giáo trình cơ sơ hóa tinh thể phần 6 docx

Cơ sở hóa học tinh thể
NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2006.
Tr 189 – 290.


Từ khoá: Khoáng vật tạo đá, OLIVIN, GRANAT, silicat, nhôm, BIOPYRIBOL,
PYROXEN, MICA, YROPHYLLIT-TALC, khoáng vật set.

Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục
đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục
vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả.


Mục lục
Chương 6 HÓA HỌC TINH THỂ CỦA MỘT SỐ KHOÁNG VẬT TẠO ĐÁ 3
6.1. OLIVIN 3
6.1.1 Cấu trúc tinh thể 3
6.1.2 Đặc điểm hoá học 5
6.2. GRANAT 8
6.2.1. Cấu trúc tinh thể 8
6.2.2. Đặc điểm hoá học 9
6.3. NHÓM SILICAT NHÔM Al2SiO5 14
6.3.1. Silimanit AlIVAlVISiO4O 15
6.3.2. Andalusit Al
V
Al
VI
SiO

4
O 15
6.3.3. Disten Al
VI
Al
VI
SiO
4
O 16
6.4. SILICAT ĐẢO VÒNG 17
6.4.1. Beryl Al
2
Be
3
Si
6
O
18
17
Chương 6. Hóa học tinh thể của một số
khoáng vật tạo đá

Trịnh Hân
Ngụy Tuyết Nhung



210
6.4.2. Cordierit (Mg,Fe)
2

Al
4
Si
5
O
18
.nH
2
O 19
6.4.3. Tourmalin
(Na,Ca)(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3(Al,Mg,Fe3+)6[Si6O18](BO3)(O,OH)3(OH,F) 20
6.5. BIOPYRIBOL 22
6.5.1. Tương quan hóa học tinh thể mica–pyroxen–amphibol 22
6.5.2. Một số khoáng vật biopyribol 25
6.6. PYROXEN 25
6.6.1. Cấu trúc tinh thể 26
6.6.2. Đặc điểm hoá học 30
6.7. AMPHIBOL 34
6.7.1. Cấu trúc tinh thể 35
6.7.2. Đặc điểm hoá học 35
6.8. MICA X2Y4–6Z8O20(OH,F)4 42
6.8.1. Cấu trúc tinh thể 42
6.8.2. Muscovit 47
6.8.3. Phlogopit - biotit 49
6.9. PYROPHYLLIT-TALC 52
6.9.1. Pyrophyllit 53
6.9.2. Talc 53
6.10. KHOÁNG VẬT SÉT 55
6.10.1. Kaolinit 58
6.10.2. Illit 60

6.10.3. Smectit 63
6.10.4. Vermiculit 66
6.11. FELDSPAT 71
6.11.1. Đặc điểm cấu trúc 71
6.11.2. Đặc điểm hoá học 76
6.11.3. Song tinh của feldspat 79
6.12. THẠCH ANH, TRIDYMIT VÀ CRISTOBALIT (SiO2) 82
6.12.1. Cấu trúc tinh thể 83
6.12.2. Đặc đ
iểm hoá học 84
6.13. MỘT SỐ KHOÁNG VẬT TẠO ĐÁ KHÁC 85
6.13.1. Calcit 85
6.13.2. Aragonit 86
6.13.3. Barit 87
6.13.4. Apatit 88

6.13.5. Corindon α-Al2O3 89
6.13.6. Spinel 92



3
Chương 6
HÓA HỌC TINH THỂ CỦA MỘT SỐ KHOÁNG
VẬT TẠO ĐÁ
6.1. OLIVIN
Hệ trực thoi
(+) (−) (Mg,Fe)SiO
4

forsterit Mg
2
SiO
4
fayalit Fe
2
SiO
4

ễ mạng a = 4,75Å; b = 10,20Å
c = 5,98Å
a = 4,82Å; b = 10,48Å; c = 6,09Å
Z = 4 Z = 4
Nhúm kh. gian Pbnm Pbnm
Định hướng Np = y; Nm = z; Ng = x Np = y; Nm = z; Ng = x
Mặt trục quang (001) (001)
d
hkl
chớnh, Å 4,29 (10); 2,41 (8); 1,498 (7) 2,24 (7); 1,734 (8);
Olivin (Mg,Fe)
2
SiO
4
là nhúm nesosilicat
phổ biến, nhất là trong đá magma nhiệt độ cao.
Nguyên tử oxy trong nesosilicat xếp chặt theo
luật sáu phương …ABABAB… theo hướng
[100]; khiến cho olivin có tỉ trọng và độ cứng
tương đối cao, và có cát khai (010) và (100).
Mặc dầu trong silicat nói chung, việc ion nhôm

thay thế ion silic xảy ra phổ biến và dễ dàng,
lượng thay thế này trong nesosilicat là thấp.
(Mg,Fe)–olivin cú dung dịch cứng hoàn
toàn giữa Mg
2
SiO
4
(forsterit) và Fe
2
SiO
4

(fayalit). Đại lượng d
130
có thể dùng để xác định
thành phần trong loạt đồng hỡnh này (hỡnh 6.4).
Một dóy đồng hỡnh liờn tục tương tự cũng quan
sát được trong (Fe,Mn)– olivin. Thành phần của
hầu hết các olivin (hỡnh 6.1) biểu diễn trờn hệ
CaO–MgO–FeO–H
2
O. Loạt dung dịch cứng phổ
biến nhất của hệ này là Fo–Fa. Tương đối hiếm là olivin thuộc cỏc loạt monticelit–kirschteinit
và fayalit–tephroit Mn
2
SiO
4
.
6.1.1 Cấu trúc tinh thể
Cơ sở của cấu trúc là luật xếp cầu sáu phương của anion oxy thành lớp theo (100). Các tứ

diện SiO
4
không trùng hợp nhau, cấu trúc cho thấy chúng hướng đỉnh về hai phía đối nhau dọc
theo [010] và nối với nhau bằng cation trung gian phối trí bát diện. Cấu trúc của olivin chủ yếu
phụ thuộc vào kích thước và hoá trị của cation trung gian này (hình 6.2). Để so sánh có thể
xem cấu trúc spinel (trang 104 và 105).


4
(Mg,Fe)–olivin có dung dịch cứng hoàn toàn giữa Mg
2
SiO
4
(forsterit) và Fe
2
SiO
4

(fayalit). Một dãy đồng hình liên tục tương tự cũng quan sát được trong (Fe,Mn)– olivin. Thành
phần của hầu hết các olivin biểu diễn (hình 6.1) trên hệ CaO–MgO–FeO–H
2
O. Loạt dung
dịch cứng phổ biến nhất của hệ này là Fo–Fa. Tương đối hiếm là olivin thuộc các loạt
monticelit–kirschteinit và fayalit–tephroit Mn
2
SiO
4
.
Sự phân bố của Fe
2+

và Mg
2+
trong vị trí M1 và M2 tuân theo một độ trật tự biến đổi, với
một nghịch lí là cation sắt lớn nằm nhiều hơn tại bát diện M
1
nhỏ. Các bát diện này gắn với
nhau qua cạnh, khiến khoảng cách caion – cation co rút; xuất hiện lực đẩy giữa chúng. Đối
ứng, cạnh chung của các bát diện này trở nên ngắn lại, nơi đây thu hút thêm điện tích âm, gây
biến dạng các đa diện (theo Papike J.J. và Cameron M., 1976, xem quy tắc Pauling, 4.2.1).
Trong olivin calci, tức là monticelit CaMgSiO
4
, calci chiếm vị trí M2 và magnesi chiếm M1.

Hình 6.2
Cấu trúc tinh thể của olivin
Tại vùng áp suất tăng cao, olivin tiếp nhận cấu trúc chặt hơn của spinel. Nhiệt độ 1000°C
và áp suất khoảng 140 kbar, ứng với độ sâu 300 đến 400 km, xảy ra biến đổi của Mg
2
SiO
4

sang cấu trúc loại spinel β. Từ pha β sang pha γ là biến đổi xảy ra ở khoảng 170 kbar và ở
cùng nhiệt độ như trên. Trong khoảng độ sâu từ ∼250 đến 670km, các silicat tiếp nhận cấu trúc
với phối trí bát diện của một phần silic. Các phản ứng xảy ra trong đới chuyển tiếp của manti
có thể như sau
٭
:
Mg
VI
Si

IV
O
3
→ Mg
VI
2
Si
IV
O
4
+ Si
VI
O
2
enstatit olivin stishovit
Mg
VI
2
Si
IV
O
4
(olivin) → Mg
VI
Si
2
O
4
(spinel)
Năm 1969 người ta đã thấy olivin (ringwoodit) có cấu trúc loại spinel trên mảnh thiên

thạch. Trước đó phòng thí nghiệm của A.E. Ringwood, Trường ĐHQG Australia, Canberra,
đã tổng hợp thành công olivin ấy với thành phần (Fe
0,7
Mg
0,3
)
2
SiO
4
. Biến đổi pha từ α sang β
giới hạn ở phạm vi thành phần với tỉ lệ Mg/(Mg+Fe) > 0,85. Tác dụng của áp suất cao đối
với các dung dịch cứng olivin giàu sắt hơn thể hiện trên hình 6.3.

