Menu

Сопряженные (гетеровалентные) замещения.

Мы видели, что атомы близкого размера и заряда способны замещать друг друга в структуре минералов. Для осуществления замещения требуется сохранение баланса зарядов. Так, например, чтобы ион M2+ подходящего размера заменил ион M3+, должно произойти сопутствующее замещение, которое обеспечивает компенсацию противоположного заряда для сохранения общего баланса зарядов в пределах структуры. Такого рода замещения называются гетеровалентными (сопряженными) замещениями, и они довольно часто проявляются в минералах.

Известно, что алюминий — обычный катион, который может замещать кремний в тетраэдри-ческой координации. Но поскольку алюминий трехвалентен, а кремний четырехвалентен, такое замещение нарушит баланс зарядов, если только кремний не окажется связанным в результате другого замещения на соседнем узле, что обеспечит сохранение общего баланса зарядов.

Рис. 2.5 Схематическая диаграмма, иллюстрирующая приблизительные поля составов Mg-Fe-Ca-пироксенов Заметим, что в действительности поля составов зависят от температуры (см рис 2.6).

Рис. 2.6 Двупироксеновый геотермометр, который применяется для определения температуры кристаллизации пород, содержащих сосуществующие обогащенный кальцием клинопироксен и бедный кальцием ортопироксен (по данным D H. Lmdsley, Am Miner 68 477-493, 1983).

Замещение (Si1-xAlx)- сопровождается замещением в октаэдрических узлах Mg2+ или Fe2+ на Al3+, т.е. (Mg1-xAlx) + . Это сопряженное замещение записывается в виде[бI(Mg1-xAlx)[4I(Sii_xAlx) и формулируется как замещение Mg + Si на 2Al. Помещенные вверху в квадратных скобках цифры 6 и 4 обозначают координационные числа. Такое замещение, при котором замена Si на Al в те-траэдрических узлах сопровождается замещением в октаэдрических узлах двухвалентного катиона алюминием, называется замещением Чермака (по имени австрийского минералога Густава Чермака (1836-1927))1.

Замещение Чермака наблюдается в пироксе-нах, амфиболах и слюдах. Еще одно важное в минералогии сопряженное замещение встречается в ряду полевых шпатов группы плагиоклазов между альбитом NaAlSi3O8 и анортитом CaAl2Si2O8. Изменение состава между этими конечными членами данного изоморфного ряда происходит за счет сопряженных замещений (Ca2+ + Al3+ на (Na+ + Si4+). Структура и химические свойства плагиоклазовых полевых шпатов подробнее рассматриваются в разд. 11.7. Сопряженным замещением, имеющим экономическое значение, является вхождение серебра в галенит PbS. Ввиду того что Pb является двухвалентным, a Ag одновалентным, вхождение последнего в структуру галенита сопровождается замещением Pb на сурьму или висмут: 2Pb1-x (Ag + Sb) или 2Pb <-> (Ag + Bi).

2.2.4 Диаграммы составов

Поскольку замещения атомов широко распространены в минералах, химические изменения в них и взаимоотношения между ними часто изображают графически. Например, мы можем представить оливиновые твердые растворы, конечными членами которых являются форстерит и фаялит, в виде

Рис. 2.7 Область составов твердых растворов форстерит—фаялит.

Рис. 2.8 Диаграмма состава, показывающая замещение Чермака на примере пироксена. В природе это замещение возможно для значений x < 1.

линии составов, показывающей степень развития замещения Mg2+ < - > Fe2+ в мольных или атомных (а не массовых) процентах (рис. 2.7). На диаграмме указан состав оливина (Mg08Fe02)2SiO4. Упрощенный способ изображения состава состоит в использовании соотношений между конечными членами. Так, например, формула (Mg08Fe02)2SiO4 может быть записана как Fo80Fa20. Это означает, что в данном составе имеется 80% форстерито-вой компоненты и 20% фаялитовой. Обычно на таких диаграммах состава области распространения твердых растворов, или поля составов, заштрихованы. На рис. 2.7 показано поле оливиновых составов, охватывающее все существующие между форстеритом и фаялитом случаи.

Аналогичные диаграммы можно использовать для изображения степени развития сопряженных замещений. Рисунок 2.8 иллюстрирует замещение Чермака в энстатите. Если мы в формуле состава Mg2Si2O6 заместим один атом Mg, то получим состав MgAl2SiO6 Продолжив эту операцию до тех пор, пока не будут замещены все катионы Mg (и Si), мы в итоге придем к составу Al4O6, который представляет собой гипотетический конечный член группы пироксена. Однако структурные рамки ограничивают в природных пироксенах максимальную степень развития замещения Чермака значением x < 1,0.

