Глина Глинисті породи

Загальні відомості Глинисті породи займають проміжне положення між типовими уламковими і хімічними...
гідрослюдисті глини
каолінові глини
Монтморилонітові глини Глинисті породи монтмориллонитовій групи

Загальні відомості
Глинисті породи займають проміжне положення між типовими уламковими і хімічними породами. Освіта їх пов'язано з хімічним руйнуванням порід, але вони не можуть бути віднесені до хімічних опадів, так як глинисті мінерали не випадають з розчинів.
До глинистих порід відносяться породи, що складаються більш ніж на 50% з частинок менше 0,01 мм і містять не менше ніж 25% частинок <0,001 мм. Автор проводить межу між алевритами і глинами по 0,005 мм.
Глина Глинисті породи
зміст
Мінеральний і хімічний склад глин
умови освіти
Макроскопічний вигляд і структури глин. їх властивості
гідрослюдистої глина
каолінітової глина
монтморіллонітових глина
Породи, що містять більше 50% частинок більше 0,005 мм, слід називати в залежності від розміру часток глинистими алевритами, глинистими пісками і т. П.

Серед глинистих порід, на частку яких припадає не менше 60% загального обсягу осадових порід, широко поширені і найбільш повно вивчені глини.
М. Ф. Викулова пропонує розуміти під глинами складні полідисперсні і полімінеральні породи, які складені головним чином глинистими .мінераламі з домішок не глинистих (уламкових і аутигенних). Глини містять часто органічні залишки, органічна речовина, поглинені катіони і легко розчинні солі.
За останні роки досягнуто великий успіх у вивченні глинистих порід, головним чином в області мінералогії глин. Численні структурно-кристаллохимические дослідження глинистих мінералів дозволили уточнити уявлення про кристалічну структуру деяких типів глинистих мінералів. Найбільш суттєві досягнення пов'язані з вивченням ізоморфних рядів і змішано-шарових сростков глинистих мінералів. Були встановлені чіткі можливості використовувати рентгенівську дифракційну картину для виявлення цих двох ускладнень, які вносять в мінералогічну характеристику глинистих порід, як здавалося раніше, непереборні труднощі. На основі цих досягнень ми підійшли, нарешті, до можливості об'єктивно інтерпретувати дані структурного і хімічного дослідження глинистих порід, виділяючи реально існуючі в них глинисті мінерали і їх змішано-шарові сростки невпорядкованого типу.
Виявилося (Weaver, 1959), що в осадових породах широко поширені особливого типу суміші глинистих мінералів, які представлені змішано-шарових утвореннями, характерними продуктами диагенетических змін основних типів глинистих мінералів (гидрослюд, монтмориллонитов, хлоритів, каолінових мінералів і ін.). Особливо поширеними виявилися змішано-шарові освіти в. рядах гідрослюда-монтморилоніт, хлорит-вермикуліт і, ймовірно, каолініт-гідрослюда. Змішано-шарові освіти, поряд з нормальним изоморфизмом, визначають широкі коливання складу глинистих порід.
Звичайно, не всі ще в цій проблемі в даний час ми вважаємо ясним і зрозумілим. Мінералогія і петрографія глин знаходяться зараз в стані бурхливого розвитку. Про це говорять сотні статей в наукових журналах багатьох країн, збірники, монографії, керівництва по мінералогії глин і навіть поява нових періодичних видань, присвячених цим проблемам (в США і Англії). В основному це результати структурно-кристаллохимических досліджень глинистих мінералів і порід, які виконані при використанні рентгенівських методів.
Глини є полімінеральними породами, до складу яких входять:
а) глинисті мінерали - каолініт, монтморилоніт, хлорит, вермикуліт, галлуазіт, гідрослюд і змішано-шарові освіти. Ці мінерали складають найбільш тонкозернисті (предколлоідние і колоїдні) фракції глин, рідше вони зустрічаються серед пилуватих частинок;
б) уламкові зерна мінералів кварцу, польового шпату, слюди, важких мінералів і ін .; подібні мінерали поширені переважно в піщаних алеврітових і, в меншій мірі, в пилуватих фракціях глин;
в) сингенетичні і епігенетичні НЕ глинисті мінерали, що виникли одночасно з глинистим осадом або в процесі перетворення його в породу під час перетворення її (гідрослюд і оксиди заліза, карбонати, сульфати, фосфати, опал та ін.); зазвичай ці мінерали зустрічаються у фракціях> 0,001 мм і частково утворюють великі вкраплення.
Крім того, в глинах присутні обмінні підстави лугів і лужних земель (поглинені катіони) і органічна речовина, також приурочене в основному до колоїдної фракції. Іноді в глинах присутні випали з води чисто хімічним шляхом солі, які отримують широке поширення в соляних глинах, і органічні залишки.