٭
Chữ số La Mã chỉ số phối trí của ion đứng trước. Stishovit có cấu trúc loại rutil,
xem 4.3.2. Về spinel xem 6.13.6.


5
6.1.2 Đặc điểm hoá học


Hình 6.3
Sơ đồ chuyển pha olivin–spinel
trong hệ Mg
2
SiO
4
– Fe
2

SiO
4
ở nhiệt
độ 800
o
C và 1200
o
C (theo Akimoto,
S. et al, 1971)
Hình 6.4
Tương quan của khoảng cách mặt mạng d
130
và
thành phần trong dãy đồng hình forsterit–fayalit
Thành phần của olivin biến đổi từ Mg
2
SiO
4
(forsterit) sang Fe
2
SiO
4
(fayalit) có sự trao
đổi liên tục giữa Mg
2+
và Fe
2+
(bảng 6.1 và hình 6.1) trong cấu trúc. Tên các khoáng vật
fayalit và forsterit lần lượt ứng với thành phần Fo0−10 và Fo90−100. Trung gian là các
khoáng vật ferohortonolit Fo10−30, hortonolit Fo30−50, hialosiderit Fo50−70, chrysolit

Fo70−90. Riêng olivin lấy từ lamproit Lai Châu (bảng 6.2), thì tên chrysolit của nó đã xác
định bằng thành phần hoá học, hoàn toàn phù hợp các biến thể cùng loại của một số lamproit
điển hình (West Kimberley, Leucit–Hills, Murcia–Almeria) chọn để đối sánh. Trong một số
mẫu, olivin chiếm đến 25% thành phần khoáng vật (gồm olivin, diopsit, phlogopit và sanidin
là thành tố chính).
Bảng 6.1
Số liệu phân tích hoá của olivin
Cấu tử 1 2 3 4 5 6
SiO
2
41,85 32,47 30,09 31,50 29,27 36,63
TiO
2
0,07 0,34 - 0,00 - 0,00
Al
2
O
3
0,00 0.02 0,00 0,04 - 0,07
Fe
2
O
3
- 0,18 - - -
FeO 2,05 53,14 69,42 40,33 1,20 8,59
MnO 0,21 0,73 0,28 26,009 65,23 0,44
MgO 56,17 13,22 0,91 1,59 1,98 19,69
CaO 0,00 0,00 0,08 0,05 2,32 34,17
Tổng 100,35 100,10 100,78 99,66 100,00 99,61

Số ion tính trên 4 oxy
Si 0,988 0,977 1,003 1,038 0,974 0,997
Al 0,000 0,001 0,000 0,001 - 0,002


6
Ti 0,001 0,007 - 0,000 - 0,000
Fe
3+
- 0.004 - - - -
Mg 1,976 0,602 0,046 0,078 0,098 0,815
Fe
2+
0,040 1,363 1,937 1,112 0,033 0,196
Mn 0,004 0,018 0,008 0,728 1,838 0,010
Ca 0,000 0,000 0,003 0,001 0,083 0,997
∑ (trừ Si)
2,02 2,00 1,99 1,92 2,05 2,02

Thành phần nguyên tố chính ngoài silic
Mg 98,0 30,3 2,3 4,0 5,0 74,9
Fe 2,0 68,7 97,3 58,0 1,7 19,2
Mn 0,0 1,0 0,4 38,0 93,3 0,9
1. Forsterite, serpentine. Douglas Creek. South Irland. New zealand (Cooper, A.F.,1976,
J. Geol. Geophis. New Zealand, 19, 603-23).
2. Hortonolite, ferrodiorite, upper zone a Skaergaard intrusion. East Greenland (Vincent,
E.A.,1964, Amst. Min.,49.805-6).
3. Fayalite, Gunflint Iron Formation. Minnesola- Ontario. USA
(Floran,.R.J. & Papike, J.J., 1978. J. Petr., 19. 215-88).
4. Knebelite, metasomatized limestone. Blue Bell Mine. British Columbia.Canada

(Mossman, D.J. & Pawson, D.J., 1976. Can. Min., 14.479-86).
5. Tephroite, Benallt Mine. Caernarvonshire. Wales. UK (Smith, W.C. etal., 1944.
Min.Mag., 27. 33-46).
6. Monticellite, alnoite. Talnakh. USSR (Nikishov, K.N. et al,. 1978, Abstracts IMA XI
Meeting, Novosibirsk. 56-7).
Một số các tinh thể tự nhiên, nhất là olivin giàu sắt, có phần nhỏ sắt và magnesi bị
mangan và calci thay thế. Nickel và chrom thường có mặt trong olivin giàu magnesi, riêng
chrom thì có trong các phiến mỏng chromit phân rã từ dung dịch cứng. Tương tự, một số Fe
3+
cũng thường có mặt trong những hạt nhỏ magnetit mọc xen (xem lại 5.2.4) hoặc liên quan đến
sản phẩm biến đổi do olivin bị oxy hoá. Một lượng nhỏ calci có trong phần lớn olivin (bình
thường từ 0,0 đến 1,0% CaO). Phosphor gặp trong olivin dưới dạng nguyên tố vết (có thể đạt
400ppm), làm xuất hiện ô trống trong khoang tứ diện bằng thay thế sau: P +  ⇔ Si.
Trong chrysolit Lai Châu sự có mặt của hai nguyên tố vết calci và nickel cùng sự biến
thiên của chúng liên quan đế
n hàm lượng các nguyên tố tạo đá chính, nhất là magnesi, là yếu
tố đặc trưng cho olivin của lamproit (Scott, 1979; Jaques et al., Michell, 1986). Khảo sát vi
thám trên một số hạt olivin phân đới (Trần Trọng Hoà và nnk, 1991) cho thấy từ trung tâm ra
rìa hạt MgO giảm độ chứa của nó thì NiO giảm theo, trong khi đó CaO lại tăng hàm lượng. So
sánh giá trị bán kính ion thì thấy nickel là nguyên tố tương thích, dễ dàng đi vào mạng tinh
thể của olivin.
Bảng 6.2
Số liệu hoá phân tích của olivin lấy trong đá lamproit Lai Châu [12]
Cấu tử Nậm Hon Nậm Hon Cốc Pìa Simang Sin Cao Pìn Hồ


7
khang
SiO
2

41,26 40,68 40,17 40,86 41,54 40,12
FeO 9,10 9,94 13,13 7,93 7,53 13,58
MgO 48,62 48,91 46,55 50,92 50,33 45,68
CaO 0,09 0,08 0,08 0,09 0,06 0,12
NiO 0,28 0,29 0,26 0,32 0,48 0,25
Σ
99,35 99,90 100,19 100,12 99,94 99,75

Số ion tính trên 4 oxy
(do tác giả sách này tính thêm)
Si 1,01 0,99 0,99 0,99 1,00 1,00
Fe 0,18 0,20 0,27 0,16 0,15 0,28
Mg 1,78 1,97 1,72 1,84 I,82 1,70
Ca 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Ni 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Thành phần (%) các cation chính
(do tác giả sách này tính thêm)
fe # 15,77 16,89 12,00 13,47 13,01 22,92
mg # 84,23 83,11 78,00 86,53 86,99 77,08
# fe : FeO / (FeO + MgO + MnO)
mg: MgO / (FeO + MgO + MnO)
(Mg,Fe)–olivin tạo dãy dung dịch cứng liên tục. Việc một ion bán kính lớn thay thế liên
tục cho một ion bán kính nhỏ có tác dụng làm giảm nhiệt độ nóng chảy. Cation sắt có cùng
hoá trị như magnesi, nhưng kích thước lớn hơn, nên nó có liên kết yếu hơn với oxy. Cùng với
việc nó tham gia ngày càng nhiều vào cấu trúc, dung dịch trung gian lần lượt từ Fo sang Fa có
nhiệt độ nóng chảy ngày càng thấp. Như vậy, hạt olivin đầu tiên tách khỏi thể lỏ
ng (với thành
phần cho trước) giàu Mg hơn so với hạt kết tinh muộn. Ion sắt ngày càng nhiều trong thể lỏng
còn lại. Nhiệt hoà tan của forsterit và fayalit là hàm tuyến tính của thành phần đương lượng

gam; điều này cho thấy nhiệt thay thế đồng hình bằng không và sự cân bằng nhiệt hoàn hảo
được duy trì trong quá trình sắt thế chân magnesi.
Olivin rất mẫn cảm với biến đổi nhiệt dịch, với tác dụng phong hoá và biến chất sơ khai.
Sả
n phẩm của quá trình khá đa dạng, bao gồm serpentin và hỗn hợp của idingsit, bowlingit và
chlorophacid. Idingsit nâu đỏ gồm smectit, chlorit và goethit/hematit. Cơ chế biến đổi có sự
khuếch tán ion hydro vào cấu trúc olivin. Tại đó, chúng gắn kết nhất thời với ion oxy, khiến
cho Mg, Fe
2+
và Si tách khỏi vị trí của chúng, mở đường cho Fe
3+
, Al và Ca vào thay thế.
Bowlingit là sản phẩm xanh lục gồm smectit–chlorit cùng với serpentin và một ít talc, mica và
thạch anh. Tương quan giữa idingsit và bowlingit phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái oxy hoá
của sắt (sản phẩm xanh lục biến thành sản phẩm nâu đỏ khi bị đốt trong không khí ở 600°C).
Chlorophacid không khác idingsit mấy, nhiều màu hơn, chứa ít Fe
3+
và nhiều Fe
2+
hơn. Thành
phần của nó có chlorit, smectit, goethit và calcit.
Serpentin hoá là dạng biến đổi rộng rãi nhất của olivin và là quá trình biến chất phổ biến
nhất của các đá giàu olivin (dunit và peridotit). Sản phẩm biến đổi chính, nói riêng của olivin


8
giàu Mg, là ba biến thể đa hình của serpentin (lizardit, chrisotil và antigorit), cùng với brucit,
talc và carbonat. Quá trình serpentin hoá có thể biểu diễn bằng các phản ứng:
2Mg
2

SiO
4
+ 3H
2
O → Mg
3
Si
2
O
5
(OH)
4
+ Mg(OH)
2

forsterit serpentin brucit
3Mg
2
SiO
4
+ 4H
2
O + SiO
2
→ 2Mg
3
Si
2
O
5

(OH)
4

Phản ứng ngược đã tiến hành bằng thực nghiệm ở điều kiện nhiệt độ và áp suất lần lượt là
375 và 425°, 2 và 6kbar. Nếu CO
2
tham gia phản ứng thì talc và magnesit có thể hình thành:
2Mg
3
Si
2
O
5
(OH)
4
+ 3CO
2
→ Mg
3
Si
4
O
10
(OH)
2
+ 3MgCO
3
+ 3H
2
O

và xa hơn, phản ứng serpentin hoá có thể như sau:
6Mg
2
SiO
4
+ Mg
3
Si
4
O
10
(OH)
2
+ 9H
2
O → 5Mg
3
Si
2
O
5
(OH)
4
6.2. GRANAT
Hệ lập phương. Nhóm không gian Ia3d. Z = 8.
d
hkl
chính của pyrop : 2,89 (8); 2,58 (9); 1,598 (9); 1,542 (10); 1,070 (8).
Khó tan trong HF, trừ hydrogrosular.
Khoáng vật nhóm granat rất đặc trưng cho đá biến chất, nhưng cũng bắt gặp trong một số

đá magma và trong vụn trầm tích.
6.2.1. Cấu trúc tinh thể
Ô mạng cơ sở của granat chứa tám đơn vị công thức X
3
Y
2
Z
3
O
12
.
Công thức hóa học a(Å)
Pyrop Mg
3
Al
2
Si
3
O
12
11,459
Almandin Fe
3
Al
2
Si
3
O
12
11,526

Spesartin Mn
3
Al
2
Si
3
O
12
11,621
Grosular Ca
3
Al
2
Si
3
O
12
11,851
Andradit Ca
3
Fe
2
Si
3
O
12
11,996
Uvarovit Ca
3
Cr

2
Si
3
O
12
11,996
Hydrogrosular Ca
3
Al
2
Si
2
O
8
(SiO
4
)
1–m
(OH)
4m
11,85 ÷ 12,16
Cấu trúc tinh thể gồm các tứ diện ZO
4
và các bát diện YO
6
xen kẽ, nối với nhau qua đỉnh
tạo nên khung đẳng thước (hình 6.5). Bên trong có các hình phối trí dạng lập phương XO
8
.
Hình này có thể mô tả là gồm 12 mặt tam giác. Độ dài a của cạnh ô mạng là một trong đặc số

giúp xác định tên của khoáng vật granat:
a(Å) = 9,04 + 1,61r(X) + 1,89r(Y)
trong đó r(Y) và r(Y) là bán kính trung bình của cation X và Y.


9
Granat bộc lộ năng lực kết tinh
mạnh. Dạng quen thường gặp nhất
là khối mười hai mặt thoi (hình 6.6,
phía trên). Phía phải là hình ghép
giữa nó và hình tám mặt ba tứ giác
(bên trái). Hình cho thấy quan hệ
giữa hình thái tinh thể granat và
thành phần của chúng. Phần lớn
các granat sinh ra từ quá trình biến
chất đều là dung dịch cứng của bốn
khoáng vật almandin, pyrop,
grosular và spesartin (hình 6.7). Tất
cả các trao đổi này đều xảy ra trong
vị trí X phối trí 8. Những thay thế
trong granat
đều tương đối hoàn
hảo, trừ những trao đổi liên quan tới
Ca: CaFe
−1
, CaMg
−1,
CaMn
−1
. Các

dung dịch cứng almandin –
spesartin với lượng nhỏ pyrop và
grosular thường bắt gặp trong đá
phiến biến chất cấp thấp và trung
bình. Pyrop thường có trong sản
phẩm biến chất áp suất cao, nhất là trong tướng eclogit. Grosular và andradit phổ biến trong
silicat calci (trong môi trường giàu calci).
6.2.2. Đặc điểm hoá học
Vị trí X trong công thức tổng quát do cation hoá trị hai lớn hơn chiếm giữ, vị trí Y dành
cho các cation hóa trị ba nhỏ hơn. Từ sự phân dị trong vị trí X, granat phân làm hai nhóm:
– pyralspit là granat vắng calci, thay vào đó là các cation hóa trị hai là magnesi, sắt,
mangan.
– ugrandit là granat chứa calci.
Pyralspit Ugrandit
Pyrop Mg
3
Al
2
Si
3
O
12
Uvarovit Ca
3
Cr
2
Si
3
O
12

Almandin Fe
3
Al
2
Si
3
O
12
Grosular Ca
3
Al
2
Si
3
O
12

Spesartin Mn
3
Al
2
Si
3
O
12
Andradit Ca
3
Fe
2

Si
3
O
12

Hình 6.5. Cấu trúc tinh thể granat chiếu trên mặt (001)


10

Nếu chỉ nhìn nhận đơn thuần lí thuyết thì nhóm granat có thể có tới 16 khoáng vật. Bởi
vì, một trong bốn kim loại hoá trị hai Ca, Mg, Fe và Mn kết hợp với bốn kim loại hoá trị ba
Al, Fe, Mn và Cr (mỗi cặp cation ấy lại kết hợp với Si phối trí tứ diện). Một số tổ hợp đã đề
cập ở trên; một số khác ít gặp trong tự nhiên. Knoringit Mg
3
Cr
2
Si
3
O
12
hiện được công nhận là
thành phần quan trọng của một số granat trong kimberlit. Sự thay thế đồng hình xảy ra rộng
rãi trong nhóm pyralspit cũng như trong ugrandit, nhưng giữa hai nhóm chỉ có dung dịch
cứng ở mức hạn chế. Trong số cation hoá trị ba, nhôm có mặt trong granat nhiều nhất, thế
chân nó là sắt và crom. Đây cũng là căn cứ để phân nhóm granat theo cách khác:
Granat nhôm Granat sắt Granat crom
Pyrop Almandin Andradit Uvarovit
Spesartin Grosular

Bảng 6.3
Số liệu hoá phân tích của granat
1 2 3 4 5 6
SiO
2
41,33 36,7 36,34 38,96 36,48 36,77
TiO
2
0,28 0,75 0,10 0,71 0,50 -
Al
2
O
3
21,83 21,4 20,25 19,93 6,80 8,36
Cr
2
O
3
1,73 - - - 13,72
Fe
2
O
3
1,44 - 0,92 3,43 21,94 5,85
FeO 9,00 29,9 7,30 3,25 3,33 -
MnO 0,44 1,14 34,51 0,03 0,56 0,22
MgO 19,60 0,90 1,31 0,00 0,27
CaO 4,40 9,02 0,44 32,52 30,22 34,56
Tổng 100,05 99,81 99,86 100,14 99,94 99,75

11

Số ion tính trên 24 oxy
Ion 1 2 3 4 5 6
∑
Si 5,919 5,882 5,981 5,918 5,986 5,923
Al 0,081 0,118 0,019 0,082 0,014 0,077
∑ ≈ 6
Al 3,604 3,925 3,909 3,486 1,311 1,510
Cr 0,196 - - - - 1,747
Fe
3+
0,155 - 0,114 0,392 2,709 0,709
Ti 0,030 0,090 0,012 0,081 0,062 -
∑ ≈ 4
Mg 4,184 0,215 - 0,297 - 0,065
Fe
2+
1,078 4,008 1,005 0,413 0,457 -
Mn 0,053 0,155 4,811 0,004 0,078 0,030
Ca 0,675 1,549 0,078 5,293 5,313 5,965
∑ ≈ 6

Thành phần (% mol) các khoáng vật chính
1 2 3 4 5 6
Almandin 17,4 67,4 17,1 5,8 7,8 -
Andradit 3,4 - 1,3 9,5 69,5 18,0
Grosular 2,5 26,3 - 79,2 21,4 36,2

Pyrop 70,4 3,7 - 5,0 - 1,1
Schorlomit 0,5 - - 0,4 - -
Spesartin 0,9 2,6 81,6 0,1 1,3 0,5
Uvarovit 4,9 - - - - 44,2
Pyrope, garnet-peridotite xenolith in kimberlite pipe. Matsoku. Lesotho, southern Africa
(Carswell, D.A. & Dawson, J.B., 1970, Contr. Min. Petr., 25. 163-84).
Almandine, chlorit-phengite-biotit-garnet-albit-quartz schist. Dora-Maira massif, western
Italian Alps (Chatterjec, N.D., 1971, Neues Jahrb. Min., 114. 181-215).
Spessartine, single crystal in green mica, Benson no 4 Pegmatit, north Mtoko region.
Zimbabwe (Hornung, G. & Knorring, O. von, 1962. Trans. Geol. Soc. South Africa. 65. 153-
80).
Reddish yellow grossular, crystalline limestone, Liconi, Val d′Aosta. Itali (Sanero. E.,
1935. Periodico Min. Roma, 6,213-20).
Andradite, hedenbergite-garnet-epidote-plagioclas skarn. Hallinmọki borchole,
Virtasalmiarea, eastern Finland (Hivọrinen, L., 1969, Bull. Comm. Gộol. Finlande. 240. 82
pp. Includes Na
2
O 0,03, K
2
O0,02, H
2
O 0,06).
Uvarovite, quartz- albite- prehnite- uvarovite- pyrrotite, contact zone with nordmakite,
Kalkoven, Grua, north of Oslo, Norway (Prestvik, T., 1974, Norsk. Geol. Tidsskr., 54. 177-
82).


