Почему асбест волокнистый

Самым интересным свойством асбеста является его волокнистость, причина которой долгое время была загадкой. Существовали только неподтвержденные предположения. Высказывались две возможные гипотезы. По первой из них предполагалось, что асбестовые волокна получаются при наложении на минерал двух направлений весьма совершенной спайности. Действительно, если предположить, что слюдяные листочки так же хорошо разделялись бы по второму, перпендикулярному к первому, направлению, вместо листочков должны образоваться волокна. О таких асбестах говорили как об "асбестах спайности". Вторая гипотеза считала, что асбест слагается длинными минеральными кристаллами - иголками. Поскольку такие иголки должны совпадать по длинной оси, постольку можно предположить, что эти иглы могут быть повернуты в любом направлении перпендикулярно к удлинению. Поэтому такие асбесты назывались "асбестами вращения".

В последние годы, когда к изучению строения асбестов были привлечены новейшие методы исследований, удалось от более или менее остроумных догадок перейти к точному знанию. Действительность же, как это часто бывает, оказалась не только более простой, чем самые вероятные догадки, но вместе с тем совершенно неожиданной и много более сложной. Забегая вперед, скажу сразу, что "асбесты спайности" пока в природе не встречены. Природа амфибол-асбестов оказалась близкой к "асбестам вращения", а волокнистость хризотил-асбестов оказалась весьма своеобразной.

Чтобы подойти к современному объяснению волокнистости хризотил-асбеста, приведу пример, хорошо передающий изменение настроений исследователей в последние годы и общее развитие наших знаний о кристаллах. Рассказывают, что, когда впервые Уитеккер и Брегг рассчитали структуру хризотила, они на основании полученных данных изобразили ее как структуру слоистого силиката, т. е. как структуру, состоящую из серии наложенных один на другой бесконечных пакетов или листов, каждый из которых в свою очередь состоит из слоя кремне-кислородных тетраэдров и тесно связанного с первым слоя магнезиально-кисло-родных октаэдров. Термины тетраэдр и октаэдр обозначают простые геометрические фигуры: тетраэдр - фигура, ограниченная четырьмя гранями, сходящимися в четыре трехгранных угла, каждая грань - равносторонний треугольник; в целом тетраэдр по форме соответствует молочному бумажному пакету. В углах тетраэдра располагаются ионы кислорода, а в центре ион кремния. Такие тетраэдры связаны в непрерывную сетку таким образом, что каждый располагающийся сверху кислород составляет общую вершину двух соседних тетраэдров. Октаэдр - восьмигранная фигура, где грань составляет такой же, как в тетраэдре, треугольник, в целом же фигура представляет собой как бы сложенные основаниями две четырехгранные пирамиды. Вершины октаэдров замяты ионами кислорода, а в центре размещается ион магния. Октаэдры эти также образуют непрерывную сетку, причем у двух соседних октаэдров имеется одна общая грань. Все это, конечно, словами рассказать крайне трудно несколько легче понять рисунок, однако и он достаточно сложен. Вместе с тем я надеюсь, что из моего рассказа читатель уловил, что в предложенной Уитеккером и Бреггом структуре каждый пакет, слагающий листовую структуру серпентина, состоит из двух слоев, в одном из которых промежутки занимают кремний, а в другом магний, а это самое главное. Когда Уитеккер сделал сообщение об этой структуре, то его резко раскритиковал Полинг, сказавший примерно следующее: "Ваша структура невозможна, ведь размер (точнее, радиус иона) кремния (1,17) намного меньше размера (радиуса иона) магния (1,60), в результате чего кремнекислородный слой будет уже магний-кислородного и будет натягивать последний; такая структура будет закручиваться, а кривых кристаллов не бывает". Уитеккер немедленно согласился с критикой; позднее построил новую модель структуры, где положения ионов кремния и магния периодически менялись местами, чем компенсировались содержащиеся натяжения и могла осуществиться "прямогранность" кристаллов. "Справедливость" была восстановлена. Однако примерно через 10-15 лет после этого, когда был изобретен электронный микроскоп, одним из первых объектов, изученных с помощью этого прибора, было хризотил-асбестовое волокно и удивлению исследователей не было предела; оказалось, что эти волокна представляют собой трубки. При этом, когда удалось измерить их величину и кривизну, оказалось, что кривизна волокон в точности соответствует той кривизне, которую получают листочки по первоначальной "ошибочной" модели. Иначе говоря, Уитеккер и Брегг оказались правы, а Полинг ошибся, говоря, что кривогранных кристаллов не бывает; оказывается, что в микромире такие кристаллы бывают; найдены и другие вещества, имеющие подобные же закрученные структуры.

