Поиск

Кристаллические вторичные минералы
28.10.2015

Глинные минералы (алюмосиликаты)

Глинные кристаллические минералы являются гидратированными (водными) силикатами (алюмосиликатами) со слоистой или цепочечной кристаллической решеткой, состоящей из слоев кремне-кислородных тетраэдров, сведенных в гексагональную форму и упакованных в самостоятельные слои.
Каждый слой состоит из поверхности катионов (кремний, алюминий, магний, железо), причем индивидуальный катион окружен четырьмя ионами кислорода или шестью ионами гидроксила (тетраэдры или октаэдры соответственно). Классификационное подразделение вторичных силикатных минералов базируется на их кристаллохимической структуре, т. е. на типе организации кристаллической решетки и ее элементов (табл. 42). Главным при этом является структура ионых пакетов.
Различают глинные минералы двухслойные (1:1), в которых на один слой кремне-кислородных тетраэдров приходится один октаэдрический слой алюминия, магния или железа. К этому типу относятся минералы групп каолинита, галлуазита, 7А-хлорита.
Кристаллические вторичные минералы

Далее выделяют класс трехслойных минералов (2:1), в которых между двумя кремне-кислородными слоями расположен один слой алюмогидроксильных октаэдров. Сюда относятся минералы групп монтмориллонита, иллита (гидрослюды), вермикулита. Наконец, различают четырехслойные глинные минералы, например 14А-нормальный хлорит, имеющий два кремне-кислородных и два октаэдрических слоя магния или железа, которые перемежаются.
Нужно иметь в виду, что химизм глинных минералов крайне изменчив, так как алюминий также может образовывать кислородные тетраэдры, которые могут замещать кремне-кислородные тетраэдры. Кроме того, железо и магний, образующие октаэдры с гидроксилами, замещают алюминий в октаэдрических слоях. Очень важным классификационным признаком глинных силикатных минералов является подвижность или неподвижность кристаллической решетки и способность сорбировать воду (и другие жидкости), а также катионы и анионы.
Глинные минералы групп монтмориллонита и вермикулита характеризуются подвижной кристаллической решеткой. Другие не обладают этим свойством или обладают им лишь в слабой степени.
а. Класс двухслойных силикатов

Группа каолинита. Группа каолинита включает в себя собственно каолинит, диккит и накрит. Кристаллохимическая формула каолинита Al4(ОН)8*[Si4O10].
Каолинит содержит кремнезема около 45—46%, глинозема около 38— 40% и воды около 13% (табл. 42, 43). Каолинит представляет собой тонкую на ощупь белую тонкочешуйчатую глинистую массу. Под микроскопом каолинит представлен шестиугольными пластинками (табличками) белого цвета с жемчужным отблеском.
В почвах и почвообразующих породах основная масса минералов группы каолинита присутствует во фракциях >1 мк. Высокодисперсный каолинит легко открывается рентгеновскими, термическими и электронографическими методами. Минералы этой группы обладают следующими свойствами: кристаллическая решетка жесткая, катионная поглотительная способность низкая — 5—15 мг-экв на 100 г минерала, поглощение воды слабое. Наблюдается заметное обменное поглощение анионов.
Образование минералов группы каолинита, по-видимому, свойственно кислой среде и происходит в ходе длительного выветривания первичных минералов в элювиальных условиях. Каолинит является остаточным продуктом глубокого выветривания минералов и синтеза соединений глинозема и кремнезема в обстановке влажного холодного и особенно влажного тропического и субтропического лесного почвообразования. Каолинит может возникать и путем присоединения кремнезема к бемиту или гйдраргиллиту.
Группа галлуазита. Это минералы, очень близкие к каолиниту и нередко принимаемые за каолинит. Практически они того же химического состава, но со слоем молекул воды между двумя пакетами Al4(OH)8*[Si4O10]*(H2O)4.
Имеется, однако, безводная форма галлуазита, так называемый мета-галлуазит. Межпакетные расстояния у каолинита 7,1 А, а у галлуазита 10,0 А. Кроме того, встречаются формы галлуазита, обладающие подвижной кристаллической решеткой и слабой способностью набухать (до 10,8 А). Внешне галлуазиты представляют собой землистую массу и корки белого или серо-желтоватого цвета. Под электронным микроскопом галлуазит дает изображение в виде игольчатых или вытянуто-пластинчатых частиц. Поглотительная способность галлуазитов того же порядка, что и каолинитов.
Различают железистую разновидность галлуазита — ферригаллуазит (Al, Fe)2O3*2SiO2*nH2O, который образует землистые темные бурые и коричневые скопления, корочки или входит в состав ортштейнов или ортзандов.
Галлуазиты — минералы древних остаточных кор выветривания. Ho, по-видимому, они образуются также и в аккумулятивных ландшафтах путем синтеза и выпадения из растворов.
б. Класс трехслойных силикатов

