Геоэкологическая характеристика глинистых минералов

Именно такие минералы очень широко распространены в дисперсных грунтах, находящихся в зоне гипергенеза. Если мономинеральные смектиты образуются в основном из гелей при подходящих стехиометрических соотношениях порообразующих элементов (Si,Al,Fe и Mg), то смешанослойные образования с преобладанием разбухающих межслоев -  продукты интенсивного выветривания существовавших ранее глинистых минералов,  первую очередь слюдистых. Способность к внутрикристаллическому набуханию и, главное, чрезвычайно высокая дисперсность обуславливает высокую физико-химическую активность смектитов, которая закономерно уменьшается по мере увеличения в их структуре доли неразбухающих пакетов (табл.2).

Отличия смектитов от гидратированных слюд, также имеющих трехсеточный тип структуры 2:1, помимо величины слоевого заряда, связаны с особенностями их изоморфизма: в смектитах изоморфные замещения происходят в основном в октаэдрических сетках (монтмориллонит, бейделлит, нонтронит и др.) или триоктаэдрические (стивенсит, сапонит, пимелит и др.) серии. (рис.9). переходов между ди- и триоктаэдрическими сериями мономинеральных смектитов в результате изоморфизма не существует.[2]

Смектиты, например, монтмориллонит и нонтронит сложены в основном тонкими индивидуальными кристаллитами толщиной порядка одного или нескольких элементарных слоев. При гидратации и набухании в водной среде кристаллиты способны почти полностью распадаться на элементарные мельчайшие частицы.

По химическому составу среди смектитов выделяются более или менее железистые разности, отличающиеся также по величине слоевого заряда. В бейделлитах изоморфизм дополнительно частично проявляется и в тетраэдрических сетках. Возникающий в смектитах при изоморфизме отрицательный заряд компенсируется межслоевыми гидратированными обменными катионами и молекулами воды. При этом  в зависимости от состава обменного межслоевого комплекса наблюдается определенное изменение межплоскостного расстояния.

Монмориллонит, сапонит, бейделлит и другие смектиты образуют бентонитовые глины, или бентониты, почти полностью состоящие из этих глинистых минералов и являющиеся ценным полезным ископаемым. Бентониты широко используются в нефтяной промышленности для приготовления буровых растворов, как высокоэффективные сорбенты, отбеливатели, керамическое сырье и др. Наиболее крупные месторождения бентонитов находятся в Грузии, в Азербайджане, в Туркмении, на Украине, в США, в Мексике, Италии и Румынии.[1]

4.Группа слюдистых минералов.

Эта группа принадлежит к структурному типу 2:1. Их элементарный пакет состоит из одной октаэдрической сетки, заключенной между двумя тетраэдрическими. Связь между слоями жесткая, ионно-электростатическая, возникающая  за счет катионов калия, компенсирующих отрицательный заряд в тетраэдрических сетках соседних слоев и не участвующих в ионном обмене.

Высокодисперсные гидратированные слюды, в отличие от истинных слюд, содержат менее 90% катионов, заполняющих межслои. Подгруппа дисперсных гидратированных слюд содержит три основные разновидности. К первой относятся иллиты – слюдоподобные минералы, содержащие не более 10% разбухающих межслоев; ко второй гидрослюды – содержащие 10-20% таких межслоев, а к третьей – глауконит. Если количество разбухающих межслоевых промежутков превышает 20%, то такие образования следует относить к группе смешанослойных минералов. Такое разделение по содержанию подвижных межслоев не отражает резких изменений свойств дисперсных слюдистых минералов при переходе от одной подгруппы к другой. [1]

По физико-химическим свойствам  гидратированные слюды более активны, чем каолиниты, но менее активны, чем смектиты. Они обладают большей величиной емкости катионного обмена, большей дисперсностью, гидрофильностью и удельной поверхностью, чем  каолиниты.

При использовании в качестве основного метода диагностики рентгеновской дифрактометрии идентификации гидратированных слюдистых минералов сводится к анализу изменения межплоскостного расстояния первого малоуглового отражения воздушно-сухого и обработанного органической жидкостью образца.

Близок к группе гидратированных слюд и вермикулит, имеющий такой же тип элементарных слоев 2:1, но который в отличие от прочих глинистых минералов может находиться как в дисперсном (рассеянном) состоянии в грунтах, так и в виде сплошных слюдистых слоев. В подгруппе дисперсного вермикулита выделяются диокаэдрические и триоктаэдрические разности. Кроме того, в отличие от иллитов в триоктаэдрическом вермикулите октаэдрические позиции образованы бруситовыми сетками, а в межслоевом комплексе присутствуют двухвалентные катионы кальция и магния.

