Состав и группы глинистых минералов. Состав и свойства основных глинистых минералов
И определяющих их физико-химические, механические и др. свойства.
Глинистые минералы являются продуктом выветривания преимущественно алюмосиликатов и силикатов магматических и метаморфических горных пород на дневной поверхности. В процессе выветривания глинистые минералы испытывают стадийные преобразования структуры и химического состава в зависимости от изменения физико-химических условий среды выветривания и седиментации. Размеры частиц глинистых минералов в глинах большей частью не превышают 0,01 мм. По кристаллической структуре глинистые минералы относятся к слоистым или псевдослоистым силикатам.
Высокая удельная поверхность, изоморфные замещения , обилие сколов кристаллической решётки и нескомпенсированных зарядов придаёт глинистым минералам катионнообменную способность . Также они способны химически связывать воду.
В состав минералов входят слои, состоящие из кремнекислородных тетраэдров и алюмогидроксильных октаэдров , эти слои объединяются в элементарные пакеты, совокупность которых формирует частицу минерала. По набору слоёв в пакете различают несколько групп глинистых минералов:
- Группа каолинита (каолинит, галлуазит) c пакетом, состоящим из одного слоя октаэдров и одного слоя тетраэдров. Пакеты прочно связаны между собой и плотно прилегают друг к другу, в результате чего молекулы воды и катионы металлов не могут входить в межпакетное пространство и минерал не набухает в воде, а также обладает низкой ёмкостью катионного обмена (ЕКО).
- Группа монтмориллонита или группа смектита (монтмориллонит, нонтронит , бейделит и др.) с трёхслойным пакетом вида тетраэдр-октаэдр-тетраэдр. Связь между пакетами слабая, туда проникает вода, из-за чего минерал сильно набухает. Отличается высокой ЕКО (до 80-120 мг-экв на 100 г.).
- Группа гидрослюд (гидробиотит , гидромусковит и др.) также с трёхслойным пакетом, но сильной связью между ними. Практически не поглощают воду и не набухают в ней. Отличаются высоким содержанием калия , поскольку его ионный радиус позволяет ему входить в пустоты структуры минерала.
- Группа хлорита с четырёхслойной набухающей структурой.
- Группа смешаннослойных минералов с чередованием пакетов различных типов. Носят названия вида иллит-монтмориллонит, вермикулит-хлорит и т. п., свойства сильно варьируют.
Напишите отзыв о статье "Глинистые минералы"
Литература
- Гинзбург И. И., Рукавишникова И. А., Минералы древней коры выветривания Урала, М., 1951;
- Рентгеновские методы изучения и структура глинистых минералов, пер. с англ., М., 1965.
Отрывок, характеризующий Глинистые минералы
Солдаты товарищи, шедшие рядом с Пьером, не оглядывались, так же как и он, на то место, с которого послышался выстрел и потом вой собаки; но строгое выражение лежало на всех лицах.Депо, и пленные, и обоз маршала остановились в деревне Шамшеве. Все сбилось в кучу у костров. Пьер подошел к костру, поел жареного лошадиного мяса, лег спиной к огню и тотчас же заснул. Он спал опять тем же сном, каким он спал в Можайске после Бородина.
Опять события действительности соединялись с сновидениями, и опять кто то, сам ли он или кто другой, говорил ему мысли, и даже те же мысли, которые ему говорились в Можайске.
«Жизнь есть всё. Жизнь есть бог. Все перемещается и движется, и это движение есть бог. И пока есть жизнь, есть наслаждение самосознания божества. Любить жизнь, любить бога. Труднее и блаженнее всего любить эту жизнь в своих страданиях, в безвинности страданий».
«Каратаев» – вспомнилось Пьеру.
И вдруг Пьеру представился, как живой, давно забытый, кроткий старичок учитель, который в Швейцарии преподавал Пьеру географию. «Постой», – сказал старичок. И он показал Пьеру глобус. Глобус этот был живой, колеблющийся шар, не имеющий размеров. Вся поверхность шара состояла из капель, плотно сжатых между собой. И капли эти все двигались, перемещались и то сливались из нескольких в одну, то из одной разделялись на многие. Каждая капля стремилась разлиться, захватить наибольшее пространство, но другие, стремясь к тому же, сжимали ее, иногда уничтожали, иногда сливались с нею.
– Вот жизнь, – сказал старичок учитель.
«Как это просто и ясно, – подумал Пьер. – Как я мог не знать этого прежде».
– В середине бог, и каждая капля стремится расшириться, чтобы в наибольших размерах отражать его. И растет, сливается, и сжимается, и уничтожается на поверхности, уходит в глубину и опять всплывает. Вот он, Каратаев, вот разлился и исчез. – Vous avez compris, mon enfant, [Понимаешь ты.] – сказал учитель.
– Vous avez compris, sacre nom, [Понимаешь ты, черт тебя дери.] – закричал голос, и Пьер проснулся.
Он приподнялся и сел. У костра, присев на корточках, сидел француз, только что оттолкнувший русского солдата, и жарил надетое на шомпол мясо. Жилистые, засученные, обросшие волосами, красные руки с короткими пальцами ловко поворачивали шомпол. Коричневое мрачное лицо с насупленными бровями ясно виднелось в свете угольев.
– Ca lui est bien egal, – проворчал он, быстро обращаясь к солдату, стоявшему за ним. – …brigand. Va! [Ему все равно… разбойник, право!]
И солдат, вертя шомпол, мрачно взглянул на Пьера. Пьер отвернулся, вглядываясь в тени. Один русский солдат пленный, тот, которого оттолкнул француз, сидел у костра и трепал по чем то рукой. Вглядевшись ближе, Пьер узнал лиловую собачонку, которая, виляя хвостом, сидела подле солдата.
Глинистые минералы, тампонирующие поры, в основном волокна илли-та (рис.3-14с), связаны по всему поровому пространству. Этот тип является основной причиной снижения проницаемости, поскольку тампонаж проще всего достигается в протоках, а также он снижает размер пор. Влияние на пористость меньше, поскольку микропористость сохраняется между очень тонкими волокнами.[ ...]
