В этом разделе будут рассмотрены происхождение и условия залегания глинистых минералов в глинистых веществах специфического происхождения или таких, происхождение которых установлено не вполне точно.
Бентонит. Термин «бентонит» был впервые применен Найтом к особой сильно коллоидальной пластичной глине, найденной близ форта Бентон в меловых слоях Вайоминга. Характерной особенностью бентонита является его способность разбухать при помещении в воду. При этом объем бентонита в несколько раз увеличивается и он образует тиксотропные гели с водой даже тогда, когда количество бентонита в таких гелях сравнительно мало. Хьюэгт показал, что эта глина образовалась при изменении вулканического пепла In situ. Росс и Шеннон при изучении ряда глин, образовавшихся путем изменения вулканического пепла, предложили термин «бентонит» употреблять только для глин, образовавшихся при изменении вулканического пепла In situ. Они указали, что такие глины состоят в значительной степени из монтмориллонитовых глинистых минералов и являются обычно высоко коллоидальными и пластичными. Термин «бентонит», применяемый теперь многими минералогами и геологами, не имеет никакого отношения к физическим свойствам глины.
Приблизительно до 1930 г. бентонит, кроме Вайоминга, был обнаружен еще в некоторых местах; до 1940 г. термин «бентонит», особенно в промышленности, был синонимом породы из Вайоминга. Даже теперь (1951 г.) под бентонитом часто подразумевают высоко пластичную коллоидальную набухающую глину безотносительно к характеру ее происхождения. Так, монтмориллонитовая глина с острова Понца, Италия, обычно называется бентонитом, хотя она, по-видимому, имеет гидротермальное происхождение.
Вследствие большого промышленного значения бентонита начиная приблизительно с 1930 г. во всех частях земного шара производятся поиски его, и теперь глины, состоящие в значительной степени из монтмориллонита и образовавшиеся in situ путем изменения вулканического пепла, обнаружены почти во всех странах и в породах весьма различных возрастов. Бентониты особенно широко распространены в третичных отложениях, например в Калифорнии, на побережье Мексиканского залива в США, в Италии и в Новой Зеландии, а также в верхнемеловых породах в районах побережья Мексиканского залива и Великих Равнин в США, в Англии, Германии и Канаде. Породы более древние, чем меловые, по-видимому, содержат мало бентонита. В палеозойских породах (например, в ордовичских отложениях в Иллинойсе и в Аппалачах) найден так называемый метабентонит. В таком метабентоните монтмориллонит обычно бывает почти полностью разрушен уплотнением и метаморфизмом; поэтому минерал набухает очень мало и глина не обладает обычными высоко коллоидальными свойствами бентонита.
Вулканический пепел — исходное вещество бентонитов — может быть обнаружен благодаря наличию в глине реликтовых пепловых структур, а также присутствию ряда неглинистых минералов (полевые шпаты, биотит, роговая обманка и т. д.), характерных для изверженных пород.
Мощность пластов бентонита колеблется от долей сантиметра до нескольких метров. Слои, мощность которых превышает 3 м, редки, но известно несколько пластов, мощность которых достигает 15 м. Глина, названная бентонитом, которая имеет гидротермальное происхождение, найдена в неправильных массах, без какого-либо напластования. Цвет бентонита от белого до серого, желтый, зеленый, синий и черный, но чаще всего желтый или желтовато-зеленый. Часто на выветрелой поверхности развивается желтый цвет, и выветрелая порода может иметь физические свойства, совершенно отличные от свойств свежей породы. На выветрелой поверхности развивается характерная петельчатая структура вследствие набухания и сокращения при смачивании и высушивании. Это позволяет легко распознать бентонит в поле. Свежий бентонит часто имеет характерный восковой вид. На воздухе часто развивается характерная система трещин, связанная с сокращением при высушивании, которую называют «загадочная пила» (jigsaw puzzle).
Известны бентониты, переслаивающиеся с глинистыми сланцами, известняками и песчаниками. Вероятно, чаще всего такие образования находят в толще морских осадков. Иногда бентонит непосредственно подстилается твердым кремнистым слоем; возможно, обогащение окисью кремния подстилающего слоя сопутствует образованию бентонита.
