Пироксены

Синонимы:

Группа

Происхождение названия

Название пироксенов (pyroxenes) происходит от греческого "пир" — огонь и "ксенос" — чуждый (Гаюи, 1799) — по ошибочному представлению, что эти минералы не могут быть магматического образования.

Формула

Общая формула пироксенов XY[Z₂O₆], где X — Mg, Fe²⁺, Са, Mn²⁺, Na, Li (редко Zn, К); Y — Mg, Fe²⁺, Mn²⁺, Al, Fe³⁺, Ti⁴⁺ (редко Ti³⁺, Zn, V); Z—Si, Al (редко Fe³⁺, Ti³⁺, Ti¹⁺).

Классификация пироксенов

Различают моноклинные пироксены и ромбические пироксены.

Общепринятой классификации пироксенов нет. Это объясняется тем, что большинство минералов группы, благодаря широко проявленному изоморфизму, связано друг с другом постепенными переходами. Изоморфные замещения в пироксенах осуществляются в различных структурных позициях, причем в одну и ту же позицию могут входить разные элементы, а в разные позиции — одинаковые. Разнообразие изоморфных замещений и неоднозначное влияние различных элементов-примесей на физические и оптические свойства приводят к тому, что эти свойства оказываются весьма сходными у пироксенов разного состава и не могут быть основанием для отличия пироксенов друг от друга. Рентгеновский анализ не всегда дает определенные критерии для разделения пироксенов. Он употребляется в основном для определения крайних членов изоморфных рядов. Широко применяется расчет состава пироксенов на миналы.

Границы между пироксенами по сравнению с ранее предложенными несколько сдвинуты в соответствии с новыми данными по структуре пироксенов. Название «эндиопсид» заменено на «магнезиальный авгит», что отвечает положению минерала на диаграмме состава авгитов. Пироксены, описываемые обычно под названием эгирин-авгит в соответствии с их промежуточным составом (между эгирином и членами изоморфного ряда диопсид-геденбергита) здесь называются эгирин-диопсидом и эгирин-геденбергитом. Граница авгита с пижонитом обусловлена различием их пространственных, групп, cNg и 2V; остальные границы условны.

Помимо перечисленных выше, известны пироксены промежуточного состава, не имеющие самостоятельных названий.

В большинстве природных пироксенов содержатся миналы, получившие общее название «чермакитовых пироксенов — Tschermaks pyroxenes» с формулой R²⁺R³⁺[R³⁺SiO₆]. Чермакитовые пироксены — теоретические конечные члены, в которых трехвалентные катионы полностью занимают позицию М(1) и наполовину позицию. Многие их них синтезированы. Впервые структуры моноклинного диопсида и ромбического гиперстена были определены в 1928—1930 гг. К настоящему времени изучены структуры почти всех крайних и некоторых промежуточных членов изоморфных рядов

Структурная формула М(2)М(1)[Т₂O₆].

Характерной особенностью структуры всех пироксенов являются непрерывные двухчленные кремнекислородные цепочки [Si₁₊₁O₆], вытянутые вдоль оси с в плоскости (100), и параллельные им цепочки октаэдров М(1). Величина периода с во всех пироксенах соответствует величине звена кремнекислородной цепочки [Si₁₊₁O₆] и равна —5,17—5,28 А. Различие параметра с в значительной мере определяется природой катионов и их количественным соотношением в формуле пироксенов. ПозициюМ(1) занимают преимущественно катионы меньших размеров, координация которых очень близка к правильной октаэдрической. В позиции М(2) наряду с мелкими размещаются и крупные катионы в октаэдрической семерной или восьмерной координациях. В зависимости от величины катионов в полиэдрах М(2) последние могут быть изолированными или образовывать цепочки. Атомы кислорода, координирующие М(1), принадлежат всегда только одному SiO₄-тетраэдру кремнекислородной цепочки, (немостиковые), а кислороды, координирующие М(2), частично принадлежат двум смежным SiO₄-тетраэдрам (мостиковые).

Распределение в пироксенах по позициям Са, Mg и Fe²⁺ изучено рентгено-структурным методом и мессбауэровской спектроскопией. Са доминирует в позиции М(2), Fe²⁺ и Mg-— преимущественно в М(1).

Распределение Mg и Fe по позициям М(1) и М(2) в структуре пироксенов объясняется теорией кристаллического поля. Положению Fe²⁺ в искаженном восьми- и семивершиннике М(2) соответствует более высокие значения энергии стабилизации в кристаллическом поле. Однако с повышением температуры возрастает роль энтропии неупорядоченного смешения и поэтому для высокотемпературных ромбических модификаций пироксенов характерно более неупорядоченное распределение Mg и Fe по позициям М(1) и М(2). В проекции структуры моноклинных пироксенов по оси b отчетливо проявляются искаженные слои плотнейшей упаковки ионов О^2-, уложенные параллельно (100) по кубическому закону с периодом в четыре слоя, что определяет почти постоянный период а⁰ т 9,5 — 9,7 А. В ромбических пироксенах параметр а⁰ увеличивается до 18,22—18,44 А, удваиваясь за счет появления плоскости симметрии, перпендикулярной этой оси.

