18.01.2021

Глины и глинистые минералы


Глины — это породы, сложенные в основном глинистыми минералами.

Глинистые минералы образуют обширную и сложную группу, и они, как отмечалось ранее, образуются в основном путем химической деградации первичных минералов при выветривании.

Минералогия и генезис главных глинистых минералов будут рассмотрены перед описанием глин.

Имеется три основных группы глинистых минералов, объединяющих иллиты, смектиты и каолиновые минералы. К этим трем группам можно добавить также группу хлоритов и группу глауконита, Эти последние несколько отличаются от других глинистых минералов по способу образования, но сходны с ними по составу и строению.

Минералы всех этих пяти групп — водные алюмосиликаты. Кроме хлоритов и каолинитовых минералов, другие глинистые минералы характеризуются низкой степенью окристаллизованности. Если удается собрать хорошо окристаллизованные образцы, то оказывается, что глинистые минералы имеют моноклинную сингонию, за исключением глауконита, который почти всегда встречается в аморфном виде. Более подробные сведения о сложной кристаллической структуре глинистых минералов можно найти в работе Грима. Глинистые минералы сложены слоями тетраэдров из кислорода и гидроксилов. Внутри тетраэдров расположены атомы кремния и алюминия. В каолинитовых слоях в пределах этой двухэтажной решетки нет атомов каких-либо других элементов. Иллиты и смектиты построены из трехэтажных слоев тетраэдров. Имеет место замещение алюминия на калий, кальций и магний. Хлориты и глаукониты имеют еще более сложную решетку, состоящую из двух- и трехэтажных решеток.

Каолинит


Каолинит — глинистый минерал с наиболее простой структурой и наиболее однородный по составу. Он образуется как при гидротермальном изменении, так и при поверхностном выветривании полевых шпатов. Каолинит — обычный обломочный глинистый минерал в отложениях, образовавшихся за счет размыва выветрелых гранитов и гнейсов. В противоположность другим глинистым минералам, каолинит часто подвергается существенной перекристаллизации при диагенезе с образованием характерных каолинитовых пачек. В некоторых отложениях также часто встречаются гармошковидные агрегаты или червеобразные кристаллы каолинита.

Иногда каолинита осаждается так много, что образуются чистые каолинитовые глины. Эти породы называются по-разному — «трубочными», фарфоровыми, или огнеупорными глинами. Олиго-ценовые пласты озерных отложений Бовей-Трейси в Девоне сложены в основном чистым каолинитом, привнесенным из соседнего района распространения дартмурских гранитов.

Другой характерный тип осадочных каолинитовых отложений носит название тонштейн. Эти породы развиты в ассоциации с углями в каменноугольных толщах Европы. Хотя отдельные пласты имеют малую мощность, они могут залегать на больших площадях. Возможно, что тонштейны представляют собой глины, образовавшиеся при переотложенин продуктов выветривания гранитов, однако региональная выдержанность пластов наводит на мысль об их образовании путем изменения пластов вулканического пепла.

Тонштейны представляют собой окаменевшие глины. Более молодые каолинитовые глины обычно белые и пластичные. Эти глины широко используются в керамической, бумажной и фармацевтической промышленности. Чистые каолинитовые глины имеют неморское происхождение, так как в присутствии морской воды каолинит быстро преобразуется в более сложные глинистые минералы.

Иллит


Иллиты, иногда называемые гидрослюдами, представляют собой трехэтажные алюмосиликаты, содержащие до 8% К2О. Присутствие калия может быть обусловлено либо неполным переходом калиевых полевых шпатов в каолин, либо диагенетическими изменениями каолинита в морской обстановке, Иллит — наиболее распространенный глинистый минерал в осадках, но его труднее обнаружить, чем каолинит, так как он редко образует достаточно крупные кристаллы, которые можно было бы увидеть в петрографическом микроскопе.

Даже в электронном микроскопе видно, что иллитовые частицы меньше по размеру и хуже развиты, чем кристаллы каолинита.

Монтмориллонит


Третья группа глинистых минералов — это группа смектитов, среди которых главное значение имеет монтмориллонит. Смектиты имеют трехэтажную слоистую структуру, обладающую уникальными свойствами разбухания и усадки при адсорбции и потере воды. Монтмориллонит может содержать до 20% воды, а также кальций и магний. Глинистые породы, сложенные в основном смектитовыми минералами, называются бентонитами. В обнажениях бентониты похожи на кочан цветной капусты. При погружении в воду кусочки монтмориллонитовой глины заметно разбухают и распадаются.

Бентониты образовались при изменении вулканического пепла in situ. Это изменение может иметь место как в морской, так и континентальной обстановках. Обычно в бентонитах присутствуют фрагменты вулканического стекла, часто девитрифицированного, вместе с микроскопическими зернами кварца, слюд, полевых шпатов и тяжелых минералов.