Группа монтмориллонита. Широко распространенными вторичными алюмосиликатными минералами почв и осадочных пород являются многочисленные представители группы монтмориллонита. В составе монтмориллонита содержится до 51% кремнезема, 19—20% глинозема, до 15—16% воды, всегда заметное количество магния и кальция.
Кристаллохимическая формула монтмориллонита Al2(OH)2[Si4O10]*nН2O. Структурная единица монтмориллонита представлена двумя слоями кремнекислородных тетраэдров и одним слоем алюмогидроксильных (или алюмокислородных) октаэдров между ними. Молекулы воды и других полярных жидкостей могут располагаться между двумя такими структурными пакетами, вдвое увеличивая межпакетные расстояния. С межпакетными пространствами связаны сильно выраженные у этой группы минералов свойства обменного поглощения катионов. Обменного поглощения анионов практически нет.
Химическое разнообразие этой группы минералов объясняется тем, что алюминий может замещать кремний в четверной координации. Железо и магний в свою очередь замещают алюминий в октаэдрических слоях (т. е. в шестерной координации). Обменные кальций и магний могут свободно замещаться натрием, калием или даже водородом. Все это обусловливает исключительное разнообразие минералов этой группы.
В числе минералов группы монтмориллонита особо нужно отметить байделит Al2(OH)2[AlSi3O10]*nН2O и нонтронит (AlFe)2(OH)2[Si4O10]*nН2О. Оба они имеют подвижную кристаллическую решетку и отличаются высокой поглотительной способностью.
Скопления монтмориллонита белого, серого или зеленоватого цвета. Некоторые его формы, особенно железистый монтмориллонит и нонтронит, характеризуются темно-серым, бурым и даже черным цветом. Присутствие минералов группы монтмориллонита в почве легко обнаружить по большой вязкости во влажном состоянии и по образованию очень плотных призм, тумб и глубоких трещин в сухих почвах.
Для минералов группы монтмориллонита характерны следующие признаки: таблитчатая форма, диаметр частиц менее 0,25 мм, подвижная кристаллическая решетка, межпакетные пространства которой в зависимости от влажности могут меняться в пределах 18—9 А, высокая поглотительная способность порядка 70—150 мг-экв на 100 г минерала, интенсивное поглощение воды и медленная ее отдача при высыхании, высокая пластичность, вязкость во влажном состоянии и сильная усадка при высыхании. Под воздействием температуры порядка 350—5003 подвижная кристаллическая решетка минералов группы монтмориллонита необратимо сжимается с утратой пластичности, вязкости и снижением поглотительной способности.
Минералы группы монтмориллонита образуются по преимуществу при щелочной реакции среды и характерны для почв и наносов аккумулятивных ландшафтов, особенно пустынно-степных и степных областей. Выветривание щелочных магматических пород и особенно вулканических пеплов также сопровождается образованием минералов этой группы. Присутствие монтмориллонита и байделита констатировано в черноземах, каштановых почвах, солонцах. Нонтронит и монтмориллонит обнаружены также в черных тропических и черных слитых почвах.
Группа вермикулита. Вермикулит — трехслойный минерал, присутствующий в осадочных породах и почвах. По составу и свойствам близок к монтмориллониту. Однако подвижность кристаллической решетки не столь велика, как у монтмориллонита. В его состав входит двухвалентное и трехвалентное железо, магний. Он обладает высокой поглотительной способностью (100—140 мг-экв). Размер частиц у вермикулита больше, чем у монтмориллонита. Вермикулит поглощает органические вещества значительно слабее, чем монтмориллонит. По-видимому, восстановительные условия, наличие электролитов и щелочная среда, обеспечивающие присутствие магния и подвижных соединений железа, способствуют образованию вермикулита. В глинах и почвах часто встречаются смешано-слоистые формы вермикулита и хлорита, вермикулита и иллита, что отражает процессы их взаимного превращения.
Группа вторичных гидрослюд — иллитов. В числе вторичных минералов различных глин и почв значительное место занимают иллиты, или гидрослюды. В состав этой группы входят также глауконит, серицит, гидромусковит и др. Они обнаруживаются главным образом во фракциях частиц диаметром менее 1—2 мк. Эти минералы по составу близки к мусковиту, но сильнее гидратированы и содержат меньше калия.
Иллит также близок к монтмориллониту, так как является трехслойным !минералом. Однако доля участия алюминия в тетраэдрических слоях значительно выше, чем кремния.
Группа этих минералов образуется в процессе выветривания первичного материала, особенно полевых шпатов, слюд при их превращении в каолинит. Образование гидрослюд происходит также в условиях нейтральной и слабощелочной среды. Иллит и монтмориллонит нередко дают смешано-слоистые формы. Вообще надо отметить значительную вариабельность состава и свойств минералов группы иллита и часто несовершенность их кристаллизации. Группа этих минералов обладает умеренной поглотительной способностью, порядка 10—30 мг-экв на 100 г, жесткой кристаллической решеткой, не выраженным набуханием и склонностью к образованию корки при высыхании.
При образовании вторичных слюд подвижные формы калия выводятся из раствора. Этим в значительной степени объясняется относительно низкая концентрация калия в природных водах. Однако калий вторичных слюд легко доступен большинству растений.
Присутствие серицита констатировано в лёссовидных и аллювиальных отложениях Азербайджана и Средней Азии, а также в солонцеватых, такырных и каштановых почвах. Иллит отмечается в покровных суглинках и в почвах грунтового увлажнения в подзолистой зоне.
в. Класс четырехслойных силикатов