12
Nhóm tứ diện (OH)
4

cũng có thể thay thế cho tứ diện SiO
4
(có thể coi như 4H
+
thay
thế cho Si
4+
) trong hydrogranat như hydrogrosular Ca
3
Al
2
Si
2
O
8
(SiO
4
)
1–m
(OH)
4m

với m nằm trong khoảng từ 0 đến 1. Khoáng vật chứa tới 8,5% H
2
O.
Cation Ti
4+
có thể nằm
vào vị trí Y, kèm theo đó là
sự thay thế của Na cho Ca

trong vị trí X, cho melanit
màu đen. Trong granat có
thể có những thay thế đồng
hình như P thay Si, Ti thay
Al hay Fe
3+
. Trong
hydrogranat, nhóm SiO
4
có
thể do 4(OH) thay thế với
vị trí Si bỏ trống. Số liệu
hoá phân tích của 6 granat
điển hình trình bày trên
bảng 6.3. Granat pyrop điển
hình chứa trong đá biến
chất cao chỉ có 40 ÷ 70%,
ít khi chứa hơn 80% công
thức này. Chúng thường
chứa cả almandin và
grosular. Pyrop với 3 ÷ 8%
Cr
2
O
3
là biến thể mang tên
chrom–pyrop, màu tím phớt
lục hay màu tía đặc trưng,
cộng sinh phổ biến của chúng là với kimberlit chứa kim cương.
Almandin là dạng phổ biến nhất trong nhóm granat. Nó thường chứa một lượng đáng kể

cả pyrop lẫn spesartin, có thể có không ít grosular. Đá phiến granat mica thuộc biến chất khu
vực chứa granat thành phần tiêu biểu, có thể là Alm
66
Gro
25
Py
5
Sp
4
. Thoạt nhìn, nhiều hạt
almandin đồng nhất về màu sắc, nhưng chúng lại phân đới về hoá học: almandin sản phẩm
của biến chất khu vực có thể cho thấy phần nhân giàu mangan, phần rìa giàu sắt. Trong những
trường hợp khác, phần nhân giàu calci và mangan, ở riềm thì giàu sắt và magnesi hơn. Chlorit
là sản phẩm biến đổi phổ biến của almandin.
Spesartin có một khoảng biến thiên rộng về thành phần từ khoảng 97% công thức
spesartin tr
ở xuống. Almandin là thành phần thay thế chính, nhưng một lượng đáng kể
grosular cũng gặp ở đó. Trong điều kiện áp suất trung bình hai thành phần này thay thế liên
tục cho nhau. Về mặt địa hoá, ytri và mangan là hai nguyên tố song hành, cho nên spesartin
có thể chứa tới hơn 2% Y
2
O
3
. Quá trình biến đổi và oxy hóa bề mặt làm xuất hiện hỗn hợp
màu đen của các oxit và hydroxit mangan.
Grosular có thể gặp ở dạng thành phần thuần nhất; mặc dầu vậy, andradit có ở đây và tạo
thành loạt đồng hình liên tục. Nhiều granat xanh lục do chrom được gọi là uvarovit, trong
thực tế hàm lượng chrom tương đối nhỏ và chúng được gọi là Cr-grosular. Mặc dầu giữa
grosular và hydrogrosular tồn tại loạt đồng hình, không thể khẳng đị
nh rằng grosular, sản

phẩm của biến chất nhiệt, có chứa lượng nước đáng kể. Andradit khá phổ biến với độ tinh
Hình 6.7. Thành phần của granat biến đổi theo các vectơ trao đổi
chính


13
khiết tới 90%. Tuy vậy, andradit và grosular tạo hàng loạt dung dịch cứng: nhiều andradit
trong skarn bộc lộ tính phân đới về thành phần (và về màu sắc), có sự xen kẽ nhau giữa các
đới andradit gần sạch và And
50
Gro
50
. Giữa andradit và spesartin tồn tại granat trung gian.
Andradit nguyên sinh trong đá magma kiềm có thể chứa không ít titan. Titan chủ yếu thay thế
Fe
3+
trong vị trí bát diện, một phần thế chân Si
4+
trong khoang tứ diện.
Melanit là Ti-andradit với Fe
3+
> Ti trong vị trí bát diện. Còn schorlomit (chứa khoảng
15% TiO
2
) là Ti-andradit với Fe
3+
< Ti trong vị trí này. Uvarovit là thành phần của loạt
ugrandit, nhưng hiếm gặp dưới dạng sạch; grosular cùng một lượng nhỏ andradit tham gia
dung dịch cứng với uvarovit (xem bảng 6.3).
Hydrogrosular Ca

3
Al
2
Si
2
O
8
(SiO
4
)
1–m
(OH)
4m
là khoáng vật thuộc loạt đồng hình
3CaO.Al
2
O
3
.3SiO
2
– 3CaO.Al
2
O
3
.6H
2
O
với thành phần nằm giữa grosular và hibschit 3CaO.Al
2
O

3
.2SiO
2
.2H
2
O.
Bảng 6.4
Số liệu hoá phân tích của granat lấy từ granulit Kan Nak (Kontum) [15]
# 414-S4 414-S4 VN415 VN415 VN415 VN803 VN803
Nhân Rìa/Bi Nhân Rìa/Crd2 Rìa/Crd2 Nhân Rìa/Ilm
SiO
2
37,470 37,350 37,990 37,620 37,300 37,77 37,41
TiO
2
0,020 0,010 0,040 0,000 0,030 0,06 0,29
Al
2
O
3
21,560 21.460 21,790 21,780 21,940 22,19 21,83
Cr
2
O
3
0,000 0,010 0,010 0,000 0,020 0,04 0,02
Fe
2
O
3

1,720 1,750 1,840 1,750 0,270 1,42 1,92
MgO 6,430 5,500 6,530 5,320 2,460 7,79 6,78
FeO 30,840 32,190 30,210 31,740 35,470 29,99 30,60
MnO 1,540 1,640 1,900 2,090 2,980 0,58 0,62
ZnO 0,000 0,000 0,000 0,030 0,010 0,04 0,02
CaO 0,720 0,710 1,320 1,260 1,340 0,89 1,28
Na
2
O 0,000 0,001 0,000 0,000 0,000 0,01 0,01
K
2
O 0,010 0,001 0,000 0,000 0,000 0,00 0,00
Tổng 100,310 100,660 101,630 101,590 101,830 101,18 100,78

Số lượng ion tính trên 12 oxy và thành phần khoáng vật của granat
Si 2,949 2,950 2,947 2,944 2,963 2,945 2,921
Ti 0,001 0,001 0,002 0,000 0,001 0,004 0,017
Al 2,000 1,998 1,992 2,009 2,054 2,019 2,010
Cr 0,000 0,000 0,001 0,000 0,001 0,002 0,001
Fe
3+
0,102 0,104 0,107 0,103 0,016 0,083 0,113
Mg 0,754 0,648 0,755 0,621 0,292 0,896 0,789
Fe
2+
2,030 2,126 1,960 2,077 2,356 1,936 1,998
Mn 0,103 0,110 0,125 0,138 0,200 0,038 0,041
Zn 0,000 0,000 0,000 0,001 0,001 0,002 0,001
Ca 0,061 0,060 0,110 0,106 0,114 0,073 0,107
Na 0,000 0,002 0,000 0,000 0,001 0,001 0,001

K 0,001 0,001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
Tổng 8,000 8,000 8,000 8,000 8,000 8,000 8,000


14

XFe 0,729 0,766 0,722 0,770 0,890 0,677 0,717
Xalm 0,690 0,722 0,660 0,710 0,800 0,64 0,68
Xpyr 0,256 0,220 0,260 0,210 0,100 0,31 0,27
Xgro 0,021 0,028 0,040 0,040 0,040 0,04 0,04
Xspe 0,035 0,052 0,040 0,050 0,070 0,01 0,01
# Alm: almandin, Pyr: pyrop, Gro: grosular, Sp: spesartin.Bi: biotit, Crd: cordierit, Ilm:
ilmenit; Rìa/Bi(Crd, Ilm): điểm tiếp xúc của granat với các khoáng vật này;
XFe = Fe
2+
: (Mg
2+
+ Fe
2+
).
Xalm = Fe
2+
: (Mg
2+
+ Fe
2+
+ Mn
2+
+ Ca
2+

