2.4 Формы нахождения минералов в природе (морфология минералов)

Минералы в природе встречаются как в виде отдельных монокристаллов, так и в виде закономерных сростков - двойников и незакономерных сростков-агрегатов.

1. Морфологические особенности монокристаллов. В зависимости от условий кристаллизации из одного и того же вещества могут образоваться кристаллы, по внешней форме сильно отличающиеся друг от друга. Внутренняя же их структура, естественно, всегда неизменна.

В природе встречаются весьма разнообразные формы кристаллов одного и того же минерала. На кристаллическом индивиде минерала появляются, развиваясь преимущественно неравномерно, различные грани; соответственно этому кристаллы приобретают разнообразный облик: или они равномерно развиты по различным направлениям (изометрические формы), или же образуют таблитчатые, пластинчатые, игольчатые, во­локнистые, скелетные, дендритообразные и иные формы.

Поверхность граней кристаллов минерала также иметь своеобразный характер: зеркально-гладкий, шероховатый, ступенчатый, реже несколько округленный. Иногда на гранях кристаллов возникают определенным образом ориентированные штрихи, которые могут быть как в одном направлении (параллельные), так и в нескольких, пересекаясь под различными углами.

Рис. 60. Дендритные кристаллы снега

Примерами минералов, грани кристаллов которых имеют штриховку, могут служить: кварц (SiO₂) - поперечная штриховка на гранях призмы; берилл – Ве₃Al₂[Si₆O₁₈] и турмалин –Na(Fe, Mg)₃Al₃[B₃Al₃Si₆O₂₇(OH)₃ - вертикальная штриховка на гранях призмы; пирит (FеS₂) -штриховка параллельно граням куба, ориентированная перпендикулярно каждой соседней грани.

По своему происхождению штриховатость может быть либо двойниковой, возникающей в результате двойникования (сфалерит ZnS, халькопирит СuFеS₂) либо комбинационной, обусловленной многократным повторением наросших узких вицинальных граней (кварц - SiO₂, алмаз - С).

В процессе кристаллизации минерал может захватывать различные посторонние примеси — пузырьки газов, капельки жидкости, твердые частицы. Все эти включения часто располагаются в его теле неравномерно или же они образуют определенные зоны либо правильно ориентированные полосы и участки (кварц). Жидкие включения в кристаллах чаще всего образуют вода и соляные растворы. Особенно обильные жидкие включения наблюдаются в кварце. При нагреве минерала, содержащего газовые включения, он растрескивается, распадаясь на осколки неправильной формы.

Скелетные и дендритообразные формы возникают при преимущественном росте кристалла вдоль его различных кристаллографических осей; примером могут служить кристаллы снега или ледяные узоры на стеклах, образуемые быстрорастущими кристаллами льда (рис. 60), или окислы марганца, кристаллизующиеся в топких трещинах пород.

О

Рис. 61. Кристаллы Чернова

бразование крупных дендритных кристаллов железа наблюдалось известным русским металлургом Д.К. Черновым (кристаллы Чернова) в пустотах медленно остывавших стальных болванок рис. 61. Сама способность к кристаллизации и росту различных минералов в природных условиях сильно варьирует. Некоторые из них часто встречаются в виде крупных, прекрасно образованных индивидов, размеры которых достигают нередко нескольких, а иногда даже десятков сантиметров: кварц (SiO₂), барит (ВаSO₄), каменная соль (NaС1), кальцит (СаСО₃), плавиковый шпат (СаF₂), лед и многие другие. В 1958 г. в СССР был найден кристалл, кварца длиной 7,5 м, шириной 1,6 м, весом почти в 70 т. Известны кристаллы гипса (СаSO₄·2Н₂О) длиной в несколько метров. В музее Горного института в Ленинграде хранится уникальный кристалл берилла (Be₃Al₂[Si₆O₁₈])) длиной до полутора метров.

Рис. 62. Двойники

а – тройник рутила (TiO₂); б – двойник прорастания ставролита (HFe₂Al₉O₂);

в - полисинтетический двойник плагиоклаза (NaAlSi₃O₈).

