книги из ГПНТБ / Чесноков, Б. В. Относительный возраст минеральных индивидов и агрегатов

Переотложение вещества с выпуклых частей на вогнутые ('или на менее выпуклые и плоские) ведет к изометризацни ин­ дивида. Особенно нагляден этот процесс у очень мелких зерен. Так, частицы золота размером около 100 А в поперечнике за­ метно изометризуютея через 10—20 мин при температуре около 40°С: «Стремясь к минимуму свободной энергии кристаллы со­ кращают свою поверхность путем поверхностной диффузии ато­ мов (в данном случае — Б. Ч.). Диффузия направлена в сто­ рону вогнутых участков с малым радиусом кривизны, где энер­ гия связи поверхностных атомов с кристаллической решеткой максимальна» [25].

Перекристаллизация микроскопического скелетного кристал­ ла нашатыря в изометричное тело показана на рис. 89.

вей с меньшим радиусом кривизны или иа вогнутые части по­ верхности. В месте пережимов ветви скелета расчленяются и скелет превращается в множество изолированных, более или менее изометричных частей. После расчленения может идти также перекристаллизация с переотложением вещества с одно­ го индивида на другой.

Подобные процессы происходят ,и при скелетном еамозале- ч'ивании трещин в кристаллах [37]. В итоге полость трещины приобретает более простую форму (изометризуется) и, как ске­ лет, расчленяется на ряд более или менее изометричных поло­ стей, которые в конце концов преобразуются в отрицательные кристаллы.

По-видимому, в некоторых случаях роль пережимов на кри­

сталлы квасцов .в насыщенном растворе при колебаниях темпе­ ратуры раствора уплощаются, как бы растекаясь по дну сосуда (рис. 91). Это явление находит следующее объяснение.

Повышение температуры вызывает растворение кристалла и

ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ^СОПРИКАСАЮЩИХСЯ ИНДИВИДОВ

П е р е к р и с т а л л и з а ц и я с у к р у п н е н и е м и н д и видов. Известно, что тонкий осадок кристаллического вещества, находящийся в течение определенного времени в насыщенномрастворе, становится более крупнозернистым. В таких случаях.

90

слой», 'который с течением времени постепенно утолщался (рис. 93). Граница его со смесью солей — «синим слоем» оста­ валась четкой и 'Горизонтальной. Через 60 месяцев рост «белого слоя» почти прекратился и толщина обоих четко разграничен-

Рис. 93. Рост толщины «белого слоя» (/г) при сов­ местной перекристаллизации квасцов и медного купо­ роса

ных слоев («белого» и «синего») оказалась примерно одинако­ вой. «Синий слой» оказался из зерен медного купороса с ред­ кими включениями зерен квасцов. Размеры зерен в обоих слоях по сравнению с исходными несколько увеличились.

В данном опыте эффект перекристаллизации был вызван также расслоением раствора при колебаниях температуры. Преимущественное перемещение медного купороса вниз можно объяснить большей плотностью раствора вещества.

ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СОПРИКАСАЮЩИХСЯ ИНДИВИДОВ

Перекристаллизация соприкасающихся индивидов известна под названием рекристаллизации, при которой происходит рост одних индивидов данного кристаллического вещества за счет со­ седних индивидов.

П е р в и ч н а я р е к р и с т а л л и з а ц и я осуществляется в деформированных телах. В кристалле или в агрегате зерен за­ рождаются новые зерна, растущие за счет деформированного материала и полностью его поглощающие. На определенной стадии, когда эти новые зерна начинают соприкасаться друг с другом, процесс их роста затормаживается. В итоге деформи­ рованный пластически исходный кристалл превращается в агре­ гат различно ориентированных зерен, свободных от деформа­

32

деформация исходного кристалла; 2) чем меньше деформация, тем выше должна быть темпе­

ратура, при которой начнется рекристаллизация; 3) длительный отжиг (т. е. выдержка кристалла при опре­

деленной температуре) понижает температуру начала рекри­ сталлизации;

4)конечный (размер зерен в продуктах рекристаллизации в основном зависит от степени деформации и в меньшей мере от температуры отжига;

5)чем крупнее исходное зерно, тем большая деформация

должна быть приложена к нему, чтобы рекристаллизация шла при заданной температуре и в течение определенного времени;

6)длительная выдержка при высокой температуре после полной первичной рекристаллизации вызывает увеличение раз­ меров зерен (собирательная рекристаллизация);

7)для получения мелкозернистого однородного агрегата наряду с высокой степенью деформации большое значение имеет низкая температура отжига;

8)чем неоднороднее деформация исходного кристалла, тем выше степень неоднородности размеров зерен после рекристал­ лизации. Новые зерна обычно существенно отличаются по своей кристаллографической ориентировке от исходного зерна (на 20—40°). Они разделяются так называемыми большеугловыми границами *.

Зародыши новых зерен при рекристаллизации возникают в первую очередь в несовершенных участках деформированного зерна: на границах блоков, двойников, в полосах деформации,

при более низкой температуре. Добавка примесей иногда очень резко сказывается на коде рекристаллизации.