);
Xpyr = Mg
2+
: (Mg
2+
+ Fe
2+
+ Mn
2+
+ Ca
2+
)
Xgro = Ca
2+
: (Mg
2+
+ Fe
2+
+ Mn
2+
+ Ca
2+
)
Xspe = Mn
2+
: (Mg
2+
+ Fe
2+
+ Mn

2+
+ Ca
2+
)
Các khoáng vật trong khoảng biến thiên thành phần này cũng gọi là hydrogranat, nhưng
chúng phải được gọi là granatoit mới phù hợp đầy đủ với công thức tổng quát sau:
X
3
Y
2
(XO
4
)
3–m
(OH)
4m
. Trong tự nhiên, chưa từng gặp khoảng biến thiên thành phần giữa
hibschit và dạng thiếu silica 3CaO.Al
2
O
3
.6H
2
O. Hydrogrosular không bền vững về hoá học
như grosular; nó hoà tan chậm trong acid chlorhidric và acid nitric.
Mọi granat granulit Kan Nak (Kontum) nói chung đều là almandin-pyrop, nghèo grosular
và spesartin và tương đối nghèo andradit, dù cho chúng cân bằng pha với silimanit hay đã
từng phản ứng với nó. Mặc dù thành phần hoá của đá granulit biến đổi ra sao, chúng đều nằm
hết thảy trong miền áp suất từ thấp đến trung bình. Tuy nhiên, đây là các granat phức tạp. Khi
phản ứng với biotit hay spinel, trao đổi Fe

2+
và Mg với chúng, thì sự phân đới của granat khá
rõ nét (bảng 6.4). Tại chỗ tiếp xúc này, granat tăng hàm lượng Fe và do đó cả almandin, còn
Mg thì giảm theo.
Trong khi đó, Mn hình như không tham gia vào sự trao đổi, mặc dù tại chỗ tiếp giáp với
biotit Mn tăng nhẹ. Khác với granat, phía biotit tiếp giáp không có sự phân đới; biotit không
giống granat về hệ số khuếch tán Fe và Mg. Khi granat tiếp xúc với plagioclas, hay với K-
feldspat ở mức độ thấp hơn, nó trao đổi Ca và Al với chúng, tạo nên sự phân đới nhẹ, do
ở
riềm grosular giảm đôi chút. Tại vùng granat tiếp xúc với cordierit (rìa/crd, VN415) Fe
2+
và
Mg phân đới với biên độ lớn hơn. Độ chứa Alm tăng từ nhân ra rìa của hạt và của pyrop giảm
theo.
Dãy liên tục từ grosular và 3CaO
3
.Al
2
O
3
.6H
2
O có thể tổng hợp bằng phương pháp nhiệt
dịch, từ thể thuỷ tinh với thành phần tương ứng, ở điều kiện dưới 500°C và 2kbar.
6.3. NHÓM SILICAT NHÔM Al2SiO5
Nhóm có 3 biến thể là silimannit, andalusit và disten. Chúng là các alumosilicat thuộc
phụ lớp nesosilicat phổ biến trong đá biến chất cao và trung bình. Cả ba khoáng vật đều là các
biến thể đa hình của Al
2
SiO

5
giàu nhôm, mà công thức hoá tinh thể Al
IV-VI
Al
VI
SiO
4
O thể hiện
tính đa dạng trong phối trí của cation nhôm. Nét đặc trưng của cả ba cấu trúc là các bát diện
của nhôm liên kết với nhau qua cạnh chung, tạo nên chuỗi kéo dài dọc trục c. Cả 3 khoáng vật
đều khá dễ nhận biết trên mẫu cục hạt thô và trung bình, dùng làm khoáng vật chỉ thị của các


15
đới biến chất. Silimannit có thể dùng cho đới với nhiệt độ khoảng 500°C và cao hơn. Thông
thường tên của chúng dùng đặt cho các đới biến chất. Disten thành tạo trong đới áp suất khá
cao có tỉ trọng 3,55 đến 3,66 so với 3,23 của silimannit. Andalusit, khoáng vật bền vững ở
điều kiện áp suất thấp nhất, có tỉ trọng từ 3,15 đến 3,20.
6.3.1. Silimanit AlIVAlVISiO4O
Hệ trực thoi (+)
Định hướng: Np = x Nm = y Ng = z
Mặt trục quang: (010)
Cát khai: (010)
Ô cơ sở, Å: a = 7,48 b = 7,67 c = 5,77
Z = 4
Nhóm không gian: Pbnm
d
hkl
chính, Å: 3,32(10) 2,49(7) 2,16(8) 1,579(7) 1,677(7)
Chuỗi bát diện AlO

6
song song với trục c và liên kết với các tứ diện SiO
4
và AlO
4;
các tứ
diện này

xen kẽ nhau dọc hướng c (hình 6.8,a). Như vậy, trong silimannit ion nhôm có một
nửa nằm trong đa diện phối trí bát diện với khoảng cách Al–O 1,91Å và nửa kia trong tứ diện
với Al–O 1,77Å.
Thành phần khoáng vật khá ổn định đến tinh khiết. Ion thường xuyên vào thay thế trong
cấu trúc là Fe
3+
, một số khác có mặt dưới dạng tạp chất. Nước bị hấp phụ một lượng nhỏ
trong biến thể dạng sợi fibrolit. Từ các oxit hợp phần có thể tổng hợp silimannit ở nhiệt độ và
áp suất cao. Khi nung trên 1000°C nó không bền vững và biến đổi thành mulit + thạch anh.
Khi bị phong hoá nó cho muscovit và sericit, pyrophyllit, kaolinit và montmorillonit.
6.3.2. Andalusit Al
V
Al
VI
SiO
4
O
Một nửa lượng nhôm của andalusit nằm trong phối trí 5 với các hình phối trí gắn gián tiếp
với nhau bằng tứ diện SiO
4
(hình 6.8,b). Một nửa nhôm còn lại có phối trí bát diện không đều
đặn. Chúng gắn với nhau qua cạnh chung tạo thành chuỗi chạy dọc truc z. Các chuỗi song

song này gián tiếp gắn với nhau qua nhóm SiO
4
và AlO
5
. Khoáng vật có tỉ khối (17,1Å
3
/ion
oxy) lớn nhất trong 3 biến thể và như vậy bền vững ở điều kiện áp suất thấp.
Hệ trực thoi (–)
Định hướng: Np = z Nm = y Np = x MTQ:(010)
Cát khai:
{110}
(110): (1
0) = 89°

Ô cơ sở, Å: a = 7,79 b = 7,90 c = 5,55
Z = 4 N.K.H: Pbnm
d
hkl
chính, Å: 4,53(10) 3,96(8) 2,76(9) 2,17(10) 1,46(10)
Khoáng vật có thành phần tương đối tinh khiết. Chỉ hai ion hoá trị ba là sắt và mangan có
mặt với hàm lượng đáng kể. Thông thường, Fe
3+
thay cho Al nhiều nhất cũng chưa đạt 2%.
Viridin (đá phiến chlorit-mica, theo Kramm U., 1973) là biến thể giàu mangan (16,75%
Mn
2
O
3
) cũng chứa đến 0,82% Fe

2
O
3
. Người ta đã mô tả pha viridin với 4,8% Fe
3
O
3
và 19,6%
Mn
2
O
3
. Khoáng vật với công thức (Mn
3+
,Al)AlSiO
5
chứa 32,2% Mn
2
O
3
cũng được biết tới và
kanonait là tên gán cho

pha đầu cuối với công thức lí tưởng Mn
3+
AlSiO
5
.

16
Có thể tổng hợp andalusit từ kaolinit hay từ Al
2
O
3
+ SiO
2
ở 450 ÷ 650°C và áp suất hơi
nước giữa 0,6 và 2,0kbar. Biểu đồ trạng thái của Al
2
SiO
5
(theo Bohlen S.R., Montana A. và
Kerrick D.M.,1991) cho thấy điểm kép ba giữa silimannit, andalusit và disten nằm ở 530 ±
20°C và 4,2 ± 0,3kbar. Andalusit dễ dàng biến đổi thành sericit. Chiastolit (biến thể của
andalusit thường chứa bao thể than; trên mặt cắt ngang tinh thể có thể thấy hình chữ thập đều
đặn, tối màu; nơi đây tập trung bao thể) rất dễ bị biến đổi kiểu này dọc theo các tuyến bao thể
than. Khi tăng nhiệt độ và áp suất andalusit biến thành silimannit và disten.
Andalusit thường bắt gặ
p cùng cordierit trong đá chứa sét thuộc đới tiếp xúc quanh thể
magma xâm nhập. Khi kiểu biến chất này còn ở giai đoạn đầu, andalusit không có dạng đa
diện. Về sau, nó sớm có dạng thỏi với mặt cắt ngang có hình chữ thập màu đậm, nơi chứa các
bao thể than; đó là chiastolit. Ở mức độ cao hơn andalusit trở nên thoát khỏi bao thể.
6.3.3. Disten Al
VI
Al
VI
SiO
4
O

Hệ ba nghiêng (–)
Định hướng:
Ng: z trên(100) = 27 ÷ 32°, trên (010) = 5-8°

Np:x trên (001) = 0 ÷ 3°; Phân giác nhọn ∼⊥ (100)
Cát khai:
{100} hoàn toàn
Song tinh:
(100), trục ST ⊥ (100) hay //y hay z, (001) đa hợp
Ô cơ sở:
a = 7,12Å; b = 7,85Å; c = 5,57Å;
α
89,98°;
β
101,12°;
γ
106,01°

Z = 4; Nhóm không gian
P1

d
hkl
, Å: 3,18(10); 2,52(4); 2,35(4);1,94(5); 1,37(8)
Trong disten nguyên tử oxy phân bố theo luật xếp cầu lập phương biến dạng nhẹ. Cũng
như trong silimannit và andalusit, ở đây có các chuỗi bát diện AlO
6
và các chuỗi (chiếm một
nửa số nhôm) này liên kết với nhau bằng ion Si, Al, O còn lại. Silic phối trí tứ diện với 4 oxy,
nhôm phối trí bát diện với 6 oxy (hình 6.8,c).

Thể tích ô mạng cơ sở V1 và thể tích mol V2 của 3 biến thể đa hình Al
2
SiO
5
(ở 25°C)
như sau:
Andalusit Silimannit Disten
V1, Å
3
: 342 331 293
V2, cm
3
/mol: 51,5 49,9 44,1
Rõ ràng, disten có thể tích riêng nhỏ nhất và vì vậy nó là biến thể đa hình bển vững ở
điều kiện áp suất cao nhất trong ba biến thể.
Disten rất giống những biến thể kia ở chỗ nguyên tử khác lạ như Fe
3+
thâm nhập vào cấu
trúc chỉ với số lượng rất hạn chế. Đôi khi Cr có mặt ở một lượng vừa phải. Một lượng nhỏ Ti
có trong bao thể thường bắt gặp dưới dạng rutil. Những nghiên cứu gần đây cho thấy hàm
lượng kim loại kiềm trong disten không vượt quá 0,06%. Disten nhân tạo hình thành ở 900°C
và 10 ÷ 40kbar. Khi nung, nó biến thành mulit và một pha thuỷ tinh. Disten bị phong hoá thì
cho pyrophyllit, muscovit và sericit. Điều kiện nhiệt độ và áp suấ
t thay đổi biến nó thành
silimannit hay là andalusit. Chẳng hạn, trong biến chất khu vực nó cho andalusit trong đới tiếp
xúc với grannit muộn. Cùng với hai khoáng vật kia, bị nung disten trở thành vật liệu chịu lửa
và cả ba khoáng vật là những alumosilicat quan trọng nhất về phương diện này. Chúng cũng
thường gặp trong những mỏ khoáng tương đối lớn.

17

6.4. SILICAT ĐẢO VÒNG
Silicat đảo vòng hay cyclosilicat chứa các vòng tứ diện SiO
4
, có tỉ lệ Si : O = 1 : 3. Hình
6.9,a giới thiệu một trong ba cấu hình vòng kín này. Đơn giản nhất là vòng ba với ví dụ duy
nhất là titan–silicat benitoit BaTiSi
3
O
9
. Vòng bốn có trong vài khoáng vật rất hiếm, ví dụ
papagoit Ca
2
Cu
2
Al
2
Si
4
O
12
(OH)
6
. Nhưng vòng sáu là cấu hình cơ bản trong cấu trúc của các
khoáng vật phổ biến và quan trọng. Ví dụ beryl Be
3
Al
2
Si

6
O
18.

6.4.1. Beryl Al
2
Be
3
Si
6
O
18

Hệ sáu phương (–)
Cát khai:
{0001} không hoàn toàn
Song tinh:
{31
4
1} {11
2
0} và {40
4
1}
Ô cơ sở, Å:
a = 9,200 ÷ 9,220; c = 9,187 ÷ 9,249
Z = 2; Nhóm không gian P6/mcc
d
hkl
, Å: 7,98(9); 4,60(5); 3,99(5); 3,25(10); 2,87(10)

Cấu trúc tinh thể


18
Cấu trúc beryl (hình 6.9) gồm các
vòng sáu tứ diện (Si
6
O
18
) xếp chồng
lên nhau thành các lớp song song với
{0001}. Các lá của ion beryli và nhôm
nằm xen kẽ giữa các lớp của vòng sáu.
Beryli phối trí tứ diện nằm giữa hai
vòng, nhôm phối trí bát diện nằm giữa
ba vòng. Vòng Si–O sắp đặt theo một
trật tự riêng, sao cho mỗi tứ diện có
một cạnh thẳng đứng và có thể dựng
mặt gương ngang cắt qua các ion silic
của vòng sáu (hình 6.9,b). Chúng sắp
đặt vòng nọ đối diện vòng kia, khiế
n
cho tâm điểm (bán kính của vòng là
2,55Å) của chúng đều nằm trên trục
chính bậc sáu.
Bằng cách ấy chúng đã tạo nên
cho cấu trúc những kênh rộng kéo dài
theo trục chính. Những kênh này có
thể chứa đựng nhiều ion, nguyên tử và
phân tử. OH

−
, H
2
O, F
−
, He, các ion
Rb
+
, Cs
+
, Ca
2+
và K
+
đều nằm trong
beryl theo cách ấy. Với các ion kim
loại kiềm hoá trị một trong kênh như
Na
+
, điện tích tổng của cấu trúc sẽ
trung hoà bằng cơ chế thay thế:
2 kiềm
1+
U
Be
2+
hay 3 kiềm
1+
+ 1Al
3+

U
3Be
2+
.
Nước trong kênh beryl có 2 loại: phân tử nước loại I định hướng trục đối xứng của nó
vuông góc với trục z, trong khi phân tử nước loại II xoay 90° do ion kim loại kiềm kề cận tác
động lên đầu âm của phân tử nước lưỡng cực.
Mặc dầu beryl là thành viên của silicat vòng sáu, nếu nhìn nhận vai trò của tứ diện BeO
4
và tứ diện SiO
4
ngang bằng nhau trong cấu trúc, thì về toàn cục có thể nhận thấy cấu trúc như
một khung ba chiều. Vì lí do ấy, beryl cũng có thể xếp loại vào phụ lớp silicat khung
(tectosilicat).
Đặc điểm hoá học

Tổng hàm lượng kim loại kiềm trong beryl có thể lên tới khoảng 5 ÷ 7%. Cùng với natri
và liti, các ion kiềm cỡ lớn cũng góp mặt như kali và cesi, nhưng rubidi thì ít gặp hơn. Số liệu
phân tích hoá cho thấy (theo W. A. Deer, R.A. Howie & J. Zussman, 1992), beryl có thể xếp
hạng theo hàm lượng kiềm như sau:
– Beryl không kiềm: tổng hàm lượng kiềm nhỏ hơn 0,1% trọng lượng.
– Beryl kali nghèo kiềm và beryl kali natri: K trội hơn, 0,5 ÷ 1,0% trọng lượng.
– Beryl natri: natri trội hơn, 0,5 ÷ 1,0% tr
ọng lượng.
Hình 6.9. Cấu trúc tinh thể beryl chiếu trên (0001) (a)
và trên mặt chứa trục c (b)


19
– Beryl liti natri: Na trong khoảng 0,0 ÷ 2,0% trọng lượng, liti < 0,6% trọng lượng.

– Beryl cesi liti: cesi > 0,5% trọng lượng.
Vậy sự có mặt của kim loại kiềm trong beryl đã rõ ràng và với một lượng đáng kể. Chúng
chiếm giữ các kênh rỗng, điện tích dương chúng mang đến có thể cân bằng; bằng cơ chế thay
thế trong cấu trúc. Sơ đồ thay thế có thể như sau:
3Be
2+
→ 2Li
+
+ Si
4+,
Si
4+
→ Be
2+
+ 2R
+,
Si
4+
→ Al
3+
+ R
+
và Be
2+
+ Si
4+
→ 2Al
3+
.
Dùng hỗn hợp các oxit SiO

2
, Al
2
O
3
và BeCO
3
có thể tổng hợp beryl bằng phương pháp
nhiệt dịch ở áp suất thay đổi từ 400 đến 1500bar; ở 400°C xuất hiện bột trắng mịn beryl cùng
với một ít phenakit Be
2
SiO
4
và chrysoberyl BeAl
2
O
4
. Đã có nhiều phương pháp giúp sản xuất
emerald tổng hợp; ngoài các oxit chính còn có thêm chút ít phụ gia Cr
2
O
3
. Một trong những
phương pháp trọng yếu là quá trình nhiệt dịch của Linđe có phụ gia trợ dung tương đối đơn
giản.
Thông thường, beryl biến đổi thành kaolinit, đôi khi có thêm lượng nhỏ muscovit. Các
khoáng vật khác như bavenit, bertrandit, phenakit, epididymit và milarit cũng là sản phẩm
biến đổi của nó. Việc beryl chứa kim loại kiềm là yếu tố chủ yếu ảnh hưởng tới tính chất
quang học của nó. Hàm lượng kiềm làm t
ăng giá trị chiết suất và cả lưỡng chiết suất ở mức độ

thấp hơn.
6.4.2. Cordierit (Mg,Fe)
2
Al
4
Si
5
O
18
.nH
2
O
Hệ trực thoi (Giả sáu phương) (–) (+)
Định hướng : Np = z, Nm = y, Ng = x; MTQ (010)
Np Nm Np : 1,527 – 1,560; 1,532 – 1,574; 1,537 – 1,578
2V
α

