Группа полевых шпатов

Полевые шпаты являются одной из важнейших групп минералов. Это главные породообразующие минералы большинства изверженных, многих метаморфических и некоторых осадочных пород. Происхождение названия связано с присутствием брусочков (швед, spath) полевых шпатов на пашнях (швед, feldt), расположенных на гранитных массивах.
На долю полевых шпатов приходится около 50% всей массы земной коры. По химическому составу полевые шпаты представляют собой алюмосиликаты Na, К, Ca. В очень малых количествах присутствуют Li, Rb и Cs (в качестве изоморфной примеси к щелочам), а также Sr, замещающий Ca, и Ba, замещающий К. Особенностью полевых шпатов является их способность образовывать изоморфные, главным образом бинарные ряды. Изучению химической структуры и условий образования полевых шпатов посвящены работы Г. Чермака, В.Ю. Тарасенко, А.Н. Заварицкого и других исследователей. Основным элементом структуры полевых шпатов являются цепочки, которые тянутся параллельно и состоят из кольцевых звеньев, образованных четырьмя тетраэдрами. Причем в каждом звене два тетраэдра повернуты вершинами вверх, а два — вниз (рис. 198). Одна четвертая (в щелочных полевых шпатах) или половина (в анортите) ионов кремния в тетраэдрах замещена ионами алюминия.

В каркасе, между цепочками из кремнеалюмокислородных тетраэдров, существуют большие пустоты, в которых помещаются ионы Na+, K+ и Ca2+. Свойства полевых шпатов очень близки, на описании их мы остановимся немного позже. Искусственно полевые шпаты получены путем раскристаллизации сплавов соответствующего состава при длительной поддержке температуры раскристаллизованной массы, близкой к температуре затвердения.
Большинство полевых шпатов с химической точки зрения входит в тройную систему Na[AlSi3O8] — K[AlSi3O8] — Ca[Al2Si2O8]. Это натриевый, калиевый и известковый полевые шпаты. Минералы, промежуточные по составу между Na[AlSi3O8] и Ca[Al2Si2O8], называются плагиоклазами, а минералы, промежуточные между Na[AlSi3O8] и K[AlSi3O8], — щелочными полевыми шпатами. Кроме того, в этой группе мы рассмотрим цельзиан.
Плагиоклазы представляют собой минеральный вид переменного состава—(Na, Ca)[Al(Si, Al)Si2O8] от крайнего натриевого члена альбита (Ab)*Na[AlSi3O8] до крайнего кальциевого члена анортита (An)-Ca[Al2Si2O8]. Чистый натриевый полевой шпат в зависимости от степени упорядоченности называется низким или высоким альбитом (низкотемпературная и высокотемпературная разности).
Плагиоклазы — наиболее распространенные полевые шпаты. Название их происходит от греч. слов плягиос — косой, клясис — расщепление: по граням (001) и (010) в плагиоклазах проходит совершенная спайность, а угол между гранями колеблется от 86°24' до 86°50' (у других полевых шпатов угол между гранями близок к 90°).
В плагиоклазах раньше выделяли 6 минералов — альбит, олигоклаз, андезин, лабрадор, битовнит, анортит. Е.С. Федоровым предложена другая, теперь общепринятая, классификация. Каждый член изоморфного ряда Е.С. Федоров условно обозначает номером, соответствующим процентному содержанию в плагиоклазе анортитового компонента (табл. 65).

Название альбита происходит от лат. слова альбус — белый; олигоклаза — от греч. слов олигос — незначительный и клясис — расщепление (спайность этого минерала немного хуже, чем у других полевых шпатов). Андезин получил название от гор Анд, где впервые был описан, лабрадор и битовнит — по месту нахождения (п-ов Лабрадор и месторождение Байтаун в Канаде); название анортита происходит от греч. слова анортос — косой (имеется в виду кристаллизация этого минерала в триклинной сингонии).
По мере уменьшения содержания анортита в плагиоклазе увеличивается процентное содержание SiO2, вследствие чего весь ряд плагиоклазов разбивают на три группы: кислые плагиоклазы (№ 0—30), средние (№ 30—60) и основные (№ 60—100).
Химический состав плагиоклазов приведен в табл. 66. Почти всегда в составе плагиоклазов имеются примеси K2O (до нескольких процентов), а также BaO, SrO, FeO, Fe2O3.

