Происхождение и распространение глинистых минералов

17.06.2018
Существует обширная литература, посвященная вопросам происхождения и распространения глинистых минералов. Грим собрал соответствующие работы и попытался обобщить их. К этой работе могут обратиться все желающие полнее ознакомиться с этими вопросами. В настоящей теме будут даны только краткие общие заключения, которые необходимы для дальнейшего рассмотрения освещаемых здесь вопросов.

Синтез


Все глинистые минералы, за исключением аттапульгит-сепиолита и, возможно, галлуазита, были синтезированы из смесей окислов при низких температурах и давлениях. Температуры синтеза были порядка первых сотен градусов Цельсия, а давления — порядка 100 атм или ниже. Эта работа в общем показала, что в системах глинозем — кремнезем без щелочей и щелочных земель с отношениями кремнезема к глинозему, лежащими в пределах составов глинистых минералов, образуется каолинит. При добавке к таким системам калия образуется иллит, при добавке небольших количеств магния — монтмориллонит, а при более высоких концентрациях магния — хлорит. В присутствии натрия возникают цеолиты. Кальций, по-видимому, слабо влияет на направление синтеза, хотя, возможно, он благоприятствует развитию структуры монтмориллонитового типа.

Недавно Энен и Робише показали, что глинистые минералы могут быть синтезированы при обычных температурах и давлении, если окислы смешивать вместе очень медленно и при большом разбавлении.

Гидротермальное образование


Уже давно было установлено, что аргиллизация, вызванная гидротермальным воздействием, часто наблюдается в виде ореолов вокруг рудных месторождений. Глинистые продукты изменения также ассоциируют с горячими источниками и гейзерами. Масштабы ореолов изменения могут варьировать от нескольких до 100 футов и более. В таких ореолах измененных пород встречены все глинистые минералы, за исключением аттапульгит-сепиолита. Часто устанавливается зональное расположение глинистых минералов вокруг источника изменения, причем слюда и каолинит располагаются ближе к этому источнику, а хлорит и монтмориллонит — дальше.

Выветривание и почвы


В различных почвах были обнаружены все виды глинистых минералов, за исключением, видимо, аттапульгита. Глинистые минералы образовались в результате почвообразующих процессов, или эти процессы оказали существенное влияние на изменение характера глинистых минералов. Характер глинистых минералов, встречающихся в данной почве, зависит от природы материнского материала, а также от климата, топографии, растительности и времени, в течение которого продолжалось воздействие этих факторов. Климат, топография и растительность оказывают влияние на процессы выветривания, контролируя характер и направления движения воды через зону изменения. Характер исходного материала имеет относительно большее значение на ранних стадиях выветривания, чем там, где выветривание продолжалось в течение долгого периода времени.

Там, где климат и топография таковы, что преобладающим движением воды является просачивание вниз через зону изменения, происходит выщелачивание щелочей и щелочных земель, присутствовавших в исходном материале. Первичные материалы, содержащие эти компоненты, разрушаются; в том случае, когда в природе присутствуют слюды, они деградируют и разлагаются первыми. Если выщелачивание интенсивное, происходит удаление этих щелочей и щелочных земель. В зависимости от pH просачивающихся вниз вод могут удаляться из зоны изменения глинозем и кремнезем. В свою очередь pH такой воды определяется климатом и покровом растительности. В теплых влажных условиях с продолжительными сухим и влажным периодами поверхностный органический материал почти полностью окисляется, так что просачивающиеся воды нейтральные или, возможно, слабощелочные, вследствие чего кремнекислота удаляется, а глинозем и железо остаются на месте и накапливаются. В результате этого процесса образуются почвы латеритного типа. B умеренном климате, где поверхностный органический материал не полностью окисляется, просачивающиеся вниз воды содержат органические кислоты, так что компоненты состава R2O3 выщелачиваются, причем кремнекислота остается на месте, и в этом случае образуются почвы подзолистого типа.

В условиях ранних стадий выщелачивания продуктом выветривания являются, вероятно, несколько деградированные ил-литы и хлориты и набухающие глинистые минералы, а позднее развиваются каолинит и конечные окислы и гидроокислы по мере того, как выщелачивание становится более полным.

