Введение

Плагиоклаз (Plagioclase, PLAJ, PLAY, klayz) — серия тектосиликатных минералов группы полевых шпатов. В отличие от конкретного минерала с определённым химическим составом, плагиоклаз представляет собой непрерывный ряд твёрдых растворов, более точно называемый рядом плагиоклазовых полевых шпатов. Это было впервые показано немецким минералогом Иоганном Фридрихом Кристианом Гесселем (1796–1872) в 1826 году. Ряд варьируется от альбита до анортита (с соответствующими составами NaAlSi₃O₈ до CaAl₂Si₂O₈), где атомы натрия и кальция могут замещать друг друга в кристаллической решётке минерала. Плагиоклаз в полевых образцах часто идентифицируется по полисинтетическому кристаллическому двойникованию или эффекту "записи канавки". Плагиоклаз является основным минеральным компонентом земной коры и, следовательно, важным диагностическим инструментом в петрологии для определения состава, происхождения и эволюции магматических пород. Плагиоклаз также является основным компонентом горных пород в высокогорьях Луны. Анализ спектров теплового излучения с поверхности Марса указывает на то, что плагиоклаз является наиболее распространённым минералом в коре Марса. Его название происходит от двух углов спайности.

Свойства

Плагиоклаз – наиболее распространенная и обильная минеральная группа в земной коре. Являясь частью семейства полевых шпатов, он широко представлен в магматических и метаморфических породах, а также часто встречается как детритный минерал в осадочных породах. Плагиоклаз – это не отдельный минерал, а твердый раствор двух конечных членов: альбита, или натриевого полевого шпата (NaAlSi3O8), и анортита, или кальциевого полевого шпата (CaAl2Si2O8). Эти компоненты могут присутствовать в плагиоклазе в любых пропорциях, от чистого анортита до чистого альбита. Состав плагиоклаза можно представить формулой Na{1-x}Ca{x}Al{1+x}Si{3-x}O8, где x изменяется от 0 для чистого альбита до 1 для чистого анортита. Эта серия твердых растворов известна как ряд плагиоклазов. Состав конкретного образца плагиоклаза обычно выражается в мольных процентах анортита. Например, плагиоклаз с содержанием 40 мол.% анортита обозначается как An40 плагиоклаз. Способность альбита и анортита образовывать твердые растворы в любых пропорциях при повышенных температурах обусловлена легкостью, с которой кальций и алюминий замещают натрий и кремний в кристаллической структуре плагиоклаза. Несмотря на то, что ион кальция имеет заряд +2, а ион натрия – +1, эффективные радиусы этих ионов практически одинаковы. Разница в заряде компенсируется совместной заменой алюминия (заряд +3) на кремний (заряд +4), оба из которых могут занимать тетраэдрические позиции (окруженные четырьмя ионами кислорода). Это отличается от калия, который имеет такой же заряд, как и натрий, но значительно больше по размеру. Из-за разницы в размере и заряде между калием и кальцием существует значительный разрыв в растворимости между анортитом и калийным полевым шпатом (KAlSi3O8) – третьим распространенным породообразующим конечным членом семейства полевых шпатов. Калийный полевой шпат образует ряд твердых растворов с альбитом благодаря одинаковому заряду ионов натрия и калия, который известен как ряд щелочных полевых шпатов. Таким образом, почти весь полевой шпат, встречающийся на Земле, является либо плагиоклазом, либо щелочным полевым шпатом, причем эти два ряда перекрываются для чистого альбита. При описании состава плагиоклаза через содержание анортита в мольных процентах (например, An40 в предыдущем примере) подразумевается, что остальная часть состава – альбит, с незначительным содержанием калийного полевого шпата. Плагиоклаз любого состава обладает рядом общих физических характеристик, в то время как другие характеристики плавно изменяются в зависимости от состава. Удельный вес плавно возрастает с увеличением содержания кальция, от 2,62 для чистого альбита до 2,76 для чистого анортита, что может служить полезной оценкой состава при точных измерениях. Показатель преломления также плавно изменяется от 1,53 до 1,58, и при тщательном измерении также может дать полезную оценку состава. Плагиоклаз почти всегда демонстрирует характерное полисинтетическое двойникование, которое проявляется в виде двойниковых полос на плоскости (010). Эти полосы позволяют отличить плагиоклаз от щелочного полевого шпата. Плагиоклаз часто также проявляет двойникование по законам Карлсбада, Бавено и Манебаха.

