Полевые шпаты минералов

Классификация и характеристика минералов группы полевых шпатов. По каким признакам можно отличить калиевые полевые шпаты от плагиоклазов. Их распространенность в природе и практическое значение

Полевые шпаты (ПШ), важнейшее семейство породообразующих минералов; слагают примерно 60% объема земной коры (до 50% ее массы). Название происходит от шведских слов feldt, или fält – поле и spar, или spat – шпат (шведские крестьяне часто находили на своих полях куски шпата).

А также связано с греческим «спате» – пластина, из-за способности раскалываться на пластины по спайности.

ПШ являются алюмосиликатами калия, натрия, кальция, реже бария, очень редко стронция или бора и редчайшие шпаты экзотического состава – бадингтонит (NH₄ ) AlSi₃ O₈ ×0,5H₂ O, рубиклин Rb(AlSi₃ O₈ ), и Ва-Sr состава. Состав ПШ можно выразить общей формулой АВ₄ О₈ , А= К, Na, Ca, иногда Ba, в небольших количествах Rb, Cs, Li, Sr; Pb; Mg(Ti); B= Si Al, в небольшой мере Fe³⁺ , Ti, B. Таким образом, большинство ПШ являются представителями тройной системы K[ALSi₃ O₈ ] (Or) – Na[ALSi₃ O₈ ] (Ab) – Ca[Al₂ Si₃ O₈ ] (An), в которой намечаются два изоморфных ряда: 1) альбит (Ab) – ортоклаз (Or), 2) альбит (Ab) – анортит (An).

При высоких температурах существуют непрерывные ряды твердых растворов в пределах каждой серии (см. рис.). Среди плагиоклазов различают (в скобках указано содержание CaAl₂ Si₂ O₈ в мол.%): альбит (0–10), олигоклаз (10–30), андезин (30–50), лабрадор (50–70), битовнит (70–90) и анортит (90–100). Среди щелочных ПШ выделяют (в скобках указано содержание NaAlSi₃ O₈ в мол.%): санидин (0–63), ортоклаз (O), микроклин (О), представляющие собой полиморфные модификации KAlSi₃ O₈ , и анортоклаз (63–90).

Основа кристаллическая структуры ПШ-трехмерный каркас, построенный из тетраэдров SiO₄ и AlO₄ , связанных между собой вершинами. Тетраэдры в каркасе сочленяются таким образом, что образуют четырехчленные кольца, которые в свою очередь объединяются в коленчато-зигзагообразные цепочки, вытянутые параллельно кристаллографические оси а. Между соседними цепочками имеются крупные полости, в которых располагаются катион-щелочных или щелочноземельных металлов. координированные в зависимости от их размера с девятью (в случае К) или шестью-семью (Na, Ca) ионами кислорода.

Симметрия структуры с катионами Na⁺ и Ca²⁺ триклинная. Калиевые полевые шпаты могут быть как триклинными (микроклин), так и моноклинными (санидин, ортоклаз). В зависимости от расположения атомов Al и Si по возможным тетраэдрическим позициям КПШ бывают упорядоченными (определенные позиции заняты только атомами Al, разупорядоченными (атомы Al и Si распределены статистически) и с промежуточной степенью упорядоченности. Разупорядоченные ПШ, как правило, высокотемпературные, упорядоченные – низкотемпературные.

Температура плавления чистого KAlSi₃ O₈ при атмосферном давлении 1150⁰ C. Чистые альбит NaAlSi₃ O₈ и анортит CaAl₂ Si₃ O₈ при давлении 10⁵ Па плавятся при 1118 и 1550⁰ C соответственно. В присутствии H₂ O при повышении давления температура плавления ПШ понижается, и при 5–10⁸ Па альбит, например, плавится при 750⁰ C, анортит – при 1225⁰ C. Кристаллизующийся плагиоклаз всегда содержит больше ионов Ca^{2 +} , чем жидкость, с которой он находится в равновесии.

Среди ПШ выделяют две главные группы: 1) калевые полевые шпаты (КПШ), к которым наряду с ортоклазом и микроклином относят санидин (K, Na) [AlSi₃ O₈ ], 2) натрий-кальциевые ПШ – плагиоклазы (альбит, олигоклаз, андезин, лабрадор, битовнит, анортит).

Особое место среди ПШ занимают редкие в природе члены ряда Or-Cn (Ba[Al₂ Si₂ O₈ ] – цельзиан).

