Кузнецов В.Г. Литология. Осадочные горные породы и их изучение

Подождите немного. Документ загружается.

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, определяю-

щие само наличие глинистых пород, и неглинистые мине-

ралы — примеси. Основные группы собственно глинистых

минералов относятся к алюмосиликатам со слоистой структу-

рой кристаллической решетки, содержащим те или иные ка-

чества натрия, калия, кальция, магния, иногда железа. Слож-

ные сочетания двух основных структурных элементов —

кремнекислородных тетраэдров и алюмогидроксильных окта-

эдров — наряду с различиями в химическом составе опреде-

ляют и выделение основных минеральных типов — каолини-

тов, смектитов, гидрослюд (иллитов), хлоритов и более редкой

группы палыгорскита — сепиолита.

Минералы группы каолинита включают собственно као-

линит, 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 месторож-

дение этого минерала, являющегося ценным сырьем для про-

изводства очень дорогого фарфора. Оно впервые было упот-

реблено 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 пред-

ставляет собой двухслойные пакеты, где чередуются октаэд-

рические и тетраэдрические слои. Химическая формула

«идеального» каолинита Al

[Si

] [ОН]

Более разнообразна и более сложно построена следующая

группа глинистых минералов — смектиты.

Для них характерны трехслойные пакеты — две сетки

кремнекислородных тетраэдров и расположенная между ни-

ми сетка алюмогидроксильных октаэдров. При этом и в тет-f

раэдрах, и в октаэдрах возможны взаимные замещения ионов.^

как одинаковой валентности (Al

— Fe

, Mg

— Fe

), Taif

и разной (Si

— Al

и др.). Другими словами, здесь име-^

300

еТ

место как изовалентный, так и гетеровалентный изомор-

физм. Если в октаэдрических слоях (сетках) присутствуют

только трехвалентные ионы (Fe

, Cr

и др.), то они зани-

ма1

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

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

лентные ионы (Fe

, Ca

, Mg

и др.), то они располагаются

о всех октаэдрах. Структуры (и минералы) первого типа на-

зываются диоктаэдрическими («ди» — два), а второго — три-

октаэдрическими. Соответственно выделяются две подгруп-

пы: диоктаэдрические смектиты — подгруппа монтморилло-

нита 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

, Mg

и др. В связи с этим пакеты могут раздвигаться; это ве-

дет 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

)(Si

^Al

(OH)

XnH

O для диоктаэдрических смектитов и М

(R^

) χ

χ (Si

^Al

(OH)

·ηΗ

0 для триоктаэдрических.

При этом индекс M

означает одновалентные катионы

(Na

и K

), R

- двухвалентные (Mg

и Fe

), a R

трехвалентные (Al

и Fe

Типичным и наиболее распространенным представителем

диоктаэдрических смектитов является минерал монтморилло-

нит (англ. — motmorillonite), по которому названа и вся

подгруппа. В англоязычной литературе это же слово обозна-

чает и всю подгруппу. Само название этот минерал получил в

1847 г., как и каолинит — по месту нахождения в окрестно-

стях 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 минера-

лов пользуются минералы группы гидрослюд. Уже по назва-

нию видно, что минералы этой группы по составу и структу-

ре близки слюдам, но в них обычно меньше содержания ка-

тионов, 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 гидромус-

ковита.

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 диоктаэдриче-

скими и триоктаэдрическими. Первые количественно преоб-

ладают, среди них наиболее известны собственно иллит и

железистая гидрослюда

—

глауконит.

Состав наиболее распространенных гидрослюд выражает-

ся примерно следующими формулами (Дриц, Коссовная,

1991):

(Al

li5

Fe^Mgo

)[Si

3l6

Alo

(OH)

- иллит;

(Alo

Fe^FeoJMgo

) [Si

3i6

А1

]О,0(ОН)

- глауконит.

Осадочные хлориты (англ. — chlorite) развиты существен-

но меньше, чем другие глинистые минералы, хотя разнообра-

зие их минеральных видов, по-видимому, максимально. На-

звание «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 трехвалент-

ного железа.

