок в украшения используются прозрачные образцы коричневого цвета с о. Шри Ланка.

Везувиан получил свое название по месту первой находки – склону вулкана Везувий (Италия). Синонимы: агат стеклянный, везувиан-жад, вилуит, гиацинтин ложный, жад американский, жад везувиановый, идокраз, изумруд вилюйский, калифорнит, нефрит американский, хризолит вулканический, хризолит итальянский, хризолит торговый.

На территории провинции Квебек в Канаде встречаются везувианы ювелирного качества массой 10–15 карат. Везувианы обнаружены также в Норвегии, Италии, Швейцарии, Пакистане и Африке.
За образцами везувиана россиянам не обязательно ехать в Италию или Америку. Начиная с 1914 г., везувианы Урала изучал русский профессор С.М. Курбатов. Результатом этих исследований стала его книга «Везувианы из русских месторождений». В начале 80-х гг. XX в. этот минерал был найден и на склонах «неудавшегося» вулкана Аюдаг в Крыму.