Двойниковые кристаллы

Большинство минералов встречается в виде беспорядочных агрегатов минеральных зерен в породах земной коры. Эти зерна обычно бесформенные (отсутствуют внешние грани), но, будучи кристаллическими, они обладают внутренним порядком, который выявляется в спайности, оптических свойствах и рентгеновской дифракции. Редко находятся минералы, обрамленные хорошо развитыми кристаллическими гранями.

При некоторых условиях два или более минеральных зерен или кристаллов образуют закономерные, симметричные сростки.
Такие кристаллографически контролируемые сростки называют двойниками, или двойниковыми кристаллами. Направления решетки одного из индивидов двойника находятся в определенном кристаллографическом отношении к направлениям решетки другого. На рис. 2.168 показано возможное двойниковое отношение относительно несдвойникованного узора в ромбической решетке. Операциями, которые связывают кристалл и его двойниковую копию, могут быть: 1) отражение в зеркальной плоскости (двойниковая плоскость); 2) поворот вокруг общего кристаллографического направления (двойниковая ось), угол поворота обычно 180°, хотя есть и исключения; 3) инверсия относительно точки (двойниковый центр). Двойникование определяется законом двойникования, который говорит, есть ли центр, ось или плоскость двойникования, и дает кристаллографическую ориентировку оси или плоскости.

Поверхность, по которой соединяются два индивида, называется поверхностью срастания (композиционной поверхностью). Нели эта поверхность плоская, то ее называют плоскостью срастания. Обычно, но не обязательно, плоскость срастания — это и двойниковая плоскость. Однако если закон двойникования может определяться только двойниковой плоскостью, то плоскость двойникования всегда параллельна вероятной кристаллической грани и никогда не параллельна плоскости симметрии. Двойниковая ось - это зональная ось или направление, перпендикулярное рациональной плоскости решетки, но она никогда не может быть осью четного порядка (2-, 4-, 6-ной). если поворот происходил на 180°. В некоторых кристаллах поворот на 90° вокруг 2-ной оси можно рассматривать как операцию двойникования.

Сдвойникованные кристаллы обычно разделяются на двойники срастания (контактные) и двойники прорастания (проникновения). У двойников срастания есть определенная поверхность срастания, отделяющая два индивида, и двойник определяется двойниковой плоскостью, такой как {111} (рис. 2.169, а и б). Двойники прорастания обычно состоят из взаимопроникающих индивидов с неправильной поверхностью срастания, а закон двойникования обычно определяется двойниковой осью (рис. 2.170, а, б и в).

Повторные, или многократные, двойники состоят из трех или более частей, сдвойникованных по одному и тому же закону [соответственно числу — тройники, четверники и т. д.]. Если все последовательные плоскости срастания параллельны, то образующаяся группа будет полисинтетическим двойником (рис. 2.171 и 2.172). Если последовательные плоскости срастания непараллельны, то получается циклический двойник (рис. 2.173). В том случае, когда большое число индивидов в полисинтетическом двойнике близко отстоят друг от друга, на кристаллических гранях или плоскостях, пересекающих плоскость срастания, выявляется штриховка, связанная с противоположной ориентировкой соседних индивидов.

Двойникование в группах низкой симметрии обычно приводит к агрегату с более высокой симметрией, чем у индивидов, так как двойниковые плоскости или оси добавляют элементы симметрии.



Различные механизмы образования двойников рассматривались М.Д. Бюргером под названиями двойники роста, двойники преобразования (трансформационные) и двойники скольжения (или деформационные).

Двойники роста являются результатом такого размещения атомов или ионов (или групп атомов или ионов) на поверхности растущего кристалла, что прерывается регулярное расположение в первоначальной кристаллической структуре (и следовательно, решетке). Например, на рис. 2.168 линию XX' можно рассматривать как вид сбоку на внешнюю грань растущего кристалла. Ион или атом (или группа ионов) могут занять структурные позиции, обозначенные узлами решетки А, А', А'' или В, B', В". В первом случае первоначальная структура продолжается непрерывно, а во втором возникают отношения двойникования. Следовательно, двойники роста отражают «случайности» при свободном росте («ошибки центров роста») и могут считаться первичными двойниками. Двойники роста в минеральных образцах можно распознать по одиночной, часто не совсем правильной границе между сдвойникованными индивидами или по взаимопроникновению двух частей двойника. В этом разделе большинство рисунков сдвойникованных кристаллов представляют двойники роста.

