Кристаллы: дефекты решетки, дислокации и деформация

Кристаллы представляют собой однородные твердые структуры, состоящие из химических элементов или соединений, которые обладают регулярно повторяющимся расположением атомов, а также значительным количеством дефектов кристаллической решетки, таких как дислокации. Все минералы существуют в твердом виде, и внутри каждого вида минералов атомы организуются в очень правильную геометрическую конфигурацию, которая остается уникальной и идентичной для каждого образца этого минерала. Это периодическое внутреннее расположение в основном определяет характерные свойства минерала, включая его окраску, химический состав, твердость и внешнюю морфологию кристаллов.

Хотя у многих минералов могут отсутствовать хорошо развитые внешние грани кристаллов, они неизменно сохраняют регулярно повторяющуюся кристаллическую решетку, состоящую из составляющих их атомов. Как внешние формы кристаллов, так и внутреннее расположение атомов демонстрируют симметрию, которая проявляется в нескольких различных вариантах, при этом кристаллы демонстрируют четыре основных типа симметрии. Симметрия зеркальной плоскости представляет собой простейшую форму, при которой воображаемая плоскость делит кристалл на две половины, являющиеся идеальным зеркальным отображением друг друга. Вращательная симметрия возникает, когда кристаллическая решетка может поворачиваться вокруг оси, проходящей через ее центр, в результате чего получаются идентичные конфигурации два, три, четыре или шесть раз в пределах полного круга на 360°, соответствующие диадам, триадам, тетрадам и гексадам соответственно.

Ротоинверсия представляет собой более сложную операцию симметрии, сочетающую вращение с последующей инверсией решетки через ее центральную точку. Простая инверсионная симметрия включает в себя грань кристалла, расположенную диаметрально противоположно любой другой грани в центре кристалла. Благодаря различным комбинациям этих операций симметрии все кристаллы принадлежат к одной из семи кристаллических систем: кубической, тетрагональной, орторомбической, моноклинной, триклинной, гексагональной и тригональной. Несмотря на то, что кристаллы кажутся почти идеальными невооруженным глазом, они неизменно содержат миллионы дефектов атомного масштаба. К таким дефектам относятся вакансии в кристаллической решетке, различные типы неравномерного расположения атомов и дефекты замещения, при которых один атом или ион замещает другой, имеющий аналогичный заряд и размер.

Семь основных типов кристаллических форм. Кристаллические дислокации и другие дефекты. Кристаллы формируются в виде упорядоченных симметричных массивов атомов; однако, как и все природные материалы, они остаются несовершенными и содержат множество дефектов. Некоторые дефекты возникают при первоначальном росте кристаллов, в то время как другие развиваются впоследствии в процессе деформации. Эти дефекты в решающей степени определяют механическую прочность кристаллов, минералов и горных пород, и их движение приводит к деформации внутри кристаллических материалов. Движение кристаллических дефектов представляет собой фундаментальный механизм деформации, при этом различные типы дефектов проявляют различное поведение при изменении температуры, давления и приложенных напряжений. Существуют две основные категории кристаллических дефектов: точечные дефекты и линейные дефекты. Точечные дефекты включают вакансии, примеси и междоузлия, тогда как линейные дефекты называются дислокациями.

Кубический кристалл флюорита, около двух дюймов (5 см) на каждой грани, из кварца с баритом из шахты Фрейзерс Хаш, Уэрдейл, Англия (Марк А. Schneider/Photo Researchers, Inc.)

Типы точечных и линейных дефектов в кристаллах, включая вакансии, междоузлия, краевые дислокации и винтовые дислокации

Точечные дефекты в кристаллических решетках. Точечные дефекты представляют собой неоднородности, затрагивающие одну точку в структуре кристаллической решетки. Примеси возникают, когда атом неправильного типа занимает место в кристаллической решетке, обычно предназначенное для другого элемента. Вакансии представляют собой атомы, которые не занимают своих ожидаемых позиций в атомной решетке. Междоузлия состоят из атомов, занимающих участки, которые обычно не находятся в кристаллической структуре. Более сложные разновидности точечных дефектов включают в себя множество атомов и демонстрируют большую структурную сложность.

В регулярно упорядоченной кристаллической решетке большинство электрических зарядов удовлетворяются за счет образования связей и уравновешивания положительных и отрицательных зарядов. Кристаллы, содержащие точечные или другие дефекты, обладают более высокой внутренней энергией из-за разорванных или неудовлетворенных связей и несбалансированных электрических зарядов. Такие кристаллы демонстрируют большую реактивность и деформируемость при напряжении. Повышение температуры способствует образованию вакансий, в то время как повышенное давление снижает концентрацию вакансий.

