2. Ангидрит и гипс

Оба эти минерала по физическим и химическим свойствам стоят особняком среди безводных и водных сульфатов, но тесно связаны друг с другом по условиям нахождения и образования. Поэтому мы опишем их вместе.

Легко получающийся искусственным путем так называемый полугидрат кальция в природных условиях с полной определенностью пока не установлен.

Ангидрит - CaSO₄. Название минерала ("безводный") указывает на отсутствие в нем воды, в отличие от гипса.

Рис. 236. Кристаллическая решетка ангидрита

Химический состав. СаО 41,2%, SO₃ 58,8%. В виде примеси довольно часто содержит стронций.

Рис. 237. Положение в кристаллической решетке ангидрита ионов серы и кальция. Залитые кружочки ионов кальция отвечают тем ионам кальция, которые видны на рис. 238

Сингония ромбическая; ромбо-дипирамидальный в. с. 3L²3PC. Кристаллическая решетка ангидрита изображена на рис. 236 и 237, а модель структуры - на рис. 238. Ионы S⁶⁺ располагаются в центрах тетраэдрических групп О^2-, а каждый ион Са²⁺ находится в восьмерном окружении ионов кислорода. Характерно, что размеры b и с в элементарной ячейке почти совершенно одинаковы. Однако структура не может считаться псевдотетрагональной по оси а, так как расположение ионов на плоскости (001) - слева на рис. 237 - и на плоскости (010)-ближе к наблюдателю - не одинаково. Грань (001) центрирована, в то время как на грани (010) ионы Са²⁺ и [SO₄]^2- не образуют горизонтальных рядов. Облик кристаллов толстотаблитчатый или призматический (рис. 239). Грани часто исштрихованы параллельно осям а и b. Хорошо образованные кристаллы редки. Агрегаты. Обычно наблюдается в сплошных зернистых массах, иногда в шестоватых агрегатах.

Рис. 238. Модель кристаллической структуры ангидрита в ориентировке, показанной на рис. 237

Цвет ангидрита белый, часто с голубым, сероватым, иногда красноватым оттенком. Встречаются бесцветные прозрачные кристаллы. Блеск стеклянный, на плоскостях спайности {001} - перламутровый отлив. Особенно он проявляется при нагревании образцов. Ng=1,614, Nm= 1,576 и Np=l,571.

Рис. 239. Кристалл ангидрита

Твердость 3-3,5. Спайность по {001} совершенная, по {010} и {100} средняя. По этим трем взаимно перпендикулярным направлениям из кристаллов довольно легко получаются кубические выколки. Уд. вес 2,8-3,0 (для прозрачных разностей 2,96). Прочие свойства. В присутствии воды при атмосферном давлении постепенно переходит в гипс, сильно увеличиваясь в объеме (до 30%). С увеличением внешнего давления этот переход затрудняется.

Диагностические признаки. От других сульфатов рассматриваемой группы ангидрит отличается наименьшим удельным весом и направлениями плоскостей спайности, а также оптическими свойствами (особенно по двупреломлению). От мраморизованных масс карбонатов (кальцита, доломита, магнезита) отличается тем, что не выделяет СO₂ при действии кислот. От гипса отличается по твердости (не царапается ногтем).

П. п. тр. плавится в белую эмаль, окрашивая пламя в красновато-желтый цвет. С содой не плавится и не впитывается углем (отличие от барита), однако разлагается и дает серную печень, чернящую серебряную пластинку. В порошкообразном состоянии растворим в H₂SO₄. При этом, в отличие от безводных сульфатов Ba, Sr и Pb, раствор от умеренного прибавления воды не мутится. В HCl растворим слабо.

Происхождение. Огромные массы ангидрита встречаются в осадочных толщах горных пород. Как продукт химических осадков в лагунных и отмирающих морских бассейнах ангидрит почти постоянно сопровождается гипсом, в который он сравнительно легко переходит при выходе ангидритовых пластов на поверхность. Установлено, что этот переход, по данным многочисленных буровых скважин и горных выработок, имеет место до глубины 100-150 м от поверхности (ниже следуют ангидритовые массы). Очевидно, на значительных глубинах давление вышележащих горных пород настолько велико, что не может происходить увеличение объема горной массы, сопровождающее превращение ангидрита в водный сульфат - гипс.

Очень часто ангидрит встречается в соляных месторождениях как в виде отдельных кристаллов, так и в виде пластов и пропластков, иногда необычайно тонких (толщиной в бумажный лист), переслаивающихся с галитом, сильвином, карналлитом и др.

Сравнительно редко он наблюдается в некоторых жильных гидротермальных и изредка в контактово-метасоматических месторождениях. Следует также указать на находки ангидрита в пустотах среди лав в районах вулканической деятельности.

Весьма вероятно, что мощные ангидритовые толщи, устанавливаемые в гипсоносных районах, произошли путем обезвоживания под большим давлением вышележащих пород первоначально отложившихся в соленосных бассейнах толщ гипса. Однако в более глубинных метаморфических породах ангидрит, как и другие сульфаты, отсутствует вообще.

Практическое значение. Ангидрит, так же как и гипс, используется главным образом в производстве вяжущих веществ (цементов). Плотные тонкокристаллические разности, кроме того, употребляются для всевозможных поделок.

Месторождения. Крупные залежи ангидрита на глубине распространены в гипсоносных толщах пермского возраста вдоль всего Западного Приуралья, в Архангельской, Вологодской, Куйбышевской, Горьковской областях, в Донбассе и других местах.

Гипс - CaSO4•2H2O. "Гипс" - старое греческое название минерала.

Химический состав. CaO 32,5%, SO₃ 46,6%, H₂O 20,9%. Обычно чист. В виде механических примесей устанавливаются: глинистое вещество, органические вещества (пахучий гипс), включения песчинок, иногда сульфидов и др.

Рис. 240. Проекция кристаллической решетки гипса на плоскость, перпендикулярную оси с. Пунктирные линии - направления спайности

Сингония моноклинная; призматический в. с. L²PC Кристаллическая структура. Согласно данным рентгенометрии, отчетливо выступает слоистая структура этого минерала. Два листа анионных групп [SO4]^2-, тесно связанные с ионами Ca² (рис. 240), слагают двойные слои, ориентированные вдоль плоскости (010). На рисунке эти слои располагаются перпендикулярно к плоскости чертежа и следуют в вертикальном направлении (пограничные линии показаны пунктиром). Молекулы H₂O занимают места между указанными двойными слоями. Этим легко объясняется весьма совершенная спайность, столь характерная для гипса. Каждый ион кальция окружен шестью кислородными ионами, принадлежащими к группам SO₄, и двумя молекулами воды. Каждая молекула воды связывает ион Ca с одним ионом кислорода в том же двойном слое и с другим ионом кислорода в соседнем слое (см. рис. 240).

Рис. 241. Пластинчатый кристалл гипса b{010}, l{111}, m{110)

Облик кристаллов.Кристаллы благодаря преимущественному развитию граней {010} имеют таблитчатый (рис. 241), редко столбчатый или призматический облик. Из призм наиболее часто встречаются {110} и {111}, иногда {120} и др. Грани {110} и {010} часто обладают вертикальной штриховкой. Двойники срастания часты и бывают двух типов: 1) галльские по (100) и 2) парижские по (101). Отличить их друг от друга не всегда легко. Те и другие напоминают собой ласточкин хвост (рис.242). Галльские двойники (рис. 243) характеризуются тем, что ребра призмы m {110} располагаются параллельно двойниковой плоскости, а ребра призмы l {111} образуют входящий угол, в то время как в парижских двойниках ребра призмы l {111} параллельны двойниковому шву (рис. 244). Агрегаты. В пустотах встречается в виде друз кристаллов. Обычны плотные тонкокристаллические агрегаты. В трещинах иногда наблюдаются асбестовидные параллельноволокнистые массы гипса с шелковистым блеском и расположением волокон перпендикулярно к стенкам трещин. На Урале такой гипс называют селенитом.

Рис. 242. 'Ласточкин хвост' - прозрачный двойник гипса

В тех случаях, когда гипс кристаллизуется в рыхлых песчаных массах, он в своей среде содержит множество захваченных песчинок, отчетливо заметных на плоскостях спайности крупных кристаллических индивидов (так называемый репетекский гипс).

Рис. 243. Галльский двойник срастания по (100). m {110}, l{111}, b {010}

Цвет гипса белый. Отдельные кристаллы часто водяно-прозрачны и бесцветны. Бывает окрашен также в серый, медово-желтый, красный, бурый и черный цвета (в зависимости от цвета захваченных при кристаллизации примесей). Блеск стеклянный, на плоскостях спайности-перламутровый отлив. Ng = 1,530, Nm = 1,528 и Np = 1,520.

Рис. 244. Парижский двойник срастания по (101) l {111}, b {010}, е {103}

Твердость 1,5 (чертится ногтем). Весьма хрупок. Спайность по {010} весьма совершенная. Уд. вес 2,3. Прочие свойства. Обладает заметной растворимостью в воде. Замечательной особенностью гипса является то обстоятельство, что растворимость его при повышении температуры достигает максимума при 37-38°, а затем довольно быстро падает (рис. 245). Наибольшее снижение растворимости устанавливается при температурах свыше 107° вследствие образования "полугидрата"-CaSO₄ • 1/2H₂O.

Рис. 245. Зависимость растворимости гипса от температуры

При нагревании в условиях атмосферного внешнего давления, как показывают термограммы, гипс начинает терять воду при 80-90°, и при температурах 120- 140° полностью переходит в полугидрат, так называемый модельный или штукатурный гипс (алебастр). Этот полугидрат, замешанный с водой в полужидкое тесто, вскоре твердеет, расширяясь и выделяя тепло.