Рекристаллизация минералов, которые испытывают в земной коре разнообразные деформации, в том числе и пластические, проявлена очень широко. Наиболее четко она проявляется в ми­ нералах с небольшой твердостью и высокой пластичностью (самородные металлы, галенит, кальцит и другие). Особенноблагоприятны для наблюдений кальцит, галенит и кварц, как

93

Наличие недеформированных зерен в участках максималь­ ной деформации какого-либо 'Минерального тела (например, в местах изгиба кристалла) заставляет предполагать первичную рекристаллизацию. Особенно ярко выражается такое явление в кристаллах галенита из Березовского месторождения. В тех местах, где на кристаллах имеются вмятины от действия более «жестких» соседних кристаллов (например, кварца или пири­ та), в галените возникают многочисленные недеформировагшые нзометричные зерна. Кристаллографическая ориентировка их на

На рисунке изображена часть крупного зерна кальцита из кальцитового агрегата, заполняющего друзовую полость в не- фелин-яблевошпатовой жиле Вишневых гор (гора Каравай, жи­ ла 5). Зерно кальцита испытало существенную пластическую деформацию, о чем можно судить по 'искривлению плоскостей

спайности по {1011} и плоскостей отдельности по {0112}. Максимальную деформацию кальцит испытал на границе с

кристаллами полевого шпата, расположенными на стенке друзовой полости. В этих участках и деформированном индивиде кальцита произошла первичная рекристаллизация с образова­ нием агрегата недеформированных зерен. Границы зерен в этом агрегате достаточно сложные.

В кристаллах с ясным зональным и секториальным строе­ нием при рекристаллизации образуются зерна, «секущие» зо­ нальность и сами ею не обладающие [58]. Возникшие при ре­ кристаллизации зерна кварца содержат меньше газово-жидких включений, чем исходный кристалл [30].

94

В зернистых агрегатах, возникших при первичной рекри­ сталлизации, иногда содержатся реликты исходных деформиро­ ванных кристаллов. В .виде реликтов в таких агрегатах могут сохраниться включения различных минералов, находящихся ранее в исходном теле. Так, в некоторых разностях карбонатитов [23] при рекристаллизации кальцита сохраняются включе­ ния магнетита, апатита и других минералов, фиксирующие форму исходных крупных зерен кальцита, поверхности которых они обрастали. При этом на магнетите иногда сохраняются ин­ дукционные поверхности совместного роста этого минерала и исходного 'крупнокристаллического кальцита.

Таким образом, исходный индивид (или иное тело) в про­ цессе первичной рекристаллизации может превратиться в агре­ гат зерен, причем общая форма исходного тела при этом за­ метного изменения не претерпевает. Поэтому такие зернистые тела можно называть «псевдоморфозами рекристаллизации».

К числу псевдоморфоз рекристаллизации можно отнести своеобразные тела галенита, встречаемые в друзовых полостях кварцевых жил Березовского месторождения (рис. 95). Они имеют форму «языков», «лент», «стержней» и т. п., обычно за­ крученных вдоль длинной оси или же свернутых спиралеобраз­ но. Эти тела были выдавлены в друзовую полость из гнездооб­ разных скоплений галенита в жиле при тектонических '.подвиж­ ках. Форма и размеры их поперечного сечения соответствуют форме и размерам отверстий в стенке полости, через которые происходило выдавливание галенита. Неровности стенок отвер­ стий оставили на галенитовых телах соответственные продоль­ ные борозды. По указанным признакам галенитовые тела мож­ но назвать экструзионными (по аналогии их механизма образо­ вания о известным методом экструзионного получения метал­ лических изделий).

Таким образом, внешняя форма экструзионных тел галенита носит следы пластической деформации. Однако тела сложены агрегатом изометрических иедеформнрованных зерен галени­ та*. Исходя из этого экструзионные тела галенита с полным основанием можно отнести к псевдоморфозам рекристаллиза­ ции. Примечательно, что строение таких псевдоморфоз имеет общую особенность: в корневой их части размеры зерен гале­ нита в несколько раз меньше, чем у «верхушки». При первич­ ной рекристаллизации возможен рост идиоморфных зерен. Так, В. В. Гордиенко [13] описаны идиоморфные кристаллы споду­ мена среди деформированных участков этого минерала. В мес­ тах соприкосновения таких идиоморфных кристаллов друг с другом отмечались индукционные формы. В. В. Гордиенко называет это явление «идиобластической рекристаллизацией».

* Подтверждено также реитгеноструктурным изучением по методу Лауэ {вариант обратной съемки рс поверхности экструзионного тела и с его

•излома).

96

С о б и р а т е л ь н а я р е к р и с т а л л и з а ц и я («р ос т з е- р е и»). Структуры, возникающие при первичной 'рекристалли­ зации, еще не являются стабильными, 'Поскольку зерна в них обладают довольно сложными границами и сильно варьирую­ щими размерами. Вследствие этого, если поддерживать темпе­ ратуру первичной рекристаллизации, «пришедшие -в соприкос­ новение новые зерна продолжают расти за счет друг друга: новые зерна укрупняются, а число их начинает уменьшаться. Этот процесс роста новых рекристаллизованных зерен назы­ вается собирательной рекристаллизацией» [60].