Физические свойства ПШ также сходны. Все они имеют совершенную спайность в двух направлениях (параллельных базальному и боковому пинакоидам, образующими прямой или близкий к прямому угол), одинаковую твердость 6, плотность от 2,55 до 2,76 (у бариевых полевых шпатов – до 3,1–3,4). Два очень редких ПШ – бариевый банальсит и стронциевый строналсит – имеют ромбическую сингонию. ПШ – главные породообразующие минералы большинства изверженных горных пород (кроме ультраосновных, пироксенитов и некоторых щелочных пород), а также многих метаморфических пород (гнейсов и др.). Тип и состав ПШ в значительной мере определяют название породы. ПШ слагают большую часть объема пегматитов и могут встречаться в гидротермальных жильных месторождениях. Они подвержены выветриванию (химическому воздействию атмосферных агентов и просачивающихся грунтовых вод), приводящему к разложению полевых шпатов с образованием разных глинистых минералов.

Спайность под прямым углом дала имя моноклинному ПШ ортоклазу (греч. – «прямо колющийся») – алюмосиликату калия KAlSi₃ O₈ . Хотя ортоклаз чаще всего встречается в виде неправильных зерен в изверженных горных породах, он может образовывать таблитчатые кристаллы с наиболее развитой гранью, параллельной боковому пинакоиду. Довольно часто отмечаются двойники, особенно карлсбадского типа, с поворотом вокруг двойниковой оси с (вертикальной) и плоскостью срастания по боковому пинакоиду. Окраска обычно светлая, чаще всего белая, нередко от розовой до красной (из-за рассеянных частиц гематита), иногда желтоватая или серая. Ортоклаз отличается самой низкой плотностью среди ПШ – 2,55–2,56. Бесцветная, просвечивающая или прозрачная разновидность ортоклаза в виде кристаллов, имеющих сходство с ромбоэдрами, известна как адуляр; если у него наблюдается нежно-голубая иризация, то его называют лунным камнем.

Стекловидный санидин KAlSi₃ O₈ встречается в виде вкрапленников в риолитах и других кислых излившихся горных породах, очень часто в трахитах, а также в некоторых малоглубинных калиевых щелочных интрузивных породах типа сынныритов (названы по Сыннырскому массиву в Северном Прибайкалье). Самая типичная обстановка нахождения ортоклаза – гранит, который может содержать до 60% этого минерала (однополевошпатовый гранит). В граните вместо ортоклаза часто присутствует триклинный КПШ микроклин. К другим интрузивным породам со значительным участием ортоклаза относятся гранодиорит и сиенит. Эффузивные аналоги кислых интрузивных пород – риолит, дацит и трахит – также содержат ортоклаз, хотя нередко он там замещен санидином. Кроме того, ортоклаз присутствует в гнейсах, мигматитах и других породах высокой степени метаморфизма, образовавшихся с участием гранитизации. Он может появляться в качестве жильного минерала в гидротермальных жилах, особенно высокотемпературных. Наконец, ортоклаз встречается в полевошпатовых песчаниках (аркозах), при формировании которых песчинки накапливались так быстро, что разрушение полевого шпата с образованием глинистых минералов не происходило.

Микроклин представляет собой триклинный КПШ с той же формулой, что и у ортоклаза, – KAlSi₃ O₈ . Натрий может частично замещать калий (но в меньшей пропорции, чем в ортоклазе). Высокотемпературный триклинный щелочной ПШ, в котором натрия больше, чем калия, называется анортоклазом (Na, K) AlSi₃ O₈ ; он характерен для некоторых богатых натрием эффузивных, реже интрузивных, щелочных пород. По своим физическим свойствам, включая характер двойникования, анортоклаз очень похож на микроклин. Хотя микроклин и является триклинным, отклонение оси b от направления 90 составляет всего 30, так что различия угла спайности у микроклина и ортоклаза недостаточны для визуальной дифференциации этих минералов. Кроме карлсбадского и других простых двойников, свойственных ортоклазу, микроклин может быть полисинтетически сдвойникован по альбитовому закону, когда боковой пинакоид является одновременно двойниковой плоскостью и плоскостью срастания, и по периклиновому закону, когда двойниковой осью служит ось b. Пересечение этих двух серий двойниковых полосок почти под прямым углом создает эффект «решетки» при наблюдении микроклина под микроскопом в поляризованном свете. Однако решетчатыми являются лишь т.н. максимальные микроклины, характеризующиеся наибольшей степенью структурной упорядоченности. Цвет микроклина в основном белый, часто от розового до красного (из-за гематитовой «пыли»), серый (в редкометалльных пегматитах – до темно-серого), а иногда зеленый (амазонит).