Диагностические признаки. Для кристаллического гипса весьма характерны совершенная спайность в одном направлении и низкая твердость (царапается ногтем). Плотные мраморовидные агрегаты и волокнистые массы узнаются также по низкой твердости и отсутствию выделения пузырьков CO₂ при смачивании HCl.

П. п. тр. теряет воду, расщепляется и сплавляется в белую эмаль. На угле в восстановительном пламени дает CaS. В воде, подкисленной H₂SO₄, растворяется гораздо лучше, чем в чистой. Однако при концентрации H₂SO₄ свыше 75 г/л растворимость резко падает. В HCl растворим очень мало.

Происхождение. Гипс в природных условиях образуется различными путями.

В значительных массах он отлагается осадочным путем в озерных и морских соленосных отмирающих бассейнах. При этом гипс наряду с NaCl может выделяться лишь в начальных стадиях испарения, когда концентрация других растворенных солей еще не высока. При достижении некоторого определенного значения концентрации солей, в частности NaCl и особенно MgCl₂, вместо гипса будут кристаллизоваться ангидрит и затем уже другие, более растворимые соли. Следовательно, гипс в этих бассейнах должен принадлежать к числу более ранних химических осадков. И действительно, во многих соляных месторождениях пласты гипса (а также ангидрита), переслаиваясь с пластами каменной соли, располагаются в нижних частях залежей и в ряде случаев подстилаются лишь химически осажденными известняками.

Весьма значительные массы гипса возникают в результате гидратации ангидрита в осадочных отложениях под влиянием действия поверхностных вод в условиях пониженного внешнего давления (в среднем до глубины 100-150м) по реакции: CaSO₄ + 2H₂O=CaSO₄•2H₂О. При этом происходят сильное увеличение объема (до 30%) и, в связи с этим, многочисленные и сложные местные нарушения в условиях залегания гипсоносных толщ. Таким путем возникло большинство крупных месторождений гипса на земном шаре. В пустотах среди сплошных гипсовых масс иногда встречаются гнезда крупнокристаллических, нередко прозрачных кристаллов ("шпатоватый гипс").

В полупустынных и пустынных местностях гипс очень часто встречается в виде прожилков и желваков в коре выветривания самых различных по составу горных пород. Нередко образуется также на известняках под действием на них вод, обогащенных серной кислотой или растворенными сульфатами. Встречается, наконец, в зонах окисления сульфидных месторождений, но не в столь больших количествах, как этого можно было бы ожидать. Дело в том, что в подавляющем большинстве случаев в сульфидных рудах в том или ином количестве присутствуют пирит или пирротин, окисление которых (особенно первого) существенно увеличивает содержание серной кислоты в поверхностных водах. Подкисленные же серной кислотой воды значительно увеличивают растворимость гипса. Поэтому в ряде месторождений гипс более обычен в верхних частях зон первичных руд, где он в трещинах встречается вместе с другими сульфатами.

Сравнительно редко гипс встречается как типичный гидротермальный минерал в сульфидных месторождениях, образовавшихся в условиях низких давлений и температур. В этих месторождениях он иногда наблюдается в виде крупных кристаллов в пустотах и содержит включения халькопирита, пирита, сфалерита и других минералов.

Псевдоморфозы по гипсу кальцита, арагонита, малахита, кварца и других минералов многократно устанавливались, так же как и псевдоморфозы гипса по другим минералам.

Практическое значение гипса велико, особенно в строительном деле.

1. Модельный или лепной (полуобожженный) гипс применяется для получения отливок, гипсовых слепков, лепных украшений карнизов, штукатурки потолков и стен, в хирургии, бумажном производстве при выделке плотных белых сортов бумаги и пр. В строительном деле он употребляется как цемент при кирпичной и каменной кладке, для набивных полов, изготовления кирпичей, плит для подоконников, лестниц и т. п.
2. Сырой (природный) гипс находит применение главным образом в цементной промышленности в качестве добавки к портланд-цементу, как материал для ваяния статуй, различных поделок (особенно уральский селенит), в производстве красок, эмали, глазури, при металлургической переработке окисленных никелевых руд и др.

Месторождения. Осадочные месторождения гипса распространены по всему земному шару и приурочены к отложениям различного возраста. На перечислении их останавливаться не будем. Укажем лишь, что на территории СССР мощные гипсоносные толщи пермского возраста распространены по Западному Приуралью, в Башкирской и Татарской АССР, Архангельской, Вологодской, Горьковской и других областях. Многочисленные месторождения верхнеюрского возраста устанавливаются на Северном Кавказе, в Дагестане, Туркмении, Таджикистане, Узбекистане и др.