Литология

Глинистые породы

Общая характеристика глинистых пород

Глинистые породы занимают промежуточное положение между обломочными и хемогенными породами. Они не могут быть отнесены к обломочным породам – их образование связано с химическим разрушением пород. Они не могут быть отнесены к химическим осадкам – глинистые минералы не выпадают из растворов. К глинистым породам относятся породы, состоящие более чем на 50% из частиц менее 0,001 мм. Однако главное условие принадлежности пород к классу глинистых – не размер частиц, а их состав. Технически возможно измельчить любые минералы до пелитовой размерности, но при этом получится порошок, не имеющий главного свойства глины: пластичности при размокании.

Для глинистых прод характерны полиминеральность и высокая дисперсность. Главные породообразующие минералы – силикаты и алюмосиликаты («глинистые минералы»), размер их частиц менее 0,001 мм (исключение – каолинит, который может образовывать и более крупные пластины). Доля глинистых пород в осадочной оболочке 81% (Г. Гаррелс, Ф. Маккензи, 1972 г.). Они составляют 65% всех осадочных пород фанерозоя. По степени уплотнения глинистые породы образуют ряд: глины → уплотненные глины → аргиллиты → сланцеватые аргиллиты → глинистые сланцы. Глины обладают пластичностью и обменными свойствами. Пластичность обусловлена способностью глинистых минералов адсорбировать воду. Обменная способность связана с наличием электрического заряда на базальных плоскостях структур глинистых минералов. Это позволяет им удерживать анионы и катионы. Макроскопически многие глины представляют собой землистые массы, часто жирные на ощупь. Цвет пород белый, серый, темносерый до черного, зеленовато-серый, желтый, красный и коричневый. Излом глин – гладкий, раковистый, землистый, землистый, при наличии алевритовых и песчаных примесей – неровный и шероховатый. Излом аргиллитов – оскольчатый, шероховатый, занозистый. Слоистые глины (при высыхании) и аргиллиты обладают плитчатой отдельностью, неслоистые – комковатой, угловатой, скорлуповатой.

Минеральный и химический состав

В глинах распространены минералы группы каолинита, гидрослюд, монтмориллонита, хлорита, пирофиллита, вермикулита, палыгорскита и сепиолита, а также смешаннослойные образования. Могут присутствовать аморфные силикаты, кварц, кристобалит, опал, окислы и гидроокислы Fe, Mn и Al, карбонаты, сульфаты, фосфаты, цеолиты, полевые шпаты и др.

Аллотигенная примесь в глинистых породах может быть представлена обломочными зернами кварца, щелочных полевых шпатов, пластинками мусковита и хлорита, устойчивыми акцессорными минералами, обломками горных пород, причем количество обломочных зерен уменьшается с уменьшением размера частиц. Исключение составляет кварц, количество которого и во фракциях менее 0,001 мм может быть значительным Органический материал глинистых пород – обломки растительных частиц или рассеянное и сконцентрированное (линзы, прослои и т. п.) гумусовое и сапропелевое вещество.

Кристаллические глинистые минералы подразделяются на несколько групп, среди которых главную роль играет каолинит, монтмориллонит и минералы гидрослюдистой группы. Меньшим распространением пользуются минералы хлоритовой группы. Входящие в их состав элементы образуют слои, которые можно рассматривать как плотнейшую упаковку ионов кислорода и гидроксила. Меньшие по размеру катионы располагаются в тетраэдрических и октаэдрических пустотах между анионами, образующими плотнейшую упаковку. Тетраэдрические слои (кремнекислородные или алюмокремнекислородные) чередуются с октаэдрическими (содержащими Mg, Al, Fe и др.).

Эти слои образуют двухслойные и трехслойные пакеты. Двухслойный пакет состоит из тетраэдрического и октаэдрического слоев. Трехслойный состоит из двух тетраэдрических и одного, расположенного между ними, октаэдрического слоя. Связь между ними осуществляется через общие ионы кислорода, расположенные в вершинах тетраэдров и октаэдров.

Двухслойные пакеты образуют структуры минералов каолинитовой группы; трехслойные – структуры монтмориллонитовой, вермикулитовой и гидрослюдистой групп; пакеты из однослойных и двухслойных структур – минералы хлоритовой группы.

Химический состав глинистых пород определяется типом основного породообразующего минерала. Главными породообразующими окислами являются SiO₂, А1₂O₃, Н₂O, FeO, Fe₂O₃, MgO, К₂О и Na₂O. В подчиненном количестве присутствуют ТiO₂, СаО, МnО. Содержание Р₂O₅, SO₃, СO₂ и С_орг связано с неглинистыми примесями.

Кроме основных компонентов, глинистые породы содержат так называемые поглощенные ионы. Наиболее распространенными поглощенными катионами являются Са⁺², Mg⁺², Н⁺¹, Na⁺¹, K⁺¹, анионами – РО₄^–3, SO₄^–2, Cl^–1. Сумма поглощенных ионов носит название поглощенного, или обменного комплекса. Практическое значение поглощенного комплекса состоит в его влиянии на пластичность и адсорбционные свойства глин.

По набору слоёв в пакете различают несколько групп глинистых минералов:
Группа каолинита (каолинит, галлуазит) c пакетом, состоящим из одного слоя октаэдров и одного слоя тетраэдров.
Группа монтмориллонита, или смектита (монтмориллонит, нонтронит, бейделит и др.), с трёхслойным пакетом вида тетраэдр-октаэдр-тетраэдр.
Группа гидрослюд (иллита) – гидробиотит, гидромусковит и др. – также с трёхслойным пакетом, но сильной связью между пакетами через катионы К⁺.
Группа хлорита – строения кристаллических решеток многослойные.
Группа смешаннослойных минералов – чередуются смектитовые (лабильные) пакеты с иллитовыми либо хлоритовыми (стабильными). Носят названия вида иллит-монтмориллонит, вермикулит-хлорит и т.п., свойства сильно варьируют.

Минералы группы каолинита

Каолинит Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ и галлуазит Al₂Si₂O₅(OH)₄.
Каолинит обладает ничтожной обменной способностью и большой стойкостью в зоне выветривания. Образует кристаллы в виде шестиугольных пластинок.

Кристаллы каолинита под электронным микроскопом

Диккит и накрит – политипные модификации каолинита. Для их формирования требуется тепловая активизация (Т>200°С).

Галлуазит характеризуется удлиненной формой кристаллов в виде нанотрубок. Галлуазит не образует пластовых скоплений и встречается как примесь в каолинитовых, реже в бейделлитовых и каолинит-гидрослюдистых глинах. Галлуазит бывает также развит в корах выветривания по пирокластическим осадкам кислого состава.

Минералы группы монтмориллонита

Формула монтмориллонита (Na,Ca)_0,33(Al,Mg)₂(Si₄O₁₀)(OH)₂·nH₂O. Структура представлена трехслойными пакетами из двух слоев тетраэдров, которые связываются октаэдрическим слоем. Каждый пакет обращен к соседнему одинаковыми с ними анионами О^2–. Из-за этого связи между пакетами очень непрочные. Слои способны раздвигаться (разбухать) под влиянием воды и органических соединений (совместно с «обменными» катионами – Na⁺, Са²⁺ и др.). Существует много изоморфных разновидностей: монтмориллониты глиноземистые, глиноземисто-железистые и железисто-глиноземистые, железистые (нонтрониты), а также сапониты.

Минералы группы гидрослюд

В эту группу входят гидромусковит, иллит, гидробиотит и некоторые другие минералы. Для них характерно высокое содержание К₂О. Структуры этих минералов представляют собой трехслойные пакеты, которые не раздвигаются под влиянием молекул воды и органических соединений. Поэтому они не набухают и имеют небольшую обменную способность. Формула иллита (K, H₃O)(Al, Mg, Fe)₂(Si, Al)₄O₁₀[(OH)₃,H₂O].