Мінеральний і хімічний склад глин

Глинисті мінерали поділяються на аморфні та кристалічні. Аморфні не грають суттєвої ролі серед глинистих порід. Кристалічні глинисті мінерали поділяються на кілька груп, серед яких головну роль грає каолинит, монтморилоніт і мінерали гідрослюдистої групи. Меншим поширенням користуються мінерали хлоритові групи, які зустрінуті в глинах галогенних товщ в сучасних опадах і глинистих цементах (Пісарчік, 1956, Грим, 1956; Millot, 1953, 1954). Вони характеризуються шаруватим типом структур, так як входять до їх складу елементи утворюють шари, які можна розглядати як плотнейшую упаковку іонів кисню і гідроксилу. Менші за розміром катіони розташовуються в тетраедричних і октаедричних пустотах між аніонами, що утворюють щільну упаковку.
Тетраедричних шари (кремнекіслородние або алюмокремнекіслородние) чергуються з октаедричних (що містять Mg, Al, Fe і ін.), Які знаходяться в зв'язку не тільки з киснем, а й з гідроксилом. Ці шари утворюють двошарові і тришарові пакети. Двошаровий пакет складається з тетраедричного і октаедричного шарів. Тришаровий складається з двох тетредріческіх і одного, розташованого між ними, октаедричного шару. Зв'язок між ними здійснюється через загальні іони кисню, розташовані в вершинах тетраедрів і октаедрів.
Виділення окремих мінералів зазвичай проводиться за характером шаруватості структури, кількості шарів в пакеті - за фізико-хімічними особливостями силікатних шарів і за хімічним складом глин.?
Двошарові пакети утворюють структури мінералів каолінітової групи; тришарові - структури монтмориллонитовій, вермикулітової і гідрослюдистої груп; пакети з одношарових і двошарових структур - мінерали хлоритові групи.
Найбільш добре вивчені мінерали групи каолініту. До складу цієї групи входять каолініт Аl2О32SiO2 • 2H2O і галлуазіт Al2O3 • 2SiO2 -4Н2О, т. Е. Мінерали, структура яких представлена двошаровими пакетами.
Каолініт характеризується незначною обменнопоглотітельной здатністю і вельми значною стійкістю в зоні вивітрювання. Форма частинок каолініту в електронному мікроскопі різна. Каолініт, що виник в результаті кристалізації алюмокремневих гелів, зустрінутий у вигляді шестикутних пластинок, зазвичай непрозорих. Галлуазіт менш стійкий у порівнянні з каолинитом і, згідно І. І. Гінзбурга, через метагаллуазіт може переходити в каолинит; він має трохи більшу здатність до обміну підстав. Галлуазіт не утворює пластових скупчень і зустрічається як домішка головним чином в каолінітові, рідше в бейделлітових і в деяких каолініт- гідрослюдистої глинах. Найбільшого розвитку (лінзи, включення) він досягає в корі вивітрювання як давньої, так і сучасної.
Галлуазіт характеризується подовженою формою кристалів з різкими контурами. Розмір кристалів галлуазіта змінюється у великих межах.
Мінерали групи монтморилоніту володіють більш різноманітним хімічним складом і значною здатністю до катіонного обміну без порушення їх кристалічної структури. Структура мінералів групи монтморилоніту представлена тришаровими пакетами, що складаються з двох шарів тетраедрів, які зв'язуються октаедричних шаром. Характерна здатність шарів розсуватися (розбухати) під впливом води і органічних сполук, що займають в структурах міжпластові положення.
Ідеальна хімічна формула монтмориллонита Аl2О3 • SiO2 + nН2О. Заміщення алюмінію магнієм призводить до утворення магнезиального монтмориллонита (сапоніту) 3MgO • 4SiO2 • Н2О + nH2O. Якщо ж заміщає елементом є залізо, то виникає нонтроніт Fe2O3 • 4Si2 Н2О + nO.
Монтморилоніт зустрічається в глинах у вигляді декількох морфологічних різновидів, спільною особливістю яких є розпливчастість обрисів частинок.
Мінерали групи гідрослюд мають мінливим хімічним складом і слабо вивчені. У цю групу входить гидромуськовіт, Ілліт, глауконіт і деякі інші мінерали. Хімічний склад характеризується проміжним значенням змісту Аl2О3 і К2О в порівнянні з каолінітової і монтморіллонітових глинами. Характерною особливістю їх є високий вміст К2О (від 4 до 6,23%, по Викулова).
Структури гидрослюд характеризуються триповерховими шарами, що не розсуваються під впливом молекул води і органічних сполук. Гідрослюди пов'язані поступовим переходом з іншими глинистими мінералами. Вони не набухають і мають невелику здатність до катіонного обміну.
До групи бейделліта входять різноманітні глини, що різко відрізняються один від одного за своїм кристалічному будовою, хімічним складом і властивостями.
Деякі дослідники (Brown, 1955; Mac Ewan, 1951 і ін.) Відносять бейделліт до монтмориллонитовій групі і вважають, що він утворює з ними ізоморфний ряд. Інші (Grim, Rowland) вважають бейделліти сумішами різних глинистих мінералів: каолініту, монтморилоніту, гідрослюд і гідратів оксидів заліза. У зв'язку з цим Грим вважає, що термін бейделліт повинен бути вилучений з ужитку.
умови освіти

