Глинистые минералы представляют собой водные филлосиликаты алюминия, иногда с различными примесями железа, магния, щелочных и щелочноземельных металлов, а также других катионов, обнаруженных на некоторых планетарных поверхностях или вблизи них.

Они образуются в присутствии воды, и когда-то они были важны для появления жизни, потому многие теории абиогенеза учитывают их в роль в этом процессе. Они являются важными составляющими почв и были полезны для человека с древних времен в сельском хозяйстве и производстве.

Образование

Глины образуют плоские шестиугольные листы, похожие на слюды. Глинистые минералы являются распространенными продуктами выветривания (в том числе, выветривания полевого шпата) и низкотемпературными продуктами гидротермального изменения. Они очень распространены в почвах, в мелкозернистых осадочных породах таких, как сланцы, аргиллиты и алевролиты, а также в мелкозернистых метаморфических сланцах и филлитах.

Характеристики

Глинистые минералы, как правило (но не обязательно), имеют ультрамелкозернистый размер. Обычно считается, что они имеют размер менее 2 микрометров при стандартной классификации размеров частиц, поэтому для их идентификации и изучения могут потребоваться специальные аналитические методы. К ним относится дифракция рентгеновских лучей, методы дифракции электронов, различные спектроскопические методы, такие как мессбауэровская спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, рамановская спектроскопия и SEM-EDS, или же автоматизированные процессы минералогии. Эти методы могут быть дополнены микроскопией поляризованного света, традиционной техникой, устанавливающей фундаментальные явления или петрологические отношения.

Распространение

Учитывая потребность в воде, глинистые минералы относительно редки в Солнечной системе, хотя они широко распространены на Земле, где вода взаимодействует с другими минералами и органическим веществом. Они также были обнаружены в нескольких местах на Марсе. Спектрография подтвердила их присутствие на астероидах и планетоидах, включая карликовую планету Церера и Темпель 1, а также луну Юпитера Европу.

Классификация

Основные глинистые минералы входят в следующие кластеры:

• Каолиновая группа, которая включает минералы каолинит, диккит, галлуазит и накрит (полиморфы Al2Si2O5 (OH) 4). Некоторые источники включают группу каолинит-серпентин из-за структурного сходства (Bailey 1980).
• Смектитовая группа, которая включает такие как монтмориллонит, нонтронит и бейделлит, и триоктаэдрические смектиты, например, сапонит. В 2013 году аналитические испытания марсоходом Curiosity обнаружили результаты, согласующиеся с присутствием минералов смектитовой глины на планете Марс.
• Иллитовая группа, в которую входят глинистые слюды. Иллит - единственный распространенный минерал этой группы.
• Хлоритная группа включает в себя широкий спектр аналогичных минералов со значительной химической вариацией.

Другие виды

Существуют другие типы этих минералов такие, как сепиолит или аттапульгит, глины с длинными водяными каналами, внутренними по своей структуре. Вариации глины смешанного слоя актуальны для большинства вышеупомянутых групп. Упорядочение описывается как случайное или регулярное упорядочение и далее описывается термином «рейхвайт», что в переводе с немецкого означает «диапазон» или «охват». Литературные статьи ссылаются, например, на упорядоченный иллит-смектит R1. Этот тип включается в категорию ISISIS. R0, с другой стороны, описывает случайное упорядочение. Помимо них, также можно найти другие расширенные типы упорядочения (R3 и т. д.). Глинистые минералы смешанного слоя, которые являются совершенными типами R1, часто получают свои собственные названия. R1-упорядоченный хлорит-смектит известен, как корренсит, R1 - иллит-смектит - ректорит.

История изучения

Знания о природе глины, стали более понятными в 1930-х годах с развитием технологий дифракции рентгеновских лучей, необходимых для анализа молекулярной природы глинистых частиц. Стандартизация терминологии возникла и в этот период с особым вниманием к подобным словам, которые привели к путанице, такой как лист и плоскость.

Как и все филлосиликаты, глинистые минералы характеризуются двумерными пластами угловых тетраэдров SiO4 и / или октаэдров AlO4. Листовые блоки имеют химический состав (Al, Si) 3O4. Каждый кремниевый тетраэдр делит 3 своих вершинных атома кислорода с другими тетраэдрами, образуя гексагональную решетку в двух измерениях. Четвертая вершина не является общей с другим тетраэдром, и все тетраэдры «указывают» в одном направлении. Все неразделенные вершины находятся на одной стороне листа.