Структурная ячейка содержит 4 единицы. Параметры элементарной ячейки приведены в табл. 67.

Пространственная группа —Сi1 P1. Сингония — триклинная, вид симметрии — пинакоидальный — Ci1 — P1 (С).
Высокотемпературные альбиты могут быть моноклинными.
Агрегаты и габитус. Плагиоклазы встречаются в виде зернистых агрегатов во многих изверженных породах (некоторые из этих пород почти полностью состоят из плагиоклазов, например лабрадориты). В пустотах плагиоклазы часто образуют друзы. Хорошие кристаллы встречаются сравнительно редко и имеют таблитчатый и таблитчато-призматический облик (рис. 199). Очень распространены двойники по нескольким законам (табл. 68 и рис. 200), особенно полисинтетические, четко различимые в шлифах под микроскопом при скрещенных николях.

Часто встречаются зональные кристаллы (рис. 201). Зональное строение возникает вследствие последовательного чередования зон разного химического состава. Оно особенно характерно для плагиоклазов эффузивных горных пород. Зональность возникает, в частности, в результате быстрого охлаждения магматического расплава, когда образованные кристаллы плагиоклаза одного состава находятся в расплаве другого состава. Как правило, зональность выражается в обогащении плагиоклаза от центра к периферии альбитовым компонентом (центральные части являются основными, а внешние — более кислыми).

Физические свойства плагиоклазов подчиняются закону аддитивности, т. е. свойства промежуточных членов имеют промежуточные значения по отношению к свойствам крайних членов и изменяются в зависимости от изменения состава. Цвет плагиоклазов белый, серовато-белый, иногда с зеленоватым, синеватым или красноватым оттенком. Твердость, плотность и оптические свойства плагиоклазов приведены в табл. 69, из которой видно, что плотность и показатель преломления повышаются при переходе от альбита к анортиту. Достаточно характерным является изменение ориентировки оптической индикатрисы, о чем уже было сказано в первой части.

Среди плагиоклазов выделяют такие разности: 1) лунный камень — кислый плагиоклаз (чаще щелочной полевой шпат), для которого характерна своеобразная игра цветов (синевато-белые и зеленовато-белые оттенки этой разности напоминают лунный свет); 2) солнечный камень (иногда называется авантюрином) — кислый плагиоклаз (также щелочной полевой шпат) с красивым золотистым отливом благодаря тонкому прорастанию чешуек железного блеска. У некоторых плагиоклазов, например у лабрадора, на плоскостях (100), (010) и (201) наблюдается игра цветов — иризация. Причины иризации еще окончательно не установлены. Считают, что она вызвана интерференцией в тонких пластинках или связана с закономерно размещенными тонкими включениями.
Диагностические признаки плагиоклазов — только микроскопические и рентгенометрические характеристики (табл. 70). В кислотах плагиоклазы ведут себя по-разному. Растворимость их увеличивается от альбита, почти нерастворимого в кислотах, до анортита, который сравнительно легко в них растворяется. П. п. т. с трудом сплавляются в стекло.

Образование и месторождения. Плагиоклазы образуются эндогенным путем. В большинстве изверженных горных пород они являются главными породообразующими минералами. Высокотемпературные плагиоклазы входят в состав некоторых эффузивных пород, а низкотемпературные — встречаются в большинстве интрузивных пород. Химический состав пород определяет состав самих плагиоклазов. Для основных пород характерны основные плагиоклазы, а для кислых — кислые. В пегматитовых образованиях номер плагиоклазов обычно не поднимается выше 30. При метаморфизме плагиоклазы претерпевают ряд изменений, причем особенно следует отметить явление альбитизации и эпидотизации. Альбитизадия, вернее деанортизация, состоит в превращении основных плагиоклазов в более кислые. Под влиянием гидротермальных растворов плагиоклазы разрушаются, анортит легко преобразуется в ряд силикатов (эпидот, серицит, цоизит), тогда как альбит оказывается устойчивым и остается на месте или просачивается с растворами через горные породы, вызывая в них альбитизацию в узком понимании. Весь этот процесс известен в геологии под названием зелено каменного перерождения, потому что горные породы благодаря образованию эпидота приобретают зеленую окраску» В общем виде этот процесс может быть изображен так:

Зеленокаменное перерождение обычно происходит в последние гидротермальные стадии метаморфизма и связано с привносом калия, железа и других элементов. Месторождения плагиоклазов многочисленны. Крупнейшие месторождения лабрадора находятся на Украине, в Житомирской области. Лунный камень известен в пегматитовых жилах Шайтанки и Липовки на Среднем Урале, вместе с солнечным камнем он встречается в Ильменских горах на Южном Урале.
Разрушение. На земной поверхности плагиоклазы неустойчивы и под влиянием процессов выветривания полностью разлагаются; при этом из них совсем выносятся щелочи и щелочноземельные металлы. В некоторых случаях наблюдается образование за счет плагиоклазов каолиновых залежей.
Практическое значение. Серые лабрадориты (от светлосерых до черных), красиво переливающиеся синим цветом и состоящие почти из одного лабрадора, используются как облицовочный камень.
Щелочные полевые шпаты по своему составу являются изоморфными смесями K[AlSi3O8] и Na[AlSi3O8]. В отличие от плагиоклазов в щелочных полевых шпатах смесимость этих компонентов ограничена, они не дают одного непрерывного ряда. Щелочные полевые шпаты, как однородные минералы состава (К, Na)[AlSi3O8], устойчивы только при температурах выше 900° С, ниже этой температуры они распадаются на K[AlSi3O8] (ортоклаз или микроклин) и Na[AlSi3O8] (альбит). В результате этого распада возникают закономерные прорастания ортоклаза альбитом, широко развитые в группе полевых шпатов и называемые пертитами. Прорастания альбита калиевым полевым шпатом называются антипертитами.
Для щелочных полевых шпатов можно выделить два ряда: моноклинный и триклинный. К первому относятся санидин и ортоклаз. Оба эти минерала по своему составу являются существенно калиевыми полевыми шпатами. В триклинный ряд входят микроклин и анортоклаз. Состав триклинных щелочных полевых шпатов также является существенно калиевым, но в некоторых случаях содержание Na[AlSi3O8] превышает 50%.
Название санидина происходит от греч. санидос — родительного падежа слова санис — табличка; ортоклаза — от греч. слов ортос — прямой и клясис — расщепление (угол между направлениями спайности равен 90°); микроклина — от греч. микрос — малый и клино — нагибаю (угол между плоскостями спайности отличается от прямого угла всего на 20'); анортоклаза — от греч. ан — не, без (не ортоклаз).
Химический состав щелочных полевых шпатов приведен в табл. 71.
Санидин и ортоклаз кристаллизуются в призматическом виде симметрии моноклинной сингонии — P2/m(L2PC), а микроклин и анортоклаз — в пинакоидальном виде симметрии триклинной сингонии — P1(C). Параметры структурной ячейки приведены в табл. 72.

Кристаллическая структура щелочных полевых шпатов построена одинаково из каркасов Al и Si-тетраэдров, но с различной степенью упорядоченности атомов Al и Si: в санидине полностью неупорядоченное положение, в ортоклазе — некоторое упорядоченное и в низкотемпературном микроклине полностью упорядоченное.
Агрегаты и габитус. Щелочные полевые шпаты встречаются в виде зернистых и крупнокристаллических агрегатов (для микроклина размер индивидов, устанавливающихся по спайности, измеряется десятками сантиметров и даже метрами), а также в виде вкрапленников в изверженных горных породах (санидин). Часто они образуют друзы и отдельные кристаллы призматического и таблитчатого облика (рис. 202), на которых главными формами являются грани призмы {110} (на кристаллах ортоклаза) и пинакоидов {010}, {001}, {101}, {201}. Часто наблюдаются двойники (простые и полисинтетические), образованные главным образом по карлсбадскому, а иногда и по манебахскому и бавенскому законам (см. табл. 68 и рис. 200). Нередко встречается одновременное двойникование по двум законам (например, по карлсбадскому и бавенскому), что особенно типично для микроклина. В результате такого двойникования возникает микроклиновая решетка, хорошо заметная под микроскопом. Для микроклина характерны также зональные кристаллы.