5.Хлориты.

Хлориты имеют четырехэтажную структуры элементарных слоев 2:1:1. Она образована из слоев гидрослюдистого типа 2:1, между которыми находятся так называемые «бруситовые слои» -  октаэдрические сетки, в центрах октаэдров которых находятся ионы магния и железа. Часть их обычно замещена трехвалентными катионами с образованием брусито-гиббситовых сеток, что приводит к избытку положительного заряда у этого слоя. Он в свою очередь, компенсирует отрицательные заряды слюдистых слоев 2:1 вследствие изоморфизма, что обеспечивает жесткую связь между слоями.

Кроме того, дополнительная прочность между слоями в хлорите может обеспечиваться водородными связями, возникающими между гидроксилами поверхности бруситового слоя и атомами кислорода базальной поверхности тетраэдрической сетки.

По показателям гидрофильности, емкости катионного обмена «среднестатистические» хлориты близки к соответствующим показателям гидратированных слюд. В процессах химического выветривания «бруситовый слой» хлоритов разрушается в первую очередь.

6.Смешанослойные минералы.

Смешанослойными образованиями называются минералы, в кристаллах которых с той или иной степенью порядка –беспорядка чередуются слои разной структуры. Они выделяются в отдельную группу  и особенно широко распространены среди слоистых силикатов. Они являются одним из основных компонентов глин, т.е. встречаются в дисперсном гидратированном состоянии. Большой научный и практический интерес к смешанослойным глинистым минералам обусловлен рядом причин. Эти минералы широко распространены в различных геологических обстановках верхней оболочки Земли – корах выветривания, почвах, современных осадках, породах, измененных эпигенезом, в областях гидротермальной активности, в осадочном слое океанов, в продуктах гидротермального изменения океанических базальтов и др. Существенным оказалось и то, что разные типы смешанослойных минералов приурочены к определенным геологическим обстановкам, что имеет немаловажное значение для установления генезиса вмещающих их  пород.

Возможность образования смешанослойных структур определяется тем обстоятельством, что двухмерная периодичность 2:1 слоев и межслоев, геометрическое устройство их базальных поверхностей весьма сходны, что обусловливает легкость  сосуществования силикатных слоев разного типа в пределах индивидуальных частиц. В грунтах наиболее часто встречаются смешанослойные глинистые минералы, структура которых образована совокупностью 2:1 слоев, разделенных разными по природе и составу межслоевыми промежутками. Основные свойства последних не отличаются существенно от свойств межслоев соответствующих индивидуальных минералов, таких, как слюды, смектиты, хлориты и др. Это позволяет сравнительно просто устанавливать природу межслоев на основе рентгеноструктурного изучения образцов, подвергнутых различным обрабткам – насыщению органическими жидкостями, обменнымикатинаи/нагреванию и т.д. [1]

По количеству чередующихся слоев смешанослойные минералы являются, как правило,  двухкомпонентными, хотя известны находки трехкомпонентных структур типа каолинит – монтмориллонит – иллит или хлорит – сапонит – разбухающий хлорит.

По способу чередования слоев смешанослойные минералы делятся на несколько подгрупп. Смешанослойные минералы со строго упорядоченным чередованием слоев имеют собственные наименования и характеризуются строгой периодичностью вдоль нормали к слоям. Среди диоктаэдрических минералов примером упорядоченных смешанослойных фаз являются ректорит и тарасовит, в структуре которых по закону АВАВ… и АААВА-ААВА соответственно чередуются слои иллитового (А-слои) и смектитового (В-слои) типов. Среди триоктаэдрических разновидностей к породообразующим относятся корренситы, в структуре которых упорядоченно по закону АВАВ… переслаиваются хлоритовые и сапонитовые межслои. Другая группа объединяет неупорядоченные смешанослойные структуры, в которых чередование  слоев разного типа осуществляется по закону случая.[1]

Поскольку природа межслоев каждого типа в смешанослойных структурах соответствует природе межслоев в структуре того или иного индивидуального минерала, естественно предположить, что такое же соответствие будет наблюдаться и в отношении кристаллохимического строения примыкающих к ним сеток 2:1 слоев. Например, если в смешанослойном минерале содержатся межслои хлоритового типа, то это означает, что в структуре имеются положительно заряженные гидроксильные сетки,  к поверхности которых сверху и снизу примыкают заряженные отрицательно тетраэдрические сетки 2:1 слоев. Наоборот, тетраэдрические сетки, примыкающие к монтмориллонитовым межслоям в смешанослойном минерале, как и в монтмориллоните, должны содержать минимальный отрицательный заряд. Исходя из этого в смешанослойных структурах хлорит-смектит должен реализоваться полярный, неоднородный харктер замещения Si и Al. Вместе с тем   в смешанослойных структурах неоднородным может быть и состав октаэдрических сеток разных 2:1 слоев за счет изоморфных замещений катионов, обусловливающих отрицательный заряд октаэдров.

