Онтогения минералов

Представление об онтогении минералов было высказано на юбилейной сессии Всесоюзного минералогического общества в 1947 г. Д.П. Григорьевым. Это новый раздел генетической минералогии.

Представление об онтогении минералов возникло не случайно, а в связи с появлением новых задач минералогии как реакции на запросы практики. Большой спрос на кристаллы таких минералов, как пьезокварц, оптический флюорит, электроизоляционная слюда, кислото-огнестойкий волокнистый асбест и т.д. ведет к необходимости выращивать эти кристаллы. Практический опыт показывает, что кристаллогенезис полностью предопределяет техническую пригодность или наоборот, дефектность минералов и установление качества. Специалисты по лабораторному и промышленному синтезу кристаллов рубина, кварца, флюорита и т.д. обоснованно проявляют интерес к онтогении.

Онтогения минералов – это история минеральных индивидов и агрегатов, процесс их образования.

В основе изучения онтогении лежит метод естественно исторического анализа, который основывается:

1) на различении в процессе составляющих его отдельных явлений;

2) установлении последовательности этих явлений;

3) восстановлении на такой основе всего процесса.

История каждого минерала-кристалла или зерна включает в себя зарождение, рост и изменение.

3.3.1 ЗАРОЖДЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ИНДИВИДОВ

Кристаллизация вещества начинается либо произвольно (спонтанно) - гомогенное, либо с отложения вещества на затравку - гетерогенное. Необходимое условие спонтанной кристаллизации – пересыщение среды этим веществом. При пересыщении атомы или ионы, радикалы или молекулы начинают соединяться друг с другом, строя первичные кристаллы-зародыши. Процесс этот имеет динамический характер, т.е. одновременно происходит как создание одних, так и распад других зародышей. Устойчивость кристалла-зародыша связана с его величиной. Существует критический размер, преодолев который зародыш становится устойчивым; такой зародыш может быть центром кристаллизации.

Примером самопроизвольного зарождения можно считать кристаллизацию вулканической лавы. При этом во всем объеме лавы начинают расти вкрапленники полевого шпата, кварца и др. минералов. Другой пример, кристаллизация минералов из водных или газовых растворов, в полостях различного типа минеральных жил (среди пегматитов), в жилах альпийского типа, в кварцевых, кальцитовых жилах – нередко наблюдается своеобразное распределение минералов, вскрывающее механизм их зарождения.

На распределение зародышей могут влиять их кристаллизационная способность и вязкость среды. Очевидно, при большой кристаллизационной способности и малой вязкости среды происходит быстрая миграция вещества к зародышу с большой площади, что способствует росту новых зародышей.

Зарождение на затравках (гетерогенное) происходит на зернах и кристаллах разных минералов и на их обломках, широко распространено в природе. Нередко подложка оказывает воздействие на процесс зарождения. В очень многих случаях кристаллизация начинается в трещинах, на стенках которых обнажаются зерна минералов того же самого минерального вида. Например, кристаллы горного хрусталя обычно образуются в трещинах, пересекающих какие-либо кварцсодержащие сланцы, граниты или кварциты. Причем растущие кристаллы кварца наследуют структурную ориентировку зерен кварца.

Зарождение возможно и на кристаллах того же самого минерального вида, ранее выросших, либо на кристаллах другого минерального вида.

Аактивным местом зарождения новых индивидов являются, прежде всего вершины и ребра ранее выросших кристаллов, как наиболее энергетически выгодные. Например, зарождение доломита на вершинах и ребрах родохрозита. На призматическом кварце – укороченные кристаллы кварца на вершине, что дает скипетровидные сростки (автоэпитаксия).

Появление кристаллов новой генерации обычно происходит после перерыва в отложении минерального вещества и сопровождается изменением физико-химических условий, поэтому отлагающееся вещество не идет на продолжение роста граней кристаллов 1 генерации, а дает начало новым кристаллам, имеющим иную кристаллографическую форму.

Особый тип зарождения кристаллов – микробиологический. Например, кристаллы серы внутри клеток тионово-кислых бактерий в ходе их жизнедеятельности. Эти кристаллики из клеток переходят наружу в раствор. Постепенно соединяются друг с другом в более крупные стяжения, затем происходит их собирательная перекристаллизация.

3.3.2 РОСТ МИНЕРАЛЬНЫХ ИНДИВИДОВ

Итак, зародыш возник и растет, т.е. увеличивается в размере. Минералы растут своей поверхностью, поэтому в ее особенностях, прежде всего и фиксируется механизм роста. Весь объем кристалла, любой его участок был когда-то на поверхности. Поэтому внутреннее строение кристалла (его анатомия) – основной источник информации о его генезисе.