В то же время многие минералы встречаются в природе (исключительно в виде мелких кристаллов, доступных для наблюдения под микроскопом лишь при сильных увеличениях, например каолинит - А1₄(ОН)₈[Si₄О₁₀], бемит — А1(ОН) и др. А такие минералы, как опал (SiO₂·nH₂O) или аллофан (mAl₂O₃·nSiO₂·pH₂O), вообще не встречаются в кристаллическом состоянии.

Одиночные кристаллы, как правило, встречаются сравнительно редко, обычно они образуют различного рода срастания: как закономерные - двойники, так и незакономерные, случайные агрегаты. О двойниках говорилось уже выше. Отметим лишь, что для ряда минералов форма двойников весьма характерна и может быть использована при их диагностике. К ним относятся, например, так называемые «ласточкины хвосты» гипса, крестообразные двойники ставролита—FеА1₄(SiO₄)₂O₂(OH)₂, полисинтетические двойники плагиоклазов, тройники рутила (ТiO₂), двойники прорастания флюорита (СаF₂), в котором один куб прорастает другой, и т. д.

2. Морфология агрегатов. Особенно часто минералы встречаются в виде случайных незакономерных сростков. Агрегаты могут состоять из кристаллов как одного минерала (мономинеральные агрегаты), так и нескольких (полиминеральные агрегаты).

Если формы агрегатов не укладываются в общеизвестные названия, то им присваивают названия, вытекающие из их сходства с тем или иным предметом (например, грушевидные, червеобразные, сосцевидные, почковидные и т. д.).

Ниже дано краткое описание наиболее характерных видов агрегатов.

Друзы. Сростки хорошо сформированных кристаллов, разных по высоте и различно ориентированных, но прикрепленных одним концом к общему плоскому или вогнутому основанию, называются друзами. Если тесно соприкасающиеся кристаллы в друзе наросли на плоскую поверхность и более или менее параллельны друг другу, то такие агрегаты называют гребенчатыми («гребенками»), щетковидными («щетками») или кристаллическими корками в зависимости от размеров кристаллов.

Друзы могут состоять из кристаллов одного или нескольких минералов. Обычно наиболее хорошо выраженными кристаллами в друзах являются те, которые вытянуты перпендикулярно поверхности субстрата. Формирование друз зависит от формы кристаллических зародышей, характера субстрата, на котором они располагаются, и взаимодействия зародышей во время их роста. Форма зародышей определяет их ориентировку на субстрате. При этом, как установлено опытами А. В. Шубникова кристаллы будут располагаться преимущественно на минимально развитых гранях. Имеющиеся на субстрате неровности обусловливают расположение зародышей относительно общего направления поверхности нарастания.

Влияние субстрата проявляется также во взаимодействии: минералов субстрата и зарождающихся минералов. Если субстрат состоит из того же минерала, что и кристаллизующийся минерал, то затравками для возникающих кристаллов могут служить зерна и кристаллы субстрата, которые и будут в этом случае определять ориентировку кристаллов в друзах.

Взаимодействие между кристаллами в период их дальнейшего роста определяется так называемым законом геометрического отбора, согласно которому из множества различно ориентированных зародышей кристаллов, находящихся на субстрате, растут лишь те, которые наклонены к нему под максимальным углом. Постепенно разрастаясь, такие кристаллы мешают росту иначе ориентированных кристаллов, в результате чего и возникают друзы с вытянутыми преимущественно в одном направлении кристаллами [10].

Рис. 63. Схема образования друзы

горного хрусталя

(по Д.П. Григорьевичу)

Геометрическая схема роста различно ориентированных зародышей кристаллов в друзе горного хрусталя (SiO₂) представлена на рисунке 63.

Однообразная ориентировка всех возника-

ющих зародышей наблюдается и при эпитаксическом

нарастании кристаллов на монокристальный субстрат

(например, нарастание кварца — SiO₂ на ортоклаз —

KAlSi₃O₈).

Различают друзы нарастания, образованные

путем кристаллизации привносимого растворами вещества свободное пространство, и друзы перекристаллизации, возникающие в результате перекристал-

лизации вещества вмещающей породы под влиянием

растворов. Свободное пространство для роста друз

может быть создано тектоническими движениями или растворением породы с образованием в ней пустот, а также одновременным выносом части кристаллизирующегося вещества.

