lito_kuznecov

методы позволили впервые установить точную морфологию кристаллов глинистых минералов, а главное, — строение их кристаллической решетки.

6.2. МИНЕРАЛОГИЯ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

Минералы глинистых пород четко разделяются на две группы: собственно глинистые минералы, определяющие само наличие глинистых пород, и неглинистые минералы — примеси. Основные группы собственно глинистых минералов относятся к алюмосиликатам со слоистой структурой кристаллической решетки, содержащим те или иные качества натрия, калия, кальция, магния, иногда железа. Сложные сочетания двух основных структурных элементов — кремнекислородных тетраэдров и алюмогидроксильных октаэдров — наряду с различиями в химическом составе определяют и выделение основных минеральных типов — каолинитов, смектитов, гидрослюд (иллитов), хлоритов и более редкой группы палыгорскита — сепиолита.

Минералы группы каолинита включают собственно каолинит, диккит, накрит, галлуазит. Типичным представителем является минерал каолинит (англ. — kaolinite). Название это пришло от китайского Као-линг или Кау-линг — высокая гора или высокий холм в провинции Цзен-си, где было месторождение этого минерала, являющегося ценным сырьем для производства очень дорогого фарфора. Оно впервые было употреблено в 1867 г. в отличие от глинистой породы, сложенной, этим минералом, которая называлась и называется каолином; (англ. — kaolin).

Структура кристаллической решетки минералов этой группы самая простая среди глинистых минералов. Она представляет собой двухслойные пакеты, где чередуются октаэдрические и тетраэдрические слои. Химическая формула «идеального» каолинита Al4[Si4Oi0] [ОН]8.

Более разнообразна и более сложно построена следующая группа глинистых минералов — смектиты.

Для них характерны трехслойные пакеты — две сетки кремнекислородных тетраэдров и расположенная между ними сетка алюмогидроксильных октаэдров. При этом и в тет-f раэдрах, и в октаэдрах возможны взаимные замещения ионов.^ как одинаковой валентности (Al3+ — Fe3+, Mg2+ — Fe2+), Taif и разной (Si4+ — Al3+ и др.). Другими словами, здесь име-^

300

е Т место как изовалентный,	так	и гетеровалентный и з о м о р -
физм. Если в октаэдрических		слоях (сетках)	присутствуют
только трехвалентные ионы	(Fe3+, Cr3+ и др.),		то они зани-

ма1от лишь два из трех октаэдров (из-за полной нейтрализа-

ции зарядов). Если же место в октаэдрах занимают двухва-

лентные ионы (Fe2+, Ca2+, Mg2+ и др.), то они располагаются

во всех октаэдрах. Структуры (и минералы) первого типа на- зываются диоктаэдрическими («ди» — два), а второго — триоктаэдрическими. Соответственно выделяются две подгруппы: диоктаэдрические смектиты — подгруппа монтмориллонита и триоктаэдрические — подгруппа сапонита.

Во всех смектитах связи между пакетами относительно слабые, возможно появление между ними воды, гидроксила и/или так называемых обменных катионов: K+ , Na+ , Mg2+, Ca2+ и др. В связи с этим пакеты могут раздвигаться; это ведет к набуханию, увеличению объема, что будет подробнее рассмотрено далее.

Химический состав смектитов в связи с указанными выше способностями обмена и присоединения катионов достаточно сложен и характеризуется примерно следующими формулами

(Дриц,	Коссовская,	1990): М;+у(R3:yRj+)(Si4^Al1)O10(OH)2					χ
XnH2O	для диоктаэдрических смектитов и				М+_у (R^yR3+) χ
χ (Si4^Ali)O10(OH)2 ·ηΗ20			для триоктаэдрических.			катионы
При	этом индекс M+		означает	одновалентные
(Na+ и	K+), R2+ -	двухвалентные		(Mg2+ и	Fe2+),	a R3+	-
трехвалентные (Al3+		и Fe3+).

Типичным и наиболее распространенным представителем диоктаэдрических смектитов является минерал монтмориллонит (англ. — motmorillonite), по которому названа и вся подгруппа. В англоязычной литературе это же слово обозначает и всю подгруппу. Само название этот минерал получил в 1847 г., как и каолинит — по месту нахождения в окрестностях Монтмориллона во Франции. Среди других минералов этой подгруппы наиболее известны бейделлит, нонтронит и др.

Триоктаэдрические смектиты подгруппы сапонита развиты значительно более ограничено.

