Общие сведения: Химический состав ZnS (редко чистый); часть цинка постоянно изоморфно замещается железом, часто марганцем, кадмием, в подчиненных количествах барием, индием, таллием и ртутью. Другие элементы, определяемые в химических анализах сфалерита, связаны со случайными или, как медь и олово, генетически важными примесями.
Наросшие кристаллы встречаются относительно редко, большей частью сплошные массы с самым различным размером зерен.
Распространение сфалерита
Кристаллическая структура; сфалеритовый тип, а0=5,39, Z=4, спайность по (110) весьма отчетливая. Тв. 3,5; уд. вес (чистого) 4,08. Цвет в проходящем свете почти бесцветный до темно-коричневого. Показатель преломления (в натриевом свете для чистых разностей) 2,369, уменьшается по мере увеличения содержания железа. Алмазный блеск; белый до совершенно черного, чаще коричневый, иногда зеленый и красноватый.
Поведение при полировании. Мелкозернистые агрегаты чистого сфалерита легко подвергаются хорошей полировке, грубозернистые же агрегаты благодаря выкалыванию представляют определенные трудности, особенно если приходится иметь дело с материалом, подвергавшимся механическим напряжениям. Удивительно, что на полировальной машине и на смоляном круге сфалерит шлифуется довольно плохо. Спайность || (110) в грубозернистых образцах наблюдается даже в наилучших шлифах, в то время как в тонкозернистых она почти не видна. Относительный рельеф средний; сфалерит мягче пирротина, магнетита, ильменита и почти всех дисульфидов, тверже халькопирита, станнина, блеклой руды, а также энаргита. Твердость отдельных зерен заметно различна в зависимости от положения сечения. Двойниковые пластинки часто можно обнаружить уже благодаря различиям в рельефе. Чрезвычайно широкое распространение сфалерита позволяет использовать его как сравнительный эталон для определения твердости других минералов, хотя метод световой полоски может легко привести к ошибкам, поскольку в одном из сравниваемых рудных минералов наблюдаются внутренние рефлексы.
Поведение в отраженном свете. Сфалерит обладает очень низкой отражательной способностью, цвет его зависит от интенсивности освещения, светло-серый, с очень нежным синим, а в определенных условиях коричневым оттенком. Отражательная способность самая низкая среди более часто встречающихся сульфидных минералов. По мере увеличения содержания железа увеличивается показатель абсорбции, что приводит к повышению отражательной способности; в полированных шлифах это явление можно наблюдать лишь там, где прожилки позднего совсем бедного железом сфалерита пересекают сфалерит, очень богатый железом.
Изотропный; в скрещенных николях наблюдается полная темнота, если не мешают внутренние рефлексы. У некоторых очень богатых железом образцов наблюдалась несомненная отчетливая анизотропия. Сильная (псевдо-) анизотропия отмечается у некоторых сфалеритов, содержащих весьма тонкозернистые, частично субмикроскопические продукты распада, находящиеся в парагенезисе с обильным станнином.
Всегда в большом количестве; в сфалерите с невысоким содержанием железа они белые, в иных случаях желтые, светло-коричневые и темно-коричневые. В плохо приготовленных шлифах, в иммерсии и в скрещенных николях они особенно многочисленны. Зеленые цвета почти не встречаются; у сфалеритов, макроскопически обладающих светло-зеленым цветом, внутренние рефлексы белые.
Поведение при травлении. Диагностическое травление почти всегда излишне. Из-за довольно различного поведения, связанного с изменчивостью химического состава и положения сечения, оно может вводить в заблуждение. Положительные эффекты: от HNOs образуется слабое побурение, часто выявляется структура, концентрированная HNO, действует аналогично. Отрицательные эффекты от KCN, НС1, НС1 концентрированной, FeCl3, КОН и др.
