Hình 6.11
a) Sơđồ chuỗi đơn và chuỗi kép (mặt cắt ngang) của pyroxen, amphibol và biopyribol; b) Sơđồ chỉ hướng của các phản ứng giảđịnh nhằm biến đổi pyroxen thành silicat lớp.
Các chữ số chỉ chuỗi kép: kép “2” trong amphibol, kép “3” trong biopyribol, do các chuỗi
đơn “1” của pyroxen trùng hợp nên. Từđó suy ra sự trùng hợp cao nhất của“∞” chuỗi đơn, với sản phẩm là silicat lớp (theo Veblen D.R. và Buseek P.R., 1981)
Năm 1977, Veblen D.R. đã bắt gặp những pha rắn mới, mang tên chung biopyribol. Hai trong số pha rắn mới tìm được có cấu trúc đặc trưng (hình 6.11,a) của nhóm chức chuỗi kép ba (do sự trùng hợp của 3 chuỗi đơn) là:
jimthomsonit (Mg,Fe)10Si12O32(OH4)
và chuỗi kép phức hợp xen kẽ giữa chuỗi kép 2 và chuỗi kép 3 là: chesterit (Mg,Fe)17Si20O54(OH)6
Những phát hiện sau đó (1983) của cùng tác giả cho thấy sự có mặt của chuỗi kép bốn trong một sản phẩm cùng loại. Chúng xuất hiện ở giai đoạn chuyển tiếp của sự phát triển cấu trúc tinh thể từ silicat chuỗi, tức là pyroxen (khoáng vật nhiệt độ cao, không chứa nước) sang silicat lớp, tức là mica (khoáng vật nhiệt độ thấp, chứa nước) theo sơđồ trên hình 6.11,b.
Dưới kính hiển vi điện tử, các tác giả còn cho thấy biopyribol với cấu trúc mạch kép ba nằm giữa một bên là thể sót (chưa bị biến đổi) của augit với bên kia là talc. Vậy, biopyribol là sản phẩm trung gian trong loạt phản ứng :
pyroxen → silicat mạch kép ba → talc.
Enstatit (+) Hệ trực thoi Diopsit (+) Hệ một nghiêng Np 1,650 – 1,768 1,664 – 1,732 Nm 1,653 – 1,770 1,672 – 1,730 Ng 1,658 – 1,788 1,694 – 1,755 Ng – Np 0,007 – 0,020 0,031 – 0,024 2V 125 – 53 – 125° 50 – 62° Định hướng Np= y; Nm=y; Ng: z = 38–48° Mặt trục quang (100) (010) Ô mạng cơ sở a =18,22–18,43Å a = 9,75 – 9,85Å b = 8,81 – 9,08Å b = 8,90 – 9,0Å c = 5,17– 5,24Å c = ~5,3Å β= 104,8 – 105,8° Z = 16 Z = 4 Nhóm không gian P b c a C 2 / c d hkl, Å 3,17(10);2,94(4);2,87(9); 3,23(8);2,98(10);2,94(7); 2,53(4); 2,49(5) 2,53(4);1,748(4)
Inosilicat bao gồm pyroxen với nhóm chức chuỗi đơn và amphibol vớinhóm chức chuỗi kép. Giữa chúng có nhiều điểm tương đồng. Hầu hết khoáng vật của chúng đều thuộc hệ một nghiêng, nhưng cả hai đều có những khoáng vật trực thoi. Thông số mạng c dọc chuỗi đơn hay chuỗi kép đều có độ lớn khoảng 5,2Å. Thông số b của chúng cũng gần như nhau. Duy thông số a thì amphibol có nhóm chức chuỗi kép nên a có độ dài lớn gấp đôi so với a của pyroxen.
