Процессы изменения минеральных агрегатов

Большое значение при формировании минеральных агрегатов имеют процессы изменения, которые они претерпевают, начиная с момента своего зарождения, затем в период роста и, особенно, после полного их формирования. Следствием таких процессов могут быть механические деформации, перекристаллизация, замещение, растворение и полиморфные превращения.

Причинами м е х а н и ч е с к и х д е ф о р м а ц и й могут быть различные тектонические явления, а также смещения вмещающих минеральные агрегаты масс, вызванные процессами выщелачивания. Деформации происходят как в ходе роста минералов, так и по завершении их роста.

Перекристаллизация совершается при метаморфических процессах, когда высокие температура и давление приводят к деформации вещества минералов и образованию центров новой кристаллизации. Перекристаллизация обычно сопровождается укрупнением индивидов и выделением из них более изометричных форм. При перекристаллизации коллоидов возникают микро- и макрокристаллические образования (метаколлоиды). Образованные из коллоидных растворов натечные агрегаты под влиянием перекристаллизации приобретают концентрическую зональность, причем степень зернистости в отдельных зонах бывает различна.

При химических изменениях происходит замещение одних минералов другими. Оно проявляется как в период образования агрегатов минералов, так и после их сформирования. Замещение наблюдается, например, в малахите—СuСO₃·Сu(ОН)₂, который вдоль слоев концентрической зональности тогда замещается сульфатом меди, брошантитом – Сu[SО₄](ОН)₆. В результате малахит приобретает неоднородную окраску, особенно отчетливо проявляющуюся в полированных изделиях.

Большое значение при изменении агрегатов имеют процессы растворения (например, под действием грунтовых вод), приводящие к возникновению в минералах полостей, которые могут быть заполнены теми или иными новообразованиями.

Явления растворения также часто наблюдаются у малахита.

Некоторые минеральные агрегаты при изменении термодинамических условий и химического характера среды могут подвергаться полиморфным превращениям; при этом особенности их строения могут сохраняться.

Ели же полиморфные превращения сопровождаются перекристаллизацией, то первоначальные следы зарождения и роста агрегатов уничтожаются. Примерами могут служить марказит — пирит (FеS₂)_; вюртцит - сфалерит (ZnS), арагонит — кальцит (СаСО₃).

Коллоиды и коллоидные минералы

Кристаллические горные породы, подвергаясь процессам выветривания, раздробляются и в конечном итоге переходят в тонкодисперсный агрегат, который далее переносится водным и потоками.

Так возникают природные дисперсные (распыленные) системы, состоящие из дисперсионной среды («растворителя») и тонко измельченных частиц дисперсной фазы.

В зависимости от размера частиц дисперсной фазы все дисперсные системы можно разделить на три группы:

1. грубодисперсные системы, у которых размер частиц превышает 100 нм. Эти частицы можно наблюдать под микроскопом, они задерживаются фильтром и с течением времени осаждаются вследствие действия силы тяжести;

2. коллоидно-дисперсные системы (или просто коллоиды) имеют размер частиц от 1 до 100 нм. Они не видны под обыкновенным микроскопом, не подвергаются действию силы тяжести и не фильтруются через бумажный фильтр;

3. молекулярно-дисперсные системы характеризуются размером частиц менее 1 нм.

При изучении дисперсных систем надо помнить, что дисперсионной средой может являться как жидкость, так и твердое вещество и газ. Различные варианты природных дисперсных систем приведены в таблице 7.

Коллоидные растворы и их свойства. Коллоидные растворы называют иногда псевдорастворами или золями. В зависимости от характера дисперсионной среды различают: аэрозоли (среда - газ), лизоли (среда - жидкость) и кристаллозоли (среда - твердое тело).

