Среды кристаллизации.

Кристаллизация - процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твердое кристаллическое с образованием кристаллов. К кристаллизации также относят переход вещества из одного кристаллического состояния в другое. Все природные кристаллы образуются не мгновенно, а в сложном и, как правило, длительном процессе кристаллизации.

Наиболее типичными в природных условиях средами кристаллизации являются растворы, расплавы, газы (пары). Реже наблюдается кристаллизация минералов в твердой среде.

Минералообразующей средой чаще всего являются водные растворы. Из них кристаллизуются около 90 % всех минеральных видов. Водный раствор содержит в растворенном виде либо сам минерал, либо те вещества, из которых минерал образуется в ходе какой-либо химической реакции. Диапазон минералообразования из водных растворов огромен, например:

  • • гигантские залежи галита, гипса, боратов, образующиеся в поверхностных водоемах;
  • • промышленные гидротермальные месторождения, образующиеся на значительных глубинах при температурах в сотни градусов и давлениях, превышающих атмосферное в сотни и тысячи раз;
  • • отдельные крохотные кристаллики в зонах окисления рудных месторождений;
  • • огромные скопления карбонатов в карстовых пещерах и др.

Из расплавов кристаллизуется не более 20 % минеральных видов. Не следует искать здесь арифметической ошибки (90 % растворы + 20 % расплавы ф 100%). Многие минералы кристаллизуются и из расплавов, и из растворов, и из газов. Накладывающиеся друг на друга множества в сумме дают 100 % минеральных видов. Несмотря на меньшее по сравнению с растворами число видов, минералы, образующиеся из расплавов, по массе составляют ~ 90 % земной коры. Здесь кристаллизуются породообразующие оливин, слюды, пироксены, кварц, нефелин и др., а также многие рудные минералы, например хромит, пентландит и т. д. Расплавы имеют глубинное происхождение, температура их может достигать 1 500 °С, а давление превышает атмосферное в тысячи раз. Кристаллизация происходит по мере остывания расплава. Когда этот процесс происходит на значительных глубинах (интрузивный магматизм), образуются крупные кристаллы. При вулканических извержениях (эффузивный магматизм) расплав изливается на земную поверхность. Здесь нет «экрана» вмещающих пород; теплообмен с окружающим воздухом происходит более интенсивно, чем при интрузивном магматизме, вследствие чего расплав остывает быстрее. Образуется множество микроскопических кристаллов или однородная стекловидная масса.

Из газов и паров, главным образом вулканического происхождения, кристаллизуется не более 2,5 % минеральных видов. Некоторые из них, например сера, нашатырь, борная кислота, образуют промышленные месторождения. Температура кристаллизации может достигать 1 000 °С, процесс кристаллизации идет быстро, и в отдельных случаях поддается прямому наблюдению. Так, в 1817 году немецкий минералог Брейтгаупт (1791-1873) при извержении вулкана Везувий (Италия) за 10 дней наблюдал образование метровой толщи гематита.

Кристаллы минералов, образующиеся в твердой среде, называют метакристаллами. Некоторые исследователи [26] к ним относят только те минералы, которые кристаллизуются из тонкой пленки раствора, расположенной либо на контакте различных горных пород, либо в тонких трещинах легко проницаемых пород. Метакристаллы, образующиеся по этому типу, в природе очень редки. По мнению других исследователей [15], метакристаллы - кристаллы, образовавшиеся в результате метасоматоза и некоторых других метаморфических процессов в твердых средах, например кубические кристаллы пирита в сланцах, мраморах и других породах. В таком понимании метакристаллы минералов распространены довольно широко. Как следует из изложенного, понимание кристаллизации минералов в твердой среде в геологии неоднозначное.

Общие закономерности кристаллизации. В средах кристаллизации (преимущественно жидких и газообразных) кристаллизующееся вещество находится в виде отдельных частиц - атомов, ионов, молекул. Частицы обладают большой кинетической энергией и находятся в броуновском движении. Случайно столкнувшись, они сцепляются друг с другом, образуя зародыш - микроскопический участок будущей структуры минерала, состоящий из нескольких элементарных ячеек. Большинство образовавшихся зародышей разрушается вследствие собственных тепловых колебаний и столкновений со свободными частицами. Кристаллизация начнется только тогда, когда зародыш достигнет размера, достаточного для того, чтобы силы связи между образующими его частицами стали больше сил, способствующих разрушению зародыша. Такие условия достигаются при уменьшении температуры расплава или с увеличением концентрации раствора. В первом случае (уменьшение температуры) уменьшаются тепловые колебания, во втором - увеличивается вероятность встречи частиц друг с другом.

