II тип. Силикаты с кремнекислородными мотивами бесконечных размеров

1-

2- я группа. Цепочечные и ленточные силикаты. Это структуры с одномерными (бесконечными в одном измерении) цепочками (рис. 10, а, б) или лентами (рис. 10, в, г) из тетраэдров [вЮ ].

Рис. 10. Некоторые типы цепочечных и ленточных кремнекислородных радикалов бесконечных размеров [3]

Состав кремнекислородного мотива в структурах с бесконечны­ми радикалами определяется составом периода повторяемости этого мотива, заключенного в квадратные скобки. Очень распространены

минералы цепочечного строения, имеющие мотив [8Ю3]Г^ . например пироксены с общей формулой Ме2+[8Ю3]2~(минералы энстатит М§[8Ю3], диопсид Са1У^[8Ю3]2). Амфиболы имеют кремнекислород­ный мотив [814Оп]^Г и являются ленточными силикатами.

3- я группа. Слоистые силикаты. Это структуры с двухмерными слоями из тетраэдров [8Ю4]. Каждый тетраэдр соединяется тремя сво­ими вершинами с соседними тетраэдрами - образуются бесконечные

в двух измерениях слои - листы или сетки (рис.

а б

некислородный слой с комбинацией четырех- и восьмичленных колец; такую структуру имеет редкий природный минерал тоберморит.

4- я группа. Каркасные силикаты. Это силикаты с непрерывными трехмерными каркасами. Все 4 атома кислорода являются общими с атомами кислорода четырех соседних тетраэдров. Таким образом, сво­бодных валентностей не остается, на каждый кремний приходится по 2 атома кислорода, кремнекислородный мотив этой структуры - [8Ю2]и. Такой радикал имеют различные модификации кремнезема вЮ,,.

Кремнезем образует три главные модификации: кварц, тридимит и кристобалит, каждая из которых в свою очередь имеет несколько разновидностей - модификаций второго порядка: а- и Р-кварц, а-, Р- и у-тридимит, а- и Р-кристобалит[1]. Последовательность фазовых переходов (полиморфных превращений) удобно представить схемой (рис. 12).

Способ сцепления кремнекислородных тетраэдров во всех моди­фикациях кремнезема один и тот же (через вершины тетраэдров), но ори­ентировка и общая симметрия в расположении их различны. В целом упаковка ионов кислорода неплотная: в каркасах имеются «пустоты» между тетраэдрами. В низкотемпературных модификациях они облада­ют малыми размерами, а в высокотемпературных, более «рыхло» пост­роенных модификациях, они крупнее. В прямой зависимости от этого находятся плотности минералов, а также показатели преломления.

Превращения в пределах каждой формы происходят очень быст­ро, так как связаны с незначительными структурными изменениями. Например, при полиморфном переходе высокотемпературной моди­фикации кварца в низкотемпературную происходят небольшие смеще­ния центров кремнекислородных тетраэдров (рис. 13), в результате чего имеют место уплотнение решетки и понижение ее симметрии. При этом тип связи между тетраэдрическими группами не меняется. Напротив, превращения, происходящие между главными модификациями, относят­ся к реконструктивным превращениям во вторичной координационной сфере и происходят очень медленно (эти переходы значительно ускоря­ются в присутствии добавок-минерализаторов, например CaO, FeO).

Рис. 13. Кристаллические структуры: а - а-кварца; б - Р-кварца [1].

Показаны только ионы кремния, высотное положение которых отмечено различной степенью затененности кружков

Кроме группы кварца к каркасным силикатам принадлежат весь­ма широко распространенные и важные породообразующие минера­лы: полевые шпаты, нефелины, цеолиты и др., представляющие собой почти исключительно алюмосиликаты, т. е. такие соединения, в крис­таллических структурах которых участвуют анионные комплексы, со­стоящие не только из тетраэдров [вЮ ], но и из тетраэдров [А104]. При этом число ионов 814+, замещенных ионами А13+, не превышает полови­ны. Как правило, устанавливаются стехиометрические соотношения 81 : А1, равные либо 3:1, либо 1:1. Соотношение (81 + А1) : О в анион­