Наибольшим распространением среди глинистых минералов пользуются минералы группы гидрослюд. Уже по названию видно, что минералы этой группы по составу и структуре близки слюдам, но в них обычно меньше содержания катионов, особенно калия, но существенно больше воды или

301

гидроксила. В англоязычной литературе гидрослюды часто называют иллитами (Ulite), в отечественной же последний термин имеет двойное значение: общее — как синоним гидрослюд в целом, и более узкое — как синоним гидромусковита.

Структура кристаллической решетки гидрослюд, как и у смектитов, — трехслойная, но в отличие от последних пакеты весьма прочно связаны между собой ионами калия, и в связи с этим они не обладают такой способностью к набуханию, ионному обмену и другим аналогичным свойствам, как смектиты.

Гидрослюды, как и смектиты, могут быть диоктаэдрическими и триоктаэдрическими. Первые количественно преобладают, среди них наиболее известны собственно иллит и железистая гидрослюда — глауконит.

Состав наиболее распространенных гидрослюд выражается примерно следующими формулами (Дриц, Коссовная, 1991):

Kol7(Alli5Fe^Mgoi3)[Si3l6 Aloi4IOlo(OH)2 - иллит; Ko18(Alo15Fe^FeoJMgo15) [Si3i6 А10,3]О,0(ОН)2 - глауконит.

Осадочные хлориты (англ. — chlorite) развиты существенно меньше, чем другие глинистые минералы, хотя разнообразие их минеральных видов, по-видимому, максимально. Название «хлориты» (от греч. «хлорос» — зеленый) было дано одним из основателей геологии Абрахамом фон Вернером в 1789 г. для минералов зеленого цвета, являющихся водными силикатами магния, алюминия, двух- и частично трехвалентного железа.

Хлориты характеризуются наиболее сложным строением кристаллической решетки, когда трехслойные пакеты рас-

слаиваются октаэдрическим слоем с двухили трехвалентными катионами (Mg , Fe24", Fe3+).

Следует указать на еще одну группу глинистых минералов — палыгорскита (англ. — palygorskite) и сепиолита

(англ. — sepiolite). Название палыгорскит было введено Т. Савченко в 1862 г. для описанного им волокнистого минерала, найденного на р. Поповка Палыгорской дистанции Пермской губернии, хотя под названием «горная кожа» минерал был известен с начала XVIII столетия (Ферсман, 1952).

Кроме этих чистых минеральных типов глин существуют так называемые смешанослойные образования, в структуре кристаллической решетки которых чередуются пакеты раз-

302

ной структуры, характеризующие различные минеральные видыТаковы, например, каолинит-гидрослюдистые, каоли- нит-монтмориллонитовые, хлорит-смектитовые, гидрослюдамонтмориллонитовые и другие сочетания. Некоторые из них получили даже собственные названия: ректорит — гидрослю- дисто-монтмориллонитовый, корренсит — хлорит-монтморил- лонитовый и другие минеральные виды.

Поскольку размер частиц всех минералов в глинистых породах весьма мал и в абсолютном большинстве случаев менее стандартной толщины петрографического шлифа (0,03 мм), их определение под микроскопом весьма затруднительно и возможно практически лишь при мономинеральном составе и ориентированном субпараллельном расположении всех частиц.

Кроме собственно глинистых минералов, определяющих само наличие глинистых пород, в них нередко в значительных количествах присутствуют и неглинистые минералы — примеси. Среди последних имеются как аллотигенные, так аутигенные минералы. Среди первых преобладает обломочный кварц, обычно алевритовой размерности, присутствуют полевые шпаты, слюды. Список аутигенных минераловпримесей более широк. Наиболее частыми являются карбонаты — кальцит, доломит, реже сидерит и анкерит, сульфаты — гипс, ангидрит, целестин, ярозит, алунит, а также опал, кристобалит, халцедон, фосфаты, пирит, марказит, оксиды и гидроксиды железа и марганца, цеолиты, органическое вещество в виде битумов и углистого материала и др.

6.3. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

Основой для классификации глинистых пород является прежде всего их минеральный состав. По этому показателю глины подразделяются на мономинеральные (каолинитовые, гидрослюдистые, монтмориллонитовые, хлоритовые) и полиминеральные. При этом последние нередко представляют собой не просто смеси разных минералов, а сложены смешанослойными минералами. Среди мономинеральных глин наибольшим распространением пользуются гидрослюдистые, затем глины монтмориллонитовой группы. Мономинеральные каолинитовые и хлоритовые глины существенно более редки.

