Типы физико-химического изменения индивидов

 

1. Химическое изменение индивидов и генезис псевдоморфоз

Псевдоморфозы – это продукты химического и физического изменения индивидов, а также агрегатов протоминералов (первичных минералов) с сохранением их формы и обычно размеров. Самым существенным в явлении псевдоморфизации считается изменение содержания при сохранении формы протоминерала. Под «формой» понимаются внешние пространственные ограничения кристалла или зерна, а под «содержанием» - химический состав, тип упаковки атомов или молекул в твердой фазе и анатомия индивидов.

При процессе замещения новые минералы локализуются только внутри протоминерала. Например, псевдоморфозы касситерита по кварцу в гидротермальных месторождениях; меди – по железным предметам, погруженным в рудничные сульфатные кислые воды (этот метод применяется для улавливания из рудничных вод меди). Псевдоморфозы образуются вследствие взаимодействия привнесенных компонентов новообразующегося минерала с кристаллической структурой замещаемого минерала. Это снижает энергию активации осаждения нового минерала из раствора, поэтому новый минерал образуется только на месте прежнего, как на затравке.

В тех случаях, когда не происходит обмен компонентами между кристаллом и окружающим раствором, определяющими являются температура и давление. Примеры такого замещения – полиморфные превращения (псевдоморфозы высокотемпературного β-кварца в низкотемпературный α-кварц) и распад твердых растворов (альбит по ортоклазу – псевдоморфозы распада).

По происхождению псевдоморфозы могут быть синхронными и асинхронными. Синхронные: изменение протоминерала происходит одновременно (синхронно) с образованием нового минерала. Асинхронные («слепки»): протоминерал растворяется целиком и возникает «пустота». Позднее, в связи с другим процессом минералообразования, эти пустотки будут заполнены новыми минералами, и возникнет псевдоморфоза заполнения. Кроме того, выделяют псевдоморфозы стеклования: кристалл → стекло, то есть переход из кристаллического состояния в стеклообразное.

2. Замещение с переотложением вещества

Кроме псевдоморфизации встречаются явления замещения с переотложением новообразованного вещества. Реакция замещения идет так, что объем новообразования превышает объем первичного индивида или агрегата. Поэтому новые продукты не только заполняют весь объем протоминерала, но и отлагаются за его пределами, то есть переотлагаются. В этом случае, объем и форма протоминерала не сохраняется.

Явления замещения, сопровождающиеся переотложением вещества новообразований, в природе широко распространены. В случае широкомасштабного метасоматоза, обусловливающего приток флюидов, и явлений замещения происходят не только изменения больших объемов горных пород, но возникновение крупнейших месторождений полезных ископаемых.

3. Перекристаллизация индивидов.

Изменение физико-химических параметров среды может вызвать изменение минерала, например, его перекристаллизацию. Перекристаллизация (повторная кристаллизация) индивидов – явление роста одних частей индивида за счет вещества других его частей без существенного привноса вещества извне. Исходный индивид и преобразованный – кристаллы. Процесс перекристаллизации может идти по-разному.

Рекристаллизация: образование за счет крупных индивидов более мелких, то есть грануляция минерала. Одним из «пусковых» факторов рекристаллизации является деформация горных пород. Рекристаллизация затрагивает деформированные индивиды, то есть путем рекристаллизации снимаются деформационные напряжения. После рекристаллизации может наступить стадия перекристаллизации агрегатов с укрупнением зерен.

Перекристаллизация при стрессовом сдавливании. Кристалл под влиянием направленного давления одновременно может растворяться со стороны приложения давления и расти за счет освобождающегося вещества с противоположных сторон (принцип Бекке), то есть подвергаться перекристаллизации с изменением формы. В природе такая перекристаллизация происходит в условиях динамометаморфизма и при наличии вокруг кристалла необходимого растворителя.

Раскристаллизация – образование минерала за счет аморфного, некристаллического вещества (за счет коллоидов и т.д.).

Онтогенетические данные придают генетической минералогии высокую степень достоверности. Кроме того, выясняя условия и процессы образования составных частей руд и горных пород, онтогения объясняет и предсказывает их практическое использование.

 

ФИЛОГЕНИЯ МИНЕРАЛОВ

 

Филогения – учение о формировании минеральных ассоциаций (агрегатов), суперагрегатов, парагенезисов, то есть минеральных тел.

