Читая каменную летопись Земли... - Александр Конюхов

Пластичностью можно объяснить способность глины сохранять приданную ей форму. Кто из нас не лепил в детстве забавных зверушек из пластилина? А ведь в его основе лучшие сорта формовочных глин. Можно еще много рассказывать о специфических свойствах глин и слагающих их минералов, которые определяют широкий спектр применения этих образований в народном хозяйстве. Вначале, однако, полезно познакомиться с их внутренней структурой, определяющей отмеченные выше необыкновенные качества.

Глины и производные от них глинистые породы — аргиллиты, сланцы, филлиты — чрезвычайно широко распространены в осадочной оболочке Земли. Они составляют от 50 до 70 % ее объема. Это связано с высокой устойчивостью глинистых минералов в условиях земной поверхности и относительно глубоких ее недр (7-10 км). Подобная устойчивость обусловлена лабильностью кристаллической решетки слоистых силикатов, к которым принадлежит большинство глинистых минералов, ее способностью к трансформациям при изменении температур и давлений, других физико-химических параметров среды. Конечным продуктом на пути превращения глинистых минералов при погружении в недра являются слюды. Последние, отличаясь значительной устойчивостью к высоким температурам и давлениям, в поверхностных условиях, как правило, легко преобразуются обратно в глинистые минералы.

Кристаллическая решетка слоистых силикатов устроена наподобие слоеного торта: примерно одинаковые по толщине его листы наложены один на другой, а между ними помещается «начинка». В структуре глинистых минералов роль теста играют двух-, трехэтажные пакеты, построенные октаэдрами и тетраэдрами. И те и другие образуют самостоятельные слои, жестко сцепленные между собой. Наиболее широко распространены две комбинации таких слоев-сеток: сочетание тетраэдрического и октаэдрического слоев, формирующих двухслойный тип пакета, и сочетание двух тетраэдрических сеток с октаэдрической между ними, что позволяет говорить о трехслойной структуре единичного пакета.

Не разбирая подробно, как устроены тетраэдры и октаэдры, отмстим, что в вершинах тех и других находятся анионы, тогда как внутри каждой (или почти каждой) ячейки расположены катионы. Анионы — обычно жестко связанные друг с другом О—2 и ОН— — играют роль стенок в блочном доме. Некоторые даже являются общими для соседних «квартир». В качестве же «постояльцев» в этих «квартирах» выступают двухвалентные магний и железо, трехвалентные железо и алюминий, а также четырехвалентный кремний. Для первых трех из перечисленных катионов в качестве жилища годятся только октаэдры, для последнего, кремния, — только тетраэдры. Лишь алюминий может располагаться (в определенном количестве) и в тех и в других.

Интересно, что если «квартирки» в тетраэдрических этажах все до одной заняты «жильцами», то октаэдрический этаж может быть полностью заселен только двухвалентными катионами — Fe2+ и Mg2+. Трехвалентные алюминий и железо требуют для себя улучшенных условий и размещаются лишь в двух из каждых трех «комнат» октаэдрического этажа. Это обусловлено необходимостью соблюдения относительного баланса отрицательных и положительных зарядов в каждом домике-пакете. Если оно не будет соблюдено, домик рассыпется. Естественно, что при преобладании трехвалентных катионов в октаэдрах общий баланс зарядов поддерживается меньшим их количеством, чем в случае, если «квартирантами» в этом этаже будут двухвалентные железо и магний.

Минералы, в структуре которых находятся пакеты-домики повышенной комфортности (с заселенными на две трети комнатами в октаэдрическом этаже), получили название диоктаэдрических. Соответственно минералы с пакетами, заселенными «под завязку», называются триоктаэдрическими. Это важные понятия, так как и ди- и триоктаэдрические минералы образуются в строго определенных физико-химических условиях среды на поверхности Земли или в ее недрах.

В отличие от анионов, изъятие которых из структуры приводит к ее разрушению, катионы обладают большей свободой. Например, они могут в определенных условиях меняться «квартирами» или выезжать из них с последующим заселением новыми «жильцами». Эти изменения в составе катионов называются изоморфными замещениями. Так, Mg2+ может заместиться Fe2+ и, наоборот, Аl3+ нередко сменяется Fe3+. Речь в данном случае идет о более просторных, октаэдрических «квартирах». Что же касается тетраэдров, то тут обмен жилплощадью может происходить только между кремнием и алюминием. Последний отличается неприхотливым нравом и частично замещает кремний при постепенном погружении глинистых отложений в недра, где этому четырехвалентному катиону становится тесно в сузившейся каморке — тетраэдре, и он стремится покинуть ее.

