Страницы Список страниц 6 7 8 9 10 · · ·  42                    

§ 6. ПОЛИМОРФИЗМ

Характерным свойством многих твердых веществ является их способность образовывать различные по своему строению кристаллические решетки, обычно даже характерные для разных сингонии. Это явление носит название полиморфизма («многофор-менность»). Явление полиморфизма обусловлено различием в физико-химических условиях образования минерала. Наиболее существенную роль играет температура, а также давление и состав той среды, из которой происходит выделение минерала (например, кислая или щелочная реакция раствора). Знание условий возникновения той или иной полиморфной разности позволяет сделать весьма обоснованные выводы об условиях образования исследуемого минерала. Так, кварц образует две полиморфных разности, именуемые при помощи греческих букв α и β.

Обычно принято обозначать полиморфные модификации, начиная с более высокотемпературных, но, к сожалению, это правило не является обязательным, что приводит иногда к путанице понятий. Высокотемпературный кварц некоторые исследователи обозначают как α-кварц, а другие как β-кварц. Придерживаясь общепринятого обозначения в порядке падения температуры образования, можно указать что α-кварц кристаллизуется в гексагональной сингонии (класс гексагонально-трапецоэдрический) L66L2.

Эта модификация устойчива в интервале температур 870—573°. При более низких температурах образуется другая —р-модификация с симметрией L33L2, т. е β -кварц уже относится к тригональной сингонии и ее тригонально-трапецоэдрическому классу. Внешне эти две модификации хорошо отличаются по форме кристаллов, как это видно из рис. 35.

Высокотемпературные α -кварцы имеют вид гексагональных дипирамид, обычно, при отсутствии граней призмы. Они встречаются, как выделения из магматических расплавов.

Облик кристаллов кварца, образовавшихся при различных природных условиях

Рис. 35. Облик кристаллов кварца, образовавшихся при различных природных условиях: а, б —α =кварц (870—573°); в, г — β = кварц (<573°)

Низкотемпературный кварц дает вытянутые кристаллы, сложенные гексагональной призмой, увенчанной с обоих концов гранями дипирамиды (фактически это комбинация из двух ромбоэдров). Нередко встречаются и более сложные формы. Использо-вание знания температур образования α — и β-кварца позволяет с большой достоверенностью установить условия образования кварца и образовавшихся вместе с ним минералов и горных пород. Вторым классическим примером минерала, позволяющего установить температуру минералообразования (такие минералы называют «геологическими термометрами»), является силикат кальция Ca3Si3O9.

Его низкотемпературная модификация носит название волла-стонита и может существовать при температурах, не превышающих 1180°.

При более высоких температурах наблюдается перестройка кристаллической решетки и образование другой модификации — псевдоволластонита, в природе не образующейся. Как низший предел волластонита, можно считать температуру прямоточных паровых котлов, где в составе накипи образуется иногда волле-стонит. Необходимо отметить, что среди минералов известно много примеров полиморфизма. Так, кальцит СаСO3 кристаллизуется в тригональной сингонии, а  а р а г о н и т СаСО3 — в ромбической. Пирит (кубической сингонии) и марказит (ромбической сингонии) представляют полиморфные разности (модификации) двусернистого железа и имеют одинаковый химический состав — FeS2.

Прозрачный алмаз, имеющий твердость 10 и кристаллизующийся в кубической сингонии, и черный непрозрачный графит с твердостью 1, образующий табличатые кристаллы гексагональной сингонии, имеют одинаковый химический состав и представляют чистый углерод — С.

 Структура графита

Рис. 36. Структура графита. Графит имеет 2 сорта атомов (белые и черные кружки), которые различаются по своему значению в пространственной решетке

Полиморфизм объяснен, благодаря исследованию внутренней структуры ряда минералов рентгеновскими лучами, причем в полиморфных разностях установлено различное расположение атомов в пространстве. На рис. 19 и 36представлена атомная структура алмаза и графита. При сопоставлении этих схем делается понятной разница в физических свойствах этих минералов, зависящая от расположения в пространстве атомов углерода.

