Что такое минерал.
По существу практически любой минеральный индивид содержит, хотя бы в очень незначительной концентрации, изоморфные примеси, т. е. представляет собой твердый раствор замещения, внедрения или вычитания, ограниченный весьма узкими пределами смесимости. Подобный ограниченный изоморфизм лежит, в частности, в основе возникновения в минералах центров окраски и центров люминесценции, связанных с вхождением в кристаллическую структуру минералов малых количеств примесных ионов — хромофоров и люминофоров, изоморфно замещающих ионы видообразующих элементов и "ответственных" за цвет или свечение очень многих минералов (см. главу 6). Наряду с такими широко распространенными проявлениями ограниченного изоморфизма среди минералов известны, как уже отмечалось выше, многочисленные примеры неограниченного изоморфизма с образованием непрерывных или почти непрерывных (особенно при высоких температурах) двойных (бинарных) изоморфных рядов, а также тройных и более сложных изоморфных серий. Правда, сплошь и рядом такие ряды (серии) твердых растворов, непрерывные при своем образовании (в высокотемпературных условиях), в дальнейшем, по мере понижения температуры, могут становиться прерывистыми, т. е. в некоторых интервалах составов твердые растворы претерпевают распад — вначале на микроскопическом или даже субмикроскопическом уровне, а затем это иногда становится заметным и макроскопически — хотя бы косвенно, по сопровождающим распад оптическим эффектам, таким как иризация (цветовой отлив) полевых шпатов — лабрадорита и олигоклазового лунного камня (перистерита). Новейшими высокоразрешающими методами минералогических исследований подобные разрывы смесимости обнаружены во многих изоморфных рядах, ранее считавшихся непрерывными (плагиоклазы, пи-роксены, вольфрамит, колумбит—танталит и др.).
Вообще применение многих случаях элементы-примеси в минералах, долго считавшиеся изоморфными, оказались связанными с мельчайшими (субмикроскопическими), часто равномерно распределенными в объеме матрицы минерала механическими включениями других минеральных фаз или же с газово-жидкими и многофазными включениями (представленными солевыми растворами и/или продуктами их — либо расплавов — последующей раскристаллизации). Такие включения (в том числе мельчайшие пузырьки, заполненные крошечными фрагментами минералообразующей среды, и дисперсные частицы посторонних минералов) могли быть захвачены матрицей кристаллизующегося минерального индивида в процессе его роста, попасть в нее в ходе совместной кристаллизации или впоследствии, по тончайшим трещинкам и канальцам (порам). В отдельных случаях включения, возможно, представляют собой законсервированные остатки тех соединений, в форме которых химические элементы, слагающие матрицу минерала, переносились (или, как принято говорить, транспортировались) минералообразующими растворами; в других случаях, весьма многочисленных и достоверно документированных, твердофазные включения, закономерно ориентированные в матрице и образующие специфические узоры, возникли как продукты распада высокотемпературных твердых растворов. Включения могут быть представлены и реликтами первичных минералов во вторичных, сохранившимися вследствие неполного замещения, либо, наоборот, мелкими зернышками вторичных минералов или продуктов окисления, проникшими в матрицу первичных минералов на начальной стадии их изменения. Это могут быть, наконец, дисперсные фазы, появившиеся при переходе минералов в метамиктное состояние (см. п. 1.13). Между механическими микровключениями и изоморфными примесями нередко существуют закономерные связи, подчас весьма сложные, непрямые и к тому же сильно затушеванные на протяжении длительной истории существования минерального индивида. Изначально возникшие изоморфные смеси (смешанные кристаллы, твердые растворы) распадаются с образованием микровключений, обусловливающих специфическое внутреннее строение минералов и их микронеоднородность; наоборот, первоначально сорбированные кристаллом примеси .
Как бы то ни было, проявлениям изоморфизма в реальных минералах приписывалось слишком многое. Но лишь в последние годы минералоги получили в свои руки высокоразрешающие приборы и методы, которые позволяют надежно отличать изоморфные примеси от механических микровключений и тем самым, наконец, избавиться от всевозможных спекуляций, связанных с проблемой изоморфизма, а самое главное — от ошибок при интерпретации химических анализов, ранее казавшихся неизбежными. Ведь результаты таких анализов, даже микрохимических, обычно фиксируют валовой состав минеральных систем, и для уточнения состава самой матрицы минерала следовало бы вычесть из данных анализов все, что в них приходится на долю микровключений.
На очереди у нас — знакомство, пусть и самое беглое, "шапочное", с метамиктными минералами. Существуют в минеральном мире такие странные, удивительные и долго казавшиеся загадочными образования: поглядеть на них снаружи — настоящие кристаллы, часто правильной формы, а внутри — стекло стеклом (иногда, впрочем, они больше напоминают смолу или клей). Впервые на них обратил внимание еще в конце XIX века видный норвежский минералог В.Брёггер, который и назвал в 1893 году подобные минералы "метамиктными". По его словам, это название, относящееся к особому классу аморфных веществ, которые не являются ни стеклами, ни твердыми гелями, произведено "от греческого метамигни-ми — изменение путем смешивания, т. е. путем перегруппировки молекул с образованием структуры, отличной от первичной кристаллической структуры". Как мы скоро убедимся, в своей трактовке природы метамиктного состояния вещества Брёггер был очень близок к истине, хотя и не располагал современными методами исследования.
Сегодня мы знаем, что переход минералов в метамик-тное состояние (метамиктизация) представляет собой нарушение их кристаллической структуры, выраженное в смещении структурных единиц (атомов, ионов) с их позиций в решетке. При этом возникают вакансии — незаполненные узлы кристаллической решетки — и появляются атомы в междуузлиях. Исчезает правильная пространственная (трехмерная) периодичность структуры; фактически происходит частичное или полное ее разрушение, сопровождаемое аморфизацией кристаллического вещества.
Метамиктные минералы — это, как правило, минералы сложного, многокомпонентного состава: сложные оксиды, и том числе титанаты (браннерит, давидит) и титанотанта-лониобаты (фергусонит, самарскит, иттротанталит, пирох-лор, бетафит, лопарит и многие другие), редкоземельные силикаты (алланит, бритолит, гадолинит и др.), а также циркон, обогащенный редкими землями. Как правило, все эти минералы содержат, хотя бы в небольших количествах, уран и/или торий, либо находились длительное время в тесных срастаниях с сильно радиоактивными минералами. Собственные минералы радиоактивных элементов — такие, как урановая смолка (настуран) UO2, торит ThSiO4, коффи-нит U(SiO4)1.x(OH)4x и др. — могут подвергаться метамикти-зации даже при простом составе.
При переходе в метамиктное состояние минерал полностью сохраняет внешнюю форму кристаллов (если, конечно, он имел ее при своем образовании), но становится, хотя бы местами, в отдельных участках, оптически изотропным (независимо от его симметрии) и рентгеноаморфным (т. е. не дает ретгеновской дифракционной картины) — полностью или частично. В последнем случае имеет место частичная метамиктизация. Оптической изотропизации и частичной мета-миктизации подвергаются, в частности, слюды, амфиболы и некоторые другие породообразующие силикаты вокруг включений зерен радиоактивных минералов (в пределах так называемых плеохроичных двориков, или плеохроичных ореолов).
<1> <2> <3> <4> <5> <6> <7> <8> <9> <10> <11> <12> <13> <14> <15>