Диффузия и двойникование, вызванные напряжением. Когда к кристаллу прикладывается напряжение, вакансии имеют тенденцию упорядоченно мигрировать относительно поля напряжений, двигаясь к граням кристалла, испытывающим наибольшее напряжение, в то время как атомы диффундируют в противоположном направлении к граням, испытывающим наименьшее напряжение. Этот процесс миграции вакансий, известный как ползучесть Набарро-Херринга, приводит к общему изменению формы кристаллов — явлению, наблюдаемому при региональной деформации в горных поясах по всему миру. Двойникование включает в себя смещение кристаллографической плоскости относительно определенной плоскости кристаллической решетки и может быть вызвано либо несогласованным ростом, либо прикладной деформацией. Механическое двойникование, также называемое двойникованием, вызванным напряжением, отличается от растущего двойникования тем, что сдвиг по плоскости кристалла изменяет ориентацию решетки. Этот сдвиг происходит вдоль плоскости кристалла, которая должна функционировать как плоскость симметрии, при этом результирующая деформация ограничивается кристаллографическими соотношениями, характерными для каждого типа кристалла, обычно в диапазоне от 20° до 45°.

Системы сдвигового скольжения. Сдвиговое скольжение представляет собой механизм деформации, при котором кристаллическая решетка скользит вдоль внутренних кристаллографических плоскостей при достижении критического порога напряжения сдвига. Скольжение, или сдвиговое скольжение, преимущественно происходит в определенных кристаллографических направлениях, известных как системы скольжения, отдавая предпочтение направлениям, характеризующимся короткими расстояниями между эквивалентными атомами и ориентациями, которые позволяют избежать соседства ионов с одинаковым зарядом. Проскальзывание начинается при превышении критического разрешенного напряжения сдвига для данного кристаллографического направления.

Большинство кристаллов обладают несколькими системами скольжения, активируемыми при различных критических значениях напряжения сдвига, при этом скольжение начинается в плоскостях, имеющих наименьший порог. По мере прогрессирования деформации различные системы скольжения начинают взаимодействовать друг с другом, в результате чего деформация либо прекращается, либо требует увеличения напряжения для продолжения. Это явление увеличения напряжения называется упрочнением при обработке (или деформационным упрочнением). Чтобы выдержать любую общую однородную деформацию, кристаллам требуется пять независимых систем скольжения. Кристаллы, имеющие менее пяти независимых систем скольжения, в конечном итоге растрескиваются. Различные системы скольжения могут активироваться при различных температурных условиях или скоростях деформации, что делает взаимосвязи, управляющие активацией систем скольжения при различных условиях деформации, сложными.

Структура и поведение дислокаций. Дислокации концептуально понимаются как дополнительная плоскость для атомов, оканчивающаяся внутри кристаллической решетки, которую часто называют дополнительной полуплоскостью из-за ее геометрической конфигурации. Наличие дислокаций ослабляет кристаллическую структуру, и их движение приводит к существенной деформации кристаллов. Дислокации перемещаются по кристаллической решетке аналогично тому, как гребень перемещается по ковру, постепенно перемещая ковер по полу, не требуя одновременного перемещения всей структуры. Напряжение, необходимое для последовательного разрыва связей при движении дислокации, значительно ниже, чем напряжение, необходимое для одновременного разрыва всех связей в определенном кристаллографическом направлении.

Существуют два основных типа дислокаций: краевые дислокации и винтовые дислокации. Краевые дислокации представляют собой более простой тип, по существу представляющий собой дополнительную полуплоскость атомов, частично проходящую через кристаллическую решетку. Винтовые дислокации проявляют большую сложность, характеризуясь искривленной геометрией, аналогичной структуре гаража, где один слой решетки смещается в результате спирального винтообразного движения вокруг оси, перпендикулярной атомным плоскостям. Большинство дислокаций в природных кристаллах содержат как краевые, так и винтовые компоненты, образуя сложные геометрические конфигурации. Дислокации создают петли внутри кристаллов, отмечая границы между проскальзывающими и незаползающими областями, причем это движение и проскальзывание непосредственно аналогично движению разломов в геологических условиях.

Взаимодействие дислокаций. Во время деформации многочисленные дислокации перемещаются внутри кристаллов, неизбежно взаимодействуя по нескольким механизмам. Аннигиляция дислокаций происходит, когда две дислокации противоположных знаков сближаются в одной плоскости скольжения, и их дополнительные полуплоскости встречаются, образуя полную кристаллическую решетку, эффективно уничтожая существование друг друга. Каждая дислокация создает поле самонапряжения из-за нарушения нормальной кристаллографической структуры. Эти поля напряжений взаимодействуют на значительных расстояниях внутри кристаллов, вызывая либо отталкивание, либо притяжение между дислокациями, подобно магнитным взаимодействиям. Когда две дислокации в одной плоскости скольжения притягиваются и сближаются, они аннигилируют; и наоборот, отталкивание увеличивает плотность дислокаций, требуя все более высоких напряжений для продолжения движения дислокаций по мере продолжения деформации.

Дислокации часто сталкиваются с неподвижными примесями, особенно в междоузлиях, которые эффективно удерживают дислокации позади себя. Когда дополнительные дислокации приближаются к областям, содержащим такие примеси, они попадают в подобную ловушку и испытывают отталкивание от полей напряжений друг друга, создавая скопления дислокаций. Дислокации также могут взаимодействовать с другими дислокациями, создавая дополнительные конфигурации скопления.

