32 Структурные группы силикатов и алюмосиликатов

Силикаты и алюмосиликаты представляют обширную группу минералов. Общее количество минеральных видов силикатов около 800. По распространенности на долю силикатов приходится более 75% от всех минералов литосферы. Это объясняется тем, что силикаты и алюмосиликаты являются важнейшими породообразующими минералами, из которых сложена основная масса горных пород (полевые шпаты, слюды, оливин, пироксены, амфиболы и другие). Самыми распространенными в природе являются полевые шпаты.

Для силикатов характерен сложный, часто переменный химический состав и широкие проявления изоморфных замещений одних элементов и комплексов элементов другими. Главными химическими элементами, входящими в состав силикатов, являются O, Si, Al, Fe, Mg, Mn, Ca, Na, K, а также Li, B, Be, Ti, Zr, редкие земли. Роль дополнительных анионов играют (ОН), F, Cl. Кроме того в состав некоторых минералов класса силикатов входят кристаллизационная, цеолитная, межслоевая и адсорбционная вода.

Халькофильные элементы (Cu, Zn. Pb) для силикатов не характерны. Лишь в особых физико-химических условиях типа зоны окисления сульфидных месторождений некоторые из них образуют самостоятельные силикаты. Широкие проявления изовалентных изоморфных замещений можно проиллюстрировать следующими примерами: Mg2+=Fe2+(оливин); Al3+= Fe3+ (гранат); Са2+=Mn2+(волластонит); (ОН)-=F- (топаз, слюда).

Гетеровалентный изоморфизм характерен для плагиоклазов: Na+ +Si4+ = Са2+ + Al3+ (альбит = анортит).

Важнейшей кристаллохимической особенностью силикатов является тетраэдрическая координация Si и способность кремнекислородных тетраэдров конденсироваться в более сложные конечные и бесконечные радикалы. Таким образом, в основе структуры всех силикатов находится кремнекислородный тетраэдр в виде комплексного аниона [SiO4]4-. В пределах анионного радикала [SiO4]4- преобладают ковалентные связи. Между катионами и анионным радикалом связь существенно ионная. В минералах, содержащих (ОН)- или Н2О имеется также компонента водородной связи.

В зависимости от того, как сочетаются между собой кремнекислородные тетраэдры, различают следующие структурные типы силикатов и алюмосиликатов:

Островные силикаты с изолированными тетраэдрами и изолированными группами тетраэдров. Здесь можно выделить:

а) силикаты с изолированными кремнекислородными тетраэдрами (рис. 15а). Между собой тетраэдры непосредственно не связаны, связь происходит через катионы;

б) силикаты со сдвоенными тетраэдрами отличаются обособленными парами кремнекислородных тетраэдров [Si2O7]6-. Один атом кислорода у них общий, а остальные связаны только с катионами. Сюда же можно отнести силикаты со структурами "смешанного" типа [SiO4]4-+[Si2O7]6-;

в) кольцевые силикаты характеризуются обособлением трех, четырех, шести групп кремнекислородных тетраэдров, образующих кроме простых колец, также и более сложные. Радикалы их [Si3O9]6-, [Si4O12]8-, [Si6O18]12-.

Силикаты с непрерывными цепочками из кремнекислородных тетраэдров (рис.15 д,е). Это цепочечные силикаты, так как кремнекислородные тетраэдры [SiO4]4- сочленяются в виде непрерывных обособленных цепочек. Радикалы их [Si2O6]4-, [Si3O9]6- и другие.

Силикаты с непрерывными обособленными лентами из кремнекислородных тетраэдров. Они имеют вид сдвоенных цепочек или лент, поэтому их называют ленточными силикатами. Радикал ленточных силикатов - [Si4O11]6-.

Силикаты с непрерывными слоями кремнекислородных тетраэдров или слоистые силикаты (или листовые силикаты). Радикалы такой структуры [Si4O10]4- или [(Al,Si)4О10]4-, в которых тетраэдры cвязаны тремя общими вершинами. Слои кремнекислородных тетраэдров обособлены друг от друга.