Началу кристаллизации значительно способствует наличие затравок - посторонних зерен, пылинок и др. За счет поверхностных сил затравка собирает (адсорбирует) частицы, сближает их и тем самым облегчает начало кристаллизации. В природной обстановке центры кристаллизации чаще всего возникают именно на затравках, которыми служат зерна вмещающей породы и особенно индивиды того же минерального вида.

Сорбция (лат. sorbeo - поглощаю) - поглощение твердым телом или жидкостью вещества из окружающей среды. Поглощающее тело называется сорбентом, поглощаемое - сорбатом (сорбтивом). Различают поглощение всей массой сорбента (абсорбция) и поверхностным слоем (адсорбция).

Процесс кристаллизации причинно обусловлен физическим принципом минимизации свободной энергии системы. Этот принцип в общем случае формулируется так: при отсутствии внешних воздействий всякое состояние системы неустойчиво до тех пор, пока существует возможность перехода в другое состояние, в котором свободная энергия меньше. Лишь в состоянии с минимально возможной (в данных условиях) свободной энергией система приходит в равновесие - перестает испытывать тенденцию к изменениям. Принцип минимизации свободной энергии вытекает из второго начала термодинамики.

Второе начало термодинамики - принцип, устанавливающий необратимость макроскопических процессов, протекающих с конечной скоростью. Например, невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым.

Исходя из принципа минимизации свободной энергии системы, кристаллизация идет автоматически, самопроизвольно. Она энергетически выгодна и приводит к отдаче энергии (системой), тем большей, чем крупнее кристаллы, или чем большее количество кристаллов образуется. В результате кристаллизации вместо кинетической энергии движущихся частиц остается сравнительно небольшая энергия колебаний частиц в узлах кристаллической решетки.

В реальных природных условиях принцип минимизации свободной энергии системы в процессах кристаллизации не свободен от кажущегося противоречия. Оно проявляет себя в форме образующихся кристаллов. Согласно теореме Г.В. Вульфа, стремясь к равновесному состоянию, растущий кристалл должен кристаллизоваться в форме, которая обеспечивает данному кристаллу минимум поверхностной энергии. Такая форма во время роста кристалла должна сохраняться без изменений. Получается, что принцип минимизации свободной энергии предопределяет для каждого вещества раз и навсегда одну единственную кристаллическую форму. Однако такое утверждение справедливо только для замкнутой системы кристаллизации, без изменения внешних по отношению к системе условий. В действительности для кристаллов одного и того же минерала наблюдаются далеко не единственные формы. Это обусловлено тем, что принцип минимизации свободной энергии указывает лишь конечную цель процесса кристаллизации, не учитывая деталей и особенностей данного процесса для какого-либо конкретного минерала. В подавляющем большинстве случаев природные условия кристаллизации чрезвычайно изменчивы. Это может прекратить начавшуюся кристаллизацию, а иногда даже вызывать растворение (расплавление) уже выросших кристаллов с изменением их формы. Кроме того, за кристаллизацией данного минерала, как правило, начинается кристаллизация других. Их индивиды занимают место и промежутки между ранее выросшими кристаллами, часто изменяя их форму. Отсюда форма реальных природных кристаллов в процессе роста обусловлена не только принципом минимизации свободной энергии, но и изменчивостью условий кристаллизации. Поэтому кристаллы одного и того же минерала могут иметь различные формы.

В природе имеются геологические образования - жилы альпийского типа, минерализованные полости и некоторые другие, где параметры кристаллизации длительное время стабильны. Здесь образующиеся кристаллы реализуются в форме правильных хорошо ограненных кристаллических многогранников, реально подтверждая правильность теоремы Г.В. Вульфа для равновесных форм.

Термин «жила альпийского типа» происходит от места первого описания (Альпы) этих геологических образований (Konigsberger, 1917). Встречаются в земной коре повсеместно. Рассматриваются как продукт переот- ложения в трещинах материала вмещающих горных пород водными растворами (рис. 1.19). Образование жил альпийского типа также связывают с региональным метаморфизмом и с постмагматическими процессами.

Схема строения жилы альпийского типа [5]

Рис. 1.19. Схема строения жилы альпийского типа [5]

Минерализованная полость - шахта Naica в Мексике [78]

Рис. 1.20. Минерализованная полость - шахта Naica в Мексике [78]

Термин «минерализованная полость» строгого научного определения не имеет. Обычно здесь понимаются пустоты в земной коре, к стенкам которых прикреплены хорошо ограненные кристаллы (рис. 1.20).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >