Группа полевых шпатов

Состав большинства распространенных полевых шпатов может быть описан в виде пределов изоморфных замещений в системе KAlSi3O8 (ортоклаз; Or) — NaAlSi3O8 (альбит; Ab) — CaAl2Si2O6 (анортит; An). Минералы ряда между KAlSi3O8 и NaAlSi3O8 называют щелочными полевыми шпатами, а минералы ряда между NaAlSi3O8 и CaAl2Si2O8 — плагиоклазами. Минералам этих групп, в зависимости от пределов изоморфных замещений, даны названия, приведенные на рис. 10.74. Химический состав полевых шпатов в этой тройной системе выражается в виде молярного процента Or, Ab и An — молекул, например: Or20Ab75An5. Бариевые полевые шпаты, такие как цельзиан BaAl2Si2O8 и гиалофан (К, Ba) (Al, Si)2 Si2O8, относительно редки. Все полевые шпаты имеют хорошо выраженную спайность в двух направлениях расположенных под углом 90° или близких к этому. Твердость их около 6, а удельный вес изменяется от 2,55 до 2,76 (за исключением Ва-полевых шпатов).

Для однозначной характеристики полевого шпата необходимо знать не только его химический состав, но и структурное состояние вида. Структурное состояние, под которым подразумевается характер распределения ионов Al и Si по тетраэдрическим позициям структуры, является функцией температуры кристаллизации и последующей термической истории полевого шпата. В общем полевые шпаты, которые после кристаллизации при высоких температурах остывали быстро, характеризуются неупорядоченным распределением Al—Si (высокое структурное состояние). Te, которые от высоких температур охлаждались медленно или кристаллизовались при низких температурах, в общем характеризуются упорядоченным распределением Al—Si (низкое структурное состояние).

Структура

Структура полевого шпата, подобно структурам различных полиморфных модификаций SiO2, состоит из бесконечной сети тетраэдров SiO1 и AlO4. Ее можно рассматривать как производную от структуры SiO2, в тетраэдрическую сеть которой внедрен также Al, а в пустоты — сопутствующие нм ионы Na+ (или K+, или Са2+). Если только один ион Si4+ на формульную единицу замещен на Al3+, структура может восстановить электронейтральность, если в нее войдут один ион K+ или один ион Na+. Подобным образом, если два иона Si4+ (на формульную единицу) замещены ионами Al3+, электростатический заряд каркаса может быть сбалансирован двухвалентным катионом, таким как Ca2+. Это можно представить следующим образом: Si4O8 каркас —> Na(AlSi3O8) —> Ca(Al2Si2O8). В структурах плагиоклазов количество Al в тетраэдрах изменяется пропорционально относительным количествам Ca2+ и Na+ таким образом, чтобы электронейтральность была сохранена, в частности, чем больше в структуре ионов Ca2+, тем выше количество ионов Al3+.

Общий план структуры полевых шпатов может быть проиллюстрирован на примере структуры санидина, высокотемпературной полиморфной модификации KAlSi3O8, имеющей пространственную группу С2/т (рис. 10.75). В этой структуре распределение Al—Si полностью неупорядоченное, означающее, что ионы Al и Si произвольно распределены по двум кристаллографически определенным тетраэдрическим позициям, T1 и T2. Ионы K4+, связанные с 10 ближайшими ионами кислорода в крупных интерстициях, занимают особые позиции на зеркальных плоскостях, перпендикулярных к оси b. Каркас тетраэдров Si—Al состоит из четырехчленных колец, связанных в цепочки (типа сдвоенного зигзага), параллельные оси а (рис. 10.76). Квадратные, коленчатые очертания этих цепочек, представленные четырехзвенными кольцами, находят свое внешнее проявление в прямоугольном взаиморасположении плоскостей спайности и псевдотетрагональном габитусе полевого шпата. Структура микроклина, низкотемпературной модификации KAlSi3O8, имеет триклинную симметрию (пространственная группа Cl), и в ней нет зеркальных плоскостей и поворотных осей, свойственных структуре санидина (см. рис. 10.75). Иначе говоря, эта структура менее симметрична, и в ней ионы K+ не занимают каких-либо особых позиций. Распределение Al—Si является полностью упорядоченным, так что структура представляет собой низкотемпературный или максимальный микроклин (максимум относится к максимальной триклинности, являющейся результатом высокой упорядоченности). Тетраэдры, в которых находится Al, локализованы закономерно, в то время как в санидине Al—Si распределение является полностью неупорядоченным. Ортоклаз представляет собой полиморфную модификацию KAlSi3O8, в которой характер распределения Al—Si находится в промежуточном состоянии между полной неупорядоченностью, как в санидине, и полной упорядоченностью, как в микроклине. Ортоклаз, имеющий пространственную группу С2/m, кристаллизуется в промежуточном температурном интервале (рис. 10.77). Несмотря на то что однозначную идентификацию трех структурно различных К-полевых шпатов — санидина, ортоклаза и микроклина — можно сделать лишь при тщательных замерах параметров ячейки и (или) оптических параметров, таких как 2V и угол погасания bAZ, мы будем применять термины ортоклаз и микроклин более широко. В последующем описании применение этих терминов будет основано на характеристиках, определяемых по макроскопическим признакам образцов. При этом, однако, следует помнить, что определения трех типов К-полевых шпатов, используемые в современной литературе, основаны на параметрах, которые могут быть установлены только по рентгеновским и оптическим исследованиям. Такие измерения позволяют определять максимальный микроклин, высоко-, средне- и низкотемпературный ортоклаз и дают исследователю информацию о степени порядка или беспорядка в распределении Al—Si в структуре полевого шпата.

