24898 (Глинистые породы), страница 2

Основные группы глинистых минералов: каолинита, монтмориллонита, иллита или мусковита и хлорита.

Группа каолинита. Главным членом группы каолинита является каолинит, имеет формулу (OH)₈Al₄Si₄O₁₀ или Al₂O₃ 2SiO₂ 2H₂O. Старинное название этого минерала перешло от китайцев. Кау-линг-«высокая гора»; так называлось месторождение каолина.

Химический состав. Al₂O₃ 39.5%,SiO2 46,5%, H₂O 14%. Уд. Вес 2,58-2,60.

Облик кристаллов. Более или менее хорошо образованные пластинчатые кристаллы исключительно редки и малы по размерам (до 1мм). Весьма вероятно, что они относились не к каолину, а к диккиту или накриту. Чаще наблюдаются обломки обломки изогнутых столбчатых кристаллических образований, в увеличенном виде напонающих дождевых червей. Агрегаты рыхлые, чешуйчатые или плотные тонкозернистые.

Цвет. Отдельные чешуйки и пластинки бесцветны. Сплошные массы- белого цвета, нередко с желтым, буроватым, красноватым, иногда зеленоватым или голубоватым оттенком. Блеск отдельных чешуек и пластинок перламутровый, а сплошных масс - матовый.

Твердость около 1. Отдельные чешуйки гибки, но не обладают упругостью. В сухом состоянии землистые массы кажутся тощими на ощупь.

Аноксит подобен каолиниту, за исключением молекулярного соотношения SiO₂:Al₂O₃ приблизительно равного трем вместо двух, что менее обычно. Диккит и накрит, сходные с каолинитом по составу, но с небольшими отличиями по форме кристаллов, также являются членами данной группы.

Монтмориллонитовая группа, получившая название по главному минералу группы, монтмориллониту, который имеет состав: (OH)₄AL₄Si₈O₁₀ nH₂O.

Монтмориллонит назван по месту нахождения в Монтмориллоне (Франция). Химический состав непостоянный, сильно зависит от варьирующего содержания воды. По анализам чистых разностей устанавливаются следующие колебания (%): Al₂O₃ 11-22, Fe₂O₃ 0-5и больше (ферримонтмориллонит), MgO 4-9, CaO 0, 8-3, 5 и выше в кальциомонтмориллоните,SiO₂ 48-56, H₂O 12-24.

Цвет монтмориллонита белый с сероватым, иногда синеватым оттенком, розовый, розово-красный, иногда зеленый.

Блеск В сухом состоянии матовый.

Твердость отдельных чешуек неизвестна. Очень мягкий. Жирный.

Замечательной и чрезвычайно важной в практическом отношении особенностью минералов группы монтмориллонита является их свойство набухать в присутствии воды, а при нагревании постепенно отдавать адсорбированную воду.

К минералам группы монтмориллонита относятся существенно магнезиальные, существенно алюминиевые и промежуточные между ними виды.Магний обычно замещает часть ионов алюминия в решетке. В монтмориллонитовую группу входят бейделит, который имеет молекулярное отношение SiO₂:Al₂O₃ равное трем, и нонтронит, в котором окисное железо замещает алюминий.

Иллитовая, или глинисто-слюдистая группа включает иллит, который имеет общую формулу

(OH)₄ Ky(Al₄ Fe₄ Mg₄ Mg₆) (Si_8-y Al_y) O₂₀,

Где « y » варьируется от 1 до 1,5. Иллит является разновидностью белых слюд, но отличается от них, вероятно, тем, что содержит меньше калия и больше воды, чем обычно свойственно слюдам. Кроме разновидностей иллита группа содержит глауконит.

Группа хлорита состоит из минералов богатых магнием, которые широко представлены в сланцах и в которых ионы двухвалентного железа занимают видное место.

Хлорит имеет химический состав 5(Mg,Fe)O Al₂O₃ 3SiO₂ 4H₂O. Твердость 2-2,5. Удельный вес 2,0-2,8. Блеск от стеклянного до перламутрового. Цвет зеленый. Форма кристаллов – таблички, чешуйки, срастающиеся друзами.

Известно также множество « смешаннослойных» глинистых минералов. Структура этой группы является результатом упорядоченного или неупорядоченного расположения основных глинистых минеральных пакетов друг относительно друга по оси с. В некоторых из них отмечается переслаивание двух- и трехэтажных слоев. Подобные типы смешаннослойного строения обычно называют каолинит-иллитовыми, хлорит-иллитовыми и так далее, вместо того чтобы изобретать новые наименования для каждой смеси.

