Лоусонит — это водный алюмосиликат кальция с химической формулой CaAl₂Si₂O₇(OH)₂·H₂O. Он кристаллизуется в ромбической сингонии, обычно с пространственной группой Ccmm. Структурно лоусонит состоит из каркасных цепочек октаэдров AlO₆, соединенных по ребрам, которые связаны изолированными группами дисиликатов Si₂O₇. Эта конфигурация образует крупные структурные каналы, параллельные оси c, в которых размещаются катионы Ca²⁺ и изолированные молекулы H₂O. Благодаря этой уникальной кристаллической структуре лоусонит содержит около 11,5 мас.% стехиометрической воды в своей решетке. Он имеет твердость по шкале Мооса от 6 до 6,5, удельный вес около 3,09 и демонстрирует четкую призматическую спайность. Состав остается удивительно близким к формуле крайнего члена, с незначительными замещениями алюминия железом (Fe³⁺) и титаном (Ti⁴⁺) в октаэдрических позициях.
Минерал был впервые идентифицирован и описан в 1895 году американскими минералогами Чарльзом Палачем и Фредериком Лесли Рэнсомом. Типовым местонахождением лоусонита является полуостров Тибурон в округе Марин, штат Калифорния, где он был обнаружен в глаукофансодержащих метаморфических породах комплекса Францискан. Палач и Рэнсом назвали новооткрытый вид в честь Эндрю Каупера Лоусона, выдающегося шотландско-канадского геолога и профессора Калифорнийского университета в Беркли, внесшего фундаментальный вклад в тектоническую и структурную геологию западной части Северной Америки. Идентификация лоусонита предоставила ранним петрологам-метаморфистам критически важный минералогический маркер, который позже оказался необходимым для формулирования концепций серий метаморфических фаций высокого давления и низкой температуры.
Лоусонит — это диагностический индекс-минерал, указывающий на метаморфизм высокого давления и низкой температуры (HP-LT), служащий определяющей фазой глаукофаново-сланцевой фации и низкотемпературных режимов эклогитовой фации. Его поле термодинамической стабильности охватывает давление от примерно 0,5 до более 3,0 ГПа и температуры от 200°C до 500°C. Лоусонит образуется преимущественно в результате прогрессивного метаморфизма и дегидратации измененных океанических базальтов, габбро и граувакк во время субдукции. При более низких степенях метаморфизма он замещает предшествующие водные фазы, такие как ломонтит, гейландит или пумпеллиит, посредством реакций, например, разложения пумпеллиита в присутствии хлорита и кварца с образованием лоусонита, глаукофана и флюида.
Поскольку лоусонит может сохранять свою структурную воду при экстремальных давлениях, при которых другие водные силикаты, такие как хлорит и амфибол, разрушаются, он выступает в качестве одного из основных минералогических переносчиков летучей H₂O глубоко в верхнюю мантию Земли. Конечная глубокая дегидратация лоусонита на границе лоусонит-эклогитовой и амфибол-эклогитовой фаций, высвобождающая флюиды в вышележащий мантийный клин, широко считается ключевым триггером частичного плавления, дугового вулканизма и сейсмичности зон субдукции на средних глубинах.
Кристаллографическая структура, оптические характеристики и классификация
Лоусонит — это водный алюмосиликат кальция, принадлежащий к подклассу соросиликатов среди силикатных минералов. Он кристаллизуется в ромбической сингонии и обычно встречается в пространственной группе Cmcm. Его кристаллическая структура состоит из цепочек октаэдров AlO₆, соединенных по ребрам и вытянутых параллельно кристаллографической оси c. Эти октаэдрические цепочки соединены изолированными группами дисиликатов Si₂O₇, создавая жесткий трехмерный каркас, содержащий структурные каналы, занятые катионами кальция, а также необходимыми гидроксильными группами и молекулярной водой. Минерал обычно сохраняет состав, очень близкий к его идеальной формуле CaAl₂Si₂O₇(OH)₂·H₂O, с лишь ограниченным химическим замещением, чаще всего включающим небольшое количество трехвалентного железа, замещающего алюминий в октаэдрических позициях.