Трансформационное Г-войникование происходит в кристаллах после их образования и представляет вторичное двойникование. Трансформационное двойникование может возникать в результате того, что кристаллическое вещество, образовавшееся при относительно высокой температуре, охлаждается и затем перестраивает свою структуру в структуру с другой симметрией, отличной от той, что была устойчива при более высокой температуре. Например, если высокотемпературный кварц с пространственной группой P6222 охлаждается ниже 573 °C, то он переходит в низкотемпературный кварц с пространственной группой Р3221, Рис. 2.174, а иллюстрирует структуру высокотемпературного кварца. На рис. 2.174, б показана структура низкотемпературного кварца, в которой часть А связана с частью В поворотом на 180°. При переходе от структуры высокотемпературного кварца к структуре низкотемпературного кварца возможно возникновение двух ориентировок, связанных поворотом на 180°, из-за тригонального расположения в низкотемпературном кварце (см. рис. 2.174, б). Взаимоотношение этих двух ориентировок известно как дофинейский двойник и выражается как поворот на 180° вокруг. Если сдвойникованный кристалл кварца нагреть выше 573 °C, то дофинейское двойникование исчезает и спонтанно образуется несдвойникованный высокотемпературный кварц.

На рис. 2.174, в показано базальное сечение низкотемпературного кварца с троекратным распределением сдвойникованных ориентировок низкотемпературного кварца в кристалле.

Другой пример трансформационного двойникования дает KAlSi3O8, который встречается в трех различных структурных формах: высокотемпературный санидин (С2/m), низкотемпературный ортоклаз (С2/m) и наиболее низкотемпературный микроклин. В микроклине неизменно видны микроскопические двойниковые узоры, показанные на рис. 2.175 и известные как микроклиновое, или «шотландское», двойникование. Узор в виде перекрестной штриховки, который обычно виден только между скрещенными поляризаторами, состоит из двух типов двойников, образованных по альбитовому и периклиновому законам. Эта комбинация двойников является ключевой особенностью в изменении симметрии от моноклинной (как в ортоклазе) к триклинной (как в микроклине). При этом переходе от более высокой температуры зеркальная плоскость и 2-ная поворотная ось теряются, что приводит к образованию триклинных «доменов», связанных двойникованием.

Двойники скольжения (или деформационные) возникают, когда кристаллическое вещество деформируется под воздействием механического напряжения. Деформационное двойникование является другим типом вторичного двойникования. Если напряжение приводит к очень небольшому проскальзыванию атомов, то может возникнуть двойниковый кристалл (рис. 2.176). Если движение атомов велико, то сдвиг или проскальзывание может происходить без двойникования, что может в конце концов привести к разрушению кристалла. Деформационное двойникование весьма обычно в металлах и часто происходит в метаморфизованных известняках, на что указывает присутствие полисинтетически сдвойникованных зерен кальцита (см. рис. 2.172). В плагиоклазовых полевых шпатах из метаморфических отложений также можно наблюдать деформационное двойникование.

Деформационный двойник в кальците можно получить, аккуратно надавив лезвием ножа (или бритвы) на ребро ромбоэдра кальцита. В этом случае двойникование происходит за счет проскальзывания слоев {0112} в структуре кальцита.



Триклинная система. Лучше всего двойникование в триклинной системе иллюстрируют полевые шпаты. Они почти всегда сдвойникованы по альбитовому закону с двойниковой плоскостью {010}, как показано на рис. 2.171, a и б. Другой важный тип двойникования в триклинном полевом шпате происходит по периклиновому закону с двойниковой осью. Если периклиновые и альбитовые двойники тесно переплетены, как это часто наблюдается в микроклине, то в поляризационном микроскопе можно увидеть узор в виде перекрестной штриховки, или «шотландки» (см. рис. 2.175). Кроме того, триклинные полевые шпаты двойникуются по тем же законам, что и моноклинные полевые шпаты.