Структура

В глинах тетраэдрические листы всегда связаны с октаэдрическими, сформированными из небольших катионов, таких как алюминий или магний, и координированы шестью атомами кислорода. Неподеленная вершина из тетраэдрического листа также образует часть одной стороны октаэдрического, но дополнительный атом кислорода расположен над зазором в тетраэдрическом листе в центре шести тетраэдров. Этот атом кислорода связан с атомом водорода, образующим группу ОН в структуре глины.

Глины можно разделить на категории в зависимости от способа упаковки тетраэдрических и октаэдрических листов в слои. Если в каждом слое есть только одна тетраэдрическая и одна октаэдрическая группа, то то она относится к категории 1:1. Альтернатива, известная как глина 2: 1, имеет два тетраэдрических листа с неразделенной вершиной каждого из них, направленной друг к другу и образующей каждую сторону восьмигранного листа.

Соединение между тетраэдрическим и октаэдрическим листами требует, чтобы тетраэдрический лист становился гофрированным или скрученным, вызывая дитригональное искажение гексагональной матрицы, и октаэдрический лист выравнивался. Это минимизирует общие валентные искажения кристаллита.

В зависимости от состава тетраэдрических и октаэдрических листов слой не будет иметь заряда или будет иметь отрицательный. Если слои заряжены, этот заряд уравновешивается межслоевыми катионами, такими как Na + или K +. В каждом случае промежуточный слой также может содержать воду. Кристаллическая структура сформирована из пакета слоев, расположенных между другими слоями.

"Глиняная химия"

Поскольку большинство глин изготовлены из минералов, они обладают высокой биосовместимостью и интересными биологическими свойствами. Из-за формы диска и заряженных поверхностей глина взаимодействует с целым рядом макромолекул таких субстанций, как белок, полимеры, ДНК и т. д. Некоторые из областей применения глин включают доставку лекарств, тканевую инженерию и биопечать.

Глиняная химия является прикладной дисциплиной химии, которая изучает химические структуры, свойства и реакции глины, а также строение и свойства глинистых минералов. Это междисциплинарная область, включающая концепции и знания из неорганической и структурной химии, физической химии, химии материалов, аналитической химии, органической химии, минералогии, геологии и других.

Изучение химии (и физики) глин и строения глинистых минералов имеет большое академическое и промышленное значение, поскольку они относятся к числу наиболее широко используемых промышленных минералов, используемых в качестве сырья (керамика и т. д.), адсорбентов, катализаторов и др.

Важность науки

Уникальные свойства глинистых минералов почв такие, как слоистое строение нанометрового масштаба, наличие фиксированных и взаимозаменяемых зарядов, возможность адсорбирования и удержания (интеркалирования) молекул, способность образовывать стабильные коллоидные дисперсии, возможность индивидуальной модификации поверхности и межслойной химической модификации и другие делают изучение химии глины очень важной и чрезвычайно разнообразной областью исследований.

На многие различные области знаний влияет физико-химическое поведение глинистых минералов, от наук об окружающей среде до химической технологии, от керамики до обращения с ядерными отходами.

Их катионообменная емкость (CEC) имеет большое значение в балансе наиболее распространенных катионов в почве (Na +, K +, NH4 +, Ca2 +, Mg2 +) и контроле pH, что напрямую влияет на плодородие почвы. Изучение глин (и минералов) также играет важную роль в работе с Са2 +, обычно поступающего с суши (речной воды) в моря. Возможность изменять и контролировать состав и содержание минералов предлагает ценный инструмент в разработке селективных адсорбентов с различными применениями такими, как, например, создание химических датчиков или чистящих веществ для загрязненной воды. Эта наука также играет огромную роль в классификации групп глинистых минералов.

Глинистые минералы представляют собой гидратированные алюмосиликаты, обычно с частичным замещением алюминия железом и магнием. Они тонкозернисты, обычно менее 5 мкм, а в некоторых случаях их размер измеряется миллимикронами.

