Минералы кремнезема (SiO2)




Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Минералы кремнезема (SiO2)

Минералы кремнезема (SiO2)

19.08.2017


В этом разделе рассмотрены основные полиморфные модификации кремнезема: кварц, тридимит, кристобалит, коэсит и стишовит (рис. 1.84). Следует отметить, что в настоящее время известны и другие минералы кремнезема. Например, в конце XX века были сначала предсказаны на основе термодинамических принципов, а затем и синтезированы при давлениях более 500 кбар фазы кремнезема со структурами CaCl2 и a-PbO2.

Состав

Состав всех минералов группы кремнезема близок к SiO;. Для кварца магматических и высокотемпературных метаморфических пород характерны структурные примеси Al (до 1000 ppm и более), Ti (до 100 ppm и более) и Р. Для кварца высокотемпературных гидротермальных жил характерна структурная примесь Ge. Кварц средне- и низкотемпературных гидротермальных жил часто содержит структурные примеси Fe34. Будучи облученным, кварц с существенными примесями Al приобретает дымчатую до черной окраску, а кварц с существенными примесями Fe3+ приобретает аметистовую или цитриновую окраску. В качестве компенсаторов заряда при замещении Si4 <-> А13' выступают Na+, Li+, H+. Существенные примеси Al3+ и Na+ характерны для тридимита, изоструктурно го с нефелином.
Структуры минералов кремнезема

Структуры минералов кремнезема, кроме стишовита и более высокобарических фаз, образованы из кремнекислородных тетраэдров, составляющих трехмерный каркас. Поэтому минералы SiO2 относят к каркасным силикатам. Отличие минералов кремнезема определяется способами расположения тетраэдров, плотностью их упаковки и взаимной ориентировкой. Это отражается в симметрии минералов и их плотности (табл. 1.12).

В структуре кварца выделяются вытянутые вдоль оси с колонки тетраэдров с тригональным и гексагональным сечениями (рис. 1,85а,б). Колонки с тригональным сечением представляют собой винтовые цепочки тетраэдров. Колонки с более крупным гексагональным сечением образуются за счет соединения шести таких цепочек. В низкотемпературном а-кварце гексагональные колонки имеют тригональную симметрию (рис. 1.85а), тогда как в высокотемпературном в-кварце их сечение - правильный шестиугольник (рис. 1.856). Таким образом, структуры высокого и низкого кварца отличаются несущественно. Поэтому полиморфный переход а-кварц <-> Р-кварц при атмосферном давлении при 573°С (рис. 1.84) происходит кинетически легко. Напротив, кристаллические структуры высокотемпературных кварца, тридимита и кристобалита имеют существенные различия. Переходы между ними приводят к существенной перестройке кристаллической структуры. Поэтому эти переходы кинетически трудные, протекают медленно, с чем связано сохранение метастабильных тридимита и кристобалита в течение геологического времени.
Основой структуры тридимита (от греч. «тройной» в связи с частыми находками тройников кристаллов) являются шестичленные кольца, искаженные в разной степени. Эти кольца связаны между собой в слои общими атомами кислорода (рис. 1.85в). Каждый последующий слой является зеркальным отображением предыдущего.
В структуре кристобалита (название от месторождения Сан-Кристобаль в Мексике) кремнекислородные тетраэдры образуют сетки, подобные тридимитовым, соединяющиеся в каркас (рис. 1.85г). Ho в отличие от тридимита, соседние сетки смещены так, что под центром кольца оказывается тетраэдр. При этом основания тетраэдров, соединяющих сетки, оказываются развернутыми друг относительной друга на 180°. Взаимное расположение тетраэдров описывается кубической решеткой.
Koэсит (назван в честь Л. Коэса, синтезировавшего эту фазу) представляет собой высокобарическую моноклинную (C2/c) модификацию SiO2. Структурный мотив коэсита - кольца, сложенные четырьмя тетраэдрами. Кольца образуют цепочки вдоль оси с, которые в свою очередь слагают слои перпендикулярные оси b (рис. 1.85д).
Стишовит (назван в честь С. М. Стишова, впервые синтезировавшего эту фазу вместе с С.В. Поповой) представляет собой наиболее высокобарическую (плотность 4.28-4.35 г/см3) полиморфную модификацию SiO2, установленную в природных ассоциациях. Структура стишовита (структурный тип рутила P42/mnm) образована не тетраэдрами SiО4, как иные минералы кремнезема, а октаэдрам* SiO6, которые, соединяясь по ребрам, образуют колонки вдоль оси с (рис. 1.85е).
Оптические свойства и диагностические особенности в шлифах

