Если приведенные размеры осей сравнить с размерами осей диопсида, то станет очевидно, что а и с одинаковы для обеих структур, так же как и угол β, в то время как ось b в термолите вдвое больше, чем в диопсиде. Таким образом, площадь элементарной ячейки в проекции на (010) одинакова для обоих кристаллов. Уоррен показал также, что в термолите и диопсиде все рефлексы от плоскостей, перпендикулярных (010), соответствуют друг другу как по интенсивностям, так и по положениям. Это означает, что структуры тремолита и диопсида совершенно идентичны в проекции на плоскость (010). Различие между этими структурами заключается лишь в расположении атомов в направлении оси b. На фиг. 162 показано, каким путем структура тремолита может быть выведена из структуры диопсида. Верхняя часть рисунка представляет собой структуру диопсида в проекции на (001), причем направление проекции параллельно оси с. Взглянем теперь на структуру диопсида вдоль направления кремнекислородных цепочек, т. е. в направлении оси с; при этом цепочки будут иметь вид, показанный на фиг. 157, б. Предположим теперь, что вблизи основания рисунка проведена плоскость RR, и вместо того, чтобы продолжаться, как в диопсиде, структура отражается в этой плоскости, как это показано на фиг. 162. В результате отражения происходит удвоение кремнекислородных цепочек, т. е. от цепочек, показанных на фиг. 157, б, они переходят в ленты, показанные на фиг. 157, д. Получаемая таким образом структура в сущности соответствует структуре тремолша. хотя между этими структурами имеются некоторые незначительные различия, которые будут рассмотрены ниже. Приведенная на фиг. 162 структура выше уровня RR отвечает структуре диопсида, а ниже уровня R'R' — структуре тремолита. В тремолите R'R' также должен был бы отвечать плоскости симметрии. Результатом отражения в этой плоскости явилось удвоение оси b тремолита по сравнению с осью b диопсида. Структура диопсида показана на фиг. 163.
Уоррен установил, что актинолит, грюнерит и роговая обманка обладают структурами, сходными со структурой тремолита.
Антофиллит, (Mg, Fe)7Si8O22(ОН)2. Исследование антофиллита, проведенное Уорреном и Моделлом (Warren, Modell, 1930), позволило получить для этого минерала следующие кристаллографические данные:
Выше уже отмечалось, что удвоение структуры, показанное на фиг. 138, а,б, приводит к переходу моноклинного минерала диопсида в ромбический минерал энстатит. При этом размер оси а увеличивается с 9,71 до 18,20 Å. Диопсид, характеризующийся одинарными цепочками из тетраэдров, превращается в тремолит при спаривании этих цепочек путем отражения в плоскости, параллельной (010). При этом происходит удвоение длины оси b от 8,89 Å для диопсида до 17,8 Å для тремолита. В структуре антофиллита имеет место сочетание этих двух процессов, в результате чего образуется ромбический амфибол с указанными выше параметрами решетки. Половина элементарной ячейки антофиллита показана на рис. 164; действительная ось а в два раза больше горизонтального ребра ячейки, изображенного на фигуре.
Взаимоотношения между элементарными ячейками пироксенов и амфиболов. Исследования, проведенные Уорреном, помогли установить связь между элементарными ячейками пироксенов и амфиболов. Ниже приведены размеры элементарных ячеек для четырех типичных минералов.
Формы элементарных ячеек показаны на фиг. 165. Если принять за единичные следующие средние значепия: а 9,7 Å (а' = 9,7 X sin 74° = 9,3 Å), м 8,8 Å, с 5,25 Å, то длины осей можно представить следующим образом:
Спайность в пироксепах и амфиболах. Уоррен показал, что различия в характере спайности в пироксенах и амфиболах обусловлены различиями в формах кремнекислородных цепочек и лент. Спайность в этих минералах проходит параллельно длине цепочек и лент. Это, очевидно, объясняется тем, что сильные кремнекислородные связи гораздо труднее поддаются разрыву, чем связи между Са или Mg и О, удерживающие цепочки (ленты) вместе. На фиг. 166 схематически представлены элементарные ячейки диопсида и тремолита в проекции на (001). Цепочки (ленты) располагаются в блоках, выделенных на рисунке тонкими линиями. Эскизы, приведенные слева, показывают, что в амфиболе подобные блоки более вытянуты в вертикальном направлении b, чем в пироксене. Спайность в обоих минералах проходит в диагональном направлении, не пересекая при этом цепей; на рисунке она показана жирной линией. Плоскости спайности, таким образом, параллельны (110) в обоих кристаллах. Мотив, вычерчиваемый жирными линиями на рисунке, помогает понять, почему угол между трещинками спайности равен 98° в диопсиде и 56° в тремолите.
Так как проекции ромбического энстатита и моноклинного диопсида на (001) сходны между собой и так как то же самое справедливо для антофиллита и тремолита, то совершенно очевидно, что эти два типа углов между плоскостями спайности отличают все пироксены от всех амфиболов.
Состав амфиболов. На примере амфиболов, как отмечалось еще Уорреном, очень хорошо видно, каким образом знание кристаллической структуры вещества помогает определить его химический состав и характер изоморфных замещений.