Атомная структура большинства глинистых минералов сложена двумя единицами. Одна структурная единица состоит из двух слоев плотноупакованных кислородов или гидроксилов, в которых атомы алюминия, железа, или магния расположены в октаэдрической координации таким образом, что каждый из них находится на равном расстоянии от шести кислородов или гидроокислов. Вторая структурная единица образована кремнекислородными тетраэдрами. В каждом тетраэдре атом кремния одинаково удален от четырех кислородов или гидроксилов, расположенных в форме тетраэдра с атомом кремния в центре, чтобы сбалансировать структуру.

Кремнекислородные тетраэдры сгруппированы таким образом, что создают гексагональную сетку, которая бесконечно повторяется и образует лист состава Sі 4 O 6 (OH) 4 . Тетраэдры расположены так, что все их вершины обращены в одну сторону, а основания лежат в одной и той плоскости. Эту структуру можно рассматривать как структуру, состоящую из перфорированной плоскости кислородных атомов, расположенных в плоскости основания тетраэдрических групп; плоскости атомов кремния с атомами кремния, расположенными в полости в месте соединения трех атомов кислорода и, следовательно образующими гексагональную сетку; плоскости атомов гидроксила, в которой каждый гидроксил расположен непосредственно над кремнием на вершине тетраэдров.

Рис.1. Оксфордская глина (Юра) в Уэймуте (Англия)

Глинистые минералы относятся к двум группам. В каолинитовой группе минерал характеризуется двухэтажной (1:1 слой) решеткой, состоящей из одного октаэдрического или гиббситового слоя, связанного с одним кремнекислородным тетраэдрическим слоем. Эта решетка не расширяется в зависимости от изменяющегося содержания воды и замещения на железо или магний в гиббситовом слое неизвестны. Другая группа глинистых минералов характеризуется трехэтажной (2:1) решеткой. В этом типе решетки октаэдрический алюминиевый слой расположен между кремнекислородными тетраэдрическими слоями. Несколько важных глинистых минералов принадлежит к трехэтажной группе. В монтмориллоните эти трехэтажные ячейки свободно объединяются по оси С, а вода и катионы расположены между ними. Количество воды изменяется таким образом, что величина с варьируется от 9,6 до 21,4 о А. Минерал имеет разбухающую решетку.

Трехслойные соединения могут также объединяться калием, который благодаря соответствующему ионному диаметру и координационным свойствам связывают структуру воедино столь плотно, что расширение невозможно. Глинистая слюда, образованная таким образом, представляет собой иллит. Хлоритовая группа также имеет трехэтажную структуру, характеризующуюся внедрением бруситового слоя Mg(OH) 2 между трехэтажными элементами. В каждой структурной группе возможны многие варианты по составу. Хотя многим из них на основании состава даны специальные названия, можно считать, что каждая группа проявляет беспредельно широкий диапазон состава. Глинистые минералы классифицируются главным образом на основе их структуры.

Основные группы глинистых минералов

Группа каолинита. Главным членом группы каолинита является каолинит, имеет формулу (OH) 8 Al 4 Si 4 O 10 или Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O. Старинное название этого минерала перешло от китайцев. Кау-линг - «высокая гора»; так называлось месторождение каолина.

Химический состав. Al 2 O 3 39.5%,SiO2 46,5%, H 2 O 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 SiO 2:Al 2 O 3 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) 4 AL 4 Si 8 O 10 nH 2 O. Монтмориллонит назван по месту нахождения в Монтмориллоне (Франция). Химический состав непостоянный, сильно зависит от варьирующего содержания воды. По анализам чистых разностей устанавливаются следующие колебания (%): Al 2 O 3 11-22, Fe 2 O 3 0-5и больше (ферримонтмориллонит), MgO 4-9, CaO 0, 8-3, 5 и выше в кальциомонтмориллоните,SiO 2 48-56, H 2 O 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 SiO 2:Al 2 O 3 равное трем, и нонтронит, в котором окисное железо замещает алюминий.

Иллитовая, или глинисто-слюдистая группа включает иллит, который имеет общую формулу (OH) 4 Ky(Al 4 Fe 4 Mg 4 Mg 6) (Si 8-y Al y) O 20 , 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 Al 2 O 3 3SiO 2 4H 2 O. 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) 16 Al 4 Si 4 O 6 , а также менее гидратированный метагаллуазит (OH) 8 Al 4 Si 4 O 10 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) 8 Si 4 O 10 , а другая – (OH) 8 Si 4 O 10 4H 2 O. При относительно низких температурах (- + 60°С) 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 (60-75°С) происходит только частичная дегидратация, а для полного удаления межслоевых воды необходима температура порядка 400°С. 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 100°С, а кристаллическая решетка минерала сжимается почти до 10 А 0 , 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 со структурой 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.