Структурное травление достигается не совсем легко. Пары хлора и брома дают хорошее травление, но часто возникают дефекты в виде пятен; KMn04+HjS04 в течение 10—20 сек. действует весьма эффективно и большей частью отлично, но и при этом травлении иногда встречаются мешающие дефекты. Возникающий при травлении коричневатый осадок следует легко стирать мягкой тряпочкой. Хорошие, может быть еще лучшие, результаты дает также применявшийся Ван дер Вееном HI. Наилучшим реактивом является гипохлорит натрия (известный в продаже как «жавель»), прекрасно травящий в течение 5 сек. У сфалеритов с большим содержанием железа при этом возникает слабый налет бурого железняка, легко удаляемый с помощью НС1.
Физико-химические данные
Сфалерит является устойчивой модификацией ZnS для всех температур, обычно имеющих место при рудо- и породообразовании. Вюртцит становится устойчивым лишь при 1020°. Несмотря на это, вюртцит образуется очень часто наряду со сфалеритом и вместо него, часто в виде тонкого ритмического чередования, по-видимому, обычно при температурах между 50 и 100° и немного кислом растворе. Природные вюртциты с сохранением формы и структуры переходят очень часто в сфалерит.
О смесимости с FeS, CuFeS2, Cu2FeSnS4. Всегда имеется небольшое содержание ртути.
Структурные особенности и внутреннее строение зерен
Всегда присутствует в виде массовых полисинтетических пластинок, расположенных по многим направлениям; они легко наблюдаются в затравленных шлифах. Отсутствует оно или имеет весьма подчиненное значение лишь в очень мелких зернах, возникших в результате перекристаллизации. Двойниковые пластинки обладают весьма различной шириной от границ видимости до сантиметра в очень крупнозернистых агрегатах. Отдельные пластинки часто проходят не через все зерна, а прекращаются у пластинок, расположенных в другом направлении; при этом, кажется, что иногда они смещаются на некоторое расстояние, а затем продолжаются вновь. Спайность, выявляемая при травлении, часто обусловливает слабовыраженную полосчатость, косо пересекающую пластинки и одинаково проходящую во всех четных или нечетных пластинках.
Большая часть двойниковых пластинок, несомненно, образовалась уже во время роста, но многие другие обусловлены механическими напряжениями.
Кристаллическая структура сфалерита
В сфалерите могут возникать пластинчатые двойники скольжения и трансляции с направлением движения по (t); сфалерит может подвергаться значительным преобразованиям без разрыва, когда раздробление предотвращается благодаря достаточной разрядке напряжений в другом месте, как это часто бывает в месторождениях.
Зональное строение часто заметно уже невооруженным глазом; оно обусловлено частично изменением содержания железа, частично изменением скорости роста и связанного с ней количества посторонних включений и пор. В полированных шлифах может наблюдаться лишь последний случай.
Очень широко распространены деформации, связанные с упомянутым выше образованием двойников скольжения и трансляцией. В то время как, например, галенит и халькопирит значительно более податливы по отношению к давлению, сфалерит часто раздавливается и раздробляется. Если разрыв предотвращается благодаря достаточной разрядке напряжения в другом месте, то возникают изгибы, плойчатость, флексуры и др., связанные всеми переходами с явлениями катаклаза и часто дающие весьма показательные структурные рисунки в протравленных шлифах. Раздробленные или находящиеся лишь под механическим напряжением участки особенно подвержены растворению и тем самым замещению.
Распад твердых растворов. Сфалерит обладает кристаллической структурой, которая по форме и размерам близка структурам халькопирита, станнина, блеклой руды и, должно быть, также кубанита. Со всеми этими рудными минералами распространены ориентированные срастания, имеет место смесимость, по крайней мере, при повышенной температуре и в ограниченных пределах, что тем самым обусловливает возможность распада при понижении температуры. Часто бывает трудно резко разграничить распад твердых растворов и первичное ориентированное срастание.