Понятие об агрегатах и их росте

 

В природе отдельные кристаллы встречаются редко. Более распространены их различные срастания - агрегаты. Минеральный агрегат есть совокупность соприкасающихся минеральных индивидов, жёстко закреплённых друг относительно друга в пространстве. Простые минеральные агрегаты состоят из синхронно выросших индивидов. Сложные минеральные агрегаты - из синхронно и последовательно выросших агрегатов. Структура минерального агрегата (его строение) определяются формой, размерами и взаимными отношениями слагающих его индивидов. Текстура минерального агрегата (термин имеет двойную смысловую нагрузку) - в минералогии, кристаллохимии и материаловедении - направление кристаллографической ориентировки слагающих его индивидов; в петрографии и учении о полезных ископаемых - иное, известное Вам.

Монокристальный индивид (в том числе кристалл с дислокациями и скелетный кристалл) представляют собой кристаллическое пространство, которое можно "обойти", оперируя законами пространственной решётки. Из одного индивида в другой нельзя перейти по соображениям симметрии, но и потому, что индивиды ограничены поверхностью раздела - дислокационной границей или другим нарушением непрерывности. Расщепляющийся в сферолит кристалл является до тех пор "индивидом" = сферокристаллом, пока все слагающие его лучи связаны непрерывно в одно целое, позволяя обойти (хотя и с повторением хода) весь индивид. Как только в результате расщепления отдельные участки кристалла полностью отграничатся пространственно от остальных частей, он превращается в агрегат - сферолит.

В качестве критерия для выделения минерального агрегата принимается пространственная обособленность и структурно-текстурное равенство слагающих агрегат индивидов. Связь индивид - агрегат относительная, они относятся один к другому как часть к целому. Любой агрегат состоит из индивидов минералов и, в тоже время, является составной частью агрегата более высокого порядка, выступая в нём как индивид. То есть агрегаты - это надкристаллические формы организации вещества.

Форма минеральных агрегатов в значительной степени зависит от размера индивидов. Минеральные агрегаты (МА) зернистые - крупно-, средне-, мелкозернистые и плотные = тонкозернистые. Минеральные агрегаты параллельно-шестоватые, лучистые, радиально-лучистые, листоватые, концентрические, сферолитовые. Скопления сферолитов или оолитов МА - оолитовые, пизолитовые, сферолитовые агрегаты. В трещинах горных пород и на их поверхности часто развиты древовидные - дендритовые поликристаллические МА. В открытых полостях - сталактитовые, гроздевидные, почковидные МА.

Рост минеральных агрегатов

Минеральные агрегаты, как и индивиды минералов, проходят стадии зарождения, роста и изменения.

Ортотропизм – рост кристаллов преимущественно в направлении, перпендикулярном к плоскости или линии его зарождения. Причина ортотропизма чисто геометрическая: кристаллы растут произвольно в стороны только до тех пор, пока не приходят в соприкосновение друг с другом. В дальнейшем в ходе геометрического отбора выживают те их них, для которых направление максимальной скорости роста расположено перпендикулярно к субстрату. В конечном итоге после геометрического отбора остаются индивиды, образующие параллельно-шестоватые агрегаты, рост которых может продолжаться бесконечно. Стадии роста - отдельными кристаллами, друзовая, параллельно-шестоватые агрегаты. Процесс образования друз - не завершённый процесс заполнения пространства кристаллами. Рост может остановиться на любой стадии.

При росте на неровной поверхности субстрата тенденция к геометрическому отбору увеличивается как за счёт отсутствия преимущественной ориентировки зародышей, так и за счёт неодинакового их расположения в пространстве, благодаря чему более высоко расположенные зародыши оказываются в более выгодном положении.

Образованные таким образом параллельно-шестоватые агрегаты 1 типа по Д.П. Григорьеву - агрегаты возникшие в условиях относительно свободного роста на подложке - субстрате (в расплавах, в растворах) в полостях, когда скорость роста минерального агрегата меньше скорости раскрытия этой полости. Способ питания растущих кристаллов со стороны их головок. Рост обычно симметричный по обеим сторонам жильной трещины.

Итак, признаки параллельно-шестоватых агрегатов 1 типа: в основании зона геометрического отбора; одинаковая ориентировка кристаллов в параллельно-шестоватой зоне, то есть в направлении наибольшей скорости роста; эта зона покрыта выставляющимися из агрегата головками кристаллов - у кварца это вершины ромбоэдров.