В природе коллоидные растворы образуются в результате измельчения вещества (например, при механическом истирании пород в движущемся потоке воды) или вследствие соединения ионов или молекул при различных химических и физико-химических процессах и образования молекул или групп молекул больших размеров. Такие явления происходят часто при процессах окисления, восстановления или гидролиза. Например, при окислении сероводородных источников образуется коллоидная самородная сера; при восстановлении сульфатных растворов меди происходит образование коллоидного ковеллина, а в результате гидролиза различных соединений алюминия и железа образуются коллоидные А1(ОН)₃ и Fе(ОН)₃.

Коллоидные растворы характеризуются некоторыми особенностями, которые обусловливают ряд свойств образующихся из них минералов.

Типы дисперсных систем (по Ф.В. Чухрову, 1955)

Таблица 7

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Грубодисперсная система	Коллоидно-дисперсные системы
Жидкость	Газ	Газовые пузырьки в жидкостях (минеральные газированные источники)	Газовые пузырьки в жидкостях

Твердое вещество	»	Включения газов в минералах и породах (пемза, пористый песчаник)	Включения газов в тончайших порах минералов (опал и др.)
То же	Жидкость	Жидкие включения в минералах	Вода в геле кремнезема
Газ	»	Туман	Мельчайшие капельки воды в атмосфере
Жидкость	»	Эмульсии	Эмульсоиды (капли нефти в воде)
»	Твердое вещество	Суспензии или взвеси	Дисперсоиды (золи, водные коллоидные растворы)
Твердое вещество	То же	Гематит в сильвине; гематит в полевом шпате	Металлический натрий в галите
Газ	»	Вулканический пепел; космическая пыль	Вулканический дым

1. Особенностью коллоидных частиц является наличие у них электрического заряда, причем знак этого заряда для всех частиц одного и того же вещества в определенном растворителе всегда одинаковый.

В природных условиях положительно заряжаются коллоидные частицы водных окислов железа, алюминия, титана; отрицательно - сульфиды, кремнезем, двуокись марганца, коллоидные глинистые частицы и др.

Наличием у коллоидных частиц одноименного заряда объясняется неслипаемость этих частиц, а также то, что они находятся в нежениому электроду и на нем выделяться. Это явление называется электрофорезом.

2. Коллоидные частицы отличаются способностью сорбировать различные примеси. Ввиду того что коллоидные частички в растворах несут на себе электростатический заряд, они притягивают к себе катионы или анионы. В результате вокруг коллоидных частичек образуется двойной электрический слой. Коллоидная частичка с двойным электрическим слоем называется мицеллой. Таким образом, коллоидные частички обладают способностью притягивать и удерживать у своей поверхности ионы.

Способность увеличивать концентрации одного вещества на поверхности другого называется адсорбцией или просто сорбцией. На характер и степень сорбции влияют: знак заряда коллоидной частицы, размер адсорбируемых ионов (для ионов одной и той же валентности сорбционная способность увеличивается с увеличением ионного радиуса), валентность иона (чем выше валентность иона, тем интенсивней он сорбируется) и степень поляризации ионов (адсорбируемость ионов возрастает с увеличением их поля-

Структура мицеллы ризации).

Некоторые коллоидные минералы, например монтмориллонит, обладают высокой сорбционной способностью. Монтмориллонитовые глины используются как природные адсорбенты для очистки нефтяных продуктов, тканей, шерсти и т. п.

3. Коллоидные частицы легко поглощают воду (гидратация коллоидов). Заряженные коллоидные частицы могут удерживать па своей поверхности не только катионы и анионы, но и слабо диссоциированные молекулы воды, которые можно рассматривать как постоянные диполи (Н — ОН). Такие дипольные молекулы воды ориентируются вокруг коллоидных частичек, причем ориентировка их будет противоположной для положительно и отрицательно заряженных частиц. Это явление образования оболочек дипольных молекул вокруг заряженных коллоидных частиц называется гидратацией. Коллоидные частицы как бы обволакиваются пленкой воды. Коллоиды, частицы которых легко присоединяют к себе воду, называются гидрофильными (большинство коллоидов являются гидрофильными). Коллоиды, частицы которых с трудом присоединяют к себе воду, называются гидрофобными (к ним относятся гидрозоли металлов и сульфидов).