Hai bên đều có những cation cùng loại trong thành phần. Nhưng nhóm hydroxil (OH) chỉ
có mặt trong amphibol. Mặc dù các khoáng vật của hai phía có biểu hiện như nhau về màu sắc, về ánh, vềđộ cứng; nhưng nhóm (OH) trong amphibol đã làm cho tỉ trọng và chiết suất của chúng thấp hơn so với của pyroxen. Tinh thể của chúng có dạng quen kéo dài dọc theo hướng của chuỗi. Tuy vậy, lăng trụ của pyroxen thường ngắn, dạng thỏi. Tinh thể của amphibol là lăng trụ dài, hình kim. Mặt cát khai theo {110} phân biệt rõ rệt về giá trị góc có thể liên quan trực tiếp đến mặt cắt ngang của cấu trúc chuỗi.
Thành phần hoá học của pyroxen có thể biểu thị bằng công thức tổng quát XYZ2O6, cation X nằm trong vị trí tinh thể học M2; Y trong vị trí M1 (riêng Fe2+ tập trung trong vị trí tinh thể học M2 của pyroxen trực thoi Pbca); Z chỉ Si4+ nằm trong tâm các tứ diện của chuỗi. Có thể thấy rằng cation X thường lớn hơn cation Y, tương ứng với kích thước của các vị trí M2 và M1. Cấu trúc pyroxen dựa trên nhóm chức chuỗi đơn Si2O6 kéo dài theo trục c. Trong pyroxen thoi, bát diện M1 biến dạng nhiều hơn so với bát diện M2.
6.6.1. Cấu trúc tinh thể
Cấu trúc pyroxen dựa trên nhóm chức chuỗi đơn Si2O6 kéo dài theo trục z (xem lại hình 4.24 và 4.38), do tứ diện silic–oxy gắn với nhau tại hai đỉnh. Chu kì tuần hoàn dọc chiều dài của chuỗi ứng với hai tứ diện và bằng khoảng 5,2Å. Giá trị này là thông số c của ô mạng cơ
(1/3 oxy dư –1), Y gắn chúng ở phía đỉnh với mỗi oxy điện tích dư –1 (xem các hình 6.10,a và 6.11,a).
So sánh thông số mạng của diopsit một nghiêng và enstatit trực thoi (xem bảng trên), có thể thấy chúng tương đồng về các thông số b và c, còn a (của pyroxen trực thoi) thì gần bằng 2asinβ (một nghiêng).
Hình 6.12
Sơđồ cấu trúc pyroxen một nghiêng chiếu trên mặt vuông góc trục c (a)
Cát khai dọc lăng trụ trực thoi liên quan tới chuỗi Si-O với mặt cắt ngang dạng chữ I (b)
Trong pyroxen một nghiêng (hình 4.24, 6.11), vị trí M2 là đa diện không đều đặn của số
phối trí 8 (theo Prewitt C.T. và Burnham C.W., 1966). Chính nơi đây, các tứ diện hướng mặt
đáy đã trung hoà 2/3 điện tích của chúng lại với nhau, cạnh đó là các cation điện tích thấp của M2; liên kết yếu đã biến nơi đây thành khâu giác chứa sơđồ miền gián đoạn
Dễ tách giãn của cấu trúc chuỗi. Trên thang độ nguyên tử, mặt cát khai lượn sóng, lách giữa các chuỗi Si−O và cắt qua các mối liên kết của vị trí M2.
Hình 6.13
Các vectơ trao đổi cho thấy những liên quan về thành phần hoá học giữa các pyroxen trong tứ giác enstatit–ferosillit–hedenbergit–diopsit với nhau và với các pyroxen nhôm
Pyroxen có thể chia thành một số nhóm, phổ biến nhất trong số đó thể hiện trên phần tứ
giác Di–Hd–Fs–En của hệ trên hình 6.13. Phần tứ giác này bao gồm các thành phần của dãy
đồng hình phổ biến là:
enstatit MgSiO3 – FeSiO3 ferrosillit thuộc hệ
trực thoi enstatit.
