Кристаллохимическая структура минералов, слагающих горные породы, и их устойчивость при выветривании

Кристаллохимическая структура минералов, слагающих горные породы, и их устойчивость при выветривании. Поведение различных горных пород при выветривании неодинаково.

Так, например, изверженные породы ультраосновного состава в зоне гипергенеза менее стойки, чем изверженные породы кислого состава. Устойчивость горных пород к выветриванию (при прочих равных условиях) определяется минеральным составом пород, точнее, устойчивостью слагающих их минералов.

Различная устойчивость минералов горных пород в значительной мере зависит от их кристаллохимического строения. Ионы, входящие в состав минерала, в процессе образования кристаллического вещества располагаются на определенных расстояниях в зависимости от своих энергетических показателей. Вокруг каждого иона как бы образуется сфера действия сил этого иона, куда не могут проникнуть другие ионы. Эта сфера имеет ничтожные размеры: ее радиус, получивший название ионного радиуса, обычно менее одного нанометра (нм)2.

1 Метасоматоз — процесс замещения одного минерала другим без изменения объема. Процесс протекает при участии сложных и недостаточно изученных физико-химических и химических реакций.

В качестве примера приведем значения ионных радиусов некоторых химических элементов (нм):

К+ ……………………………1,133

Ca 2+ …………………………0,104

Na + …………………………..0,097

Fe 2+……………………………0,080

Mg 2+…………………………..0,074

Fe 3+…………………………..0,067

Al 3+…………………………..0,057

Si 4+……………………………0,039

O 2-……………………………0,136

S 2-……………………………0,186

В соответствии с валентностью, ионным радиусом и некоторыми другими свойствами комбинирующихся ионов возникают различные кристаллохимические структуры, которые сказываются на устойчивости минералов при выветривании.

Рассмотрим кристаллохимическую структуру и устойчивость при выветривании основных породообразующих минералов.

Кварц — наиболее распространенный минерал земной коры; он содержится в изверженных, метаморфических и осадочных породах. Кристалло-химическая структура кварца состоит из сочетания четырех ионов кислорода, между которыми расположен ион кремния, обладающий небольшим ионным радиусом (рис. 2, а, б). Если соединить центры ионов кислорода, можно получить форму тетраэдра. Поэтому подобная группировка ионов получила наименование кремнекислородно-го тетраэдра. Кремнекислород-ные тетраэдры соединяются в сплошной каркас (рис. 2, в). Подобная кристаллохимическая структура кварца обусловливает его высокую устойчивость к процессам выветривания. Как правило, в коре выветривания зерна кварца остаются целыми или только коррелированными по периферии.

Кремнекислородные тетраэдры являются также важнейшей частью кристаллической структуры силикатов — минералов, составляющих основную массу горных пород. Сюда относятся

Рис. 2. Разные виды изображения комбинации из четырех ионов О2- и одного Si4+: a — условные изображения; б — с учетом размера ионного радиуса

полевые шпаты, слюды, пироксены, амфиболы и многие другие минералы.

Полевые шпаты образуют группу весьма распространенных породообразующих минералов (около 50% от массы всей земной коры). Их кристаллохимическая структура представляет собой сложный каркас, образованный кислородными тетраэдрами с ионами кремния и алюминия, расположенными внутри. Эти тетраэдры соединяются катионами щелочей (К+, Na+) и щелочно-земельных элементов — главным образом ионами кальция, имеющими относительно большие ионные радиусы. Образуется структура, подобная той, которая изображена на рис. 3, а.