Глинистые минералы в шельфовых осадках имеют в основном обломочное происхождение, и их распределение частично отражает различия в источнике происхождения. Богатый монтмориллонитом осадок на севере происходит за счет обогащенных известью почв, тогда как каолинит-иллит-монтмориллонитовые глины юга отражают их происхождение из более щелочных почв. Распределение глин по шельфу также различно, на него влияет то, что монтмориллонит осаждается преимущественно в более глубоких, удаленных от берега водах. Иллит и каолинит концентрируется ближе к берегу , такие же соотношения обычно наблюдаются и в древних разрезах.[ ...]
Глинистые слоистые минералы могут тоже обратимо поглощать и отдавать оксигидрильные группировки. Кроме того, вследствие особого расположения этих группировок на поверхности глинистых частичек они обладают специфической подвижностью . Эти свойства отличают ОтН„-группировки глинистых минералов от адсорбированной воды и позволили выделить их в самостоятельную группу - «межслоевая вода».[ ...]
Глинистые минералы группы гидрослюд и монтмориллонита обладают важной способностью аккумулировать химические элементы, необходимые для развития травянистых растений. Поэтому в условиях северных лесов породы, богатые этими минералами, более благоприятны для образования дерново-подзо-листых почв, чем породы, лишенные гипергенных силикатов, на которых формируются подзолистые почвы. Переполнение почвообразующей породы обломочным кварцем создает условия дефицита элементов питания для растений. Это справедливо также для редких и рассеянных химических элементов. Достаточно вспомнить явление нехватки меди и некоторых других рассеянных элементов в выщелоченных почвах, сформированных на водно-ледниковых и древнеаллювиальных песчаных отложениях.[ ...]
Глинистые минералы способны сорбировать такие содержащиеся в сточных водах неионные водорастворимые вещества, как полимеры типа поливинилового спирта (ПВС) и поливинил пирролидона (ПВП). Эти вещества имеют широкое применение в разных отраслях промышленности (в частности, текстильной и др.). Молекулы этих полимерных веществ практически не поддаются биологическому разложению. Смектиты, в том числе монтмориллонит, иллиты и другие глинистые минералы, способны активно сорбировать ПВС и ПВП различного молекулярного веса из водных растворов (рис. 2.3.5).[ ...]
Глинистые минералы активно сорбируют пестициды и другие низкомолекулярные органические загрязнители. Механизм сорбции и ее интенсивность зависят от химического строения молекул и водных молекулярных комплексов пестицидов, в частности наличия у них ионогенных и неионогенных групп. Наиболее активно сорбируются ионогенные (катионные) пестициды и другие низкомолекулярные органические загрязнители. Однако есть данные о том, что монтмориллонит способен сорбировать неионные пестициды по ионообменному механизму. На величину сорбции пестицидов глинистыми минералами большое влияние оказывает pH порового раствора (рис. 2.3.8).[ ...]
Глинистые минералы, покрывающие поры (в сущности, иллит, хлорит и монтмориллонит), образуют на стенках пор тонкий слой чешуек, параллельных или перпендикулярных стенке поры (рис.3-14Ь), но рост не распространяется далеко в поровое пространство. Между чешуйками может присутствовать значительная микропористость, хотя диаметр пор меньше 1 цм. Этот тип аутиген-ных глинистых минералов существенно снижает проницаемость, а также влияет на многие электрические свойства породы, поскольку может сильно увеличивать площадь поверхности.[ ...]
Глинистые минералы являются вторичными алюмосиликатами с общей химической формулой «5Ю2А1203-тН20 и характерным молярным отношением БЮ2: А1203, изменяющимся от 2 до 5.[ ...]
Запасы глинистых минералов в СССР практически неисчерпаемы. В частности, поданным М. С. Мерабишвили и Г. А. Мачабели на территории Советского Союза известно уже около 400 месторождений и проявлений бентонитовых глин. Если учесть дешевизну природных сорбентов, а это играет большую роль при включении того или другого реагента в технологическую схему очистки воды, то можно считать, что высокодисперсные минералы рационально использовать в качестве добавки перед введением коагулянтов с целью более полного удаления из воды болезнетворных микроорганизмов.[ ...]
Алевритовые и алевритово-глинистые илы вытеснены на периферию апвеллинговых зон и распространены либо во внешней части шельфа, либо в нижней половине материкового склона. Так, мелкоалевритовые илы встречаются на отдельных участках во внешней части перуанского шельфа (7-10° ю. ш.). Они на 80% сложены зернами кварца, остальное приходится на обломки метаморфических пород (10 %), плагиоклазы (1 %) и калиевые полевые шпаты (7 %). Алевритово-глинистые илы состоят из агрегатов глинистых минералов с низким цветом интерференционной окраски и неупорядоченной текстурой. Характерно обилие тонких слюдистых чешуек и пластинок роговой обманки, а в районах современного вулканизма (окраина Перу) также вулканического стекла.[ ...]
Отрицательный заряд у кристаллических глинистых минералов не зависит от pH. Коллоиды, несущие только отрицательный заряд, называют ацидоидами, а несущие только положительный заряд - базой дам и.[ ...]
Оглинение - процесс образования вторичных глинистых минералов. Может осуществляться в результате непосредственного превращения на месте первичных минералов во вторичные под влиянием биохимических и химических агентов, а также в результате процессов вторичного синтеза из продуктов минерализации органических остатков. Оглинению способствуют достаточное увлажнение профиля в условиях продолжительного периода с положительными температурами, а также интенсивно протекающие процессы биологического круговорота веществ. В развитии процессов оглинения в почвенном профиле важное значение имеет участие микроорганизмов и продуктов жизнедеятельности и разложения высших растений. Оглинение происходит в средней части профиля, где отмечается наиболее устойчивое и благоприятное для глинного выветривания состояние теплового и водного режимов. На каменисто-хрящеватых породах оглинение наблюдается с поверхности. При оглинении в почвенном профиле накапливаются ил, железо, алюминий, марганец, фосфор, магний, кальций и другие элементы.[ ...]
Типичный аэрозоль пустынь на 75 % состоит из глинистых минералов (35% монтмориллонита и по 20% каолинита и иллита), 10 % составляет кальцит, и по 5 % - кварц, нитрат калия и соединения железа лимонит, гематит и магнетит с примесью некоторых органических веществ. Согласно строке 1а табл. 7.1, годичная продукция минеральной пыли варьирует в широких пределах (0,12-2,00 Гт). С высотой концентрация уменьшается, так что минеральная пыль наблюдается преимущественно в нижней половине тропосферы до высот 3-5 км, а над районами пыльных бурь - иногда до 5-7 км. В распределении частиц минеральной пыли по размерам обычно имеются два максимума в диапазонах крупнодисперсной (преимущественно силикатной) фракции г=1... 10 мкм, существенно влияющей на перенос теплового излучения, и субмикронной фракции r[ ...]