Về mặt danh pháp, trước đây thành phần trung gian của dãy đã từng có tên; như bronzit và hipersthen là các thành phần của dãy trực thoi, salit và ferosalit là của dãy một nghiêng.
Điều này trái với quy định của danh pháp hiện đại (theo Morimoto et al., 1988).
Ngoài tên của các pha đầu-cuối như trên hình
đã dẫn, thành phần trung gian sẽ diễn đạt bằng phần trăm của khoáng vật gần hơn trong hai khoáng vật đầu và cuối dãy. Ví dụ, En80 ấn định cho khoáng vật của dãy trực thoi hai cấu tử, nó có 80% phân tử enstatit và 20% phân tử ferrosillit trong thành phần. Tương tự, một pha trong dãy
diopsit – hedenbergit có thể biểu thị bằng phần trăm phân tử, chẳng hạn Di50Hs50.
Cần nói thêm rằng tứ giác Di–Hd–Fs–En chính là một phần của hệ ba cấu tử Wo (wolastonit)–En (enstatit)–Fs (ferosillit). Theo đó, diopsit hay hedenbergit (hai đỉnh Di và Hd của tứ giác vừa nói) có thành phần lần lượt là En50Wo50 và Wo50Fs50 (ứng với hai trung điểm hai cạnh của tam giác). Tương tự, Di50Hd50 = Wo50En25Fs25 và bất cứ thành phần nào tổng quát hơn nằm trong lòng tứ giác đều diễn đạt bằng phần trăm phân tử của hệ ba hợp phần.
Augit liên quan chặt chẽ về thành phần với các thành viên của dãy Di–Hd, nhưng với một số
thay thế, như Na thay cho Ca trong M2, Al cho Mg (hay Fe2+) trong M1. Pigeonit có trường thành phần của các dung dịch Mg–Fe, nhưng với độ chứa Ca phần nào cao hơn so với dãy enstatit–ferosillit; thành phần Pgt tương ứng một phần của trường pyroxen trực thoi. Pyroxen chứa Na là aegirin NaFe3+Si2O6 và jadeit NaAlSi2O6. Mỗi khoáng vật trong cặp ấy tạo với augit một dãy đồng hình: aegirin–augit và jadeit–augit. Omphacit là một trong những thành viên của dãy thứ hai. Spodumen LiAlSi2O6 là pyroxen tương đối hiếm, tìm thấy trong pegmatit giàu liti.
Các thay thế chính xảy ra trong pyroxen thể hiện bằng các vectơ: FeMg–1, CaMg–1, AlVIAlIVMg–1Si–1 (tschermak)
Thay thế quan trọng ở áp suất cao là vectơ jadeit: NaAlVICa–1Mg–1
Ba vectơđầu thể hiện trên hình 6.13. Trao đổi Fe–Mg là của các cặp diopsit–hedenbergit và enstatit–ferosillit. Các vectơ CaMg–1 và CaFe–1 cho ra đời các đôi enstatit–diopsit và ferosillit–hedenbergit. Quan hệ pha trong tứ giác pyroxen có phần phức tạp, do vừa có miền solvus trong pyroxen vừa có biến đổi pha trong vùng nghèo calci của hệ. Vùng nhiệt độ thấp (hình 6.14) có miền gián đoạn ở giữa pyroxen trực thoi (Opx) và pyroxen một nghiêng (augit) và miền này trải rộng khắp tứ giác (hình 6.15,a). Giữa 800 và 900°C pigeonit trở nên bền vững trong hệ không có Mg (hình 6.15,b), bởi vì solvus co rút về phía vùng Mg–Ca.