Классический химический состав амфибола CaMg3(SiO3)4 не согласуется с его структурой, определенной рентгенострукгурным анализом. Кремнекислородные ленты в амфиболе обладают составом (Si4O11)-6, в чем можно убедиться, подсчитав число атомов кремния и кислорода в двойных цепочках, показанных на фиг. 157, г. Если бы приведенная выше формула была справедлива, то содержание элементарной ячейки выражалось бы как 2[O2Ca2Mg6Si8O22]; два атома кислорода следовало бы выделить из кремнекислородной группы с целью показать, что они не входят в состав кремнекислородных лент. Все атомы, вошедшие в эту формулу, можно разместить в элементарной ячейке тремолита (моноклинный амфибол), изображенной на фиг. 163. При этом атомы кислорода, не связанные с кремнием, вошли бы в положения, занятые на рисунке группой ОН, а атомы кальция и магния заняли бы не только положения, отмеченные как Са и Mg, но и положения, отмеченные как АА' и показанные на рисунке пунктирными кружками. Однако подобное расположение атомов кислорода и магния противоречит правилу Паулинга о координации атомов в неорганических соединениях. Атомы кислорода, располагающиеся в местах ОН, в подобной ситуации оказались бы связанными только с тремя атомами магния, и связи, направленные от этих атомов магния к кислороду, скомпенсировали бы лишь один из двух зарядов О-2. Кроме того, атом магния в положении А имел бы в ближайшем окружении только два атома кислорода, уже связанные с двумя атомами кремния, полностью ^компенсирующими валентность кислорода.
Таким образом, анализ структуры амфибола показывает, что приведенная выше формула должна быть несколько изменена. Совершенно очевидно, что два атома кислорода, не связанные с кремнием, в действительности отвечают одновалентным ионам гидроксила ОН-. При этом полностью удовлетворяется правило Паулинга: три атома Mg, находящиеся вблизи иона ОН-, целиком компенсируют его заряд. Далее, замена О2 на (ОН)2 снижает число атомов магния, необходимых для соблюдения баланса электростатических зарядов, с шести до пяти. В результате отпадает необходимость в размещении атомов магния в положениях А, А'. Таким образом, формула амфибола тремолита может быть представлена как Ca2Mg5(Si4O11)2(OH)2. При подсчете состава чистого тремолита на основе этих двух формул выявляются следующие различия:
Уоррен подсчитал среднее содержание этих окислов из пяти анализов, взятых у Аллена и Клемента (Allen, Clement, 1908), сгруппировав при этом ионы (Si, Al), (Mg, Fe), (Са, Na, К) и (ОН, F) как изоморфные.
При этом оказалось, что полученный химический состав находится в гораздо большем соответствии с новой измененной формулой, чем со старой. К аналогичному выводу пришел также Кунитц (Kunitz, 1929) на основании сопоставления химических анализов большого числа образцов амфиболов.
Анализ содержания отдельных компонентов в тремолите и актинолите показывает, что общее число атомов металла, связывающих в этих минералах SiO4-ленты, равно семи, а не восьми. Однако химические анализы роговых обманок свидетельствуют, что в них число атомов металла может возрастать от семи до приблизительно восьми. Уоррен пересчитал большое число химических анализов амфиболов; два из них в качестве примера приведены в табл. 6.
Тремолит почти полностью отвечает идеальному составу Ca2Mg5Si8O22(OH)2. В роговой обманке кремний в лентах Si4O11 частично замещается на алюминий. Однако все содержание Al2O3 не может отвечать только этому замещению, так как в кремнекислородной ленте нельзя разместить больше восьми атомов Si и Al. Вследствие этого остаток 0,30 Al не может входить в эти ленты и должен замещать магний (железо) в шестерных положениях, показанных на фиг. 163. Следует отметить, что подобное замещение приводит к увеличению числа атомов (Fe, Mg, Mn), находящихся в шестерных положениях, от 4,75 до 5,05, что находится в соответствии с идеальной формулой тремолита, предполагающей наличие в структуре 5,00 таких атомов. Эта особенность является общей для всех анализов роговых обманок. Кроме того, третья группа табл. 6 отвечает 2,87 атома в случае роговой обманки вместо 2,07 в случае тремолита. Дополнительные атомы, по всей вероятности (Na, К), должны размещаться в положениях А, А', которые, как мы уже видели, вакантны в идеальной структуре тремолита. Присутствие Al в кремнекислородных лентах обусловливает некоторую «активность» атомов кислорода, располагающихся вблизи положений А, А', так как в этом случае они оказываются связанными с Si и Al, а не с Si и Si. Атомы Na и К нейтрализуют остаточный заряд этих атомов кислорода. Полное заселение катионами положений А, А' соответствует увеличению содержания больших ионов (третья группа) с двух до трех. Уоррен показал, что избыток в содержании (Na, Са, К) сверх двух атомов в идеальной структуре тремолита примерно соответствует степени замещения Si на Al в кремнекислородных лентах. Ни в одном случае не было отмечено большее замещение Si на Al, чем выражаемое составом Al2Si6, по сравнению с Si8.
Таким образом, становится ясным характер изоморфных замещений в амфиболах. В качестве стандартной мы принимаем формулу Ca2Mg5Si8O22(OH)2.
- а. Al может замещать два из восьми атомов Si в лентах.
- б. (Al, Fe)+3 может замещать примерно один из пяти атомов (Mg, Fe+2), находящихся в шестерных положениях.
- в. Fe+2, Mn, Mg могут полностью замещать один другой.
- г. Fe+2 или Mg могут замещать Са.
- д. Общее содержание (Са, Na, К) может возрастать с двух до трех.
- е. (ОН)-, F- являются взаимозаменяемыми. Их количество не превышает двух, но может быть меньше, так как О может замещать (ОН), F.
Формула амфибола, согласно Берману и Ларсену, имеет вид
причем Fe+2 и Fe+3 могут замещать Mg и Al, не входящие в кремнекислородные ленты.