06. Силикаты: общая характеристика и подклассы

35. Общая характеристика класса силикатов, подразделение на подклассы по структуре

Общие сведения

• Силикаты + алюмосиликаты — обширнейшая группа; видов >1000.
• Доля в литосфере >75% (по Ферсману) всех минералов; 40% широко распространены.
• Главные породообразующие (полевые шпаты, слюды, оливин, пироксены, амфиболы); самые распространённые в природе — полевые шпаты.

Химизм

• Главные элементы: O, Si, Al, Fe, Mg, Mn, Ca, Na, K + Li, B, Be, Ti, Zr, REE.
• Добавочные анионы: (OH), F, Cl.
• Типы воды: кристаллизационная, цеолитная, межслоевая, адсорбционная.
• Халькофильные (Cu, Zn, Pb) не характерны; лишь в зонах окисления сульфидных м-ний образуют самостоятельные силикаты.
• Изовалентные замещения: Mg²⁺=Fe²⁺ (оливин); Al³⁺=Fe³⁺ (гранат); Ca²⁺=Mn²⁺ (волластонит); (OH)⁻=F⁻ (топаз, слюда).

Структуры (тезисно)

• Четвертичная координация; тетраэдр SiO₄ (кубический); связь Si–O ковалентная, «радикал–ион» ионная.
• Связь тетраэдров через катионы; возможна полимеризация (конденсация) с образованием анионных группировок.

Подклассы (по способу сочленения тетраэдров)

Свойства по подклассам

• Островные и каркасные: изометричные зёрна/кристаллы, куб./ромб. сингония.
• Кольцевые и ленточные: удлинённые, тонковолокнистые кристаллы.
• Островные: плотная упаковка → max плотность и твёрдость; K, Na нехарактерны; Al не замещает Si в анионной части; спайность отсутствует.
• Каркасные: наименее плотные и твёрдые.
• Слоистые: уплощённые зёрна; min твёрдость (слюды, тальк, каолинит); твёрдость ↓ от слоистых с ионной связью к слоистым с ван-дер-ваальсовой (хлориты, тальк); совершенная спайность.
• Цвет: сами минералы белые/серые; окраска — дефекты структуры или хромофоры: Fe²⁺, Cr³⁺ — зелёный; Fe³⁺, Ti⁴⁺ — бурый; Fe³⁺, Cr³⁺ — красный; Fe²⁺, Fe³⁺ — синий; Mn²⁺ — розовый.

36. Островные силикаты, характеристика. Представители

• Структура близка к плотнейшей упаковке → наибольшая плотность и твёрдость.
• Структурная единица — изолированные тетраэдры [SiO₄]⁴⁻; ни один O не является общим для соседних тетраэдров.
• Катионы: Mg²⁺, Fe²⁺, Ca²⁺ (преобладают), Al³⁺, Fe³⁺, иногда Be²⁺, Ti⁴⁺, Zr⁴⁺; Na, K — исключение.
• Al практически никогда не входит в позиции КЧ=4 (не замещает Si в тетраэдрах).
• Изометричные зёрна; бесцветные/слабоокрашенные; интенсивная окраска только при ионах-хромофорах.

Представители

Оливин

• Непрерывный изоморфный ряд форстерит Mg₂[SiO₄] → оливин (Mg,Fe)₂[SiO₄] → фаялит Fe₂[SiO₄]; ромб. сингония.
• Облик: изометрические зёрна, зернистые до сливных массы; кристаллы короткостолбчатые, уплощённые.
• Цвет: форстерит — желтоватый/сероватый; оливин — оливково-зелёный; фаялит — тёмно-зелёный до чёрного. Прозрачный жёлто-зелёный — хризолит.
• Блеск стеклянный; спайность средняя; хрупкий; излом раковистый до ступенчатого; H=6,5–7; черта зеленоватая, желтоватая.
• Генезис: типичный гипогенный; породообразующий ультраосновных/основных пород; скарны, метаморфические процессы.
• Ассоциации: оливин + пироксены, серпентин; форстерит + диопсид, шпинель, флогопит, карбонаты; фаялит + железистые минералы, иногда кварц (гранит-рапакиви).
• Обычен в метеоритах; установлен в лунном грунте и плотных лунных породах.
• Изменение: уже при магматической кристаллизации реагирует с расплавом Mg₂[SiO₄]+SiO₂=Mg₂[Si₂O₆] → кайма пироксена; гидротермально → серпентинизация, оталькование; в поверхностных условиях легко выветривается.