В штуфах лоусонит обычно бесцветный, белый, бледно-серый или слабо-голубоватый, хотя следы примесей могут придавать ему бледно-зеленую, сине-зеленую или розоватую окраску. Хорошо сформированные кристаллы обычно имеют таблитчатый или псевдотетрагональный облик и могут встречаться в виде короткопризматических кристаллов, хотя чаще минерал развивается в виде мелкозернистых агрегатов в метаморфических породах. Оптически лоусонит в цветных разновидностях обычно проявляет слабый или умеренный плеохроизм. В поляризованном свете он характеризуется высоким положительным рельефом и умеренным двупреломлением, что делает его относительно легко распознаваемым в шлифах. Может встречаться двойникование, хотя оно не всегда является доминирующим диагностическим признаком. Эти оптические свойства в сочетании с характерным присутствием в высокобарических метаморфических средах делают лоусонит важным минералом для петрографической идентификации.
Физические и химические свойства
Лоусонит обладает сочетанием физических свойств, которые отражают его компактную кристаллическую структуру, несмотря на значительное содержание воды. Он имеет твердость по шкале Мооса примерно от 6 до 6,5, что позволяет ему царапать стекло и делает его тверже многих других водных силикатных минералов. Его удельный вес обычно варьируется от 3,05 до 3,12 со средним значением около 3,09. Минерал демонстрирует хорошую или совершенную спайность по плоскостям {010} и {100}, образуя гладкие поверхности спайности, которые обычно имеют стеклянный или слегка перламутровый блеск.
Одной из наиболее значимых химических характеристик лоусонита является высокая концентрация структурно связанной воды, содержащей около 11 мас.% H₂O в виде как гидроксильных групп, так и молекулярной воды. Это существенное содержание воды играет критическую роль в его геологическом значении. В нормальных поверхностных условиях лоусонит относительно стабилен и устойчив к выветриванию и разбавленным кислотам. Однако повышение температуры в конечном итоге дестабилизирует кристаллическую структуру, что приводит к реакциям дегидратации и разложения. В условиях низких температур и высоких давлений, типичных для зон субдукции, лоусонит становится удивительно стабильным и может сохраняться при давлениях, превышающих 2 ГПа, и температурах, приближающихся к 600°C, что позволяет ему переносить воду на значительные глубины в недрах Земли.
Геологическое залегание и научное значение
Лоусонит является одним из важнейших минералов-индикаторов метаморфизма высокого давления и низкой температуры и особенно характерен для пород глаукофаново-сланцевой фации, образовавшихся в условиях зон субдукции. Его наличие служит веским доказательством существования в прошлом древних конвергентных границ плит и субдукции океанической литосферы. Поскольку область его стабильности хорошо ограничена, лоусонит широко используется петрологами-метаморфистами для реконструкции истории «давление-температура-время» (P-T-t) и оценки путей погружения и эксгумации метаморфических комплексов. Он обычно встречается в ассоциации с такими минералами, как глаукофан, жадеит, эпидот, гранат и фенгит.
Помимо своей ценности в качестве метаморфического индекс-минерала, лоусонит играет центральную роль в изучении цикла глубинных вод Земли. Во время субдукции большие объемы флюидов, происходящих из морской воды, включаются в водные минералы внутри погружающейся океанической коры. По сравнению со многими другими водными силикатами, которые высвобождают воду на относительно небольших глубинах, лоусонит остается стабильным в широком диапазоне условий высокого давления и способен переносить значительные количества воды в глубокую верхнюю мантию. По этой причине он считается одним из важнейших минеральных резервуаров, контролирующих движение воды с поверхности Земли в её недра.
Разложение лоусонита на больших глубинах имеет серьезные геодинамические последствия. Когда условия давления и температуры превышают пределы его стабильности, лоусонит разрушается и выделяет значительное количество водных флюидов, превращаясь в минеральные ассоциации эклогитовой фации. Выделение этих флюидов широко рассматривается как один из механизмов, способствующих сейсмической активности на средних глубинах внутри погружающихся плит. Кроме того, флюиды, высвобождаемые при дегидратации лоусонита, мигрируют вверх в вышележащий мантийный клин, где они понижают температуру плавления мантийных пород и способствуют частичному плавлению. Этот процесс напрямую способствует образованию магмы под вулканическими дугами и играет фундаментальную роль в развитии многих вулканов, связанных с конвергентными границами плит, включая те, что окружают Тихоокеанское огненное кольцо.