Свойства и применение полевого шпата

Полевые шпаты – обобщающий термин группы минералов, формирующих скальные горные породы, дающих начало осадочным отложениям. Литосфера Земли по массе на 50% состоит из этих минералов и продуктов их выветривания (каолинит, монтмориллонит).

Минералогический состав горных пород (интрузивного, метаморфического, метасоматического генезиса) на 60-65 % представлен полевыми шпатами.

История, химический состав и особенности структуры

Почему полевой, почему шпат? Шведским геологом Тиласом в 1740 году минерал назван фельдшпатом (Feldtspat). Обломки кристаллов сравнимы с пластинами, брусками, отсюда название шпат (греческое слово «спате» – пластина). Полевым назван из-за частых находок минералов на распаханных полях Швеции (фельд – по-шведски «поле»).

Геологами установлено: происхождение минерала полевой шпат связано с магматическими и метаморфическими геологическими процессами.

Магматогенный генезис: силикатный расплав магмы внедряется в слои литосферы, изливаясь на поверхность, или застывает на глубине. В образованных интрузивах и эффузивах минерал содержатся в больших количествах.

Ортоклазы магматического происхождения – гигантские кристаллы, проросшие зернами кварца, заполняют сплошь пегматитовые жилы, образуя письменную структуру. Соотношение ортоклаза к кварцу в пегматитах 3:1. Метаморфические ортоклазы, образованные в контактной зоне кислой магмы с глинами, крупнозернистые, придающие породам порфировидную структуру.

Тройную систему твердых растворов К[AlSi3O8] (ортоклаз) – Na[AlSi3O8] (альбит) – Са[Al2Si2O8] (анортит) представляют 2 изоморфных ряда:

• ряд ортоклаза – альбита (в кристаллах преобладает ортоклазная составляющая, содержание анортита до 10%);
• ряд альбито-анортитовый (преобладает анортит с примесью альбита – натриевый полевой шпат, примеси ортоклаза не более 10%).

По химсоставу шпаты делят на 3 группы:

• щелочные;
• плагиоклазы (алюмосиликатные соединения натрия с кальцием);
• бариевые.

Кроме основных ингредиентов, присутствуют примеси других химических элементов, придающих различную окраску минералам. Минералы полевых шпатов строением кристаллографической решетки относятся к каркасным алюмосиликатам.

Структура их схожа с непрерывным каркасом, сложенным трехмерными тетраэдрами, объединенными общими вершинами. Атомы кислорода в решетке соединяют кремний и алюминий, являясь общими для них.

Благодаря появлению в молекуле минерала одной свободной связи (у кремнекислородного тетраэдра валентность на единицу больше, чем у алюмокислородного).

Полевые шпаты, сформированные при кристаллизации магмы в условиях господства высокого давления, характеризует совершенная спайность по двум направлениям, ориентированных друг к другу перпендикулярно. Эта характеристика проявляется в раскалывании кристаллов на прямоугольные бруски, таблички, пластины.

Интересно: прозрачную разновидность кальцита с двойным лучепреломлением тоже называют шпатом исландским. Этот минерал раскалывается на бруски, пластины, но в отличие от прямоугольных пластин полевых шпатов, форма их ромбовидная.

Шпаты щелочной группы

Изоморфный ряд состоит из ортоклаза («прямой раскол») и микроклина («маленький угол»). Тот и другой – чисто калиевый полевой шпат без примеси натрия. Отличие этих двух минералов можно разглядеть только под микроскопом: спайность в микроклине не достигает прямого угла (всего-навсего не хватает 20 минут).

К щелочным отнесены разновидности ортоклаза и микроклина:

• Адуляр (лунный камень) – в общей массе наличие закономерно расположенных вростков альбита, минерал редкий, отнесен к IV классу драгоценных из-за эффекта иризации («кошачьего глаза»), ценим адуляр-талисман для рожденных в полнолуние, возможна подделка матового стекла;
• Санидин – высокотемпературная разновидность ортоклаза, стеклянно-прозрачный, содержание калия от 40 до 100 %.
• Амазонит — разновидность микроклина с примесью свинца, придающего оттенки голубовато-зеленого цвета (ценный поделочный каменный материал).

Интересно: все минералы щелочной группы описывает одна химическая формула (KAlSi3O8), но они имеют разные цвета (их определяют примеси других химических элементов) и различные степени упорядоченности кристаллических решеток.

Группа плагиоклазы и коллекционные минералы

Сюда отнесены полевые шпаты с натриево-кальциевым составом, совершенной спайности также в 2-х направлениях, но под углом несколько меньшим прямого (около 86 градусов), например:

• Олигоклаз (состав этого полевого шпата – смесь альбита с анортитом), разновидность олигоклаза с мерцанием из глубины – беломорит;
• Андезин (впервые открыт в Андах),
• Лабрадор (одноименное название полуострова Канады, где первый раз описан);
• Битовнит (практически чистый известковистый плагиоклаз с незначительной примесью альбитовой составляющей);
• Анортит (от греческого – «косой», представляет образец кальциевого шпата, не содержит натрия, в чистом виде редок).

Среди плагиоклазов встречаются иризирующие. Таковыми свойствами наделены разновидности лабрадора:

• отливает радужными расцветками спектролит;
• светятся изнутри голубизной полированные образцы черного лунного камня;
• обладают золотистым мерцанием, которое создают включения мельчайших частиц окислов железа авантюриновые (солнечные) камни.

