Refinement of the crystal structure of elbaite and the mechanism of tourmaline solid solution

Summary

The crystal structure of elbaite has been refined on a crystal from San Diego County, California (USNM R-17011), Na_1.69Mn_0.45Ca_0.42□_0.38B_0.05 K_0.01)(Al_4.78Li_3.74Mn_0.39Fe ²⁺_0.09 ) Al_18.00B_9.00(Si_17.94B_0.06) [O_82.57(OH)_8.62F_1.81] to a weightedR of 4.2% for 1142 observed, symmetry-independent reflections. It differs very little from the other refined tourmaline structures, mainly in the somewhat smaller Y and Z octahedra and in the nearly hexagonal Si₆O₁₈ ring of tetrahedra. The mechanism of solid solution in tourmalines stems from the necessary adjustment, in size and shape, between edge-sharing Y and Z octahedra that are chemically and crystallographically distinct. Mössbauer studies show that iron occupies both Y and Z positions in ferric as well as ferrous oxidation states. This makes it possible for the mica-like building blocks, composed of Y octahedra and Si₆O₁₈ rings, to be joined together by Z octahedra. In the absence of Fe, with mainly Al, Li and Mg as substituting cations, the critical adjustment between Y and Z octahedra becomes impossible, and the tourmaline structure cannot form along the elbaite-dravite join.

Zusammenfassung

Die Kristallstruktur des Elbaits ist mit Hilfe eines Einkristalles von San Diego County, Kalifornien (USNM R-17011), Na_{1, 69}Mn_0,45Ca_0,42 □_0,38B_0,05 K_0,01) (Al_4,78Li_3,74Mn_0,39Fe ²⁺_0,09 ) Al_18,00B_9,00(Si_17,94B_0,06) [O_82,57(OH)_8,62 F_1,81] bestimmt worden. Für 1142 beobachtet symmetrieunabhängige Reflexe ist das gewichtete Residuum 4,2%. Die Elbait-Struktur unterscheidet sich nur wenig von den andern genau bestimmten Turmalin-Strukturen; der Unterschied liegt in etwas kleineren Y- und Z-Oktaedern und einem fast genau hexagonalen Ring von Si₆O₁₈-Tetraedern. Der Mangel an fester Lösung zwischen Dravit und Elbait wird durch die kritische Größe und Gestalt der chemisch und kristallographisch verschiedenen Y-und Z-Oktaedern erklärt, die sich in einer gemeinsamen Kante treffen. Das Mössbauer-Studium von Turmalin-Strukturen zeigt, daß sowohl Z-wie Y-Punktlagen von Fe²⁺- sowie Fe³⁺- Atomen besetzt sind. Diese Kationen von verschiedener Größe ermöglichen das Zusammenfügen von Y- und Z-Gruppen. Wenn nur Al-, Li- und Mg-Kationen für die Mittelpunkte von Y- und Z-Oktaeder zur Verfügung stehen, kann die Turmalinstruktur nicht entstehen.