Рис. 34. Строение хризотил-асбестовых волокон. Хорошо распознается спиральное закручивание волокна. Можно измерить и размеры пакета (из работы японского минералога Яда)

Интересен и еще один факт: число слоев, слагающих каждое волокно, весьма ограничено, и не встречается волокон, где число закрученных в трубку двухслойных пакетов больше девяти; при большем числе пакетов они должны сильно распрямляться, что энергетически весьма невыгодно, и новому слою легче образовать новое волокно, чем нарастать на старый зародыш. Итак, каждое элементарное волокно асбеста представляет собой трубку (рис. 34). Ее толщина ограничена девятью пакетами и элементарным начальным закручиванием зародышевого кристалла. Обычно толщина волокна около 260 Å (1 Å= 1*10^-10 м), а его длина может быть бесконечно большой; здесь уже структура кристалла не препятствует росту (рис. 35).

Рис. 35. Вид хризотил-асбестовых волокон под электронным микроскопом. Во многих волокнах просвечивает центральная полость (светлая линия в середине волокна)

Возникает еще один вопрос; в асбестовой жилке все волокна параллельны и направлены в одну сторону, наиболее обычно - перпендикулярно к стенкам трещины. Значит помимо простого закручивания в трубочки должен быть еще какой-то механизм, который ориентирует зародыши трубок в определенном направлении. Конечно, это предположение совершенно правильно, такой механизм действительно существует, он изучен довольно давно и носит название "геометрического отбора".

Геометрический отбор возможен тогда, когда игольчатые кристаллы начинают кристаллизоваться на какой-нибудь относительно ровной поверхности; при этом на поверхности кристаллизации возникает большое число зародышей, направленных самым различным образом, однако, те кристаллы, которые направлены параллельно плоскости кристаллизации или под небольшим к ней углом, очень скоро встретят соседние кристаллы, упрутся в них и прекратят свой рост, тогда как кристаллы, расположенные перпендикулярно к плоскости кристаллизации, развиваются свободно и продолжают расти. В результате такого отбора на некотором расстоянии от поверхности кристаллизации остаются только кристаллы, которые росли перпендикулярно к последней. Чем совершенней иглообразная форма кристаллов, чем тоньше иглы, тем совершеннее влияние геометрического отбора. В нашем случае исключительно тонких и очень длинных трубок такой отбор достигает полного совершенства.

Внимательный читатель безусловно сделает мне довольно серьезное замечание. Механизм геометрического отбора, описанный выше, может ориентировать кристаллы только перпендикулярно к поверхности кристаллизации, ко выше, в начале описания этого процесса, было указано, что волокна асбеста "в большинстве своем" ориентированы перпендикулярно к стенкам трещины, значит есть случаи, когда волокна асбеста ориентированы не перпендикулярно к стенкам, а такая ориентировка не может быть результатом геометрического отбора. Да, такая ориентировка действительно существует, но и она является также результатом геометрического отбора; косая ориентировка волокна в трещинах возникает в том случае, когда подвижки по трещине происходят уже после того, как началась кристаллизация асбеста и создалась совершенная ориентировка его волокон. При такой поздней подвижке все волокна оказываются повернутыми и продолжают расти далее уже в повернутом относительно трещины положении.

Итак, волокно асбеста представляет собой тончайшую длинную трубочку, образование которой связано со структурой серпентина, но волокнистые скопления возникают только тогда, когда трубчатые кристаллы свободно растут в полостях кристаллизации.

Еще несколько слов о структуре серпентина; сейчас мы ее знаем много лучше, чем раньше, причем оказалось, что среди серпентиновых минералов встречаются и такие, которые построены по принципу "искривленной" решетки Уитеккера, и такие, где положение магния и кремния периодически меняется; такая постройка может давать бесконечные гофрированные листы (рис. 36); именно такая структура приписывается сейчас листовому серпентину, так называемому антигориту. Существуют еще, видимо, серпентины, где часть атомов кремния и магния могут замещаться другими атомами (глинозема, железа), компенсирующими изгибающие усилия. Такие структурно-плоские серпентиновые постройки получили название лизардита по местности, где они были впервые изучены.

Рис. 36. Поверхность антигоритовой пластинки под электронным микроскопом; хорошо видна волнистость поверхности пластинки (фото А. И. Горшкова)

Таким образом, среди серпентиновых минералов (или иначе "в группе серпентина") выделяются три различных по микростроению разновидности, которые имеют разные названия: а) трубчатая - хризотил, б) гофрированная - антигорит и в) плоская - лизардит. Все они имеют примерно одинаковый химический состав, который можно изобразить формулой H₄Mg₃Si₂O₈.