:

35 – 106°
Cát khai:
{100} trung bình; {001}, {010} không tốt

{110}, {310} đơn giản, liên phiến, dạng vòng
Đa sắc: Mg-cordierit lát dày: Np vàng/lục
Nm tím/lam tím, Ng lam nhạt
Vành đa sắc quanh bao thể zircon
Ô cơ sở:
a ∼17,1Å; b ∼9,7Å; c ∼ 9,3Å; Z = 4; N.K.G. Cccm

Cấu trúc tinh thể
Cordierit có biến thể đa hình nhiệt độ cao là indialit, đồng cấu trúc với beryl, trong đó
nhôm phân bố ngẫu nhiên trong vòng sáu. Biến thể nhiệt độ thấp phổ biến hơn thuộc hệ trực
thoi (giả sáu phương). Trong đó, vòng sáu có 2 tứ diện chứa nhôm, tạo nên cấu trúc trật tự
đảo vòng. Nhưng, Al/Si phối trí tứ diện (như Be) liên kết các vòng này theo chiều ngang và
chiều dọc. Vì vậy, theo G.V. Gibbs, cordierit trở thành silicat khung
với Mg và Fe
2+
phối trí
bát diện giống như Al trong beryl. Các phân tử nước và ion kim loại kiềm gặp trong khoáng
vật ở quy mô thay đổi và định vị lần lượt trong chỗ rộng và hẹp của kênh do các vòng sáu tạo
nên.
Trong indialit tứ diện trong vòng sáu đều tương đương và giàu silic, còn ngoài vòng sáu
thì chúng giàu nhôm. Cordierit có trật tự cao của silic và nhôm khắp nơi trong cấu trúc; nhưng
sự trao đổi ion cũng ảnh hưởng tới điều này.
Đặc điểm hoá học


20
Hầu hết cordierit chứa Mg vượt trội trong vị trí bát diện, cordierit chứa Fe hơn 1 ion/đơn
vị công thức thì hiếm gặp và có xu hướng hạn chế trong pegmatit. So sánh với các khoáng vật
sắt magnesi như biotit, granat, pyroxen thoi và spinel, cordierit thường giàu magnesi hơn sắt.
Tỉ lệ Si : Al không thay đổi nhiều hơn 5 : 4, tương ứng với nhu cầu của cấu trúc. Vòng
sáu có 4Si + 2Al, bên ngoài có 1Si + 2Al. Thường cordierit của pegmatit giàu beryli thì hàm
lượng nhôm thấp hơn, hàm lượng silic và/hay ion kiềm cao hơn. Cùng với kiềm, vòng sáu
chứa H
2
O, CO
2
, Ar, v.v… Hàm lượng H

2
O
+
của khoáng vật cordierit đạt 2,8% trọng lượng
tương đương khoảng một phân tử trên đơn vị công thức.
Cordierit hay biến đổi; sản phẩm thường gặp nhất là pinit phớt lục; đó là hỗn hợp
muscovit với chlorit hay serpentin và oxit sắt. Thực nghiệm cho thấy Mg-cordierit khan nóng
chảy bất chỉnh dung ở 1465°C thành mulit và chất lỏng. Fe-cordierit Fe
2
Al
4
Si
5
o
18
nóng chảy
bất chỉnh dung ở 1210°C cho mulit, tridymit và chất lỏng. Từ thực nghệm có thể kết luận rằng
nhiệt độ biến đổi cordierit từ trực thoi sang sáu phương giảm từ 1450°C đối với Mg-cordierit
xuống khoảng 700°C đối với thành phần trung gian và tăng đến gần 900°C đối với Fe-
cordierit.
6.4.3. Tourmalin(Na,Ca)(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3(Al,Mg,Fe3+)6[Si6O18](BO3)(O,OH)
3(OH,F)
Ba phương (–) Dravit Schorl Elbait
n
e
: 1,612 – 1,632 1,535 – 1,650 1,615 – 1,630
n
o
: 1,634 – 1,661 1,660 – 1,671 1,633 – 1,651
Lưỡng chiết suất: 0,021 – 0,029 0,025 – 0,035 0,017 – 0,021

Tỉ trọng: 3,03 – 3,18 3,18 – 3,22 2,90 – 3,10
Đa sắc: Biến đổi mạnh, hấp phụ : n
o
> n
e
Ô mạng cơ sở: a = 15,8 – 16,0Å c = 7,1 – 7,25Å
Z = 3 Nhóm không gian R3m
d
hkl
, Å: 4,24(7); 4,00(7); 3,51(7); 2,98(9); 2,58(10)
Cấu trúc tinh thể
Tourmalin có công thức tổng quát là XY
3
Z
6
B
3
Si
6
(O,OH)
30
(OH,F). Vị trí Y nằm trong
khoang bát diện giữa các ion oxy và hydroxil. Ba bát diện vây quanh trục đối xứng bậc ba;
mỗi bát diện chung cạnh với một trong hai bát diện kia, theo đúng trật tự của lớp brucit (hay
CdI
2
, xem 4.3.2, cấu trúc dạng lớp). Sáu nguyên tử silic đều có phối trí tứ diện với oxy. Sáu tứ
diện ghép vòng với nhau; mỗi cái có hai oxy chung với hai cái kề bên; 2/4 oxy này đã trở nên
trung hoà điện tích. Không giống beryl, các tứ diện của vòng đều hướng đỉnh oxy với điện
tích –1 chưa trung hoà về phía các bát diện. Phần cốt lõi của cấu trúc với thành phần

Y
3
(OH)
4
Si
6
O
21
sẽ gắn với nhau bằng ion Al, B và Na. Ion B phối trí tứ diện, chung một đỉnh
oxy với tứ diện SiO
4
của vòng sáu. Điều này cho thấy nguyên nhân tại sao Al không vào thay
chân Si trong vòng sáu. Bởi vì cầu oxy nối Al−O−Si quá yếu so với Si–O–Si; nó sẽ bị tiêu
biến khi kề cận là mối liên kết vốn đã yếu là B–O−Si. Ion Al (vị trí Z) phối trí sáu với oxy,
nằm trong bát diện méo mó; mỗi đôi chung cạnh với một bát diện Mg cùng trên mặt phẳng.
Ion Na (vị trí X) liên kết với 3 nguyên tử oxy và một nhóm hydroxil để có phối trí tứ diện.
Thành phần hoá học củ
a tourmalin rất phức tạp, cho đến gần đây công thức cơ sở của nó
vẫn chưa xác định (Deer W.A., 1992). Cấu trúc tinh thể cũng không tránh khỏi tình trạng này.
Mô hình đưa ra sau đây (Cornelis K. & nnk, 1993) cũng có chi tiết khác so với mô hình trên


21
đây (theo nguồn đã dẫn). Cấu trúc tinh thể của tourmalin xâydựng trên cơ sở các vòng Si
6
O
18

nằm ngang; mỗi tứ diện có hai oxy đã trung hoà điện tích để ghép tứ diện thành vòng. Hai oxy
kia vẫn còn dư 50% điện tích. Các tứ diện đều hướng một trong hai ion này về một phía, làm

cho vòng sáu trở nên có cực (giống như mô hình trên). Tại tâm của chúng, Na
+
và

OH
–
xen kẽ
nhau dọc trục đứng (ở đây không nói Na có phối trí tứ diện). Xen giữa các vòng sáu là lớp
tam giác BO
3
(không phải B có phối trí tứ diện). Nhóm bát diện (Li,Mg,Al)O
4
(OH)
2
liên kết
vòng Si
6
O
18
với nhóm BO
3
. Các nhóm (Al,Fe,Mn)O
5
(OH) ghép các cột vòng sáu với nhau.
Đặc điểm hoá học
Thành phần hoá học của tourmalin có thể biểu diễn bằng công thức tổng quát như đã dẫn
XY
3
Z
6

B
3
Si
6
(O,OH)
30
(OH,F), trong đó vị trí giúp phân biệt các khoáng vật thành viên như
sau:
X Y Z
Elbait Na Al,Li Al
Olenit Na Al Al
Dravit Na Mg Al
Schorl Na

Fe
2+
Al
Tsilaisit Na Al,Mn Al
Buergerit Na Fe
3+
Al
Lidicoatit Ca Li,Mg Al
Uvit Ca Mg Al,Mg
Feruvit Ca Fe
2+
Al,Fe
3+
,Mg
– Ca Mn Al,Mn
Feridravit Na Mg Fe