При этом в зависимости от составов рассолов и глинистых минералов резко меняются фильтрационные свойства глин и суглинков. При фильтрации хлоридных натриевых растворов изменения фильтрационных свойств песчано-глинистых отложений по (¿равнению с пресными водами значительно большие (до 5-10 раз), чем при фильтрации хлоридных кальциевых растворов (1,5-2 раза). Особенно резко увеличивается проницаемость монтмориллонитовых глин (в 10 раз и более) и, в меньшей степени, каолинитовых. Кроме того, и температура фильтрующейся воды влияет на проницаемость глин. Рост температуры от 20°С до 30°С увеличивает проницаемость монтмориллонитовых глин в 10, иногда в 100 раз [Гольдберг, Скворцов, 1986]. В целом в зависимости от состава глинистых минералов проницаемость их в интервале температур 20-90°С увеличивается на порядок и больше.[ ...]
Сорбционные свойства минеральной части почв обусловлены глинистой фракцией, представленной смесью различных глинистых минералов: слоистые алюмосиликаты, оксиды и гидроксиды различных элементов. Способность глинистых минералов стехиометрически связывать катионы металлов, обменивая их на другие катионы, называют емкостью катионного обмена.[ ...]
В шлифах выделяют скелет и плазму почвы. Скелет состоит из минералов крупнее 2 мкм - в основном это различные первичные минералы почвы, плазма представлена тонкими частицами менее 2 мкм в диаметре. Она состоит из глинистых минералов, вторичных несиликатных оксидов железа и алюминия, гумуса и в зависимости от состава делится на глинистую, гумусно-глинистую, карбонатно-глинистую, железисто-глинистую. В шлифах хорошо заметны характер пористости, агрегироваиности и различные новообразования, свидетельствующие о характере почвообразовательного процесса.[ ...]
Как было ¡показано выше, .при неизменном значении pH адсорбционная способность глинистых минералов снижается в последовательности монтмориллонит- -иллит->-каолинит. В почвах с нейтральной (pH 7) или щелочной (pH 7-10) реакцией между частицами почвы и гербицидом действуют только слабые Ван-дер-Ваальсовы силы. При этих условиях возможна только молекулярная адсорбция. В кислой же среде начинают проявляться силы электростатического взаимодействия, и вследствие этого в кислых почвах на так называемых Н-глинных минералах адсорбция идет гораздо сильнее. Величина адсорбции зависит от количества обменных ионов водорода (или одновалентных катионов) в почве. В нейтральной и особенно в щелочной среде (pH выше 7), например в кальциевых глинных минералах, гербициды адсорбируются гораздо слабее. Добавление в такие почвы кислых минеральных удобрений приводит к усилению, а извести - к ослаблению их адсорбционной способности.[ ...]
Изучение использования адсорбционных и адгезионных свойств высокодисперсных глинистых минералов и ионообменной способности полимерных материалов для обеззараживания воды си стематически не проводятся. Однако данные классификации очистки воды, как и их экспериментальная проверка , указывают на то, что подобные исследования позволят усовершенствовать методы водоочистки, а применение названных выше материалов окажется одним из наиболее реальных путей в разрешении проблемы обеззараживания воды даже от наиболее устойчивых форм возбудителей различных заболеваний, и особенно вирусов.[ ...]
Применение для обеззараживания воды обладающих адсорбционными свойствами высокодисперсных добавок глинистых минералов следует считать необходимым мероприятием в тех случаях, когда обычные методы обеззараживания недостаточно эффективны. Поскольку при повышенной мутности воды болезнетворные агенты в известной степени защищены от разрушающего действия излучений, окислителей или ионов тяжелых металлов, последующее обеззараживание воды требует глубокого ее осветления. Иллюстрацией к сказанному могут служить данные Хадсона . Он установил, что уровень заболеваемости инфекционным гепатитом в городах США находился в связи с мутностью подаваемой населению воды и количеством бактерий в ней. При мутности воды 0,15 мг/л заболеваемость была равна 3, при 0,3 мг/л - 31 и при 1 мг/л - 130 человек на каждые 100 тыс.[ ...]
Железные руды. Большинство работ по селективной флокуляции посвящены отделению оксидов железа от кварца и глинистых минералов в процессе обогащения железных руд.[ ...]
В зависимости от типа минерала образуются пакеты из двух или трех елоев или листов. Кристаллическая решетка минералов состоит из множества таких пакетов. Между ними имеются свободные межпакетные пространства. Различают два основных типа, строения кристаллической решетки глинистых минералов.[ ...]
Песчаные и супесчаные почвы состоят из кварца и полевых шпатов, суглинистые - из смеси первичных и вторичных минералов, а глинистые - преимущественно из вторичных глинистых минералов с примесью кварца. От механического состава почвы зависят многие важные физические, физикохимические и химические ее свойства. Содержание в почвах железа, кальция, магния, калия, натрия и других элементов питания, которые входят только в минеральную часть почвы, а в некоторой степени также фосфора, находящегося и в минеральной и в органической части почвы, определяется главным образом их механическим составом. Более тяжелые глинистые и суглинистые почвы богаче элементами питания, чем легкие песчаные и супесчаные почвы.[ ...]
Из предыдущих замечаний очевидно, что знание типа распределения (чешуйчатое, структурное или дисперсное) и природы глинистых минералов весьма существенно для прогнозирования пределов изменения проницаемости и существования и распределения барьеров проницаемости.[ ...]
Термический метод закрепления микроколичеств радиоактивных изотопов в силикатных материалах основан на свойстве глинистых минералов терять свои ионообменные свойства по мере повышения температуры. В бентонитовых глинах относительно надежный эффект был достигнут при 1000 °С. Фиксация может проводиться также в карбонатных породах .[ ...]
Имея в обменном состоянии целый ряд элементов, которые вследствие своей слабой связи с кристаллической решеткой легко усваиваются растениями, глинистые минералы типа монтмориллонита в то же время являются и регулятором почвенного раствора не только с точки зрения его концентрации, но и разнообразия солевого состава.[ ...]
