Материал: Betekhtin

Глава 4

ОБРАЗОВАНИЕ МИНЕРАЛОВ В ПРИРОДЕ

4.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Образование и рост кристаллических фаз.

 Образование твердого

кристаллического вещества может происходить различными путями:
а) путем кристаллизации 

жидкостей

 (расплавов или растворов); б) пу

тем отложения кристаллов на стенках пустот из 

газообразных

 продуктов

возгона; в) путем замещения и перекристаллизации 

твердых

 масс (в част

ности, коллоидов). Главная масса природных кристаллических образо
ваний является результатом кристаллизации силикатных расплавов и
водных растворов. Сюда относятся огромные массы изверженных крис
таллических пород, подавляющее количество месторождений полезных
ископаемых, кристаллические осадки соленосных бассейнов и др.

Кристаллизация любого охлаждающегося расплава теоретически

должна начинаться при определенной температуре, отвечающей темпе
ратуре плавления данного вещества. Точно так же и кристаллизация ра
створа должна начинаться в момент насыщения растворителя данным ве
ществом. Однако, как показывает опыт, кристаллизация жидких фаз
начинается при некотором 

переохлаждении

 или 

пересыщении

1

.

Степень переохлаждения или пересыщения жидкой среды зависит так

же от химического состава кристаллизующейся жидкости и до некоторой
степени от давления. Изменение давления имеет более существенное зна
чение при образовании кристаллов из охлаждающихся паров.

Процессы роста кристаллов в переохлажденном расплаве и в пересы

щенном растворе совершенно одинаковы. Зарождение кристаллов может
быть 

вынужденным 

(гетерогенная нуклеация), если в жидкости уже при

сутствуют обломки или пылинки какихлибо твердых веществ, могущих
по своим кристаллохимическим свойствам играть роль затравок, или са
мопроизвольным, наступающим в отсутствии затравки в пересыщенных
или переохлажденных растворах и расплавах (гомогенная нуклеация).

1

 Следует помнить, что если переохлаждение жидкости как в лабораторных, так

и в природных условиях представляет собой обычное явление, то, наоборот, перегрев
кристаллического вещества (выше точки плавления) получить очень трудно. То же от
носится к пересыщению раствора и сохранению твердой растворимой фазы в разбав
ленных растворах.

Глава 4. Образование минералов в природе

117

При самопроизвольной кристаллизации в разных точках расплава или

раствора возникают так называемые 

центры кристаллизации

, представ

ленные кристаллическими зародышами. В первые моменты процесса кри
сталлизации (допустим, какойлибо однокомпонентной жидкости) вокруг
этих центров кристаллизации в условиях свободного развития растут пра
вильные кристаллики до тех пор, пока не создается стесненная обстановка
для дальнейшего развития кристаллографических форм (рис. 39

а

,

 б). 

При

продолжении кристаллизации начинается борьба за оставшееся простран
ство, и в конечном счете мы получим агрегат кристаллических зерен с
неправильными внешними очертаниями (рис. 39

в

,

  г

). В некоторых слу

чаях удается даже наблюдать кристаллическизональное строение отдель
ных зерен, свидетельствующее о постепенном их росте.

Рис. 39.

 Схема последовательной кристаллизации гомогенной жидкости

Установлена нелинейная зависимость между степенью переохлажде

ния или пересыщения жидкости и числом самопроизвольно возникающих
в момент начала затвердевания центров кристаллизации, начиная
с малых переохлаждений: чем 

сильнее

 переохлаждена или пересыщена

жидкость, тем 

большее число

 центров кристаллизации возникает в дан

ном объеме в единицу времени (рис. 40), следовательно, тем меньшими
размерами будут обладать кристаллические зерна в результате оконча
тельного затвердевания жидкости (рис. 41). Однако при увеличении сте
пени переохлаждения скорость образования зародышей проходит через
максимум и снижается.

