Modifikace Al[2]SiO[5] a příbuzné minerály Prof. RNDr. Milan Novák, CSc. 1. Úvod Velmi významná skupina horninotvorných minerálů, které se vyskytují v různých typech Al-bohatých hornin. Zahrnuje tři minerály: Sillimanit Al^6 Al^4 O SiO[4] Andalusit Al^6 Al^5 O SiO[4] Kyanit Al^6 Al^6 O SiO[4] 2. Fyzikální vlatnosti Sillimanit rombický Pbnm, 2/m2/m2/m. Andalusit rombický Pnnm, 2/m2/m2/m Kyanit triklinický C1, 1 Sillimanit a 7.486, b 7.657, c 5.7729 AA, V 331.6 AA^3, Z 4 Andalusit a 7.795, b 7.896, c 5.558 AA, V 342.1 AA^3, Z 4 Kyanit a 7.112, b 7.844, c 5.574 AA, α 88.9, β 101.1, γ 105.9, V 292.9 AA^3, Z 4 Vzhled, barva a optické vlastnosti: Sillimanit – jehlicovité až vláknité, méně často i drobně až hrubě zrnité agregáty nebo sloupcovité krystaly, velikost až do několik dm šedá, bílá, žlutá, hnědá, bezbarvý Andalusit - sloupcovité krystaly, jehlicovité, drobně až hrubě zrnité agregáty, velikost až do velikosti 1 m růžová, červenohnědá, bílá šedá, zelená, modrá, někdy je pleochroický Kyanit - sloupcovité až tabulkovité krystaly, drobně až hrubě zrnité agregáty, velikost až několik dm modrá, šedá, bezbarvý, vysoký index lomu Variety: viridin – zelený Mn-andalusit, chiastolit – andalusit se sektoriální zonálností z kontaktních rohovců, fibrolit – jehlicovitý sillimanit 3. Krystalová struktura Obr. 1. Krystalová struktura sillimanitu, andalusitu a kyanitu I Obr. 2. Krystalová struktura sillimanitu, andalusitu a kyanitu II 4. Chemické složení: minoritní a stopové prvky Sillimanit Al^6 Al^4 O SiO[4] B^3+, Mg, Fe^3+, Al, H Andalusit Al^6 Al^5 O SiO[4] Mn^3+, Fe^3+, Cr^3+, H Kyanit Al^6 Al^6 O SiO[4] Cr^3+, V^3+, Fe^3+, H Většinou jsou blízké koncovému členu, některé stopové až minoritní prvky jsou uvedeny výše. Pouze Mn^3+ a v menší míře také Fe^3+ v andalusitu dosahují významných koncentrací a existuje Mn^3+ analog andalusitu - kanonait. Vysoké obsahy Al v sillimanitu vedou ke vzniku mullitu. Andalusit-kanonait – Mn^3+ - téměř úplná mísitelnost. Sillimanit-mullit – Al - existuje pole nemísitelnosti. Sillimanit-boralsilit – B - mísitelnost existuje, ale její rozsah není znám Minoritní prvky většinou vstupují do obou pozicí obsazovaných Al, většinou ale více do oktaedrické pozice (např. Mn^3+ v Mn-andalusitu), B vstupuje do pozice T. 5. Petrologický význam jednotlivých modifikací Al[2]SiO[5] a příbuzných minerálů Typy výskytu: Sillimanit – regionálně metamorfované horniny středního až vyššího stupně, migmatity Andalusit – kontaktně metamorfované horniny, granity, pegmatity Kyanit – regionálně metamorfované horniny středního až vyššího stupně, granulity Obr. 3. Trojný bod - Al[2]SiO[5]. a) Holdaway 1971 b) Robie a Hemingway 1984 c) Holland a Powell 1985 d) Pattison 1989 Z obrázků je zřejmé, že pozice trojného bodu zůstává