Vectơ tschermak gặp trong cả pyroxen Fe–Mg lẫn pyroxen calci, làm xuất hiện các công thức đầu cuối FeAlAlSiO6, MgAlAlSiO6 và CaAlAlSiO6; lần lượt ứng với các trao đổi Fe2+Si ⇔ AlVIAlIV, MgSi ⇔ AlVIAlIV và CaSi ⇔ AlVIAlIV. Những thay thế này chỉ xảy ra trong phạm vi hạn hẹp của pyroxen biến chất. Trở lại với cơ chế thay thế chính của pyroxen, có thể
nhận xét rằng Fe2+ có thể thay thế Mg2+ trong mọi tỉ lệ cho đến gần 90% FeSiO3. Tuy vậy, trong các pyroxen trực thoi phổ biến tỉ lệ Fe : Mg hiếm khi vượt 1 : 1. Enstatit tinh khiết chứa 40,0% MgO và 60,0% SiO2. Pyroxen trực thoi chứa không quá 1,5% CaO. Ferrosillit FeSiO3
tinh khiết hiếm gặp trong tự nhiên; bởi vì trong các khoảng nhiệt độ và áp suất quan sát được chính tổ hợp fayalit + thạch anh với
thành phần tương đương tức là Fe2SiO4 + SiO2 (= 2FeSiO3) là pha bền vững hơn. Trong số pyroxen một nghiêng, các pha của dãy clinoenstatit – clinoferrosillit với cùng thành phần MgSiO3 – FeSiO3, nhưng kém bền vững hơn và bền vững ở nhiệt độ cao hơn, do đó ít phổ biến hơn, so với các pha tương ứng của orthopyroxen. Miền gián đoạn và miền mọc xen. Trong pyroxen miền gián đoạn rộng lớn giữa augit và pyroxen trực thoi (không phải là solvus, vì hai pha này không đồng cấu trúc; solvus thực sự chỉ có ở augit và pigeonit) tồn tại dọc các vectơ CaMg–1 và CaFe–1
trong pyroxen, như hình 6.12 giới thiệu. Biểu đồ T–X (hình 6.14) cho thấy phạm vi của miền gián đoạn
trong một hệ không có sắt. Hình 6.15 giới thiệu các mặt cắt đẳng nhiệt và đẳng áp của tứ giác pyroxen.
Điều này mở ra trường cộng sinh ba pyroxen: augit, pigeonit và pyroxen trực thoi. Nhiệt
độ tăng, solvus tiếp tục co rút về vùng Mg–Ca, cho đến khi pigeonit trở nên bền vững trong hệ không có sắt ở nhiệt độ khoảng 1300°C (hình 6.15,c). Giữa 950 và 1000°C pyroxen trực thoi biến thành protoenstatit (hình 6.14). Sự kết hợp giữa sự chuyển đổi cấu trúc (một nghiêng sang trực thoi) và vùng gián đoạn làm xuất hiện sự mọc xen rất phức tạp khi pyroxen nguội dần.
Nhận xét: Calci hoà tan trong pyroxen trực thoi ít hơn hẳn so với sự hoà tan của Fe+Mg trong vị trí M2 của augit. Miền gián đoạn ở vùng giàu sắt thu hẹp hơn so với vùng giàu Mg, vì vectơ trao đổi CaMg−1 ít tác dụng hơn (và miền gián đoạn rộng hơn) so với vectơ CaFe−1. Hình 6.16 giới thiệu quan hệ giữa pyroxen natri và pyroxen calci thông qua các vectơ thay thế
jadeit NaAlVICa−1Mg−1 và plagioclas NaSiCa−1AlIV−1.
Có thể thấy, tam giác diopsit–hedenbergit–Ca-tschermak xuất hiện ở cả hai hình 6.13 và 6.16. Nói chung, jadeit là pyroxen tiêu biểu của vùng áp suất cao và đặc thù của đá phiến lam hay tướng eclogit. Omphacit là biến tướng của pyroxen, tức là thành phần trung gian giữa jadeit và diopsit–hedenbergit (hình 6.17). Nó là pha từng gặp trong tự nhiên, nằm giữa tremolit và glaucophan, tại miền gián đoạn dọc vectơ jadeit.
