Анализы глинистых минералов

Состав глинистых минералов в глинах может быть определен по данным рентгеновской дифракции, характеру дегидратации, термическим реакциям при нагревании (дифференциальный термический анализ), оптическим свойствам, спектрам поглощения инфракрасных лучей, реакциям окрашивания и др.

Химические анализы могут быть использованы для определения глинистых минералов; например, присутствие К2О позволяет предполагать присутствие иллита. Может быть также полезно определение емкости катионного обмена; например, емкость катионного обмена порядка 100 мэкв на 100 г неорганического вещества указывает на присутствие монтмориллонита или вермикулита. Электронный микроскоп может установить наличие удлиненных трубчатых частиц, указывающих на присутствие галлуазита.

Если глинистый материал, который необходимо проанализировать, слагается одним глинистым минералом, любой из перечисленных выше методов позволит правильно определить его минеральный состав. Если же глинистый материал представляет собой смесь глинистых минералов, а возможно, и других компонентов, то, чтобы получить полные данные для такой смеси, необходимо применить несколько различных методов анализа.

Количественное определение содержания глинистых минералов может быть произведено с точностью, зависящей от сложности этой смеси. В материалах, состоящих из смеси плохо окристаллизованных глинистых минералов и некоторого количества смешаннослойных минералов, в настоящее время точность лучших количественных определений составляет около 5%.

Наиболее удовлетворительно определение минерального состава глинистых минералов одним методом может быть сделано при помощи рентгеновского анализа. В настоящее время это единственный метод, дающий возможность точно определить состав сложных смесей глинистых минералов, включая смешаннослойные сростки.

Трудность использования рентгенодифракционного метода для количественных определений заключается в невозможности получения стандартов чистых глинистых минералов, соответствующих глинистым минералам в изучаемых образцах. В смеси интенсивность дифракции компонентов варьирует в зависимости от количества этого компонента; интенсивность дифракции также изменяется в зависимости от размера частиц и кристалличности минерала. Так как обычно не известна кристалличность компонентов смеси, невозможно определить интенсивность дифракции чистых компонентов, присутствующих в такой смеси. Эта трудность частично может быть преодолена использованием одного из компонентов в качестве внутреннего стандарта.

Другие трудности в определении глинистых минералов рентгеновским методом связаны с тем, что параметр кристаллической решетки хлорита в направлении оси с приблизительно равен удвоенному параметру решетки каолинита. Эта трудность особенно существенна для хлоритов, которые содержат значительное количество железа, поскольку рефлекс первого порядка, обычно позволяющий отличать хлорит от каолинита, у богатых железом хлоритов имеет очень низкую интенсивность. Несомненно, что многие глины, определенные ранее как каолинит, в действительности являются хлоритовыми. Часто это затруднение можно обойти, используя более высокие порядки базальных рефлексов, где слабое различие в параметрах с этих минералов становится существенным.

В практике изучения глинистых минералов готовят так называемые ориентированные агрегаты, т. е. крупные агрегаты, в которых все чрезвычайно мелкие частицы глинистых минералов расположены таким образом, что их базальные плоскости приблизительно параллельны. Они приготовляются распусканием глинистых материалов в воде с последующим осаждением частиц глинистых минералов на плоской поверхности. Такие ориентированные агрегаты весьма полезны, так как дают дифракционные картины, содержащие дифракционные линии от базальных плоскостей, а поэтому на них могут быть измерены параметры с глинистых минералов. При диагностике глинистых минералов наибольшее значение имеют их параметры в направлении оси с. Такие ориентированные агрегаты отдельных глинистых минералов или их смеси дают серии дифракционных линий, соответствующих постоянным межплоскостным расстояниям, на основании которых легко определяются параметры с глинистых минералов, присутствующих в изучаемом образце. Смешаннослойные образования с беспорядочным переслаиванием отдельных слоев не дают таких серий базальных рефлексов, что может быть использовано в качестве основы для определения таких смешаннослойных образований.

