title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Морфология агрегатов

Морфология агрегатов

Ранее уже было отмечено, что минералы редко наблюдаются в виде отдельных кристаллов, а чаще образуют различные скопления, которые называются агрегатами.
По морфологии среди агрегатов могут быть выделены зернистые, плотные, землистые, а также дендриты, друзы, оолиты, натечные формы и др. Часто форма минеральных скоплений не укладывается в общеизвестные названия и тогда к ней применяется название по сходству с тем или иным предметом (например, гроздевидные, почковидные, грушевидные и др.). Различают также агрегаты по облику и расположению слагающих их кристаллов: чешуйчатые, игольчатые, лучистые и пр. (рис. 47).

Зернистые и плотные, или сплошные, агрегаты являются наиболее распространенными. Они представляют собой скопления неправильно сросшихся зерен одного или нескольких минералов. Примером зернистых агрегатов могут служить все полнокристаллические изверженные породы. По относительной величине кристаллических зерен различают равномернозернистые и неравномернозернистые агрегаты. Размеры зерен различных минералов обычно значительно различаются между собой.
В зернистых агрегатах зерна минералов могут иметь собственные ограничения, свойственные данному минералу, или же выполнять пространство, ограниченное соседними зернами. Первые носят название идиоморфных, или эвгедральных, а вторые — ксеноморфных, или ангедрольных. Один и тот же минерал может быть идиоморфен по отношению к некоторым минералам и ксеноморфен по отношению к другим, тогда он называется гипидиоморфным, или субгедральным (рис. 48). Эти соотношения между минералами редко проявляются макроскопически и обычно наблюдаются под микроскопом. Когда отдельные индивиды зернистых агрегатов имеют слишком малые размеры и граница между ними при макроскопическом исследовании нечеткая, говорят о микрозернистых агрегатах. Макроскопически они выглядят как плотные, массивные или сплошные.
Морфология агрегатов

Землистые агрегаты напоминают своим видом куски рыхлой почвы.
Дендриты представляют собой фигуры в виде ветвей дерева, образующиеся благодаря быстрому росту кристаллов по некоторым направлениям. Возникшие разветвляющиеся фигуры отличаются от скелетных форм монокристаллов тем, что состоят из отдельных кристаллических индивидов, сросшихся в двойниковом или параллельном положении.
Дендриты особенно характерны для окислов марганца (рис. 49) и для ряда самородных элементов (медь, серебро).
Под друзами (щетками) принято понимать группу кристаллов того или иного минерала или разных минералов, имеющих общее основание (рис. 50). Особенность друз состоит в том, что наиболее выраженными кристаллами в них являются главным образом вытянутые перпендикулярно к поверхности нарастания. Изучение строения друз и геометрический анализ процесса их роста показали, что формирование друз обусловлено тремя причинами: 1) формой кристаллических зародышей, 2) действием на зародыши минералов субстрата, где они располагаются и 3) взаимодействием зародышей во время их последующего роста.

В настоящее время доказано, что форма кристаллических зародышей влияет на образование друз в том случае, когда зарождение минерала происходит в растворе над поверхностью субстрата, куда зародыши затем опускаются. При этом зародыши ложатся главным образом на максимально развитые грани. В опытах А.В. Шубникова по выращиванию кристаллов квасцов, представляющих комбинацию господствующих граней октаэдра, подчиненных граней куба и слабо развитых граней ромбододекаэдра, количество кристаллов, ложащихся на поверхности субстрата, для отмеченных выше граней выражается отношением 10000:100:1.
Следовательно, максимально развитые грани определяют ориентировку кристаллов в друзах. В большинстве случаев они оказываются параллельными плоскости нарастания.
Влияние субстрата сказывается, главным образом, во взаимодействии зарождающихся минералов и минералов, слагающих субстрат. При этом наиболее благоприятным случаем является такой, когда субстрат состоит из того же минерала, который кристаллизуется. Кристаллы субстрата в этом случае служат затравками для возникающих кристаллов.