а

б

в

г

Общая часть

118

Если кристаллизация начинается при сравнительно слабом пересы

щении раствора, то при относительно небольшом числе возникших в этих
условиях кристаллических зародышей образуются в конце концов срав
нительно крупнозернистые агрегаты (рис. 41

а

)

. 

Если начало кристалли

зации происходит при более сильном пересыщении (или переохлажде
нии), то, естественно, в результате мы будем иметь мелкозернистый
агрегат кристаллических зерен (рис. 41

б

)

. 

В случаях кристаллизации раст

вора в условиях очень резкого пересыщения мы получим скрытокрис
таллические образования. Глубокое переохлаждение расплава приводит
к образованию вулканических стекол.

Согласно экспериментальным данным момент зарождения кристал

лов в жидкости зависит от разных причин: от химической природы веще
ства; от примесей, ускоряющих или задерживающих появление кристал
лических зародышей; от механических сил (сотрясения раствора, трения
о стенки сосуда); иногда от действия звука, света и т. д.

Около растущих в свободной среде кристаллов, как показывают опы

ты, возникают концентрационные потоки: пересыщенный раствор в об
ласти соприкосновения с кристаллом отдает ему избыток растворенного
вещества, становится легче и поднимается кверху, уступая место новым
порциям пересыщенного раствора. Скорость роста кристаллов тем боль
ше, чем сильнее пересыщен раствор.

Если условия роста для каждой грани растущего кристалла остаются

постоянными с момента зарождения, то форма кристаллов по мере их
роста не меняется, увеличиваются только их размеры. Однако скорость
прироста различных граней кристалла в единицу времени часто бывает
неодинакова, что в результате приводит к уменьшению числа граней. Ус
тановлено также, что на форму кристаллов оказывают значительное влия
ние растворенные примеси других веществ. Так, например, хлористый
натрий обычно кристаллизуется в форме кубов, но из растворов, содер
жащих, кроме NaCl, также СаСl

2 

и MgSO

4

, выделяется в виде октаэдров.

Рис. 40.

 Зависимость скорости образова

ния зародышей (

∆

N

/

∆

t

) от степени

переохлаждения расплава (

∆

T)

Рис. 41.

 Влияние числа центров

кристаллизации на структуру агрегата:

а

 — крупнозернистый агрегат;

б 

— мелкозернистый агрегат

Глава 4. Образование минералов в природе

119

При быстром росте кристаллов образуются неправильные формы.

Главным образом это наблюдается в тех случаях, когда по тем или иным
причинам нарушается равномерный приток питающего раствора (на
пример, в средах с увеличившейся вязкостью, в коллоидальных раство
рах и др.). В этих случаях наибольшее питание получают вершины и
ребра растущих кристаллов, т. е. участки кристаллических структур,
наименее насыщенные валентностью. Это приводит иногда к искривле
нию граней с образованием воронкообразных углублений, а нередко
к последовательному нарастанию кристалликов друг на друга (главным
образом по вершинам). В результате образуются так называемые 

крис'

таллические скелеты

, или 

дендриты

, с определенным расположением

ветвей в пространстве. Часто на концах таких ветвей наблюдаются утол
щения и образование более крупных и более правильных кристалли
ческих индивидов. Объясняется это, вероятно, тем, что во время крис
таллизации вещества пересыщение раствора в прилегающих участках
падает и наступают более нормальные условия для роста кристаллов.

Следует заметить, что кристаллы могут расти не только в жидких сре

дах, т. е. за счет диффундирующих к кристаллу пересыщенных порций
раствора, но также и в воздушной или газообразной среде при условии
питания насыщенным раствором по капиллярным каналам. Об этом убе
дительно свидетельствует следующий опыт. Если в стакан с насыщен
ным раствором поваренной соли опустить хорошо смачивающуюся ра
створом хлопчатобумажную нить, то через некоторое время в условиях
воздушной среды на нити образуются кристаллические агрегаты за счет
раствора, подымающегося под влиянием капиллярных сил вверх. В воз
душной среде этот раствор за счет испарения воды подвергается сильно
му пересыщению, что и обусловливает кристаллизацию растворенного
в нем вещества на хлопчатобумажной нити.

