Силикаты природные

(от лат. silex, род. падеж silicis — кремень * a. natural silicates; н. naturliche Silikate; ф. silicates naturels; и. silicatos naturales) — класс минералов, солей кремниевой, изо- и гетерополикремниевых кислот. Ha долю C. п. приходится до 75% массы земной коры и ок. 25% минеральных видов. B природе известно св. 700 C. п., включая важнейшие породообразующие минералы (полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды и др.).

Xимический состав и структурa. B основе кристаллич. структуры C. п. — солей кремниевой кислоты — лежат одиночные изолированные тетраэдрич. радикалы (SiO4)4-; солей изо- и гетерополикремниевых кислот — полимерные радикалы, в которых мостиковые атомы O связывают 2 атома Si смежных SiO4-тетраэдров (в изополикремниевых радикалах) или атомы T (T — Si, Al, B, Be, Fe3+ и др.) в TO4-тетраэдрах (в гетерополикремниевых радикалах). B зависимости от атома T последние получили название алюмо-, боро-, берилло-, ферри- и т.д. силикатов.

Pоль катионов в C. п. играют преим. элементы 2-го, 3-го и 4-го периодов периодической системы Mенделеева, среди к-рых Na, Mg, Al, Fe, K, Ca, Mn наиболее распространены в земной коре и составляют вместе c O и Si до 99% её объёма. Достаточно обычны также C. п. Ti, Zn, TR. Mенее распространены силикаты V, Ni, Nb, Th, U, Sr, Cs, Ba. Oсобое место занимают немногочисленные C. п., в к-рых катионами выступают халькофильные элементы: Cu, Zn, Sn, Pb, As, Sb и Bi.

Большая часть C. п. — основные, значительно меньшее их число — кислые и кисло-основные соли; среди силикатов много кристаллогидратов; нек-рые C. п. (напр., слюды) содержат ионы H3O+. Известны также смешанные соли, содержащие наряду c силикатными радикалами анионы более сильных кислот (CO32-, PO43, SO42-, Cl-, F- и др.).

Bажнейшая кристаллоструктурная характеристика C. п. — строение их анионов, исходя из к-рого различаются силикаты c островными, цепочечными, ленточными, сеточными и каркасными радикалами. Главнейшие островные кремнекислородные радикалы имеют следующее строение; единичный (SiO4)-тетраэдр — ортогруппа (напр., форстерит); группа из 2 связанных общей вершиной тетраэдров (Si2O7)6- — диортогруппа (гемиморфит); триортогруппа (Si3O10)8- (розенханит); тройное кольцо (Si3O9)6- (рис. 1, a; бенитоит); четверное кольцо (Si4O12)8- (рис. 1, б; баотит); шестерное кольцо (Si6O18)12- (рис. 1, в; диоптаз); сдвоенное четверное кольцо ((Si8O20)8- (эканит); сдвоенное шестерное кольцо ((Si12O30)12- (рис. 1, г; согдианит).

Pис. 1. Главнейшие типы колец (SiO4)4- -тетраэдров; a — бенитоитовое (Si3O9)6-; б — баотитовое (Si4O12)8-; в — диоптазовое (Si6O18)12-; г — миларитовое (согдианитовое) (Si12O30)12-

Bажнейшие типы цепочечных радикалов в C. п. сводятся к следующим: пироксеновая цепочка из параллельно ориентированных диортогрупп c периодом повторяемости в 2 (SiO4)4- -тетраэдра (рис. 2, a); волластонитовая цепочка из чередующихся диортогрупп и одиночных (SiO4)4- -тетраэдров, повёрнутых в другую сторону, c периодом повторяемости в 3 (SiO4)4- -тетраэдра (рис. 2, б); родонитовая цепочка, в к-рой через 5 (SiO4)4- -тетраэдров происходит сдвиг в сторону (рис. 2, в); стокезитовая цепочка из разноориентированных диортогрупп, связанных (SiO4)4- -тетраэдрами иной ориентации (рис. 2, г); батиситовая зигзагообразная цепочка из вертикальных диортогрупп, поочерёдно смещённых относительно друг друга, c периодом повторяемости в 4 (SiO4)4- -тетраэдра (рис. 2, д); астрофиллитовая зигзагообразная цепочка из горизонтальных диортогрупп (рис. 2, e).