Хлориты характеризуются наиболее сложным строением

кристаллической решетки, когда трехслойные пакеты рас-

слаиваются октаэдрическим слоем с двух- или трехвалентны-

ми катионами (Mg , Fe

", Fe

Следует указать на еще одну группу глинистых минера-

лов — палыгорскита (англ. — palygorskite) и сепиолита

(англ. — sepiolite). Название палыгорскит было введено

Т. Савченко в 1862 г. для описанного им волокнистого мине-

рала, найденного на р. Поповка Палыгорской дистанции

Пермской губернии, хотя под названием «горная кожа» ми-

нерал 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

виды- Таковы, например, каолинит-гидрослюдистые, каоли-

ит-монтмориллонитовые, хлорит-смектитовые, гидрослюда-

монтмориллонитовые 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 по-

родах 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 значитель-

ных количествах присутствуют и неглинистые минералы —

примеси. Среди последних имеются как аллотигенные, так

аутигенные минералы. Среди первых преобладает обломоч-

ный кварц, обычно алевритовой размерности, присутствуют

полевые шпаты, слюды. Список аутигенных минералов-

примесей более широк. Наиболее частыми являются карбо-

наты — кальцит, доломит, реже сидерит и анкерит, суль-

фаты — гипс, ангидрит, целестин, ярозит, алунит, а также

опал, кристобалит, халцедон, фосфаты, пирит, марказит, ок-

сиды и гидроксиды железа и марганца, цеолиты, органиче-

ское 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 по-

казателю глины подразделяются на мономинеральные (као-

линитовые, гидрослюдистые, монтмориллонитовые, хлорито-

вые) и полиминеральные. При этом последние нередко пред-

ставляют собой не просто смеси разных минералов, а сложе-

ны смешанослойными минералами. Среди мономинеральных

глин наибольшим распространением пользуются гидрослюди-

стые, затем глины монтмориллонитовой группы. Мономине-

ральные каолинитовые и хлоритовые глины существенно бо-

лее редки.

303

Другой классификационный показатель, который опреде-

ляется быстрее и проще уже при обычном визуальном мак-

роскопическом исследовании, — это степень плотности поро-

ды, ее способность к размоканию. По этому показателю, ко-

торый в общем виде связан с катагенетическими и частично

начально-метаморфическими преобразованиями, все глини-

стые породы (глины в широком смысле слова) подразделяют-

ся 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 отделя-

ются друг от друга, и при достаточном количестве воды обра-

зуется жидкая суспензия.

Аргиллиты (англ. — argillite) — внешне часто похожие на

глины, но более плотные камнеподобные породы с непра-

вильным землистым или раковистым изломом, не размокаю-

щие в воде и, соответственно, не обладающие пластичностью.

Чаще всего это серые и темно-серые породы гидрослюдисто-

го состава (причины — см. далее). Прочность аргиллитов обу-

словлена как существенным уплотнением, когда частички

глинистых минералов столь плотно прилегают друг к другу,

что они за счет действия межмолекулярных сил уже не отде-

ляются одна от другой, так и дополнительной цементацией

кремнеземом, карбонатами и т.д. Это уплотнение сопровож-

дается 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 сланце-

ватую 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, пере-

кристаллизация глинистых минералов с появлением новооб-

разованных серицита и хлорита.

Приведенные выше английские варианты основных тер-

минов, если можно так выразиться, в значительной степени

идеальны. Дело в том, что в англоязычной литературе исполь-

зование их весьма вольное, точный смысл может быть уста-

новлен по контексту, и то не всегда. Так, термин «shale» (до-

словно — 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 перво-

начально начало использовать человечество, — их пластич-

ность, которая определяет технологические свойства глин как

полезного ископаемого, сырья в производстве различных из-

делий, 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. Наи-

более пластичными являются натриевые монтмориллониты,

менее пластичны гидрослюды и наименее пластичны первич-

ные каолины. Таковы, например, каолинитовые глины под-

угольных и покрывающих угли пластов, которые называются

сухарными или тонштейнами (от немецкого der Stein — ка-

мень, der Топ — глина). Они отличаются повышенной проч-

ностью (поэтому и называются камнеподобными), акустиче-

ской жесткостью, раковистым изломом. Непластичными яв-

ляются 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 ре-

шетки между тетраэдрическими и октаэдрическими слоями в

смектитах, тем самым значительно увеличивая первоначаль-

ный объем породы. Степень набухаемости возрастает от као-

линита к гидрослюдам и далее особенно резко к монтморил-

лониту.

С тонкодисперсной структурой глин связана и их высокая

адсорбционная способность. Напомним, что кубик с ребром в

1 см обладает поверхностью б см

. Если его разрезать на

кубики с ребром IO

-2

см, их общая поверхность составит

600 см

, а с ребром IO

-4

см общая поверхность составит уже

600 000 см

. Таким образом, благодаря мелким размерам кри-

сталликов глинистых минералов, которые обычно имеют раз-

меры 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 по-

верхности 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 отбеливающи-

ми свойствами, поскольку интенсивно адсорбируют на своей

поверхности различные «загрязняющие примеси». Это свой-

ство монтмориллонитовых глин давно и с успехом использу-

ется человечеством, поэтому глины такого состава, как вся-

кое полезное ископаемое, часто имеют собственные местные

названия. Так, в Крыму и на Северном Кавказе они называ-

ются килом или кеффекелитом (от Каффа — древнее назваг

ние Феодосии). Одним из обязательных ритуалов отдыхаю-

щих в Коктебеле (Планерном) является необходимость пол-

ностью облепиться черной грязью, а затем смыть ее в море.

Волосы после мытья этой глиной даже морской водой стано-

вятся очень мягкими. В Азербайджане и Туркменистане гли-

ны 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 решет-

ки глин, является наличие поглощенных ионов, которые мо-

гут обмениваться друг с другом. Главными поглощенными

катионами являются Ca

, Mg

, H

, Na

, K

, анионами —

POj", SOj', СГ, NO3.