Выяснение условий образования друз имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение, поскольку в виде друз часто встречаются такие важные для промышленности минералы, как кварц - SiO₂ (пьезокварц, аметист, горный хрусталь), барит (ВаSО₄), флюорит (СаF₂), берилл (Ве₃А1₂[Si₆O₁₈]. При этом наибольший интерес для промышленности представляют «головки» кристаллов, формирование которых находится в прямой зависимости от условий образования друз. От строения друз в значительной мере зависит и сохранность головок при последующих процессах метаморфизма.

Параллельные агрегаты. Параллельно-шестоватые, параллельно-волокнистые и тому подобные агрегаты характеризуются параллельным расположением индивидов. Образование их связано с развитием друз и аналогично возникновению друз в трещинах и пустотах. Заполнение трещин (частичное или полное) происходит в три стадии:

а) стадия роста отдельных кристаллов;

б) стадия друзового роста;

в) стадия параллельно-шестоватого роста.

На первой стадии кристаллы возникают из зародышей, находящихся в любых положениях, но не соприкасающихся друг с другом. В дальнейшем, по мере роста, кристаллы начинают соприкасаться друг с другом, и тогда, согласно закону геометрического отбора, дальше будут расти только те из них, которые располагаются строго перпендикулярно к поверхности нарастания (стадии друзового роста). Дальнейшему росту ориентированных таким образом кристаллов уже ничего не мешает, и начинается третья стадия их роста—стадия параллельно-шестоватого роста.

Среди параллельно-шестоватых агрегатов Д. П. Григорьев [10] выделяет два типа:

а) возникающие вследствие свободной кристаллизации в открытой трещине; здесь проявляется закон геометрического отбора и одинаковой ориентировки кристаллов в направлении наибольшей скорости роста (рис. 64в);

б) возникающие в условиях стесненной кристаллизации в постепенно приоткрывающейся трещине; так как приоткрывание ее происходит медленнее, чем возможный рост кристаллов по любому кристаллографическому направлению, то кристаллы растут, не образуя головок; свободного пространства здесь нет, и агрегат вплоть до окончания роста заполняет трещину от стенки до стенки.

В виде параллельно-шестоватых и параллельно-волокнистых агрегатов встречаются многие важные для техники минералы: хризотил-асбест —Mg₆(ОН)₈[Si₄O₁₀], гипс (СаSО₄·2Н₂O), кальцит (СаСО₃), кварц (SiO₂) и др (рис. 64 б,в).

С е к р е ц и и — это минеральные образования, заполняющие пустоты в горных породах. Заполнение пустот происходит в результате постепенного отложения веществ на их стенках от периферии к центру. Секреции небольших размеров (до 10 мм в поперечнике) обычно целиком заполнены минеральным веществом; их называют м и н д а л и н а м и.

Внутри крупных секреций нередко сохраняется полость, стенки которой покрыты друзами кристаллов или натечными образованиями, называемыми жеодами (рис. 65д), (рис. 66).

Жеоды характерны для кварца — SiO₂ (горный хрусталь, аметист), кальцита (СаСО₃), агата (SiO₂), халцедона (SiO₂), гипса (СаSO₄·2Н₂О).

Шаровидные образования, весьма распространенные в разнообразных горных породах, различаются по величине и строению отдельных шариков. Ниже перечислены наиболее характерные из них.

К о н к р е ц и и (с т я ж е н и я, ж е л в а к и) - образования округлой (шарообразной, яйцевидной) или иногда неправильной формы, имеющие обычно радиальнолучистое или, реже скорлуповатое строение. Отложение вещества здесь происходит от центра к периферии (отличие от секреции). Они возникают в результате отложения вещества вокруг определенных центров преимущественно в осадочных горных породах: песчаниках, глинах, фосфоритах. В виде конкреций встречаются так же марказит (FеS₂), сидерит (FеСО₃), гипс (СаSО₄·2Н₂О) (рис. 65,е).

Размеры конкреций колеблются от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров и даже метров (редко) в поперечнике.

О о л и т ы (яйцевидные камни) - сферические образования небольших размеров, имеющие концентрически-скорлуповатое строение. Поперечное сечение отдельных шариков колеблется от долей миллиметра до 5 мм. Обычно оолиты сцементированы друг с другом в горные породы (оолитовые известняки). Оолиты типичны для пиролюзита (МnО₂), кальцита (СаСО₃) и арагонита (СаСО₃). В зависимости от размеров отдельных оолитов их иногда называют и к р я н ы м и или гороховыми к а м н я м и (рис. 64е), (рис.68).

