Глинистые породы Глина

Общие сведения

Глинистые породы занимают промежуточное положение между типичными обломочными и химическими породами. Образование их связано с химическим разрушением пород, но они не могут быть отнесены к химическим осадкам, так как глинистые минералы не выпадают из растворов.
К глинистым породам относятся породы, состоящие более чем на 50% из частиц менее 0,01 мм и содержащие не менее чем 25% частиц < 0,001 мм. Автор проводит границу между алевритами и глинами по 0,005 мм.

Содержание

Минеральный и химический состав глин

Условия образования

Макроскопический облик и структуры глин. Их свойства

Гидрослюдистая глина 

Каолинитовая глина

Монтмориллонитовая глина

Породы, содержащие более 50% частиц крупнее 0,005 мм, следует называть в зависимости от размера частиц глинистыми алевритами, глинистыми песками и т. п.

Среди глинистых пород, на долю которых приходится не менее 60% общего объема осадочных пород, широко распространены и наиболее полно изучены глины.
М. Ф. Викулова предлагает понимать под глинами сложные полидисперсные и полиминеральные породы, которые сложены главным образом глинистыми .минералами с примесью не глинистых (обломочных и аутигенных). Глины содержат часто органические остатки, органическое вещество, поглощенные катионы и легко растворимые соли.
За последние годы достигнут большой успех в изучении глинистых пород, главным образом в области минералогии глин. Многочисленные структурно-кристаллохимические исследования глинистых минералов позволили уточнить представления о кристаллической структуре некоторых типов глинистых минералов. Наиболее существенные достижения связаны с изучением изоморфных рядов и смешанно-слойных сростков глинистых минералов. Были установлены отчетливые возможности использовать рентгеновскую дифракционную картину для выявления этих двух усложнений, которые вносят в минералогическую характеристику глинистых пород, как казалось раньше, непреодолимые затруднения. На основе этих достижений мы подошли, наконец, к возможности объективно интерпретировать данные структурного и химического исследования глинистых пород, выделяя реально существующие в них глинистые минералы и их смешанно-слойные сростки неупорядоченного типа.

Выявилось (Weaver, 1959), что в осадочных породах широко распространены особого типа смеси глинистых минералов, которые представлены смешанно-слойными образованиями, характерными продуктами диагенетических изменений основных типов глинистых минералов (гидрослюд, монтмориллонитов, хлоритов, каолиновых минералов и др.). Особенно распространенными оказались смешанно-слойные образования в . рядах гидрослюда-монтмориллонит, хлорит-вермикулит и, вероятно, каолинит-гидрослюда. Смешанно-слойные образования, наряду с нормальным изоморфизмом, определяют широкие колебания состава глинистых пород.

Конечно, не все еще в этой проблеме в настоящее время нам представляется ясным и понятным. Минералогия и петрография глин находятся сейчас в состоянии бурного развития. Об этом говорят сотни статей в научных журналах многих стран, сборники, монографии, руководства по минералогии глин и даже появление новых периодических изданий, посвященных этим проблемам (в США и Англии). В основном это результаты структурно-кристаллохимических исследований глинистых минералов и пород, которые выполнены при использовании рентгеновских методов.

Глины являются полиминеральными породами, в состав которых входят:
а) глинистые минералы — каолинит, монтмориллонит, хлорит, вермикулит, галлуазит, гидрослюды и смешанно-слойные образования. Эти минералы слагают наиболее тонкозернистые (предколлоидные и коллоидные) фракции глин, реже они встречаются среди пылеватых частиц;

б) обломочные зерна минералов кварца, полевых шпатов, слюд, тяжелых минералов и др.; подобные минералы распространены преимущественно в песчаных алевритовых и, в меньшей степени, в пылеватых фракциях глин;

в) сингенетические и эпигенетические не глинистые минералы, возникшие одновременно с глинистым осадком или в процессе превращения его в породу во время преобразования ее (гидрослюды и окислы железа, карбонаты, сульфаты, фосфаты, опал и др.); обычно эти минералы встречаются во фракциях > 0,001 мм и частично образуют крупные вкрапления.

Кроме того, в глинах присутствуют обменные основания щелочей и щелочных земель (поглощенные катионы) и органическое вещество, также приуроченное в основном к коллоидной фракции. Иногда в глинах присутствуют выпавшие из воды чисто химическим путем соли, приобретающие широкое распространение в соляных глинах, и органические остатки.