Велика частина глинистих мінералів утворюється при певній кислотності водного середовища. Так, наприклад, лужного середовища вимагають мінерали групи монтморилоніту. Навпаки, лише в кислому середовищі утворюється каолинит і близькі до нього мінерали. Гідрослюди виникають як в кислому, так і в нейтральній, рідше лужному середовищі.
Характер утворюються глинистих мінералів в значній мірі залежить від клімату, що особливо помітно на континентальних відкладеннях. Відповідно до цього мінеральний склад сучасних грунтів змінюється в різних кліматичних зонах.
Серед озерних відкладень найбільш часто зустрічаються каолінітові і гідрослюдисті глини, в морських товщах - монтморилонітові, глауконітові і гідрослюдисті. З глин змішаного складу особливо поширені кварц-гідрослюдисті, глауконіт-гідрослюдисті і ін.
В цілому, склад глинистих мінералів є показником фізико-географічних умов їх утворення. Слід, однак, враховувати, що глинисті мінерали в процесі перенесення, відкладення і скам'яніння піддаються істотним змінам. У міру переходу від морських глин до континентальних іноді помітно збільшується вміст каолініту, так як цей мінерал виникає майже виключно на суші в болотах у властивій для них кислому середовищі. Тому все істотно каолінітові глини зустрічаються виключно в континентальних товщах. При попаданні каолинита в лужні морські води він переходить в гідрослюд або мінерали монтмориллонитовій групи.
Перетворення глинистих мінералів у міру зносу їх з суші в море було показано на сучасних опадах і в древніх товщах багатьма дослідниками (Викулова, 1955; Millot, 1953, 1954; Murray, 1954; Grim and Jones, 1954; Griffin and Ingram, 1955).
До умов відкладення глин чутливі також і зустрічаються серед них сингенетичні мінерали. Наприклад, глауконіт типовий лише для морських глин, причому в міру збільшення глибини відкладення зменшуються розміри зерен, і вони набувають все більш світле забарвлення; гіпс і доломіт часто зустрічаються в лагунних відкладеннях; пірит і марказит типові для глин, утворених в різко відновлювальної середовищі. При меншому дефіциті кисню виникає сидерит і т. Д.
Іноді сингенетичні мінерали утворюють великі конкреції, склад яких може бути досить характерним для визначення стратиграфічних горизонтів глин.
Залежно від присутності тих чи інших тонкодисперсних мінералів, зазвичай складають в глинах фракцію менше 0,001 мм, хімічний склад глин змінюється в широких межах.
Хімічний і мінералогічний склад колоїдної фракції різних глин істотно неоднаковий. Особливо великі коливання змісту глинозему і лугів. Помітно змінюється також втрата при прожарюванні. Ці зміни пояснюються різнорідністю загальної геологічної обстановки формування глин, яка викликає зміна їх мінералогічного складу. При короткочасному вивітрюванні уламковий матеріал піддається лише відносно слабкому видозміни і, як наслідок цього, глинисті породи містять мало глинозему і багато лугів (гідрослюдисті глини). При більш тривалому вивітрюванні лугу видаляються з продуктів руйнування материнських порід, і в них зростає вміст глинозему (каолінітові глини). Хімічний аналіз не дає повного уявлення про мінералогічний склад глин. Великий вміст SiO2 може бути обумовлено як присутністю в каолінітової глині домішки кварцу, так і переважанням мінералів групи монтморилоніту, тому треба застосовувати комплексне дослідження.