В засушливых районах, где вода не просачивается вниз, выщелачивания не происходит; щелочи и щелочные земли остаются близ поверхности, и развиваются почвы черноземного типа, содержащие иллитовые, хлоритовые и монтмориллонитовые глинистые минералы. В чрезвычайно засушливых условиях пустынь, где концентрация магния особенно высока, отмечается образование аттапульгита; считают, что этот минерал образуется именно в таких условиях.

В результате процессов выветривания, особенно там, где происходят значительные вертикальные движения влаги, образуются последовательные горизонты в пределах зоны изменения. Эти горизонты часто имеют резкие границы с соседними горизонтами; мощность их -измеряется дюймами или несколькими футами. Однако в тех случаях, когда процессы выветривания продолжались в течение долгого времени, эти горизонты могут измеряться многими футами. Такие горизонты различаются степенью разложения коренного материала, составом и относительным развитием вторичных минералов, различным размером частиц, содержанием органического материала и величинами pH, характером щелочей, а также содержанием щелочей и щелочных земель. Вертикальное движение воды приводит к движению почвенных компонентов, вызывая развитие серии различных горизонтов. Отчетливо развитые профили должны приниматься во внимание при любых исследованиях происхождения или свойств почв. Например, это означает, что почва или выветрелый материал в общем не может быть изучен путем сбора единичных образцов выветрелого материала и коренного материала. Чаще необходимо изучить серию образцов, взятых последовательно от поверхности вниз, чтобы определить истинную природу свойств выветрелого материала и условия его образования.

В лабораторных условиях были выполнены значительные эксперименты, чтобы воспроизвести образование глинистых минералов из полевых шпатов, пироксенов и др. в процессе выветривания. Во многих случаях количество продуктов изменения было так мало, что их точное определение вызывало большие трудности. В общем такое изучение подтвердило описанные выше выводы, полученные на основании изучения почв.

Современные осадки


Преобладающими глинистыми минералами в современных осадках морей, по-видимому, являются иллит и хлорит. В некоторых районах, таких, как Мексиканский залив, в качестве важного компонента современных осадков также присутствует монтмориллонит. Обычно присутствует, кроме того, каолинит, но часто в очень малых количествах. В современных морских осадках был установлен еще и галлуазит. Аттапульгит-сепиолит до сих пор не найден в современных морских осадках. Претерпевают или нет глинистые минералы изменения в процессе транспортировки из пресноводной среды в морские условия, существуют различные мнения. Большинство имеющихся данных, по-видимому, согласно указывает, что в процессе такой транспортировки происходит восстановление слюд, а из монтмориллонита развиваются иллит и хлорит. Очевидно, происходят и другие более существенные изменения в минеральном составе глинистых минералов, однако условия, которые ведут к такой перестройке, не известны.

Современные осадки, образующиеся вне морских водоемов, могут иметь любой состав глинистых минералов. Однако в сильно засоленных бассейнах, расположенных в пустынных районах, развивается иллит, хлорит или аттапульгит в зависимости от природы присутствующих в воде этих бассейнов катионов. Например, в присутствии магния в зависимости от его концентрации будет образовываться аттапульгит или хлорит, причем последний минерал развивается при более высокой концентрации магния.

Древние осадки


Изучение древних осадков из многих частей мира показывает, что в породах древнее мезозойских монтмориллонит распространен гораздо меньше, чем в более молодых осадках. Существует также предположение, основывающееся на имеющихся данных, что каолинит встречается реже в очень древних осадках по сравнению с осадками, отложенными после девона. Другими словами, очень древние глинистые осадки сложены главным образом иллитом и хлоритом. Аттапульгит и сепиолит не описывались из осадков древнее третичных.

Материалы, которые можно отнести к глинам, могут состоять из любых глинистых минералов. В некоторых случаях глинистая часть такой породы состоит из одного глинистого минерала, но чаще присутствует смесь глинистых минералов. Материалы, которые описываются как сланцы в результате их относительной твердости и сланцеватости, часто состоят из иллита и хлорита. Монтмориллонит — обычный компонент многих мезозойских и более молодых сланцев. Каолинит — обычный компонент некоторых сланцев, но присутствует он в небольших количествах.

Сланцы слагаются, по-видимому, преимущественно иллитами и хлоритами. Эти глинистые минералы в сланцах обычно лучше окристаллизованы, чем в глинах. Каолинит был описан из некоторых сланцев, и Фарбэрн отмечал, что каолинитовые сланцы слабосланцеваты.