303

Другой классификационный показатель, который определяется быстрее и проще уже при обычном визуальном макроскопическом исследовании, — это степень плотности породы, ее способность к размоканию. По этому показателю, который в общем виде связан с катагенетическими и частично начально-метаморфическими преобразованиями, все глинистые породы (глины в широком смысле слова) подразделяются на глины (в узком смысле слова), аргиллиты и глинистые сланцы.

Глины (англ. — clay) — пластичные, размокающие в воде породы. В этих породах частицы глинистых минералов не связаны друг с другом, поэтому при водонасыщении отделяются друг от друга, и при достаточном количестве воды образуется жидкая суспензия.

Аргиллиты (англ. — argillite) — внешне часто похожие на глины, но более плотные камнеподобные породы с неправильным землистым или раковистым изломом, не размокающие в воде и, соответственно, не обладающие пластичностью. Чаще всего это серые и темно-серые породы гидрослюдистого состава (причины — см. далее). Прочность аргиллитов обусловлена как существенным уплотнением, когда частички глинистых минералов столь плотно прилегают друг к другу, что они за счет действия межмолекулярных сил уже не отделяются одна от другой, так и дополнительной цементацией кремнеземом, карбонатами и т.д. Это уплотнение сопровождается хотя бы частичной перекристаллизацией. Поскольку переход глин в аргиллиты происходит обычно под влиянием увеличивающегося давления (при погружении или боковом стрессе), последние часто имеют слабо выраженную сланцеватую текстуру и могут раскалываться на тонкие пластинки.

Глинистые сланцы (англ. — shale) — по сути уже породы, претерпевшие начальные стадии метаморфизма, хотя и не потерявшие своих первично осадочных характеристик. Для них характерны отчетливо выраженная сланцеватость, перекристаллизация глинистых минералов с появлением новообразованных серицита и хлорита.

Приведенные выше английские варианты основных терминов, если можно так выразиться, в значительной степени идеальны. Дело в том, что в англоязычной литературе использование их весьма вольное, точный смысл может быть установлен по контексту, и то не всегда. Так, термин «shale» (дословно — сланец) нередко употребляется по отношению к слоистым глинам и суглинкам, т.е. является как бы всеобщим. То же самое термин «ciay», который, как и в русском языке,

304

может означать глину в узком, дословном смысле слова, а может относиться к глинистым породам в целом.

Многие, если не большинство, специфических свойств глинистых пород обусловлены их крайне тонкозернистой структурой и особыми свойствами глинистых минералов.

Одно из наиболее известных свойств глин, которое первоначально начало использовать человечество, — их пластичность, которая определяет технологические свойства глин как полезного ископаемого, сырья в производстве различных изделий, а нередко и некоторые геологические особенности, например, появление глиняного диапиризма. Это свойство вызывает иногда и смятие буровых труб и обсадных колон в нефтяных и газовых скважинах.

Пластичность зависит от минерального состава, степени дисперсности, количества удерживаемой глиной воды. Наиболее пластичными являются натриевые монтмориллониты, менее пластичны гидрослюды и наименее пластичны первичные каолины. Таковы, например, каолинитовые глины подугольных и покрывающих угли пластов, которые называются сухарными или тонштейнами (от немецкого der Stein — камень, der Топ — глина). Они отличаются повышенной прочностью (поэтому и называются камнеподобными), акустической жесткостью, раковистым изломом. Непластичными являются аргиллиты и глинистые сланцы.

Очень важным свойством глин является	их набуха-
емость — увеличение объема при поглощении	воды. Вода

может располагаться между частицами, но главным образом ее молекулы могут проникать внутрь кристаллической решетки между тетраэдрическими и октаэдрическими слоями в смектитах, тем самым значительно увеличивая первоначальный объем породы. Степень набухаемости возрастает от каолинита к гидрослюдам и далее особенно резко к монтмориллониту.

С тонкодисперсной структурой глин связана и их высокая адсорбционная способность. Напомним, что кубик с ребром в 1 см обладает поверхностью б см2. Если его разрезать на

кубики с ребром	IO-2 см, их общая поверхность составит
600 см2, а с ребром	IO-4 см общая поверхность составит уже

600 000 см2. Таким образом, благодаря мелким размерам кристалликов глинистых минералов, которые обычно имеют размеры менее тысячных долей миллиметра, их суммарная удельная поверхность огромна, и глины обладают мощной способностью присоединять к себе, адсорбировать ионы и молекулы других веществ. Эта способность возрастает и за

305

счет того, что при такой дисперсности появляются оголенные ионы, свободные заряды, которые также притягивают к поверхности различные вещества. Адсорбционная способность связана с размером частиц обратной зависимостью — чем меньше частицы, тем она сильнее. Поэтому она возрастает от каолинита к гидрослюдам и особенно к монтмориллонитам.