Физические свойства. Цвет щелочных полевых шпатов обычно бледный разных оттенков и обусловлен механическими примесями или продуктами распада. Спайность совершенная по (001) и (010). Твердость — 6—6,5. Плотность — 2,55—2,58. Оптические свойства приведены в табл. 73.

В щелочных полевых шпатах по оптическим свойствам выделяют высокотемпературные и низкотемпературные серии (упорядочивающиеся ряды): высокий альбит — высокий санидин, высокий альбит — низкий санидин, низкий альбит — ортоклаз, низкий альбит — микроклин.
Из разностей щелочных полевых шпатов мы назовем адуляр — гидротермальный, часто водянопрозрачный калиевый полевой шпат, имеющий своеобразный облик кристаллов (см. рис. 202), амазонский камень, или амазонит — голубовато-зеленый микроклин, окраска которого, возможно, обусловлена ионами рубидия, и гиалофан — барий, содержащий ортоклаз.
Диагностические признаки описываемых полевых шпатов — только микроскопические и рентгенометрические характеристики. Главные линии на рентгенограммах: 4,02; 3,80; 3,183 (для ортоклаза); 3,22; 2,16; 1,80 (для микроклина). В кислотах не растворяются. П. п. т. не плавятся.
Образование и месторождения. Щелочные полевые шпаты возникают в результате магматических и пегматитовых процессов. При магматических процессах они входят в состав кислых изверженных пород как типичные породообразующие минералы. Крупные скопления щелочных полевых шпатов связаны с пегматитами, где они часто образуют большие кристаллы. Главное значение в гранитных пегматитах принадлежит микроклину (главным образом микроклин-пертиту). В пегматитах щелочные полевые шпаты ассоциируют с кварцем, часто образуя с ним прорастания типа еврейского камня, а также с мусковитом и другими минералами пегматитовых жил. В пегматитах щелочных пород, где кварц обычно отсутствует, полевые шпаты встречаются вместе с нефелином и другими щелочными силикатами. Месторождения пегматитов, являющиеся основным источником полевых шпатов, многочисленны во всех странах. В СССР месторождения пегматитов находятся в Карелии, на Среднем и Южном Урале, в Сибири, на Волыни и в приазовской части Украинской кристаллической полосы.
Разрушение. На земной поверхности щелочные полевые шпаты неустойчивы. Конечным продуктом их изменения в зависимости от климатических условий являются различные глины и каолины (в умеренных широтах) и так называемые латериты (в тропических странах). По современным представлениям, изменение полевых шпатов на земной поверхности является результатом их гидролиза, который проходит благодаря диссоциации воды по схеме H2O - H+ + (ОН)-. Вода растворяет малые количества полевого шпата, которые трудно установить методами химического анализа, но, обогащаясь свободными ионами, такой раствор становится более активным и вызывает дальнейшее разрушающее действие. Общую схему разрушения на примере ортоклаза можно изобразить так:

Na и К являются легкорастворимыми составными частями и образуют с (ОН)- свободные основания, легко выносящиеся за пределы минерала. Из неустойчивого силиката HAlSi3O8 при выносе соответствующего количества SiO2 образуется каолинит:

Практическое значение. Щелочные полевые шпаты используются при изготовлении фарфора, фаянса, а также глазури и эмали.
Цельзиан — Ba[Al2SiO]8. Название получил по фамилии шведского естествоиспытателя А. Цельзиуса.
Химический состав: BaO — 35,8—38,99%; Al2O3 — 25,20—27,28%; SiO2 — 32,20—35,10%. Содержит примеси K2O (до 2,30%), Ca и Sr.
Сингония моноклинная, вид симметрии призматический — C2h—2/m(L2PC). По своим морфологическим и физическим свойствам он очень близок к ортоклазу, от которого отличается присутствием бария, повышенной плотностью 3,31—3,37 и оптическими свойствами: ng = 1,596—1,600, nт = 1,589—1,953, nр = 1,584—1,587, ng—np = 0,010—0,013; (+)2V = 71—86°. Цельзиан встречается в некоторых пунктах Украинской кристаллической полосы, в Якобсберге в Швеции, на полуострове Карнарвон и в других местах.