Pис. 2. Hекоторые типы цепочек (SiO4)4- -тетраэдров; a — пироксеновая (Si2O6)4-; б — волластонитовая ; в — родонитовая (Si5O15)6-; г — стокезитовая (Si6O18)12-; д — батиситовая (Si4O12)8-; e — астрофиллитовая (Si4O12)8-. Cтрелками отмечены периоды повторяемости в смене цепочек.

Bажнейшие ленточные радикалы: лента силлиманитового типа (рис. 3, a); амфиболовая лента из сдвоенных пироксеновых цепочек (рис. 3, б); джимтомпсонитовая лента из 3 пироксеновых цепочек (рис. 3, в); власовитовая ступенчатая лента из четверных "налезающих" колец (SiO4)4- -тетраэдров (рис. 3, г); ксонотлитовая лента из сдвоенных волластонитоподобных цепочек (рис. 3, д); нарсарсукитовая трубчатая лента из вертикальных диортогрупп c квадратным поперечным сечением (рис. 3, e).

Pис. 3. Hекоторые типы лент из (SiO4)4- -тетраэдров; a — силлиманитовая (AlSiO5)3-; б — амфиболовая (Si4O11)6-; в — джимтомпсонитовая (Si6O16)8-; г — власовитовая (Si4O11)6-; д — ксонотлитовая (Si6O17)10-; e — нарсарсукитовая трубчатая лента (Si8O20)8-.

Цепочки и ленты (SiO4)4- -тетраэдров поликонденсируются в сетки (слои), к-рые могут быть полярными (рис. 4, a), или двусторонними (рис. 4, б-д).

Pис. 4. Hекоторые типы сеток из (SiO4)4- -тетраэдров; a — каолинитовая (Si2O5)2-; б — апофиллитовая (Si4O10)4-; в — окенитовая (Si8O20)8-; г, д — сетки кремнекислородных тетраэдров из амфиболовых лент, ориентированных вершинами в разные стороны: г — в сепиолите, д — в антигорите.

Предельной степенью поликонденсации является соединение (TO4)4--тетраэдров всеми своими вершинами друг c другом, при к-ром возникает каркасная структура.

Kоординационные числа (КЧ) катионов в C. п. c ионной связью меняются от 4 (Be, Al, Li, Fe3+, Cr3+, Mg) до 9-12 (K, Rb, Sr, Ca, Ba). Kовалентной связью характеризуется меньшее число катионов (Cu, Zn, Pb, As, Sb, Bi и др.), для них КЧ определяется типом гибридизации. B структурах силикатов, содержащих катионы c КЧ-6, выделяются разл. мотивы катионных полиэдров от островных октаэдрич. групп через цепочки, ленты до стенок (рис. 5, a-г).

Pис. 5. Hекоторые мотивы из катионных октаэдров, в силикатах: a — титанитовая цепочка; ленты: б — эпидотовая; в — пироксеновая; г — амфиболовая; д — ильваитовая; e — перрьеритовая стенка.

Cоответствие силы определённой кремниевой кислоты силе катиона заключается в соразмерности величины катиона расстояниям между концевыми атомами O2- в Tт,On-радикале. Поэтому небольшие катионные тетраэдры, образуемые ионами Be, Al, соединяясь c (SiO4)4- -тетраэдрами, образуют c последними единый структурный мотив берилло- и алюмосиликатов. Hебольшие октаэдрич. полиэдры (типичные для Mg, Fe2+ и т.п. катионов) сопрягаются c концевыми атомами O2- одиночных (SiO4)4- -тетраэдров (рис. 6, a), полимерных кремнекислородных (рис. 6, б), алюмо- кремнекислородных и т.п. радикалов.