Калиево-бариевые шпаты представлены:

• Цельзианом – бесцветные, желтоватые, кремовые короткостолбчатые кристаллы;
• Гиалофаном (в общей массе от 5 до 30% цельзиана).

Кристаллы бариевого шпата находят в доломитах и месторождениях марганца, это очень редкий и самый тяжелый – удельный вес 3,4 г/см3. Красивые образцы являются коллекционными.

Характерные признаки

Полевой шпат характеризуют следующие свойства:

• относительная твердость по шкале Мооса 6 (минерал царапается кварцем);
• четкой черты на фарфоровой пластинке кристаллы не дают, но царапину оставляют. Плотность средняя – удельный вес от 2,5 до 2,9 г/см3 (для бариевых несколько больше – до 3,4);
• спайность совершенная по двум направлениям под прямым (для щелочных) или почти под прямым углом (плагиоклазы);
• на плоскостях при раскалывании минерала возникает зеркальная поверхность;
• излом ступенчатый неровный.

Общие свойства шпатов делают затруднительным определение минералов по внешнему облику. Для точного определения нужен микроскоп. Описание макроскопических отличий плагиоклазов от ортоклазов:

• разные цвета (у первых – серый различных оттенков, у вторых – от белого, желтого до розового и мясо-красного);
• взаиморасположение плоскостей спайности (у ортоклаза 90 градусов, плагиоклазов 86).

Важным отличием является такой признак, как плагиоклазовая двойниковая штриховка. Просто определяется лабрадор, имеющий цвет от насыщенно-серого до серовато-черного с переливами сине-зеленого.

Практическое использование

Применение минералов полевого шпата следующее:

• производство тонкой керамики, оконного стекла (необходим калиевый полевой шпат);
• изготовление строительной керамики, технического прочного стекла – годны калинатровые разновидности;
• сырье для извлечения алюминия, рубидия;
• для изготовления легких абразивов, парфюмерии, мыла;
• производство изоляторов и электродов, кабелей, резины, бумаги, минеральных красок;
• ювелирное искусство — украшения из адуляра, черных лунных и солнечных камней, поделки из спектролита, амазонита, лабрадора;
• облицовка зданий (амазонит, лабрадор);
• при захоронении радиоактивных отходов.

Полевые шпаты важны не только как породообразующие минералы скальных горных пород. При выветривании они распадаются до минерала каолинита – ценной белой глины, сырья, применяемого в различных отраслях промышленности.

Месторождения и синтез полевых шпатов

Полевошпатовое сырье в основном сосредоточено в гигантских гранитных пегматитах (керамических, мусковитовых, редкометальных, хрусталеносных). В России запасы (50% калиевых минералов и 40% олигоклаза) сосредотачивают пегматиты севера Карелии (рудник имени В. Чкалова) и Прибайкалья (Нарын-Кунтинское месторождение), Северного Приладожья и Карелии (Питкяранта, Люпикко, Хето-Ламбины).

Известны калиево-натриевые месторождения на Среднем Урале (Малышевское) и Восточном Забайкалье. Крупнейшим является месторождение Режик на Среднем Урале: здесь граниты-аляскиты содержат до 45% микроклина и свыше 50% альбита с олигоклазом.

Щелочные пегматиты разрабатывают на Вишневогорском месторождении Южного Урала возле Свердловска, крупные щелочные комплексы шпатов на Кольском полуострове (Хибинские и Ловозерские нефелиновые сиениты). Беломорит встречается вдоль береговой линии Белого моря, солнечными камнями славятся Пальдер (Прибайкалье), Уральские горы, Уточкино (возле Улан-Удэ).

Амазониты добывают на Кольском полуострове (Кейве, Плоскогорское, Краснощелье). Пегматитовые жилы с амозонитом встречаются по Восточной Сибири (Улан-Нурское месторождение Прибайкалья).

Амазонитом богат африканский континент, известны крупные месторождения Индостана, Канады, Бразилии. Роскошным лабрадором славятся Украина, китайский Тибет, Финляндия, Индия, Канада, Гренландия Германия. Высококачественный адуляр содержат гидротермальные жилы горных пород Индии, острова Шри-Ланка, Памир Таджикистана, Щвейцарии, США.

Искусственный щелочной шпат получают из стекол, применяя стехиометрические коэффициенты смешивания химических элементов в составе (К,Na,Rb,NH4){(Al, B, Ga, Fe)(Si,Ge)3O8}. Применяют 2 способа:

• сухой (температура синтеза от 700 до 1000^оС);
• гидротермальный (температура 550^о, давление 1 кбар, время 140 час).

Из предлагаемого набора химических элементов получились триклинные (с натрием) и моноклинные (с калием и рубидием) искусственные полевошпатовые материалы. Синтетический шпат состава NaFeSi3O8 гидротермальным способом не получился, взамен синтезировался минерал пироксен.

Моноклинные шпаты серебра, лития, цезия образуются при ионном обмене санидина с анальбитом в расплаве хлорида соответствующего элемента.

Природа не поскупилась полезными свойствами для полевого шпата и его запасами. Месторождения разбросаны по всему земному шару.