Минеральный и химический состав глин

Глинистые минералы делятся на аморфные и кристаллические. Аморфные не играют существенной роли среди глинистых пород. Кристаллические глинистые минералы подразделяются на несколько групп, среди которых главную роль играет каолинит, монтмориллонит и минералы гидрослюдистой группы. Меньшим распространением пользуются минералы хлоритовой группы, которые встречены в глинах галогенных толщ в современных осадках и глинистых цементах (Писарчик, 1956, Грим, 1956; Millot, 1953, 1954). Они характеризуются слоистым типом структур, так как 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.), которые находятся в связи не только с кислородом, но и с гидроксилом. Эти слои образуют двухслойные и трехслойные пакеты. Двухслойный пакет состоит из тетраэдрического и октаэдрического слоев. Трехслойный состоит из двух тетрэдрических и одного, расположенного между ними, октаэдрического слоя. Связь между ними осуществляется через общие ионы кислорода, расположенные в вершинах тетраэдров и октаэдров.

Выделение отдельных минералов обычно производится по характеру слоистости структуры, количеству слоев в пакете — по физико-химическим особенностям силикатных слоев и по химическому составу глин.?

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

Наиболее хорошо изучены минералы группы каолинита. В состав этой группы входят каолинит Аl₂О₃2SiO₂ • 2H₂O и галлуазит Al₂O₃ • 2SiO₂ -4Н₂О, т. е. минералы, структура которых представлена двухслойными пакетами.

Каолинит характеризуется ничтожной обменнопоглотительной способностью и весьма значительной стойкостью в зоне выветривания. Форма частиц каолинита в электронном микроскопе различна. Каолинит, возникший в результате кристаллизации алюмокремневых гелей, встречен в виде шестиугольных пластинок, обычно непрозрачных. Галлуазит менее устойчив по сравнению с каолинитом и, согласно И. И. Гинзбургу, через метагаллуазит может переходить в каолинит; он обладает несколько большей способностью к обмену оснований. Галлуазит не образует пластовых скоплений и встречается как примесь главным образом в каолинитовых, реже в бейделлитовых и в некоторых каолинит- гидрослюдистых глинах. Наибольшего развития (линзы, включения) он достигает в коре выветривания как древней, так и современной.

Галлуазит характеризуется удлиненной формой кристаллов с резкими контурами. Размер кристаллов галлуазита меняется в больших пределах.

Минералы группы монтмориллонита обладают более разнообразным химическим составом и значительной способностью к катионному обмену без нарушения их кристаллической структуры. Структура минералов группы монтмориллонита представлена трехслойными пакетами, состоящими из двух слоев тетраэдров, которые связываются октаэдрическим слоем. Характерна способность слоев раздвигаться (разбухать) под влиянием воды и органических соединений, занимающих в структурах межпластовое положение.

Идеальная химическая формула монтмориллонита Аl₂О₃•SiO₂ +  nН₂О. Замещение алюминия магнием приводит к образованию магнезиального монтмориллонита (сапонита) 3MgO • 4SiO₂ • Н₂О + nH₂O. Если же замещающим элементом является железо, то возникает нонтронит Fe₂O₃• 4Si₂ Н₂О + nO.

Монтмориллонит встречается в глинах в виде нескольких морфологических разновидностей, общей особенностью которых является расплывчатость очертаний частиц.
Минералы группы гидрослюд обладают изменчивым химическим составом и слабо изучены. В эту группу входит гидромусковит, иллит, глауконит и некоторые другие минералы. Химический состав характеризуется промежуточным значением содержания Аl₂О₃ и К₂О по сравнению с каолинитовыми и монтмориллонитовыми глинами. Характерной особенностью их является высокое содержание К₂О (от 4 до 6,23%, по Викуловой).

Структуры гидрослюд характеризуются трехэтажными слоями, которые не раздвигаются под влиянием молекул воды и органических соединений. Гидрослюды связаны постепенным переходом с другими глинистыми минералами. Они не набухают и имеют небольшую способность к катионному обмену.

В группу бейделлита входят разнообразные глины, резко отличающиеся друг от друга по своему кристаллическому строению, химическому составу и свойствам.

Некоторые исследователи (Brown, 1955; Mac Ewan, 1951 и др.) относят бейделлит к монтмориллонитовой группе и считают, что он образует с ними изоморфный ряд. Другие (Grim, Rowland) считают бейделлиты смесями разных глинистых минералов: каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и гидратов окислов железа. В связи с этим Грим считает, что термин бейделлит должен быть изъят из употребления.

Условия образования

Большая часть глинистых минералов образуется при определенной кислотности водной среды. Так, например, щелочной среды требуют минералы группы монтмориллонита. Наоборот, лишь в кислой среде образуется каолинит и близкие к нему минералы. Гидрослюды возникают как в кислой, так и в нейтральной, реже щелочной среде.