Мы можем далее построить изображения составов минералов в пространстве, учитывая дополнительно другие замещения, как это показано на рис. 2.9. Здесь имеется сразу два замещения. По одной оси диаграммы показано замещение Чермака (Mg1-xAlx)(Si1-xAlx), а по другой — значения (Mg1-xFex). Взяв изначальный состав флогопита K2Mg6Al2Si6O20(OH)4 и дважды осуществив замещение Чермака, мы получим слюду состава K2Mg4Al6Si4O20(OH)4. Или мы можем в исходном флогопите заменять Mg на Fe (Mg1-xFex) и после шестикратного замещения придем к анниту K2Fe6Al2Si6O20(OH)4. Еще один вариант состоит в одновременном проведении этих замещений; но поскольку обе операции сопровождаются заменой Mg (при конкуренции за занятие его позиций), конечный результат выглядит как K2Fe4Al6Si4O20(OH)4 и верхний край диаграммы составов не параллелен оси замещения Чермака. Заштрихованная область на рис. 2.9 представляет собой поле составов магнезиально-железистых слюд с учетом описанных замещений. Используя подобные диаграммы, можно определить поля составов для многих групп минералов. Иногда конечный член (основной компонент) подвергается более чем двум видам замещения. Пространственные трех- или четырехмерные диаграммы таких систем трудны для построения, но принципы их составления остаются теми же.

Вероятно, наиболее обычными способами выражения состава, которые используются в минералогии, являются треугольные диаграммы. Они широко применяются для изображения составов в трехкомпонентных минеральных системах: в полевых шпатах, карбонатах группы кальцита, Ca-Fe-Mg- пироксенах и амфиболах. В качестве примера возьмем Ca-Fe-Mg-пироксены и рассмотрим построение их диаграммы составов (рис. 2.10). Диаграмма представляет собой равносторонний треугольник, на трех сторонах которого показаны замещения типа Mg2+ <-> Fe2+, Mg2+ <-> Ca2+ и Fe2+ <-> Ca2+. По углам треугольника располагаются конечные члены составов: энстатит Mg2Si2O6, ферросилит Fe2Si2O6 и волластонит Ca2Si2O6. Диопсид CaMgSi2O6 и ге-денбергит CaFeSi2O6, состав которых рассматривается как смесь Ca2Si2O6 с Mg2Si2O6 или с Fe2Si2O6 в отношении 50 : 50, отложены посере-

Рис. 2.9 Пространственное изображение составов магнезиально-железистых слюд, в которых проявляются замещения Чермака и Mg на Fe

Mg2Si2Oe Fsooe

Рис. 2.10 Нахождение на пироксеновой диаграмме состава En0 47Wo045Fs008 (см текст).

дине боковых сторон. Предположим, мы хотим нанести на эту треугольную диаграмму пироксен состава (Mg0 47Ca0 45Fe0 08)2Si2O6. (Этот состав может быть также выражен через соотношение конечных членов En0 47Wo0 45Fs0 08, где En-энстатит, Wo — волластонит и Fs — ортоферроси-лит.) Вначале нанесем на стороны треугольника составы En0 47Wo0 53 и En0 47Fs0 53 Если теперь соединить эти две точки пунктирной прямой, то все составы вдоль нее будут иметь по

а соотношения Wo и

стоянное значение Епп

Fs будут варьировать. Затем нанесем составы Wo0 45En0 55 и Wo0 45Fs0 55, которые также находятся на боковых сторонах треугольника. Если соединить пунктиром эти точки, то все составы вдоль нее будут иметь постоянное значение Wo0 45 и переменные соотношения En и Fs. В точке пересечения построенных пунктирных пря-

мых состав определяется как Еn0l47Wo0l45Fs0l08. Мы можем проверить правильность наших построений, проведя линию, на которой расположены все составы с постоянным значением Fs0 08. Эта прямая должна пройти через точку пересечения двух уже имеющихся пунктирных линий.

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:5379 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:8485 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:5231 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Одномерные задачи консолидации и оценка …

Влияние различных факторов на исследуемый процесс наиболее наглядно можно проследить на примерах простейших задач, в частности одномерных. Решение простейшей задачи консолидации слоя полностью водонасыщенного грунта. В этом случае, при отсутствии защемленного...

25-08-2013 Просмотров:3697 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Планирование капитального ремонта

Система планово-предупредительного ремонта (ППР) жилых зданий предусматривает проведение через определенные промежутки времени регламентированных ремонтов. Межремонтные сроки и объемы ремонтов устанавливают с учетом технического состояния и конструктивных особенностей жилищного фонда. Капитальный...

01-04-2010 Просмотров:26535 Эксплуатация жилых зданий

Построение выхода пласта на поверхность …

Каждый наклонный слой представляет собой пластообразное геологическое тело, ограниченное снизу и сверху поверхностями напластования (кровлей и подошвой). Пересечения этих поверхностей с эрозионной (дневной) поверхностью называются линиями выхода (или следами выхода)...

01-10-2010 Просмотров:17086 Геологическое картирование, структурная геология