Выявление зон геометрического отбора важно, поскольку становится ясен механизм роста данного минерального агрегата (кристаллизация в открытом пространстве) и направление роста минерального агрегата, то есть последовательность кристаллизации.

Обычно рост происходит при пассивном взаимодействии с подложкой - субстратом. Рост друз при активном взаимодействии с кристаллическим субстратом хорошо изучен на примере кварца, выросшего на подложке халцедона. Мы его уже рассматривали - первый "слой" кристаллов кварца лежит на сферолитах халцедона. При дальнейшем росте с учётом геометрического отбора = борьбы за пространство вырастают кристаллы кварца из зазоров, щелей между сферолитами. Далее стандартная картина. Ещё пример - ориентированное нарастание кварца на кристаллы щелочного полевого шпата.

Иной тип - параллельно-шестоватые агрегаты 2 типа по Д.П. Григорьеву. Это агрегаты без закономерной кристаллографической ориентировки шестиков кристаллов относительно их удлинения. Они образуются в условиях стеснённой кристаллизации без явлений геометрического отбора. Здесь скорость приоткрывания трещин меньше скорости роста кристаллов по любому кристаллографическому направлению. Приоткрывание возникшей трещины происходит постепенно мелкими толчками с амплитудой в десятые - сотые доли мм, что фиксируется иногда слоями включений в кристаллах. По этой причине каждый кристалл, не зависимо от его ориентировки, успевает подрасти любым своим кристаллографическим направлением вслед за отодвигающейся стенкой трещины. Нет геометрического отбора, нет и головок кристаллов. Необходимые условия медленного раздвигания стенок трещины чаще создаются не вследствие тектонических подвижек, а как результат кристаллизационного давления растущих кристаллов. Следовательно, питание растущих кристаллов происходит за счёт растворов по порам и микротрещинам.

В процессе заполнения жильных трещин параллельно-шестоватые агрегаты 2 типа обычно отвечают ранней стадии. Нередко агрегаты 1 и 2 типа чередуются в объёме жил.

Сколь угодно широко развиты также агрегаты массивные, то есть без предпочтительной, в том числе без параллельной, ориентировки индивидов. В таких агрегатах естественно отсутствуют явления геометрического отбора.
Достаточно широко распространены агрегаты нитевидных кристаллов. Нитевидные кристаллы часто вырастают на пористом основании, которое и является источником питания (отверстия микропор).

Кристаллы растут основанием. На ровном пористом основании образуются параллельно-волокнистые агрегаты, в которых все волокна перпендикулярны поверхности породы - подложки. Встречаются следующие типы агрегатов нитевидных кристаллов: агрегаты прямых нитевидных кристаллов одинаковой длины - корки постоянной толщины или цилиндры; агрегаты прямых нитевидных кристаллов различной длины - бугры, обособленные конусы среди сплошных корок; агрегаты расщеплённых нитевидных кристаллов, расщеплённых в центре - где скорость роста больше - пучки нитевидных кристаллов изгибаются от центра к периферии во все стороны, формируя антолиты (или антодиты); расщеплённые агрегаты нитевидных кристаллов вдоль определённой плоскости, в обе стороны от которой происходит загибание пучков нитей, причём в одних случаях длина нитей постоянна, в других длина нитей постепенно меняется, - агрегат изгибается в сторону, растущую с минимальной скоростью; расщеплённый агрегат изогнут в одном направлении, волокна, хотя и изогнуты, лежат в одной плоскости, в пределе форма агрегата - дуга, спираль, кольцо.

Границы и форма кристаллов в минеральных агрегатах
Во всяком поликристаллическом материале существуют границы, разделяющие соседние зёрна. На границах концентрируются структурные дефекты, это участки с более высокой энергией. Поэтому существует «движущая сила», которая стремится уменьшить поверхность границ и соответственно вызывает их движение. Кроме того, вдоль границ зёрен в минеральных агрегатах концентрируются флюидные включения, адсорбированные вещества и т.п. Коэффициенты диффузии на границах зёрен на несколько порядков выше, чем внутри зерна, а энергия активации примерно в два раза ниже. Образно говоря, границы зёрен – это дренажная система минеральных агрегатов.