Благодаря явлению гидратации большинство коллоидных мине­ралов содержит переменное количество воды. (При нагревании этих минералов до температуры 100-300⁰С происходит удаление воды).

Коагуляция коллоидов. По мере испарения дисперсионной среды коллоидных растворов или нейтрализации коллоидных частичек, несущих на себе электростатический заряд, происходит сгущение коллоидных растворов, превращение их в студнеобразную массу-гель. Этот процесс называется коагуляцией коллоидов.

Коагуляция коллоидных растворов наиболее просто достигается нейтрализацией заряда коллоидных частиц. В случае, когда частицы теряют свой заряд, они при движении сталкиваются друг с другом, слипаются и укрупняются, что вызывает коагуляцию.

Нейтрализация заряда коллоидных частиц может быть достигнута:

а) в результате действия электролитов, когда заряды коллоидных частиц нейтрализуются катионами или анионами электролита;

б) в результате взаимного свертывания коллоидов, которое происходит при взаимодействии двух коллоидных растворов, имеющих частички с разными зарядами. В этом случае происходит их совместная коагуляция. Такое явление может произойти в природных условиях при слиянии двух водных потоков, когда один поток несет отрицательно заряженные коллоидные частички, например SiO₂, а другой — положительно заряженные частички, например Аl(ОН)₃. В результате произойдет взаимное свертывание коллоидных частиц с образованием осадка, состоящего из смеси мельчайших частиц SiO₂ и Аl(ОН)₃ (глинистые минералы типа аллофана);

в) при коагуляции под воздействием испарения дисперсионной среды, что имеет место в природных условиях, соответствующих сухому и жаркому климату;

г) при коагуляции в капиллярах, когда коллоидные растворы протекают по капиллярам, стенки которых, как правило, приобретают отрицательный заряд, что приводит к свертыванию положительно заряженных частиц.

Особенности коллоидных минералов. Студнеобразные коллоиды, или гели, характеризуются следующими свойствами: способностью адсорбировать различные примеси, поглощать воду, изотропностью, отсутствием явлений дифракции при облучении их рентгеновскими лучами (т. е. они рентгеноаморфны).

Коллоидные минералы с течением времени вследствие процессов дегидратации и перекристаллизации приобретают скрыто кристаллическое строение, т. е. становятся метаколлоидными.

Коллоидные образования имеют вид хлопьевидных масс или же характеризуются шарообразными или сферическими формами. В результате раскристаллизации они приобретают радиально-лучистое строение. Часто параллельно-волокнистые агрегаты образуют концентрические кольца причудливой формы пли же ритмиче­ски полосчатые образования. Подобные структуры получили название колломорфных.

Коллоидные и метаколлоидные агрегаты возникают также при образовании в открытых пустотах (сталактиты, сталагмиты, почки). Все коллоидные и метаколлоидные минералы характеризуются отсутствием спайности, раковистым изломом.

Значительное количество минералов, относящихся к различным классам (начиная от самородных элементов до силикатов), встречаются в природе в виде коллоидных и метаколлоидных образований. В таблице 8 приводятся минералы, наиболее часто встречающиеся

В природе формы коллоидных и метаколлоидных образований.

Наиболее распространенные коллоидные минералы

таблица 8

Классы минералов	Название коллоидных минералов
Самородные элементы	Золото, самородный мышьяк, самородная сера
Сульфиды	Ковеллин, сфалерит, марказит, пирит, вюрцит
Окислы	Бемит, гидрагиллит, диаспор, халцедон, опал, класситерит, настуран, пиролюзит, вад, псиломелан, лимонит, гидрогетит, гетит
Карбонаты	Магнезит, смитсонит, арагонит
Фосфаты	Вавеллит, бирюза
Силикаты	Монтмориллонит, галлуазит, каолинит