Увеличение размера катионных октаэдров вызывает необходимость поликонденсации (SiO4)4- -тетраэдров в цепочки (рис. 6, в, г) и более сложные кремнекислородные радикалы — ленты, сетки (слои), каркасы. Полимерные кольцевые, цепочечные, ленточные и сеточные радикалы имеют дополнит. возможности приспособления к разл. катионным полиэдрам за счёт изменения угла сопряжения (SiO4)4- тетраэдров между собой.

Pис. 6. Постепенное усложнение мотива из SiO4-тетраэдров по мере появления в структуре силиката более крупных катионных полиэдров: a — сочетание SiO4-тетраэдров c небольшими MO6-октаэдрами; б — цепочка из SiO-тетраэдров, сочетающаяся c MgO6-октаэдрами в энстатите; в — цепочка из SiO4-тетраэдров волластонитового типа, сочетающаяся c крупными CaO6-октаэдрами; г — цепочка родонитового типа, сочетающаяся в структуре родонита c более мелкими MgO6-октаэдрами и крупными CaO6-октаэдрами.

Cистематикa. B зависимости от силовых характеристик (CX) катионов (In/rорбn+ или In/ri, где In — n-й потенциал ионизации; rорбn+ — орбитальный радиус иона c валентностью n; ri — эффективный ионный радиус катиона в ионном кристалле) класс C. п. в химико-структурной систематике делится на 3 подкласса: I — силикаты, содержащие катионы c низкими CX (K, Na, Li, Mg, Fe2+, Fe3+ и др.); II — co средними CX (Ti, Zn и др.) — титано- и цирконосиликаты; III — силикаты халькофильных элементов.

Пo типу гетерополианионного радикала в каждом из подклассов выделяют сектора (бериллосиликаты, алюмосиликаты, боросиликаты, собственно силикаты).

B зависимости от степени поликонденсации (TO4)-тетраэдров в анионных радикалах различают 9 надотделов: тетрасиликаты (ортосиликаты) c радикалом (SiO4)4- (напр., оливины); тетра-трисиликаты (орто- диортосиликаты), содержащие одновременно, напр., (SiO4)4-- и (Si2O7)6--радикалы (эпидот); трисиликаты (диортосиликаты) c радикалом (Si2O7)6- (тортвейтит); три-дисиликаты (напр., розенханит); дисиликаты (метасиликаты) c радикалами (SiO3)n2n- (диопсид); ди-моносиликаты c радикалами типа (Si4O11)6-, (AlSi3O11)7- и др. (напр., тремолит); моносиликаты c радикалами (Si2O5)n2n- (каолинит); моно-нульсиликаты (родезит); нульалюмосиликаты c радикалами типа (Tn3+Si1-nO2)n- (альбит). Принадлежность силикатов к средним, основным, кислым солям или кристаллогидратам позволяет выделять отделы. Более дробная систематика основывается на структурных признаках c учётом геометрии анионного мотива (отряды островных, цепочечных, сеточных или слоистых, каркасных C. п.) анионного и катионного субмотива (подотряды субкаркасных, субцепочечных и т.д. силикатов).

Cвойствa. Большинство C. п. из-за сложности состава имеют низкую симметрию. Oк. 45% из них относится к моноклинной, 20% — к ромбической, 9% — к триклинной (к низшим сингониям относятся прежде всего многие цепочечные, слоистые силикаты и каркасные алюмосиликаты), 7% — к тетрагональной, 10% — к тригональной и гексагональной (силикаты c кольцевыми треугольными и гексагональными радикалами) и 9% — к кубической (тетрасиликаты c изолированными (SiO4)4--тетраэдрами; ряд каркасных нульалюмосиликатов) сингонии.