Конечные члены

Анортит был назван Густавом Роузом в 1823 году от греческого ἀν («не») + ὀρθός («прямой»), буквально «наклонный», в связи с его триклинной кристаллизацией. Анортит – сравнительно редкий минерал, но встречается в основных плутонических породах некоторых орогенных кальк-щелочных серий. Альбит получил своё название от латинского albus, в связи с его необычно чистым белым цветом. Впервые название было применено Йоханом Готлибом Ганом и Йонсом Якобом Берзелиусом в 1815 году. Это относительно распространённый и важный минералообразующий минерал, ассоциирующийся с более богатыми кремнезёмом типами горных пород, в гидротермальных жилах, с метаморфическими породами зелёносланцевой фации и в пегматитовых жилах, часто в виде разновидности клевеландита и в ассоциации с более редкими минералами, такими как турмалин и берилл.

Промежуточные члены

Промежуточные члены группы плагиоклазов очень похожи друг на друга и обычно не могут быть различимы, кроме как по их оптическим свойствам. Удельный вес каждого члена (албита – 2,62) увеличивается на 0,02 при увеличении содержания анортита (2,75) на 10%. Байтаунит, названный в честь старого названия Оттавы, провинция Онтарио, Канада – города Байтаун, является редким минералом, который иногда встречается в более основных породах. Лабрадорит – характерный полевой шпат для более основных типов пород, таких как габбро или базальт. Лабрадорит часто демонстрирует переливчатое мерцание цветов, вызванное преломлением света в ламеллах кристалла. Он назван в честь Лабрадора, где является компонентом интрузивной магматической породы анортозита, состоящей почти исключительно из плагиоклаза. Разновидность лабрадорита, известная как спектролит, встречается в Финляндии. Андезин – характерный минерал пород, таких как диорит, содержащих умеренное количество кремнезёма и связанных с ними вулканических пород, таких как андезит. Олигоклаз обычен в гранитах и монзонитах. Название «олигоклаз» происходит от греческих слов «ὀλίγος» (малый, незначительный) и «κλάσις» (скол), в связи с тем, что угол спайности значительно отличается от 90°. Этот термин впервые был использован Брайтауптом в 1826 году. Солнечный камень состоит главным образом из олигоклаза (иногда альбита) с включениями чешуек гематита.

Петрогенез

Плагиоклаз является основным алюминиеносным минералом в мафических породах, образованных при низком давлении. Обычно это первый и наиболее распространенный полевой шпат, кристаллизующийся из охлаждающейся первичной магмы. Анортит имеет значительно более высокую температуру плавления, чем альбит, и, как следствие, богатый кальцием плагиоклаз кристаллизуется первым. По мере понижения температуры плагиоклаз становится все более обогащенным натрием, формируя непрерывный ряд реакций Боуэна. Однако состав плагиоклаза, с которым он кристаллизуется, также зависит от других компонентов расплава, поэтому сам по себе он не является надежным термометром. Температура ликвидуса плагиоклаза (температура, при которой плагиоклаз начинает кристаллизоваться) составляет примерно для оливинового базальта с содержанием 50,5 мас.% диоксида кремния; в андезите с содержанием диоксида кремния 60,7 мас.%; и в даците с содержанием диоксида кремния 69,9 мас.%. Эти значения относятся к сухой магме. Добавление воды значительно понижает температуру ликвидуса, причем в большей степени для плагиоклаза, чем для мафических минералов. Эутектика (смесь с минимальной температурой плавления) для смеси анортита и диопсида смещается с 40 мас.% анортита до 78 мас.% анортита при увеличении давления водяного пара с 1 бара до 10 кбар. Присутствие воды также смещает состав кристаллизующегося плагиоклаза в сторону анортита. Температура эутектики для этой влажной смеси понижается примерно до . Кристаллизующийся плагиоклаз всегда богаче анортитом, чем расплав, из которого он кристаллизуется. Этот эффект плагиоклаза приводит к обогащению остаточного расплава натрием и кремнием и обеднению алюминием и кальцием. Однако одновременная кристаллизация мафических минералов, не содержащих алюминий, может частично компенсировать обеднение алюминием. В вулканических породах кристаллизованный плагиоклаз включает большую часть калия из расплава в качестве микроэлемента. Новые кристаллы плагиоклаза нуклеируются с трудом, а диффузия внутри твердых кристаллов очень медленная. В результате, при охлаждении магмы все более богатый натрием плагиоклаз обычно кристаллизуется по краям существующих кристаллов плагиоклаза, которые сохраняют свои более богатые кальцием ядра. Это приводит к зональности состава плагиоклаза в магматических породах. В редких случаях плагиоклаз демонстрирует обратную зональность, с более богатым кальцием ободком на более богатом натрием ядре. Плагиоклаз также иногда проявляет осцилляторную зональность, при которой зоны чередуются между богатыми натрием и богатыми кальцием составами, хотя это обычно накладывается на общую тенденцию нормальной зональности.

