КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2008, том 53, № 5, с. 950-960
РОСТ ^^^^^^^^^^^^^^ КРИСТАЛЛОВ
УДК 548.5:537.533.3
МЕХАНИЗМЫ РОСТА, ПОЛИТИПИЗМ И РЕАЛЬНОЕ СТРОЕНИЕ МИКРОКРИСТАЛЛОВ КАОЛИНИТА
© 2008 г. Н. Д. Самотоин
Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, Москва
E-mail: samnik@igem.ru Поступила в редакцию 28.06.2007 г.
Электронно-микроскопическим методом вакуумного декорирования золотом изучены механизмы роста микрокристаллов (0.1-5 мкм) каолинита в месторождениях, связанных с элювиальной корой выветривания и низко- и среднетемпературным гидротермальным процессом изменения различных горных пород на территории России, Казахстана, Украины, Чехии, Вьетнама, Индии, Кубы и Мадагаскара. Установлено, что рост микрокристаллов каолинита происходит по двум механизмам: периодическому образованию двумерных (2D) зародышей и спиральному. Спиральный механизм роста является доминирующим. Он реализуется на ступенях винтовых дислокаций разных по знаку и величине вектора Бюргерса по оси с. Широко распространен источник слоистого роста в виде ступени между полярными (+ и -) дислокациями - ростовой аналог источника дислокаций Франка-Рида. Плотность ростовых винтовых дислокаций широко варьирует и достигает ~109 см-2. В слоисто-ступенчатых пирамидах роста каолинита, сформированных по всем механизмам на грани (001), проявляются главные черты его триклинной - 17с структуры и реального строения.
PACS: 68.37.LP, 81.10.AJ
ВВЕДЕНИЕ
О механизмах роста кристаллов имеется значительное количество сведений [1-3]. Однако механизмы роста минералов изучены очень мало [4-6]. Прежде всего, это относится к минералам, образующимся в высокодисперсной форме с кристаллами размером от долей до нескольких микрометров. Об их росте имеются единичные данные [7-9].
Вместе с тем, высокодисперсные минералы распространены широко в природе, часто образуются в лабораторных условиях и имеют большое научное и практическое значение. Среди высокодисперсных минералов в земной коре наиболее широко распространены слоистые силикаты и в особенности политипные разновидности минералов группы каолинита (каолинит, диккит, накрит, галлуазит), смектиты и другие глинистые минералы [10]. Сфера использования этих минералов весьма многообразна и постоянно расширяется. Поэтому изучению глинистых минералов уделяется большое внимание. Для этого применяются как традиционные [11], так и самые современные методы [12, 13].
Целью данного исследования является установление механизмов роста микрокристаллических индивидов каолинита, распространенности выявленных механизмов роста, их роли в вариации кристаллического совершенства этого минерала и в его политипных особенностях.
Раскрытие механизмов роста микрокристаллов глинистых минералов имеет большое значение для генетической, структурной и экспериментальной минералогии, кристаллографии и других областей. Это необходимо для установления природы разной степени совершенства глинистых минералов, их дефектов, разнообразия свойств, для детальной расшифровки данных, получаемых другими методами, а также для решения вопросов их практического использования.
Каолинит А1281205(0Н)4. Основой структуры является 7 А двухэтажный диоктаэдрический слой 1 : 1, состоящий из октаэдрической - А1-О(ОН) и тетраэдрической - 81-0 сеток. Слои в структуре имеют одинаковую ориентировку и относительные смещения по оси а на а/3 и ~ (-Ь/30) по оси Ь. Структура имеет однослойный период по оси с; относится к пр. гр. С1 (Р1) и триклинной политипной модификации 17с [10, 14]; а = 5.15, Ь = 8.93, с = 7.39 А, а = 91.7°, р = 104.6°, у = 89.9°.
Каолинит является наиболее распространенным минералом среди глинистых минералов. Он образуется в процессе выветривания и низко- и среднетемпературном гидротермальном изменении различных горных пород. Наиболее крупные его месторождения связаны с древними элювиальными каолиновыми корами выветривания и продуктами их ближнего переотложения. Сфера использования каолинита включает несколько десятков областей: техническая и тонкая керамика, фаянс, различные огнеупорные материалы,
'л Л
(001): • . • : >•
••>. .. - ......... - , . ..
ЪЩ V; \
:••••-• ••.••• • •..•••' .•-•••.. : к = 7.2 А ••. •. •
.. . ;>> - . ■ • ' V-.•'• --Д•• • • & - •:
(а)
(б)
Рис. 1. а - Классическая асимметричная псевдогексагональная слоисто-ступенчатая пирамида роста на грани (001) микрокристалла каолинита, показывающая его рост по механизму двумерных (2П) зародышей, триклинную структуру и ее однослойный период (образец из древней коры выветривания); б - идеальная модель пирамиды роста.
шамот, наполнитель бумаги, резины, пластмассы и другие.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования являлись микрокристаллы, сростки и агрегаты каолинита трех генетических типов.