Нет никакого сомнения в том, что при медленном испарении раство

рителя таким путем могут возникнуть и хорошо образованные кристал
лы. Многим, вероятно, известны также случаи роста из влажной почвы
игл льда, наблюдаемых после ясных морозных ночей. Подобные же иглы
вырастают в воздухе в результате медленного высыхания влажных по
рошков легкорастворимых в воде солей, например хлористого кальция.
Весьма возможно, что встречающиеся в пустотах длинноигольчатые крис
таллы многих минералов возникли этим путем.

Наконец, образование кристаллов может происходить в газообразной

среде и без питания жидким раствором, т. е. в случаях перехода вещества
из парообразного состояния сразу в твердое при соответствующих тем
пературах (ниже температуры плавления) и давлениях. Примером мо
жет служить образование снежинок в виде звездчатых кристаллов в воз
духе или различных минералов как продуктов возгона в районах
вулканической деятельности.

Общая часть

120

Во многих случаях характерной особенностью кристаллов и кристал

лических зерен является наличие в них мельчайших включений посторон
них веществ (твердых, жидких, газообразных). Большей частью ими обус
ловливается мутность или непрозрачность кристаллов. Они легко
обнаруживаются при рассматривании под микроскопом тонких пришли
фованных пластинок. Лишь в непрозрачных минералах установление жид
ких и газообразных включений сопряжено с некоторыми трудностями.

Эти посторонние вещества, как показывает изучение их простран

ственного распределения, очевидно, механически захватывались крис
таллом в процессе его быстрого роста. Они располагаются внутри него
нередко вдоль определенных кристаллографических направлений. Та
ковы, например, включения вулканического стекла (затвердевших ка
пелек магмы) в кристаллическизональных плагиоклазах, или маточ
ного жидкого раствора солей К, Na, Ca и др. или пузырьков газа, обычно
в смеси с жидкостью, в мутных кристаллах кварца, кальцита, топаза
и других минералов.

Любопытно, что газовожидкие включения при нагревании при опре

деленной температуре становятся обычно однородной жидкостью (газ
растворяется в жидкости), а по охлаждении газовый пузырек вновь обо
собляется. Этим путем в ряде случаев можно приблизительно установить
температуру, при которой шла кристаллизация минерала, захватывавше
го мельчайшие капельки раствора.

В некоторых случаях в газовожидких включениях наблюдается даже

третья, твердая фаза (например, кристаллики NaCl). При нагревании эти
кристаллики, как показал Н. П. Ермаков, растворяются в жидкости пер
выми, а затем исчезает и газовый пузырек.

Кроме первичных газовожидких включений в кристаллах обнаружи

ваются также более поздние, вторичные включения, приуроченные к «за
леченным» трещинкам в кристаллах (Г. Г. Леммлейн). Характерно, что во
вторичных газовожидких включениях исчезновение газового пузырька
в капельках жидкости при нагревании наступает раньше, чем в первич
ных включениях. При дальнейшем нагревании в тех и других случаях
происходит растрескивание кристаллической массы (столь сильное дав
ление создается в жидких включениях).

Если какойлибо раствор, пропитывающий данную породу, взаимо

действует с ней по реакции обменного разложения, то при этом, как пра
вило, возникают новообразования за счет всей породы или некоторых
составляющих ее минералов. Такой процесс носит название процесса 

за'

мещения

, или 

метасоматоза

. Примерами могут служить замещение каль

цита гипсом при реакции с водой, содержащей серную кислоту:

CaCO

3

 + H

2

O + H

2

SO

4

 = CaSO

4 

.

 2H

2

O +CO

2

,

кальцит

гипс