Характер образующихся глинистых минералов в значительной мере зависит от климата, что особенно заметно на континентальных отложениях. В соответствии с этим минеральный состав современных почв изменяется в различных климатических зонах.

Среди озерных отложений наиболее часто встречаются каолинитовые и гидрослюдистые глины, в морских толщах — монтмориллонитовые, глауконитовые и гидрослюдистые. Из глин смешанного состава особенно распространены кварц-гидрослюдистые, глауконит-гидрослюдистые и др.

В целом, состав глинистых минералов является показателем физико- географических условий их образования. Следует, однако, учитывать, что глинистые минералы в процессе переноса, отложения и окаменения подвергаются существенным изменениям. По мере перехода от морских глин к континентальным иногда заметно увеличивается содержание каолинита, так как этот минерал возникает почти исключительно на суше в болотах в свойственной для них кислой среде. Поэтому все существенно каолинитовые глины встречаются исключительно в континентальных толщах. При попадании каолинита в щелочные морские воды он переходит в гидрослюды или минералы монтмориллонитовой группы.

Преобразование глинистых минералов по мере сноса их с суши в море было показано на современных осадках и в древних толщах многими исследователями (Викулова, 1955; Millot, 1953, 1954; Murray, 1954; Grim and Jones, 1954; Griffin and Ingram, 1955).

К условиям отложения глин чувствительны также и встречающиеся среди них сингенетические минералы. Например, глауконит типичен лишь для морских глин, причем по мере увеличения глубины отложения уменьшаются размеры зерен, и они приобретают все более светлую окраску; гипс и доломит часто встречаются в лагунных отложениях; пирит и марказит типичны для глин, образованных в резко восстановительной среде. При меньшем дефиците кислорода возникает сидерит и т. д.

Иногда сингенетические минералы образуют крупные конкреции, состав которых может быть весьма характерным для определения стратиграфических горизонтов глин.

В зависимости от присутствия тех или иных тонкодисперсных минералов, обычно слагающих в глинах фракцию меньше 0,001 мм, химический состав глин меняется в широких пределах.
Химический и минералогический состав коллоидной фракции различных глин существенно неодинаков. Особенно велики колебания содержания глинозема и щелочей. Заметно меняется также потеря при прокаливании. Эти изменения объясняются разнородностью общей геологической обстановки формирования глин, которая вызывает изменение их минералогического состава. При кратковременном выветривании обломочный материал подвергается лишь относительно слабому видоизменению и, как следствие этого, глинистые породы содержат мало глинозема и много щелочей (гидрослюдистые глины). При более длительном выветривании щелочи удаляются из продуктов разрушения материнских пород, и в них возрастает содержание глинозема (каолинитовые глины). Химический анализ не дает полного представления о минералогическом составе глин. Большое содержание SiO₂ может быть обусловлено как присутствием в каолинитовой глине примеси кварца, так и преобладанием минералов группы монтмориллонита, поэтому надо применять комплексное исследование.

Макроскопический облик и структуры глин. Их свойства

Для этих пород характерен ряд признаков, в частности некоторые особенности внешнего вида. Глины представляют собой тонкодисперсные породы, окрашенные в разнообразные цвета. Цвет их зависит от минерального состава глинистой массы и присутствия красящих примесей. Каолинитовые, гидромусковитовые, монотермитовые и некоторые монтмориллонитовые глины имеют белую, светло-серую и желтовато-белую окраску. Некоторые гидрослюдистые (в особенности глауконитовые), монтмориллонитовые, нонтронитовые и гидрохлоритовые глины характеризуются зеленовато-голубой окраской. Наличие органических веществ, даже в небольшом количестве, определяет черный цвет глин, окислы железа и марганца вызывают их красную, фиолетовую и бурую окраску; примесь мелких частиц хлорита или глауконита обусловливает голубовато-зеленую окраску и т. д.

Многие разновидности глин характеризуются тонкой горизонтальной слоистостью, намечаемой иногда слойками, толщиной всего в несколько сотых миллиметра. Некоторые разновидности глин (ленточные) обладают ясно выраженной ритмичной слоистостью. У многих глин макроскопически видимая слоистость отсутствует. Другие глинистые породы характеризуются пятнистыми текстурами, возникающими или в процессе осаждения, или во время диагенеза. В некоторых случаях наблюдаются плойчатые текстуры, образующиеся во время оползания глинистых осадков или в результате неравномерной усадки глинистых илов при их дегидратации.

В глинах наблюдаются следующие типы структур, обусловленные величиной частиц, слагающих глину, или процессами отложения вещества из растворов.