Алюмосиликаты с непрерывным трехмерным каркасом из алюмокислородных и кремнекислородных тетраэдров или каркасные силикаты. В этом случае все кислороды у тетраэдров являются общими. Естественно, что такой каркас, состоящий только из кремнекислородных тетраэдров, будет нейтрален, то есть все валентности кислорода будут использованы на связь с кремнием. Радикал такого каркаса будет [SiO2]0. Именно такой каркас отвечает структуре кварца. На этом основании кварц можно относить не к оксидам, а к каркасным силикатам.

Разнообразие алюмосиликатов каркасной структуры объясняется тем, что, наряду с кремнекислородными тетраэдрами, в них присутствуют алюмокислородные тетраэдры. Появляющийся в этом случае избыточный отрицательный заряд компенсируется крупными катионами (например Na или K), располагающимися в пустотах каркаса. Радикал каркасных алюмосиликатов будет в общем виде таким [AlmSinO2(m+n)]m-. Замещение кремния на алюминий возможно также и в силикатах других структур. Многие алюмосиликаты имеют слоистую структуру.

Внутренняя структура и химический состав силикатов отражаются на морфологии минеральных агрегатов и физических свойствах минералов. Островные силикаты и каркасные алюмосиликаты характеризуются изометричными зернами и кристаллами кубической и ромбической сингоний. Кольцевые и ленточные силикаты выделяются в виде удлиненных и тонковолокнистых кристаллов. Слоистые или листовые минералы образуют уплощенные зерна и кристаллы.

Большинство силикатов бесцветные, белые, серые, желтоватые или зеленоватые. Носителями окраски в силикатах являются соответствующие ионы-хромофоры: зеленой - Fe2+; бурой - Fe3+ или Ti4+ ; красной - Fe3+, Cr3+: синей - Fe2+ и Fe3+ ; розовой - Mn2+. Яркую окраску имеют силикаты меди - зеленую или голубую. У некоторых силикатов окраска связана с наличием дефектов структуры (гранаты) или с наличием электронно-дырочных центров в структуре (берилл).

Островные силикаты, имеющие структуру, близкую к плотнейшей упаковке, отличаются наибольшей плотностью и высокой твердостью. Напротив, каркасные алюмосиликаты имеют наименьшую плотность и более низкую твердость. Минимальной твердостью обладают силикаты со слоистой структурой. Твердость закономерно уменьшается от алюмосиликатов с ионным типом связи (слюды) к силикатам с ван-дер-ваальсовой связью (хлориты, тальк, глинистые минералы). Для слоистых силикатов часто характерна весьма совершенная спайность. Это связано с тем, что межатомные связи в пределах слоя кремнекислородных тетраэдров очень прочные, а между слоями - гораздо слабее. Поэтому разрушить эти минералы легче всего вдоль слоя, что и обусловливает характерную для них весьма совершенную спайность.

Происхождение.

Силикаты являются породообразующими минералами магматических горных пород, пегматитов, скарнов, грейзенов, а также высокотемпературных гидротермальных процессов. Слоистые силикаты (тальк, серпентин, хлорит) - обычные минералы гидротермально -измененных (метасоматических) пород, где они возникают за счет гидролиза островных и каркасных силикатов. В поверхностных условиях образуются слоистые силикаты и алюмосиликаты (каолинит, монтмориллонит). Широко распространены силикаты в метаморфических породах - сланцах и гнейсах (гранат, дистен, хлорит и др.). Эндогенные силикаты, особенно каркасные алюмосиликаты (полевые шпаты), в поверхностных условиях легко выветриваются, переходя в слоистые силикаты и алюмосиликаты, а затем в оксиды и гидроксиды соответствующих элементов.

Значение.

Многие силикаты являются сырьем для получения элементов (Be, Zr, Cs, Li, Rb) и их соединений. Во многих случаях сами по себе являются неметаллическими полезными ископаемыми (асбесты - жаростойкие материалы; каолинит - керамика; мусковит, флогопит - радио- и электротехника; полевые шпаты - керамика; гранаты - абразивный материал; и др.). Это драгоценные и поделочные камни (изумруд, аквамарин, топаз, турмалин, родонит, нефрит и др.). Цеолиты - молекулярные фильтры.