37. Группа гранатов

• Общая формула R²⁺₃R³⁺₂[SiO₄]₃; R²⁺=Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺; R³⁺=Fe³⁺, Al³⁺. Куб. сингония.
• Группы: пиральспиты (Al-гранаты): пироп, альмандин Fe₃Al₂[SiO₄]₃, спессартин; уграндиты (Ca-гранаты): уваровит, гроссуляр Ca₃Al₂[SiO₄]₃, андрадит Ca₃Fe₂[SiO₄]₃.

• Непрерывные изоморфные ряды: пироп–альмандин; гроссуляр–андрадит.
• Цвет: пироп — тёмный кроваво-красный, часто прозрачен; альмандин — тёмно-/буро-красный со слабым синеватым или фиолетовым оттенком, иногда полупрозрачен/прозрачен; андрадит — красно-бурый; гроссуляр — зелёный, серо-зелёный, зеленовато-бурый.
• Диагностика: изометричные зёрна + додекаэдрические кристаллы, отсутствие спайности, высокая твёрдость.
• Генезис: гипогенные. Пироп — характерный минерал кимберлитов; альмандин — самый распространённый в природе гранат, акцессорный минерал кислых интрузивов/эффузивов, обычен в гранитных пегматитах, метаморфических кристаллических сланцах и гнейсах; андрадит-гроссуляровый ряд — скарны (ассоциация: кальцит, магнетит, эпидот, тремолит, актинолит, гематит, диопсид и др.).

38. Цепочечные силикаты, их характеристика. Представители

• Представлены пироксенами и амфиболами; ~16% веса земной коры.
• Характерные катионы Fe²⁺, Mg²⁺; анионный радикал [Si₂O₆]⁴⁻.
• Цепочки/ленты ориентированы параллельно оси вытянутости кристаллов; анионные радикалы соединены через вершины тетраэдров катионами Fe²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺.
• Пироксеновая цепочка [Si₂O₆]∞; у амфиболов двойные цепочки-ленты [Si₄O₁₁]⁶⁻ с группами OH⁻ в центре каждого кольца ленты.
• Состав: Mg²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Ca²⁺, Na⁺, Al³⁺, Mn²⁺.
• Изоморфизм: Mg²⁺+Si⁴⁺ = Al³⁺(КЧ=4, позиция Si)+Al³⁺(КЧ=6, позиция Mg); 2Ca²⁺(Mg²⁺,Fe²⁺) = Na⁺+Fe³⁺/Al³⁺ (КЧ=4)/(КЧ=6).

Отличия от ортосиликатов (оливина)

1. Больше SiO₂ (при недостатке SiO₂ в расплаве образуется оливин).
2. Существенная роль Ca (в ортосиликатах ничтожна) → двойные соединения (диопсид, тремолит).
3. Примеси Al₂O₃, Na₂O, иногда Fe₂O₃ (ортосиликаты почти чистые).

Особенности подкласса (главное)

1. Индивиды вытянуты в одном направлении: связь Si–O–Si прочнее (менее полярна), чем ионная связь O с катионами между цепочками → раскол вдоль оси c легче, чем разрыв цепочек.
2. Спайность резче, чем у ортосиликатов; устанавливается по призме согласно вытянутости.
3. Уд. вес меньше, чем у оливина (менее плотная упаковка).