Наблюдения над скульптурой граней кристаллов показывают, что минералы в природе растут слоями – плоскими или спиральными. Большую роль для роста кристалла играют дислокации, которые увеличивают число трехгранных и двугранных углов наиболее энергетически выгодных для присоединения ионов. Кроме того, установлено, что кристаллы растут в основном за счет присоединения не ионов, а более крупных их ассоциатов. Это, с одной стороны ускоряет рост кристаллов, а с другой – увеличивает число дислокаций и является одной из причин блочно-мозаичного строения кристалла: монокристаллический индивид оказывается состоящим из мелких блоков, разориентировка которых относительно друг друга не более 5^о.

Кристаллизация в природных условиях происходит из среды сложного состава в условиях периодического изменения физико-химических параметров (изменения Т₁, Р₁, состава раствора). Возникающие в результате таких явлений кристаллы могут быть зональными, секторальными.

Каждый минеральный индивид развивается по обычным законам роста кристаллов, но скорость роста, морфология, размеры кристаллов и особенности их химического состава могут оказаться разными в различных частях месторождения.

Зональное и секторальное внутреннее строение кристаллов является ценным источником генетической информации.

Каждая новая зона кристалла отражает пульсационное изменение условий кристаллизации. Например, красивые кристаллы многоцветного турмалина из пегматитов острова Мадагаскар, имеющиеся в коллекциях всех старых минералогических музеев, сложены чередующимися зонами розового,

лилового, зеленого, черного цветов. В кристалле с поперечным сечением в 7 см визуально заметно ~ 25 зон, каждая соответствует смене концентраций Мn и Fе в среде минералообразования.

Кристаллы граната гроссуляр-андрадитового ряда из Ирбинского Fe – рудного месторождения также характеризуются сменой зон темного андрадитового состава и с более светлыми андрадит-гроссуляровыми, что свидетельствует о смене состава растворов, изменении железистости.

Наблюдения над зональностью позволяет также проследить эволюцию габитуса кристалла в процессе его роста. Наблюдения над секториальностью - пирамидами нарастания граней указывают на относительные скорости роста разных граней рис. 3.3.

Рис. 3.3 Зональность и секториальность строения кристаллов кварца: (а - г) и флюорита (д – ж): в кристалле (е) грань (в) замедляет свой рост по отношению к грани (а); в кристалле (ж) грань (в) растет быстрее

Абсолютные скорости роста природных кристаллов определить очень сложно, определены они в ряде случае для процессов современного минералообразования. Так, возможная продолжительность разрастания кристаллов на 1 см, оцененная по непосредственным наблюдениям различными исследователями (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Скорости роста кристаллов

Минерал	Условия роста	Время	Исследователь
Гематит	Трещины в лаве вулкана Везувий	5 ч	А. Брэйтгаупт
Галит	Соляные оз. Прикаспий	Неск. дней	М.Г. Валяшко
Арагонит	Минеральн. источник Карловы Вары	0,5 месяца	Д.П. Григорьев А.Г. Жабин
Пирит	Конкреции в осадках шт. Коннектикут,США	10 лет	Р. Беркер
Гипс	Сакское оз. (Крымский п-ов)	От 3 до 25лет	А.Е.Ферсман
Кальцит	Сталактиты, пещера Домица ЧССС	500-2000 лет	Ю. Петранек, З. Поуба
Мn конкреции	Дно Тихого Океана	300-400 лет	Д.П.Григорьев, А.Г.Жабин

3.3.3 УСЛОЖНЕННЫЕ ФОРМЫ КРИСТАЛЛОВ

В природе кристаллы растут чаще всего в стесненных условиях – в трещинах, внутри пор и других полостей горных пород, в твердой среде и т.д. Диффузия вещества к разным частям растущего кристалла бывает неравномерной из-за вязкости, пересыщения примесями, течения раствора и т.д.

Рост кристаллов, его развитие зависит от взаимодействия его с окружающей средой. Внешняя форма кристалла сохраняет лишь те элементы симметрии, которые являются общими для кристалла и питающей его среды – это принцип Кюри. Например, неподвижный кристалл в жидкой среде, движущейся в одном направлении. Внешняя форма кристалла сохранит лишь одну ось симметрии L_n, совпадающую с осью кристаллизационной среды и плоскость симметрии, идущую вдоль этой оси и совпадающую с плоскостями симметрии среды. Пример, кристалл кварца, выросший на боковой стенке трещины, имеющий псевдоплоскостную симметрию. Поэтому форма образующихся кристаллов часто далека от идеальной (рис. 3.4).

Рис. 3.4 Кристаллы кварца, образовавшиеся в различных природных условиях