Собирательная рекристалли­ зация создает относительно рав­ номернозернистые структуры с простыми, большеугловыми гра­ ницами зерен (рис. 96), напоми­ нающие строение пены из мыль­ ных пузырей, которые, сливаясь друг с другом, стремятся в итоге

дать один более крупный пузырь. Модель мыльной пены ис­ пользуется при количественном изучении структур собиратель­ ной рекристаллизации.

Миграция границ зерен при собирательной рекристаллиза­ ции .происходит к центру их кривизны (рис. 97).

Форма зерен в структурах собирательной рекристаллизациипредставляет «результат столкновения законов равновесия по­ верхностного натяжения с требованиями заполнения простран­ ства. Форма будет такой, чтобы давать минимальную свобод­ ную энергию поверхностей раздела, .совместимую с полным при­ леганием каждого зерна с соседним» [39].

Единственной устойчивой структурой является система не­ одинаковых четырнадцатигранных полиэдров с границами двойной кривизны [66]. Реальные структуры всегда нестабиль­ ны. Форма зерен в них приближается к форме ячеек мыльной

96

пены. Ближе всего эти формы стоят к пятиугольному додека­ эдру — двенадцатиграннику с гранями в виде правильного пя­ тиугольника.

В более или менее стабильной структуре из подобных поли­ эдров к каждой вершине отдельного ■полиэдра сходятся еще три соседних полиэдра, т. е. от их об­ щей вершины отходят четыре об­ щих ребра. К ребру данного поли­ эдра сходятся еще два соседних полиэдра, т. е. от их общего ребра отходят по три общих «грани». Эти «грани» (или границы полиэдров в сечении, перпендикулярном их об­ щему ребру) расходятся от общего ребра под углом, близким к 120°.

Процесс роста зерен при соби­ рательной рекристаллизации, когда на растущих кристаллах нет более или менее ясно выраженных граней, является ярким примером грануло-

морфного роста [14, 24]. Рост зерен замедляется в присутствии на их границах посторонних частиц, пленок и пор и приостанавливается при оплавлении зерен.

Собирательная рекристаллизация сопровождается гораздо меньшим тепловым эффектом, чем первичная рекристаллиза­ ция. Процесс собирательной рекристаллизации идет и при от­ жиге весьма тугоплавких материалов, например перпклаза.

Детальное прямое наблюдение собирательной рекристалли­ зации в пластинах льда было проведено Ч. А. Найтом [93]. Изме­ нение структуры ледяного агрегата наблюдалось в скрещенных поляроидах и фотографировалось. За 67 часов «отжига» при температуре около 0°С форма зерен льда из чечевицеобразной,. которая возникла при замерзании слоя воды, превратилась в полигональную с углами между границами, близкими к 120°.. Поперечные размеры зерен увеличились от 2 до 25 мм. Ско­ рость миграции границ составляла около 0,35 мм/ч. В итогевозникла структура, не отличающаяся от структуры металлов, прошедших стадию собирательной рекристаллизации. Автор отмечает, что движущей силой этого процесса является «пони­ жение общей свободной энергии границ между зернами». В тех опытах, когда кристаллы льда содержали большое количество глинистых частиц, собирательная рекристаллизация не имела, места.

Собирательная рекристаллизация может также идти в агре­ гатах, в которых зерна разделены пленкой раствора. Это на­ блюдалось нами в опытах по перекристаллизации алюмокалие­ вых квасцов в насыщенном водном растворе при температуре около 20°С.

97

В сосуд помещались залитые насыщенным раствором срост­ ки кристаллов квасцов, образовавшиеся при свободной кри­ сталлизации в открытом сосуде при испарении раствора. Зерна в 1—3 мм отделялись легко, обнажая индукционные поверхно­ сти. Затем сосуд герметически закрывался. Через несколько

из сосуда сростки). В результате мелкие зерна исчезли и агре­ гат через 1—2 года стал относительно равномернозернистым. Не соприкасающиеся друг с другом части зерен приобрели чет­ кие огранения: {111}+{100}+{110}.

Кривые поверхности зерен квасцов на гониометре не дают сигналов. При большом увеличении на них виден тонкий рель­ еф в виде изогнутых ступеней наподобие горизонталей топогра­ фической карты. Высота ступеней около нескольких тысячных долей миллиметра.

В отличие от обычных примеров собирательной рекристал­ лизации в этих опытах процесс шел при наличии пленки рас­ твора между зернами. На лю­

кальцитовых жилах из Вишневых гор. Возникшие агрегаты кальцита (рис. 98) аналогичны агрегатам рекристаллизованных металлов. Зерна кальцита покрыты выпуклыми и вогнутыми «гранями». С увеличением размера зерен число таких «граней»

.возрастает (рис. 99,а). Для крупных зерен более типичны во­ гнутые «грани», а для мелких — выпуклые (рис. 99,6).

Особый интерес представляют зерна класса —5+ 3 мм, для которых среднее число «граней» равно 12,4. Многие «грани» на них имеют форму пятиугольника, а некоторые из зерен этой

.S8