Закономерные взаимопрорастания кварца и ПШ (обычно микроклина) называют письменным гранитом, или еврейским камнем, так как по форме вростков кварца он напоминает иудейские письмена. Ориентированные срастания микроклина и натриевого полевого шпата альбита, образующего в микроклине пластинчатые вростки, называются пертитом. Микроклин встречается в изверженных породах вместо ортоклаза или наряду с ним. Это преобладающий полевой шпат и вместе с тем самый распространенный минерал гранитных пегматитов, в которых его отдельные кристаллы могут достигать нескольких метров в поперечнике (например, из кристалла, найденного в Карелии, получили более 2000 т полевошпатового сырья, т.е. его объем составлял ~80 м³ ). Амазонит, используемый как декоративно-поделочный камень, добывается в США (близ Флориссанта, Колорадо), в России (на Урале, Кольском п-ове и в Забайкалье), на Мадагаскаре. Калиево-натриевые полевые шпаты – ортоклаз, микроклин, санидин, анортоклаз, а также альбит – часто называют щелочными. Они составляют одну из главных групп в семействе полевых шпатов.

Другая группа ПШ – плагиоклазы (триклинные натриево-кальциевые полевые шпаты) – образует непрерывный ряд от натриевого плагиоклаза альбита NaAlSi₃ O₈ до известкового (кальциевого) плагиоклаза анортита CaAl₂ Si₂ O₈ . Плагиоклазы несколько тяжелее, чем калиевые полевые шпаты, их плотность возрастает от 2,62 (альбит) до 2,76 (анортит). Угол между направлениями спайности по базальному и боковому пинакоидам у альбита 93, а у анорита – 94. Плагиоклазы почти всегда сдвойникованы по альбитовому закону. Поскольку это двойникование повторяется многократно в каждом отдельном образце (полисинтетические двойники), плоскости базальной спайности плагиоклазов покрыты параллельными штрихами, которые представляют собой следы выхода на поверхность двойниковых швов и контактов между сдвойникованными индивидами.

Плагиоклазы обычно подразделяются на шесть минеральных видов, но границы между ними условные. Классификация основана на соотношении между чистой альбитовой (Ab) молекулой (NaAlSi₃ O₈ ) и чистой анортитовой (An) молекулой (CaAl₂ Si₂ O₈ ). Самый распространенный минерал среди плагиоклазов – альбит; его состав (в мол.%) 100–90% Ab и 0–10% An. Он встречается вместе с другими щелочными полевыми шпатами в щелочных гранитах и риолитах, щелочных сиенитах и трахитах. Весьма распространен в виде пертитовых срастаний с микроклином в гранитных и сиенитовых пегматитах, а также в прожилках и телах замещения в пегматитах. В таких условиях альбит образует либо таблитчатые и крупнопластинчатые розетковидные агрегаты, часто нежно-голубого цвета, называемые клевеландитом, либо массивные мелкозернистые агрегаты «сахаровидного» альбита. Подобно ортоклазу, альбит и следующий член ряда – олигоклаз – могут иногда проявлять переливчатость цвета (молочно-белую и голубоватую иризацию), хотя и более слабую; тогда его называют лунным камнем. Альбит весьма распространен в зеленых сланцах – метаморфических породах низкой ступени метаморфизма. Олигоклаз содержит 70–90% Ab и 10–30% An и наряду с андезином, следующим членом ряда плагиоклазов, является главным компонентом изверженных пород кислого и среднего состава, в том числе гранитов, гранодиоритов, монцонитов, сиенитов, диоритов и их эффузивных аналогов. Олигоклаз с включениями гематита, придающего ему мерцающий блеск, называют солнечным камнем (бывают также альбитовые, ортоклазовые, микроклиновые солнечные камни). Олигоклазовый лунный камень носит название беломорит. Следующий член плагиоклазового ряда, содержащий 50–70% Ab, в изобилии присутствует в андезитовых лавах в Андах и потому назван андезином. Основной (богатый кальцием) плагиоклаз, содержащий 50–70% An, получил название лабрадорита по месту первой находки минерала на п-ове Лабрадор (Канада), где содержащие его породы (анортозиты) залегают в виде крупных массивов. Спайные плоскости лабрадорита проявляют очень красивую иризацию. Лабрадорит – единственный существенный компонент горной породы, именуемой анортозитом, а также главный (наряду с пироксенами) породообразующий минерал других видов основных изверженных пород, включая габбро и базальты. Битовнит (70–90% An) и анортит (90–100% An) относительно редки. Они могут встречаться совместно с лабрадоритом или порознь в основных изверженных породах.