Как указывалось выше, преобладающим глинистым минералом, входящим в состав бентонитов, является монтмориллонит. Во многих бентонитах присутствуют и другие глинистые минералы, в частности иллит и каолинит; количество последних нередко достигает 50% от всех глинистых минералов образца. Кроме того, бентониты содержат переменные количества различных неглинистых минералов. Некоторые бентониты представляют собой, по существу, чистый монтмориллонит, но неглинистых минералов в них редко бывает меньше 10%. В бентонитах обнаружен кристобалит (до 30%). Этот минерал часто смешан с монтмориллонитом и трудно поддается определению; возможно, он был пропущен во многих минералогических анализах бентонитов. Кристобалит, несомненно, образовался из пепла одновременно с монтмориллонитом. В нескольких случаях в бентонитах были найдены цеолиты в тесной ассоциации с монтмориллонитом.
Состав самого монтмориллонита значительно меняется в различных бентонитах, как показали Росс и Хендрикс. Изменения могут наблюдаться в самой решетке монтмориллонита, а также могут быть связаны с природой обменных катионов. Наблюдаются значительные различия в относительном содержании магния и железа и в отношении R2O3 к окиси кремния. Таким образом, у бентонитов следует ожидать значительных различий в заполнении кремнекислородного слоя. Что касается обменных катионов, большинство описанных бентонитов имеет Ca++ в качестве наиболее распространенного иона. Известно всего лишь несколько бентонитов, имеющих Na+ в качестве преобладающего обменного иона; характерным примером таких бентонитов является вайомингский бентонит. Было отмечено несколько бентонитов, несущих H+ или K+- в качестве преобладающих обменных ионов. Иногда как обменный ион присутствует Mg4+ в сравнительно небольших количествах, в частности, когда преобладающим обменным ионом является Ca++.
Имеющиеся данные указывают на наличие пластов вулканического пепла, не изменившегося в бентонит. Вероятно, для образования бентонита необходимо, чтобы пепел попал в воду. Состав воды (т. е. пресная она или соленая), несомненно, важен для определения возможности образования и точного характера монтмориллонита. Многие бентониты связаны с морскими отложениями, следовательно, изменение пепла в бентонит происходит в морской воде. Может ли такое изменение иметь место в более соленых водах или в пресной воде, пока не выяснено. Состав пепла также является важным фактором. По-видимому, пепел должен содержать некоторое количество MgO, так как пепел, лишенный окиси магния, не изменяется в монтмориллонит.
Имеющиеся данные убедительно показывают, что изменение пепла в монтмориллонит происходит вскоре после ею накопления или почти одновременно с накоплением. Изменение в большинстве случаев не является более поздним процессом и определенно не является процессом выветривания. В штате Мисоисипи, США, меловые бентониты часто постепенно и без перерыва переходят (снизу вверх) в глауконитовые пески. Нижняя часть песков содержит округлые включения бентонита. Таким образом, песок начал отлагаться уже после образования бентонита.
Процесс образования монтмориллонита является, по существу, девитрификацией природного стекла пепла и кристаллизацией монтмориллонита. Вероятно, пепел содержит избыток окиси кремния и щелочей. В некоторых случаях окись кремния остается в глине и дает начало кристобалиту. Избыток окиси кремния также является источником свободной окиси кремния в твердых кремнистых слоях, непосредственно подстилающих многие бентониты. Избыточные щелочи и щелочные земли, вероятно, растворяются в воде и уносятся. Характер заселения положений обменных катионов зависит от состава исходной воды и щелочей и щелочных земель из пепла, растворившихся в воде.
Бентониты обладают важными свойствами, придающими им большую промышленную ценность. Их используют при обесцвечивании масел, для изготовления катализаторов, сцепления формовочных песков, изготовления буровых грязей, необходимых при бурении нефтяных скважин, и во многих других менее важных случаях. Свойства отдельных бентонитов различны, и не все бентониты пригодны для промышленною использования. Свойства некоторых бентонитов часто делают их особенно важными для какой-либо определенной отрасли промышленности. Так, вайомингский тип бентонита превосходен для буровых грязей и в литейном деле (формовочные пески), но не имеет никакого значения для обесцвечивания масел или изготовления катализаторов. Некоторые бентониты из штата Миссисипи, США, хороши для обесцвечивания глин и для применения в литейном деле, но не представляют никакой ценности для буровых грязей. Свойства бентонитов зависят в основном от состава входящего в них монтмориллонита и характера обменных ионов. Факторы, контролирующие свойства бентонитов, изучены еще мало, и этот вопрос не может быть рассмотрен здесь сколько-нибудь обстоятельно. Однако можно привести некоторые примеры зависимости свойств бентонитов от их состава. Очень сильно набухающие и высоко коллоидальные бентониты имеют Na+ в качестве главного обменного катиона (например, бентонит из Вайоминга). Присутствие Na+ не является, по-видимому, единственной причиной, обусловливающей свойства вайомингской глины. Некоторые глины, обработанные так, что они имеют Na+ основным обменным катионом, не обладают полностью свойствами вайомингской породы. Другая причина, обусловливающая характерные свойства вайомингского бентонита, заключается в особенностях решетки монтмориллонита, входящего в его состав.