Емкость поглощения глины, т.е. общее количество

обменных ионов, зависит от состава глин, строения их ре-

шетки, степени дисперсности и других показателей и B03paq-

тает от каолинита к монтмориллониту. Так, емкость катион-

ного обмена каолинитовых глин составляет 3—15, гидрослю-

дистых (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 огне-

упорность, которая снижается от каолинитовых к монтмо-

риллонитовым, спекаемость, способность образовывать ус-

тойчивые суспензии и др.

Внешне глины разного минерального состава не очень

четко отделяются друг от друга.

306

Чистые каолинитовые глины, или каолины, могут быть бе-

лыми, серыми, желтовато-серыми. Они не разбухают в воде и

слабо пластичны. Излом сухарных глин раковистый, матовый,

неровный, у более пластичных разностей может быть глад-

ким, чешуйчатым, иногда глянцевитым на плоскостях сколь-

жения. Каолинитовые глины, особенно «первичные каоли-

ны», в корах выветривания обычно не слоисты, имеют мас-

сивную сплошную текстуру; переотложенные каолины обла-

дают неотчетливой слоистостью.

Чистые гидрослюдистые глины имеют зеленовато-серую,

голубовато-серую или красноватую окраску, в воде практиче-

ски не разбухают. Излом их шероховатый, чешуйчатый, не-

ровный. Обычно гидрослюдистые глины в той или иной ме-

нее 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 зеленовато-

голубоватая окраска. Эти глины в массе своей легко размо-

кают в воде, сильно набухают, благодаря своей исключитель-

ной дисперсности они жирные на ощупь и, как описано вы-

ше, обладают мылящими свойствами.

Хлоритовые глины встречаются обычно в виде относи-

тельно маломощных пластов; цвет их зеленый, тем-

но-зеленый, почти до черного. В воде размокают, но не

набухают.

Свойства полиминеральных глин еще менее индивидуали-

зированы.

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 (гидро-

ксиды трехвалентного железа), серые, темно-серые и до чер-

ных 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, не-

обходимо отметить одну важную для геологов-нефтяников

характеристику. Глины в целом содержат максимальные кон-

центрации 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 страти-

сферы составляет 0,62 %, субкларк в глинах равен 0,9 %, и в;

них сосредоточено 75 % общей массы этого элемента в оса-

дочных породах. Субкларк органического углерода в песча-

никах равен 0,2 %, в алевролитах 0,45 %, карбонатных поро-

дах 0,2 %, сульфатах и солях 0,1 %. Количества органического

углерода, содержащегося в этих породах, относительно его

общего количества в осадочном комплексе равны соответст-

венно 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 пре-

имущественно, либо существенно глинистых. Однако сум-

марно в них содержится не более 3 % общего количества ор-

ганического углерода.

6.4. МЕХАНИЗМЫ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ

ГЛИНИСТЫХ МИНЕРАЛОВ

Говоря о глинах, и глинистых породах вообще,,

следует точно представлять и разделять механизмы и усло-

вия, прежде всего геохимические, образования специфиче-

ских глинистых минералов, с одной стороны, и обстановки

образования собственно глинистых пород — с другой. Иногда

эти два показателя совпадают, хотя бы во времени и про-

странстве, 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 ре-

зультате наземного химического выветривания исходных

магматических пород под действием атмосферных газов, во-

ды, 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 образуют-

ся одни минералы, затем они преобразуются в другие и затем

308

третьи. Например, схемы преобразования алюмосиликатов

кислых магматических пород можно представить в виде сле-

дующих уравнений:

6К[AlSi

] + 2С0

+ 2Н

0 2КА1

(AlSi

)(OH)

ортоклаз серицит

—

гидрослюда

+ 2К

-f- 12Si0

;

4KAl

[AlSi

] (OH)

+ 2С0

+8Н

0 ЗА1

[Si

J(OH)

гидрослюда каолинит

+ 2К

С0

;

[Si

]

(OH)

+ пН

0 Al

- пН

0 + SiO

- пН

каолинит боксит опал

Надо еще раз подчеркнуть, что это лишь схемы, в природе

процессы идут неизмеримо сложнее, сами формулы минера-

лов более сложные, не столь строго определенные, поэтому

схемы реакций не строго уравнены. -

В итоге серии подобных превращений, в процессе кото-

рых 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 преобла-

дающим составом глин. Примерная схема строения коры

выветривания гранитоидов показана в табл. 6.1. К этой таб-

лице следует сделать несколько примечаний.

Химическое разложение происходит обычно не в одно-

родном плотном массиве, а по отдельным обломкам, поэтому

в основании коры выветривания обычно имеются горизонты

механически раздробленных коренных пород — зона дезин-

теграции.

Освобождающийся в процессе выветривания кремнезем в

виде опала легко растворяется. Дело в том, что карбонаты

щелочных металлов (Na

, K

), 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 просачивают-

ся вниз, образуя вторичную минерализацию нижних зон ко-

ры выветривания.

Указанные в табл. 6.1 процессы не всегда реализуются

полностью, они могут останавливаться на каких-то стадиях.

309