Макроскопічний вигляд і структури глин. їх властивості

Для цих порід характерний ряд ознак, зокрема деякі особливості зовнішнього вигляду. Глини являють собою тонкодисперсні породи, забарвлені в різні кольори. Колір їх залежить від мінерального складу глинистої маси і присутності фарбувальних домішок. Каолінітові, гідромусковітовие, монотермітовие і деякі монтморилонітові глини мають білу, світло-сіру і жовтувато-біле забарвлення. Деякі гідрослюдисті (особливо глауконітові), монтморилонітові, нонтронітовие і гідрохлорітовие глини характеризуються зеленувато-блакитний забарвленням. Наявність органічних речовин, навіть в невеликій кількості, визначає чорний колір глин, оксиди заліза і марганцю викликають їх червону, фіолетову і бурого забарвлення; домішка дрібних частинок хлорита або глауконита обумовлює блакитно-зелене забарвлення і т. д.
Багато різновидів глин характеризуються тонкою горизонтальною шаруватість, запланованій іноді слойками, товщиною всього в декілька сотих міліметра. Деякі різновиди глин (стрічкові) мають чітко висловленої ритмічної слоистостью. У багатьох глин макроскопически видима слоистость відсутня. Інші глинисті породи характеризуються плямистими текстурами, що виникають або в процесі осадження, або під час діагенеза. У деяких випадках спостерігаються плойчаті текстури, що утворюються під час зсуву глинистих опадів або в результаті нерівномірної усадки глинистих мулів при їх дегідратації.
В глинах спостерігаються такі типи структур, зумовлені величиною частинок, що складають глину, або процесами відкладення речовини з розчинів.

а) пелітовими - характерна для глинистих порід, що складаються майже виключно (більш ніж на 90%) з частинок, менших 0,005 мм. Залежно від ступеня дисперсності матеріалу серед пелітових структур розрізняють Пилувато (переважання частинок 0,005-0,001 мм) і гелеву структуру (переважання частинок <0,001 мм). Глини з гелевою структурою виключно дрібнозернистий і володіють або приховано-кристалічним (тоді вони ізотропні в схрещених николях), або частково кристалічною будовою за рахунок перекристалізації порід під час скам'яніння.
б) Алевропелітовая - характеризується тонкодисперсної глинистої масою, на тлі якої помітні алевритові частки (не менше 5%). Ця структура властива деяким тугоплавким і будівельним глинам.
в) Псаммопелітовая - відрізняється від попередньої присутністю, крім алеврітових, також і піщаних частинок. Спостерігається часто в тугоплавких і будівельних глинах.
в) Фітопелітовая - типова для Темна глин, багатих органічною речовиною. У тонкодисперсної масі цих глин присутні як породообразующий елемент залишки рослин або їх уривки, різного ступеня збереження, а також розсіяні колоїдні органічні речовини.
д) Конгломератовідная і брекчіевідно - утворюються або в результаті місцевого розмиву глинистих відкладень і цементації виникли уламків глинистих ж речовиною або під час діагенеза.
е) Ооідная (боби) структура обумовлена наявністю в тонко-дісперсної гліністої масі округлих Утворення (ооідов) різної Величини без концентрично Будови, Складення зазвічай тім же глинистих мінералом, что и вся маса. Ооіді часто пофарбовані оксидами заліза або органічнімі Сполука. Спостерігаються ооіді, складені Цілком оксидами заліза.
ж) Оолітовая структура - структура порід, что складаються з оолітов. У гліністої масі Присутні як ооіді, так и ооліті. Ооліті. зазвичай з декількома концентрами, які розрізняються за своїм складом і складені глинистими мінералами, як і вся основна маса, оксидами заліза, тонкодисперсним органічною речовиною, хлоритами і іншими мінералами.
з) сферолітовие - виникає в глинистих породах завдяки появі в них при скам'янінні сферолітів, зазвичай кальциту або сідеріта.
і) Реліктова - характерна тим, що в породі видно контури частинок, за рахунок видозміни яких утворилися глинисті мінерали.

