|
замещения
Изоморфные
минералы
1
обладают одинаковой
кристаллической структурой, т. е. пространствен-
ное расположение их атомов в основных струк-
турных ячейках оказывается идентичным, хотя
отдельные атомы могут полностью или частично
относиться к разным видам. Изоморфные мине-
ралы, обладая близкими химическими свойства-
ми, способны формировать изоморфные ряды,
в которых существуют промежуточные составы.
Например, минералы группы оливина представ-
ляют собой изоморфный ряд между форстери-
том Mg
2
SiO
4
и фаялитом Fe
2
SiO
4
. Форстерит и
фаялит являются соответственно магнезиальным
и железистым конечными членами ряда, и при-
родные оливины могут иметь составы с любым
отношением Mg к Fe. Состав оливина может, к
примеру, выражаться как (Mg
0,8
Fe
0,2
)
2
SiO
4
или
(Mg
0,67
Fe
0,33
)
2
SiO
4
. Подобные изоморфные серии
известны под названием
твердые растворы
в силу
того, что и Mg и Fe могут занимать один и тот же
узел в кристаллической структуре, а замещение
одного из них на другой часто происходит беспо-
рядочно. Общее представление о твердом растворе
можно получить по аналогии с жидким раство-
ром, в котором присутствуют соли двух металлов.
Металлические ионы беспорядочно распределены
в жидкости, а не находятся в ситуации, когда все
ионы какого-либо одного типа сконцентрированы
в одном месте. В твердом растворе ионы метал-
лов произвольно распределяются по имеющим-
Рис. 2.1 Схемы, иллюстрирующие, (а) твердый рас-
твор, в котором 15 атомов (закрашены) беспорядочно
распределены по 35 узлам; (б) упорядоченное
пространственное расположение, при котором 15
закрашенных атомов находятся в трех рядах узлов,
содержащих два типа упорядоченных катионов.
ся узлам. Противоположностью твердым раство-
рам является упорядоченное замещение атомов
(рис. 2.1).
Отнюдь не все изоструктурные минералы
образуют изоморфные ряды. Например, такие ми-
нералы, как галит NaCl, галенит PbS и периклаз
MgO, являются изоструктурными, но не создают
друг с другом ряды твердых растворов, так как
составляющие их атомы имеют разные размеры и
заряды.
2.2.1 Структурный контроль состава
минералов (размер и валентность)
Множество важных в геологическом отношении
минералов имеет структуры, которые предоста-
вляют большие возможности для атомных за-
мещений, тогда как некоторые другие минера-
лы характеризуются фиксированным химическим
составом. В регулировании атомных замещений
важную роль играют два фактора: размер ато-
мов (или ионов) и их формальный заряд, или ва-
лентность. Когда какой-либо элемент может иметь
ионы различной валентности, например Fe
2+
и
Fe
3+
, валентности всегда представляют собой це-
лые числа. С другой стороны, радиус иона зави-
сит от его координации. Как число координиру-
ющих ионов, так и их тип оказывают влияние на
размер радиуса, который способен изменяться (и
действительно изменяется) в определенных преде-
лах значений (см. разд. 1.5.2). Мы уже видели, что
кристаллические структуры можно характеризо-
вать числом фиксированных атомных узлов, как
катионных, так и анионных, которые имеют чет-
ко определенные координации. Поскольку в поро-
дообразующих минералах кислород резко преоб-
ладает над другими элементами, мы можем счи-
тать, что координация катионов задается кисло-
родом. В итоге мы имеем множество катионных
узлов, окружающих ионы кислорода. Чтобы кати-
он мог занять конкретный узел, он должен обла-
дать близким размером и аналогичным зарядом
с катионом, который это место обычно занима-
ет. На рис. 2.2 (см. также табл. 1.3) приведены
заряды и радиусы главных петрогенных катио-
нов. На этом же рисунке для них представлены
предпочтительные координационные числа; неко-
торые катионы могут находиться в двух или более
различных координациях. Ион Al
3+
встречается
в октаэдрической или тетраэдрической координа-
ции, но Si
4+
существует почти исключительно в
тетраэдрической координации. Такие крупные ка-
тионы, как K
+
и Ba
2+
, благодаря их размерам
и низким значениям формальных зарядов, име-
Рис. 2.2 Зависимость между зарядом иона и его номинальным радиусом для главных элемен-
тов, встречающихся в породообразующих минералах. Для катионов указаны координационные
числа 3, 4, би от 8 до 12 Следует отметить, что в карбонатном ионе СО
32-
углерод имеет
отрицательный ионный радиус.
ют непостоянную координацию, меняющуюся от
8 до 12.
2.2.2 Твердые растворы
В природе существует множество важных мине-
ралов, у которых широко развиты явления заме-
щения. Если замещающие атомы точно соответ-
ствуют замещаемым по заряду и размеру, то хи-
мический состав минерала изменяется непрерывно
во всем диапазоне составов. Двухвалентные ионы
Mg и Fe, находясь в октаэдрической координации
с кислородом, имеют радиусы 0,072 и 0,078 HM со-
ответственно. Эти значения настолько близки, что
между ионами возможно полное замещение, и в
результате они легко образуют твердые растворы.
Такие твердые растворы Mg/Fe
2+
свойственны не
только породообразующим минералам групп оли-
вина, граната, амфибола и пироксена, но встреча-
ются также в широком круге других минеральных
групп, например в карбонатах. Множество других
катионов обычно замещаются Fe
2+
и Mg, и мы вос-
пользуемся минералами группы кальцита, чтобы
показать степень развития (и ограничения) твер-
дых растворов.
Группа кальцита имеет общую формулу МСО
3
,
где M — двухвалентный катион в октаэдрической
координации (см. рис. 10.1). Минералы этой груп-
пы и ионные радиусы их катионов приведены в
табл. 2.1. В данном случае образование твердых
растворов происходит за счет замещения и беспо-
рядочного распределения катионов, находящихся
в октаэдрических узлах. Состав карбонатных ми-
нералов может варьировать в широких пределах.
Спектр составов, наблюдаемых в природе, зависит
от относительных размеров катионов, а также, ко-
нечно, от химического состава раствора, из кото-
рого минералы кристаллизовались. Среди минера-
Рис. 2.З Твердые растворы в системе сидерит—
родохрозит — магнезит Поле составов затушевано
лов группы кальцита широкое развитие твердых
растворов проявляется между родохрозитом и си-
деритом, а также между сидеритом и магнезитом.
В то же время только ограниченное число случа-
ев образования твердых растворов наблюдается
между родохрозитом и магнезитом, так как ион
Mn
2+
значительно крупнее иона Mg
2+
Область
развития твердых растворов, изображенная в ви-
де
Do'stlaringiz bilan baham: |