Очень часто халькопирит расположен в сфалерите в виде выделений различной формы. Иногда это мельчайшие овальные тельца размером до разрешающей способности микроскопа, иногда таблитчатые или линзовидные образования, расположенные параллельно кристаллографическим направлениям, особенно параллельно границам двойников, или же это округлые капли переменной величины с облаковидными сгущениями, либо незакономерные неправильной формы выделения, более частые близ границ зерен. Большую часть всех этих образований следует считать продуктами распада твердого раствора, как они и рассматривались Шнейдерхёном, Ван дер Вееном, автором и др. Ван дер Веен даже предполагал, что присутствие или отсутствие этих телец халькопирита можно использовать в качестве геологического термометра. Однако при этом возникают большие трудности. Многие сфалериты, несомненно, образовавшиеся при очень высокой температуре (Болиден, Сулительма), несмотря на присутствие больших количеств халькопирита, не содержат никаких телец, другие же, для которых столь же очевидны низкие температуры образования, переполнены ими. Даже форма и распределение включений в некоторых случаях делают «распад» очень маловероятным или свидетельствуют о их сложной истории образования.
В том случае, когда охлаждение происходит очень медленно, тельца распада могут, конечно, мигрировать или соединяться в более крупные округлые или неправильной формы образования. Однако аналогичные структуры могут возникать при укрупнении первоначально весьма тонкозернистых агрегатов в результате динамических воздействий. Смешанные гели при раскристаллизации также иногда очень напоминают структуры распада, и их происхождение из гелей не всегда легко распознать, как это наблюдается в рудах Раммельсберга, согласно исследованиям автора. Весьма интересна работа Янковича.
Однако в большинстве случаев происходит распад твердых растворов. В преобладающей части высокотемпературных сфалеритов, ассоциирующих с халькопиритом, наблюдаются тельца халькопирита, а там, где они отсутствуют, исчезновение их может быть объяснено собирательной кристаллизацией, согласно геологическому положению месторождения. Тельца халькопирита занимают лишь внутреннюю часть зерна сфалерита, хотя его и окружают различные сопровождающие минералы, то речь уже не может идти о позднейшей диффузии в зерно или из него, и распад, таким образом, является бесспорным, в то время как при практически полном окружении халькопиритом всегда возможна позднейшая миграция, но в этом случае, конечно, она крайне маловероятна. В некоторых случаях, когда низкотемпературные месторождения подвергаются более позднему подогреву, можно, несомненно, доказать миграцию халькопиритовой молекулы от границ зерен, с последующим ее выделением в виде халькопиритовых телец распада. Помимо этого, при одинаковом содержании железа в рассматриваемых сфалеритах существует грубая зависимость количества растворенного и позднее распавшегося халькопирита от температуры образования. Однако при этом оказывают влияние и многие другие факторы. Так, сфалериты из жил вулканического происхождения и при низких температурах образования содержат большие количества халькопирита, что указывает на влияние давления. Тектоническое, т. е. направленное, давление может также иметь значение, по крайней мере, для начала процесса распада. В низкотемпературных гидротермальных жилах автор встретил очень бедный железом сфалерите большим количеством халькопирита, следовательно, незначительное содержание железа, по-видимому, благоприятствует растворяющей способности. Однако надежные литературные данные приводят как раз к обратному выводу, согласно которому высокое содержание железа благоприятствует растворению. Высокая концентрация серы (независимо от температуры) обусловливает появление бедных железом, т. е. прозрачных, сфалеритов, которые, однако, могут быть переполнены С u FeS, если, как, например, в пегматите из Хагендорфа, температура была высокой. Часть телец распада в некоторых высокотемпературных месторождениях, должно быть, состояла из халькопирротина. Последний может сохраняться, но значительно чаще мы его встречаем уже распавшимся на валлериит — халькопирит.
Продукты распада твердого раствора в сфалерите
Подобно халькопириту и часто в ассоциации с ним, но также и отдельно в виде продуктов распада твердого раствора в сфалерите встречаются пирротин и кубанит. Оба эти минерала находятся в определенной связи лишь в месторождениях с очень высокой температурой образования, таких, как Сент-Кристоф в Саксонии, некоторые среднешведские колчеданные залежи, Фонтана-Раминоза и др. Весьма удивительное кажущееся исключение описано ниже. Растворимость FeS в ZnS также сильно зависит от температуры образования; неоднократно наблюдалась миграция железа при более позднем повышении температуры.
Данные о растворимости FeS в ZnS приводит Эльснер; согласно Рамдору, при определенных условиях они могут быть использованы как геологические термометры (экспериментальные исследования проведены Куллерудом).