Взаимодействие между кристаллами в период их дальнейшего роста определяется так называемым законом геометрического отбора. Сущность закона заключается в том, что из разноориентированных зародышей кристаллов растут лишь те, которые имеют минимальный угол наклона по отношению к субстрату. Эти кристаллы, постепенно разрастаясь, лишают другие кристаллы возможности роста. Геометрическая схема роста разноориентированных зародышей кристаллов и реализации закона геометрического отбора приведена на рис. 51.
Выяснение закономерностей образования друз имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение, так как друзы часто образуют такие важные для промышленности минералы, как кварц, турмалин, берилл, топаз, флюорит, барит и др.
Среди друз следует различать два типа: 1) друзы нарастания и 2) друзы перекристаллизации.
Для друз нарастания характерно наличие определенной поверхности вмещающей породы, на которую нарастают минералы; каждый из входящих в друзу кристаллов начинает свой рост от этой поверхности. Образование друз нарастания происходит при кристаллизации привносимого растворами вещества в свободном пространстве, когда имеет место совместный, групповой рост кристаллов и развитие индивидов определяется реализацией геометрического отбора.
В друзах перекристаллизации нет определенной поверхности, от которой начинают свой рост все входящие в друзу кристаллы, в таких друзах наблюдается непрерывный переход от вмещающей породы к друзе через зону постепенно укрупняющихся индивидов, представленных зернами того же минерала, соприкасающихся друг с другом индукционными поверхностями.
Образование друз перекристаллизации происходит под воздействием растворов, не приносящих вещество, а лишь вызывающих перекристаллизацию вещества минералов вмещающей породы. Последняя происходит так, что мелкие кристаллы (зерна) в породе растворяются, а за счет их вещества растут крупные. Пространство для свободного роста друз создается по-разному: тектоническими движениями, предварительным растворением породы с образованием в ней полостей, одновременным выносом части кристаллизующегося вещества.
С развитием друз связано образование так называемых параллельно-шестоватых агрегатов, которые обычно, как и друзы, возникают в определенных пустотах (трещинах и т. д.). В заполнении трещин наблюдаются три стадии: 1) стадия роста отдельных кристаллов, 2) стадия друзового роста, 3) стадия параллельно-шестоватого роста.
В первую стадию кристаллы возникают из зародышей, расположенных в любых положениях, но не соприкасающихся друг с другом. Как только кристаллы дорастают друг до друга, между ними начинается геометрический отбор (стадия друзового роста), который приводит к тому, что наступает момент, когда могут развиваться только кристаллы, зародыши которых расположены строго перпендикулярно к поверхности нарастания. Тогда ориентированным кристаллам уже ничто не мешает и они вступают в третью стадию — параллельно-шестоватого роста.
При кристаллизации в стадию параллельно-шестоватого роста на обеих стенках жилы развиваются параллельно-шестоватые агрегаты, заполняющие жилу только отчасти или дорастающие навстречу друг другу до заполнения жилы нацело. Обычно в разных частях жилы получается разная степень заполнения ее минералами. Приблизительно так же можно объяснить и образование параллельно-волокнистых агрегатов.
Среди параллельно-шестоватых агрегатов Д.П. Григорьев выделяет два типа: 1) возникающие свободной кристаллизацией в открытой трещине (они описаны выше) и 2) возникающие в условиях стесненной кристаллизации в приоткрывающейся трещине.
Параллельно-шестоватые агрегаты второго типа возникают в трещине приоткрывающейся постепенно и со скоростью, меньшей возможной скорости роста кристаллов по любому кристаллографическому направлению. Рост идет без образования головок кристаллов, так как нет свободного пространства, и агрегат вплоть до момента окончания роста заполняет трещину от стенки до стенки.
Оолиты и сферолиты. Мелкие стяжения, имеющие несколько миллиметров в диаметре, носят название оолитов и сферолитов. Они бывают иногда и более значительных размеров. И те и другие внешне представляют собой более или менее правильные шарообразные формы. Разница между сферолитами и оолитами заключается в их строении.

Оолиты (икряные камни) чаще всего сцементированы друге другом в горную породу (рис. 52). Они имеют концентрически-скорлуповатое строение, отдельные слои их нарастают вокруг какого-либо центра (например, песчинки, осколка раковины и др.). Иногда внутри оолитов наблюдаются пустоты; в этих случаях предполагают, что нарастание оолита происходило вокруг пузырька воздуха.
Сферолиты в отличие от оолитов обладают радиально-волокнистым строением (рис. 53). Каждое волокно сферолита соответствует вытянутым кристаллам, которые как бы сходятся в центре сферолита. Радиально-волокнистое строение сферолитов, как это доказано лабораторными исследованиями А. В. Шубникова, может возникать двумя путями: 1) из группы различно ориентированных кристаллов, разрастающихся в результате реализации закона геометрического отбора; 2) при росте одиночного расщепляющегося кристалла.
Чаще всего оолиты и сферолиты бывают сложены кальцитом, арагонитом, доломитом, кремнеземом, сидеритом и особенно часто—бурым железняком.
Натечные формы образуются путем постепенного натекания нового вещества на уже отложенное вещество минерала. При таком процессе возникают гроздевидные, сосцевидные, почковидные и другие агрегаты. Натечные формы иногда имеют оолитовое сложение.