В осадочных породах образование смешанослойных минералов с упорядоченным переслаиванием иллитовых и смектитовых пакетов обычно сопровождает процесс «прогрессивного» литогенеза, т.е. характеризует твердофазовое изменение смектитов под воздействием роста значений температуры и давления. При выветривании глинистых пород в структуре образующихся смешанослойных минералов какая-либо упорядоченность в чередовании пакетов разного типа обычно отсутствует. Установленным является факт, что с уменьшением размера исследуемых фракций таких пород увеличивается содержание смешанослойных образований, а в их составе – количество разбухающих пакетов. Под воздействием относительно постоянных агентов выветривания деградационные изменения наиболее дисперсных частиц глинистых минералов опережают процесс измельчения более крупных разностей. Поэтому в покровных отложениях количество смешанослойных минералов, содержащих 40-60% пакетов одного типа, обычно невелико. Рентгеноструктурным анализом в таких грунтах чаще всего фиксируются смешанослойные, в которых содержание пакетов одного типа не ниже 70%, т.е. близкие по принятой классификации  к смектитам или гидрослюдам.

Под дальнейшим воздействием выветривания отдельные микроблоки глинистых минералов станут настолько малыми, что будут недоступными для исследования рентгеновским методом порошка, наиболее часто используемым для этих целей, хотя они еще сохраняют кристаллическую структуру. Такие минералы принято называть рентгеноаморфной фазой (или веществом)- РАФ, в отличие от собственно аморфной фазы, каковой является стекло, аморфный кремнезем, аллофан, гизингерит и др.

7.Природные ассоциации глинистых минералов в грунтах.

Глинистые минералы редко встречаются в грунтах в виде одной какой-либо разновидности. Чаще всего они находятся в наборе нескольких глинистых минералов – природных ассоциации. Несмотря на многообразие глинистых минералов в природе, исследования, проведенные В.Г. Шлыковым  по анализу минерального состава многих сотен образцов глинистых грунтов разного возраста и генезиса, показали, что в них встречаются шесть типов природных ассоциаций.

В зависимости от литологического состава и генезиса пород выделяется три типа ассоциаций, в которых преобладающими глинистыми минералами являются слюдистые. Наибольшее распространение имеет тип 2, в котором после преобладающих слюдистых в порядке убывания содержатся смектитовые минералы и каолинит и хлорит. Грунты с ассоциацией глинистых минералов типа 2 имеют разный генезис: морской, аллювиальный, ледниковый, озерный, пролювиальный, техногенный. Возраст - от юрского до современного.

Ассоциация  4-го  типа, в которой даже преобладают слюдистые минералы глин, характеризуется меньшей физико-химической активностью: смектиты в ней имеют подчиненное значение. Помимо морских, ледниковых, аллювиальных, делювиальных отложений, эта  ассоциация характерна для грунтов лагунного и прибрежно-морского генезиса. Возраст пород – от каменноугольного до современного.

Тип 6 включает ассоциацию глинистых минералов, в которую помимо преобладающих слюдистых входят хлорит (каолинит) и упорядоченные смешанослойные минералы типа иллит-смектит, иллит-вермикулит, вермикулит, ректорит, корренсит. Ассоциация в основном характерна для пород, испытавших значительную катагенетическую переработку (аргиллиты,  алевролиты, сланцы). Мономинеральные упорядоченные смешанослойные встречаются крайне редко, в силу чего выделять их в отдельную ассоциацию не было смысла, как и любые мономинеральные глинистые породы, являющиеся, по сути, месторождениями полезных ископаемых. По генезису и возрасту грунты с такой ассоциацией глинистых минералов  представляют в основном две большие группы: верхнепротерозойские – нижнепалеозойские глинистые породы морского  генезиса и флювиогляциальные четвертичные отложения.

Отдельную, хотя и не очень распространенную, ассоциацию составляют глинистые минералы дисперсных грунтов с преобладанием каолинита или хлорита (тип 3). Каолинит и хлорит служат эталонами минералов, которые характеризуются низкой физико-химической активностью. Но это относится  в основном к каолинитам из известных месторождений, т.е. элювиальным грунтам с преобладанием каолинита. Каолиниты в дисперсных грунтах как объектах инженерно-геологических исследований существенно отличаются от элювиальных каолинитов как по морфологии, дисперсности частиц и структурным особенностям, так и по свойствам.