Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

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, 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.

Обнажение глин. Верхний девон, Ильменский глинт, Новгородская область

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.).

Тетраэдрический слой

Октаэдрический слой

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.

Двухслойный пакет

Трехслойный пакет

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 Сорг 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, анионамиРО4–3, 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

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.

Кристаллы галлуазита под электронным микроскопом

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 О2–. 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.

Кристаллы монтмориллонита под электронным микроскопом. Обратите внимание на хорошо ограненный кристалл кварца вверху справа

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].

Иллит под электронным микроскопом

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

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>

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

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.

Нанотрубки галлуазита могут быть насыщены каталитическими наночастицами металлов, изготовленными из серебра, рутения, родия, платины или кобальта, и тем самым служить носителем катализатора.

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?