Геоэкологическая характеристика глинистых минералов

Российский университет дружбы народов

Экологический факультет.

Реферат  по геоэкологии

на тему:

«Геоэкологическая характеристика глинистых минералов»

              Выполнила: студентка третьего курса группы ОС-301б  Жаткина Т.С.

Москва, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.Структурные особенности и свойства глинистых минералов

2.Минералы группы каолинита-серпентина.

3.Группа смектитов.

4.Группа слюдистых минералов.

5.Хлориты.

6.Смешанослойные минералы.

7.Природные ассоциации глинистых минералов в грунтах.

Заключение.

Список литературы.

ВВЕДЕНИЕ

Глинистые минералы – это гидратированные слоистые  и слоисто-ленточные силикаты. Они образуются преимущественно в процессе химического выветривания или гидролиза горных пород, а также гидротермальным путем, отличающиеся от прочих слоистых силикатов высокой дисперсностью (размер частиц менее 1 мкм) и гидрофильностью, что обуславливает их специфические физико-химические свойства – сорбцию и ионный обмен. Они самые распространенные и исключительно разнообразные породообразующие минералы верхней части земной коры, где их содержание по разным оценкам составляет до 40-50% от общего состава пород. Разнообразие глинистых минералов обуславливает и широкий спектр изменения их свойств. По этой причине изучению глинистых минералов уделяется большое внимание в грунтоведении.

Целью реферата является рассмотрение геоэкологических характеристик глинистых минералов.  Для достижения поставленной цели  были решены следующие задачи:

- проанализировать литературу по теме реферата;

- изучить структурные особенности и свойства глинистых минералов;

- рассмотреть природные ассоциации глинистых минералов в грунтах.

1.      Структурные особенности и свойства глинистых минералов.

В основе кристаллической структуры глинистых минералов лежат два типа структурных элементов: кремнекислородные тетраэдры (Si и октаэдры (рис.1 и  2), состоящие из атомов кислорода или гидроксильных групп, внутри которых в октаэдрической координации располагаются атомы алюминия, магния или железа. Тетраэдры и октаэдры образуют соответственно тетраэдрические и октаэдрические сетки, расположенные по гексагональному мотиву.

Рис.1 Строение кремнекислородного тетраэдра [2]

Рис.2 Схематическое изображение отдельного октаэдра (а) и октаэдрической сетки структуры (б) [2]

В октаэдрических сетках катионами могут быть заселены либо все центры октаэдров, либо только 2/3 из них, в отличие от прочих слоистых силикатов. Число заселенных октаэдров на одну элементарную ячейку определяет принадлежность данной разновидности того или иного минерала к триоктаэдрической или диоктаэдрической. В диоктаэдрических струтурах октаэдрическими катионами являются, как правило, катионы трехвалентных металлов (A), а в триоктаэдрических – катионы двухвалентных металлов (). [1]

Соединение тетраэдрических и октаэдрических сеток по вертикальной оси приводит к формированию структурных слоев или пакетов, которые могут быть разного типа в зависимости от комбинации и числа сеток. Например, совмещение одной тетраэдрической и одной октаэдрической сеток образует пакет типа 1:1; совмещение двух тетраэдрических и одной октаэдрической – слой типа 2:1.

Таким образом, структура глинистых минералов формируется за счет закономерного сочетания структурных слоев. Кроме того, многообразие групп и разновидностей глинистых минералов обусловлено их специфической особенностью. Она  связанна с наличием изоморфных гетеровалентных замещений части или на ионы с меньшей валентностью (обычно и др.) элементарные структурные ячейки приобретают тот или иной  отрицательный заряд, сосредоточенный в тетраэдрических или октаэдрических сетках и компенсируемый катионами (обменными или необменными) или молекулами воды. От величины этого заряда зависят характер и жесткость связи между слоями.

2.Минералы группы каолинита-серпентина.

Минералы группы каолинита – серпентина имеют элементарный  структурный слой типа 1:1, т.е. его основу  составляют одна тетраэдрическая и сочлененная с ней одна тетраэдрическаясетки. Эти две сетки образуют единый слой толщиной 0,72 нм. В группе каолинита-серпентина выделяются подгруппы каолинита и серпентина. [1]

Впервые структура каолинита в её почти современном виде была предложена Л.Полингом в 1930г. Слои каолинита прочно связаны друг с другом посредством водородных связей, формирующихся в межслоевом зазоре между базальными поверхностями тетраэдрических и октаэдрических сеток соседних слоёв. Физико-химическая активность каолинитов связана в основном с различиями в их реальных структурах. В меньшей мере эти различия связаны с дисперсностью, и они практически не зависят от химического состава, так как изоморфные замещения для каолинита не характерны.