Исследования показали, что в пространственной решетке графита углеродные атомы расположены в углах правильных шестиугольников (рис. 36). Группы таких шестиугольников образуют плотные слои, сплошные плоскости, составляющие горизонтальные направления в решетке. В этих плоскостях расстояния между атомами углерода равны 1,42 Å. По вертикальному же направлению расстояния между ближайшими атомами гораздо больше и равны 3,41 Å. В результате этого связь атомов углерода по последнему направлению гораздо слабее, чем по всем остальным. Внешне это выражается в том, что графит легко расщепляется на отдельные такие чешуйки, соответствующие плоскостям спайности кристалла.

§ 7. ПАРАГЕНЕЗИС

Наблюдая распространение различных минералов в земной коре, можно заметить, что многие из них встречаются совместно в одних и тех же месторождениях и горных породах. Так, например, очень часто встречаются вместе: руды серебра и свинца, свинцовый блеск и цинковая обманка. Еще в средние века чешские, немецкие и шведские рудокопы обратили внимание на такое совместное нахождение некоторых минералов и стали при менять на практике собранные сведения, руководясь при поисках ценных руд и благородных металлов их «спутниками». В XVIII в., в наблюдениях над различиями минералов в жилах разного возраста, всеобъемлющий ум М. В. Ломоносова как бы предвосхищал представления о парагенезисе и о связи образования минералов с окружающей средой. Но только в середине 40-х годов XIX в. были сведены воедино накопившиеся за много лет наблюдения и впервые развито понятие парагенезиса минералов — учение о минеральных ассоциациях (совместном нахождении минералов в природе) и обо всех химических и геологических отношениях их к окружающей среде. Эти обобщения имели огромное значение для минералогии, в особенности для познания генезиса минералов.

Изучая естественные группировки минералов, можно установить не только способ образования отдельных членов такой ассоциации, но и последовательность их выделения, характер взаимодействия минеральных растворов с боковыми породами и т. д. Так, наблюдая кусок бурого железняка с остатками пирита внутри, можно заключить, что бурый железняк образовался из пирита путем его окисления. Пласты гипса часто встречаются совместно с пластами каменной соли, что приводит к заключению об образовании гипса в морских заливах и лагунах путем выделения из насыщенного раствора морских солей.

Ассоциации минералов настолько закономерны и постоянны, что иногда, всмотревшись в образец минерала из музейной коллекции, можно по парагенезису определить его месторождение.

Типичными примерами парагенезиса являются ассоциации минералов полиметаллических месторождений — цинковая опманка, свинцовый блеск (обычно серебросодержащий), медный колчедан и серебряные руды — или минералы пегматитовых жил, — ортоклаз, слюды, дымчатый горный хрусталь, топаз, аквамарин, турмалин. Эти минералы постоянно встречаются вместе и образуются при одинаковых условиях.

§ 8. ПСЕВДОМОРФОЗЫ

Псевдоморфозами («ложными формами» в буквальном переводе) называют образования одного минерала в форме ему не свойственной, представляющей точный слепок другого минерала или органического тела. Простейшим примером псевдоморфозы являются окаменелости, в которых органическое вещество животного или растения нацело замещается кальцитом, пиритом, баритом или халцедоном, сохраняя, однако, все самобытные особенности своей первоначальной формы.

Различают следующие виды псевдоморфоз:

1. Псевдоморфозы превращения первоначального минерала с сохранением части входивших в него элементов. Особенно типичны и распространены псевдоморфозы лимонита по пириту — кубики пирита, превратившегося в результате процессов окисления в лимонит. При этом последний,

будучи аморфным агрегатом, принимает форму кристаллов пирита, представляя точный его слепок.

Превращение пирита в лимонит начинается обычно с поверхности, постепенно распространяясь в глубину кристалла. Желтый, блестящий кристалл пирита покрывается бурой коркой лимонита но сохраняет свою форму; даже обычная для кубических граней пирита штриховка остается неприкосновенной.