Последние обладают мощными моющими и отбеливающими свойствами, поскольку интенсивно адсорбируют на своей поверхности различные «загрязняющие примеси». Это свойство монтмориллонитовых глин давно и с успехом используется человечеством, поэтому глины такого состава, как всякое полезное ископаемое, часто имеют собственные местные названия. Так, в Крыму и на Северном Кавказе они называются килом или кеффекелитом (от Каффа — древнее назваг ние Феодосии). Одним из обязательных ритуалов отдыхающих в Коктебеле (Планерном) является необходимость полностью облепиться черной грязью, а затем смыть ее в море. Волосы после мытья этой глиной даже морской водой становятся очень мягкими. В Азербайджане и Туркменистане глины такого состава называются гюльаби, на южной Украине — асканиты или аскангели (от Аскания-Нова), в Грузии — /ум- брины (поселок Гумбри). Отбеливающие и моющие свойству таких глин, в частности, использовались на Кавказе при npoL· изводстве ковров.

Одним из следствий высокой адсорбционной способности, равно как и особенностей строения кристаллической решетки глин, является наличие поглощенных ионов, которые мо-

гут обмениваться друг с другом. Главными поглощенными катионами являются Ca2+ , Mg2+, H+ , Na+ , K+, анионами —

P O j ", S O j ' , С Г , NO3 .

Емкость поглощения глины, т.е. общее количество обменных ионов, зависит от состава глин, строения их решетки, степени дисперсности и других показателей и B03paq- тает от каолинита к монтмориллониту. Так, емкость катионного обмена каолинитовых глин составляет 3—15, гидрослюдистых (иллита) 10 — 40, хлоритовых 10 — 40, сепиолит- аттапульгито-палыгорскитовых 20 — 30 и монтмориллонитовых 80-150 мг-экв на 100 г (Грим, 1967).

Из других важных свойств глин можно отметить огнеупорность, которая снижается от каолинитовых к монтмориллонитовым, спекаемость, способность образовывать устойчивые суспензии и др.

Внешне глины разного минерального состава не очень четко отделяются друг от друга.

306

Чистые каолинитовые глины, или каолины, могут быть белыми, серыми, желтовато-серыми. Они не разбухают в воде и слабо пластичны. Излом сухарных глин раковистый, матовый, неровный, у более пластичных разностей может быть гладким, чешуйчатым, иногда глянцевитым на плоскостях скольжения. Каолинитовые глины, особенно «первичные каолины», в корах выветривания обычно не слоисты, имеют массивную сплошную текстуру; переотложенные каолины обладают неотчетливой слоистостью.

Чистые гидрослюдистые глины имеют зеленовато-серую, голубовато-серую или красноватую окраску, в воде практически не разбухают. Излом их шероховатый, чешуйчатый, неровный. Обычно гидрослюдистые глины в той или иной менее карбонатны, содержат песчаную и алевритовую примесь. Это сразу же отражается в их повышенной прочности, а при растирании пальцами чувствуется царапание. Достаточно часто гидрослюдистые глины обладают различными видами слоистости, плитчатой, комковатой отдельностью.

Для монтмориллонитовых глин наиболее характерна белая, серая, бледная желтовато-зеленовато-серая и зеленоватоголубоватая окраска. Эти глины в массе своей легко размокают в воде, сильно набухают, благодаря своей исключительной дисперсности они жирные на ощупь и, как описано выше, обладают мылящими свойствами.

Хлоритовые глины встречаются обычно в виде относительно маломощных пластов; цвет их зеленый, тем- но-зеленый, почти до черного. В воде размокают, но не набухают.

Свойства полиминеральных глин еще менее индивидуализированы.

Следует также отметить, что первичный собственный цвет глин встречается достаточно редко. Практически всегда они окрашены, и их цвет определяется главным образом теми или иными примесями, окрашивающими в зеленоватые (закисные соединения железа, глауконит), желтые, коричневые (гидроксиды трехвалентного железа), серые, темно-серые и до черных тона. Последние окраски обусловлены, главным образом, наличием дисперсного органического вещества, причем по мере возрастания его содержания интенсивность окраски увеличивается до черной.