Вот таковы основные правила общежития в домиках-пакетах, которыми составлены глинистые минералы. Если вернуться к сравнению структуры глин со слоеным тортом, то придется упомянуть и о «начинке», находящейся между отдельными пакетами. В этом отношении глинистые минералы выпечены по разным рецептам. В одних роль «крема» играет обособленный октаэдрический слой. Таковы минералы группы хлорита. В других — это слои из упорядоченных молекул воды с обменными катионами (смектиты), в третьих — катионы калия (иллиты или гидрослюды). Четвертая группа минералов — каолинит, диккит, галлуазит вообще лишены «крема». Это — «сухое печенье». Отдельные пакеты, а они, кстати, имеют необычное двухслойное строение (один тетраэдрический на один октаэдрический слой), сцеплены вместе ван-дер-ваальсовыми силами чисто электрической природы (рис. 1). Впрочем, во многих каолинитах отмечается присутствие небольшого количества сорбированной воды и обменных катионов.

Межпакетное, или, как чаще его называют, межслоевое, пространство играет в глинистых минералах огромную роль. В сущности, его содержимое во многом определяет различия между отдельными их группами и видами.

Свойства и содержимое межслоевого пространства зависят от общего электрического заряда соседних двух- или трехэтажных пакетов («домиков с жильцами»). Так как в структуре слоистых силикатов преобладают анионы, несущие электрический заряд, а катионы в глубине тетраэдров и октаэдров лишь компенсируют его (в глинистых минералах далеко не полностью), то и суммарный заряд единичного пакета является отрицательным. Для того чтобы структура минерала была полностью уравновешенной, необходима полная компенсация общего заряда. Эту функцию в глинах выполняют межслоевые катионы. Они располагаются в углублениях тетраэдрической сетки, внешняя поверхность которой сложена основаниями тетраэдров. Вершины же их обращены в сторону октаэдров и частично являются общими для них.

Большинство межслоевых катионов играют роль «молнии» или своего рода «липучек». Некоторые из них, например Са2+ или Mg2+, стягивают соседние пакеты совсем нежестко. Другие связывают пакеты более крепко (Na+). Все эти катионы относятся к обменным. С помощью нехитрой химической обработки их можно вывести наружу, заменив другими, скажем Li+, Н+, NH4+. Благодаря небольшому отрицательному заряду, рассеянному по поверхности трехэтажных пакетов и в основном компенсированному обменными катионами, в межслоевом пространстве может помещаться вода, образующая слои или сетки. Последние составлены ориентированными молекулами воды, находящимися в состоянии жидкого кристалла. Возникает структура более плотная по сравнению со структурой льда. Такая вода называется переуплотненной. Полагают, что она является химически чистой, т. е. не содержит примесей, а потому агрессивна в химическом отношении.

В зависимости от типа обменного катиона, находящегося в межслоевом пространстве, там может образоваться один, два или более слоя структурированной воды: при преобладании натрия — один слой, при наличии кальция или магния — два слоя. Присутствие воды значительно растягивает межслоевое пространство. Высота двухслойного пакета (по оси с) равна 7,14 Ао, трехслойного — около 10 Ао. Но так как единичные пакеты разделены довольно широким межслоевым промежутком, в котором находятся вода и обменные катионы, то реальное расстояние между нижними поверхностями двух соседних трехэтажных пакетов возрастает до 12,4 или даже до 15,4 Ао. Это расстояние называется межплоскостным и широко используется для идентификации (диагностики) глинистых минералов.

Более того, в широкие межслоевые промежутки легко проникают тяжелые неполярные органические молекулы, например этиленгликоля или глицерина. И тогда межплоскостное расстояние увеличивается до 16,5 Ао в первом случае и до 17,8 Ао во втором. Минералы с подобной кристаллической решеткой называются разбухающими. В большинстве своем они относятся к группе смектита (рис. 2). Их несколько: смектит, бейделлит, сапонит, железистый смектит и некоторые редко встречающиеся минералы.