Для глин можуть бути виділені певні різновиди мікротекстур на основі різного розташування пластинчастих частинок і неоднаковою їх оптичної орієнтування. Серед мікротекстур найбільш звичайні такі.
а) сплутати-волокниста - характеризується в схрещених николях наявністю в шлифе безладного переплетення тонких волокон, по черзі, згасаючих і просвітлювати при обертанні столика.
б) Орієнтована - характеризується наявністю агрегатів частинок зі строго однакової оптичної орієнтуванням, які завдяки цьому виглядають в схрещених николях як один кристал. При обертанні шлифа при схрещених николях значні його ділянки одночасно гаснуть або просвітлюються. Подібна Мікротекстура утворюється при спокійному осадженні пластинчастих частинок глинистих мінералів, що нашаровуються паралельно один одному.
в) Луската - характеризується безладним розташуванням глинистих мінералів.
Характерним фізичним ознакою глин, дуже важливим для технології, є пластичність, т. Е. Здатність маси вологої глини змінювати під тиском свою форму і зберігати її після усунення тиску. За цією ознакою всі глинисті породи підрозділяються на власне глини, що володіють пластичністю, і аргіліти, т. Е. Каменеподібні породи, які не розмокають у воді. Своєрідним різновидом аргиллитов є сухарні глини.
Пластичні глини з великим вмістом глинистих частинок мають жирним і шовковистим блиском. Тонко дисперсні, але непластичні глини частіше мають рівний або раковистий, іноді слабо блискучий злам. Глини з домішкою піщаних і алеврітових фракцій характеризуються землистим зламом.
Іншим характерним властивістю глин, визначальним область їх застосування в промисловості, є вогнетривкість. Вогнетривкі глини сплавляються при температурі від 1580 до 1770 °. Вони представлені каолінітової різновидами, чистими або з домішкою монотерміта.
Гідрослюдисті, найбільш широко поширені цегельні глини плавляться при температурі нижче 1350 °.
Велике значення має також інтервал температур плавлення і спікання глин. Спікання глин відбувається в результаті місцевого плавлення мінеральних часток, що відбувається без деформації глини. Чим більше інтервал спікання (він досягає іноді 300-400 °), тим вище виробнича цінність глин. В результаті спікання глини або вироби з них перетворюються на твердий камнеподобний матеріал, не розмокає у воді.
Для глин характерна іноді поглинальна здатність, яка використовується для очищення різноманітних мінеральних і органічних продуктів. До числа особливостей глин відноситься також липкість, мала хімічна активність, здатність до утворення стійких суспензій і ін.
Різні типи глин застосовуються в керамічній, вогнетривкої, будівельної та інших галузях промисловості.
Зіставлення основних фізико-хімічних властивостей основних груп глинистих мінералів
(За даними М. Ф. Викулова)