В качестве материалов, обеспечивающих необходимый эффект адгезии, нами были исследованы природные дисперсные алюмосиликаты - каолин, бентониты, палыгорскит и другие глинистые минералы (табл. 47). В результате проведенных опытов оказалось, что максимальной сорбирующей способностью по отношению к бактериям коли обладают палыгорскит и вермикулит, суспензия которых в концентрациях 200-500 мг/л полностью осаждает взвешенные в воде бактерии (до 300 000 особ/л).[ ...]
Гу мины почвенного гумуса, согласно современным исследованиям, представляют гуминовые кислоты более упрощенного строения, которые прочно связаны с минеральной частью почвы, с частицами глинистых минералов монтмориллонитовой группы. Этим объясняют более высокую устойчивость гуминов к действию кислот и щелочей. Азот этой фракции гумуса составляет 20-30 % общего азота почвы и является наиболее прочно связанным и устойчивым к разложению микроорганизмами.[ ...]
Кроме того, поглощение катионов тяжелых металлов происходит путем изоморфных замещений и закрепления в решетке. Так, А11+ решетки монтмориллонита может замещаться на Ре +, Ме2+, №2+, 2гн, Си2+, Со2+, в вермикулите - на М§2+, Ре2+, Ре3+, Сг3+, V . Глинистые минералы способны поглощать и анионы (молибдат-ион, например), преимущественно благодаря присутствию свободных положительных зарядов в ионогенном слое кристаллической решетки.[ ...]
В геохимическом плане 137Сз может рассматриваться в качестве аналога калия. В природе единственный стабильный изотоп цезия (его кларк в земной коре равен 6,5 10 4 %) за счет изова-лентного изоморфизма входит в состав кристаллической решетки минералов калия - слюд и полевых шпатов. Радиоцезий может прочно связываться с твердой фазой почв, внедряясь в меж-пакетное пространство глинистых минералов. Фиксированные в них ионы цезия в существенно меньшей степени переходят в почвенный раствор. По данным Гориной (1976), в серых лесных, луговых почвах и в черноземе 37Сэ распределяется между обменной (9-15%), необменной кислоторастворимой (4-6%) и фиксированной (81-85%) формами. В легких супесчаных почвах доля фиксированных форм снижается до 60 % и увеличивается содержание обменной (28 %) и кислоторастворимой (12 %) форм. Считается, что роль органического вещества в сорбции 137Сз невелика.[ ...]
По периферии бухты, особенно вдоль западного побережья, формируются на дне песчано-ракушечные отложения. У берега до изобаты 5 м обнажаются твердые коренные породы, представленные в основном мергелями, доломитами и аргиллитами. Известно, что глинистые минералы характеризуются сорбционными свойствами. Наличие метаморфизованного органического вещества и гуминовых кислот в глинистых отложениях резко повышает аккумулятивные свойства последних по отношению к металлам - меди, свинцу, цинку, кадмию, никелю - и ядовитому неметаллу мышьяку. Участки дна с черными илами являются «ловушками» для тяжелых металлов-токсикантов. Эти зоны также благоприятны для отложения материала, поступающего в бухту со стоками небольших речек, ливневок, канализационных стоков и через гирло бухты. Этому процессу способствует гидродинамика в бухте, особенно во время действия ветров южных румбов, когда в центре циклонических водоворотов отмечаются относительно низкие скорости течений по сравнению с периферической зоной. Благодаря этому мы отмечаем обширные максимумы тяжелых металлов (Си - до 72,4 мг/кг, Zn - до 77,0 мг/кг, РЬ - до 46,4 мг/кг, Cd - до 12,0 ■ 10 2 мг/кг) в центральной части в основном восточной половины бухты. Области повышенных содержаний металлов (Cu, Cd, Zn, РЬ) приурочены к участкам загрязнения осадков нефтепродуктами (НП). Наибольшая загрязненность морской воды НП отмечена на курсе движения судов к пассажирскому причалу, в районе пассажирского причала, на рейде судов. В осадках бухты отмечены три области загрязнения НП: пассажирский и грузовой причалы, устье р. Су-Аран, центр бухты. Нефтяные загрязнения также накапливаются в тонкодисперсных илистых осадках в центре бухты. По классификации осадки относятся к чистым грунтам (содержание НП до 100 мг/кг). Основные источники загрязнения НП - морской грузовой и пассажирский транспорт, городские ливневые стоки. Изучено распределение техногенных органических веществ в морской среде бухты (ПАУ, фенолы, СПАВ и хлорорганичес-кие пестициды). Результаты наблюдений показали, что концентрации органических веществ наблюдаются на уровне фоновых.[ ...]
Минералогический состав дерново-подзолистых почв разнообразен и зависит главным образом от механического состава и свойств почвообразующих пород. В крупных фракциях механических элементов встречаются кварц, полевые шпаты, слюды и другие первичные минералы. По Н. И. Горбунову, в илистой (меньше 0,001 мм) фракции почв, образовавшихся на моренных и покровных суглинках, наиболее характерными высокодисперсными минералами являются гидрослюды, вермикулит, минералы монтмориллонитовой группы, несиликатные аморфные полуторные окислы. Иногда присутствует небольшая примесь каолинита, кварца, редко гетита, гиббсита. При этом высокодисперсных глинистых минералов и полуторных окислов обычно меньше в подзолистом горизонте и больше в иллювиальном. В почвах, сформировавшихся на массивно-кристаллических или хорошо дренируемых осадочных породах, преобладают гидрослюды, вермикулит, каолинит, минералы монтмориллонитовой группы, хлориты. Из сопутствующих минералов встречаются аморфные пол утор аокиси, кварц.[ ...]
Аммонификация - процесс разложения органических веществ, протекающий с участием специфических аммонифицирующих микроорганизмов и ведущий к образованию N113 или ЫН Ион аммония может быть выщелочен или поглощен в почвенном комплексе или необменно фиксирован трехслойными глинистыми минералами с расширяющейся решеткой. Содержание фиксированного аммония в почвах меняется от 1-2 до 10-12 ммоль/100 г почвы. Аммонификация - первая стадия минерализации азотсодержащих органических соединений.[ ...]