Форма зерен кварца обычно неправильная. Идиоморфные кристаллы кварца в интрузивных и метаморфических породах редки, но часто слагают вкрапленники в эффузивных породах. Кварц оптически анизотропный, одноосный положительный. np = 1.543-1.545, ng = 1.552—1.554. Поскольку показатель преломления канадского бальзама близок к этим значениям, при одном николе кварц не выделяется на фоне канадского бальзама или натриевого плагиоклаза. В шлифах кварц бесцветен. Максимальное двулучепреломление 0.009 (максимальная окраска в скрещенных николях - бледно желтая), оптический рельеф низкий. По кварцу легко определить толщину шлифа. В деформированных породах для кварца характерно волнистое погасание.
Для тридимита характерны пластинчатые формы выделения. Тридимит, как правило, замещается кварцем.

Коэсит двуосный, положительный. Максимальное двулучепреломление 0.004-0.005, np=1.593-1.599, ng=l.597-1.604. Благодаря более высокому показателю преломления, в шлифах коэсит отличается от кварца более высоким рельефом и более низкими цветами интерференции. Важной особенностью, отличающей коэсит от других модификаций SiO2, является яркая голубовато-зеленая люминесценция при исследовании методом катодолюминесцентной микроскопии. Коэсит легко диагностируется методом спектроскопии комбинационного рассеяния (Рамановской спектроскопии).
Природные ассоциации

