Полиморфизм и полиморфные модификации

Полиморфизм – это существование веществ одного и того же химического состава, но разной структуры. Полиморфные модификации – разные минералы. Например, графит и алмаз – морфология кристаллов и физические свойства, которых резко различны. Явление полиморфизма отражает тот факт, что кристаллическая структура определяется не только химическим составом. Каждая полиморфная модификация устойчива при своих значениях температуры и давления. Наличие в горной породе той или иной полиморфной модификации часто служит индикатором условий формирования данной породы. Образование одной полиморфной модификации из другой называют полиморфным превращением (или переходом). Скорость перехода может изменяться от очень высокой до чрезвычайно низкой. Скорость зависит от типа структурной перестройки, необходимой для превращения. Существует два типа превращений: переходы со смещением атомов (деформационные) и реконструктивные.

Переходы со смещением обратимы и протекают быстро при определенных Р и Т. Примерами таких превращений служат высокотемпературный и низкотемпературный кварц, высокотемпературный и низкотемпературный лейцит. Факт первоначальной кристаллизации высокотемпературной формы часто можно определить по внешней форме кристаллов. Как правило, высокотемпературные модификации обладают более высокой симметрией, чем низкотемпературные.

Реконструктивные превращения протекают медленно, это вызвано необходимостью разрыва связей в структуре и пространственного перераспределения атомов или ионов. Примеры: кварц – кристобалит – тридимит. В большинстве случаев высокотемпературные модификации имеют более рыхлые структуры и пониженную плотность по сравнению с низкотемпературными формами. Это вызвано повышенным тепловым движением атомов, а также вхождением в структуры примесных ионов. Подобные чужеродные ионы часто стабилизируют структуру и препятствуют ее переходу в другую модификацию при понижении температуры.

Изоструктурные минералы

Это понятие применяется к двум и более минералам, которые имеют одинаковую структуру при разном химическом составе. Их называют изоструктурными соединениями. Например, Fe₂O₃ (гематит) и Al₂O₃ (корунд), шпинель MgAl₂O₄ и магнетит Fe²⁺Fe₂³⁺O₄, рутил TiO₂, пиролюзит MnO₂ и касситерит SnO₂. Свойства и условия образования этих минералов различны, но по морфологии их кристаллы часто сходны.

Твердые растворы

Среди некоторых изоструктурных минералов есть соединения разного промежуточного состава, например, шпинель, обогащенная двухвалентным железом или магнетит, обогащенный алюминием. Такие минералы называют твердыми растворами. В зависимости от количества примесей изменяются вид, характер огранки и физические свойства кристаллов. Разные примеси входят в состав минерала при разных условиях его образования.

Псевдоморфозы (ложные кристаллы)

Псевдоморфоза (по греч. «псевдос» – приставка, соответствующая русскому лже…, «морфе» – форма, вид) – это кристалл или зерно минерала, замещенные без изменения его формы другим минералом или смесью минералов. У этих образований часто сохраняются даже мельчайшие детали поверхности первоначальных кристаллов.

Существует два основных типа псевдоморфизма: при одном из них вещество полностью остается тем же, что и первоначально, а при втором происходит привнос или вынос некоторых элементов.

Первый тип псевдоморфизма наблюдается в тех случаях, когда одна полиморфная модификация сменяется другой без изменения внешней формы минерального индивида. Этот частный случай называется параморфизмом, а получившиеся образования – параморфозой одной формы по другой (например, параморфоза кальцита по арагониту). Так возникают параморфозы высокотемпературного α-кварца низкотемпературным β-кварцем (температура превращения 575º С).

Псевдоморфозы другого типа образуются, когда более ранний минерал замещается более поздним в результате химической реакции. Эта реакция может быть вызвана следующими причинами: 1) выносом какого-либо компонента (например, образование самородной меди по куприту или азуриту); 2) привносом какого-либо компонента (например, псевдоморфоза гипса по ангидриту или малахита по куприту); 3) частичной заменой компонентов (например, образование гётита (лимонита) по пириту); 4) полной сменой всех компонентов (например, псевдоморфоз кварца по флюориту).

Образование псевдоморфозы свидетельствует о том, что первоначально образовавшийся минерал перестал быть устойчивым в изменившейся физической и химической обстановке и заместился другим минералом, стабильным в этой новой обстановке. Поэтому изучение псевдоморфоз может дать ценную информацию о геологической истории породы, в которой содержится данная псевдоморфоза. Псевдоморфоза может, в частности, дать представление о природе и составе циркулировавших в горной породе растворов, которые привносили или выносили те или иные элементы. В других случаях, когда известны условия устойчивости исходного и замещающего минералов, можно оценить температуру и давление, при которых происходило замещение.