辉石矿物的反相晶畴结构

6.4.1　辉石矿物的反相晶畴结构

1．易变辉石

用X射线研究不同产状的易变辉石时就可以发现，火山岩易变辉石为h+ k奇数的衍射点比h+ k为偶数的衍射点宽，在急速冷却环境下生成的样品更是如此。衍射点的变化是由样品中存在的反相晶畴结构引起的。

为了弄清易变辉石反相晶畴的生成机理，需先了解其结构的特征。在易变辉石单位晶胞中沿c轴方向有4条硅氧四面体链，每两条是等价的(A链和B链)，二者仅在联结方向上有所不同。八面体位置以大半径的Ca充填M₂位，因而在钙附近类似于透辉石结构; M₁位的铁(或Mg)附近则近似于斜铁辉石结构。易变辉石的结构则可以认为是它们在空间上的平均。

根据以上结构特征，可以定量地说明为h+ k奇数衍射的加宽原因，这时易变辉石沿c轴方向存在柱状晶畴结构，相邻晶畴以(a+ b)/2位移而呈反相位关系。当为C格子时，所有硅氧四面体等同而不会出现h+ k奇数的衍射，如果A链(以“U”表示)和B链(以“V”表示)交互排列则形成P格子，从而使h+ k为偶数，奇数的衍射点出现。如图6.21所示。图6.22是成分为W_0－4 En_46－48 Fs_48－50的易变辉石的反相晶畴的透射电子显微镜暗场像。

(a)高温状态下的C格子;(b)低温状态下的P格子;(c)含反相晶畴的P格子(直线表示反相晶畴边界)

图6.21　易变辉石反相晶畴生成示意图

根据衍射点的加宽程度可以计算晶畴的平均大小，而晶畴大小又可以作为冷却速率的粗力量标志。一般来说，快速冷却形成的反相晶畴较缓慢冷却形成的小。而有人做过实验，在急速冷却和缓慢冷却下，均可形成大的反相晶畴，而在中等冷却速率条件形成的晶畴则相对较小。因此，易变辉石反相晶畴的大小和形态与冷却时间之间存在着很复杂的函数关系。这也提醒人们，在使用反相晶畴与冷却速率关系时必须依据可靠的实验数据，且必须与实际的地质环境相结合。

易变辉石反相晶畴的形成与高温下的C2/c空间群向低温相的P2₁/c空间群转变有关。随着温度的下降形成了具有原始格子的晶核，并逐渐扩大成晶畴。如果晶核间的边界部位结构连续时，则变成一个晶畴;而当晶畴间具(a+ b)/2的位相差时，边界部位则停止生长，使反相晶畴得以保存。在相同链排列形成的局部结构部位，即反相晶畴边界，有利于钙的充填，因而也固定了晶畴边界(见图6.22和图6.23)。

图6.22　易变辉石反相晶畴的高分辨率暗场像(据C.T.Prewitt，1980)

图6.23　绿辉石反相晶畴的高分辨率暗场像(据Champness，1973)

研究证明，火山岩中易变辉石反相晶畴的形成经历了以下过程:先析晶出C格子晶体;随着温度的下降，C2/c空间群相不稳定而形成P2₁/c空间群晶核; P2₁/c空间群相的粗化使部分Ca向未能相变部分迁移、聚集; Ca在界面上富集形成透辉石结构，作为反相边界而保留下来。

2．绿辉石

绿辉石是成分介于透辉石和硬玉之间的单链状结构硅酸盐，在很多绿辉石中也可见到反相晶畴结构。

根据A.Mottana，G.Rossi和J.R.Clark的研究发现，成分为Na_0.5 Ca_0.5 Al_0.5(Mg，Fe)_0.5 Si₂O₆(即硬玉50%，透辉石50%)的绿辉石可以在高温下形成C2/c空间群结构，晶胞参数a∶b∶c=1.832∶1.674∶1，β= 106.598;低温下形成P2/n空间群结构，晶胞参数a∶b∶c= 1.823∶1.669∶1，β= 106.89，见图6.24，两者间的主要区别是八面体阳离子的有序。因而在高温下Ca、Na在M₂位无序排列，Mg、Al在M₁位无序排列;而在低温下，Ca、Na则在两种不同的M₂位有序，Mg、Al在两种M₁有序。

图6.24　绿辉石在不同温度下的晶体结构

与P₂₁/c空间群辉石类似，P2/n空间群绿辉石反相晶畴的位移矢量也为(a+ b)/2，但绿辉石C格子向P格子转变的有序反应非常缓慢。

易变辉石和绿辉石中反相晶畴的性质及冷却行为不尽一致，这主要是由于在生成反相晶畴反应的机理上不同所致。在P₂₁/c空间群辉石中，反相晶畴由位移变化而产生，而绿辉石晶畴则是通过阳离子扩散的有序反应产生的。由于缺乏由钙的分凝形成的反相边界的针状物，因此易变辉石晶畴边界可以很快移动，因为这个运动仅需原子位移的镜面调节即可实现;而绿辉石反相边界的移动则需在较低温下八面体阳离子的扩散实现，所以晶畴的粗化是一个很缓慢的过程，这就是为什么仅在变质岩的绿辉石中见到反相晶畴的原因。经常辉石晶畴的粗化除与易变辉石相同、其晶畴是均匀增大外，还有非均匀生长的情况，其表现为单个晶畴生长，小的晶畴消失。从形态上来说，绿辉石晶畴边界较为平滑，这可能与绿辉石中晶畴生长机理或反相边界有关的界面能有关。