Минеральные типы глинистых пород

Каолинитовые породы

Помимо каолинита, содержат примеси: гидрослюды, кварц, аллофан, галлуазит, гиббсит, гидроокислы железа, алунит, монтмориллонит, хлорит, пирит, сидерит, ильменит, анатаз, щелочные полевые шпаты, органическое вещество.

Основные представители каолинитовых пород: каолины первичные и вторичные, сухарные глины, флинтклеи, тонштейны. Первичные каолины – образования коры выветривания. Вторичные каолины – переотложенные каолинитовые глины. Сухарные глины – сформированы каолинитом высокого структурного совершенства, плохо размокающие. Флинтклеи – неразмокающие каолинитовые аргиллиты. Более часты биминеральные глины с каолинитовой основой: гидрослюдисто-каолинитовые, монтмориллонит-каолинитовые, и полиминеральные, где каолинит преобладает. Каолинитовые породы обладают высокой огнеупорностью с температурой плавления выше 1700°С и температурой спекания в интервале 1300—1400 °С.

Монтмориллонитовые глины сложены минералами группы монтмориллонита, самым распространенным из которых является железисто-алюминиевый.
Примеси: гидрослюды, смешаннослойные образования, кварц, опал, карбонаты, цеолиты, полевые шпаты, хлорит, гидроокислы железа и вулканическое стекло. Они образуются при переотложении материала кор выветривания и преобразовании вулканического материала в условиях диагенеза. Обладают высокой дисперсностью, пластичностью, способностью к набуханию и образованию устойчивых водных суспензий.

Гидрослюдистые глины

Гидрослюдистые глины обычно сложены гидрослюдой мусковитового типа и содержат несколько процентов окиси калия. Примеси: каолинит, монтмориллонит, смешаннослойные образования, хлорит, кварц, окислы и гидроокислы железа, гидратированные слюды, карбонаты и т.п. Отличаются наибольшим распространением и разнообразием генетических типов. По адсорбционным свойствам и огнеупорности занимают промежуточное место между каолинитовыми и монтмориллонитовыми глинистыми породами.

Более редкие минеральные типы: палыгорскитовые, хлоритовые, пирофиллитовые и вермикулитовые.

Палыгорскитовые глины

Палыгорскит – цепочечно-слоистый силикат, (Mg,Al)₂Si₄O₁₀(OH) · 4H₂O. Cвязан непрерывным изоморфным рядом c сепиолитом. Примеси: монтмориллонит, сепиолит, гидрослюды, смешаннослойные образования, карбонаты, цеолиты. Встречаются в корах выветривания по массивам габбро-диоритового состава. Седиментогенные палыгорскиты образуются по вулканогенному материалу в морских и озерных отложениях аридного литогенеза.

Пирофиллитовые глинистые породы

Среди пород докембрия встречаются пирофиллитовые аргиллиты и сланцы с кварцем, хлоритом, гидрослюдой.

Хлоритовые глинистые породы

Эти породы свойственны отложениям эвапоритовых формаций. Вместе с магнезиальным хлоритом распространены смешаннослойные минералы, гидрослюды, монтмориллонит, палыгорскит.

Вермикулитовые глинистые образования

Вермикулитовые глинистые образования обычно связаны с гидротермальным процессом, а в почвах, корах выветривания и в современных осадках вермикулит встречается в виде незначительной примеси.

Глины смешанного состава

Глины смешанного состава распространены довольно широко. Встречаются глинистые породы гидрослюдисто-каолинитовые, монтмориллонит-каолинитовые, монтмориллонит-гидрослюдисто-каолинитовые, хлорит-гидрослюдистые, гидрослюдисто-монтмориллонитовые, палыгорскит-монтмориллонитовые, хлорит-монтмориллонитовые и т. п.