Моноклинная система. В моноклинной системе наиболее обычно двойникование по {100} и {001}. На рис. 2.177 показано двойникование гипса с двойниковой плоскостью {100}, а на рис. 2.178, а изображен манебахский двойник ортоклаза, в котором двойниковой плоскостью является {001}. Ортоклаз образует также двойники прорастания по карлсбадскому закону, в котором кристаллографическая ось с является двойниковой осью, а индивиды соединяются по неправильной поверхности, примерно параллельной {010} (см. рис. 2.170, в). Бавенский двойник, также характерный для ортоклаза, имеет двойниковой плоскостью {021} (см. рис. 2.178, б).

Ромбическая система. В ромбической системе наиболее распространена двойниковая плоскость, параллельная грани призмы. Двойник срастания арагонита (рис. 2.179, а), циклический двойник того же минерала в поперечном сечении (см. рис. 2.179, б) и циклический двойник церуссита (рис. 2.180) — все они сдвойникованы по {110}. Псевдогексагональный облик двойников (см. рис. 2.179, б и 2.180) является результатом того, что (110) Д (110) почти равен 60°.

Минерал ставролит, моноклинный с углом в 70°, псевдоромбичен и морфологически выглядит ромбическим. Его обычно находят в двух типах двойников прорастания. В одном двойниковая плоскость {031} и в результате получается прямоугольный крест, а в другом двойниковая плоскость {231} и образуется косой крест с углом 60° (рис. 2.181).

Тетрагональная система. У самого обычного типа двойников в тетрагональной системе двойниковая плоскость {011}. Кристаллы касситерита и рутила, сдвойникованные по этому закону, показаны на рис. 2.182.

Тригональная система. В этой системе двойники — распространенное явление. Тригональные карбонаты, особенно кальцит, служат прекрасной иллюстрацией трех законов двойникования. Двойниковой плоскостью может быть пинакоид {0001} с двойниковой осью — ось с (рис. 2.183, а) или положительный ромбоэдр {1011}. Ho наиболее распространено двойникование по отрицательному ромбоэдру {1110}, оно может давать двойники срастания (см. рис. 2.183, б) или в результате давления — полисинтетические двойники (см. рис. 2.172). Легкость двойникования поэтому закону может быть продемонстрирована искусственным двойникованием спайного обломка исландского полевого шпата под давлением лезвия ножа (см. рис. 2.183, в).

В тригонально-трапецоэдрическом классе кварц дает несколько примеров двойникования. На рис. 2.184, а изображен бразильский закон с двойниковой плоскостью, перпендикулярной оси а. Здесь правый и левый индивиды образовали двойник прорастания. На рис. 2.184, б показан дофинейский двойник прорастания, у которого двойниковая ось с. Такие двойники состоят из двух либо правых, либо левых индивидов (см. также рис. 2.174). Рис. 2.184, в иллюстрирует японский закон с двойниковой плоскостью {1122}. На бразильских или дофинейских двойниках нет входящих углов, которые обычны для сдвойникованных кристаллов.

Гексагональная сингония. В отличие от тригональной, двойники здесь редки и неважны.

Кубическая сингония. В гексоктаэдрическом классе кубической сингонии двойниковой осью является, за очень редким исключением, 3-ная ось симметрии, и поэтому двойниковая плоскость параллельна грани октаэдра. На рис. 2.169 показан октаэдр с плоскостью b—b как возможной двойниковой плоскостью, а также октаэдр, сдвойникованный по этому закону с образованием двойника срастания. Этот тип двойникования особенно распространен у благородной шпинели и поэтому называется шпинелевый двойник. На рис. 2.170, а изображены два куба, образовавшие двойник прорастания с 3-ной инверсионно-поворотной осью [111] в качестве двойниковой оси.

В дидодекаэдрическом классе два пентагон-додекаэдра могут образовать двойник прорастания (см. рис. 2.170, б) с поворотом на 90° вокруг двойниковой оси [001]. Двойниковой плоскостью является {011}. Этот двойник известен как Железный Крест.