Структурные различия серпентиновых минералов возникают в результате различных условий их кристаллизации; в результате по минеральному типу серпентина можно судить об условиях, которые господствовали серпентинизации. Сейчас, однако, нам особенно важны условия, отчасти рассмотренные выше, в которых возникают жилки строго ориентированных кристаллов - трубочек хризотила - хризотил-асбеста.

Волокнистость роговообманкового асбеста долго оставалась неясной, да и сейчас не все понятно, однако первые соображения уже можно высказать. Еще в конце пятидесятых годов мне и работавшему тогда вместе со мной Ю. К. Андрееву пришлось внимательно изучать электронные микрофотографии роговообманкового асбеста из Казахстана. Почти всегда асбестовые волокна представляли собой совершенно ровные нитки, которые могли возникать и в результате распада по спайности и в результате прямой кристаллизации кристаллических иголок. И только на одной фотографии нам удалось разглядеть на конце одной из ниток косую боковую грань. Если "обрыв" нити перпендикулярно к ее длине может быть объяснен разрывом по спайности, появление косой ровной грани этим не объяснить. Это могла быть только грань, образовавшаяся в процессе роста иголки-кристалла. На этом основании мы тогда же написали, что роговообманковые асбесты Казахстана нельзя рассматривать как "асбесты спайности" и что они, скорее всего, являются "асбестами вращения" - т. е. иголочками минерала, кристаллизовавшимися в разных направлениях.

Впоследствии, уже в семидесятых годах, когда мы совместно с Л. К. Ангиной изучали Сысертские асбестовые месторождения, причину их волокнистости открыл нам обычный оптический микроскоп. Удалось обнаружить, что центр каждого антофиллитового кристалла сложен бруском единого кристалла с характерной поперечной отдельностью. По краям и в особенности на концах кристалл разделяется на многие тончайшие волокна, по форме напоминающие конский хвост. Волокна представляют собой продолжение кристалла и образуются в результате быстрого роста его отдельных участков (см. рис. 32).

Причина появления волокон на краях единого кристалла стала ясна тогда, когда начались экспериментальные исследования по синтезу роговообманкового асбеста. Такие работы ведутся в Институте силикатов в Ленинграде и в Новосибирске в Институте геологии и геофизики. С нашей точки зрения, наиболее интересными являются работы новосибирцев, которые показали, что при высоких температурах, около точки плавления, кристаллизуются толстопластинчатые кристаллы, Однако по мере снижения температуры кристаллизации начинают образовываться все более и более игольчатые кристаллы. Новосибирцы даже показали область, где возможно получение волокнистых асбестовидных кристаллов (рис. 37). Эта область относится к самым низким температурам образования кристаллов роговой обманки.

Рис. 37. Условия образования волокнистых разностей амфиболов. Линии с различными значками - верхние границы области кристаллизации амфиболов; в их пределах образуются столбчатые кристаллы; заштрихованная область - р и t-условия, при которых экспериментально получены волокнистые амфиболы (амфибол-асбесты)

Сопоставляя данные эксперимента и описанные выше наблюдения в природе, можно предполагать, что вначале антофиллит кристаллизовался при высоких температурах и образовывал брусковидные кристаллы; позднее, когда температура контактного поля снизилась, устойчивыми стали тонковолокнистые кристаллы, которыми и продолжался рост единого кристалла; образовался тот "веник" волокон, о котором говорилось выше. С кристаллизацией волокон в условиях относительно низких температур согласуется также и то, что в промежутках между волокнами антофиллита кристаллизуется тальк - минерал, образующий следующую за антофиллитом более низкотемпературную зону.

Особенности образования роговообманкового асбеста указывают на то, что наиболее перспективны на асбест зоны кристаллизации антофиллита при самых низких температурах.

В заключение отметим, что роговообманковые асбесты довольно близки к предполагавшимся ранее "асбестам вращения", но все же резко от них отличны, поскольку развиваются за счет единого кристалла, образуя "конский хвост" из одинаково ориентированных волокон. Если получить от такого пучка волокон рентгенограмму, она будет иметь характер рентгенограммы одинаково ориентированных кристаллов, а не группы кристаллов, повернутых в разных направлениях.

Может быть это и было причиной того, что рентгеновские исследования до сих пор не давали нам ответа о природе волокнистости амфибол-асбестов.