Общая характеристика глинистых минералов.

Глинистые минералы относятся к группе слоистых и слоисто-ленточных силикатов и отличаются от других минералов классов силикатов высокой дисперсностью и гидрофильностью, а также способностью к сорбции, и ионному обмену. В природных условиях глинистые минералы имеют размеры от 1 до 10 микрон. Глинистые минералы являются наиболее активной составной частью дисперсных пород, и в значительной степени определяет их инженерно-геологические свойства: гидрофильность, прочность, пластичность и др.

Основу структуры глинистых минералов составляют тетраэдрические и октаэдрические сетки.

Тетраэдрическая сетка состоит из тетраэдров, связанных между собой через вершины своих оснований. Центральную позицию в тетраэдре занимают атом кремния, иногда атом алюминия или железа.

Октаэдрическая сетка образована октаэдрами, сочлененными боковыми ребрами. В центре октаэдров могут располагаться изоморфно замещенные атомы.

Тетраэдрические сетки, соединяясь друг с другом, образуют структурный слой.

Строение и свойства каолинита.

Внешне каолинит представляет собой белое мелкокристаллическое вещество следующего химического состава Al₂O₂2SiO₂2Al₂O. Кристаллическая структура каолинита состоит из одной кремнекислородной тетраэдрической сетки и одной алюмо-кислородно-гидроксильной откаэдрической сетки, т.е. каолинит имеет структуру типа 1:1. Благодаря такому строению одна поверхность структурного слоя сложена кислородами, а вторая – гидроксилами. При наложении слоев между поверхностью одного слоя и гидроксильной поверхностью другого слоя возникают водородные связи, которые делают структуру каолинита достаточно жесткой с неизменным межплоскостным расстоянием 7.15А.

Для каолинита не характерно внутрикристаллическое набухание при взаимодействии с водой. Основной активной поверхностью у каолинита являются краевые участки кристаллов в местах разрыва связей. В значительно меньшей степени активность проявляют внешние базальные грани, из которых одна является кислородной, а другая – гидроксильной.

Строение и свойства монтмориллонита.

Структурный слой состоит из двух тетраэдрических сеток, между которыми расположена октаэдрическая сетка, т.е. имеет структуры типа 2:1.Характерной особенностью структуры монтмориллонита является то, что кислородная поверхность одного слоя контактирует с аналогичной поверхностью соседнего слоя, вследствие чего связь между слоями слабая.

Молекулы воды и других полярных жидкостей могут свободно проникать между структурными слоями монтмориллонита и в результате межплоскостное расстояние изменяется от монтмориллонита от 9.6А до 18А. Теоретическая формула структурной ячейки монтмориллонита имеет вид (OH)₄Si₂Al₄O₂₀nH₂O. В действительности природные монтмориллониты всегда имеют вид, отличающийся от теоритического, вследствие изомофрных замещений, которые приводят к тому, что структура монтмориллонита оказывается электростатически неуравновешенной. В результате замещения трехвалентного алюминия на железо двухвалентное или марганец двухвалентный или в октаэдрической сетке и возможно частичное замещение четырехвалентного кремния на трехвалентный алюминий в тетраэдрической сетке в структуре создается избыток отрицательных зарядов, который компенсируется гидротированными обменными катионами, которые образуют структуру монтмориллонита. Чаще всего это катионы магния, кальция и органические кислоты.

У монтмориллонита активными поверхностями являются не только краевые участки и внешние базальные грани кристаллов, но и внутренние базальные поверхности, что обуславливает огромную величину суммарной активной поверхности монтмориллонита. Этим объясняются такие свойства монтмориллонита, как высокая гидрофильность, высокая адсорбционная способность, сильная набухаемость.

Строение и свойства гидрослюд.

Гидрослюды, подобно монтмориллониту, имеют структурный мотив 2:1.

В тетраэдрической сетке гидрослюды каждый шестой атом кремния изоморфно замещен на алюминий трехвалентный. При этом в решетке деф. зарядов компенсируются крупным катионом калия, входящим в межслоевое пространство. Одновалетный катион калия прочно связывает отрицательно заряженные слои гидрослюды, придавая им жесткость. Межплоскостное расстояние у гидрослюд около 10А. В межслоевой комплекс катионов, наряду с калием, у гидрослюды могут входить катионы кальция двухвалентного, натрия двухвалентного и водорода одновалентного. Межслоевые катионы, уравновешивающие отрицательный заряд слоев, являются при этом необменными, в отличие от монтмориллонита. У гидрослюд активными поверхностями являются разорванные связи краевых частей кристаллов и их внешние базальные поверхности. В отличие от каолинита внешние базальные поверхности гидрослюд активно взаимодействуют с дисперсионной средой, поэтому по величине гидрофильности и активности в обменных и адсорбционных реакциях гидрослюды занимают промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом.

Строение и свойства хлорита.

Он имеет структуру 2:1:1, состоящую из слюдоподобных слоев разделенных слоями брусита. Брусит представляет собой двухмерную октоэдрическую сетку с катионом магния двухвалентного в октоэдрических позициях.

Для хлорита характерны изоморфные замещения как в слюдоподобных так в бруситовых слоях. В слюдоподобных слоях происходит замещение кремния трехвалентного на алюминий трехвалентный в тетраэрических сетках и замещение алюминия трехвалентного на магний двухвалентный в октаэдрических сетках. В результате создается избыточный отрицательный заряд.

В бруситовых слоях магний двухвалентный замещается на железо трехвалентного, что приводит к возникновению избыточного положительного заряда. Избыточный положительный заряд компенсирует отрицательный заряд слюдоподобных слоев.

Связь между слоями структуры хлорита осуществляется молекулярными силами, а также за счет электростатического взаимодействия отрицательно заряженных слюдоподобных слоев и расположенных меду ними положительно заряженных бруситовых слоев. Между атомами кислорода тетраэдрической сетки слюдоподобного слоя и водородом гидроксильной группы бруситового слоя могут возникать водородные связи. Все это придает структуре жесткость и постоянство межплоскостного состояния равное 14А.

Основными активными слоями являются разорванные связи боковых сколов кристаллов и их внешние базальные поверхности. По своему энергетическому состоянию и активности физико-химических процессов хлорит стоит близко к гидрослюде.

Глинистость.

В петрофизике под глинистостью понимается соединения в породах глинистых частиц.

Свойство пород содержать совокупность глинистых частиц, заполняющих пространство между более крупными зернами, называется рассеянной глинистостью.

Свойство пород иметь в своем составе тонкие прослои глин называется слоистой глинистостью. В петрофизике используют следующие величины:

а) удельная массовая глинистость k_{гл m}=m_{с гл.}/m_с;

б) удельная объемная глинистость k_{гл. v}=V_{с. гл.}/V_c.;

в) относительная глинистость этта=V_{с. гл.}/ V_пор.+ V_{с. гл.};

Относительная глинистость характеризует степень заполнения порового пространства глинистым компонентом применительно к сухой породе.

г) коэффициент глинистого заполнения k_{зап. гл. v}=V_{т. гл.}+V_{в. нб}/V_{т. гл.}+V_в;

Этот коэффициент характеризует степень заполнения глиной порового пространства набухшей глинистой породой.