Среди натечных образований чаще всего наблюдаются почковидные агрегаты (рис. 54), которые особенно характерны для бурого железняка, малахита, смитсонита и других минералов, возникающих в поверхностных условиях. Среди них встречаются также формы, известные под названием стеклянной головы, сталактитов и выцветов. Стеклянными головами называют шишкообразные или сосулькообразные натечные формы некоторых минералов, обладающие стеклянным блеском и имеющие двойное сложение: радиальное и одновременно концентрически-скорлуповато-слоистое поперек радиусов.
Натечные агрегаты могут возникать путем расщепления кристаллов, подобно сферолитам.
Тонкодисперсные агрегаты. В земной коре широко развиты минеральные агрегаты, размер индивидов которых лежит в пределах 10в-5— 10в-7; они называются тонкодисперсными (от лат. dispersio — рассеяние). В тех случаях когда агрегаты таких размеров заключены в какой-либо среде, они называются коллоидными. Чаще всего дисперсионной средой является вода, а подобные системы, состоящие из дисперсной фазы, называются коллоидными растворами.
В природных условиях коллоидные растворы могут образоваться в результате механического измельчения вещества (процессы механического истирания горных пород и минералов), а также в результате химических реакций, доводящих агрегацию молекулярных частиц до коллоидных размеров. Коллоидные растворы обычно возникают при процессах окисления, восстановления, гидролиза и обменного разложения.
Как показывают исследования, так называемые коллоидные минералы представлены в большинстве случаев кристаллическими индивидами и значительно реже аморфными. Тонкодисперсные агрегаты, полностью сложенные из субмикроскопических индивидов, могут переходить в коллоидные, поглощая дисперсионную среду между отдельными частичками. Точно так же коллоидные агрегаты, теряя дисперсионную среду, могут переходить в обычные тонкодисперсные агрегаты. Коллоидные частицы носят название мицелл. Для данного коллоида мицеллы несут электрические заряды одного знака, мешающие им соединяться друг с другом. Заряд мицелл легко обнаруживается при пропускании через коллоидный раствор электрического тока: мицеллы перемещаются к электродам и выделяются на них (электрофорез). Оказывается, что знак заряда мицелл бывает неодинаковым в различных растворителях и может зависеть от реакции среды (в кислой среде знак заряда обычно бывает противоположным знаку заряда в щелочной среде) (табл. 21).