Структуры глинистых пород

Пелитовая – характерна для глинистых пород, состоящих более чем на 90% из частиц, меньших 0,005 мм. Различают пылеватую (преобладание частиц 0,005—0,001 мм) и гелевую структуру (преобладание частиц <0,001 мм).

Алевропелитовая – характеризуется тонкодисперсной глинистой массой, на фоне которой заметны алевритовые частицы (не менее 5%). Эта структура свойственна некоторым тугоплавким и строительным глинам.

Псаммопелитовая – отличается присутствием, кроме алевритовых, также и песчаных частиц. Наблюдается часто в тугоплавких и строительных глинах.

Фитопелитовая – типична для темноокрашенных глин, богатых органическим веществом. Присутствуют остатки растений или их обрывки, а также рассеянные коллоидные органические вещества.

Конгломератовидная и брекчиевидная – образуются или в результате местного размыва глинистых отложений и цементации возникших обломков глинистым же веществом или во время диагенеза.

Оолитовая структура – в глинистой массе присутствуют оолиты. Они сложены глинистыми минералами, окислами железа, тонкодисперсным органическим веществом, хлоритами и другими минералами.

Сферолитовая – возникает в глинистых породах благодаря появлению в них при окаменении сферолитов, обычно кальцита или сидерита.

Реликтовая – в породе видны контуры частиц, за счет изменения которых образовались глинистые минералы.

Микротекстуры глинистых пород

Спутанно-волокнистая – в скрещенных николях в шлифе видно беспорядочное переплетение тонких волокон, поочередно погасающих и просветляющихся при вращении столика микроскопа.

Ориентированная – агрегат частиц с одинаковой оптической ориентировкой. При вращении шлифа при скрещенных николях значительные его участки одновременно гаснут или просветляются. Образуется при спокойном осаждении пластинчатых частиц глинистых минералов, наслаивающихся параллельно друг другу.

Чешуйчатая – беспорядочное расположение глинистых минералов.

Происхождение и геологическое распространение

Гидрослюдистые глины широко распространены в континентальных и морских отложениях различного возраста. Гидрослюды устойчивы при разных физико-химических условиях среды отложения. Они наиболее типичны для областей с холодным или умеренно-теплым климатом.

Каолинитовые породы типичны для разнообразных континентальных отложений и не встречаются среди морских осадочных пород. Они возникали при влажном тропическом и субтропическом климате в условиях суши с выравненным рельефом.

Смешанные каолинит-гидрослюдистые и гидрослюдисто-каолинитовые глины образовывались чаще в умеренно-теплом влажном климате.

Монтмориллонитовые глины являются продуктами подводного преобразования вулканического пепла в морских условиях, однако возникают и на суше в коре выветривания основных пород и за счет ее переотложения.

Бейделлитовые глины часто присутствуют в морских отложениях, образуясь за счет глубокого преобразования гидрослюд. Нонтронитовые глины характерны лишь для коры выветривания основных изверженных пород.

Генетические типы пород

Элювиальные глинистые породы образуются в стадию гипергенеза. Это образования древних и современных кор выветривания, современных и ископаемых почв, а также глины, связанные с карстом. Характер элювиальных глин зависит от климата и состава материнских пород. В гумидном климате при выветривании гранитоидных пород формируются каолинитовые глины, а при выветривании основных и ультраосновных пород – хлорит-монтмориллонитовые глины. В корах выветривания терригенных пород обычно формируются гидрослюды и смешаннослойные образования.

В континентальных условиях формируются глины ледниковые, эоловые, пролювиальные, делювиальные, речные, болотные, озерные. Глины континентальных отложений имеют полиминеральный состав, который определяется материалом областей сноса. В гумидных условиях в глинистом материале обязательно будет каолинит.

Глины лагун и озер с повышенной соленостью (аридный литогенез) – монтмориллонитовые с примесью магнезиальных силикатов. Лагунно-озерные глины гумидного литогенеза – каолинитовые.