глинисті мінерали

Глина Фізико-хімічні властивості

Гідрослюдисті Каолшштовие монтморіллонітових і бейделлітовие глини

Межі зміни показників заломлення Двозаломлення Зовнішність агрегатів частинок під звичайним мікроскопом
Зовнішність частинок в електронному мікроскопі
Колір при фарбуванні 0,001% - ним розчином метіленголубого барвника
Те ж, при добавці насиченого розчину КСl
Колір при фарбуванні насиченим розчином солянокислого бензидину
Здатність до пабуханію
Характер кривої нагрівання

1,560-1,600. 0,014-0,020
Подовжені пластинки з різко окресленими краями
Подовжені напівпрозорі і непрозорі пластинки з різкими обрисами
Фіолетово-синій, синій
Фіолетово-синій, синій, голу¬бой
Брудно-синій і сіро-синій
незначна
Три ендотермічні реакції в інтервалах 100-150, 500-600 і 850-900 ° і іноді одна екзотермічна реакція в інтервалі 925-1020 °

1,558-1,570
0,005-0,009
Ізометрічниє або подовжені пластинки з нерівними краями
Шестикутні непрозорі пластинки і неправильні за формою частинки з різко окресленими краями
Бляклий світло-фіолетовий
Бляклий світло-фіолетовий Не фарбується
нікчемна
Ендотермічна реакція в інтервалі 500-600 ° і дві екзотермічні реакції в інтервалах 900-1050 і 1100-1200 °. Іноді ще одна невелика ендотермічна реакція в інтервалі 100- 150 ° (у пластичних тонкодисперсних глин і у глин з домішкою галлуазіта)

У деяких випадках придатність глин може бути визначена за їх зовнішнім виглядом. Так, глини яскраво-червоного або бурого кольору, як містять багато сполук заліза, не можуть бути вогнетривкими і керамічними. Якщо такі яскраво-пофарбовані глини однорідні і не містять великих включень карбонатів, то вони можуть бути цегляними. Якщо вони тонкозернисті, то можуть використовуватися як гончарні, а при значному вмісті окислів заліза-відносяться до групи мінеральних фарб.

Глини білого кольору, світло-серія, світло-жовтий, світло-рожеві і світло-зелені можуть бути вогнетривкими, тугоплавкими або навіть легкоплавкими, якщо вони складені монтморилонітом. Вогнетривкими можуть бути іноді глини темно-сірого і чорного кольору, і, навпаки, навіть дуже світлі глини можуть бути не вогнетривкими, якщо в них присутні в значній кількості карбонати, солі, гіпс і інші легкоплавкі мінерали.

Неразмокаемую каменеподібні глини з раковістим зламом можуть бути вогнетривкими. Глини, шматочки яких при зануренні у воду, розмокаючи, сильно набухають і тривалий час зберігають свою форму, завжди виявляються поглинають.

гідрослюдисті глини

гідрослюдисті глини складаються з глинистих мінералів, що виникли на перших стадіях вивітрювання. Частинки, що складають ці глини, хутра-нічних перенесені на місце відкладення, а колоїдно-хімічні мінерали серед них грають підпорядковану роль. Типовим представником цієї групи глин є стрічкові та інші льодовикові глини. До цього типу належать також найбільш широко поширені серед осадових порід глини, що представляють собою суміш продуктів фізичного та відносно слабкого хімічного вивітрювання.

каолінові глини

Глинисті породи каолінітової групи.

каолінові глини це група глин до яких відносяться первинні каоліни (глини кори вивітрювання, складені в основному каолинитом), вторинні каоліни, що виникають при переотложении первинних, і каолінітові глини, що утворюються зазвичай за рахунок випадання відповідних продуктів глибокого вивітрювання з колоїдних розчинів.

Монтморилонітові глини Глинисті породи монтмориллонитовій групи

монтморилонітові глини раніше називалися сукновальні в зв'язку з їх застосуванням для знежирення вовни при валяння сукна, а також отбеливающими глинами або фулеровимі землями. В даний час їх частіше називають бентонітами і флоридин. До складу цих порід входять крім монтмориллонита і нонтроніти також смешаннослойние освіти, найчастіше монтмориллонит-гідрослюдисті, близькі за складом до монтмориллонитовій групі. Деякі різновиди монтморіллонітових глин сильно розбухають при зануренні у воду.