Одной из самых важных причин адсорбции полимера на взвешенных частицах является образование химических валентных связей при адсорбции полимеров. Указывается на возможность образования таких связей при реакции карбоксильных групп полиакрилатов ц гидролизованного полиакриламида с глинистыми минералами, содержащими кальций поверхностных кальциевых солей. Прочные химические соединения образует крахмал, содержащий эфиры фосфорной кислоты в присутствии катионов Са, Ag и 2п. Наконец, к этому же типу реакции относится необратимое замещение ионообменных катионов глинистых минералов на органические амины: хлористый дециламин, гексадецилоксиметилпи-ридийхлорид и др. Нами показано, что подобное замещение происходит при флокуляции глинистых суспензий (иллита, гумбри-на, каолинита и бентонита) катионными флокулянтами В А-2 и ВА-3, в молекуле которых имеются группы четвертичных аммониевых оснований.[ ...]
Эффективным способом борьбы с радиоактивным загрязнением является закрепление радионуклидов органическим веществом с образованием нерастворимых комплексов (хелатов). В большинстве почв повышение pH, количества обменного калия и кальция способствует сорбции радионуклидов (например, стронция). Глинистые минералы хорошо фиксируют такие радионуклиды, как стронций, цезий.[ ...]
Илистые фракции ([ ...]
Обменное поглощение (сорбция) анионов выражено у кислых почв, богатых коллоидными формами полутораоксидов или другими, например органическими, амфолитоидами. В таких почвах предполагается наличие положительно заряженных поверхностей. В. М. Клеч-ковский и Н. В. Каширкина показали возможность обратимого обмена гидроксилов некоторых глинистых минералов на фосфат-ионы. На почвах, богатых полутораок-сидами, экспериментально показана возможность протекания наряду с процессами катионного обмена обменного поглощения анионов С1 , N0 , БО - и др. Однако для многих поливалентных анионов экспериментальное исследование обменной сорбции затруднено вследствие одновременно протекающего химического необменного поглощения этих ионов.[ ...]
Преобладающими климатическими фактора- 1 ми, контролирующими тип осадка на шельфе, являются температура и атмосферные осадки (рис. 9.5). Наиболее существенные изменения в этих параметрах совпадают с наиболее заметными широтными вариациями характера шельфовых осадков . В полярном климате, например, иловые отложения содержат немного глинистых минералов, характерным компонентом глинистой фракции является хлорит, к наземным ледникам примыкают обширные отложения гравия. В дождливом тропическом климате, однако, обильные илы содержат большую долю глинистых минералов; вблизи небольших рек часто обилен каолин, в крупнозернистых осадках преобладает кварц. В жарком сухом климате могут преобладать принесенные ветром песок и алеврит. В наиболее умеренном климате нельзя выделить отчетливые типы осадков.[ ...]
Важнейшими неспецифическими азотсодержащими веществами, которые обнаруживаются в почвах в свободном состоянии, являются белки. Кроме белков, в почвах присутствуют аминокислоты, аминосахара, нуклеиновые кислоты, хлорофилл, амины. Большая часть этих азотсодержащих веществ, которая не входит в состав гумусовых веществ, адсорбирована по поверхности глинистых минералов или образует нерастворимые соединения с минеральными компонентами почв. Под влиянием ферментативной деятельности микроорганизмов белки расщепляются на менее сложные компоненты, легко гумифицируются и минерализуются.[ ...]
Таким образом в апте в Центральной Атлантике появились окраины, по своему облику и фациальному спектру осадков близкие к современным окраинам пенепленизированных областей кра-тонов. Такие же окраины возникли по периферии южно-атлантической впадины (современные Аргентинская и Капская котловины). В нижних горизонтах, вскрытых этими скважинами, преобладают иллит (30 50 %) и каолинит (20-45 %) с примесью хлорита и смешаннослойных образований (в составе последних доминирует вермикулитовая фаза). В отложениях раннеаптского возраста фиксируется та же ассоциация. Однако вверх по разрезу в ней постепенно увеличивается содержание монтмориллонита (от 5 до 85 %). Интересно, что в качестве примеси в этих же слоях находится палыгорскит. Подобная смена минералов по разрезу может указывать на тектоническую активизацию, захватившую переходные зоны в первую половину раннего мела, с последующей нивелировкой рельефа и образованием обширных прибрежных равнин, в глубине которых располагались остаточные поднятия с формировавшимися на них корами выветривания. Таким образом, изучение глинистых минералов в осадках пассивных окраин позволяет реконструировать не только климат прошлого, но и тектоническое состояние того или иного их участка.[ ...]
С ростом температуры повышается растворимость УВ. Но роль температуры проявляется не только в повышении растворимости УВ, но и в снижении адсорбционной емкости пород. Так, по данным У. М. Дау, при повышении температуры от 32 до 38° С адсорбционная емкость адсорбентов для УВ С2 - С6 снижается на 25%. Адсорбционная емкость пород уменьшается и в результате перестройки глинистых минералов: адсорбционная емкость гидрослюд снижается в 3-4 раза по сравнению с адсорбционной емкостью монтмориллонита.[ ...]
Сумма обменных оснований высокая - до 50 мг-экв, причем обменный магний составляет 25-50% от суммы и его содержание увеличивается с глубиной. Обменного натрия обычно мало - до 5% от суммы. По содержанию гумуса в верхнем горизонте (3-8%) темные слитые почвы близки к чернозёмам, С гк/С фк равно 1,5-2. Среди гуминовых кислот относительно повышено содержание фракции, связанной с глинистыми минералами и устойчивыми полуторными оксидами. В верхних слоях возможно повышенное содержание бурых гуминовых кислот.[ ...]
Тяжелые металлы в почве претерпевают различные трансформации: закрепление гумусовым веществом, которое осуществляется в результате образования ТМ солей с органическими кислотами, адсорбции ионов на поверхности коллоидных систем или закомп-лексовывания их гумусовыми кислотами. Некоторая часть ионов ТМ адсорбируется на поверхности минеральных частиц. Возможно также их проникновение в межплоскостное пространство глинистых минералов или изоморфное замещение ионов других элементов в кристаллической решетке.[ ...]