Частичный распад, при котором неравномерно пятнисто распределенные еще не распавшиеся участки могут сохраняться даже в сфалеритах с весьма обильными посторонними компонентами, наблюдался, как это ни странно, как раз в некоторых очень высокотемпературных месторождениях (например, Окуба-Майн, Суттсу, Япония). Особенности претерпевших распад и не распавшихся участков могут быть при этом различны; часто последние более хрупкие и хуже полируются. По-видимому, определенные компоненты действуют как стабилизаторы против распада.
Станнин, распределение, которого в сфалерите позволяет заключать о распаде, встречается, например, в Фрейберге, Циновце, Корнуэлле, Тасмании и Боливии.
Сам сфалерит встречается как продукт распада в станнине, борните, возможно также в блеклой руде и еще в некоторых других минералах. «Звездочки сфалерита» в халькопирите и кубаните, должно быть, не всегда представляют собой распад, а скорее места, в которых около зародышей происходила одновременная ориентированная кристаллизация.
Возрастное положение сфалерита
Структура и текстура. Форма зерен весьма изменчивая; в гомогенных агрегатах они обычно частью округло полигональные и в весьма различной степени часто сильно зазубренные. Нередко встречающиеся формы катаклаза уже упоминались. Размер зерен сильно изменяется в зависимости от геологического положения месторождения; в некоторых гидротермальных жилах содержатся индивиды, которые, не считая двойниковых пластинок, обладают одинаковой ориентировкой на протяжении нескольких дециметров, а в некоторых агрегатах, претерпевших перекристаллизацию, отдельные зерна обладают размером до нескольких микронов. Упорядочение зерен, несомненно, имеет место при некоторых процессах развальцевания таким же образом, как это описано для галенита. Реже при развальцевании возникают структурные агрегаты, в которых, как у некоторых прокатанных металлов, существует субпараллельная ориентировка, пока еще не изученная.
Особые виды срастаний
Возрастное положение сфалерита определяет очень частое замещение его другими минералами. По трещинам спайности и весьма частым трещинкам катаклаза мигрируют асцендентные и десцендентные растворы и отлагают на месте сфалерита сульфиды «более благородных» металлов. Структуры замещения часто весьма отчетливые, возможно наиболее красивые из вообще наблюдавшихся. В качестве минералов, производящих гипогенное замещение, особенно часто встречаются галенит, халькопирит, блеклая руда, реже энаргит, борнит, гипогенный халькозин и сульфосоли серебра, а кроме того, многие другие. Гипергенными, образовавшимися при вторичном сульфидном обогащении замещающими минералами являются халькозин, ковеллин и сульфосоли серебра и опять-таки галенит, халькопирит и блеклая руда. Пирит, а также в подчиненных количествах марказит местами проникают в виде гипергенных шнуровидных прожилков и в какой-то мере замещают сфалерит. Однако, как уже ранее указывал автор, не всякая «структура замещения» является следствием замещения катаклаз сфалерита, как более хрупкого минерала, и пластическое внедрение более податливого галенита в трещинки может обусловить появление чрезвычайно сходных структур.
Сам сфалерит довольно часто замещает, почти исключительно гипогенно, пирротин, пирит, арсенопирит и алабандин.
Ориентированные срастания отмечались уже при описании «распада». Из многочисленных макроскопически наблюдавшихся случаев для минераграфии некоторое значение в первую очередь имеют срастания с халькопиритом и станнином. В некоторых боливийских рудниках особенно станнин образует со сфалеритом концентрически-зональные агрегаты.
Деформации в широком плане часто встречаются в месторождениях, подвергающихся тектоническим воздействиям, их можно очень хорошо проследить и в других условиях, когда метаморфизм вмещающих пород еще незначителен. Автор объяснил таким образом структуры руд Раммельсберга и совместно с двумя своими учениками детально исследовал явления преобразования в жильном месторождении Хюрнингскопф близ Альтенара, в котором наблюдаются все переходы от ненарушенных руд до исключительно сильно развальцованных участков. Совершенно аналогично галениту, при наличии условий для деформации без разрыва, прежде всего подвергаются развальцеванию, как отмечалось выше, отдельные зерна. При этом они, конечно, полны пластинчатых двойников давления, плоскостей среза, плоскостей трансляции и скрытых напряжений, кроме того, они легко подвергаются перекристаллизации. В результате возникает весьма тон козернистый агрегат, который невооруженным глазом сначала совсем не воспринимается как сфалерит. При более высоких температурах (проиллюстрированные руды из Хюрнингскопф, несомненно, подверглись лишь весьма несущественному подогреву) зерна становятся крупнее; в качестве примера можно привести руды месторождения Сулительма.