Глинистые минералы, встречающиеся в карбонатных породах, представлены, по-видимому, главным образом иллитом и хлоритом. Каолинит и монтмориллонит иногда присутствуют в них, но в небольших количествах; однако в более молодых карбонатных породах монтмориллонит может быть важным компонентом.

Каолинит и иллит отмечались в различных углях. В настоящее время отсутствуют данные, позволяющие решить вопрос о том, существует или нет общее соотношение между природой глинистого минерала и характером или возрастом углей. Милло и де Лаппаран показали, что сепиолит-аттапульгитовые минералы часто встречаются в глинистых отложениях, связанных с древними соленооными отложениями. Монтмориллонит, иллит и хлорит — также обычные компоненты таких осадков.

Бентонит


Термин «бентонит» впервые был применен Найтом к исключительно высококоллоидальной глине, обнаруженной в меловых отложениях Вайоминга. Если эту глину поместить в воду, она разбухает, увеличиваясь в объеме в несколько раз, и дает тиксотропные гели с водой даже при относительно небольшом содержании глины. Впоследствии Хьюэтт показал, что эта глина образовалась в результате изменения на месте вулканического пепла. Позднее Росс и Шаннон изучили ряд глин, образовавшихся в результате изменения вулканического пепла, и предложили ограничить применение термина «бентонит» только к таким глинам. Они пришли к выводу, что эти глины состоят главным образом из монтмориллонита и обычно высококоллоидальные и пластичные. Термин «бентонит» в том виде, как он используется в настоящее время многими минералогами и геологами, не связывается с какими-либо определенными физическими свойствами этих глин.

Теперь известно, что изменение вулканического пепла на месте его выпадения обычно приводит к образованию глин, которые состоят из монтмориллонита. В некоторых случаях в них также могут присутствовать другие глинистые минералы: иллит или каолинит. Известно, что изменение некоторых вулканических пеплов может привести к образованию глин, сложенных галлуазитом и аллофаном, что в основном зависит от состава исходного вулканического пепла. Эти минералы образуются в том случае, когда исходный вулканический пепел имеет исключительно низкое содержание щелочей и щелочных земель. Физические свойства таких измененных вулканических пеплов в тех случаях, когда они сложены преимущественно монтмориллонитом или аллофаном и галлуазитом, совершенно различны, и было бы желательно, вероятно, сохранить термин «бентонит» только для таких продуктов, которые состоят из монтмориллонита.

В бентонитах, состоящих из монтмориллонита, структурные свойства и состав монтмориллонита могут изменяться, кроме того, может также меняться характер обменного катиона. Вследствие этого физические свойства бентонита будут изменяться в зависимости от природы монтмориллонита и состава обменного катиона. В некоторых случаях такие глины могут обладать относительно слабыми коллоидальными и тиксотропными свойствами. В промышленности существует тенденция ограничить термин «бентонит» только высококоллоидальными разновидностями, характерными для некоторых первичных глинистых материалов, добываемых в Вайоминге. В некоторых случаях используется термин «суббентонит» по отношению к монтмориллонитовым материалам, обладающим относительно более низкими коллоидальными свойствами, чем материал из Вайоминга.

Необходимо также отметить, что в некоторых отраслях промышленности обычно прилагательное «бентонитовый» применяется по отношению к глинистым материалам с относительно высокими коллоидальными свойствами без какого-либо отношения к происхождению или составу этого материала. Иногда прилагательное «бентонитовый» используется тогда, когда предполагают, что изменение вулканического пепла играло существенную роль в происхождении аргиллитового материала. По-видимому, было бы целесообразно принять предложение Росса и Шаннона об ограниченном использовании термина «бентонит». Это создает трудности в определении происхождения этих глин, но вулканический материал, измененный до состояния глины, обычно характеризуется некоторыми особенностями, делающими такое определение исключительно простым и точным.

Как будет показано далее, бентониты очень широко используются в промышленности. В течение последних 30 лет проводились интенсивные поиски месторождений бентонитов по всему миру, и во многих районах они были обнаружены и описаны. Особенно большое количество месторождений бентонитов связано с образованиями верхнемелового и третичного возраста.