ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 431, № 3, с. 392-395
= ГЕОХИМИЯ
УДК 549.1:548.5
ПРАВЫЕ И ЛЕВЫЕ МИКРОКРИСТАЛЛЫ КАОЛИНИТА И ИХ РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ В ПРИРОДЕ
© 2010 г. Н. Д. Самотоин
Представлено академиком Д.В. Рундквистом 08.06.2009 г. Поступило 09.06.2009 г.
Правые и левые кристаллы являются одной из наиболее своеобразных и интересных форм проявления симметрии в природе. Они представляют собой две зеркально равные кристаллические модификации одного и того же вещества [1]. Образование правых и левых кристаллов возможно в одиннадцати из тридцати двух существующих классов симметрии, а именно в примитивных и аксиальных классах всех видов сингонии [1, 2]. Среди многочисленных минералов правые и левые кристаллы известны для относительно небольшого их числа: кварца, пирита, куприта, киновари и некоторых других. Из них наиболее детально изучены правые и левые формы кварца [3,4]. Актуальность изучения этих форм кристаллов отмечал еще В.И. Вернадский: "Странным образом неизбежное одновременное проявление двух, правых и левых, состояний кристаллических пространств не обращало на себя достаточного внимания наблюдателей" [2], но и в настоящее время эти состояния кристаллов еще мало изучены.
Целью данного исследования является доказательство существования в природе правой и левой форм каолинита Л1281205(0И)4 и оценка их относительной распространенности.
Выбор в качестве объекта исследования каолинита определен его широким распространением в природе, большим практическим значением и расширяющейся сферой использования [5, 6]. Возможность проявления каолинитом энантио-морфизма допускалась при теоретическом рассмотрении моделей его структуры [7]. Это допускает и экспериментальная модель его триклинной структуры, охарактеризованная примитивным не-центросимметричным классом симметрии Р1 или С1 [8]. Однако прямые экспериментальные данные, доказывающие существование или отсутствие энантиоморфных микрокристаллов каолинита в природе, до сих пор еще не были получены.
Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской Академии наук, Москва
Исследование энантиоморфных микрокристаллов каолинита проводили на образцах двух типов. I тип представлен его мономинеральными образованиями из древних кор выветривания на территории России, Казахстана и Украины. II тип включает образцы каолинита на различных стадиях его образования при выветривании мусковита, биотита и хлорита из древних (Россия, Казахстан и Украина) и молодых (неоген-четвертичных) (Вьетнам, Куба, о. Мадагаскар и Индия) кор выветривания.
Каолинит, как правило, образуется в высокодисперсном виде. Размер его кристаллов составляет ~0.5—5 мкм. Обнаружить правые и левые модификации кристаллов столь малого размера по существующим критериям [1, 3, 9] не представляется возможным. Для их выявления был разработан новый способ и найдены новые критерии [10]. Этот способ включает сочетание методов: просвечивающей электронной микроскопии, вакуумного декорирования [11], развитого для изучения минералов [12], и структурно-морфологического анализа картин роста микрокристаллов на уровне элементарных слоев их структуры [13]. Одним из важных требований в доказательстве энантиоморфизма кристаллов микронных размеров является их одновременная регистрация на одном электронно-микроскопическом снимке [10]. Это исключает относительные перевороты кристаллов (вверх—вниз и наоборот) на различных стадиях исследования. Именно такие снимки правых и левых микрокристаллов каолинита составляют фактическую основу данного исследования.
Правые и левые микрокристаллы каолинита обнаружены во всех изученных образцах. Однако наиболее интересные данные об этих модификациях были получены в его образцах, отнесенных к типу II (рис. 1). Это, во-первых, определяется тем, что в таких образцах правый и левый каолиниты наблюдаются на самых разных стадиях образования — от двумерных зародышей первого элементарного каолинитового слоя 7 А с размером в плоскости (001) ~ п -100 А и до типичных для него микрокристаллов размером ~0.5—5 мкм, их
Рис. 1. Электронно-микроскопические изображения правых (й) и левых (/) нано- и микрокристаллов каолинита на ранней стадии образования при выветривании мусковита (а, б) и в псевдоморфозе по биотиту (в). На врезке копии двух верхних слоев 7 А роста й- и /-микрокристаллов.
сростков и агрегатов. Во-вторых, именно на ранних стадиях образования каолинита на грани (001) его микрокристаллов наблюдаются наиболее четкие и полные слоисто-ступенчатые пирамиды роста и проявляются их взаимосвязи с его структурой [12, 13]. И в-третьих, микрокристаллы каолинита в образцах этого типа находятся, как правило, в эпитаксических срастаниях с исходными минералами и имеют во всех ориентировках одинаковую полигональную форму. Последний факт характеризует симметрию среды кристаллизации каолинита на поверхности исходных минералов ее предельной группой (го/ттт), свойственной цилиндру и тем самым исключающей ее влияние на симметрию кристаллов каолинита [13].