Перекристаллизация руд из Хюрнингскопф вызвала появление удивительного новообразования. Сфалерит в жиле имел сначала довольно высокое содержание FeS, соответствующее средней температуре образования и присутствию большого количества железа. Однако оно было далеко не столь высоким, чтобы при нормальных условиях наступил распад твердого раствора; поэтому в материале, не подвергавшемся динамическим воздействиям, тельца пирротина отсутствуют. С другой стороны, в сфалерите, претерпевшем перекристаллизацию при низкой температуре, уже не могло быть растворено столько FeS, он остается в избытке и образует в перекристаллизованном агрегате тончайшие тельца пирротина, природу которых удается отчетливо определить лишь в редких случаях по эффектам анизотропии в соседних зернышках.
Дигностика сфалерита
Сфалерит почти во всех случаях определить довольно легко. Однако при его большой распространенности существует возможность опрометчиво принять за сфалерит сходные рудные минералы. Характерны низкая отражательная способность, особенно ее сильное понижение с иммерсией, массовые внутренние рефлексы, средняя твердость и поведение при травлении. Однако в хорошем шлифе весьма тонкозернистого сфалерита магнетит рядом с ним может быть пропущен (в иммерсии эту ошибку можно тотчас же установить) или с ним может быть спутан редкий алабандин; в нем выявляются преимущественно темно-зеленые внутренние рефлексы, но значительно более редкие. Сходные по отражательной способности минералы — касситерит и рутил значительно тверже и анизотропны. От вюртцита в полированных «шлифах его уверенно отличить нельзя. «Структура ледяных цветов», появляющаяся в вюртците при травлении, нередко встречается и у сфалерита, часто возникающего как псевдоморфоза по вюртциту. Так, «вюртциты» из Пршибрама, присутствующие почти во всех коллекциях, несмотря на совершенно типичные структуры, представляют собой обычно сфалерит; аналогично обстоит дело с некоторыми лучистыми «вюртцитами», содержащимися в «скорлуповатых обманках».
Нахождение в месторождениях
Как один из самых обычных рудных минералов, сфалерит чрезвычайно широко распространен на месторождениях самого различного происхождения. Благодаря высокой чувствительности по отношению к окислению он отсутствует лишь в россыпях и на выходах сульфидных руд, вообще большей частью в осадочных образованиях, не считая таких, которые находятся в пределах «кругооборота серы». Но всюду, где вообще возможно образование и сохранение сильфидных минералов, присутствует также сфалерит.
В интрамагматических образованиях сфалерит исключительно редок; в обычных силикатных породах он находится лишь в подчиненных количествах и совместно с более обильным халькопиритом. В магматических сегрегационных месторождениях пирротина и пентландита он нередок, но большей частью значительно позже основной массы прочих рудных минералов. Лишь в виде «сфалеритовых звездочек» в халькопирите он находится уже в очень ранних образованиях. Впрочем, небольшое количество цинка в породах земной коры геохимически еще не выяснено полностью. Замечательно его распространение в «чарнокитах».
Месторождения сфалерита
Большие количества сфалерита находятся в пневматолитовых и особенно в контактово-метасоматических месторождениях, меньшие — в пегматитах. Некоторые очень крупные месторождения цинка (Сулливан-Майн; Тетюхе) принадлежат к этому типу. Они обычно характеризуются высоким содержанием железа, поэтому в сфалерите часто встречается пирротин, как продукт распада твердого раствора. Пирротин находится также в большом количестве, как сопровождающий минерал. Галенит и халькопирит могут присутствовать либо отсутствовать.