Механизмы движения дислокаций и упрочнение при обработке. При повышенных температурах во время деформации кристалла вакансии могут диффундировать в сторону препятствий, или атомы могут мигрировать из полуплоскостей, позволяя дислокациям преодолевать препятствия. Следовательно, перемещением дислокаций через кристаллы управляют два основных механизма: скольжение (плоскостное перемещение) и подъем (перпендикулярное перемещение). Когда дислокации из разных систем скольжения пересекаются, они смещают плоскости скольжения друг друга, образуя дислокационные выступы — по сути, ступеньки внутри системы скольжения, по которым перемещалась одна дислокация. Если в плоскости скольжения имеется выступ, перемещение дислокации вдоль этой плоскости становится более затрудненным, и для продолжения продвижения требуется перелезть через выступ. Выступы дислокации могут быть устранены или испарены за счет диффузии вакансий к ним или миграции атомов от выступа.

Упрочнение при обработке включает в себя любой процесс, который затрудняет дальнейшую деформацию, требуя увеличения напряжения для получения эквивалентной деформации. Упрочнение при обработке происходит за счет нескольких механизмов: образования выступов дислокаций, скопления дислокаций, взаимодействия полей напряжений и увеличения плотности дислокаций. Это явление преобладает при более низких температурах, тогда как повышенные температуры способствуют усилению диффузии вакансий и росту дислокаций.

Процессы отжига и восстановления. Отжигом называют любой процесс, направленный на восстановление кристаллической решетки до менее деформированного состояния, в первую очередь за счет уменьшения числа дислокаций. Решетка с меньшим количеством дислокаций обладает меньшей энергией и большей стабильностью, чем решетка с высокой плотностью дислокаций. Распространенные механизмы отжига включают группировку дислокаций в более стабильные конфигурации, миграцию дислокаций к краям кристалла и перекристаллизацию зерен. Диффузия способствует всем этим процессам, ускоряя отжиг при повышенных температурах.

Дополнительные механизмы отжига включают в себя: дислокации противоположного знака, поднимающиеся к одной и той же плоскости скольжения и аннигилирующие; дислокации, скользящие и поднимающиеся к границам зерен; формирование границ субзерен, где движение дислокаций концентрирует дислокации в плоских стенках, ограничивающих области с низкой плотностью дислокаций; и рекристаллизацию, включающую полное восстановление кристаллической решетки. Новые зерна, образующиеся в процессе рекристаллизации, обладают низкой плотностью дислокаций, причем этот процесс обычно начинается в областях с высокой плотностью дислокаций или вдоль границ зерен. Длительный нагрев способствует росту зерен, при котором некоторые зерна расширяются за счет соседних, в конечном итоге образуя одинаковые зерна с границами зерен под углом 120° в тройных соединениях.

Альтернативные механизмы деформации. При температурах ниже тех, которые способствуют скольжению и подъему дислокаций, горные породы текут по альтернативным механизмам. Деформация под давлением, также называемая диффузией по границам зерен или ползучестью по Коблу, включает в себя сплющивание и растворение кристаллов по краям, при этом растворенный материал либо осаждается на концах зерен, либо мигрирует, образуя прожилки, поры или отдаленные отложения. Этот механизм деформации эффективно обеспечивает значительное укорочение и удлинение объема. При обработке давлением часто образуются стилолиты — пласты, представляющие собой концентрированные нерастворимые остатки растворенных горных пород. В трехмерном изображении стилолиты образуют неровные поверхности с конусами или зубцами, ориентированными в направлении максимального сжимающего напряжения.

Уплотнение представляет собой еще один важный механизм деформации, особенно в осадочных бассейнах, где процесс происходит под действием веса вышележащих пород. Уплотнение обычно включает обезвоживание или вытеснение жидкости из порового пространства породы. Вес недавно отложившихся отложений и вышележащих пород увеличивает давление, сближая контакты между кристаллами и вытесняя межзеренные жидкости. Некоторые растворы изначально имеют 80-процентную пористость, а после захоронения остаются только с 10-процентной, из-за чего при уплотнении удаляется значительное количество воды. Первоначальная пористость песчаников достигает 45%, затем снижается примерно до 10–30% в зависимости от типа породы, давления и флюидных условий, при этом пористость, как правило, уменьшается с увеличением глубины залегания.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: Халл, Д. и Д. Дж. Бэкон. Введение в кристаллические дислокации. 3-е изд. Оксфорд: Пергамон Пресс, 1984.
Косевич, Арнольд М. Кристаллическая решетка: фононы, солитоны, дислокации, сверхрешетки. 2-е изд. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, 2005.
Набарро Ф. Р. Н. Теория кристаллических дислокаций. Нью-Йорк: Довер, 1987.
Шелли, Дэвид. Руководство по оптической минералогии. Амстердам: Elsevier, 1980.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.