На рис. 1а приведен электронно-микроскопический снимок энантиоморфных нанокристал-лов каолинита на ранней стадии их образования
по мусковиту. Правый — d (dexter — лат.) и левый — l (laevus — лат.) нанокристаллы каолинита контрастно выделяются на поверхности (001) мусковита (Мс) по низкой плотности декорирующих нано-частиц золота на их грани (001) и по необычной зеркально одинаковой псевдопятиугольной форме со скругленными углами в положительном направлении оси а. Такая форма микрокристаллов каолинита является типичной для ранней стадии его образования в молодых корах выветривания [13].
Толщина l- и d-нанокристаллов каолинита в центре их спиралей роста равна двум и трем спиральным виткам их слоя 7 А и составляет соответственно ~14 и 21 А. Относительная правизна и левизна этих нанокристаллов является очевидной. Она четко проявляется в их зеркально одинаковой псевдопятиугольной форме, зеркальной относительной ориентировке и в сильно выраженной анизотропии их роста в полярных направле-
394
САМОТОИН
ниях оси а. Эти нанокристаллы не имеют ни центра, ни плоскостей симметрии, ни сложных осей.
Координатные оси аё и а1 энантиоморфных на-нокристаллов каолинита на рис. 1а ориентированы в одном направлении и располагаются параллельно плоскости зеркального отражения (линия т), а их оси Ьё и Ь/ направлены навстречу друг другу и располагаются по нормали к следу псевдоплоскости т. Оси сё и е1 энантиоморфных нано-кристаллов направлены на читателя и, как было показано [14], в сторону их грани (001), "упакованной" анионами О2-, т.е. на рис. 1 в случае ё- и /-кристаллов каолинита наблюдается именно грань (001). Энантиоморфные микрокристаллы каолинита срастаются с мусковитом и другими исходными минералами по их грани (001), "упакованной" гидроксил-анионами [14, 15].
Правые и левые микрокристаллы каолинита установлены и в его полных псевдоморфозах замещения мусковита, в которых они находятся преимущественно в виде закономерных сростков при различных относительной ориентировке и их сочетании (рис. 1б). Нано- и микрокристаллы ё - и /-каолинита, наблюдаемые (рис. 1а, б) на мусковите, зеркально равны, но являются неидентичными, как правая и левая рука. Они могут быть совмещены друг с другом только при помощи одной операции симметрии - зеркального отражения.
На рис. 1в представлены многослойные слоисто-ступенчатые пирамиды роста ё- и /-микрокристаллов каолинита в его псевдоморфозе по биотиту из древней коры выветривания. Относительная правизна и левизна этих микрокристаллов является также очевидной. Она четко проявляется в зеркально одинаковой псевдопятиугольной полигональной форме их пирамид роста и в зеркально идентичной закономерности распределения расстояний между ступенями последовательных слоев 7 А роста в пирамидах. Пирамиды роста обоих кристаллов каолинита при параллельном относительном смещении (вдоль плоскости зеркального отражения т) до расположения осей Ь на одной линии совмещаются друг с другом путем отражения любой из них в плоскости т, т.е. они являются энантиоморфными.
Правизна и левизна микрокристаллов каолинита может быть установлена и по графическим копиям их элементарных картин роста. Пример такого способа показан на врезке (рис. 1в), где изображены копии двух верхних слоев 7 А пирамид роста сравниваемых микрокристаллов. В этих копиях принадлежность микрокристаллов к энан-тиоморфным или идентичным им модификациям проявляется однозначно. Копии картин роста энантиоморфных кристаллов совмещаются при сложении их по линии т (плоскости зеркального
отражения), а у микрокристаллов одной модификации они не совмещаются.
Правые и левые нано- и микрокристаллы каолинита на рис. 1 располагаются в одинаковой зеркально-параллельной относительной ориентировке. Однако в изученных образцах обе модификации кристаллов установлены в шести относительных ориентировках, различающихся на углы, кратные 60°.
Энантиоморфные модификации каолинита выявлены на уровне отдельных элементарных слоев 7 Á, нано- и микрокристаллов, их двойниковых, тройниковых и поликристаллических сростков и в виде скоплений микрокристаллов или одной, или другой модификации размером ~10—20 мкм.
Правые и левые микрокристаллы каолинита образуются одновременно и в одних и тех же физико-химических условиях. Рост d- и /-микрокристаллов каолинита происходит по двум механизмам: периодического образования двумерных (2D-) зародышей и по спиральному (рис. 1). Рост каолинита по спиральному механизму является доминирующим; он реализуется многообразно [13]. Обе модификации каолинита встречаются в изученных образцах примерно в равном соотношении (по визуальной оценке).
Таким образом, каолинит, широко распространенный в коре выветривания, представлен в ней смесью энантиоморфных кристаллов, т.е. смесью его двух однослойных триклинных политипных модификаций: правой (1Tcd) и левой (1Тс/).
Образование энантиоморфных кристаллов каолинита по механизму 2D-зародышей указывает на то, что их правизна и левизна не связана с конкретным механизмом роста, она определяется структурой слоя 7 Á, допускаю
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.