Общие свойства пироксенов и амфиболов

Различия пироксены vs амфиболы

39. Группа пироксенов

• Моноклинные: в основном двойные и более сложные соединения; катионы — Mg²⁺+Fe²⁺ (замещают друг друга) + Ca²⁺, либо Na⁺(Li⁺)+Fe³⁺/Al³⁺.
• Авгит: кроме (Mg,Fe) и Ca — Al, Fe³⁺, иногда Ti⁴⁺; часть Al замещает Si в цепочках (фактически алюмосиликат); рост отрицательного заряда цепочек компенсируется вхождением более высоковалентных катионов.
• Ромбические: метасиликаты Mg и Fe; непрерывный изоморфный ряд Mg₂[Si₂O₆]–Fe₂[Si₂O₆]; широко распространены магнезиальные и магнезиально-железистые разности.
• Генезис: ультраосновные составы — перидотиты; основные — габбро, базальт; типичны в породах глубокого метаморфизма; эгирин — щелочные породы; сподумен — только гранитные пегматиты; моноклинные (диопсид, геденбергит) и пироксеноиды — типичные минералы скарнов.
• Скарн — контакт гранитной интрузии и карбонатной толщи.
• Пироксеноиды: радикал [SiₙO₃ₙ]: волластонит Ca₃[Si₃O₉]; родонит CaMn₄[Si₅O₁₅].

40. Группа амфиболов

• Структурная единица — сдвоенные цепочки (ленты) [Si₄O₁₁]⁶⁻ (не Si₄O₁₂, как для метасиликата); оставшийся O входит в одновалентный анион [OH]⁻ → общий заряд анионного комплекса −7.
• Отсюда формулы: антофиллит Mg₇[Si₄O₁₁]₂[OH]₂ (Mg — 7, не 8 как по MgSiO₃); тремолит Ca₂Mg₅[Si₄O₁₁]₂(OH)₂.
• Отношение Са:Mg(Fe)=2:5 (в пироксенах — 1:1) — существенное отличие от пироксенов.
• В двойных соединениях, богатых трёхвалентными (Al, Fe) и одновалентными (Na, K): (Ca,Na):(Mg,Fe,Al,Fe)=3:5; часть Al³⁺ замещает Si⁴⁺ в цепочках; для компенсации — дополнительные щёлочи по схеме Si⁴⁺ → Al³⁺+Na⁺; отношение Al:Si в цепочках обычно ≤1:3.
• Общая формула роговой обманки: (Ca,Na)₂₋₃(Mg,Fe,Al)₅[(Si,Al)Si₃O₁₁]₂[OH]₂.

Признаки (тезисно)

• Асбестовые агрегаты; плотные массы — нефрит.
• Продукты магматической кристаллизации; региональный метаморфизм; в скарнах — роговая обманка, тремолит, актинолит.
• Поздние гидротермальные процессы → изменение в биотит, хлорит, серпентин.
• Спайность 56°; твёрдость 5,0–5,5.

41. Слоистые силикаты и алюмосиликаты, их характеристика. Представители

• В составе всегда гидроксил-ион OH (2 или 8 шт.), нередко с F.
• Катионы при гидроксильных группах: Mg²⁺ и Al³⁺ (бруситовый и гиббситовый слои), связаны с тетраэдрическим слоем остаточной связью; заместители — Fe²⁺, Ni²⁺, (Mn²⁺), Li⁺, Fe³⁺.
• При частичной замене SiO₄ на AlO₄ входят крупные катионы K⁺, Na⁺, Ca²⁺ и молекулы воды как связующие между слоистыми пакетами.
• Слоистость → расщепление на тонкие листочки (степень упругости зависит от состава); совершенная спайность.
• Свойства (тезисно): многие породообразующие; слюды — в гранитах, пегматитах, сланцах, гнейсах, грейзенах; глинистые минералы — основа коры выветривания, входят в осадочные породы.
• Структура: четвёртые кислороды направлены в одну сторону; активные (вершинные) O соединяются через катионы; обязательны OH-группы; тетраэдрический слой + бруситовые/гиббситовые = нейтральные пакеты; межпакетная связь ван-дер-ваальсова; низкая твёрдость; форма слюдоподобная, листоватая; агрегаты чешуйчатые, таблитчатые, скрытокристаллические; могут служить ионообменниками.

Типы пакетов

• Гидрослюды: K⁺ выходит, вместо него ион оксония H₃O⁺ или [MgOH]⁺.
• Генезис: магматический; контактово-метасоматический (скарны); метаморфический; продукты гидролиза островных, цепочечных, каркасных, слоистых алюмосиликатов.
• Гидролиз: K[AlSi₃O₈] + H₂O = KAl₂AlSi₃O₁₀₂ + SiO₂ (КПШ + вода = мусковит + кварц).