Аморфные и скрытокристаллические минералы

При определении понятия минерал мы говорили, что это кристаллическое тело. Существует, однако, несколько природных твердых тел, не имеющих кристаллического строения, но представляющих существенный интерес для минералогии. Это метамиктные минералы и некоторые аморфные вещества, например, природные стекла и гидрогели.

Метамиктные минералы можно рассматривать как некристаллическую псевдоморфозу по кристаллическому исходному минералу. Эти минералы первоначально образовывались в кристаллической форме, но их структура затем разрушилась. Свидетельствами их аморфного состояния являются оптическая изотропность и отсутствие дифракции рентгеновских лучей. У метамиктных минералов отсутствует спайность; они по внешнему виду напоминают стекла и, как правило, имеют раковистый излом. При нагревании метамиктные минералы рекристаллизуются; при этом часто выделяется такое количество тепла, что минерал самораскаляется, иногда до красного каления. При рекристаллизации заметно повышается плотность минерала. Метамиктные минералы радиоактивны, т. к. содержат уран и (или) торий, хотя содержания этих элементов могут быть невысокими (1 % или менее).

При переходе в метамиктное состояние разрушается кристаллическая структура минералов под влиянием бомбардировки α-частицами. Испускаемыми при распаде радиоактивных элементов. Однако само по себе присутствие примеси радиоактивных элементов еще недостаточно для того, чтобы вызвать метамиктное состояние. Так, например, торианит (ThO₂), по-видимому, никогда не бывает метамиктных, а некоторые другие минералы, например, ортит, циркон, встречаются как в метамиктном, так и в кристаллическом состоянии.

Природные стекла – это аморфные вещества, продукты закалки расплавов.

Гели образуются при коагуляции коллоидальных суспензий. Коллоидальные суспензии представляют собой нечто среднее между истинными растворами и суспензиями. Органические соединения с крупными молекулами часто образуют коллоидальные суспензии; они возникают также в тех случаях, когда неорганические соединения нерастворимы в природных растворителях. Диаметр частиц коллоидальной суспензии может варьировать в пределах от 10^-3 до 10^-6 мм. Некоторые частицы могут быть кристаллическими, другие – аморфными. Гели образуются, когда коллоидальные суспензии теряют часть содержащейся в них воды (или всю воду); при этом образуются такие твердые гели, как опал. К природным веществам, способным давать коллоидальные суспензии, относятся глинистые минералы, гидроокислы железа (лимонит), марганца (вад), алюминия (боксит) и кремния (халцедоны, кремни). Кроме кристаллических веществ в природе широким распространением пользуются коллоиды. Коллоидами называют разнородные (дисперсные) системы, состоящие из дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсная фаза представлена мельчайшими частичками какого-либо вещества размером 10^–4–10^–6 мм, крупнее, чем ионы и молекулы, но настолько малы, что их невозможно увидеть даже под микроскопом. Каждая дисперсная частичка состоит из сотен или тысяч ионов, которые по сути представляют собой мельчайшие фрагменты кристаллов. Среди коллоидных образований различают золи и гели, которые различаются количеством дисперсной фазы. В золях твердой фазы мало, а в гелях их так много, что они слипаются между собой, образуя студенистую массу.

Некоторые минералы, первоначально затвердевшие в виде геля, можно отличить по их характерному внешнему облику; наиболее обычным свидетельством является наличие радиальных волокон, перпендикулярных поверхности исходной массы геля.

Полиморфизм и полиморфные модификации

Полиморфизм – это существование веществ одного и того же химического состава, но разной структуры. Полиморфные модификации – разные минералы. Например, графит и алмаз – морфология кристаллов и физические свойства, которых резко различны. Явление полиморфизма отражает тот факт, что кристаллическая структура определяется не только химическим составом. Каждая полиморфная модификация устойчива при своих значениях температуры и давления. Наличие в горной породе той или иной полиморфной модификации часто служит индикатором условий формирования данной породы. Образование одной полиморфной модификации из другой называют полиморфным превращением (или переходом). Скорость перехода может изменяться от очень высокой до чрезвычайно низкой. Скорость зависит от типа структурной перестройки, необходимой для превращения. Существует два типа превращений: переходы со смещением атомов (деформационные) и реконструктивные.

Переходы со смещением обратимы и протекают быстро при определенных Р и Т. Примерами таких превращений служат высокотемпературный и низкотемпературный кварц, высокотемпературный и низкотемпературный лейцит. Факт первоначальной кристаллизации высокотемпературной формы часто можно определить по внешней форме кристаллов. Как правило, высокотемпературные модификации обладают более высокой симметрией, чем низкотемпературные.

Реконструктивные превращения протекают медленно, это вызвано необходимостью разрыва связей в структуре и пространственного перераспределения атомов или ионов. Примеры: кварц – кристобалит – тридимит. В большинстве случаев высокотемпературные модификации имеют более рыхлые структуры и пониженную плотность по сравнению с низкотемпературными формами. Это вызвано повышенным тепловым движением атомов, а также вхождением в структуры примесных ионов. Подобные чужеродные ионы часто стабилизируют структуру и препятствуют ее переходу в другую модификацию при понижении температуры.

Изоструктурные минералы

Это понятие применяется к двум и более минералам, которые имеют одинаковую структуру при разном химическом составе. Их называют изоструктурными соединениями. Например, Fe₂O₃ (гематит) и Al₂O₃ (корунд), шпинель MgAl₂O₄ и магнетит Fe²⁺Fe₂³⁺O₄, рутил TiO₂, пиролюзит MnO₂ и касситерит SnO₂. Свойства и условия образования этих минералов различны, но по морфологии их кристаллы часто сходны.

Твердые растворы

Среди некоторых изоструктурных минералов есть соединения разного промежуточного состава, например, шпинель, обогащенная двухвалентным железом или магнетит, обогащенный алюминием. Такие минералы называют твердыми растворами. В зависимости от количества примесей изменяются вид, характер огранки и физические свойства кристаллов. Разные примеси входят в состав минерала при разных условиях его образования.