Для изготовления катализаторов необходимы бентониты с монтмориллонитом, имеющим низкое содержание железа. Обесцвечивающие глины несут обычно Ca++ и (или) Mg++ в качестве обменных катионов. Кроме того, большое значение имеет сам монтмориллонит, так как хорошие обесцвечивающие глины не всегда могут быть приготовлены посредством простой реакции ионного обмена. Монтмориллонитовые глины, несущие Na+ или Ca++, добавляются в формовочные пески для литейного дела, но они имеют в таких песках совершенно иные свойства. Так, натриевый монтмориллонит дает относительно высокую прочность в сухом состоянии и более низкую прочность в сыром состоянии, тогда как кальциевый монтмориллонит дает высокую прочность в сыром состоянии и более низкую прочность в сухом состоянии.
Глины с высоким содержанием алюминия и железа. В настоящей книге породы с высоким содержанием алюминия или железа, такие, как бокситы и латериты, детально не рассматриваются, поскольку имеются работы, специально посвященные этим вопросам. Обычным глинистым минералом, связанным с отложениями окисей или гидроокисей алюминия и железа, является каолинит. В некоторых глинах с высоким содержанием окиси алюминия отмечен галлуазит, но, возможно, за галлуазит был принят слабо окристаллизованный каолинит. Повидимому, в таких породах бывает каолинит двоякого происхождения: один образовался раньше гидратов и представляет исходную породу, из которой возникло значительное количество гидрата окиси алюминия, и другой, образовавшийся после возникновения гидратов окиси алюминия посредством реакции окиси кремния с такими гидратами.
Особенно характерным типом глины с высоким содержанием окиси алюминия является диаспоровая глина и глина бурлей из штата Миссури, в которой каолинит находится совместно с диаспором. Происхождение этих глин неясно. По мнению МакКуина и Аллена, они образовались при выщелачивании, которое связано с развитием карстовых воронок. Генетическая связь каолинита с диаспором неясна.
Галлуазитовые отложения индианского типа. Залежи галлуазита близ Бедфорда, Индиана, впервые изученные Логеном, а позже весьма детально Каллаганом, представляют собой тип месторождений галлуазита, известный и в некоторых других местах. Галлуазит встречается здесь в виде линз и заполнений пустот у контакта мэнсфильдского песчаника пенсильванского возраста с подстилающими честерскими кластическими породами. По данным Каллагана, галлуазит образовался из грунтовых вод путем осаждения из растворов, заимствовавших кремнезем и глинозем из остаточных почв, залегающих на честерских отложениях. Образование галлуазита происходило в послемэнсфильдское время. Считалось, что природные воды были кислыми благодаря наличию сульфата, полученного от окисления пирита в мэнсфильдском песчанике.
Галлуазит местами сравнительно чист, но часто находится в смеси со значительным количеством алунита. Иногда глина подобного типа содержит P2O5 (10% +), который концентрируется в минерале, в структурном отношении сходном с алунитом. Некоторые галлуазиты содержат аллофан.
Супергенные каолинитовые отложения. Залежи супергенного каолинита часто находятся в ассоциации с металлоносными сульфидными рудными телами. Такие глины образуются во время движения (вниз) кислых вод, образовавшихся при окислении сульфидов. Условия происхождения супергенного каолинита, по-видимому, совершенно сходны с указанными выше условиями происхождения галлуазита индианского типа. Почему в одном случае образуется галлуазит, а в другом каолинит — неизвестно.
Глинистые минералы изверженного происхождения. В литературе описаны месторождения глинистых минералов в изверженных породах; это заставляет предполагать, что некоторые глинистые минералы могут встречаться в виде первичных изверженных компонентов. Так, Розетта описал ассоциацию аноксита и кристобалита в сферолитах риолита из Сардинии, имеющую, по-видимому, изверженное происхождение. Прайдер и Коул описали некоторые глинистые минералы в лампроите из Западного Кимберлея, Австралия; по их мнению, эти минералы имеют позднее магматическое происхождение.
Очевидно, уверенно провести границу между глинистыми минералами гидротермального происхождения и глинистыми минералами, возможно, изверженного происхождения трудно. По-видимому, нет оснований считать, что глинистые минералы не могли образоваться непосредственно в некоторых изверженных породах.
Главная