Превращения минералов

С того момента, когда минерал впервые кристаллизуется из расплава или гидротермального раствора, он подвергается воздействию среды, изменяющейся как в физическом, так и в химическом отношении. Одним из замечательных свойств минералов является их способность реагировать на такие изменения, приспосабливая к этой новой обстановке свои структуры и составы. Такие приспособления могут выражаться в незначительном изменении длины связей или в радикальных перестройках структуры; они могут включать химические изменения на атомном уровне или реакции с образованием новых минеральных видов. Все эти процессы, однако, имеют одну общую тенденцию-снизить свободную энергию минерала или минеральной ассоциации под влиянием новых условий.
Данная книга целиком посвящена рассмотрению путей изменений и превращений минералов, направленных на понижение свободной энергии. Термин «превращение» мы употребляем в очень широком смысле, включая в него любое структурное или химическое изменение, происходящее в ответ на изменение среды. Но главным образом нас будут интересовать изменения, происходящие в зависимости от температуры, и в некоторой степени от давления, но мы не будем касаться более широких аспектов превращения, таких, как химическое выветривание или реакции между минералами при метаморфизме. Будут, однако, применяться общие принципы процессов, происходящих в твердом веществе. Если мы, например, ограничимся преобразованиями минералов в зависимости от температуры, т.е. термически активируемыми процессами, то охватим большинство интересующих минералогов преобразований.
Полиморфизм. Простейшее из превращений - это переход из одной структурной формы в другую при изменении температуры. Многие элементы, так же как и минералы, при различных температурах и давлениях имеют разные структурные модификации. Это явление полиморфизма весьма обычно и его можно проиллюстрировать различными стабильными формами кремнезема SiO2, существующими в природе. На рис. 1.1 поля стабильности полиморфных модификаций кремнезема показаны в координатах температуры и давления. Каждая фаза устойчива лишь в определенной области температур и давлений, а при комнатных температуре и давлении стабильна только одна фаза, а-кварц. Однако в породах, выходящих на поверхность, обнаружены и тридимит, и кристо-балит, и коэсит; другими словами, этим фазам следовало бы перейти в а-кварц, но механизм таких переходов часто настолько медленный, что его нельзя наблюдать при низких температурах. Эта проблема кинетики играет очень большую роль в большинстве минеральных превращений, и особенно в тех, которые наиболее важны для геологии. Полиморфизм-очень важное явление в минералогии, потому что различные кристаллические структуры, свойственные тому или иному соединению, зависят от температуры и давления при его кристаллизации. Если фазовая диаграмма и процесс перехода между фазами тщательно изучены, то можно определить условия, при которых образовался данный минерал.
Превращения типа порядок - беспорядок. Более тонким превращением в пределах одного и того же соединения является переход типа порядок-беспорядок. Простейшим примером этого явления может служить простой сплав двух элементов. Рассмотрим сплав АВ элементов А и В и примем, что при некоторой температуре он полностью разупорядочен. Эта ситуация показана на рис. 1.2,а. Если при более низкой температуре каждый из этих двух элементов стремится окружить себя атомами другого вида, то может быть достигнуто состояние полной упорядоченности, как показано на рис. 1.2,б. Переход из состояния, показанного на рис. 1.2,а, в состояние, изображенное на рис. 1.2,6, должен происходить при некоторой промежуточной температуре. Этот тип превращений с упорядочением хорошо изучен металлургами в сплавах, и, хотя структуры большинства минералов намного сложнее, подобного рода переходы наблюдаются и здесь. Такие превращения особенно распространены (главным образом в связи с их необычайно малой скоростью) в большинстве обычных минералов, таких, как полевые шпаты и пироксены. Таким образом, мы имеем протяженную временную шкалу, вдоль которой мы можем изучать процесс перехода и различать стадии между полным беспорядком и полным порядком. Это создает основу для применения фазовых переходов с целью расшифровки термической истории минерала путем исследования процессов, происходивших при его охлаждении.

Мы кратко коснулись двух типов превращений, в ходе которых изменяется взаимное расположение атомов без сколько-нибудь существенного перемещения самих атомов. Локальный химизм при этом не меняется. Существует, однако, много случаев, когда гомогенная, при одном наборе условий, минеральная фаза, попав в иной набор условий, распадается на участки различного состава. Рассмотрим снова рис. 1.2, а. Если при более низкой температуре атомы элементов А и В будут иметь тенденцию окружаться себе подобными, то в конце концов образуется ситуация, изображенная на рис. 1.3, с минимальным количеством атомов, имеющих чужеродных соседей. Это тоже упорядоченное состояние, но система уже не является химически однородной. Процесс такого типа в минералах обычно называется распадом твердых растворов и также представляет собой очень широко распространенное явление. Этот процесс, несомненно, включает миграцию, или диффузию, атомов через кристаллическую решетку и в большинстве минералов протекает исключительно медленно. Таким образом, мы опять имеем возможность проследить за ходом превращений на продолжительном отрезке времени и различить много промежуточных стадий, имеющих место в подвергающейся распаду сложной минеральной структуре.
Процессы распада твердых растворов и упорядочения не следует считать взаимоисключающими-бывают случаи, когда они происходят одновременно, а иногда даже конкурируют друг с другом, создавая ситуацию, которая, будучи структурно очень сложной, может дать ценные сведения о термической истории минерала.