Если смешаннослойный минерал является единственным компонентом глинистого материала, то в этом случае обычно можно определить характер и относительное количество элементарных слоев, участвующих в такой смеси. Если же, кроме смешаннослойного глинистого минерала, глинистый материал содержит другие глинистые минералы, то в этом случае можно определить только приблизительное содержание смешаннослойного компонента и вероятную природу компонентов, образующих смесь.

В лаборатории автора при производстве анализов глинистых минералов часто используется следующая последовательность операций. Порошок минерала изучается под петрографическим микроскопом при увеличениях приблизительно в 400—500 раз. Если при таком изучении не будет обнаружено существенной примеси неглинистых минералов и если оптические свойства изучаемого образца соответствуют оптическим константам чистого глинистого минерала, определение этого глинистого минерала может быть произведено на основании оптических данных. Однако для контроля производится съемка порошкопраммы образца изучаемой глины и ориентированного ее агрегата. Эта порошкограмма дает призматические рефлексы, необходимые для отнесения минерала к диоктаэдрической или триоктаэдрической разновидности и для суждения о степени его кристалличности. Если рентгеновские исследования также подтверждают присутствие в изучаемом образце только одного глинистого минерала, дополнительных анализов не требуется.

Если же перечисленные выше исследования выявят присутствие сложной смеси глинистых минералов, то в этом случае необходимы дополнительные исследования. Например, пластинки ориентированных агрегатов можно обработать этиленгликолем, который заместит воду в любой сильно набухающей глине и вызовет изменение межплоскостного расстояния по оси с примерно до 17 А. Такое изменение межплоскостного базального расстояния позволит обнаружить присутствие какого-либо самостоятельного набухающего минерала или, возможно, компонента смешаннослойного образования. Эти ориентированные агрегаты могут быть нагреты примерно до 100°С, что вызовет сокращение кристаллической решетки набухающей глины с соответствующим изменением базального межплоскостного расстояния. Ориентированные агрегаты можно прокалить при значительно более высоких температурах для селективного разрушения некоторых глинистых минералов.

Если все эти данные еще не позволяют прийти к однозначному результату, можно получить дифференциальные термические кривые. Термический метод особенно важен для отличия каолинита от хлорита: каолинит дает очень интенсивную экзотермическую реакцию примерно при 950° С, а у хлорита эта реакция отсутствует. Изучаемый образец может быть обработан солями калия, которые вызовут восстановление всех иллитовых минералов. Такая обработка калием может быть использована для различия между набухающими глинами, образовавшимися из полностью деградированного иллита, и набухающими же глинами бентонитового происхождения. Для определения количества присутствующих в образце калия и магния можно сделать химические анализы. Электронные микрофотографии необходимы для выяснения возможного присутствия трубчатых частиц галлуазита.

Для особенно сложных смесей может оказаться желательным фракционирование глин по размеру, чтобы попытаться сконцентрировать в данном классе частиц определенные глинистые минералы в количествах, позволяющих произвести их определение. Глины могут быть разделены на классы от 2 до 1 мк, от 1 до 0,1 мк и меньше 0,1 мк.

Если исследуемый материал содержит много неглинистых минералов, то обычно рентгеновскому анализу подвергается естественный образец и, кроме того, производится его фракционирование, чтобы сконцентрировать глинистые минералы. Часто производится измельчение до размера около 2 мк, которое обычно вполне достаточно для отделения неглинистых минералов от глинистых минералов, которые концентрируются в более тонкой фракции.

На основании всех имеющихся данных может быть произведено количественное определение содержания минералов. Очевидно, что изучение состава глинистых минералов сложных глин является не простым делом, и в этой области эксперимент имеет очень большое значение.

Часто для глин желательно иметь дополнительные аналитические данные, особенно при изучении факторов, которые определяют их физические свойства. Так, может оказаться полезным определение состава обменных катионов или изучение текстуры породы при помощи петрографического микроскопа. Могут представить также интерес дополнительные данные о размере частиц, выявляемые при электронно-микроскопическом изучении. Количество таких дополнительных данных зависит от разрешаемых проблем.