Группа хлоритов. Представителями класса четырехслойных глинных минералов являются хлориты — водные силикаты магния и железа, содержащие алюминий. Для хлоритов характерно примерно одинаковое содержание SiO2, Аl2O3, MgO, по 25—27% каждого, и около 8% FeO. Теоретическая кристаллохимическая формула хлорита — (Al, Mg, Fe)3*(ОН)2[(Аl, Si)4O10]Mg3(OH)6 относится к его 14 А-ной модификации, которая считается нормальной. Эта модификация построена из перемежающихся в кристаллической решетке слюдоподобных и бруситовых структурных единиц с расстояниями между ними 14,2 А.
Нормальный хлорит характеризуется жесткой кристаллической решеткой. Есть другие модификации хлоритов, например построенные из систем триоктаэдрических компонентов с расстоянием в 7 А. Есть набухающие хлориты с подвижной кристаллической решеткой. Наконец, существуют хлориты смешано-слоистой структуры, в которой имеются элементы иллита, монтмориллонита, вермикулита.
Разнообразие хлоритов весьма велико, что обязано различным проявлениям изоморфизма и влиянию примесей. Следует иметь в виду, что хлориты образуются из водных растворов и выпадают в осадок там же, где происходит накопление тонких глин, окислов железа, сидерита, углекислого кальция; образуются они также при выветривании основных и ультраосновных изверженных пород. Хлориты обладают заметной поглотительной способностью, достигающей 10—40 мг-экв на 100 г, т. е. значительно выше, чем у каолинита.
г. Цепочечные — ленточные — минералы