В отличие от других слоистых силикатов образование кристаллов каолинита в условиях выветривания обеспечивается в основном эпитаксическим механизмом слоисто-спирального роста. Он состоит из одного или нескольких слоёв, геликоидально закрученных вокруг одной или нескольких осей винтовых дислокаций. Такая конструкция значительно увеличивает прочность кристаллов каолинита, так как для того, чтобы разделить кристалл параллельно плоскости спайности, необходимо разорвать не только межслоевые связи, но и сами слои каолинита.

Размеры кристаллов каолинита в поперечнике варьируют от 0,1 до 10 мкм, хотя в псевдоморфозах по слоистым  силикатам они могут достигать нескольких десятков микрон. Поликристаллические сростки из «доменов» и псевдодвойников у каолинита могут достигать 0,1-0,5 мм. Структурные нарушения  в плоскости слоя каолинита вызваны условиями образования и роста кристаллов и проявляются, очевидно, только в наличии дислокационных стенок. Влияние дефектов такого рода на свойства минерала сопоставимо с влиянием дисперсности, которое начинает заметно проявляться лишь при различном содержании частиц мельче 0,2 мкм. [2]

Самое существенное влияние на емкостные и сорбционные свойства каолинитов оказывает степень порядка в упаковке слоев, причем дефекты типа произвольных трансляций смежных слоев и субупаковок в значительной мере увеличивают физико-химическую активность каолинита. Новейшие исследования доказали и способность кристаллов каолинита разбухать при внедрении в его межслоевое пространство некоторых органических полярных жидкостей (ацетат калия, гидразин, мочевина, амиды низших кислот и др.) и образовании характерных органо-каолинитовых комплексов. Этот процесс, называемый интеркаляцией, идет за счет усиления водородных связей и сопровождается увеличением межплоскостного расстояния.

Детальные структурные исследования каолинитов различного генезиса параллельно с изучением их физико-химических свойств позволили разделить этот минеральный тип в зависимости от дефектности структуры на три разновидности; аналитическим критерием дефектности служили значения количества элементарных слоев в () в бездефектных блоках или субупаковках (табл.1). Величинам соответствуют  определенные пределы показателей емкости катионного обмена и гидрофильности, оцениваемой по гигроскопической влажности. По значениям емкости катионного  обмена и гигроскопической влажности к последней, третьей, разновидности следует относить и природные смешанослойные образования каолинит-монтмориллонитового состава. [3]

Таблица 1.

Соотношение структурных разновидностей каолинитов и их сорбционных свойств

(по В.Г. Шлюкову,2000).

Идентичным каолиниту по составу слоев является галлуазит – своеобразное образование среди глинистых минералов в связи с необычной трубчатой морфологией его кристаллов. Первоначально галлуазит в виде плоских или пластинчатых кристаллитов и сростков нарастает на минерал-донор и только затем пластинчатые частицы изгибаются и слои растут по спирально-цилиндрической поверхности, образуя обычные трубчатые кристаллы. Внешний диаметр трубчатых кристаллов галлуазита достигает 200-350 нм, а диаметр центрального канала – 20-60 нм. Как и каолинит, галлуазит обнаруживает способность к внутрикристаллическому набуханию при взаимодействии с полярными органическими жидкостями. [2]

К структурному типу 1:1 относятся и минералы подгруппы серпентина, в кристаллических структурах которых все октаэдрические позиции заселены двухвалентными катионами (), образующими так называемые бруситовые сетки, в отличие от каолинита, у которого октаэдрические позиции заняты трехвалентным алюминием, образующимгиббситовые сетки.

К подгруппе серпентина относятся пластинчатые и листоватые лизардит и антигорит, которые являются триоктаэдрическими аналогами каолинита. А волокнистый хризотил (или хризотил-асбест) по морфологии сходен с рассмотренным выше  галлуазитом. В куске хризотил зеленовато-серого и золотистого цвета с шелковистым блеском. Длина волокон хризотила колеблется от долей 50 мм, толщина – доли микрометров.

3.Группа смектитов.

Минералы группы смектитов объединяют  высокодисперсные глинистые минералы трехсеточного типа элементарных слоев 2:1, которые обладают свойством внутрикристаллического набухания.

В этой группе выделяется две подгруппы: мономинеральных смектитов и смешанослойных смектитов с преобладанием разбухающих пакетов. При инженерно-геологических исследованиях следует иметь в виду, что смектиты очень редко бывают полностью породообразующими минералами грунтов, что вызывает трудности в их диагностике. Общим для любого минерала этой группы является увеличение их межплоскостного расстояния при насыщении их глицерином и этиленгликолем. По этому признаку к смектитам, как к целой группе минералов с внутрикристаллическим набуханием, и относятся не только мономинеральные, но и смешанослойные образования, в которых преобладают разбухающие межслои (табл. 2). [3]

Таблица 2.

Разделение смектитов по структурным и физико-химическим показателям

(по Г.В. Шлыкову,2000).