ных радикалах всегда составляет 1:2. Тетраэдры [БЮ4] и [А104] сочле­нены между собой в трехмерные каркасы точно таким же образом, как тетраэдры [БЮ4] в минералах группы кварца, т. е. каждая вершина любого тетраэдра является общей для другого, смежного, тетраэдра. Следует помнить, что при изоморфном замещении Бг1 на А13+ каркас приобретает отрицательный заряд. Для компенсации этого заряда в пустоты алюмосиликатного каркаса внедрены катионы металлов. Весьма характерно, что в числе катионов, занимающих полости в алю- мосиликатных каркасах, присутствуют только ионы, обладающие боль­шими ионными радиусами, соответственно, и большим координаци­онным числом: Ыа . Са2+, К+, Ва2+, Бг2 . Катионы малых размеров с ха­рактерной для них шестерной координацией: А^2+, Бе2+, Мп2+, А13+, Бе3+ и др., - в соединениях рассматриваемого подкласса отсутствуют со­вершенно (для компенсации заряда каркаса достаточно координаци­онного числа катиона, равного 8, иначе возникнет избыточный поло­жительный заряд).

Твердость минералов данного подкласса, в основном, колеблется между 5 и 6, т. е. уступает лишь силикатам с изолированными тетраэд­рами [Б104] (твердость кварца - 7). В алюмосиликатах нередко наблю­дается заметная и даже совершенная спайность по нескольким направ­лениям.

Глинистые минералы

Рис. 14. Пакеты глинистых минералов: а - двухслойные; б - трехслойные [4]

Все глинообразующие минералы - слоистые силикаты (рис. 14). Основным повторяющимся фрагментом глин являются двух- или трех­слойные пакеты из слоев кремнекислородных тетраэдров и алюмокис- лородных октаэдров [А106].

ду собой достаточно прочными водородными связями (между ОН од­ного пакета и О 2 другого), поэтому каолины (породы на основе каоли­нита) не склонны к набуханию, образуют более крупные частицы, ме­нее пластичны.

Трехслойный пакет (слюдяной, закрытый) (рис. 14, б) состоит из октаэдрического слоя, находящегося между тетраэдрическими слоями. Такую структуру имеют более сложные минералы - монтмориллони­ты и гидрослюды. В минералах с трехслойными пакетами очень рас­пространен изоморфизм: часто в тетраэдрических слоях 8Г4 заменяет­ся наА1+3 (т. е. вместо 1810 ) 4 появляются | А10 ) 3), а в октаэдрическом слое А1+3 заменяется на Х^+2, Те+2 и т. д. Отсюда такое многообразие глинистых минералов. В качестве примера могут служить Са-монтмориллонит - (Са,Х^)0 • А1203 • 4-58Ю2 • хН20 гидрослюда (иллит) - К.,0 • • 4А1203 • 78Ю2 • 2Н20

Трехслойные пакеты с обеих сторон заканчиваются сеткой из ионов кислорода, поэтому связь между пакетами слабая. Между паке­тами находится так называемая межпакетная вода, удерживаемая си­лами межмолекулярного притяжения. Присутствие межпакетной воды разрыхляет структуру минералов, увеличивает расстояние между па­кетами, создает возможность поглощения дополнительных молекул воды (набухание), что приводит к увеличению пластичности.

Наиболее распространенными глинистыми минералами являют­ся гидрослюды. В отличие от каолинита они имеют значительно более сложный состав (не только 81, А1, О, Н, но и Бе, М§, Са, Ыа. К и др.), поэтому гидрослюдистые глины часто окрашены, более легкоплавки (но и более пластичны).

Глины образовались в ходе выветривания горных пород (поле­вых шпатов, пегматитов, гранитов и т. д.). Упрощенно процесс можно представить в виде

Поэтому зерна кварца - самая распространенная примесь в гли- тх. Другие примеси - полевые шпаты, слюды, оксиды и гидроксиды келеза, известковые и гипсовые включения, пирит и другие минералы, I также органические примеси (древесина, торф, угли и др.).