Полевой шпат (иногда называемый полевым шпатом ) представляет собой группу породообразующих минералов тектосиликатов алюминия , также содержащих другие катионы , такие как натрий, кальций, калий или барий. [3] Наиболее распространенными представителями группы полевых шпатов являются плагиоклазовые (натриево-кальциевые) полевые шпаты и щелочные (калиево-натриевые) полевые шпаты. [4] Полевые шпаты составляют около 60% земной коры , [3] и 41% континентальной коры Земли по весу. [5] [6]
Полевые шпаты кристаллизуются из магмы как в виде интрузивных , так и в виде экструзивных магматических пород [7] , а также присутствуют во многих типах метаморфических пород . [8] Порода, почти полностью состоящая из кальциевого плагиоклазового полевого шпата, известна как анортозит . [9] Полевые шпаты также встречаются во многих типах осадочных пород . [10]
Группа минералов полевого шпата состоит из тектосиликатов , силикатных минералов, в которых ионы кремния связаны общими ионами кислорода, образуя трехмерную сеть. Составы основных элементов в обычных полевых шпатах можно выразить через три конечных члена :
Твердые растворы калиевого полевого шпата и альбита называются щелочным полевым шпатом. [11] Твердые растворы между альбитом и анортитом называются плагиоклазом , [11] или, точнее, плагиоклазовым полевым шпатом. Между калишпатом и анортитом встречается только ограниченный твердый раствор, а в двух других твердых растворах несмешиваемость возникает при температурах, обычных для земной коры. Альбит считается одновременно плагиоклазом и щелочным полевым шпатом.
Соотношение щелочного полевого шпата и плагиоклазового полевого шпата вместе с долей кварца является основой классификации магматических пород QAPF . [12] [13] [14] Плагиоклаз, богатый кальцием, является первым полевым шпатом, кристаллизующимся из остывающей магмы, но по мере продолжения кристаллизации плагиоклаз становится все более обогащенным натрием. Это определяет непрерывный ряд реакций Боуэна . К-полевой шпат — последний полевой шпат, кристаллизующийся из магмы. [15] [16]
Щелочные полевые шпаты делятся на два типа: содержащие калий в сочетании с натрием, алюминием или кремнием; и те, где калий заменен барием. К первым из них относятся:
Калиевые и натриевые полевые шпаты не полностью смешиваются в расплаве при низких температурах, поэтому промежуточные составы щелочных полевых шпатов встречаются только в средах с более высокими температурами. [20] Санидин стабилен при самых высоких температурах, а микроклин — при самых низких. [17] [18] Пертит представляет собой типичную текстуру щелочного полевого шпата, возникающую из-за растворения контрастных составов щелочного полевого шпата во время охлаждения промежуточного состава. Пертитовые текстуры щелочных полевых шпатов многих гранитов можно увидеть невооруженным глазом. [21] Микропертитовые текстуры в кристаллах видны с помощью светового микроскопа, тогда как криптопертитовые текстуры можно увидеть только с помощью электронного микроскопа.
Буддингтонит представляет собой аммониевый полевой шпат с химической формулой: NH 4 AlSi 3 O 8 . [22] Это минерал, связанный с гидротермальными изменениями первичных минералов полевого шпата.
Бариевые полевые шпаты образуются в результате замены калия барием в минеральной структуре. Бариевые полевые шпаты иногда выделяют в отдельную группу полевых шпатов [4] , а иногда – в подгруппу щелочных полевых шпатов. [23]
Бариевые полевые шпаты моноклинны и включают в себя следующее:
Плагиоклазовые полевые шпаты триклинны . Далее следует ряд плагиоклаза (в скобках указан процент анортита ):
Промежуточные составы распадаются на два полевых шпата контрастного состава во время охлаждения, но диффузия происходит намного медленнее, чем в щелочном полевом шпате, и образующиеся сростки двух полевых шпатов обычно слишком мелкозернистые, чтобы их можно было увидеть в оптические микроскопы. Разрывы несмешиваемости в твердых растворах плагиоклаза сложны по сравнению с разрывами в щелочных полевых шпатах. Игра цветов, видимая в некоторых полевых шпатах лабрадоритового состава, обусловлена очень мелкозернистыми пластинками распада , известными как срастание Беггильда. Удельный вес в серии плагиоклаза увеличивается от альбита (2,62) к анортиту (2,72–2,75).