Содержание щелочей и кальция в составе полевых шпатов закономерно изменяется, поэтому выделяются два изоморфных ряда. Первый ряд образуют калинатровые полевые шпаты, представителями которых являются хорошо известные минералы: моноклинный ортоклаз и триклинный микроклин. Химическая

Рис. 3.Типы кристаллохимических структур породообразующих минералов а — кремнекислородные тетраэдры, соединенные в трехмерный каркас (структура кварца), б — кремнекислородные тетраэдры, соединенные в плоские листы (структура слюд), в — кремнекислородные тетраэдры, соединенные в двойные цепочки (структура амфиболов), г — кремнекислородные тетраэдры, соединенные в цепочки (структура пироксенов)

формула их состава имеет вид K[AlSi3O8]. В квадратных скобках формулы выделены химические элементы, образующие кислородные тетраэдры. Второй ряд (плагиоклазы) представляет собой непрерывную изоморфную смесь двух конечных членов: альбита Na[AlSi3O8] и анортита Ca[Al2Si2O8]. Полевые шпаты неустойчивы в зоне гипергенеза. Особенно быстро разрушаются плагиоклазы с высоким содержанием анортитового компонента. Это связано с извлечением кальция из кристаллической структуры, в результате чего вся сложная каркасная структура разрушается.

Слюды составляют около 4% литосферы и содержатся во многих изверженных и метаморфических горных породах. Они обладают слоистой кристаллохимической структурой (рис. 3, б). Плоские слои кремнекислородных тетраэдров, обращенные вершинами друг к другу, связаны с ионами алюминия; с ионами алюминия также соединены гидроксильные группы. Так образуются трехслойные пакеты, соединенные между собой ионами калия. Представителем светлых слюд является мусковит KAl2(OH)2[AlSi3O10]. В большом количестве в горных породах также встречаются темные железомагнезиальные слюды типа биотита K(Mg, Fe)3(OH)2[AlSi3O10]. Слюды в процессе выветривания легко теряют ионы щелочей, которые соединяют трехслойные листы. Железомагнезиальные слюды менее устойчивы, чем светлые.

Пироксены и амфиболы весьма распространены в изверженных и метаморфических породах и составляют около 16% литосферы. Широко известным представителем пироксенов являются авгит и диопсид, амфиболов — роговая обманка. Кристал-лохимическая структура этих минералов обусловлена наличием цепочек кремнекислородных тетраэдров (рис. 3, в, г). Цепочки соединяются различными катионами (железа, алюминия, магния, кальция, натрия и калия). В целом пироксены менее устойчивы, чем амфиболы. Схематическая формула амфиболов R7[Si4O,1]2 (ОН)2, а пироксенов R2[Si2O6], где R — катионы одно-, двух- и трехвалентных металлов.

Минералы группы оливина в значительном количестве содержатся в ультраосновных и частично основных изверженных породах. Кристаллохимическая структура минералов этой группы характеризуется изолированными кремнекислородными тетраэдрами, которые соединяются ионами двухвалентного железа и магния. Формула оливина (Mg, Fe)2 [SiO4]. Минералы группы оливина в зоне гипергенеза чрезвычайно неустойчивы и быстро разрушаются.

Если расположить главнейшие породообразующие минералы по степени возрастания их устойчивости к процессам выветривания, то будет иметь место следующая последовательность, установленная американским исследователем С. Голдичем:

Итак, минералы с различной кристаллохимической структурой обладают неодинаковой устойчивостью к выветриванию. Наиболее легко разрушаются силикаты с изолированными кремнекислородными тетраэдрами (оливин). Более устойчивы минералы, имеющие цепочную структуру (амфиболы и пироксены). Довольно легко происходит преобразование железно-магнезиальных слюд. Устойчивость полевых шпатов зависит от их состава; кальциевые плагиоклазы выветриваются так же легко, как пироксены, а натриевые и калиевые полевые шпаты отличаются повышенной устойчивостью, так же как и светлые слюды. Однако наиболее устойчив кварц, кристаллохимическая структура которого состоит исключительно из кремнекислородных тетраэдров.

В зависимости от типа кристаллохимической структуры при одних и тех же географических условиях может происходить полное ее разрушение или частичное преобразование. Так, на пример,

при извлечении катионов, соединяющих кремнекислородные тетраэдры в оливине, происходит полное разрушение минерала. При выветривании слюд на первых стадиях этого процесса извлекаются катионы калия, которые соединяют плоские листы (пакеты), состоящие из кремнекислородных тетраэдров с расположенными между ними гидроксильными ионами и ионами алюминия. В результате имеет место не полное разрушение кристаллохимической структуры, а ее частичная перестройка, преобразование.