stále diskutabilní. V dnešní době je nejvíce uznáván trojný pod podle Holdaway (1971) popř. podle Pattison (1989). Především pozice univariantní křivky reakce andalusit=sillimanit je nejistá. Problém fibrolitu Jehlicovitý sillimanit-fibrolit je mnohem hojnější než prismatický sillimanit. Jeho pole stability velmi pravděpodobně zasahuje do pole andalusitu v trojných diagramech. Obr. 4. Fázové vztahy v systému Al-Si-O-H za vysokých teplot + korund, mullit Obr. 5. Fázové vztahy v systému Al-Si-O-H za nízkých teplot + korund, diaspor, pyrofylit, kaolinit 6. Další příbuzné minerály Kanonaite Mn^3+ Al O SiO[4 ]rombický, Pnnm, 2/m2/m2/m, a 7.959, b 8.047, c 5.616 AA, V 359.6 AA^3, Z 4 Vzhled, barva, optické vlastnosti a výskyt: sloupcovité krystaly, drobně až hrubě zrnité agregáty, velikost do několika mm, tmavě zelená, velmi výrazný pleochroismus v barvách zelená až červenohnědá, velmi vzácný minerál v Mn-bohatých horninách. Obr. 6. Pole stability Al-Mn andalusitu Mullit Al[4+2x]Si[2-2x]O[10-x ]rombický, Pbam, 2/m2/m2/m, a 7.5416, b 7.6942, c 2.8875 AA, V 167.5 AA^3, Z 2, Vzhled, barva a výskyt: velmi jemné jehlicovité agregáty, bezbarvé až šedé, většinou mikroskopické v horninách vzniklých při kontaktní metamorfóze za velmi vysokých teplot. Obr. 7. Pole stability mullitu Boralsilit Al[16]B[6]Si[2]O[37 ]rombický Vzhled, barva a výskyt: vzácný, většinou jen mikroskopický, velmi podobný sillimanitu, Al,B-bohatých horninách. Staurolit Typický horninotvorný minerál svorů a rul, výjimečně se objevuje v peraluminických granitech, popř. pegmatitech, typický těžký minerál vzhledem ke svojí mechanické a chemické odolnosti a hustotě. Fyzikální vlastnosti: Barva: hnědá, černohnědá až žlutá v různých odstínech pleochroický: bezbarvý až žlutý Indexy lomu: a 1.736-1.747, b 1.742-1.753, g 1.748-1.761, Hustota: 3.74-3.83 Tvrdost: 7-71/2 Tvar: sloupcovité krystaly a jejich prorostlice Struktura: Obr. 1-1. Struktura staurolitu str 172. monoklinický (pseudorombický) b = 90,00 – 90,64 ° Staurolit je možno považovat za člen řady - plně uspořádaný monoklinický až plně neuspořádaný rombický Krystalová chemie: Obecný vzorec A[4]B[4]C[18]D[4]T[8]O[40]X[8 ] A = Fe^2+, Mg,  ( > 2) M(4A),M(4B) B = Fe^2+, Zn, Co, Mg, Li, Al, Fe^3+, Mn,  T(2) C = Al, Fe^3+, Cr,V,Mg,Ti M(1A),M(1B),M(2) D = Al,Mg,  ( > 2) M(3A), M(3B) T = Si, Al T(1) X = OH,F,O O(1A), O(1B) složení teoretických koncových členů A B C D T O X [4] Fe^2+[4]^ Al[16] Al[2][2] Si[8 ] O[40 ] (OH)[2]O[6 ][2]Fe^2+[2 ] [4]^ Al[16] Al[2][2] Si[8 ] O[40 ] (OH)[6]O[2 ][4] Fe^2+[4]^ Al[16] [4] Si[8 ] O[40 ] (OH)[8 ][4] Fe^2+[4]^ Al[16 ] Al[2][2] Si[4]Al[4 ] O[40 ] (OH)[6]O[2 ][4] Fe^2+[4]^ Al[12]Mg[4 ] Al[2][2] Si[8 ] O[40 ] (OH)[6]O[2 ][4] Li[4]^ Al[16] Al[2][2] Si[8 ] O[40 ] (OH)[6]O[2 ] Typické substituce: homovalentní substituce: Zn- Fe^2+, Co- Fe^2+, Mg- Fe^2+ heterovalentní substituce: Fe[2](OH)[2](Fe[2]O[2])[-1 ][2](OH)[6](Al[2]O[6])[-1 ]Al(OH)(SiO)[-1 ]Mg(OH)(AlO)[-1 ]Li(OH)(FeO)[-1 ] Tab. 1-1. str 611 Obr. 1-2. str 613 typické substituce v přírodních staurolitech: Fe[2](OH)[2](Fe[2]O[2])[-1 ]Li(OH)(FeO)[-1 ]MgAl(OH)[2](SiAlO[2])[-1 ] koncentrace jednotlivých kationtů apfu Si 7,09-8,09 Al 16,56-19.91 Mn 0-0,15 Cr 0-0,45 Fe 1,86-3,66 (0,16) Mg 0-1,44 (3,01) Co 0-1,94 Ni 0-0,20 Zn 0-1,54 (2,13) Ti 0-0,17 (0,34) Li 0-1,57 H 2,68-4,18 V přírodě existují staurolity s vysokým obsahem Zn, Co, Li, výjimečně Mg. Do krystalové struktury staurolitu jsou přednostně vázány některé prvky (Fe, Li, Zn). Výpočet chemického vzorce: 1. Při stanovení všech důležitých prvků včetně Li a H[2]O – na 48 (O,OH,F) 2. Při běžných výsledcích z mikrosondy – na 46.5 O (H= 3.0 apfu). Typické znaky chemismu přírodních staurolitů: vysoký obsah Fe: pokles X[Mg ]metapelity středního stupně turmalín > cordierit > chlorit > biotit > staurolit > granát pravděpodobně časté minoritní obsahy Li: pokles X[Li ]metapelity středního stupně staurolit > cordierit > biotit > muskovit > granat, turmalín, chloritoid často zvýšený obsah Zn: Poměr Zn/Fe ve staurolitu je 10x až 100x vyšší než v asociujících minerálech (granát, biotit, chlorit). Safirín (Mg,Fe^2+,Fe^3+,Al)[8]O[2] (Al,Si)[6] O[18] monoklinický, space group P2[1]/m Poměrně vzácný horninotvorný minerál v horninách vysokého stupně metamorfózy (granulitová až amfibolitová facie). vyskytuje se především v Al-bohatých a Si-chudých horninách spolu se spinelem, granátem, sillimanitem, kyanitem, korundem, ortopyroxenem a cordieritem. Fyzikální vlastnosti: Barva: světle zelená až modrá, šedá pleochroický: bezbarvá, růžová, světle zelená, světle žlutá Indexy lomu: a 1.701-1.726, b 1.703-1.728, g 1.705-1.73415, Hustota: 3.40-3.58 g/cm^3 Tvrdost: 71/2 Tvar: nepravidelná zrna Typická substituce MgSi Al[-2 ] Yoderit Mg[2](Al,Fe^3+)[6]Si[4]O[18] (OH)[2] monoklinický, space group P2[1]/m, class 2/m. Velmi vzácný horninotvorný minerál, známý dosud pouze z křemene-kyanite-mastkových břidlic (~ 10 kbar, ~ 800 ^o C). Doprovázející minerály chlorit, hematit a dravit. Yoderit je indikátorem vysoké fO[2] ve velkých hloubkách zemské kůry. Fyzikální vlastnosti: Barva: tmavě fialový až smaragdově zelený pleochroický: světle modrá, zelená, světle žlutá Indexy lomu: a 1.689, b 1.691, g 1.715, Hustota: 3.39 g/cm^3 Tvrdost: 6 Tvar: protáhlá zrna •Další Al-bohaté minerály: Kornerupin (Mg,Fe) (Al,Mg,Fe)9 (Si,Al,B)3 (O,OH,F)22 Grandidierit (Mg,Fe) Al3O2 (BO3)SiO4 Werdingit (Mg,Fe)2 Al12 (Al,Fe)2 Si4 (B,Al)4 O37 Vyskytují se ve vysoce metamorfovaných horninách bohatých Al a někdy také B. Většinou se vyznačují výrazným pleochroismem.