П с е в до о л и т ы (бобовины) - образования, по форме аналогичные оолитам, но не имеющие концентрически скорлуповатого строения. Они характерны, например, для бурого железняка - Fе₂О₃·nН₂О (бобовые болотные руды).

С ф е р о л и т ы - шарообразные тела радиальнолучистого строения, обычно возникающие в результате кристаллизации природных вулканических и технических стекол и некоторых гелей. В виде сферолитов обычно встречается также гидробороцит (МgСа[В₆О₁₁]·6Н₂О).

Сферолиты могут образоваться тремя способами:

а) путем нарастания на какие-либо более или менее округлые посторонние тела;

б) путем кристаллизации сконцентрированных в определенных точках различно ориентированных зародышей, причем, согласно закону геометрического отбора, свободно расти будут только зародыши, расположенные на периферии; остальные зародыши не смогут свободно расти, так как они будут упираться друг в друга;

в) путем роста расщепленных кристаллов; обычно расщепление кристалла начинается с противоположных его концом, в результате чего он сперва приобретает форму связки, затем снова и, наконец, если расщепление идет по разным направлениям, сферолита. Иногда расщепление кристалла наблюдается лишь в начале его роста, а затем идет рост обычных кристаллов. Так возникают разнообразные радиальнолучистые, сноповидные, веерообразные агрегаты. К ним же относятся типичные для турмалина «солнца» (радиальнолучистые агрегаты). Многие минералы в результате расщепленного роста их кристаллов приобретают формы специфических почковидных агрегатов (малахит – СuСО₃·Сu(ОН)₂, халцедон-—SiO₂, гематит (Fе₂O₃).

Все формы расщепленного роста возникают в ходе непосредственной кристаллизации. Причина этого интересного явления окончательно еще не выяснена. Предполагают, что расщепление может быть обусловлено различными поглощаемыми примесями, вызывающими расширение или сужение тех или иных кристаллических плоскостей, а также изоморфными примесями того пли иного элемента.

Концентрически-зональное строение, нередко наблюдаемое наряду с радиальнолучистым строением в сферолитах, может быть как первичным, возникающим при росте сферолитов, так и вторичным, появляющимся в процессе их изменения. Первичное концентрически-зональное строение сферолитов вызывается неодновременным появлением зародышей кристаллов во время роста агрегатов.

В развитии сферолитов можно выделить две стадии:

а) когда отдельные сферолиты еще не пришли в соприкосновение друг с другом;

б) когда возникают и разрастаются агрегаты сферолитов.

Групповой рост подчиняется закону геометрического отбора, который формулируется так: «Если центр роста сферолита расположен ниже линии, соединяющей центры проста его ближайших растущих соседей, то этот сферолит рано или поздно прекратит рост из-за захвата пространства его соседями». Таким образом, при групповом росте окончательную поверхность агрегата создают сферолиты, разрастающиеся до крупных выделении, в то время как другие сферолиты из-за отсутствия свободного пространства прекращают своя рост.

Д е н д р и т ы - древовидные агрегаты, напоминающие листья папоротника, ветви дерева. Они образуются преимущественно вследствие осаждения минерального вещества из растворов в тонких трещинках горных пород или вязком веществе (в мокрой глине). Так возникают дендриты гидроокислов железа. Они также характерны для ковких самородных металлов - меди и серебра (рис. 67).

Н а т е ч н ы е ф о р м ы - плотные массы, часто с весьма причудливыми очертаниями: почковидные (малахит СuСO₃·Сu(ОН)₂, червеобразные (кальцит – СаСО₃), сосулькообразные - сталактитовые и сталагмитовые (кальцит, лед) (рис. 65 ж,к), (рис. 69).

Почковидные формы с неметаллическим блеском, имеющие одновременно радиальнолучистое и концентрически скорлуповатое строение, называются стеклянными головами (например, красная стеклянная голова, характерная для гематита - Fе₂O₃).