Кварц является одним из распространенных минералов земной коры, уступая лишь полевым шпатам. Парагенезисы кварца очень разнообразны. В интрузивных магматических породах кварц появляется в качестве второстепенного минерала в габброидах, распространен в кварцевых диоритах, является породообразующим минералом в гранитоидах и гранитных пегматитах. Широко известны закономерные прорастания кварца и полевых шпатов в гранитных пегматитах, носящие название «письменного гранита»; состав таких срастаний - великолепный индикатор давления при формировании пегматитов.
Кварц отсутствует в парагенезисе с магнезиальным оливином в ультраосновных и основных породах, поскольку реакции Mg2SiO4 + SiO2 = Mg2Si2O6 (форстерит + кварц = энстатит) резко смещена вправо. Однако кварц стабилен в ассоциации с железистым оливином (феррогортонолитом и фаялитом) в некоторых тинах богатых FeO гранитоидов (гранитах-рапакиви, чарнокитах). Ассоциаций кварца с недосыщенными SiO2 щелочными минералами (фельдшпатоидами), такими как нефелин, лейцит, гаюин, «запрещены», поскольку при реакциях этих минералов с кварцем образуются полевые шпаты. Кварц никогда не ассоциирует с мелилитом.
Кварц характерен для всех метаморфических фаций, начиная от слабо измененных осадочных пород до пород гранулитовой фации. Кварциты, состоящие более чем на 75% из кварца, развиты во всех метаморфических комплексах. Большая часть из них представляет собой метаморфизованные кварцевые песчаники, реже яшмоиды, в также продукты кислотного метасоматоза. Реакции с кварцем определяют стабильность таких минералов, как хлорит, мусковит, хлоритоид, ставролит, роговая обманка, биотит, обуславливая образование граната, кордиерита, силикатов глинозема, пироксенов, калиевого полевого шпата.
Вместе с тем существуют ассоциации метаморфических пород, в которых кварц не стабилен. К таковым относятся ассоциации высококальциевых высокотемпературных роговиков с такими минералами как спуррит, ранкинит, мелилит. Кварц чрезвычайно редок в ассоциации со шпинелью. Однако парагепезисы железистой шпинели (герцинита) с кварцем известны в породах гранулитовой фации метаморфизма и в роговиках пироксеновой фации. Эта ассоциация возникает в условиях высокотемпературного метаморфизма (>900°C), также как и редкие ассоциации корунда и сапфирина с кварцем.
Кварц - типичный минерал большинства метасоматических пород и гидротермальных жил. Мономинеральные кварцевые породы слагают тыловые зоны колонок кислотных метасоматитов, таких как грейзены, вторичные кварциты, гумбеиты, листвениты и березиты.
Трндимит и кристобалит характерны для вулканических пород и паралав - продуктов пирометаморфизма. Параморфозы кварца по тридимиту развиты в ксенолитах кремнекислых пород в базальтах, обнаружены в гранофирах малоглубинных интрузивов острова Скай (Шотландия) и Скергаардского плутона (Гренландия). Трндимит развит в геологически молодых липаритах, дацитах, трахитах (например, Зегенгебирге, Германия), андезитах (например, Сан-Кристобале, Мексика). Он встречен в метеоритах и породах Луны. Кристобалит развит в пустотах быстро остывших вулканических пород среднего и кремнекислого состава совместно с тридимитом, кварцем и санидином. Известны случаи образования в-кристобалита при воздействии базальтовой магмы на кварцсодержащие осадочные породы. Волокнистая разновидность а-кристобалита в виде сферолитов образуется при раскристаллизации кремнекислых вулканических стекол.
Коэсит - редкий минерал. Первая причина этого в том, что для его образования нужны давления не менее 28 кбар при Т > 600° С. Природный коэсит был впервые обнаружен в 1960 году в Аризонском метеоритном кратере, породы которого испытали воздействие высоких давлений при падении метеорита. Второй причиной редкости коэсита в природных ассоциациях является то, что при уменьшении давления он быстро превращается в кварц. Эксперименты показали, что скорость фазового перехода коэсит -> кварц при температурах 700-900°С крайне высока: для полного превращение зерен размером 5 мкм нужны часы, а 50 мкм - дни. Поэтому этот минерал может сохраниться только при быстром подъеме пород к поверхности и только в виде включений в прочных минералах, таких как гранат, циркон, рутил, способных сохранять высокое внутреннее давление во включениях. Однако при трансформации коэсита в кварц происходит заметное увеличение объема (мольный объем коэсита составляет 20.6 см3/молъ, а кварца - 22.7 см3/моль). Из-за этого минералы-хозяева включений коэсита начинают растрескиваться, вокруг включений коэсита образуются радиальные трещины. Именно по этому признаку а 1965 г. Б.В. Чесноков и В.А. Попов, изучая эклогиты Максютовского комплекса (Южный Урал), впервые предположили наличие коэсита в этих метаморфических породах. Однако коэсит тогда не был выявлен. Он был найден спустя почти 20 лет в 1984 году в виде включений в гранате пироповых кварцитов массива Дора-Майра (Северо-Итальянские Альпы) и в эклогитах Норвегии, Эти находки открыли новое направление в петрологии метаморфических пород - изучение комплексов сверхвысоких давлений (UНP комплексы, Ultra High Pressure). Такие комплексы свидетельствуют о том, что коровые породы могут погружаться до мантийных глубин и затем возвращаться обратно к поверхности. В настоящее время известно более 20 метаморфических комплексов, содержащих коэсит или псевдоморфозы кварца по коэситу, многие из этих комплексов являются алмазоносными.
Помимо метаморфических комплексов сверхвысоких давлений коэсит содержится в мантийных ксенолитах в некоторых кимберлитовых трубках и во включениях в алмазах. Впервые коэсит был идентифицирован в 1976 году Н.В. Соболевым с соавторами в алмазе совместно с омфацитом и гранатом из россыпей Сибирской платформы. Одновременно появились сообщения о находках коэсита в эклогатовых ксенолитах кимберлитовой трубки Робертс-Виктор (ЮАР). а данный момент включения коэсита установлены в алмазах прайм чески всех коренных и россыпных месторождений мира. Коэсит в алмазах сосуществует с минералами эклогитовых ассоциаций - кианитом, омфацитом и гранатом.
Стишовит впервые был найден в импактных породах Аризонского метеоритного кратера, США после того, как эта фаза была синтезирована советскими учеными С. М. Стишовым и С.В. Поповой при давлениях 115 кбар и 1300°С. Сейчас известно довольно много находок стишовита в импактных структурах. Наиболее крупные игольчатые кристаллы стишовита были описаны в астроблемах Вредефорт (Южная Африка) и Рис (Германия), где они образуются либо в планарных элементах диаплектового кварца, либо кристаллизуются из импактного расплава. Вне импактных структур стишовит пока не установлен. Тем не менее, изучение включений в так называемых "сверхглубинных алмазах" то есть алмазах, происхождение которых связывают с переходной зоной мантии или даже с нижней мантией, показало чрезвычайно широкое распространение среди них фазы SiO2. По разным химическим и кристаллохимическим признакам исследователи не исключают, что эта фаза представляла собой стишовит. Появление этой фазы в нижней мантии Земли может быть связано либо с реакцией разложения рингвудита (Mg5Fe)2SiO4 -> 2(Mg,Fe)О+SiО2 на границе переходной зоны и нижней мантии Земли на глубинах 660-670 км, либо с реакцией разложения силикатного Mg-Fe перов-скита (Mg,Fe)SiO3 -> (Mg,Fe)O+Si02 на еще больших глубинах в нижней мантии Земли.