Распад твердых растворов кристаллов
Термин распад твердых растворов относится к процессам, при которых первоначально гомогенные твердые растворы разделяются на два (возможно и более) различных кристаллических минерала без добавления материала в систему или выноса его; это означает, что не происходит изменения валового состава. Распад обычно, хотя и не обязательно, наблюдается при охлаждении. Особенности распада лучше всего наблюдаются под микроскопом при большом увеличении, так как масштаб явления распада обычно около одного микрометра и меньше. Пример микроскопического распада твердых растворов амфиболов показан на микрофотографии на рис. 4.28. Чешуйки, которые отделились при распаде твердого раствора первоначально гомогенного минерала, обычно кристаллографически ориентированы, как показано на рис. 4.28. В амфиболах ориентация чешуек распада обычно параллельна {001} и {100}. В щелочных (Na — К) полевых шпатах часто можно увидеть, что чешуйки распада в образцах приблизительно параллельны {100}. Такое грубозернистое взаимопрорастание чешуек распада в щелочных шпатах может состоять из чешуек богатого натрием полевого шпата в богатом калием хозяине, и известно это под названием пертит. Если такой распад имеет масштаб, который можно увидеть только под микроскопом, он называется микропертитом; если необходимы рентгеновские методы для разрешения исключительно тонких лепестков, то взаимопрорастание известно как криптопертит. Эти типы кристаллографически контролируемого взаимопрорастания, появляющегося в результате распада твердых растворов, обычны во многих минеральных системах; назовем для примера щелочные полевые шпаты, пироксены, амфиболы и окислы железа.
Образование текстур распада твердых растворов лучше всего проиллюстрировано на схематической диаграмме температура — состав на рис. 4.29. Горизонтальная ось представляет вариацию составов, выраженную в молекулярных процентах, между двумя возможными силикатами со сходными, но не идентичными структурами. Гипотетические силикаты — моноклинные и представлены ASiхOy и BSiхOi. Ионные размеры А и В отличаются примерно на 25 %. Если собрать из литературы химические анализы этих двух минералов для всех низкотемпературных геологических условий, в которых они встречались, можно заключить, что имеется очень ограниченный твердый раствор между двумя конечными членами, как это показано графически на низкотемпературной (T1) линейной диаграмме. Te же два
гипотетических силиката могут также быть представлены в высокотемпературном базальтовом потоке, очень быстро остывшем. При такой высокой температуре (T2) можно обнаружить полный ряд твердого раствора (показано темной полосой на рис. 4.29). То, что происходит со степенью твердого раствора между T2 и T1, показано разрывом смесимости на диаграмме. Этот разрыв представляет поле температура — состав, в котором твердый раствор между конечными членами уменьшается постепенно от более высокой T к низкой. Для отдельных составов в этой области скорее сосуществуют два минерала, чем один однородный минерал, как над разрывом смесимости.
Возьмем конкретный состав (X1) в области над разрывом смесимости при T2. При этой температуре структура силиката находится в высокоэнергетическом состоянии и будет позволять относительно легкое вхождение А и В (хотя и разнящихся более чем на 25 % по ионным радиусам) в одни и те же атомные позиции. Другими словами, ионы А и В беспорядочно располагаются в различных катионных позициях в структуре. При очень медленном охлаждении этого состава мы достигнем температуры (T4), при которой структура не в состоянии удовлетворить требованиям полностью разупорядоченного распределения ионов А и В. Напряжения в структуре, возникающие из-за различия в размере катионов, вызывают диффузию A+ ионов и образование силикатных областей с преобладанием A+; одновременно B+ ионы диффундируют, образуя силикатные области, богатые B+. Это начало процесса распада смеси, который означает, что первоначально гомогенный минерал разделяется на два химически различных минерала. Разрыв смесимости постоянно расширяется в направлении понижения температуры от T4. При условиях равновесия составы взаимопрорастающих чешуек распада твердого раствора, которые образуются как функция уменьшения температуры, даны точками вдоль края границы смесимости; такие точки составов соединены линиями. При самой низкой температуре, T1, мы можем найти довольно грубозернистые кристаллографически хорошо ориентированные вростки чешуек (А, В) SiхOу определенного состава X2 в минерале-хозяине (В, A) SiхOу с определенным составом X3. Хотя сегрегация ионов внутри силикатной структуры, которая началась при температуре T1, сложная на атомном уровне, она обязана главным образом неспособности отдельной структуры содержать ионы сильно отличных размеров в беспорядочно распределенном состоянии в том случае, когда понижающаяся температура уменьшает энергию кристалла.
Хотя для многих минеральных групп обычны вростки распада, структуры, возникающие при этом, редко видимы в образцах. Пертит в ряду щелочных нолевых шпатов является примером крупномасштабного распада, заметного в образце. Схематическая последовательность поперечных срезов на рис. 4.29, б показывает, что можно увидеть в микроскоп в результате процессов, изображенных на рис. 4.29, а. Первоначально гомогенный кристалл состава X1 в области температур T4 и T3 покрывается сетью различно ориентированных чешуек распада.
Все эти процессы сегрегации происходят внутри структуры силиката в твердом состоянии.
Поэтому диаграмма T—X, описывающая такую последовательность событий, обычно называется фазовой диаграммой субсолидуса. Другие типы фазовых диаграмм, которые используются как иллюстрации в последующих главах по систематической минералогии, — это диаграммы ликвидуса и P—Т. Диаграммы ликвидуса отражают кристаллизацию минерала из жидкости в координатах температуры и составов жидкости и твердого тела; диаграммы P—T могут быть использованы, чтобы показать кривые полиморфных реакций, химических реакций и т. д. Такие диаграммы используются для того, чтобы очертить поля стабильности минералов в координатах давления и температуры (Р—Т). Пример P—T диаграммы для H2O дан на рис. 4.30.
