2.3 Особливості будови та складу основних глинистих мінералів

За хімічним складом глинисті мінерали відносяться до водних алюмокальцієвих, алюмомагнієвих силікатів і просто силікатів. Глини утворюються внаслідок дії процесів розпаду та хімічної зміни порід (силікатів, карбонатних порід, продуктів вулканічного походження). Більшість глин сформувались внаслідок вивітрювання ортоклазів ( R₂Al₂Si₆O₁₆ ) чи альбітів (Na₂Al₂Si₆O₁₆).

K₂Al₂Si₆O₁₆ + H₂O + CO₂  K₂CO₃ + H₂Al₂Si₄O₁₂+ 2SiO₂

K₂Al₂Si₆O₁₆ + 2H₂O + CO₂  K₂CO₃ + H₄Al₂Si₂O₃ + 4SiO₂

де: H₂Al₂Si₄O₁₂ – монтморилоніт;

H₄Al₂Si₂O₃ – каолініт.

Утворені таким чином глинисті мінерали переносяться водою і відкладаються на дні водоймищ (рік, морів, озер), де підлягають дії різних хімічних речовин і тиску накопичених зверху осадів. Для більшості глинистих порід існування розпочинається із стану мулу, у якому понад 85% об’єму становлять пустоти заповнені водою. Процес формування глинистих порід полягає перш за все в ущільненні тих осадів під дією сили ваги вище розташованих порід, товщина і вага яких збільшуються в процесі накопичування. Одночасно із ущільненням відбувається процес зростання міцності, яка є наслідком як зближення між собою частинок, так і впливу кристалізації солей із розчинів, формування хімічних зв’язків. Ущільнення глинистих порід в значній мірі залежить від тектонічних процесів. Глинисті породи становлять значну частину розрізу свердловин, які буряться у багатьох нафтогазових районах. До числа глинистих порід відносять глини, глинисті сланці, суглинки, алевроліти, аргіліти тощо. Глинисті породи складаються із суміші великого числа різноманітних мінералів і домішок і відрізняються від інших гірських порід специфічними особливостями, із яких найважливішою є здатність диспергуватися у воді до колоїдних розчинів.

Основу будови глинистих мінералів становлять алюмокисневі і кремнійкисневі ланцюжки, які складаються із тетраедрів і октаедрів (рис. 2.1). Глини за своєю будовою є шароподібні або шароланцюжкові сполуки. Центри багатогранників, як в тетраедричних, так і в октаедричних шарах розташовуються гексагонально. З’єднуючись між собою в різних поєднаннях, шари утворюють кристалічні гратки глинистих мінералів. Тетраедри по вершинах О^2- всередині Si⁴⁺, який інколи заміщається на Al³⁺. Октаедри на вершинах OH ^– або О^2-всередині Al³⁺, який здатний заміщуватись на Fe³⁺ або Mg²⁺. Октаедричні елементи глинистих мінералів бувають двох типів: диоктаедричні або триоктаедричні.

Диоктаедричні – з’єднання октаедрів через два гідроксид іони, кожен із них з’єднаний із двома іонами алюмінію.

Триоктаедричні – у центрах октаедрів всі іони Al³⁺ заміщені на Mg²⁺ або Fe²⁺ завдяки меншому зарядові.

Таким чином, кристалічна гратка глинистих мінералів формується поєднанням кремнійкисневих та киснево-гідроксид-алюмінієвих прошарків. Кристалічна гратка має форму пластинок із товщинами або

мкм

а)
б)

а – тертаєдричний елемент; б – октаєдричний елемент

Рисунок 2.1 – Основні елементи кристалічної гратки глинистих мінералів

В глинистих мінералах співвідношення між тетраедричними і октаедричними прошарками, які утворюють пакети позначають цифрами 1:1; 2:1 і 2:2. При з’єднанні тетраедричного і октаедричного шарів іони кисню О^2- тетраедричного шару, які розташовані на вершинах тетраедрів, стають спільними для двох шарів, тобто служать містком між іонами Si⁴⁺ одного шару і ОН іонами Al³⁺ іншого шару Si⁴⁺ – O^{2 -} – Al³⁺. Така структура є найбільш стійкою, оскільки число позитивних зарядів Si⁴⁺ і Al³⁺ в цій структурі дорівнює числу від’ємних зарядів О^{2 –} і ОН ^-.

Узагальнююча хімічна формула глин є просте поєднання глинозему Al₂O₃, кремнезему SiO₂ і води Н₂О

x Al₂O₃ * y SiO₂ * z H₂O

Залежно від хімічного складу і будови глини поділяються на чотири основні мінералогічні групи. Належність до тієї чи іншої мінералогічної групи визначається за молекулярним співвідношенням:

SiO₂ : R₂O₃

де R₂O₃ – оксиди, які містять у сумі Al₂O₃ і Fe₂O₃ ,тобто, оксиди , у яких на один 3-х валентний іон металу приходиться півтора іона кисню. Встановлено, що для різних мінералогічних груп глинистих мінералів молекулярне співвідношення наступне:

4 – 7 – для глин групи монтморилоніту;

3 – 4 – для глин групи гідрослюд;

2 – 3 – для глин групи каолініту;

2,1 – 2,5 – для глин групи палигорскіту.