Структура кристалла полевого шпата основана на алюмосиликатных тетраэдрах. Каждый тетраэдр состоит из иона алюминия или кремния, окруженного четырьмя ионами кислорода. Каждый ион кислорода, в свою очередь, является общим для соседнего тетраэдра, образуя трехмерную сеть. Структуру можно представить как длинные цепочки алюмосиликатных тетраэдров, иногда называемые цепочками коленчатого вала, поскольку их форма изогнута. Каждая цепь коленчатого вала связана с соседними цепями коленчатого вала, образуя трехмерную сеть сросшихся четырехчленных колец. Структура достаточно открыта для того, чтобы катионы (обычно натрий, калий или кальций) могли вписаться в структуру и обеспечить баланс зарядов. [26]
Название полевого шпата происходит от немецкого Feldspat , соединения слов Feld («поле») и Spat («хлопья»). «Спат» долгое время использовался как слово, обозначающее « камень , легко раскалываемый на хлопья»; Фельдшпат был введен в XVIII веке как более конкретный термин, возможно, связанный с его частым появлением в горных породах, найденных на полях (Урбан Брюкманн, 1783 г.), или с его появлением в виде «полей» внутри гранита и других минералов (Рене-Жюст Гаюи, 1804 г.). ). [27] На переход от Spat к -spar повлияло английское слово spar , [28] означающее непрозрачный минерал с хорошей спайностью. [29] Полевой шпат относится к материалам, содержащим полевой шпат. Альтернативное написание, felspar , вышло из употребления. Термин «фельсит», означающий светлые минералы, такие как кварц и полевые шпаты, представляет собой аббревиатуру, полученную от слов «полевой шпат» и « кремнезем », не связанную с устаревшим написанием «полевой шпат».
Химическое выветривание полевых шпатов происходит путем гидролиза и приводит к образованию глинистых минералов , включая иллит , смектит и каолинит . Гидролиз полевых шпатов начинается с растворения полевого шпата в воде, которое лучше всего происходит в кислых или основных растворах и хуже в нейтральных. [30] Скорость выветривания полевых шпатов зависит от того, насколько быстро они растворяются. [30] Растворенный полевой шпат реагирует с ионами H + или OH - и осаждает глины. В результате реакции также образуются новые ионы в растворе, причем разнообразие ионов зависит от типа реагирующего полевого шпата.
Обилие полевых шпатов в земной коре означает, что глины являются очень распространенным продуктом выветривания. [31] Около 40% минералов в осадочных породах представляют собой глины, а глины являются доминирующими минералами в наиболее распространенных осадочных породах, глинистых породах . [32] Они также являются важным компонентом почв . [32] Полевой шпат, замененный глиной, выглядит меловым по сравнению с более кристаллическими и стекловидными невыветрившимися зернами полевого шпата. [33]
Полевые шпаты, особенно плагиоклазовые полевые шпаты, не очень стабильны на поверхности земли из-за высокой температуры их образования. [32] Отсутствие стабильности является причиной того, что полевые шпаты легко превращаются в глину. Из-за склонности к выветриванию полевые шпаты обычно не распространены в осадочных породах. Осадочные породы, содержащие большое количество полевого шпата, указывают на то, что осадки не подвергались сильному химическому выветриванию перед захоронением. Это означает, что он, вероятно, был перенесен на небольшое расстояние в холодных и/или сухих условиях, не способствующих выветриванию, и что он был быстро погребен под другими отложениями. [34] Песчаники с большим количеством полевого шпата называются аркозами . [34]
Полевой шпат является распространенным сырьем, используемым в производстве стекла, керамики и, в некоторой степени, в качестве наполнителя и наполнителя в красках, пластмассах и резине. В США около 66% полевого шпата потребляется при производстве стекла, включая стеклянную тару и стекловолокно. Остальная часть приходится на керамику (включая электроизоляторы, сантехнику, посуду и плитку) и другие виды применения, такие как наполнители. [35]
Стекло : Полевой шпат содержит K 2 O и Na 2 O для флюса, а также Al 2 O 3 и CaO в качестве стабилизаторов. В качестве важного источника Al 2 O 3 для производства стекла полевой шпат ценится за низкое содержание железа и тугоплавких минералов, низкую стоимость единицы Al 2 O 3 , отсутствие летучих веществ и отсутствие отходов. [36]
Керамика : полевые шпаты используются в керамической промышленности в качестве флюса для образования стекловидной фазы в телах во время обжига и, таким образом, способствуют остекловыванию. Они также используются в качестве источника щелочей и глинозема в глазури. [36] Состав полевого шпата, используемого в различных керамических рецептурах, варьируется в зависимости от различных факторов, включая свойства отдельной марки, другого сырья и требований к готовой продукции. Однако типичные добавки включают: столовую посуду с содержанием полевого шпата от 15% до 30%; электротехнический фарфор высокого напряжения - от 25% до 35%; сантехника – 25%; настенная плитка – от 0% до 10%; и стоматологический фарфор с содержанием полевого шпата до 80%. [37]
Науки о Земле : В науках о Земле и археологии полевые шпаты используются для датирования калием-аргоном , датирования аргона-аргона и датирования по люминесценции .
Незначительное использование : в некоторых бытовых чистящих средствах (например, Bar Keepers Friend ) используется полевой шпат, обеспечивающий мягкое абразивное действие. [38]
По оценкам Геологической службы США, мировое производство полевого шпата в 2020 году составит 26 миллионов тонн, при этом в четыре крупнейших страны-производителя входят: Китай — 2 миллиона тонн; Индия 5 миллионов тонн; Италия 4 миллиона; Турция 7,6 млн тонн. [39]
Типичные минералогические и химические анализы трех коммерческих марок, используемых в керамике: [40]
В октябре 2012 года марсоход Curiosity обнаружил высокое содержание полевого шпата в марсианской породе. [41]