Блог

ЗАКОНЫ АНАТОМИИ КРИСТАЛЛОВ И ТИПОМОРФИЗМ МИНЕРАЛОВ

 

В. А. Попов

 

Понятие «типоморфизм минералов» сформировалось в первой половине XX века и быстро распространилось во всех сферах минералогического знания, благодаря видимой практической отдаче. Наряду с положительными результатами применения теории типоморфизма постепенно накапливался и негативный опыт, замечать который не хотелось. Между тем, так и не появилось теории роста кристаллов, объясняющей их форму и анатомическую картину. Рост кристаллов пытались свести к модному понятию «равновесный процесс». Этот подход оказался мало эвристичным.

Кристаллизацию необходимо рассматривать как процесс извлечения и разделения кристаллом атомов элементов и их изотопов из окружающей среды. Компоненты среды, имеющей в общем случае (при однородном распределении компонентов) симметрию шара, переходят в кристалл, всегда имеющий более низкую симметрию. Происходит диссимметризация пространства. По П. Кюри, «диссимметрия творит явления». Создаётся пространство кристалла, в котором гранями разных простых форм задаётся ещё большая диссимметрия (секториальность и симметрия стрелы или конуса) по сравнению с видимой симметрией кристалла какой-либо сингонии. Разделение атомов элементов и их изотопов кристаллом во время роста есть реальный механизм дифференциации вещества в природе.

Форма кристалла выполняет созидательную функцию, т. е. создаёт реальную анатомию кристалла в процессе роста. Конкретная форма кристаллов определяется относительной скоростью роста граней разных простых форм. Относительная скорость роста разных граней определяется количественным соотношением в среде строительных частиц разного сорта, избирательно встраивающихся в кристалл на разных гранях.

По реальному строению (анатомии) кристаллов постепенно накопились обширные данные, по которым исследователи (Ерофеев, Бекке, Леммлейн, Шефталь, Шафрановский и др.) делали частные обобщения. Д. П. Григорьев [1971] свёл эти работы воедино в виде пяти законов анатомии кристаллов. По-существу, это было эпохальное обобщение, но его постигло замалчивание – почти нет литературных ссылок на эту работу. Если рассмотреть теоретические разработки по типоморфизму минералов с точки зрения законов анатомии, то выявятся значительные недоработки и упущения, отрицательно влияющие на применимость теории в практике. По-видимому, это обстоятельство сказалось на том, что законы анатомии кристаллов не вошли в учебники и учебные пособия по минералогии и физике. Приверженцам разработанной части «теории» типоморфизма не хочется терять её «красоту» и пересматривать. Приведём законы анатомии кристаллов в несколько переработанном виде и добавим к ним ещё два закона, вытекающие из наблюдений [Попов, 1984; Павлишин и др., 1988].

1. Закон перемещения элементов огранения кристалла: при росте реальный кристалл слагается пирамидами нарастания граней (рис.1). Грани «торможения» не образуют своих пирамид нарастания, вырождающихся в поверхности (рис.2).

2. Закон зональности: при росте возникает зональный реальный кристалл вследствие отложения вещества микро- и макрослоями (рис.3). Соответственно, пирамиды нарастания граней приобретают пластинчатое строение.

3. Закон мозаичности: при росте реальный кристалл может стать мозаичным во всём объёме или в отдельных своих частях. Соответственно, пластинки в пирамидах нарастания состоят из фрагментов, несколько повёрнутых относительно друг друга. Мозаичность может привести к расщеплению кристаллов вплоть до возникновения сферокристаллов (рис.4).

4. Закон полярности: при росте элементы анатомии реального кристалла приобретают полярность вследствие развития в одном направлении и по симметрии чем-либо отличаются от кристалла как целого. Элементами анатомии являются блоки, зоны роста и пирамиды нарастания граней.

5. Закон диссимметризации: при росте кристалл отражает в своей форме и каких-либо чертах конституции и анатомии только те элементы симметрии, которые являются общими для него и окружающей среды. Хорошо известны примеры искажения формы кристаллов в поле земного тяготения, в потоке питающей среды, приобретения полярной намагниченности в поле земного магнетизма.

6. Закон вырождения и регенерации: при резком изменении формы кристаллов на вырождающихся поверхностях формируются тела, имеющие специфические химические и физические свойства, определяющиеся дополнительными гранями (иногда со сложными индексами). Примером действия этого закона может служить дорастание кристалла с округлой поверхностью до плоскогранного кристалла (рис.5).