Помимо основных групп, перечисленных выше, некоторые глинистые минералы реже встречаются и имеют несколько отличную кристаллическую структуру, например, галлуазит (OH)₁₆Al₄Si₄O₆, а также менее гидратированный метагаллуазит (OH)₈Al₄Si₄O₁₀ и аллофан, некристаллический взаимный раствор двуокиси кремния, окиси алюминия и воды в различных пропорциях. В некоторых случаях в глинах обнаруживают вермикулит и палыгорскит (сепиолит и аттапульгит).

Галлузиатовые минералы. Существуют две формы галлузиата, одна из которых имеет состав (OH)₈Si₄O₁₀, а другая – (OH)₈Si₄O₁₀ 4H₂O. При относительно низких температурах (_-⁺ 60⁰С) последняя форма необратимо дегидратируется и переходит в первую форму. Галлузиатовые минералы построены последовательными слоями такого же структурного состава, как и слои, слагающие каолинит.

Высокогидратированная форма состоит из каолинитовых слоев, разделенных единичным молекулярным слоем водных молекул. Переход в дегидратированную форму вызывается потерей межслоевых водных молекул. По данным Бриндли, при низких температурах (60-75⁰С) происходит только частичная дегидратация, а для полного удаления межслоевых воды необходима температура порядка 400⁰С. При более низких температурах образуется частично дегидратированные формы, которые могут быть устойчивыми. В месторождениях галлузиат имеет тенденцию к частичной дегидратации, к образованию частично дегидратированного галлузиата, который в том случае, если месторождение крупное, постепенно переходит с глубиной в гидратированную форму.

Для обозначения различно гидратированного галлузиата существует ряд наименований. Низкогидратированная форма называется галлузиатом или метагаллузиатом, а более высокогидратированная форма – гидратированным галлузиатом, энделитом или галлузиатом.

Аллофановыми минералами являются те компоненты глинистых минералов, которые аморфны по отношению к рентгеновским лучам. Расположение тетраэдрических и октаэдрических единиц по отношению друг к другу в них недостаточно правильное, чтобы сделать возможной дифракцию, или отдельные структурные единицы, которые хорошо упорядочены, слишком малы по размеру, чтобы дать дифракционные эффекты.

Аллофановые компоненты не имеют обычно определенного химического состава или формы. Глины, содержащие аллофан,часто включает большие количества (_-⁺ 5%) фосфатного или сульфатного компонента. Кроме того, в них обычно относительно немного щелочей и щелочных земель, что приближает их к монтмориллониту, но последний имеет тенденцию содержать некоторое количество магния.

Вермикулит в глинистых минералах встречается в идее чрезвычайно мелких частиц в смеси с другими глинистыми минералами и часто смешаннослойных постройках. Определить его характерные свойства трудно, а часто невозможно. В связи сэтим до сих пор неизвестны диспергируемость его в воде, а также характерная форма и размер частиц. Структура вермикулита подобна структуре хлорита, за исключением того, что в структуре вермикулита межслоевые ионы магния гидратированы чаще, чем чем это имеет место в структуре брусита. Расположение молекул воды вокруг ионов магния и относительно большой заряд на поверхности кристаллической решетки по сравнению с монтмориллонитом, по-видимому, препятствуют набуханию минерала при обработке полярными молекулами. Однако межслоевая вода легко удаляется при нагревании до температуры порядка 100⁰С, а кристаллическая решетка минерала сжимается почти до 10 А⁰, подобно монтмориллониту, отличаясь в этом отношении от хлорита.

Визуально структуру аттапульгита можно представить в виде пучка брусочкоподобных структурных единиц, закономерно скрепленных вместе их длинными сторонами. Наружная сторона такого пучка брусочкоподобных частиц будет иметь вид «плато и каналов» или желобов, а их внутренняя часть будет состоять из чередующихся твердых брусочков и вытягнутых каналов с угловатым поперечным сечением.

Структура сепиолита сходна соструктурой аттапульгита, отличаясь от нее главным образом размером брусочковидных структурных единиц и замещениями в пределах структуры. В сепиолите эти брусочкоподобные структурные единицы примерно на 50% шире, чем в аттапульгите. В структуре сепиолита существуют редкие замещения ионов магния или кремния. Встречается в волокнистых разновидностях с древовидным асбестом, в гидротермальных жилах, а также в виде землистых масс в озерных и морских отложениях.

Палыгорскиты давно известны под названиями «горная бумага», «горный картон», «горное дерево». Палыгорскиты являются алюмомагнезиальными силикатами, к которых алюминий и магний присутствуют приблизительно в равных количествах. Для этих минералов характерно волокнистое строение.