а) Пелитовая — характерна для глинистых пород, состоящих почти исключительно (более чем на 90%) из частиц, меньших 0,005 мм. В зависимости от степени дисперсности материала среди пелитовых структур различают пылеватую (преобладание частиц 0,005—0,001 мм) и гелевую структуру (преобладание частиц < 0,001 мм). Глины с гелевой структурой исключительно мелкозернисты и обладают или скрыто-кристаллическим (тогда они изотропны в скрещенных николях), или частично кристаллическим строением за счет перекристаллизации пород во время окаменения.

б) Алевропелитовая — характеризуется тонкодисперсной глинистой массой, на фоне которой заметны алевритовые частицы (не менее 5%). Эта структура свойственна некоторым тугоплавким и строительным глинам.
в) Псаммопелитовая — отличается от предыдущей присутствием, кроме алевритовых, также и песчаных частиц. Наблюдается часто в тугоплавких и строительных глинах.

в) Фитопелитовая — типична для темноокрашенных глин, богатых органическим веществом. В тонкодисперсной массе этих глин присутствуют как породообразующий элемент остатки растений или их обрывки, различной степени сохранности, а также рассеянные коллоидные органические вещества.
д) Конгломератовидная и брекчиевидная — образуются или в результате местного размыва глинистых отложений и цементации возникших обломков глинистым же веществом или во время диагенеза.

е) Ооидная (бобовая) структура обусловлена наличием в тонко-дисперсной глинистой массе округлых образований (ооидов) различной величины без концентрического строения, сложенных обычно тем же глинистым минералом, что и вся масса. Ооиды часто окрашены окислами железа или органическими соединениями. Наблюдаются ооиды, сложенные целиком окислами железа.
ж) Оолитовая структура — структура пород, состоящих из оолитов. В глинистой массе присутствуют как ооиды, так и оолиты. Оолиты. обычно  с несколькими концентрами, которые различаются по своему составу и сложены глинистыми минералами, как и вся основная масса, окислами железа, тонкодисперсным органическим веществом, хлоритами и другими минералами.
з) Сферолитовая — возникает в глинистых породах благодаря появлению в них при окаменении сферолитов, обычно кальцита или сидерита.
и) Реликтовая — характерна тем, что в породе видны контуры частиц, за счет видоизменения которых образовались глинистые минералы.

Для глин могут быть выделены определенные разновидности микротекстур на основе различного расположения пластинчатых частиц и неодинаковой их оптической ориентировки. Среди микротекстур наиболее обычны следующие.
а) Спутанно-волокнистая — характеризуется в скрещенных николях наличием в шлифе беспорядочного переплетения тонких волокон, поочередно, погасающих и просветляющихся при вращении столика.
б) Ориентированная — характеризуется наличием агрегатов частиц со строго одинаковой оптической ориентировкой, которые благодаря этому выглядят в скрещенных николях как один кристалл. При вращении шлифа при скрещенных николях значительные его участки одновременно гаснут или просветляются. Подобная микротекстура образуется при спокойном осаждении пластинчатых частиц глинистых минералов, наслаивающихся параллельно друг другу.
в) Чешуйчатая — характеризующаяся беспорядочным расположением глинистых минералов.

Характерным физическим признаком глин, очень важным для технологии, является пластичность, т. е. способность массы влажной глины изменять под давлением свою форму и сохранять ее после устранения давления. По этому признаку все глинистые породы подразделяются на собственно глины, обладающие пластичностью, и аргиллиты, т. е. камнеподобные породы, не размокающие в воде. Своеобразной разновидностью аргиллитов являются сухарные глины.

Пластичные глины с большим содержанием глинистых частиц обладают жирным и шелковистым блеском. Тонко дисперсные, но непластичные глины чаще имеют ровный или раковистый, иногда слабо блестящий излом. Глины с примесью песчаных и алевритовых фракций характеризуются землистым изломом.

Другим характерным свойством глин, определяющим область их применения в промышленности, является огнеупорность. Огнеупорные глины сплавляются при температуре от 1580 до 1770°. Они представлены каолинитовыми разновидностями, чистыми или с примесью монотермита.

 

Гидрослюдистые, наиболее широко распространенные кирпичные глины плавятся при температуре ниже 1350°.

Большое значение имеет также интервал температур плавления и спекания глин. Спекание глин происходит в результате местного плавления минеральных частиц, происходящего без деформации глины. Чем больше интервал спекания (он достигает иногда 300—400°), тем выше производственная ценность глин. В результате спекания глины или изделия из них превращаются в твердый камнеподобный материал, не размокающий в воде.