3+
Chromdravit Na Mg Cr
Tại vị trí X, Na có thể bị K hay Ca thay thế nếu thoả mãn được điều kiện hoá trị; chẳng
hạn uvit có sự thay đổi NaAl ⇄ CaMg. Tại Y ion vượt trội là Fe
2+
như trong schorl, là Mg
như trong dravit, hay là Al,Li như trong elbait; một số ion khác có thể vào vị trí này, đó là Zn,
Cu, Ba, Mn (như trong tsilaisit) và V hay Cr nếu thoả mãn được điều kiện hoá trị.
Ion Fe
3+
thay cho Al trong Z khiến cho tourmalin chứa sắt ba tiến triển thành feridravit.
Buergerit là thành viên chứa Fe
3+
chủ yếu trong Y, nhưng hoá trị vẫn duy trì; đó là do
(O,OH)
30
(OH,F) đổi thành O
30
(OH,F). Nhờ có R
+
, OH
–
, F
–
mà ion hoá trị ba R
3+
biến động.
Giải pháp nằm trong hai trao đổi sau:
(1) (OH)
–

+ R
2+
= R
3+
+ O
2–
và (2) R
2+
+ R
+
= R
3+
+ □;
Al
3+
là cation R
3+
chủ yếu. Cơ chế (1) giới thiệu một dung dịch cứng với pha cuối là
hydroxilbuergerit.
Việc tổng hợp tourmalin thực hiện bằng phương pháp nhiệt dịch trong khoảng từ 400 ÷
700°C và ở 1 ÷ 2kbar. Tourmalin tiến gần tới đầu cuối: □(Mg
2
Al)Al
6
B
3
Si
6
O
30

(OH) là sản phẩm
tổng hợp ở 700 ÷ 800°C. Tourmalin của Na và Al là sản vật nhân tạo tiếp cận olenit lí tưởng:
NaAl
3
Al
6
B
3
Si
6
O
30
(OH), là Al-buergerit sinh ra ở 450 ÷ 600°C và 1kbar. Tuy vậy, nhiều công
trình thực nghiệm đi xa hơn cho thấy sự cần thiết phải xác lập ranh giới cho thành phần của
tourmalin.


22
Trong tự nhiên tourmalin biến đổi thành muscovit, biotit hay lepidolit, mica, hoặc chlorit
và kookcit LiAl
4
(Si,Al)
4
O
10
(OH)
8.
Giá trị chiết suất, lưỡng chiết suất và trọng lượng riêng tăng tỉ lệ thuận với lượng (Fe
2
+

Fe
3+
+ Mn + Ti). Tính đa sắc thay đổi với cường độ lớn, nhưng rất mạnh ở tourmalin chứa sắt.
Khả năng hấp phụ ánh sáng luôn luôn phân biệt; theo n
o
lớn

hơn theo n
e
, kết quả là hấp phụ tối
đa xảy đến khi trục z nằm vuông góc với phương dao động trong Nicol phân cực. Đối với
schorl tia thường có tốc độ xuyên thâu vượt ≤ 10%.
6.5. BIOPYRIBOL
Danh từ này phản ánh sự liên quan về hoá học tinh thể giữa silicat lớp (với BIOtit là tiêu
biểu), silicat chuỗi (với PYRoxen) và silicat chuỗi kép (với amphiBOL). Mica, pyroxen và
amphibol có thể là những nhóm khoáng vật liên quan nhau về mặt hoá học tinh thể
(Thompson, 1978, 1981).
6.5.1. Tương quan hóa học tinh thể mica–pyroxen–amphibol
Từ pyroxen sang amphibol rồi đến mica có thể là sự chuyển hoá liên tục, kết quả của
trình tự trùng hợp nhóm chức chuỗi đơn sang chuỗi kép 2, chuỗi kép 3,… và sau chót là
“chuỗi kép” ∞. Không những thế, amphibol có thể xem như được dựng nên từ những modul
của pyroxen và của mica. Quan hệ cấu trúc giữa ba nhóm khoáng vật biểu diễn trên hình 6.10.
Có thể nói, cấu trúc của amphibol dựng nên từ những giải băng tứ diện–bát diện–tứ diện v
ới
mặt cắt ngang hình chữ I. Phần giữa của giải băng amphibol tương đồng với modul mica về
cấu trúc, vách hai biên của nó dựng nên từ cấu trúc của modul pyroxen. Có thể nhận thấy rằng
một vài vị trí tinh thể học trong amphibol như vị trí A lấy từ modul mica và vị trí M4 lấy từ
M2 của modul pyroxen.
Chúng là A vị trí của nguyên tử kiềm, M (tức là M1, M3 và M4) của nguyên tử kim loại
khác và T vị trí tứ diện của Si. Bả

y vị trí cation của amphibol có thể coi như xuất phát từ
modul mica (A, M3, M1, T1) và từ modul pyroxen (M4, M2 và T2). Vị trí M4 và M2 của
amphibol lần lượt ứng với M2 và M1 của pyroxen, M3 và M1 của amphibol ứng với M1 và
M2 của mica. Bảng 6.6 cho thấy bảy công thức của amphibol; chúng là sản phẩm kết hợp của
pyroxen và mica. Không phải tất cả các dạng giả định ấy đều là những khoáng vật bền vững.
Bảng 6.5
Đối chiếu các vị trí tinh thể học trong pyroxen, amphibol và mica
Khoáng vật Các vị trí
Pyroxen – M2 – – M1 – T O –
Amphibol A M4 M3 M1 M2 T1 T2 O (OH)
Mica A – M1 M2 – T – O (OH)
Phối trí 12 6-8 6 6 6 4 4
K Na Mn Mn Al Al Si OH
Na Ca Fe
2+
Fe
2+
Ti Si Al F
Ca Mn Mg Mg Fe
3+
Cl
Cation xếp vào
từng vị trí
thích hợp
Fe
2+
Al Al Mg
Mg Ti Ti Fe
2+

23

Bảng 6.6
Quan hệ mica−pyroxen−amphibol
2Pyroxen + Mica = Amphibol
2CaMgSi
2
O
6
+

Diopsit Mg
3
Si
4
O
10
(OH) = Talc Ca
2
Mg
5
Si
8
O
22
(OH)
2
Tremolit

2MgMgSi
2
O
6
+ Enstatit Mg
3
Si
4
O
10
(OH)
2
= Talc Mg
2
Mg
5
Si
8
O
22
(OH)
2
Anthophillit
2NaAlSi
2
O
6
+ Jadeit Mg
3
Si

4
O
10
(OH)
2
= Talc Na
2
Mg
3
Al
2
Si
8
O
22
(OH)
2
Glaucophan
2NaFeSi
2
O
6
+ Acmit Fe
3
Si
4
O
10
(OH)
2

= Fe-Talc Na
2
Fe
3
Fe
2
Si
8
O
22
(OH)
2
Riebeckit
2CaMgSi
2
O
6
+ Diopsit KMg
3
AlSi
3
O
10
(OH)
2
= Phlogopit KCa
2
Mg
5
AlSi

7
O
22
(OH)
2
K-edenit
2CaMgSi
2
O
6
+ Diopsit NaMg
3
AlSi
3
O
10
(OH)
2
= Na-Phlogopit NaCa
2
Mg
5
AlSi
7
O
22
(OH)
2

Edenit

2CaAlAlSiO
6
+ Ca-tschermak Mg
3
Si
4
O
10
(OH)
2
= Talc Ca
2
Mg
3
Al
2
Al
2
Si
6
O
22
(OH)
2
Tschermakit
Có thể thấy, trong bảng 6.5 cation xếp theo mức độ thích hợp với từng vị trí tinh thể học
của biopyribol. Các vị trí M4, M2 và T2 trong amphibol có các tập hợp rất giống như của các
vị trí tương đương M2, M1 và T trong pyroxen. Cũng có thể nói như vậy về các vị trí A, M3,
M1 và T1 của amphibol và A, M1, M2 và T của mica. Một số trường hợp đặc biệt: ví dụ,
M1và M2 trong mica chứa Al

VI
, trong khi nhôm phối trí sáu này lại tập trung tại M2 của
amphibol và M1 của pyroxen. Calci không bao giờ nằm trong vị trí kiềm (A) của amphibol,
nhưng một số mica như margarit và xanthophyllit lại chứa calci trong A.
Vectơ thay thế tschermak Al
VI
Al
IV
Mg
–1
Si
–1
bao quát vị trí M2 phối trí sáu trong amphibol
và M1 trong pyroxen cũng như các vị trí tứ diện. Vectơ này có một trường hợp đặc biệt là
Al
VI
cũng có thể chiếm các vị trí M1 và M2 của mica, M3 và M1 trong amphibol. Vectơ trao
đổi plagioclas NaSiCa
–1
Al
–1
gồm việc thay thế của Na cho Ca tại M4 của amphibol

hay M1
của pyroxen và sự thay thế trong vị trí tứ diện của Si cho Al. Mica là trường hợp đặc biệt ở
đây; vì sự thay thế này xảy ra trong vị trí A của mica (chúng không có vị trí tương đương với
M4 của amphibol).
FeMg
−1
và FeMn

−1
là những vectơ trao đổi có trong tất cả các vị trí bát diện M của
biopyribol. Tuy nhiên, cation không thể thích hợp như nhau đối với từng vị trí, bởi vì không
phải tất cả các vị trí đều có kích thước như nhau.