Тип 1: а) каолинит на ранних стадиях образования по микроклину, мусковиту, биотиту и хлориту в древней (Россия, Украина, Казахстан) и по мусковиту в современной (Куба, Индия, Вьетнам и Мадагаскар) элювиальной коре выветривания; б) каолинит на завершающей стадии образования в зрелых месторождениях первичных каолинов: Ольхонское (оз. Байкал, Россия); Алексеевское (Казахстан); Просяновское, Волновахское, Глу-ховецкое (Украина).
Тип 2. Каолинит из месторождений осадочных каолинитовых глин: Чалганское Зейско-Буреин-ской депрессии, Трошковское и Бельское (Иркутская обл., Россия), Чкаловское (Приморский край, Россия), Гальчима (Амурская обл., Россия) и Владимирское (Украина).
Тип 3. Каолинит из низкотемпературных гидротермальных месторождений: Утесное (Приморский край, Россия), Кеокук (США) и Кладно (Чехия), находящийся в них в ассоциации с дикки-том в доминирующем или подчиненном количестве.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Изучение механизмов роста нано- и микрокристаллов каолинита проводилось по атомарно-молекулярному рельефу на наиболее развитой грани (001). Оно осуществлялось с помощью метода вакуумного декорирования золотом и просвечивающей электронной микроскопии. Техника и условия декорирования были такими же, как и ранее [7, 8].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Выявлено многообразие явлений роста нано- и микрокристаллов каолинита на уровне элементарных 7 А слоев его структуры (рис. 1-6). Оказалось, что несмотря на столь малые размеры микрокристаллов (от 0.1 до ~5 мкм) их наиболее развитая грань (001) является не идеально гладкой, а характеризуется тонким сложным ростовым рельефом. В общем случае рельеф этой грани имеет вид слоисто-ступенчатых пирамид псевдогексагональной, ромбовидной и промежуточной между ними формы, либо он представлен отдельными фрагментами этих пирамид. Ступенчатый рельеф часто усложнен изломами ступеней на примесях (точечных дефектах), следами трансляционных скольжений и другими нарушениями.
Одной из важнейших особенностей слоисто-ступенчатых пирамид роста микрокристаллов каолинита является их четко выраженное индиви-
Рис. 2. Типичные асимметричные слоисто-ступенчатые формы роста нанокристаллов каолинита (К по механизму двумерных зародышей. Ранняя стадия образования по слоистым исходным силикатам биотиту (Вг) в древней (а) и мусковиту (Мс) в современной (б) коре выветривания.
Рис. 3. Классические асимметричные псевдогексагональная (а) и ромбовидная (б) однозаходные спирали роста каолинита с шагом по оси с, равным периоду решетки. На врезке схема винтовой дислокации, порождающей эти спирали.
дуальное закономерное строение, определяемое триклинной однослойной структурой этого минерала. Закономерности строения пирамид роста каолинита проявляются на всех микрокристаллах независимо от различий механизмов и условий образования. Они не проявляются только в редких случаях для гидротермального каолинита, когда ступени роста имеют округлую форму, определяемую высокой скоростью роста кристаллов и соответственно высокой степенью пересыщения среды кристаллизации.
Другой важной особенностью атомно-молеку-лярных пирамид роста каолинита является четкое отражение в них механизмов роста и реального строения его микрокристаллов. Рост микро-
кристаллов осуществляется по двум механизмам: либо посредством периодического образования двумерных (2Д) зародышей (бездислокационному) (рис. 1, 2), либо по спиральному (дислокационному) механизму (рис. 3-6). При этом рост микрокристаллов каолинита, образующегося в гидротермальных условиях, в одних месторождениях происходит по дислокационному механизму, а в других - по бездислокационному. Рост микрокристаллов каолинита, образующегося при выветривании слоистых и каркасных силикатов, на ранней стадии происходит по механизму двумерных (2П) зародышей, а на поздней стадии - по спиральному механизму.
Рис. 4. Двух- (а) и шестизаходная (б) асимметричные псевдогексагональные спирали роста каолинита, генерируемые ступенями винтовых дислокаций с векторами Бюргерса (Ь), равными двум (14.78 А) и шести (44.34 А) периодам его структуры по оси с соответственно. На врезке дана схема винтовой дислокации, порождающей спираль.
Рис. 5. Классические для каолинита асимметричные псевдопятиугольные пирамиды роста из древней (а) и современной (б) коры выветривания, характеризующие рост микрокристаллов на ступени между полярными (+ и -) винтовыми дислокациями - по механизму, подобному источнику дислокаций Франка-Рида. На врезке дана схема этого источника роста.
При росте нано- и микрокристаллов каолинита по механизму 2Б зародышей на их грани (001) наблюдается обычно одна слоисто-ступенчатая пирамида. При спиральном механизме роста количество спиралей и соответственно винтовых дислокаций, выходящих на поверхность микрокристалла, может быть одна (рис. 3) или несколько до ~109 см-2 (рис. 6). Встречаются с равной вероятностью как правые, так и левые спирали роста, т.е. с положительным и отрицательным знаком винтовой дислокации. Центры спиралей
располагаются относительно друг друга как на больших расстояниях (несколько диаметров критического зародыша - I > я2рс), так и на малых расстояниях (I < 2рс). В первом случае они выполняют функции самостоятельных одно- или разновременных источников роста микрокристалла, а во втором - составляют объединенный источник роста.
Нере
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.