Для глин характерна иногда поглотительная способность, используемая для очистки разнообразных минеральных и органических продуктов. К числу особенностей глин относится также липкость, малая химическая активность, способность к образованию устойчивых суспензий и др.

Различные типы глин применяются в керамической, огнеупорной, строительной и других отраслях промышленности.
Сопоставление основных физико-химических свойств главных групп глинистых минералов
 (по данным М. Ф. Викуловой) 

 Глинистые минералы

Глина Физико-химические свойства

Гидрослюдистые Каолшштовые Монтмориллонитовые и бейделлитовые глины

Пределы изменения показателей преломления Двупреломление Облик агрегатов частиц под обычным микроскопом
Облик частиц в электронном микроскопе
Цвет при окрашивании 0,001 %- ным раствором метиленголубого красителя
То же, при добавке насыщенного раствора КСl
Цвет при окрашивании насыщенным раствором солянокислого бензидина
Способность к пабуханию
Характер кривой нагревания
 
1,560-1,600 . 0,014-0,020
Удлиненные пластинки с резко очерченными краями
Удлиненные полупрозрачные и непрозрачные пластинки с резкими очертаниями
Фиолетово-синий, синий
Фиолетово-синий, синий, голу¬бой
Грязновато-синий и серо-синий
Незначительная
Три эндотермические реакции в интервалах 100—150, 500—600 и 850—900° и иногда одна экзотермическая реакция в интервале 925-1020°
 
1,558—1,570
0,005-0,009
Изометричные или удлиненные пластинки с неровными краями
Шестиугольные непрозрачные пластинки и неправильные по форме частицы с резко очерченными краями
Блеклый светло-фиолетовый
Блеклый светло-фиолетовый Не окрашивается
Ничтожная
Эндотермическая реакция в интервале 500—600° и две экзотермические реакции в интервалах 900—1050 и 1100-1200°. Иногда еще одна небольшая эндотермическая реакция в интервале 100— 150° (у пластичных тонкодисперсных глин и у глин с примесью галлуазита)

 
В некоторых случаях пригодность глин может быть определена по их внешнему виду. Так, глины ярко-красного или бурого цвета, как содержащие много соединений железа, не могут быть огнеупорными и керамическими. Если такие ярко-окрашенные глины однородны и не содержат крупных включений карбонатов, то они могут быть кирпичными. Если они тонкозернистые, то могут использоваться как гончарные, а при значительном содержании окислов железа— относятся к группе минеральных красок.

Глины белого цвета, светло-серые, светло-желтые, светло-розовые и светло-зеленые могут быть огнеупорными, тугоплавкими или даже легкоплавкими, если они сложены монтмориллонитом. Огнеупорными могут быть иногда глины темно-серого и черного цвета, и, наоборот, даже очень светлые глины могут быть не огнеупорными, если в них присутствуют в значительном количестве карбонаты, соли, гипс и другие легкоплавкие минералы.

Неразмокающие камнеподобные глины с раковистым изломом могут быть огнеупорными. Глины, кусочки которых при погружении в воду, размокая, сильно набухают и длительное время сохраняют свою форму, всегда оказываются поглощающими.

Гидрослюдистые глины

Гидрослюдистые глины состоят из глинистых минералов, возникших на первых стадиях выветривания. Частицы, слагающие эти глины, меха-нически перенесены на место отложения, а коллоидно-химические минералы среди них играют подчиненную роль. Типичным представителем этой группы глин являются ленточные и другие ледниковые глины. К этому типу относятся также наиболее широко распространенные среди осадочных пород глины, представляющие собой смесь продуктов физического и относительно слабого химического выветривания.

Каолиновые глины

Глинистые породы каолинитовой группы.

Каолиновые глины это группа глин к которым относятся первичные каолины (глины коры выветривания, сложенные в основном каолинитом), вторичные каолины, возникающие при переотложении первичных, и каолинитовые глины, образующиеся обычно за счет выпадения соответствующих продуктов глубокого выветривания из коллоидных растворов.

Монтмориллонитовые глины Глинистые породы монтмориллонитовой группы

Монтмориллонитовые глины раньше назывались сукновальными в связи с их применением для обезжиривания шерсти при валянии сукна, а также отбеливающими глинами или фулеровыми землями. В настоящее время их чаще называют бентонитами и флоридинами. В состав этих пород входят кроме монтмориллонита и нонтронита также смешаннослойные образования, чаще всего монтмориллонит-гидрослюдистые, близкие по составу к монтмориллонитовой группе. Некоторые разновидности монтмориллонитовых глин сильно разбухают при погружении в воду.