Подвижность молибдена в почвах, его доступность растениям и эффективность молибденовых удобрений определяются рядом факторов, важнейшим из которых является реакция среды. Щелочная реакция способствует усилению подвижности молибдена, в то же время в кислой среде происходит переход его в менее подвижные и труднодоступные для растений соединения. На кислых почвах молибден связан с железом, алюминием, марганцем, а также глинистыми минералами почв. При нейтрализации кислой среды, что достигается известкованием, молибден переходит в более усвояемые растениями формы. Причем, чем меньше подвижного молибдена содержится в почвах, тем выше эффективность молибденовых удобрений.[ ...]
При СВЧ-нагреве происходит существенное преобразование химико-минерального состава грунтов . Так, в диапазоне температур 100-300 °С происходит дегидратация грунта с потерей не только свободной, но и связанной воды. Одновременно развивается усадка грунта, увеличивается доля конденсационных структурных связей. При температуре 350-600 °С происходят сгорание органики и деструкция низкотемпературных загрязнителей, окисляются сульфиды (350-500 °С). В диапазоне 450-800 °С удаляются гидроксильные группы из глинистых минералов и загрязнителей с ОН-группами. Одновременно в грунтах формируются необратимые фазовые контакты, доля которых в грунте увеличивается с ростом температуры. В диапазоне 400-900 °С происходит диссоциация карбонатов с образованием оксидов (СаО), обладающих гидравлическими вяжущими свойствами и повышающими pH грунта. При температуре более 1000 °С происходят плавление и формирование высокотемпературных минеральных фаз в грунте.[ ...]
В каждое данное время только небольшой участок конуса получает осадок. В других местах, на участках, лишенных осадков, протекают постседиментационные процессы, которые могут длиться сотни лет и существенно преобразовывать черты собственно осадочного происхождения . Основными постседиментационными агентами являются выветривание, сток атмосферных осадков и ветер. Химически неустойчивые обломки продолжают разрушаться, и продукты этого процесса смываются либо в подстилающие отложения, либо по поверхности конуса выноса в пределы более дистальных обстановок. Часть мелкозернистого материала, по-видимому, может перемещаться путем ветровой дефляции, при этом пески ветрового надува будут аккумулироваться в форме дюн, чаще всего в нижних частях поверхности конуса выноса. Атмосферные осадки приводят к образованию промоин и оврагов, а на участках между ними формируется «пустынная мостовая» из тесно прижатых друг к другу угловатых обломков, часто покрытых пустынным загаром. Такие «мостовые» предохраняют поверхность конуса выноса от дальнейшей дефляции, и крупные обломки обычно залегают на слое алеврита. В семиаридной обстановке осадки конусов выноса часто окрашены в красный цвет, так как при выветривании ферромагнезиальные минералы и биотит распадаются с образованием гематита и глинистых минералов . Такие преобразования занимают тысячелетия и облегчаются чередованием периодов увлажнения и высыхания.
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.
Глины и глинистые минералы
Различают понятия "глинистые породы", "глинистые минералы", "глины". В то же время четких определений этих понятий не существует. У разных авторов они трактуются с теми или иными видоизменениями. Излагаемый ниже материал дается по работам П.П. Авдусина, Е.М. Сергеева, Р.Е. Гримма, Ж. Милло, Л.И. Кульчицкого, Н.Я. Денисова, В.Д. Ломтадзе, A.M. Ломтадзе, А.К. Ларионова и др.
Глинистые породы - это обширная группа тонкодисперсных осадочных пород, занимающая промежуточное положение между породами обломочного и химического происхождения. В их составе наряду с обломочными.частицами содержатся тонкодисперсные, размером менее 0,002 мм.
Среди пелитовой фракции обломочных пород, к которой относятся глинистые частицы, различают грубые пелиты (0,002-0,001 мм) и тонкие пелиты (менее 0,001 мм).
Именно у пород, состоящих из частиц размеры которых менее 0,002 мм, наиболее четко проявляются характерные "глинистые" свойства (пластичность, липкость,. низкая водопроницаемость, большая емкость поглощения).
По условиям образования глинистые породы могут быть континентальными, лагунными и морскими.
В работе дается классификация глинистых пород по отдельным признакам: 1) по степени литификации - глинистый ил, глина мягкая, глина уплотненная, аргиллит, аргиллит сланцевый; 2) по содержанию глинистых (менее 0,002 мм) и пылеватых (от 0,002 до 0,05 мм) частиц - глина, глина пылеватая, глина песчаная, суглинок, суглинок пылеватый, супесь; 3) по составу глинистых минералов - , гидрослюдистые, монтмориллонитовые, полиминеральные; 4) по содержанию карбонатного материала - глина, глина известковая мергелистая, мергель глинистый, мергель, мергель известковистый.
Глинами в инженерно-геологической практике называют токодисперсные осадочные породы, в составе которых содержится не менее 30 % частиц диаметром менее 0,002 мм. Глины обладают связностью и пластичностью в природном состоянии или при искусственном увлажнении водой, а при высыхании сохраняют приданную им форму. Из всех известных признаков глин только эти признаки являются устойчивыми и легко устанавливаемыми. Согласно Р.Е. Гримму, термин "глина" употребляется как название породы, а также для обозначения пород, имеющих определенный размер частиц (менее 2 мкм). В общем под глиной подразумевают природный землистый, тонкозернистый материал, который при смешении с ограниченным количеством воды обнаруживает пластичность.
Основную роль в формировании присущих глинам свойств играют глинистые минералы, под которыми понимаются компоненты, составляющие основу глин, представляющие собой группу слоистых и слоисто-ленточных силикатов и имеющие кристаллическую структуру.
Среди глинистых минералов наиболее распространены , гидрослюды (иллиты) и монтмориллониты. Между собой они различаются строением кристаллической решетки с вытекающими из этого различия особенностями свойств минералов и, следовательно, свойств глин и глинистых пород.
Глинистые минералы
образуются в результате изменения первичных минералов (полевых шпатов, слюд, хлоритов и т. п.) а также в результате выпадения в виде гелей из коллоидных и химических рестворов.
С учетом преобладающего содержания того или иного глинистого минерала выделяют следующие основные типы глин: , гидрослюдистые и монтмориллонитовые. Каолинитовые глины имеют континентальное происхождение (глины коры выветривания, озерные, болотные, речные, опресненных лагун) и образуются обычно в кислой среде; гидрослюдистые могут быть как континентальными, так и морскими, формируются в кислой, нейтральной и щелочной средах; монтмориллонитовые имеют морское происхождение и образуются преимущественно в щелочной среде.