Наличие электрического заряда является следствием того, что на поверхности мицелл слагающие их ионы имеют свободные валентности, тогда как валентности внутренних ионов полностью насыщены. Для насыщения добавочной валентности мицеллы поглощают ионы из растворов, обычно содержащих электролиты. Теряя по той или иной причине заряд, коллоидные частички приходят в соприкосновение друг с другом и укрупняются. Такой процесс носит название коагуляции (свертывания). Потеря мицеллами заряда может быть вызвана разными причинами, главными среди которых являются нахождение в золе мицелл с разными зарядами и ионов противоположного знака. Наблюдения и опыты показали, что коагулирующее влияние ионов оказывается неодинаковым и в общем случае тем значительнее, чем выше валентность иона. В то же время коагуляция может быть вызвана самими разнозаряженными коллоидами, если они находятся в подходящих количественных соотношениях (взаимная коагуляция). Если к положительно заряженному золю (например, Fe(OH)3) прилить отрицательно заряженный золь (например, SiO2*nН2O) в большем количестве, чем это нужно для коагуляции, то отрицательно заряженные частицы отдадут часть своих зарядов положительно заряженным мицеллам, перезарядят их в отрицательный золь и коагуляции не произойдет. Ho если осаждение двух коллоидно-дисперсных фаз регулируется отношением их зарядов, то количественный ход коагуляции, как показал А.Е. Ферсман, зависит от концентрации водородных ионов (pH).
Как известно, в зависимости от количества и состава растворенных веществ природные воды могут иметь нейтральную, щелочную или кислую реакцию, в соответствии с чем меняется соотношение свободных ионов H+ и ОН-. Характер реакции находится в следующей зависимости от соотношения ионов H+ и ОН-: нейтральная реакция -H+ = OH-, щелочная реакция — H+ < ОН-, кислая реакция — Н+ > ОН-. Величина pH выражается в числах от 1 до 13 и указывает на характер реакции водной среды от максимально кислой (при pH = 1) до максимально щелочной (при pH = 11—13). Значение pH = 7 указывает на нейтральную реакцию. Для каждой пары взаимно осаждающихся коллоидов можно установить опытным путем величину pH, наиболее благоприятную для максимального выпадения коллоида в осадок.
Коллоидные системы, в которых мицеллы пришли в некоторую определенную связь друг с другом, потеряв полную свободу передвижения (коагулировав), называются гелями и в отличие от золей способны сохранять форму. В отличие от золей, в которых дисперсионная среда преобладает над дисперсной фазой, в гелях дисперсионная среда занимает лишь оставшиеся промежутки между укрупненными дисперсными частичками. Очень важным свойством гелей является их способность к адсорбции, т. е. к поглощению своей поверхностью из растворов тех или иных растворенных соединений, а также газов. Следовательно, адсорбцию нужно понимать как увеличение концентрации на поверхности вещества. Она представляет собой проявление так называемой поверхностной энергии. Адсорбция тем больше, чем больше поверхность, которая возрастает с повышением степени дисперсности. Сущность адсорбции заключается в поглощении из растворов тех веществ, которые могут вызвать уменьшение поверхностной энергии данного коллоида. Адсорбирующее вещество называют адсорбентом, а адсорбируемое — адсорбтивом. Многим гелям свойственна избирательная адсорбция, сущность которой заключается в поглощении только определенных веществ. При этом другие вещества либо совсем не адсорбируются, либо адсорбируются в значительно меньшей степени. В качестве примера можно привести гели кремнекислоты (SiO2*nH2O), адсорбирующие основные красящие вещества (метилвиолет, фуксин и др.) и не адсорбирующие кислых веществ. Коллоидные частицы глин адсорбируют калий. Гели MnO2*nH2O адсорбируют катионы бария, лития и калия.
Избирательная адсорбция обусловлена тем, что адсорбируемые ионы имеют заряд, противоположный поверхностному заряду осадка, и образуют с ним труднорастворимое или труднодиссоциирующее соединение.
Экспериментальными исследованиями доказано, что стечением времени коллоиды теряют дисперсионную среду и могут переходить в микро- и макроагрегаты, а аморфные разности, кроме того, стремятся перейти в кристаллическое состояние.
Возможность возникновения коллоидных агрегатов минералов зависит от условий образования, главными среди которых являются температура, а также структура и состав минерала. Коллоидные агрегаты минералов наиболее распространены в коре выветривания. При высоких температурах образование коллоидов затруднено, однако, как это выяснилось в последнее время, коллоидам принадлежит большая роль даже в процессах магматического минералообразования.
С течением времени гели теряют воду (кроме химически связанной) и твердеют. При этом аморфные агрегаты переходят в скрыто-, а затем и в явнокристаллическое состояние. Кристаллические минералы, образовавшиеся из гелей, называются метаколлоидными (табл. 22).

Коллоидные минералы очень характерны по своим внешним формам и внутреннему строению. Преобладают натечные формы с концентрической и скорлуповатой внутренней структурой и радиальными трещинами усыхания, а также полосчатые образования. В большинстве случаев эти морфологические особенности возникают в результате ритмических процессов, сущность которых сводится к периодическому отложению какого-либо вещества. Среди ритмических процессов различают явления внешнего ритма, когда отложение вещества происходит на внешней поверхности того или иного вещества, и явления внутреннего ритма, связанные с периодическим выпадением осадков внутри гелей или других сред с затрудненной диффузией растворов. В результате явлений внешнего ритма возникают поясовые и корковые образования, а также концентрически скорлуповатые оолиты, конкреции, сталактиты и др. Для явлений внутреннего ритма причиной ритмичности являются перерывы в отложении вещества или изменение состава минералообразующих растворов. При явлениях внутреннего ритма возникает типичная полосчатость, например в агатах (рис. 55). Она обязана диффузии в студенистых гелях, причем выпадение вещества обычно является следствием образования нерастворимого осадка или коллоидов. Как правило диффузия происходит за счет молекулярных растворов. У агатов полосчатость может быть объяснена диффузией Fe2+ в гель SiO2, насыщенный кислородом, который окисляет Fe2+ в Fe3+. Ритмически перемежающиеся полосчатые образования, возникшие в результате периодического отложения вещества при диффузии, известны под именем колец Лизеганга — по имени исследователя, получившего сходные образования в лаборатории. Подобные кольца широко распространены в коре выветривания песчаников, мергелей и других пород. Следует, однако, отметить, что наличие концентрических и поясовых образований, подобных кольцам Лизеганга, не всегда бывает следствием коллоидных процессов. Они также могут возникнуть в результате фильтрации растворов через тонкопористые образования при дифференциальной подвижности компонентов. Среди коллоидных минералов особенно распространены гели кремнекислоты, а также гели гидратов окиси железа и марганца.


title-icon Подобные новости