Классификация магматических пород

Плагиоклаз имеет большое значение для классификации кристаллических магматических пород. Как правило, чем больше содержание кремнезёма в породе, тем меньше мафических минералов и тем богаче плагиоклаз натрием. Алкальный полевой шпат появляется при высоком содержании кремнезёма. В классификации QAPF плагиоклаз является одним из трёх ключевых минералов, наряду с кварцем и щелочным полевым шпатом, используемых для первичной классификации типа породы. Магматические породы с низким содержанием кремнезёма далее подразделяются на диоритовые породы, содержащие богатый натрием плагиоклаз (An<50), и габброиды, содержащие богатый кальцием плагиоклаз (An>50). Анортозит – это интрузивная порода, состоящая как минимум на 90% из плагиоклаза. Альбит является крайним членом как щелочной, так и плагиоклазовой рядов. Однако в классификации QAPF он включается в щелочно-полешпатовую фракцию породы. Плагиоклаз относительно быстро выветривается, образуя глинистые минералы, такие как смектит.

На прерывище Мохоровичича

Считается, что поверхность Мохоровичича, определяющая границу между земной корой и верхней мантией, соответствует глубине, на которой полевой шпат исчезает из состава горных пород. Хотя плагиоклаз является наиболее важным минералом, содержащим алюминий в земной коре, он разрушается при высоком давлении верхней мантии, при этом алюминий стремится включаться в состав клинопироксена в виде молекулы Чжармака (|CaAl2SiO6) или в жадеит |NaAlSi2O6. При еще большем давлении алюминий включается в гранат.

Вывод

При очень высоких температурах плагиоклаз образует твердый раствор с калийным полевым шпатом, но при охлаждении он становится крайне нестабильным. Плагиоклаз отделяется от калийного полевого шпата в процессе, называемом эксоллюцией. Полученная порода, в которой в калийном полевом шпате присутствуют тонкие полосы плагиоклаза (ламеллы), называется пертитом. Твердый раствор между анортитом и альбитом остается стабильным при более низких температурах, но в конечном итоге становится нестабильным по мере приближения породы к температуре окружающей среды. В результате эксоллюции образуются очень тонкие ламеллярные и другие срастания, обычно обнаруживаемые только с помощью сложных методов. Однако эксоллюция в диапазоне составов от андезита до лабрадорита иногда приводит к образованию ламелл толщиной, сопоставимой с длиной волны видимого света. Это действует как дифракционная решетка, вызывая красивую игру цветов, известную как чатоянс, в лабрадорите.

Применение

В дополнение к своей важности для геологов в классификации изверженных пород, плагиоклаз находит практическое применение в качестве строительного заполнителя, в качестве облицовочного камня, а в порошкообразном виде – как наполнитель в красках, пластмассах и резине. Плагиоклаз, богатый натрием, используется в производстве стекла и керамики. Анортозит в будущем может стать важным источником алюминия.