Свойства глин и их отличия от неглинистых материалов в значительной степени зависят от кристаллохимии их поверхностей. Этот фактор был включен в определение понятия "глинистый минерал", данное Е.М. Сергеевым и Р.И. Злочевской . Под глинистым минералом предлагается понимать высокодисперсные и относительно стабильные минеральные соединения групп водных силикатов слоистого или слоисто-ленточного строения, образовавшиеся преимущественно в процессе химического выветривания горных пород. Их высокая дисперсность, характеризующаяся коллоидными и близкими к ним размерами частиц, достигается благодаря специфике свойств базальных поверхностей микрокристаллов этих частиц.
Развернутое определение глинистого минерала с позиций гидратации базальных поверхностей дано Л.И. Кульчицким . Глинистыми минералами он называет кристаллические водные силикаты, характеризующиеся следующими критериями: 1) слоистым или цепочечно-слоистым типом структуры; 2) высокой степенью дисперсности (размеры кристаллов менее 1-5 мкм); 3) преобладанием адсорбционных центров относительно катионов и молекул воды на базальных поверхностях; 4) меньшей энергией адсорбции на центрах первой категории (базальных поверхностях) по сравнению с энергией адсорбции на центрах второй категории, что служит причиной относительно большой поверхностной дйссоциации глинистых минералов в воде; 5) поверхностной диссоциацией обменных катионов в водной среде, вследствие чего вблизи базисов развиваются глинистые частицы диффузно-гидратного слоя; 6) сильным набуханием при взаимодействии с водой и водными растворами электролитов. Считается, что такое многостороннее раскрытие понятия "глинистый минерал" определяет специфику этой группы минералов как с точки зрения крис-таллохимии и коллоидной химии, так и с точки зрения инженерной геологии.
Под глиной Л.И. Кульчицкий понимает высокодисперсную систему "глинистые минералы - вода", обладающую определенной коагуляционной структурой, все контакты между элементами которой могут осуществляться через прослойки воды с аномальными реологическими свойствами.
Каковы же форма и размеры глинистых частиц? Как уже отмечалось, к глинам относятся породы с преобладанием частиц размером менее 0,002 мм.
Приведем размеры глинистых частиц, полученные Р.Е. Гриммом с использованием электронной микрофотографии. Частицы каолинита представляют собой хорошо образованные шестиугольные чешуйки, часто с преобладающим удлинением в одном направлении. Наибольшие размеры в плоскости чешуек колеблются от 0,3 до 4 мкм, а толщина - от 0,05 до 2 мкм. Могут быть и более крупные частицы. Монтмориллонит на фотографиях предстает в виде беспорядочно расплывчатой массы чрезвычайно малых частиц. Отдельные частицы имеют толщину порядка 0,002 мкм. Некоторые монтмориллониты сравнительно легко разрушаются до чешуек с толщиной, приближащейся к высоте одной элементарной ячейки. Размеры поверхности чешуек примерно в 10-100 раз превышают толщину частиц. Иллит проявляется в виде небольших нечетко обозначенных чешуек, некоторые из, них имеют отчетливую гексагональную форму. Толщина самых тонких частиц приблизительно 3 нм, диаметр от 0,1 до 0,3 мкм. В целом, согласно Р.Е. ГримМу, для частиц каолинита отношение диаметра чешуйки к толщине составляет (2-25),:1, а для монтмориллонита -(100-300): 1.
Глинистая порода, как и любая горная порода, представляет собой естественную трехфазную систему, включающую минеральный компонент, воду и газовую составляющую . Эта система непрерывно изменяется во времени под влиянием внешних и внутренних причин (в основном температуры и давления). Как отмечают Г.К. Бондарик, A.M. Царева и В.В. Пономарев , состав, состояние и свойства горной породы (в том числе и проницаемость) зависят от условий ее формирования и последующей истории развития. Это особенно ярко проявляется в глинистых породах, которые по сравнению с другими породами представляют собой наиболее динамичные системы, достаточно интенсивно изменяющие свой облик на разных стадиях литогенеза и чрезвычайно восприимчивые в отношении структурно-текстурных особенностей и свойств к внешним и внутренним воздействиям. В этой связи кратко остановимся на понятиях структуры и текстуры глинистых пород, используя для этого представления, развитые в работе .
Под структурой горной породы вообще, и глинистой в частности, понимается ее строение, определяемое размером и формой структурных элементов (блоков, агрегатов, зерен и др.), характером их поверхностей и количественным соотношением между разными структурными элементами. Под текстурой горной породы понимается взаимное расположение структурных элементов и их пространственная ориентация. Структура системы, ее текстура и свойства взаимосвязаны.
Текстура породы наследует и отражает черты обстановки литогенеза. Поэтому заслуживает внимания установление зависимостей между коли-чественными показателями структуры породы и процессов, обусловивших формирование горной породы, в том числе ее текстуры. Это в свою очередь позволило бы подойти к реконструкции обстановки, в которой происходило формирование породы.
В работе высказывается интересная мысль о том, что деформация породы представляет собой как бы "память" породы, в которой запечатлены сведения об ее формировании и развитии,
построенные из слоев атомов в тетраэдрической и октаэдрической координации, известных как тетраэдрические и октаэдрические сетки.
Тетраэдрические сетки представляют собой слои тетраэдров SiО4 , которые имеют три общих кислорода с соседними тетраэдрами. Эти базальные кислороды образуют гексагональный рисунок. Четвертый (апикальный) кислород каждого тетраэдра располагается на перпендикуляре, проходящем через центр базального кислородного треугольника.
Октаэдрическая сетка построена из катионов, обычно алюминия, железа или магния, расположенных на равных расстояниях от шести анионов кислорода, в связи с чем сетка несет отрицательный заряд. Алюминий является распространенным катионом, и идеальный октаэдрический слой имеет состав гидроксида алюминия (Аl(OН)3 ) - минерала гиббсита. Если октаэдрические позиции заполняются трехвалентным алюминием, для достижения электронейтральности занимаются только две из каждых трех позиций и сетка классифицируется как диоктаэдрическая. Если двухвалентные катионы заполняют октаэдрические позиции, все доступные позиции заняты и сетка классифицируется как триоктаэдрическая. В результате сочетания этих трех сеток образуется основная структура глинистых минералов. Такое сочетание позволяет обобщить апикальный кислород тетраэдрической сетки и группы ОН, помещающиеся в центре гексагональных пустот основания тетраэдрической сетки, с октаэдрической сеткой. Различные группы глинистых минералов являются результатом различного рода расположений и взаимного обобщения ионов в тетраэдрической и октаэдрической сетках.