Acmit NaFe3+Si2O6là pyroxen quan trọng khác. Nó liên quan với diopsit bằng sự trao đổi NaFe3+ ⇔ CaMg và với jadeit bằng Fe3+
⇔ Al. Acmit là pyroxen phổ biến trong môi trường áp suất cao cũng như trong magma kiềm. Cần nhấn mạnh năng lực của vectơ trao đổi ở đây. Ví dụ, sự liên quan giữa dung dịch cứng của pyroxen và plagioclas, mà thoạt nhìn có thể chưa thấy. Nhưng từ hình 6.16, giữa Ca- tschermak và jadeit chính là vectơ trao
đổi kiểu plagioclas. Như vậy, một thay đổi bất kì trong tỉ lệ tschermak/jadeit của pyroxen cũng có thể được phản ánh bằng một thay đổi anorthit/albit của plagioclas trong cùng loại đá. 6.6.2. Đặc điểm hoá học Thành phần hoá học của pyroxen có
thể biểu thị bằng công thức tổng quát XYZ2O6; trong đó, X chỉ Na+, Ca2+, Mn2+, Fe2+, Mg2+
và Li+ trong vị trí tinh thể học M2; Y chỉ Mn2+, Fe2+, Mg2+, Fe3+, Al3+, Cr3+ và Ti4+ trong vị trí M1; riêng Fe2+ chỉ tập trung trong vị trí M2 của pyroxen trực thoi Pbca. Cation X thường lớn hơn cation Y. Z chỉ Si4+ trong tứ diện của chuỗi. Pyroxen gồm các khoáng vật thuộc hệ trực thoi và hệ một nghiêng (ortho- và clinopyroxen). Pyroxen trực thoi chủ yếu thuộc loạt thành phần hoá học đơn giản: (Mg,Fe)SiO3; khác hẳn với pyroxen một nghiêng có khoảng biến thiên rất lớn về thành phần hoá học. Pyroxen có thể chia thành ba phụ nhóm chính :
Hình 6.17. Các vectơ trao đổi giữa pyroxen calci
– pyroxen magnesi-sắt: ởđây ngoài Mg và Fe, các cation khác chiếm chưa tới 10% các vị trí M1,M2; khoáng vật thuộc phụ nhóm này chủ yếu là các pyroxen trực thoi, hai phụ nhóm sau là các pyroxen một nghiêng;
– pyroxen calci: calci chiếm hơn 2/3 vị trí M2;
– pyroxen natri: natri chiếm vị trí M2, các cation như Al, Fe3+ hay Cr chiếm M1, với các ví dụ lần lượt là jadeit, aegirin và kosmochlor.
Ngoài ra, hai phụ nhóm nhỏ là pyroxen calci-natri, tiêu biểu là omphacid và aegirin-augit và pyroxen liti như spodumen. Các bảng 6.7 và 6.8 giới thiệu số liệu hoá phân tích của một số
pyroxen trong và ngoài nước. Kết quả tính toán sau đó nhằm xác lập công thức hoá học cho mỗi khoáng vật.
Những chỗ khuyết do Si bỏ lại trong vị trí T đã có ion AlIV lấp vào, bổ sung cho đủ hai vị
trí tứ diện trên đơn vị công thức. Có thể thấy ở đây không ít dãy thay thế đồng hình. Dãy enstatit–ferrosillit chủ yếu là những metasilicat của magnesi và sắt hoá trị hai. Những cation khác như Al, Mn, Fe3+, Ca, Ti, Cr và Ni thường xuyên có mặt, nhưng trong hầu hết các (Mg,Fe)-pyroxen tất cả các thành tố này cộng lại không vượt quá 10% đương lượng gam. Chrom và nickel thường gặp trong enstatit giàu magnesi của đá metabasic và basic. Mangan với độ chứa cao thường giới hạn đến ferrosillit trong đá magma và các hệ tầng sắt biến chất trao đổi.