Структуру пироксенов можно представить также в виде послойно скомбинированных цепочек мотива А₂Х₃ из октаэдров и параллельно тянущихся, не связанных друг с другом цепочек из SiO₄-тетраэдров [Si₂O₆] _∞. В каждом слое, параллельном (100), цепочки [Si₂O₆] _∞ чередуются в направлении оси b таким образом, что в одной цепочке все тетраэдры вершинами направлены вверх, а в соседних цепочках — вниз. Такой способ чередования противоположно направленных цепочек [Si₂O₆] вдоль оси b в пироксенах охватывает все положения плотнейшей упаковки, что делает ее роль в структуре пироксенов особенно заметной. Кубический закон плотнейшей упаковки определяет почти постоянное для всех моноклинных пироксенов значение угла β ~ 109°, так как тупой угол между упакованными гранями октаэдра имеет именно это значение. Период b равен толщине цепочки октаэдров М(1) вместе с прилегающими к ним полиэдрами М(2) и расстоянию между ними, что составляет величину от 8,7 до 9,08 А.

Плоскость плотнейшей упаковки (100) является двойниковой в пироксенах и плоскостью взаимного срастания пироксенов и амфиболов. Идеализированный пироксеновый мотив октаэдров М(1) и М(2), выделенный из корундового мотива, указывает на определяющую роль цепочки октаэдров М(1) в конфигурации пироксеновой цепочки и меньшую роль крупных катионов М(2) в структуре пироксенов.

Каждое шестичленное кольцо корундового мотива октаэдров разбивается на две половины — одна занята октаэдрами М(1), а другая — пустая. Но все пустые в корундовом мотиве изолированные октаэдры (дополнительный к корундовому карбонатный мотив АХ₃) заняты в пироксенах крупными катионами М(2). Выше отмеченная взаимосвязь корундового мотива А₂Х₃ и производного от него пироксенового мотива октаэдров находит подтверждение в наблюдаемой широкой области растворимости Аl₂O₃ (до 10%) в пироксенах из гранулитов (до 16% при 1650° в энстатите). В кристаллах пироксенов по плоскостям (100) могут присутствовать ориентированные вростки минералов со структурой корунда (гематит, ильменит). С положением кристаллографических осей и наиболее плотноупакованных ионами кислорода плоскостей в структуре ромбических и моноклинных пироксенов связаны некоторые закономерности распада твердых растворов в пироксенах. Так как основой структуры моноклинных пироксенов является четырехслойная искаженная кубическая упаковка ионов кислорода, наиболее плотноупакованными плоскостями следует считать (100) и (001). В ромбических пироксенах плотноупакованной плоскостью является только (100), так как плоскость (001) занимает иное положение, по сравнению с соответствующей плоскостью в моноклинной ячейке. Поверхностью раздела пластин в структурах распада, образованных выделениями моноклинных и ромбических пироксенов, может быть только единственная общая плотноупакованная плоскость (100) с совпадющими направлениями [010] и [001]. В структурах распада моноклинных пироксенов плоскостями контакта будут (100) или (001). При изучении явлений распада твердых растворов пироксенов методом рентгеноструктурного анализа установлены следующие типы ориентировки продуктов распада: авгит с пластинками пижонита по (001) (совпадают оси а и b); авгит с пластинками гиперстена по (100) (совпадают оси b и с); пижонит с пластинками авгита по (001); гиперстен с пластинками авгита по (100). В претерпевшем инверсию пижоните пластинки авгита, образовавшиеся при распаде первичного пижонита по плоскости (001), ориентированы беспорядочно по отношению к ромбическому пироксену.

Для пироксенов, особенно ромбических, характерен полиморфизм. Изучение полиморфных превращений на примере MgSiO₃ показало, что все они осуществляются сдвигом цепочек [SiO₃]_∞ и [M(1 )O₂]_∞ по оси [001] в плоскости (100).

При деформациях сдвига происходит переход ортоэнстатита (Рbса) в низкий клиноэнстатит (P2₁/c). Такой же переход установлен и при боковом сжатии ортоэнстатита. При отсутствии напряжения сдвига низкий клиноэнстатит стабилен ниже 556°. При 1250° возможен метастабильный переход низкотемпературного клиноэнстатита (P2₁/c) в высокотемпературный клиноэнстатит (С2/с). Обратный переход возможен при температуре ниже 980°. Богатые железом ромбические пироксены при нагревании до 1100° превращаются в сдвойникованный по (100) моноклинный пироксен (С2/с) с черно-белой группой двойника D`2 - m`m`m` отвечающей по симметрии группе исходной модификации. При последующем охлаждении происходит переход в низкотемпературный моноклинный пироксен (P2₁/c). Переход Рbса →С2/с возможен с образованием сдвойникованных кристаллов высокотемпературного клинопироксена.

В результате конденсации пироксеновой цепочки [Si₁₊₁O₆]_∞ образуется двойная амфиболовая цепочка [Si₂₊₂O₁₁]_∞, что наряду с соответствующим строением катионных цепочек в плоскости плотнейшей упаковки (100) объясняет многие свойства пироксенов и амфиболов. Как в пироксенах, так и в амфиболах удлинение кристаллов по оси с определяется тем, что сопряженные сдвоенные кремнекислородные цепочки и цепочки полиэдров катионов параллельны этой оси. Этим же фактором определяется спайность в пироксенах и амфиболах по (110) вдоль кремнекислородных цепочек параллельно оси с (связи Si—О прочнее, чем связи Me—О, удерживающие цепочки). Различие проявляется только в углах между следами трещинок спайности на плоскостях (001) пироксенов и амфиболов, что объясняется разной конфигурацией цепочек [Si₁₊₁O₆]_∞ и [Si₂₊₂O₁₁]_∞  и в проекции  по оси с.

Установлено соответствие размеров элементарных ячеек пироксенов и амфиболов на примере четырех типичных моноклинных и ромбических минералов

В моноклинных и ромбических амфиболах и пироксенах направления всех осей совпадают.