39. Глинистые минералы (общие свойства). Чем объясняется влагоемкость глин? Их сорбционные свойства.

Глинистые минералы. В осадочных породах глининстые минералы распространены широко. Они составляют большую и сложную группу слоистых и слоисто-ленточных силикатов и алюмосиликатов. Структура их слоистая или слоисто-ленточная. Отдельные слои образованы связанными между собой тетраэдрами и октаэдрами. В вершинах тетраэдров располагаются ионы кислорода, в центре - кремния (иногда алюминия в четверной координации). В вершинах октаэдров располагаются ионы кислорода и гидроксила, в центре -

алюминия, железа, магния (шестерная координация). Октаэдрические слои могут быть полностью заселены (триоктаэдрические) и частично - из каждых трех заселены два (диоктаэдрические). Эти слои образуют двухслойные (один слой тетраэдров и один слой октаэдров) и трехслойные (два слоя тетраэдров с заключенным между ними слоем октаэдров) пакеты. Связь между слоями осуществляется через кислород и гидроксил, являющиеся общими вершинами тетраэдров и октаэдров. Пространственная решетка каолинита представляет собой набор двухслойных пакетов толщи­ной (межплоскостное расстояние) 0,71-0,72 нм. Базальные отра­жения 001 первого порядка 0,71 --0,72, второго - 0,355-0,360, четвертого - 0,1775-0,1800 нм.

У гидрослюды решетка состоит из набора трехслойных пакетов толщиной 1,0-1,02 нм. Базальные отражения ОО1 первого порядка 1,00-1,02, второго - 0,50-0,51, четвертого - 0,250-0,255 нм.

Пространственная решетка монтмориллонита образована трех­слойными пакетами, между которыми заключены слои воды и об­менных катионов. Содержание последних может сильно изменяться, поэтому и межплоскостное расстояние у монтмориллонита изме­няется в широких пределах - от 0,96-1,001 нм при отсутствии воды и обменных катионов до 1,7-1,8 нм и более при высоком содержании воды и обменных катионов (среднее значение при нормальной влажности примерно равно 1,40-1,50 нм).

Наряду с обычными глинистыми минералами существуют более сложные образования - смешанно-слойные сростки минералов. Пространственная решетка таких сростков состоит из пакетов, принадлежащих различным минералам: монтмориллониту и хлориту (У=2,80 нм), гидрослюде и каолиниту (й=1,70 нм), монтморилло­ниту и каолиниту (с1 = 2,10-2,30 нм) и др. Эти минеральные образо­вания представляют собой своеобразные «гибриды» и рядом ученых рассматриваются как эпитаксические срастания. В изучении их особенно большое значение имеет рентгеновский анализ - един­ственный метод, позволяющий выявлять эти сростки.

По происхождению глинистые минералы могут быть как аутиген-ными, так и аллотигенными образованиями. Из-за высокой степени ■ дисперсности диагностика их затруднительна обычными методами кристаллооптического и химического анализа. Изучение глинистых минералов при массовой работе петрографа должно быть комплекс­ным с применением оптического, хроматического и капельного ана­лизов. Параллельно некоторая часть образцов должна изучаться точными методами: рентгеновским, термическим и электронномик-роскопическим. Сводка оптических и некоторых других свойств глинистых минералов дана в табл. 72-74.

Общими чертами всех глинистых ми­нералов являются: 1) незначительные раз­меры их кристалликов; 2) химический со­став (АI2О3, SiO2, Н2О, иногда К, причем АI и Si в некоторых минералах замеща­ются другими элементами, особенно Мg, Fе); 3) пластинчатая или чешуйчатая фор­ма, обусловленная строением решетки, и 4) некоторые оптические свойства - не­высокие показатели преломления, боль­шей частью немного более высокие, реже немного более низкие, чем у канадского бальзама; у кристаллических-моноклин­ная сингония.

Твердость (2,5) и уд. вес (2,40-2,59) определены точно только для каолинита. Цвет у каолинита и галлуазита белый (бесцветный), у других минералов этой группы иногда наблюдается желтоватая, красноватая, синеватая или зеленоватая окраска.

СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

Зная факторы, определяющие свойства глинистых пород, и методы оценки минерального состава и микроструктуры, попытаемся объяснить природу некоторых важных и весьма специфических свойств глин, имеющих большое значение в жизни людей.

Набухаемость

Под набухаемостью понимают способность глинистых пород увеличивать объем в процессе взаимодействия с водой или водными растворами. Процесс набухания сопровождается увеличением влажности, объема породы и возникновением давления набухания.

Набухаемость глинистых пород является их важным свойством, которое необходимо учитывать при проведении строительных работ и эксплуатации инженерных сооружений. Недооценка набухающей способности глин может привести к серьезным последствиям и авариям. Объясняя природу набухания глин, следует отметить, что этот процесс проходит в две стадии: первая стадия - адсорбционное или внутрикристаллическое набухание, вторая - макроскопическое или "осмотическое" набухание. На первой стадии глинистая порода впитывает влагу за счет адсорбции молекул воды поверхностью глинистых частиц и межслоевыми промежутками кристаллической решетки глинистых минералов. Эта стадия практически не влияет на изменение объема породы. На второй стадии набухания поглощение влаги осуществляется с помощью осмотического давления. Оно возникает вблизи поверхности глинистых частиц за счет избыточной концентрации многочисленных обменных катионов отдиссоциированных (отошедших) с поверхности глинистых частиц в раствор. Основное увеличение объема набухающей глины происходит именно на этой макроскопической стадии.

Величина и характер набухания глинистых пород определяются многими факторами, основными из которых являются минеральный состав, дисперсность и структура. Наибольшим набуханием обладают глинистые породы, в составе которых имеются глинистые минералы с подвижной кристаллической структурой (например, монтмориллонит), наименьшим - минералы с более жесткой кристаллической структурой (каолинит). Сильное влияние на набухание глин оказывает и их структура, при этом определяющее значение имеет характер структурных связей.

Глинистые породы, обладающие преимущественной ориентацией структурных элементов, характеризуются ярко выраженной анизотропией набухания. Наибольшее набухание отмечается в направлении, перпендикулярном ориентации частиц. В ходе процесса набухания происходит существенная перестройка исходной микроструктуры глинистой породы.

Особую трудность представляет рассмотрение прочностных свойств глинистых пород в связи с их специфическим поведением при взаимодействии с водой. Хорошо известна потеря прочности при увлажнении глин, когда они из плотных и высокопрочных пород превращаются в пластичные или жидкотекучие тела.

Подробности Создано 10.08.2011 21:00 Обновлено 30.05.2012 04:39 Автор: Admin

Минералогический состав глин характеризуется наличием некоторых специфических глинистых минералов.

К ним относятся каолинит, галлуазит, монотермит, гидрослюды, монтмориллонит, бейделлит и др. Наряду с ними в глинах содержатся и другие высокодисперсные минералы, присутствующие в них как примеси. Минералы, составляющие глины, принято группировать по характерным свойствам:

Основные свойства некоторых из них представлены в таблице ниже.

Каолинит - широко распространенный глинистый минерал, по составу водный алюмосиликат (моноклинный), имеет слоистое строение, в природе встречается в виде гексагональных или неправильной формы чешуек размером около 1 мк. Блеск чешуек и пластинок перламутровый, жирный на ощупь, объемный вес 1,8-2,2 г/см 3 , теплота смачивания 1-2 ккал/г, обладает гидрофильными свойствами, с водой образует пластичное тесто, но слабо набухает и мало адсорбирует воду и растворимые в ней вещества; в кислой среде устойчив; входит в состав различных глин.

Монотермит - в настоящее время не выделяется как самостоятельный глинистый минерал. По данным Ю. А. Русько и В. П. Ананьева, он представляет собой тонкую механическую смесь гидрослюды и каолинита. Набухаемость и емкость поглощения у монотермитов выражены сильнее, чем у каолинитов.

Этот минерал открыт Г. К. Куманиным в Часов-Ярской огнеупорной глине. Является составной частью весьма пластичных огнеупорных глин (Часов-Яр на Украине, Бускуль на Урале и пр.).