В морских отложениях состав глинистых осадков определяется сносом с континента, подводной и прибереговой вулканической деятельностью и процессами постседиментационной переработки. В приконтинентальной части морей и океанов глины отражают состав взвесей, поступающих с прилегающего континента. В центральной части океана происходит формирование монтмориллонита и цеолитов в красной глубоководной глине. Ископаемые глинистые морские отложения обычно сложены гидрослюдой, хлоритом, каолинитом и монтмориллонитом в различных соотношениях.

Практическое применение глинистых пород

Каолины и каолинитовые глины используются в керамической (фарфоро-фаянсовой), огнеупорной, бумажной, резиновой, мыловаренной, косметической промышленности. Каолин является основной составной частью массы, употребляемой для приготовления фарфора. Фаянсовая масса отличается от фарфоровой увеличенным содержанием глины, худшим ее качеством (дает при обжиге не такой белый черепок) и большей пористостью изделий. Основное требование керамической промышленности к каолинам – низкое содержание красящих окислов (Fe, Ti, Cr), не более 1,5%. Каолинитовые глины, применяющиеся в огнеупорной промышленности, должны обладать огнеупорностью не ниже 1580°. Вредные примеси: известь, органические вещества, железо, особенно в виде сульфидов, щелочи и окись титана.

Бумажная промышленность – главный потребитель каолина, который используется как наполнитель в количестве 20—40% от общего объема бумажной массы. Каолин придает бумаге более гладкую поверхность, повышает ее плотность и просвечиваемость.

Среди монтмориллонитовых глин широкое применение в промышленности получили флоридины и бентониты. Флоридины обладают в естественном состоянии повышенной способностью адсорбировать красящие вещества и примеси из органических и минеральных веществ. Флоридины применяются главным образом в нефтяной промышленности для очистки различных нефтепродуктов. Некоторые виды монтмориллонитовых глин используются в жировой и пищевой промышленности для очистки растительных масел и животных жиров, уксуса, вин и фруктовых соков.

Бентонитовые глины употребляются для приготовления глинистых растворов, используемых при бурении. Благодаря высоким связующим свойствам бентониты употребляются в качестве формовочных глин.

Гидрослюдистые глины и глины смешанного состава обычно являются неогнеупорными и могут применяться для изготовления грубой керамики (строительный кирпич, черепица и пр.). Гидрослюдистые глины используются в цементной промышленности. Они не должны содержать крупных песчаных зерен.

Нью-йоркская компания NaturalNano разработала метод извлечения нанотрубок из глины и нашла массу способов применения галлуазиту. Он может рассматриваться как природная альтернатива искусственно созданным углеродным нанотрубкам. Если нанотрубки галлуазита (диаметром 40-200 нанометров и длиной один микрон) заполнять, к примеру, медью и затем «замешать» трубки в полимер, то можно сделать проводящую электричество пластмассу. Кроме того, частицы галлуазита можно добавить в краску, которая будет лучше сопротивляться плесени.

Выводы

1. Глинистые породы занимают промежуточное положение между обломочными и хемогенными породами.
2. Они широко распространены (составляют 65% всех осадочных пород фанерозоя).
3. Главную роль среди глинистых минералов играют каолинит, монтмориллонит и гидрослюды.
4. В кристаллической структуре глинистых минералов катионы располагаются в тетраэдрических и октаэдрических пустотах между анионами. Тетраэдрические и октаэдрические слои образуют двухслойные и трехслойные пакеты.
5. Слоистая структура глинистых минералов обусловливает основные свойства глинистых пород.
6. Главные минеральные типы глинистых пород: каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые и глины смешанного состава.
7. Практическое применение глинистых пород – широкое и разнообразное, зависит от минерального состава.

Вопросы для самопроверки

1. Какие породы относятся к группе глинистых?
2. Как образуются глинистые минералы?
3. Какие минералы относятся к группе глинистых?
4. Каковы особенности кристаллической структуры глинистых минералов?
5. Каковы типичные структуры и текстуры глинистых пород?
6. Каково происхождение глинистых пород?
7. Каково практическое значение глинистых пород?