Главной областью распространения сфалерита являются гидротермальные образования-жилы, метасоматические залежи и вкрапленность всех видов и всех глубин. Как промышленно-важные источники цинка могут рассматриваться лишь две первые группы. Представление о высокой температуре образования можно при определенных условиях получить по присутствию телец халькопирита. Сфалерит, собственно, содержится во всех относящихся сюда «формациях», но лишь в некоторых из них в промышленных количествах. Основными сопровождающими минералами являются галенит и халькопирит, кальцит и кварц.
Сфалерит встречается в больших количествах и в гидротермальных образованиях субвулканического происхождения. Он распространен здесь значительно шире, чем можно было бы предполагать по литературе, на которую, как правило, оказывает влияние промышленное значение месторождений.
Среди осадочных месторождений те из них, которые связаны с «круговоротом серы», содержат наряду с преобладающим пиритом большие, при определенных условиях промышленные, количества сфалерита. При наличии восстановительных условий сфалерит в незначительных количествах, но нередко может встречаться и в других осадочных образованиях, таких, как угли и битуминозные сланцы, а также известняки с остатками ископаемых. Часто в нем еще хорошо сохраняются гелиевые структуры, хотя вне зависимости от них происходит кристаллизация материала.
Сфалерит, конечно, часто встречается и в метаморфизованных месторождениях. Уже при сравнительно незначительном воздействии у него наблюдаются совершенно иные структурные соотношения.
Пункты местонахождения сфалерита
Сфалерит имелся в нескольких тысячах шлифов из самых различных месторождений, так что выбор было сделать трудно.
1. Собственно магматические. Эвье, Норвегия; Садбери, Канада; некоторые породы Буш-Велда, Трансвааль; Инсизва, Восточный Грик- валенд.
2. Пегматито-пневматолитовые. Пегматиты: Хагендорф, Бавария; Мина-Фабулоса, Боливия; рудник Кан и некоторые оловоносные пегматиты Юго-Западная Африка. Пневматолитовые жилы: Циновец,
Чехословакия; Корнуэлл, Англия; Ланселот-Майн, Хербертом, Австралия. Контактовые замещения у известняков и силикатных пород: Сент-Кристоф близ Брейтенбрунна, Саксония; Драммен и др., Норвегия; Тетюхе, Восточная Сибирь.
3. Гидротермальные (расположены примерно в порядке понижающейся температуры образования). Кавельторп, Фалун, Болиден, Наутанен в Швеции. Грэс-Валли, Калифорния, и многие другие золото-кварцевые месторождения. Трепча, Югославия; Пирин, Болгария; Рамсбек, Вестфалия; Хольцаппель, Эмс, Верлау-Лан-Рейнская область; многие рудники в Зигерланде, Гарце, Рейнланде. Цумеб, Юго-Западная Африка; Бьютт, Монтана. Райбл и Блейберг в Каринтии; Сантандер, Испания; Джоплин, Миссури; Моресне, Дипенлинхен и др. близ Ахена; Бытом, Польша; Беренгела, Боливия (наряду с большим количеством гринокита). Субвулканически-эпитермальные: Бая-Маре, Бая-де-Ариеш, Секерымб и др., Румыния; Джилпин, Колорадо. Многие рудники в Мексике, Перу и Боливии.
4. Осадочные. Мегген близ Ленне; медистые сланцы; многие угли и глинистые сланцы различного происхождения.
5. Метаморфизованные. Включения в базальтах, Гирсвизе, Рейнланд; зальбанды самых различных жил (Хюрнингскопф, Бунденбах, Рамсбек и др.). Шнееберг, Тироль; Прас-Жан, Сен-Люк, Гоппенштейн в Валлисе; Раммельсберг, Гарц.
Вполне понятно, что сфалерит очень часто упоминается в минералогической литературе, но достоверные систематические данные редки. Такие данные содержатся в работах Мэрдоча, Деви и Фарнхама, Шнейдерхёна и ван дер Веена; некоторые данные получены также автором. Распад твердых растворов рассматривал Шнейдерхён, в то время как Хуттенлохер, автор и Фреболд приводят описания явлений перекристаллизации; как кристаллографическая основа важны исследования Вейта и Бюргера.