К псевдоморфозам превращения относятся также псевдоморфозы малахита по азуриту, малахита по куприту или каолина по ортоклазу. В последнем случае моноклинные кристаллы ортоклаза, в результате выветривания, превратились в каолин, но сохранили типичную для них форму.

2. Псевдоморфозы вытеснения, когда первоначальное вещество всецело заменяется другим. Примером могут служить псевдоморфозы кварца по кальциту. Последний медленно растворялся и замещался кварцем, сохраняя неприкосновенной свою форму. Такие псевдоморфозы иногда бывают полыми.

К числу псевдоморфоз вытеснения принадлежат также окаменелости— псевдоморфозы кальцита, кварца, фосфорита или пирита по остаткам организмов, растительных или животных.

Наиболее известной псевдоморфозой этого типа является так называемое окаменелое дерево, псевдоморфоза опала или халцедона по дереву. При этом внутреннее клеточное строение древесины нередко сохраняется так хорошо, что его можно изучать под микроскопом при больших увеличениях.

Наряду с окаменелыми остатками растений встречаются псевдоморфозы по животным формам: раковинам моллюсков, панцырям ракообразных и пр.

Весьма часто образование таких псевдоморфоз протекает в связи с процессами восстановления некоторых растворимых солей металлов, например сернокислых солей железа углеродом, встречающимся в породах вместе с остатками организмов.

Нередко встречаются прекрасной сохранности раковины аммонитов и других моллюсков, превращенные в серный колчедан и особенно часто в фосфорит.

3. Третьим видом псевдоморфоз являются псевдоморфозы выполнения, когда пустота, оставшаяся в породе от растворившегося кристалла, в дальнейшем выполняется новым веществом, формирующимся в виде оболочек — корочек, отложившихся на поверхности какого-нибудь кристалла, впоследствии растворившегося и исчезнувшего.

§ 9. ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

На основании современных данных геофизики — науки о фи зических свойствах земли в целом и отдельных се участках (плот-

ность, упругость, электропроводность, радиоактивность, магнит-ность, температура и др.) можно считать установленным, что земной шар имеет неоднородное строение и сложен зонами с различными физическими свойствами. Наличие первоначально предполагавшейся жидкой зоны можно считать окончательно опровергнутой. Исследование глубокофокусных землетрясений указывает на твердое состояние на глубине, доходящей до 800 км и полностью исключает понятие об общности магматического резервуара, питающего вулканическую деятельность.

Схематически весь земной шар можно считать сложенным из центрального ядра, подкорового субстрата и «коры», как ее можно лишь условно назвать. Многие исследователи предполагают «металлическое» состояние ядра. Под термином «металлический» вовсе не следует считать ядро состоящим из металлического железа. «Металлическое состояние» подразумевает особое резко уплотненное состояние вещества, связанное с особенностью его атомного строения. Такое ядро обнаруживается на глубине 2900 км и простирается до центра земли. Выше его залегает зона с явно иными свойствами. Эта зона «подкорового субстрата» имеет свойства силикатной массы, соответствующей горной породе, называемой перидотитом, и сложена в основном соединениями, богатыми магнием и железом. Согласно принятой в геологии терминологии эта зона сима (от силиций и магний). Ее верхняя граница лежит на глубине 25—80 км в материковых областях. Она отчетливо обнаруживается геофизическими методами исследования и носит название поверхности разрыва Мохоровичича.

Выше залегает зона, называемая условно земной корой (литосферой). Она неоднородна по своим свойствам, причем ее верхняя часть называется гранитной, а нижняя базальтовой. Границы между этими зонами нерезки и свойства изменяются по меньшей мере три раза (413—650, 900 и 1800 км). Весь этот слой характеризуется значительным содержанием кремния и алюминия и получил название сиаль (силиций и алюминий).

8

7 9