Завершая краткую характеристику глинистых пород, необходимо отметить одну важную для геологов-нефтяников характеристику. Глины в целом содержат максимальные концентрации рассеянного органического вещества по сравне-

307

нию со всеми другими осадочными породами. По Н.Б. Вас-!

соевичу (Вассоевич и др., 1973), кларк органического углерода для всех осадочных пород континентального сектора стратисферы составляет 0,62 %, субкларк в глинах равен 0,9 %, и в; них сосредоточено 75 % общей массы этого элемента в осадочных породах. Субкларк органического углерода в песчаниках равен 0,2 %, в алевролитах 0,45 %, карбонатных породах 0,2 %, сульфатах и солях 0,1 %. Количества органического углерода, содержащегося в этих породах, относительно его общего количества в осадочном комплексе равны соответственно 4,44, 11,82, 5,83 и 0,006 %. Максимальны концентрации! органического углерода в ископаемых углях (67 %), горючих сланцах (16,5 %) и своеобразных отложениях — доманикитах и баженовитах (6 %), т.е., опять-таки, в породах либо преимущественно, либо существенно глинистых. Однако суммарно в них содержится не более 3 % общего количества органического углерода.

6.4. МЕХАНИЗМЫ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ГЛИНИСТЫХ МИНЕРАЛОВ

Говоря о глинах, и глинистых породах вообще,, следует точно представлять и разделять механизмы и условия, прежде всего геохимические, образования специфических глинистых минералов, с одной стороны, и обстановки образования собственно глинистых пород — с другой. Иногда эти два показателя совпадают, хотя бы во времени и пространстве, но нередко и существенно различаются.

Абсолютное большинство глинистых минералов формиру-! ется в процессах химического выветривания — как наземно- j го субаэрального, так и подводного, субаквального (гальми- j ролиза).

Наиболее изучено образование глинистых минералов в результате наземного химического выветривания исходных магматических пород под действием атмосферных газов, воды, организмов и, главное, продуктов их жизнедеятельности. Формирующиеся при этом первые собственно экзогенные образования получили название кор выветривания, Процессы изменения и минералогического преобразования исходных алюмосиликатов происходят стадийно, т.е. сначала образуются одни минералы, затем они преобразуются в другие и затем

308

кислых д у ю щ их

Б третьи. Например, схемы преобразования алюмосиликатов магматических пород можно представить в виде слеуравнений:

6К[AlSi3O8] + 2С02 +	2Н20 2КА12 (AlSi3O10)(OH)2 +
ортоклаз	серицит— гидрослюда
+ 2К2 CO3 -f- 12Si02;
4KAl2[AlSi3O10] (OH)2 +	2С02 +8Н2 0	ЗА14 [Si4O10J(OH)8 +
гидрослюда		каолинит
+ 2К2С03;
Al4[Si4O10] (OH)8 + пН20 Al2O3- пН2 0		+ SiO2- пН20.
каолинит	боксит	опал

Надо еще раз подчеркнуть, что это лишь схемы, в природе процессы идут неизмеримо сложнее, сами формулы минералов более сложные, не столь строго определенные, поэтому схемы реакций не строго уравнены. -

В итоге серии подобных превращений, в процессе которых имеют место гидратация (присоединение воды), гидролиз (реакция с водой, вхождение ее или радикала ОН" в состав кристаллической решетки), вынос, а иногда и присоединение катионов, формируется толща, имеющая зональное строение, где каждая зона характеризуется определенным преобладающим составом глин. Примерная схема строения коры выветривания гранитоидов показана в табл. 6.1. К этой таблице следует сделать несколько примечаний.

Химическое разложение происходит обычно не в однородном плотном массиве, а по отдельным обломкам, поэтому в основании коры выветривания обычно имеются горизонты механически раздробленных коренных пород — зона дезинтеграции.

Освобождающийся в процессе выветривания кремнезем в виде опала легко растворяется. Дело в том, что карбонаты щелочных металлов (Na2CO3, K2CO3), как соли слабых кислот и сильных оснований, диссоциируют и создают щелочную среду, в которой кремнезем легко растворим. Растворенные продукты либо выносятся за пределы коры выветривания и поступают в осадочный процесс, либо частично просачиваются вниз, образуя вторичную минерализацию нижних зон коры выветривания.

Указанные в табл. 6.1 процессы не всегда реализуются полностью, они могут останавливаться на каких-то стадиях.

309