Элементы, составляющие глины

Щелочные элементы(Na и K). Содержание калия и натрия в изверженных породах, кристаллических сланцах, в среднем весьма близки. Отношение числа атомов K/Na в этих породах равно 1. иная картина наблюдается в осадках и морских водах. Ион K⁺ не гидратируется, и его кажущийся объем в три раза меньше объема иона Na⁺.

Рассматривая поведение ионов K⁺ в кристалле, следует констатировать,что по сравнению с ионами Na⁺ они наилучшим образом обеспечивают устойчивость кристаллической решетки слюды и, следовательно, иллитов. Конечно, в иллитах, являющихся неупорядоченными слюдами, присутствует определенное количество натрия, но в них в заметно большем количестве содержит калий.

В силу предпочтительной адсорбции и вхождения в силикаты количество калия в растворах гидросферы значительно уступает количеству натрия. Оба механизма действуют уже на первых стадиях выветривания. Сразу же начинается адсорбция калия и фиксация его в силикатах. Поэтому серицизация полевых шпатов и иллитизация представляют два основных явления при выветривании. Вот почему пресные воды зоны цементации характеризуются отношением K/Na=1/10,а морские воды 1/28,5. Спутниками калия являются рубидий и цезий.

Щелочноземельные элементы (Ca и Mg). В большинстве случаев поведение кальция и магния в гидросфере отличается незначительно. Они накапливаются в карбонатных осадках и сопровождаются железом в закисной форме. Карбонатные породы могут иметь как органическое, так и химическое происхождение. В органогенных карбонатных породах резко преобладает кальций, поскольку скелетные остатки организмов обычно состоят из углекислой извести. Хемогенные породы могут быть как кальциевыми, так и магниевыми и железистыми.

Если при возникновении органогенных карбонатных пород основную роль играет кальций, а при возникновении хемогенных осадков, насколько можно судить по отношению объема доломитов и известняков, в равной мере важны и кальций и магний, то при новообразовании силикатов основное значение имеет магний. При трансформации открытых смешаннослойных или деградированных глинистых минералов и возникновении новообразований в гидросфере фиксируются значительные количества магния. Хлорит, смешаннослойные минералы с хлоритовыми слоями, мотмориллонит, палыгорскит, сепиолит, тальк являются магнезиальными слоистыми силикатами. Магний содержится также в иллитах, глауконитах и разнообразных смешаннослойных минералах. Кальций во всех перечисленных минералах отсутствует. Можно считать, что фиксируется в карбонатах, в то время как магний является важной составляющей силикатов.

Железо и алюминий. Эти два элемента довольно близки между собой. Однако в связи с тем, что железо в природе встречается как в окисной, так и в закисной форме, его поведение может отличаться от поведения алюминия. Это различно проявляется уже на начальных стадиях выветривания.

Рассмотрим в качестве примера латеритизацию, при которой происходит наиболее полное высбождение элементов. При этом железо ведет себя по-разному: часть его в закисной форме мигрирует в виде истинного раствора или феррогуминовых комплексов; другая часть остается на месте, образуя полуторные окислы, в первую очередь гетит. Она сопровождает глинозем, кристаллизующийся в форме гиббсита. Наряду с глиноземом окисное железо является основным компонентом латеритных кирас и бокситовых горизонтов.

Растворимое железо постепенно мигрирует в седиментационные бассейны, в которых оно в значительной степени отделяется от алюминия. В осадочных отложениях оно фиксируется в четырех формах: в виде свободных окислов, пигментирующих красноцветные обломочные серии; в виде карбоната (сидерита); в восстановленной форме в виде сульфида (гидротроилита); наконец, в силикатной форме. Лишь в последнем случае железо ассоциирует с глиноземом, основная часть которого связывается в алюмокалиевых силикатах.

Заметим, что для железа, особенно на стадии диагенеза, весьма характерна тенденция вновь входить в решетку силикатов. С силикатизацией железа связано формирование глауконита морских осадков, шамозитов железных руд и рано или поздно развивающая хлоритизация. Формирование постседиментационного – диагенетического и эпигенетического – хлорита происходит за счет свободных гидроокислов, сульфидов, карбонатов, глауконитов и даже иллитов, в которых всегда содержится то или иное количество железа. В хлорите железо наряду с магнием находится в октаэдрических позициях.

Малоподвижный глинозем еще раньше переходит в силикатную форму. При этом в условиях умеренного выветривания возникают серициты и иллиты, а при интенсивном выветривании формируется каолинит. Если исключить достаточно редкие случаи бокситизации, когда глинозем сохраняет свою геохимическую обособленность, можно считать, что высвобожденный алюминий в сочетании с кремнием сразу же вновь входит в решетку алюмосиликатных минералов.

Алюминий и кремний. Поведение алюминия напоминает не только поведение железа, но отчасти также и поведение кремния.