Термин монтмориллонит происходит от названия Монтмориллон во Франции. Монтмориллонит — главный компонент юрских и меловых фуллеровых земель на юге Англии. Бентониты встречаются в верхнемеловых отложениях Арканзаса, Оклахомы, Техаса и Вайоминга, особенно в формации глинистых сланцев Моури-Шейл бассейна Биг-Хорн. Благодаря своим специфическим свойствам бентониты используются для приготовления буровых растворов, применяемых при вращательном бурении. Напротив, монтмориллонит — нежелательная примесь в том случае, если он присутствует в основной массе в нефтяных коллекторах. При проникновении воды в коллектор такая глинистая основная масса может разбухнуть и таким образом нарушить проницаемость породы.

Хлорит


Хлориты сходны с только что описанными глинистыми минералами во многих отношениях, но также близки к группе слюд. Хлориты имеют смешанную слоистую структуру и содержат до 9% FeO и до 30% MgO. Хлориты встречаются в виде продуктов изменения первичных слюд и являются обычными акцессорными обломочными минералами в незрелых песках и глинистых породах. Напротив, в условиях смены диагенеза метаморфизмом хлорит замещает иллиты и другие глинистые минералы; хлорит — типичный компонент микрокристаллической основной массы грауваки.

Глауконит


В качестве пятой группы глинистых минералов рассмотрим глаукониты. Подобно хлориту глауконит имеет смешаннослойную структуру. Он содержит магний, железо и калий. В противоположность другим глинистым минералам глауконит не образуется при гидротермальном изменении или выветривании первичных минералов. Глауконит встречается в виде темно-зеленых аморфных зерен обычно мелкопесчаной фракции. Этот минерал может присутствовать как в аргиллитах, так и в песчаниках. Пески, богатые глауконитом, называются «зелеными песками». Образование глауконита, сопровождаемое накоплением зеленоцветных осадков, происходило в определенные геологические периоды, особенно в кембрии, в позднем мелу и в раннетретичное время.

Глауконитовые зерна, по-видимому, образовались путем минерализации фекальных окатышей и выполнения глауконитом внутренних пустот фораминиферовых раковин, которые после этого были разрушены. Глауконит может также выполнять пустоты в более крупных раковинах и замещать обломочные слюды. Известно, что глауконит встречается в древних морских отложениях. Этот минерал легко выветривается и, за редким исключением, не наблюдался в продуктах повторного переотложения.

Имеются большие разногласия в отношении природы химических реакций, ведущих к образованию глауконита, и в отношении параметров, контролирующих эту реакцию. Обычно принимается, что глауконит образуется путем трансформации деградированных смектитовых или иллитовых слоев в более упорядоченные смешаннослойные структуры. Однако недавние наблюдения заставляют предполагать, что глауконитовые новообразования возникают в порах. Нет сомнения в том, что в конце концов окажется, что глауконит имеет политеистическую природу.

Независимо от механизма образования, геохимические данные заставляют предполагать, что глауконит образуется в морской воде при низких температурах в обстановке, в которой нет ни сильно окислительных, ни восстановительных условий. Оптимальные глубины глауконитообразования, по-видимому, находятся где-то между 50 и 1000 м. Однако все эти параметры трудно определить точно, так как, будучи образован, глауконит устойчив в морской воде и может подвергнуться перемещению в морской обстановке. Поэтому глауконит встречается в рассеянном виде в морских илистых породах, в чистых хорошо сортированных косослоистых песках на мелководье, в виде небольшой примеси в турбидитовых отложениях в котловинах. Некоторые из рассмотренных особенностей главнейших глинистых минералов показаны в табл. IX.

В заключение обзора глинистых минералов отметим следующие моменты. Ассоциация глинистых минералов, которая присутствует в данной породе в данное время, обусловлена четырьмя главными факторами. Природа материала источника (пород, минералов) контролирует состав глинистых минералов. Образование каолинита и иллита с большей вероятностью можно отнести на счет гранитных пород, чем вулканических покровов. С другой стороны, чем более интенсивное выветривание имело место, тем больше вероятность того, что в осадке будет присутствовать каолинит, а не иллит. Сортировка по размеру в течение переноса материала может также привести к обособлению отдельных глинистых минералов. Каолинитовые кристаллы обычно крупнее иллитовых частиц, а эти последние крупнее монтмориллонитовых частиц. Эти соотношения, однако, нарушаются из-за тенденции глинистых частиц к флокуляции, когда они привносятся кислыми пресными водами в щелочную морскую воду. Кроме того, в морской обстановке имеют место различные трансформационные преобразования глинистых минералов, как при транспортировке, так и при раннем захоронении.

Таким образом, поскольку в большинстве исследований по изучению современных морских берегов устанавливается правильная зональность в распределении глинистых минералов, трудно установить, в какой мере это распределение обязано осадочной дифференциации и в какой — начальному диагенезу.

Более существенные диагенетические изменения происходят после захоронения осадка. Эти изменения обычно ведут к трансформации каолинита в иллит и в обезвоженный монтмориллонит. Выше уже отмечалось, какое значение могут иметь эти изменения глинистых минералов для миграции углеводородов.





Яндекс.Метрика