Гидрослюда - одна из разновидностей гидрослюд, наиболее распространенная в глинах. Характеризуется формой изометричных слюдоподобных пластинок или чешуек различной толщины, иногда со следами расщепления и скалывания; обладает гидрофильными свойствами. Минералы гидрослюдистой группы в легкоплавких глинах в основном содержатся во фракции с размером частиц менее микрона.

Монтмориллонит - широко распространенный глинистый минерал, имеющий несколько разновидностей по составу, строению и свойствам: тонкочешуйчатый, удлиненночешуйчатый, крупночешуйчатый. Отличаются друг от друга по степени набухания - первый сильно набухает (может увеличиваться в объеме до 20 раз), второй не набухает или плохо набухает, а третий занимает промежуточное положение между ними по степени набухания
монтмориллонита. Является составной частью отбеливающих (флоридиновых и бентонитовых) глин и глин, обладающих высокой пластичностью Чистые монтмориллонитовые глины добываются на Кавказе, в Крыму и других местах. Легкоплавкие глины содержат железистые разновидности монтмориллонита. Монтмориллонит более богат кремневой кислотой, чем каолинит. Минералы монтмориллонитовой группы, так же как и гидрослюдистые минералы в легкоплавких глинах, в основном содержатся во фракции с размером частиц менее одного микрона.

Рассматривая термин «глины» с точки зрения седиментации, его в первую очередь связывают с понятием размера частиц, однако, с химической и минералогической точки зрения, под «глинами» понимают определенные глинистые минералы. Эти глинистые минералы представляют собой кристаллические образования со слоистой структурой, состоящие из слоя кремнезема и глинозема. К глинистым минералам относятся смектит, иллит, хлорит и каолинит. Они присутствуют в породе в виде мелких кристаллических частиц, размер которых позволяет отнести их к категории глинистых частиц. Анализ типа глинистых минералов, присутствующих в сланцевых глинах, проводится с помощью метода дифракции рентгеновских лучей.

Глинистые минералы абсорбируют на своих поверхностях воду и катионы. Как было указано ранее, глинистые минералы имеют мелкий размер частиц и слоистую структуру, что обеспечивает большую удельную площадь поверхности (т.е. площадь поверхности на грамм материала). Иллит, хлорит и каолинит представляют собой мелкие кристаллы, адсорбирующие на своих внешних поверхностях воду и катионы. Способность смектита адсорбировать воду гораздо выше, чем у других глинистых минералов, поскольку вода и катионы адсорбируются не только на внешних поверхностях его частиц, но и между слоями кристаллической структуры смектита.

Способность адсорбировать воду, способность глин обменивать катионы и удельная площадь поверхности глин - связанные между собой явления, которые иногда называют коллигативными свойствами глин. Эти свойства определяют степень активности глин, однако, поскольку такой параметр, как катионообменная емкость (КОЕ), очень просто измерить, он является практическим методом определения активности глин. КОЕ сухих глин измеряется методом титрования метиленового синего. Стандартной единицей измерения катионообменной емкости является миллиэквивалент на 100 г сухой глины. При замере КОЕ используется раствор метиленового синего 0,01 N, отсюда количество миллилитров раствора метиленового синего, необходимое для достижения конечной точки титрования, равно миллиэкв./100 г.

Ниже приведен диапазон значений КОЕ для различных глинистых материалов:

Очевидно, что смектит, по сравнению с другими глинистыми минералами, представляет собой наиболее активный/реакционноспособный минерал. Глинистые породы, содержащие смектит, гораздо более восприимчивы к воде, и в наибольшей степени подвержены гидратации. Сланцевые глины, в состав которых входят другие глинистые минералы, гидратируют в меньшей степени, однако, они тоже могут быть водочувствительными. Объем глинистых минералов, входящих в состав сланцевых глин, варьируется. Реакционная способность глинистых пород зависит от типа и объема глинистых минералов, присутствующих в породе. Часто для замера активности сланцевых глин вместо метода дифракции рентгеновских лучей лучше использовать КОЕ.