Натечные формы образуются по-разному: либо за счет раскристаллизацин гелей (метаколлоидные, коломорфные образования), либо путем постепенного обволакивания, наш ания нового вещества па уже отложенное вещество минерал; из протекающих растворов.

Зернистые а г р е г а т ы - агрегаты, сложенные кристаллическими зернами. В зависимости от величины зерен такие агрегаты могут быть (рис. 64а):

весьма крупнозернистыми (средний размер зерен больше 10 мм в поперечнике);

крупнозернистыми (от 5 до 10 мм);

среднезернистыми (от 1 до 5 мм, зерна легко различимы невооруженным глазом);

тонкозернистыми (до 1 мм, зерна различимы только с помощью лупы или микроскопа в шлифах);

Рис. 64. Внешний вид (облик) минералов:

а – зернистый (сера); б – шестоватый (роговая обманка); в – волокнистый (асбест);

г – пластинчатый (мусковит); д – плотный (лимонит); е – оолитовый (опал)

весьма тонкозернистыми, или плотными, в которых отдельные зерна нельзя различить даже в лупу (на глаз масса минерала кажется однородной; отдельные зерна различаются только в микроскоп).

В виде плотных масс встречаются, например, магнетит - FеFе₂O₄, кварц – SiO₂, доломит - СаМg(СО₃) (рис. 65з).

В зависимости от формы зерен из зернистых агрегатов выделяют:

собственно зернистые, когда агрегат сложен зернами более или менее изометричной формы (апатит – Са₅(РO₄)₃С1, F, корунд - А1₂O₃);

лиcтоватые, пластинчатые, чешуйчатые (барит - ВаSО4) (рис. 64г);

шестоватые, игольчатые и волокнистые (селенит - СаSO₄·2Н₂0) (рис. 64 б,в).

Зернистые агрегаты имеют наибольшее распространение. К ним, например, относятся все полнокристаллические магматические и метаморфические горные породы.

Землистые агрегаты - мягкие, мучнистые образования, по внешнему виду напоминающие рыхлую почву Они состоят из мелких рыхло упакованных кристаллов или представляют собой аморфные формы минералов; легко распираются между пальцами. Землистые массы черного цвета называют сажистыми (гидроокислы марганца), а бурого или желтого — о х р и с т ы м и (гидроокислы железа) (рис. 65л).

Налеты и п р и м а з к и — тонкие пленки минералов на поверхности других минералов или горных пород. Примером могут служить примазки медной зелени и сини (малахита и азурита) на горных породах (песчаниках и известняках) и. и тонкие пленки гидроокислов железа на кристаллах кварца.

Кольца Л и з е г а н г а — ритмически перемежающиеся полосчатые образования, возникающие в результате осаждения каких-либо соединений при диффузии в гелевых средах (агат — SiO₂).

В зависимости от условий образования один и тот же минерал может быть представлен вышеописанными формами.

Псевдоморфозы

Как было установлено выше, каждый минерал кристаллизуется в определенной сингонии и дает кристаллы определенной и постоянной формы. Некоторые минералы встречаются в кристаллических формах, не присущих данному соединению, и дают кристаллы нехарактерной для данного минерала формы – ложные формы, или псевдоморфозы. Различают два вида псевдоморфоз: псевдоморфозы превращения и псевдоморфозы вытеснения.

Псевдоморфозы превращения характеризуются тем, что вещественный состав одного минерала заменяется вещественным составом другого минерала, причем сохраняется часть химических элементов, входящих в состав первого минерала. Часто наблюдаются псевдоморфозы превращения лимонита по пириту и по сидериту.

Лимонит – минерал аморфный, но иногда встречается в виде хорошо образованных кристаллов: кубов, ромбов и т.д. Все эти формы для лимонита являются ложными. Образование их объясняются тем, что пирит и сидерит в поверхностных условиях легко химически видоизменяются и постепенно превращаются в лимонит.

Рис. 65. Формы нахождения минералов в природе:

а- единичный кристалл (кварц);

б – двойник (горный хрусталь);

в – щетка (кварц); г – друза (турмалин);

д – жеода (аметист); е – конкреция (пирит); ж – натек (опал); з – плотная масса (магнетит); и – вкрапления в породу (кианит); к – сталактит (кальцит); л – землистая масса (каолин)