7. Закон усложнения: при росте кристалл взаимодействует с встречающимися твёрдыми телами с образованием дополнительных элементов, усложняющих его анатомическую картину. Дополнительные элементы анатомии возникают в районе двойниковых швов, случайных и ориентированных вростков, на месте замещаемых твёрдых тел («тени» твёрдых тел), шлейфов за препятствиями, огибаний и утыканий слоёв роста и др. Наиболее важными из перечисленных элементов являются «тени» предшествующих твёрдых тел при метасоматозе (рис.6).

Из законов анатомии кристаллов следует, что разные элементы анатомии кристалла физически и химически различны. В природных минералах это различие может быть как незначительным, так и весьма контрастным.

В каких разделах теории типоморфизма необходимо учесть законы анатомии кристаллов? Разные элементы анатомии кристалла имеют разные параметры элементарной ячейки, а иногда – другую структуру (другой политип, другую сингонию). При кристаллохимическом моделировании структуры кристалла важно иметь представление о возможных существенных отличиях её в разных элементах анатомии. В некоторых случаях на результатах кристаллохимического моделирования может сказаться синтаксия минералов на наноуровне (например, биопириболы). Многие элементы-примеси во время роста входят в кристалл в виде сложных комплексов (например, предцентры окраски в прозрачных минералах) и только в определённые пирамиды нарастания, создавая кристаллохимические отличия элементов анатомии.

Существенное влияние могут оказать законы анатомии кристаллов на физико-химическое моделирование. Прежде всего, наблюдения показали, что в одном кристалле (зерне) может быть несколько минеральных видов (по современной классификации) в разных элементах анатомии кристалла. Кристалл минерала нельзя называть фазой подобно жидкостям и газам, поскольку фазы, по определению, однородны. По-видимому, отсюда должно следовать заключение, что «правило фаз» к минеральным системам не применимо. Физическая химия не знает ответа, почему в разных пирамидах нарастания одного кристалла могут быть обратные тенденции в распределении атомов элементов (рис.7), почему в одной зоне роста разных пирамид нарастания кристалла могут быть существенные различия изотопного состава ? (см. рис.8). Например, известна разработка геотермометра на основе изоморфного вхождения алюминия на место кремния в кварце (коррелируется с интенсивностью дымчатого цвета в прозрачных кристаллах). Чем выше температура образования кварца, тем больше алюминия может в него входить [Балицкий и др., 1966]. Через небольшое время выяснилось, что на вхождение алюминия в кварц гораздо большее влияние оказывает кислотно-щелочная характеристика растворов. Но и более поздние эксперименты проведены без учёта анатомии кристаллов кварца (см. рис.7), что не позволяет относить выявленные «закономерности» к надёжным.

Очевидно, что разработка геобарометров, геотермометров, георНметров и других характеристик условий образования должна вестись с учётом законов анатомии кристаллов. Разделение изотопов кристаллом во время роста заставляет вернуться к пересмотру теории «абсолютного возраста» в геологии.

 

1. Балицкий В. С., Самойлович М. И., Новожилов А. И., Ступаков Г. Н. О влиянии температурных условий образования кварца на содержание структурной примеси алюминия // Мин. сб. Львовск. геол. об-ва, 1966, т. 20, № 3.

2. Григорьев Д. П. О законах анатомии кристаллов // Кристаллография. 1971. – Т.16, вып. 6. – С. 1226-1229.

3. Павлишин В. И., Юшкин Н. П., Попов В. А. Онтогенический метод в минералогии. Киев: Наукова думка, 1988. 120 с.

4. Попов В. А. Практическая кристалломорфология минералов. Свердловск, 1984. 192 с.

 

 

Подписи к рисункам ст. В. А. Попова

Рис. 1. Пирамиды нарастания граней разных простых форм (по Д. П. Григорьеву).

Рис. 2. «Грани торможения» гексагональной призмы на головке кристалла кварца (показаны стрелками).

Рис. 3. Схема зональности в анатомической картине кристалла, отдельные зоны которого по составу приближаются либо к набокоиту (светлые), либо к атласовиту (тёмные).

Рис. 4. Схема образования сферокристаллов при тонком расщеплении (геометрическом отборе между блоками) кристаллов во время роста.

Рис. 5. Схема формирования «пирамид вырождения» и пирамид нарастания граней при росте в одной среде из разных по форме затравок (белое).

Рис. 6. Тень структуры чёрного сланца в метакристаллах пирита (по А. Ф. Бушмакину).

Рис. 7. Анатомическая картина кристалла дымчатого кварца с противоположными тенденциями распределения дымчатости в пирамидах нарастания разных простых форм (по Д. П. Григорьеву).

Рис. 8. Изотопная зональность и секториальность в кристалле вилюита (по В. И. Поповой): а – форма кристалла и размещение проб; б – соотношения изотопов в разных элементах анатомии кристалла.