Структура глинистых минералов 1: 1. Простейшим расположением тет-
раэдрических и октаэдрических сеток являются слои 1: 1. В состав таких 1: 1 минералов входит серпентин-каолинитовая группа глинистых минералов, из которых каолинит является, вероятно, наиболее известным. В каолините пакеты 1: 1 удерживаются вместе водородными связями, образующимися между ОН-группами верхнего слоя октаэдрической сетки и базальными кислородными атомами вышележащей тетраэдрической сетки. Водородные связи достаточно сильны, чтобы удерживать пакеты 1: 1 вместе, не позволяя катионам проникать между слоями.
3. Условия образования глинистых минералов
В обычном гранодиорите верхней коры в основном выветриваются с образованием глинистых минералов именно полевые шпаты. Поскольку они являются каркасными силикатами, образование слоистых силикатов должно включать промежуточную ступень. В эту ступень входит высвобождение кремния, алюминия и других катионов с последующей их перестройкой в структуру слоистых силикатов. Поскольку в промежуточной ступени участвуют ионы почвенных растворов, на тип образующегося глинистого минерала будут влиять рН почвенной влаги и степень выщелачивания (скорость потока воды).
Алюминий и кремний осаждаются в виде нерастворимых оксидов или оксигидроксидов в пределах обычных для почв значений рН. Другие почвенные
катионы и H2 SiO4 достаточно растворимы и поэтому могут выноситься с выветривающегося участка. Различие в поведении катионов количественно выра-
жается химическим показателем изменения (ХПИ), используя молекулярные соотношения
Al2 O3 | |||||
ХПИ = | |||||
Al2 O3 | Na2 O+ K2 O |
||||
где СаО- это СаО силикатов (т. е. исключаются Са-содержащие карбонаты и фосфаты).
В табл. 10 представлены показатели ХПИ для различных минералов и пород. Очевидно, что значения ХПИ, приближающиеся к 100, типичны для веществ, образующихся в условиях сильного выщелачивания, когда удаляются растворимые кальций, натрий и калий.
Таблица 10. Значения химического показателя изменения для различных материалов коры
Материал | |
Глинистые минералы | |
Каолинит | |
Другие силикаты | |
Плагиоклазовый полевой шпат | |
Калиевый полевой шпат | |
Слюда мусковит | |
Отложения | |
Баренцево море (алеврит) | |
Ил дельты Амазонки | |
Глинистые сланцы | |
Значения ХПИ, близкие к 100, типичны для каолинитовых глин, тогда как иллиты и смектиты имеют значения ХПИ около 75–85. В отличие от них, невыщелоченные полевые шпаты имеют значения ХПИ около 50.
На основании ХПИ можно предсказать, что каолинит будет образовываться в условиях сильного выщелачивания, что подтверждается наблюдениями в тропических режимах выветривания. На устойчивых земных поверхностях, где выветривание и выщелачивание продолжительны, на хорошо дренированных участках формируется каолинитовый, а в крайних случаях гиббситовый минералогический состав глин. Такие участки покрыты поверхностными отложениями, богатыми железом (латерит) и алюминием (боксит). Эти поверхностные отложения могут быть достаточно мощными и предотвращать последующее взаимодействие между поверхностными водами и подстилающей породой, снижая скорость ее дальнейшего выветривания.
Смектитовые глины, наоборот, образуются на слабодренированных участках. На базальтовом острове Гавайи тип почвенных глинистых минералов изменяется в последовательности «смектит - каолинит - гиббсит» с увеличением количества дождевых осадков. Подобная обобщенная зональность, основанная на степени выщелачивания, была предложена для распределения глинистых минералов по глубине в почвах.
Интенсивное выщелачивание благоприятствует образованию каолинита, поскольку катионы и H4 SiО4 выносятся и понижается отношение «кремний: алюминий», что способствует структурной организации 1: 1. При менее интенсивном выщелачивании отношение «кремний: алюминий» выше, что способствует образованию различных 2: 1-минералов в зависимости от поступающих катионов. Например, при выветривании базальта образуется много магния, формируются магниевые смектиты. В большинстве тропических сред с интенсивным выветриванием выносится весь кремний, что способствует образованию гиббсита, который можно рассматривать как структуру 0: 1 (т. е. присутствует только октаэдрическая сетка.
Силикаты состоят в основном из кремния (Si) и кислорода (О), обычно в сочетании с другими металлами. Основной структурной единицей силикатов
является тетраэдр SiО4 , в котором кремний расположен в середине тетраэдра из четырех ионов кислорода.
Силикаты классифицируются по степени сложности кремнийкислородных решеток. Мономерные силикаты построены из отдельных тетра-
эдров SiO4 , связанных с металлами. Цепочечные силикаты имеют два немостиковых атома кислорода, общее отношение Si: О равно 1: 3, что приводит к об-
щей формуле SiO3 . В каркасных силикатах каждый атом кислорода тетраэдрической группы обобщается между двумя тетраэдрами, образуется наполовину ковалентная трехмерная решетка.
Глинистые минералы - это слоистые силикаты, состоящие в основном из атомов кислорода, кремния и алюминия и построенные из слоев атомов в тетраэдрической и октаэдрической координации. Октаэдрическая сетка построена из катионов, обычно алюминия, железа или магния, расположенных на равных расстояниях от шести анионов кислорода (или ОН).
Простейшим расположением тетраэдрических и октаэдрических сеток являются слои 1: 1. Наиболее известным минералом типа 1: 1 является каолинит.
Контрольные вопросы
1. Из каких элементов состоят силикаты?
2. Какая структурная единица лежит в основе силикатов?
3. Как осуществляется связь отдельных тетраэдров в оливине?
4. Чему равно соотношение Si: О в цепочечных силикатах?
5. В чем отличие между глинистыми минералами и силикатами?
6. Как располагаются тетраэдрические и октаэдрические сетки в каолините?
7. Как называется минерал, химический состав которого отвечает формуле Al(OH) 3 и имеет только октаэдрическую сетку?