Donpeacorit là Mn–pyroxen thoi có thành phần Mg1,4Mn0,6Si2O6 và kanoit là thành viên của dãy clinoenstatit – clinoferrosillit chứa 31,2% thể tích của MnO. Độ chứa của nhôm có thểđạt 0,5 Al đơn vị công thức gặp trong enstatit của đá biến chất trình độ cao chủ yếu thuộc tướng granulit. Độ chứa của Ca thường nhỏ; giá trị cao nhất nằm trong công thức (Mg,Fe)0,97Ca0,03SiO3.
Các khoáng vật diopsit và hedenbergit tạo dãy đồng hình hoàn toàn giữa CaMgSi2O6 và CaFeSi2O6.Nhôm có mặt trong hầu hết các khoáng vật của dãy, nhưng sự trao đổi Si ⇔ Al thường chưa tới 10%. Trong một số diopsit lượng Fe3+ không vượt quá 0,25 ion trên đơn vị
công thức. Chrom thường xuyên có trong diopsit của đá basic và metabasic; diopsit chrom là khoáng vật chứa một lượng đáng kể NaCrSi2O6 (kosmochlor) hay CaCrSi2O6. Độ chứa mangan thường thấp (chưa đến 0,25% trọng lượng MnO) trong thành viên giàu magnesi của dãy Di–Hd, nhưng khoáng vật giàu sắt của dãy có Mn nhiều hơn (hedenbergit chứa tới 4% trọng lượng MnO).
Bảng 6.7
Số liệu phân tích hoá của pyroxen
Cấu tử 1 2 3 4 5 6 SiO2 48,81 52,70 48,18 49.68 49,46 48,02 TiO2 0,01 0,34 0,70 0,56 0,57 0,46 Al2O3 0,74 1,84 1,06 0,78 1,79 13,39 Fe2O3 0,79 2,12 1,46 3,29 1,65 2,09 FeO 1,54 5,42 26,08 18,15 25,51 3,11 MnO 22,58 0,16 0,53 0,59 0,81 0,07 MgO 2,29 15,15 3,52 16,19 10,94 8,18 CaO 21,87 21,58 18,90 9,90 8,57 24,03 Na2O 0,07 0,49 0,23 0,65 0,23 0,31 K2O 0,02 0,01 0,04 0,15 0,05 0,06 H2O+ 0,32 - - 0,10 - 0,20 H2O- 0,35 - - 0,00 0,20 0,07 Tổng 99,40 99,96 100,70 100,04 99,78 99,99
Số ion tính trên 6 oxy
Ion 1 2 3 4 5 6 ∑ Si 1,990 1,947 1,941 1,905 1,945 1,760 AlIV 0,010 0,053 0,051 0,034 0,055 0,240 ∑=2 AlVI 0,026 0,027 0,000 0,000 0,028 0,338 Fe3+ 0,024 0,059 0,036 0,033 0,049 0,058 Ti 0,000 0,009 0,021 0,016 0,017 0,012 Mg 0,139 0,834 0,211 0,925 0,641 0,447 Fe2+ 0,053 0,167 0,879 0,582 0,839 0,095 Mn 0,780 0,005 0,019 0,019 0,027 0,002 Ca 0,955 0,854 0,816 0,407 0,361 0,944 Na 0,006 0,035 0,017 0,048 0,018 0,022 K 0,001 0,000 0,002 0,008 0,003 0,002 ∑≈2
Johannsenite. Aravaipa mining district, Arizona, USA (Simons, F.S. & Munson, E.,1963, Amer. Min, 48, 1154-58).
Augite, pyroxen diorite, Feather Fiver area,.northern Sierra Nevada, USA (Heitanen,A.,1971,Contr. Min. Petr., 30. 161-76).
Ferroan augite, ferrodiorit, Skaergaard, east Greenland (Brown, G. M., 1960, Amer. Min., 45. 15-38).
Ferroan augite, hipersthene-augite basalt. O-sima Island, Japan (Kuno, H., 1955, Amer. Min., 40. 70-93).