Моноклинная элементарная ячейка вермикулита весьма сходна с моноклинной ячейкой хлорита. Структурные исследования этого минерала были выполнены Грюнером (Gruner, 1934), Хендриксом и Джефферсоном (Hendricks, Jefferson, 1938), а также Матисоном и Уокером (Mathieson, Walker, 1954), причем последние авторы провели полное структурное исследование вермикулита с применением методов фурье-анализа. Как и в хлоритах, в структуре вермикулитов содержатся чередующиеся слои двух типов. Силикатные слои в структуре вермикулита являются талькоподобными, и три атома магния, входящие в формульную единицу, располагаются по триоктаэдрическому мотиву. Это естественно, так как структуру вермикулита можно рассматривать как производную от структуры биотитоподобных слюд. Атом магния в вермикулитах в значительной-степени замещен другими ионами. Межслоевые пространства, занятые бруситовыми слоями в хлорите, содержат двойные слои молекул воды. Эти слои содержат также в небольших количествах атомы магния, которые могут замещаться другими ионами. Толщина подобного слоя из молекул воды и катионов составляет в направлении оси с 4,97 Å, что вполне сопоставимо с размерами в этом направлении бруситового слоя в хлоритах (4,84 Å).
На фиг. 182 приведены структура вермикулита по Матисону и структура хлорита. Хотя элементарные ячейки обоих минералов очень близки, анализ двух верхних рисунков позволяет выявить существенное различие-в характере примыкания двойного бруситового слоя к смежным тальковым слоям. Сравнение рисунков 1 и 2 показывает, что расположение нижнего слоя групп ОН- или Н2O промежуточного двойного слоя по отношению к силикатному слою одинаково как в хлорите, так и в вермикулите. При наложении верхнего слоя групп ОН- или Н2O промежуточного двойного слоя на нижний слой каждая группа проектируется на треугольник из нижних групп, только в случае вермикулита этот треугольник обращен влево, а в случае хлорита — вправо (см. фиг. 182, 1,а и 2,а). В результате подобного наложения атомы Mg, находящиеся внутри октаэдрических групп, расположатся в вермикулите непосредственно над атомами кремния, а в хлорите — в промежуточных положениях. Разница между двумя структурами становится очевидной при сравнении относительных положений атомов магния и кремния, показанных на рисунке1.
Как и в случае хлоритов, проекция вдоль оси b производит впечатление истинного изображения структуры для всех вермикулитов, однако в действительности имеют место беспорядочные смещения слоев на величины b/3 в направлении оси b, приводящие к диффузности определенных групп рефлексов.
Природа межслоевого пространства изучена Матисоном. Ниже приведены формулы типичного вермикулита и хлорита:
Анализ формул показывает, что в вермикулите положения в двойных плотно упакованных слоях, полностью занимаемые в хлорите группами ОН,, только на две трети заняты молекулами воды, а доступные для катионов положения внутри октаэдрических групп только на одну девятую заняты атомами магния. Анализ Фурье позволяет в обоих случаях выделить, пики, соответствующие молекулам воды и атомам магния, однако в случае вермикулита эти пики характеризуются меньшей высотой, так как в структуру вермикулита по сравнению со структурой хлорита входит лишь часть этих компонентов. При этом содержание атомов магния в вермикулите настолько мало, что каждый из них может быть окружен гидратной группой из шести молекул воды, причем эти группы полностью независимы (фиг. 183). По мнению Матисона, пе исключена возможность упорядоченного расположения атомов магния в каждом слое межслоевой воды. Об этом свидетельствует максимальное удаление друг от друга подобных гидратных групп. Такое упорядочение не может быть выявлено с помощью дифракции рентгеновских лучей, так как оно не связано с характером упорядочения в других таких же последовательных слоях, вероятно, потому, что силы связи между ионами последовательных слоев воды должны быть крайне малы.
В вермикулитах наблюдается довольно интенсивный катионный обмен. В природных образцах обменные положения занимаются атомами магния, располагающимися между слоями воды, в количестве, соответствующем вышеприведенной формуле. При замещении магния на кальций, стронций или натрий толщина слоя воды возрастает примерно до 5,6 Å. При замещении магния на барий или литий толщина слоя уменьшается до 3 Å (что соответствует толщине одного слоя молекул воды), а при замещении на калий или аммоний — до 1,4 Å, как в слюдоподобной структуре. Приведенные значения справедливы для высушенных на воздухе образцов. Наблюдаемый ионный обмен можно объяснить частичным заполнением доступных для этого положений молекулами воды и катионами. В кристаллах, где все подобные положения заняты, для обмена положениями два иона должны преодолеть большой энергетический барьер, обусловленный тепловым движением. С другой стороны, неправильный характер распределения молекул воды и незначительная занятость катионных положений в структуре вермикулита должны отразиться в наличии в структуре большого числа положении, которые катион может занимать попеременно с преодолением очень незначительного энергетического барьера. Это выражается в непрерывном изменении положений ионов при обычных температурах, чем достигается определенное сходство-структуры с раствором гидратированных ионов магния в воде.
При нагревании вермикулита до 110°С теряется половина воды, входящей в межслоевой промежуток. При этом не наблюдается соответствующих изменений кристаллической структуры, что некоторое время не находило объяснения. Однако впоследствии Уокер (Walker, 1949) показал, что отсутствие подобных изменений объясняется очень быстрым возвращением воды в структуру из атмосферы по мере охлаждения кристалла. В герметических условиях, не допускающих поступления воды в структуру, процесс дегидратации проходит от обычной фазы с с 14,36 Å через серию менее гидратированных фаз к фазе с с 9,02 Å, из которой при 750° вся межслоевая вода полностью удаляется (фиг. 183). Промежуточные фазы обладают параметром с, равным 13,82 Å, соответствующим структуре с двойной прослойкой межслоевой воды, но с другим расположением молекул воды, чем в 14,36 Å фазе; с 11,59 Å соответствует одному слою воды, располагающемуся между силикатными слоями; с 20,6 Å отвечает почти правильному чередованию фаз с с 11,59 и 9,02 Å. Фаза с с 14,81 Å, в которой молекулами воды заполнены все межслоевые положения, возникает при выдерживании в воде фазы с с 14,36 Å в течение нескольких суток.
Расслоение вермикулита на пластинки, по всей вероятности, обусловлено внезапным выделением воды из структуры при быстром нагревании. При достаточно медленном нагревании подобного расслоения не наблюдается.
Гидробиотиты. по-видимому, представляют собой смешаннослойные структуры слюды и вермикулита. Они характеризуются ионным обменом и разбуханием, присущими вермикулитам, а также содержанием щелочных атомов, что связано с вхождением в структуру слюдяного компонента.
Примечания
1. Проще это обстоятельство можно выразить, указав, что в вермикулите октаэдры талькового и бруситового слоев ориентированы в одну и ту же сторону, а в хлорите — в противоположные стороны. Следует отметить, что в настоящее время установлены и хлориты (например, кукеит) с одинаково ориентированными октаэдрами обоих слоев. См. Браун, Бейли (1962, 1963); Звягин, Мищенко (1961).