Иллит и смектит имеют схожую кристаллическую структуру. Она представляет собой чередующиеся трехслойные образования, где между двумя прослоями кремнезема находится слой алюминия. Отличительной особенностью смектита является то, что указанные трехслойные образования перемежаются слоями адсорбированных ионов и воды. Структура иллита отличается наличиемионов калия между указанными трехслойными образованиями и отсутствием воды. К тому же, в слоях кремнезема, присутствующих в иллите, произошло значительное замещение атомов кремния атомами алюминия, в смектите подобного не произошло. Атомы калия в иллитовой структуре не являются обменными ионами, они представляют собой фиксированную часть кристаллической структуры; обменными являются только те ионы, которые расположены на внешних поверхностях иллита. В смектите, ионы между слоями являются катионнообменными и представлены натрием, кальцием, магнием и калием (обратите внимание, что ионообменный калий в смектите не такой же, как в иллите).

Как уже отмечалось ранее, при обсуждении диагенеза, смектитовые и иллитовые глины чаще всего бывают представлены как смешанослойные минералы. В минералах подобного типа некоторые слои содержат обменные ионы и воду, тогда как другие «крепко связаны» атомами калия, находящимися между слоями. Смектиты и иллиты присутствующие в шельфовых отложениях и осадочных породах, в основном залегают в виде смешанослойных глин. Многие бурильщики с большим стажем, и некоторые другие категории специалистов, непосредственно занимающиеся бурением, вместо термина смектит используют монтмориллонит или бентонит, подразумевая под этим глины, содержащие воду внутри слоистой структуры. Такая ситуация объясняется тем, что специалисты, изучающие глины, в течение многих лет разрабатывали номенклатуру глинистых материалов. В настоящее время процесс уточнения терминологии продолжается, так как обнаруживаются новые детали, касающиеся природы глинистых материалов. Для более подробной характеристики того или иного глинистого материала предлагаются следующие определения:
Смектит - группа глинистых минералов, имеющих трехслойную структуру, и содержащих воду между слоями алюмосиликата. В данную группу минералов входят монтмориллонит, гекторит, сапонит, нонтронит и ряд других минералов.
Иллит - особый глинистый минерал, структура которого схожа со структурой смектита, однако между двумя слоями алюмосиликата отсутствует слой воды. Специалисты еще не определили иллит в отдельную группу минералов, однако над этим ведется работа.
Монтмориллонит - широко распространенный минерал, относящийся к смектитовой группе минералов. Большинство смектитовых глин, залегающих в Мексиканском заливе в зоне США, являются монтмориллонитом. В других осадочных бассейнах могут быть другие отложения.
Бентонит с точки зрения геологии - это отложения измененного вулканического пепла. В промышленном использовании, под термином бентонит подразумевается монтмориллонит натрия, добываемый и используемый в качестве добавки к буровым раствором. Бентонитовая глина, добываемая в Вайоминге, извлекается из бентонитового пласта, тогда как в других районах эта глина может добываться и из других типов геологических отложений.

Хлоритовые глины по активности схожи с иллитом. Хлориты относятся к группам особых глинистых минералов. Как правило, они содержат слой алюминия между двумя слоями кремнезема, а также слой оксида магния или железа. Вода между слоями отсутствует. Некоторые, сформировавшиеся в более ранние эпохи, глинистые породы, сильно измененные в результате диагенеза, в качестве глинистых составляющих содержат только хлорит и иллит. Большинство этих глин можно назвать относительно нереактивными, но некоторые из них могут гидратировать и осыпаться.

Каолинитовая глина менее активна, чем другие глинистые минералы. Базовую структуру каолинита составляют перемежающиеся слои кремнезема и алюминия. Размер кристаллов каолинита обычно превышает размер кристаллов смектита или иллита, они имеют меньшую удельную площадь, катионообменную емкость и обладают меньшей способностью адсорбировать воду. Каолинитовые глины могут диспергироваться в водных буровых растворах.

Тип глин, представленных в породе, анализируется с помощью метода дифракции рентгеновских лучей. Данный метод заключается в измерении расстояния между атомными плоскостями кристаллического вещества. В следующей таблице представлены величины толщины слоев в ангстремах (Å или 10-8 см) для наиболее распространенных видов глин:

Стоит напомнить, что расстояние между кристаллами в смектитовой глине зависит от типа ионов. Один из классических методов идентификации смектита в случае, если возникает сомнение относительно его присутствия, - обработать глины этиленгликолем, и посмотреть, увеличилось ли расстояние между плоскостями до 17 ангстрем.
Для получения более подробной информации о механизмах катионного обмена, а также набухания и дисперсии глин, см. главу