В этой большой и малоизученной группе следует отметить чаще встречаемые палыгорскиты, аттапульгиты, сепиолиты. Это магнезиальные, железистые, алюминиевые силикаты волокнистого агрегатного строения. Из этих минералов аттапульгит особенно близок к монтмориллониту, с которым он часто встречается совместно. Для кристаллической структуры этих минералов характерны двойные цепочки кремнекислородных тетраэдров; вдоль цепочек имеются микрополости — каналы, занятые сорбированной водой. Некоторые из этих минералов (сепиолиты) иногда даже не окристаллизованы.
Палыгорскит, аттапульгит, сепиолит часто встречаются в корах выветривания основных пород и вулканических пеплов. Они обычны для почв и озерных отложений, образованных в аридных областях. Вместе с этими минералами часто обнаруживаются монтмориллонит, опал, халцедон, карбонаты кальция и магния.
К этой же группе минералов относятся аморфный минерал CaSiO3*nН2O — пломбиерит, который постепенно переходит в волластонит — CaSiO3, керолит —MgSiO3*H2O и сепиолит — Mg3(Si4O)H2O*MH2O.
Магнезиальный силикат сапонит — 2MgO3Si2*2H2O — обладает подвижной кристаллической решеткой и выраженной поглотительной способностью.
Присутствие силикатов кальция и магния констатировано в солонцовых и содовых солончаковых почвах. Вторичные силикаты сообщают почвенным горизонтам, почвообразующим породам во влажном состоянии вязкость, желеобразность, обусловливают медленное просыхание с сильно выраженной усадкой. Богатые вторичными силикатами горизонты в сухом состоянии отличаются цементированностью и высокой твердостью.
В заключение характеристики глинных минералов приведем обзорную таблицу 44, в которой даны размеры, форма и поглотительная способность частиц этих минералов.
Кристаллические вторичные минералы

Водно растворимые минералы

Воднорастворимые минералы широко распространены в осадочных породах и почвах. Наиболее типичными среди них являются карбонаты, т. е. углекислые соли кальция, магния, натрия, калия. Таковы крайне мало растворимые кальцит, люблюнит и арагонит — СаСО3, доломит — CaCO3*MgCO3, хорошо растворимые сода — Na2CO3*10H2O, трона — NaHCO3*Na2CO3*2Н2О.
Соли серной кислоты дают свою серию минералов: гипс — CaSO4*2Н2О, полугидрат — CaSO4*0,5Н2О, ангидрит — CaSO4, мнрабиллит — Na2SO4*10H2O, тенардит —Na2SO4 и др. В числе хлоридов наиболее широко распространен галит — NaCl.
Воднорастворимые минералы характерны для засоленных почв и соленосных осадочных пород. Большие скопления этих минералов в виде химических осадков чаще всего образуются в озерах и солончаках, в морских заливах в условиях жаркого сухого климата. Ho иногда они встречаются и в почвах умеренного климата. Девонские, пермские и третичные осадочные породы содержат большие количества воднорастворимых минералов. Часто в этих породах присутствуют сплошные залежи чистых солей. Выходы этих пород могут способствовать появлению воднорастворимых минералов в почве.
Отметим еще своеобразный минерал вивианит, фосфорнокислую закись железа — Fe3(PO4)2*8HgO. Этот минерал свойствен болотным осадкам и почвам и характеризуется яркой голубой или синей окраской. Вивианит, как и фосфаты кальция, отличается очень низкой растворимостью. Существует также малорастворимый карбонат железа — FeCO3 — сидерит, характерный для болотных условий и имеющий серовато-бурую окраску.
По минералогическому составу осадочные почвообразующие породы (табл. 45) глубоко отличаются от изверженных пород. Глинные минералы и особенно воднорастворимые минералы (мало и хорошо растворимые) — характерные компоненты осадочных пород, существенно влияющие на их роль в почвообразовании.
Кристаллические вторичные минералы