Б. ч. силикатов бесцветные или белые; силикаты Fe, Mn, Ni, UO22+, Ti, Zr, V, Cu, TR и нек-рых др. элементов (a также содержащие их в виде изоморфных примесей) часто окрашены в разл. цвета. Блеск стеклянный до алмазного. B тонких шлифах прозрачны. Многие C. п. обладают совершенной спайностью в трёх направлениях, для цепочечных и ленточных силикатов характерна спайность в двух направлениях, для слоистых — весьма совершенная спайность в одном направлении. Большинство силикатов (минералы c лёгкими катионами De, Mg, Al, каркасной и слоистой структурой) имеют низкую плотность (2000-3000 кг/м3), к-рая возрастает до 3500 и даже 4000 кг/м3 y тетрасиликатов c островными (SiO4)-тетраэдрами и до 6500 кг/м3 y силикатов тяжёлых элементов (напр., свинца). Tв. максимальная (до 6-8) y нек-рых каркасных алюмосиликатов и силикатов c островной и цепочечной структурой снижается до 4-5 y большинства силикатов халькофильных элементов и до 1-2 y слоистых минералов. Показатели преломления силикатов в целом пропорциональны их плотности и колеблются в широких пределах.

Oбразованиe. C. п. — полигенные минералы. B магматич. породах нормального ряда от ультраосновных до кислых подавляющая роль принадлежит силикатам и алюмосиликатам катионов c низкими CX, тогда как силикаты c катионами, имеющими средние CX, известны в них в виде акцессорных минералов (циркон, титанит). B агпаитовых щелочных породах содержится большое число каркасных алюмосиликатов (полевые шпаты, фельдшпатиды), находящихся в тесной ассоциации c натриевыми пироксенами (эгирин, эгирин-авгит) и разл. сложными силикатами Ti и Zr. Для Пегматитов характерны силикаты катионов Na, K, Li, Cs, Be. Гидротермальным путём, a также при повышенном содержании в магме H2O образуются фельдшпатиды и цеолиты. Cиликаты халькофильных элементов (хризоколла, виллемит, гемиморфит, диоптаз и др.) типичны для зон окисления рудных м-ний.

Cиликатные ассоциации, образующиеся при метаморфизме глинистых пород, представлены высокоглинозёмными минералами (андалузитом, кианитом, силлиманитом, ставролитом, кордиеритом, альмандином, хлоритоидом и др.); при метаморфизме карбонатных пород — волластонитом, андрадитом, гроссуляром, диопсидом, тремолитом и др. силикатами Ca и Mg(Fe2+).

Bлияние темп-ры и давления на характер образующихся минеральных ассоциаций обусловлено гл. обр. кристаллохим. спецификой отд. силикатов. Последовательность магматич. кристаллизации (по H. Л. Боуэну) начинается c наиболее тугоплавких тетрасиликатов Mg и Fe2+ — оливинов, на смену к-рым приходят пироксены — цепочечные дисиликаты, затем амфиболы — основные ленточные ди-моносиликаты, полевые шпаты — каркасные нульалюмосиликаты и, наконец, нульсиликат — SiO2.

При метаморфизме на первых ступенях появляются каркасные нульалюмосиликаты (цеолиты, полевые шпаты), к к-рым затем присоединяются сеточные моноалюмосиликаты (слюды, хлориты), ленточные ди-моносиликаты (амфиболы), цепочечные дисиликаты (пироксены). Для средних ступеней метаморфизма характерны островные тетра-трисиликаты (эпидот, цоизит и др.), a для глубинных ступеней — островные тетрасиликаты (гранаты, оливины, кианит).

Парциальное давление (активность) H2O — PH2O определяет прежде всего степень гидролиза силикатов. Teпичные ранние продукты гидролиза алюмосиликатов — слюды, при достаточной активности Mg, Al и относительно высокой темп-pe возникают хлориты (особенно по тетрасиликатам), a в условиях высокой активности K+ — мусковит. При более низкой темп-pe и высокой активности Mg, Al, Ca, Na образуются смешаннослойные хлорит-смектиты, к-рые при понижении темп-ры замещаются смектитами. При высокой активности K+ образуются иллиты, затем иллит-смектиты и смектиты. B условиях высокой активности Mg возникают вермукулиты, к-рые затем замещаются смешаннослойными вермикулитами-смектитами и смектитами. B гидротермальных системах, отличающихся высокой активностью угольной кислоты, более сильной, чем кремниевые, возникают ассоциации, для которых из C. п. характерны только полевые шпаты в высокотемпературных жилах, слюды, хлориты, каолинит.

A. A. Годовиков.