Минеральный состав и свойства глинистых пород

Использование традиционных геологических методов изучения горных пород, таких, как оптическая микроскопия, определение характерных констант минералов, составляющих породу (цвет, наличие спайности, твёрдость), и ряд других, для изучения глин, к сожалению, не дают хороших результатов. Если посмотреть на свежий излом глинистой породы через оптический микроскоп, то можно увидеть лишь сплошную бугристую поверхность, в которой различаются только отдельные относительно «крупные» структурные элементы, такие, как песчаные и пылеватые зерна, поры, трещинки с размерами более чем 0,005 мм. Все дело в том, что глинистые породы сложены частицами глинистых минералов, имеющих очень маленький размер, не превышающий 0,1 — 1,0 мкм (1 мкм = 0,001 мм). Столь мелкие частицы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Это связано с тем, что длина волны пучка света, используемого в таком микроскопе в качестве исследовательского зонда, обычно составляет 0,8 мкм, что соизмеримо, а иногда даже больше, чем размер исследуемой глинистой частицы. Поэтому довольно «длинные» световые волны могут и не заметить столь маленький объект.

Частицы глинистых минералов увидели лишь после создания просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Принцип работы ПЭМ аналогичен просвечивающему оптическому микроскопу, когда пучок электронов проходит через тонкие минеральные частицы. При этом электроны сильно рассеиваются и поглощаются веществом частиц, вследствие чего на экране конечного изображения, располагающемся под образцом, можно наблюдать теневое изображение микрообъекта.

Метод просвечивающей электронной микроскопии позволяет определять по форме глинистых частиц одну из главных характеристик глинистых пород — их минеральный состав и дает представление о размере частиц. Анализируя степень сохранности и правильность форм микрокристалликов глинистых частиц, исследователь может сделать вывод о генезисе (происхождении) глинистых пород и происходящих в них процессах. Таким образом, с помощью ПЭМ в начале 50-х годов ученые — кристаллографы и минералоги — смогли увидеть тончайшие частицы глинистых минералов. Глинистые минералы относятся к слоистым и слоисто-ленточным силикатам алюминия, железа и магния. В природных условиях они встречаются в виде чрезвычайно маленьких микрокристаллов с размером от сотых долей до нескольких микрометров. Основным диагностическим признаком этих минералов-невидимок является их специфическая анизометричная форма. В ПЭМ можно увидеть изометричноили удлиненнопластинчатые частички гидрослюды, шестигранные пластинки каолинита, расплывчатые облакообразные микроагрегаты частиц монтмориллонита, частицы-трубочки галлуазита и частицы-иголочки палыгорскита.

Так, гидрослюда, каолинит и галлуазит являются прекрасным сырьем для изготовления высококлассной керамики. Их также используют как минеральные наполнители при изготовлении бумаги, резиновых и парфюмерных изделий. Каолинит — ценнейшее сырье при производстве фарфора. Монтмориллонит обладает прекрасными адсорбционными свойствами и широко применяется для очистки нефтепродуктов, вина, сукна и шерсти. Во многих странах монтмориллонит использовали как отличное моющее средство и как высокоэффективное лекарство при отравлениях, так как он быстро очищает организм от токсичных веществ. В настоящее время монтмориллонитовые глины часто используют как природные минеральные барьеры против распространения техногенных загрязнений и в качестве среды для захоронения радиоактивных отходов. Палыгорскит служит для приготовления устойчивых буровых растворов, применяемых при бурении глубоких скважин.

Замечательные свойства глинистых пород во многом определяются кристаллохимическими особенностями глинистых минералов и их высокой дисперсностью (то есть чрезвычайно малым размером частиц). Наиболее типичным примером особого кристаллохимического строения могут служить монтмориллонит и смешанослойные глинистые минералы, которые имеют раздвижную кристаллическую решетку. При гидратации этих минералов (при взаимодействии с водой) молекулы воды могут входить в промежутки между элементарными слоями кристаллической решетки и существенно раздвигать их. Глинистые минералы обладают высокой способностью к ионному обмену, то есть замене некоторых ионов на поверхности и в кристаллической решетке частиц на ионы, поступающие из раствора. Отмеченные особенности глинистых минералов, совместно с их высокой дисперсностью, а потому и чрезвычайно развитой поверхностью, обусловливают очень большую адсорбционную способность — способность активно поглощать из растворов различные вещества и химические элементы.

Важным также является то, что частицы глинистых минералов, находясь в воде, гидратируются (взаимодействуют с молекулами воды). При этом поверхность частиц обычно заряжается отрицательно и вокруг них притягиваются гидратированные противоионы. В результате этого процесса формируются так называемые двойные электрические слои (ДЭС). Иными словами, при взаимодействии с водой вокруг глинистых частиц образуются тонкие пленки воды, оказывающие колоссальное влияние на свойства глинистых пород.

Особое кристаллохимическое строение частиц глинистых минералов и их специфическое поведение при взаимодействии с водой в основном и определяют такие свойства глин, как пластичность, набухание при обводнении и усадка при высушивании, подвижность глинистых частиц в поле электрического тока (явление электрофореза) и возможность удаления порового раствора (осушение глины) при приложении постоянного электрического поля (явление электроосмоса). Оно объясняет многие катастрофические явления, такие, как оползни, сели, просадки и другие, связанные с аномальным прочностным и деформационным поведением глинистых пород (разжижение при динамических воздействиях, резкое падение прочности при увлажнении, выпирание глинистой породы под фундаментом при неравномерной нагрузке и др.).