Микроклин особенно характерен для глубинных пород и пегматитов, ортоклаз — для изверженных пород, образовавшихся при умеренных температурах, а санидин — для излившихся высокотемпературных лав.

В общих чертах структура минералов ряда плагиоклазов очень похожа на структуру микроклина. Чисто Na конечный член ряда — альбит — в общем триклинный (пространственная группа Cl) и имеет форму «низкого альбита», которая характеризуется неупорядоченным распределением Al—Si. Моноклинная разновидность альбита образуется при очень высокой температуре и называется мональбит. Чисто кальциевый конечный член ряда, анортит, также имеет триклинную симметрию с пространственной группой P1 при комнатной температуре и полностью упорядоченным распределением Al-Si в структуре. При повышенных температурах структура анортита становится объемноцентрированной с пространственной группой I1. Общий вид областей устойчивости различных форм полевого шпата показан на рис. 10.77 и 10.79.

Состав

Ряд щелочных полевых шпатов (от NaAlSi3O8 до KAlSi3O8) является непрерывным только при высоких температурах (см. рис. 10.77). Например, минералы ряда санидин — высокий альбит устойчивы при повышенной температуре, а при более низкой становятся устойчивыми две обособленных фазы — низкий альбит и микроклин. Как видно из рис. 10.77, пределы изменений состава низкого альбита и микроклина очень узкие. Если однородный полевой шпат состава Or50Ab50, в котором ионы Na+ и K+ распределены беспорядочно, медленно охлаждать, произойдет сегрегация ионов Na+ и K+, поскольку с понижением температуры пространственные структурные ограничения становятся более строгими. Ионы Na+ диффундируют в участки, обогащенные Na, а ионы K+ обосабливаются в обогащенные К участки структуры, в связи с чем первоначально однородный полевой шпат превращается в прорастание двух различных фаз. Такое обособление чаще всего приводит к образованию тончайших слоев альбита в матрице кристалла К полевого шпата. Такие прорастания называются пертита м и и являются результатом процесса распада твердого раствора. В ряду щелочных полевых шпатов ориентировка пластинок распада твердого раствора приблизительно параллельна {100}. Если такие прорастания виды невооруженным глазом, их называют макропертитами, если они видны только в поляризационном микроскопе — их называют микропертитами, а если они обнаруживаются только при рентгеновском или электронномикроскопическом исследовании, их называют криптопертитами. Гораздо реже минералом-матрицей является плагиоклаз, а вростки имеют состав KAlSi3O8; такое образование называют антипертитом.

Очень незначительны пределы изоморфных замещений в ряду KAlSi3O8—CaAl2Si2O8 (рис. 10.78). Однако для ряда плагиоклазов NaAlSi3O8 до CaAl2Si2Os при высоких температурах существует непрерывный твердый раствор (рис. 10.79). Общая формула для полевых шпатов этого ряда может быть записана в виде: Na1-x Cax(Si3-x Аlx)О8, где х изменяется от 0 до 1. Структурная интерпретация областей непрерывной изоморфной смесимости затруднена, в связи с изменяющимся соотношением Al/Si от альбита NaAlSi3O8 к анортиту CaAl2Si2O8. В ряду плагиоклазов существует три типа текстур распада твердых растворов, которые не видны невооруженным глазом, но могут быть выявлены по иризации.

Перистеритовые прорастания образуются в предела An2 до Аn15.

Прорастания Беггильда встречаются в некоторых плагиоклазах, состав которых изменяется от An17 до An58, их наличие выявляется по игре цветов в лаборадорите. Третий тип прорастания наблюдается в пределах составов от An60 до An85 и известен под названием прорастания Хаттенлохера. Эти разрывы смесимости в рядах твердых растворов между Ab и An очень незначительны по масштабам, поэтому такие свойства, как удельный вес или показатель преломления в целом изменяются линейно в зависимости от химического состава. Следовательно, определение необходимого свойства с достаточной точностью позволяет получить приближенное (и при этом достаточно удовлетворительное) представление о химическом составе плагиоклаза.