Введение

Цельсиан – редкий полевой шпат, бариево-алюмосиликат, BaAl₂Si₂O₈. Минерал встречается в контактно-метаморфических породах с высоким содержанием бария. Его кристаллическая система – моноклинная, а внешний вид – белый, жёлтый или прозрачный. В чистом виде он прозрачен. Синтетический бариево-алюмосиликат используется как керамический материал в зубных пломбах и других областях применения. Минерал назван в честь Андерса Цельсия (1701–1744).

Состав

Цельсиан – это бариевый полевой шпат с химической формулой BaAl₂Si₂O₈. Он входит в группу полевых шпатов и принадлежит к рядам цельсиан-гиалофан и цельсиан-ортоклаз. Он имеет некоторое сходство с анортитом и существует в виде четырех различных полиморфных модификаций. Основными элементами являются кремний, алюминий, кислород и барий. К распространенным примесям в минерале относятся железо, титан, магний, калий и кальций. Цельсиан стабилен при комнатной температуре вплоть до 1590 °C (Lin and Foster, 1968). Наиболее распространенными микроэлементами являются калий и кальций; анализ приблизительного химического состава цельсиана показал следующие весовые проценты:
• SiO₂ – 35,1
• Al₂O₃ – 26,8
• BaO – 35,8
• K₂O – 2,3
Всего: 100,0 (Newham и Megaw, 1960).

Геологическое происхождение

Цельсиан встречается ограниченно. Большинство бариевых полевых шпатов связано с эклогальными гидротермальными процессами и метаморфизмом низкой и средней степеней (Moro и Cembranos и Fernandez, 2001). Он также встречается в связи с осадочными и метаосадочными породами, месторождениями марганца, ферромарганца и барита. Цельсиан можно обнаружить в таких местах, как Уэльс, Самора (Испания), Аляска, Калифорния, Швеция и Япония, а также совместно с хендрикситом на рудниках Франклина в Нью-Джерси.

Структура

Симметрия в цельсиане несколько отличается от симметрии, обычно наблюдаемой в полевых шпатах. Он моноклинический, с объёмно-центрированной решёткой, подобной решётке анортита. Недостаточно доказательств, чтобы предположить отсутствие центра симметрии у цельсиана, поэтому его пространственная группа – I 2/c (Newnham и Megaw, 1960). Эта пространственная группа отличается от пространственных групп других представителей группы, таких как ортоклаз, альбит и объёмно-центрированный анортит – C2/m, C1̄ и I1̄. Рентгеновский анализ показывает, что значения параметров решётки для осей a, b, c и углов приблизительно равны: a = 863 пм, b = 131,0 пм, c = 1400 пм и β = 116°, θ = 90° (Gay, 1956). В элементарной ячейке содержится 8 формульных единиц, а общее положение восьмикратное, поэтому все атомы могут находиться в общих положениях (Newnham и Megaw, 1960). Эта структура очень похожа на структуру ортоклаза и сандина, но имеет два отличия: 1. Распределение Si и Al. 2. Координаты всех атомов. Распределение кремния и алюминия по тетраэдрическим позициям, в сочетании с природой атома бария, влияет на окружающий силикатный каркас (Newnham и Megaw, 1960). Связи Si-Al частично упорядочены, и в некоторых случаях алюминий замещает кремний. Упорядочение в цельсиане очень простое: каждый алюминиевый тетраэдр окружён четырьмя кремниевыми тетраэдрами и наоборот (Newnham и Megaw, 1960). Кроме того, существует другой тип трансформации, помимо замещения алюминия кремнием, при котором области, обеднённые кремнием, переходят в области, богатые кремнием, что требует одновременной замены Al и Si в других позициях. Ион бария имеет неправильную конфигурацию, близкую к конфигурации калия в полевых шпатах. Каждый ион бария имеет близко расположенный атом кислорода, и благодаря этой конфигурации он оказывает сильное влияние на углы Si-O-Si.

Полиморфизм

Существует четыре различных полиморфа цельсиана, два из которых – природные минералы, а два других – продукты синтеза. Первыми являются парацельсиан и цельсиан, вторыми – гексацельсиан, а еще один связан с минералом цимиритом (Lin and Foster, 1967). Порядок возрастания стабильности следующий: парацельсиан → гексацельсиан → цельсиан в температурном диапазоне от 500 °C до 1000 °C. При повышении температуры от 1600 °C до 1760 °C происходит переход от цельсиана к обратимой форме гексацельсиана. Парацельсиан менее стабилен, чем два других, а цельсиан – наиболее стабилен.

Близнецы

Фельдспаты бария встречаются в оптически однородных кристаллах, где двойникование развито слабо, за исключением крупных кристаллов. Было идентифицировано восемнадцать кристаллических форм; одиннадцать из них совпадают с известными для ортоклаза. Наблюдаемые двойники включают близнецы Манебаха по плоскости (001) и близнецы Бавено по плоскости (021). В некоторых образцах цельсиана обнаружено редкое пластинчатое двойникование (Спенсер, 1941).

Физические свойства

Цельсиан демонстрирует c(001) совершенное спайность и b(010) хорошее спайность, что отличает его от полиморфа парацельсиана, у которого [110] слабо выраженное спайность. Встречаются различные формы кристаллов, такие как адулярия, крупные, коренастые кристаллы (Spencer, 1941), а также длинные, вытянутые до игольчатых. Обычно он бесцветный и прозрачный, с перламутровым до не флуоресцирующим блеском. Плотность составляет приблизительно 3,31–3,33 г/см³. Это может быть обусловлено наличием примесей в структуре минерала. Его твердость по шкале Мооса равна 6, что связано с малой длиной связи в структуре, поскольку относительно короткие связи, как правило, более прочные.

Оптические свойства

Некоторые другие оптические свойства включают угол 2V, приблизительно равный 88°, с максимальным двойным лучепреломлением 0,014, двуосный со знаком минус (Newnham и Megaw, 1960). Он обладает умеренным рельефом.

Применение

Применение кельция в основном связано со стеклом и керамикой. Эти применения обычно достигаются путем получения чистого синтетического моноклинного кельция. Кельций обладает очень привлекательными характеристиками, такими как химическая стабильность и высокая механическая прочность, которые могут быть эффективно использованы для создания композиционных материалов с улучшенными характеристиками по сравнению с обычным стеклом (Cannillo, Carlier, Manfredini, Montorsi, and Siligardi 2006). Многие исследования показывают, что увеличение содержания фаз кельция в стеклах приводит к увеличению объема кристаллизации (Khater и Idris, 2004).