Щелочные ПШ, особенно калиевые, в меньшей степени альбит, широко используются в промышленности. Их источником служат пегматиты, преимущественно керамические и слюдоносные, отчасти редкометалльные, из которых иногда извлекают также слюду, реже берилл, колумбит и другие ценные минералы.

КПШ – необходимый ингредиент тонкой керамики и электрокерамики, так как входит в состав фарфоровой шихты, широко потребляется стекольно-керамической промышленностью, в производстве фарфоровых изделий (включая сами изделия и глазури), а также эмалей. Полевые шпаты добываются в США, Канаде, Швеции, Норвегии, Финляндии, Германии, Чехии, Италии, Китае и других странах. В России добыча калиевого полевого шпата сосредоточена в основном в Карелии и на Кольском п-ове; альбит для стекольной промышленности добывается также на Урале. Лунный и солнечный камни, амазонит и редко встречающийся прозрачный желтый железистый ортоклаз из пегматитов Мадагаскара – ювелирно-поделочные камни.

Условия образования, минеральный состав и практическое значение гранитных пегматитов

Пегматиты (франц. pegmatite, от греч. pégma, родительный падеж pégmatos – скрепление, связь, нечто сплочённое), изверженные, преимущественно жильные породы, обладающие следующими свойствами и особенностями: крупными размерами слагающих минералов; повышенным содержанием минералов, содержащих легколетучие компоненты – воду, фтор, хлор, бром и др.; сложным и разнообразным минеральным составом, в котором наряду с главными минералами, общими для пегматитов и материнских пород, значительное место занимают минералы редких и рассеянных элементов, таких, как Li, Rb, Cs, Be, Nb, Ta, Zr, Hf, Th, U, Sc и др.; наличием большого количества минералов, образующихся в процессе метасоматического замещения и гидролиза полевых шпатов. Концентрация легколетучих, редких и рассеянных элементов в П. иногда в сотни и тысячи раз больше, чем в соответствующих материнских породах.

Термин «пегматит» был впервые введён в 1801 французским учёным Р.Ж. Аюи для обозначения письменного гранита, или, одной из структурных разновидностей пегматита – еврейского камня, который очень часто встречается в пегматитах.

Большее распространение и практическое значение имеют гранитные пегматиты, генетически связанные с интрузией гранитов. Среди них выделяют несколько типов. Слюдяные пегматиты образуются на больших глубинах (свыше 6 км) и состоят из плагиоклаза, микроклина, кварца, мусковита, биотита, чёрного турмалина, апатита, берилла; сравнительно с др. пегматитами они бедны минеральными видами и служат источником получения листового мусковита, керамических материалов – микроклина и кварца.

Редкометальные П. формируются на средних глубинах (4–6 км), содержат микроклин, кварц, альбит, иногда сподумен, мусковит, лепидолит и берилл, а также цветные турмалины, колумбит, танталит, касситерит, поллуцит и др.; характерны процессы метасоматического замещения (альбитизация, грейзенизация); служат источником получения Li, Cs, Be, Ta, Sn, а также аквамарина, гелиодора, топаза и др.

Хрусталеносные П. образуются на относительно небольших глубинах (3–4 км), содержат микроклин, кварц, а также альбит, мусковит, биотит; служат источником получения горного хрусталя (пьезооптического сырья) и оптического флюорита, иногда топаза, берилла, аметиста, которые размещаются на стенках пустот в кварцевых зонах жил.

П. имеют большое практическое значение. Они являются основным источником полевых шпатов для керамической и стекольной промышленности, слюды и пьезокварца – для электротехнической промышленности, а также драгоценных камней. В России наибольшей известностью пользуются П. Карелии, Украины, Урала; за рубежом – Швеции, Норвегии, США.

Минералы пегматитов

Существует несколько версий образования пегматитов:

Версия 1. По теории академика А.Е. Ферсмана образование пегматитов происходит следующим образом. При кристаллизации гранитной магмы образуется остаточный силикатный расплав, обогащенный присутствием редкометальных и редкоземельных элементов, и летучими веществами (соединениями фтора, хлора, бора). В силу разности давления, этот состав вытесняется из основных масс породы и заполняет собой трещины, полости. Во время вытеснения пегматитовых масс, может происходить реакция расплава с вмещающими породами, при этом одни вещества могут выноситься из расплава, другие наоборот проникать в него. Происходит процесс ассимиляции.

Версия 2. По мнению акад. А.Н. Заварицкого, пегматиты образуются не путем кристаллизации остаточного расплава, а являются результатом перекристаллизации пород под влиянием газовых растворов. Т.е. являются постмагматическими образованиями.