4.3. Вивітрювання і утворення вторинних мінералів

4.3.1. Класифікація і поширення вторинних мінералів.

Вивітрювання - це не просто руйнування мінералів, а складний процес, при якому частина первинних мінералів повністю руйнується, частина - перетворюється у нові вторинні (гіпергенні) мінерали.

Загальними властивостями вторинних мінералів є їхня висока дисперсність, аморфна чи прихованокристалічна структура, значна частина їх знаходиться у колоїдиодисперсному стані. Багато вторинних мінералів, на відміну від первинних, володіють рухомою кристалічною решіткою, колоїдними властивостями, високою вбирною здатністю, можливістю сорбувати (поглинати) воду й набухати. Ці особливості передаються ґрунтам.

Серед вторинних мінералів розрізняють прості солі, гідроксиди й оксиди та глинисті мінерали.

Прості солі. До цієї групи мінералів відносяться галоїди {галіт, сильвін, карналіт), сульфати {гіпс, ангідрит, барит), карбонати {кальцит, доломіт, магнетит, сидерит), широко поширені серед осадових і дещо менше магматичних і метаморфічних порід. їх об'єднує слабка стійкість у воді, зумовлена перш за все особливостями будови і переважанням іонного типу зв'язків у решітці. Тому присутність простих солей у ґрунтах і породах сильно впливає на їхні механічні властивості (особливо при вилуговуванні солей), водопроникність, сольовий склад розчинів тощо, не говорячи вже розвиток карсту.

Найбільш просту будову серед мінералів цієї групи мають галіт NаСІ і сильвін КСІ. Структура галіту складається з атомів і СІ", які почергово розміщуються у вершинах кубів. Кожний атом натрію оточений шістьма атомами хлору і, навпаки, кожний атом хлору пов'язаний з шістьма атомами натрію. Зв'язки між і СІ" у його структурі мають типовий іонний характер.

Разом з галоїдами часто зустрічаються сульфатні мінерали, найбільш поширеними з яких є гіпс Са804-2Н20 і ангідрит СаSO4

У природі досить часто зустрічаються взаємні переходи гіпсу у ангідрит і назад. При нагріванні гіпсу до температури 100-200°С проходить дегідратація його і утворення ангідриту. Цей перехід супроводжується зменшенням об'єму гіпсу і утворенням у ньому пустот. Інколи ці пустоти заповнюються галітом з утворенням асоціацій галіт - ангідрит.

При зворотному процесі утворюється вторинний гіпс. Гідратація ангідриту і утворення вторинного гіпсу супроводжується різким збільшенням його об'єму, у результаті чого у породах створюються додаткові напруження, які досягають інколи значної величини.

Серед карбонатів найбільш поширеними мінералами є кальцит СаСОз і доломіт

Са,Mg(СОз)2. За своїм складом кальцит дуже схожий з галоїдами. Він має іонну структуру, утворену Са і радикалом СОз ".

Більшість галоїдів мають щільно упаковану решітку, об'єм пустот (шпар) у якій не перевищує 25 %. Тому щільність твердої фази (питома вага) їх визначається в основному хімічним складом та іонним радіусом елементів і змінюється в межах 1,60-2,17 г/см . Щільність твердої фази карбонатів і сульфатів залежить як від їхнього хімічного складу, так і від будови кристалічної решітки. Найбільше значення щільності твердої фази мають карбонати, у склад яких входять важкі атоми феруму (3,00-3,88 г/см ).

Одною із важливих інженерно-геологічних властивостей простих солей є їхня розчинність, зумовлена переважанням іонного типу зв'язку у решітці цих мінералів. Розчинність простих солей, як правило, знижується із зменшенням іонних радіусів і збільшенням валентності іонів у такому порядку: галіт —> ангідрит —> гіпс —» кальцит —» доломіт.

Мінерали гідроксидів і оксидів - це гідроксиди силіцію, феруму, алюмінію, марганцю, які перетворилися в аморфні форми при вивітрюванні первинних мінералів. У процесі дегідратації й кристалізації перетворюються у кристалічні оксиди та гідроксиди. Так, гідроксид силіцію у процесі старіння переходить у твердий гель-опал з вмістом води 2-3 %. Потім, втрачаючи воду, - у кристалічні форми халцедону і кварцу (вторинний кварц).

Глинисті мінерали є вторинними алюмосилікатами із загальною хімічною формулою m·SiO2·Al2O3·nH2O і характерним співвідношенням SiO2:Al2O3, що змінюється від 2 до 5. Глинисті мінерали утворюються в результаті синтезу з простих продуктів вивітрювання первинних мінералів, шляхом поступової їх зміни у процесі гіпергенезу. Найбільш поширеними у ґрунтах є мінерали групи каолініту, монтморилоніту, гідрослюд, змішаношаруватих мінералів.

Відомо велику кількість класифікацій глинистих мінералів. Більшість із них основані на кристалохімічному принципі систематизації глинистих мінералів, які відображають особливості їхньої кристалічної будови.

Класифікація глинистих мінералів для інженерно-геологічних цілей повинна враховувати як особливості кристалохімічної будови різних мінералів, так і їхні специфічні властивості, особливо ті, які проявляються при взаємодії цих мінералів із водою. Всі глинисті мінерали ділять на дві великі групи - аморфні та кристалічні, незважаючи на те, що аморфні глинисті мінерали зустрічаються рідше і вивчені значно менше, ніж кристалічні.

Далі, базуючись на різних зв'язках між структурними шарами вторинних мінералів, які виражаються у їх різній рухомості при взаємодії з водою, всі вторинні мінерали ділять на мінерали з міцною кристалічною решіткою, мінерали з розсувною (рухомою) кристалічно решіткою і мінерали з проміжним типом кристалічної решітки.

До мінералів першого типу віднесені всі глинисті мінерали, які не набухають при зволоженні і, відповідно, не змінюють параметрів своєї кристалічної решітки. Мінерали, які набухають при зволоженні із збільшенням відстані між шарами решітки, віднесені до другої групи (монтморилоніт, вермикуліт). До третього типу мінералів віднесені змішаношаруваті мінерали, які при взаємодії з водою можуть набухати, але меншою мірою, ніж чистий монтморилоніт. Поряд з тим є змішаношаруваті утворення типу гідрослюд - каолініт, у яких здатність набухати при зволоженні не виражена або проявляється дуже слабо.

Потім іде поділ мінералів за типом їхньої структури на шаруваті і шарувато- стрічкові. Залежно від будови структурного шару, тобто від співвідношення у шарі тетраедричних і октаедричних сіток, виділяють мінералогічні групи з вказуванням заряду шару (диоктаедричні, триоктаедричні, з стрічками із подвоєних ланцюгів і з стрічками із вбудованих ланцюгів).

Різні глинисті мінерали дуже нерівномірно поширені у природі. На основі аналізу великої кількості зразків глин (більше 2000) було встановлено, що всі глинисті відклади різного віку за вмістом переважаючих глинистих мінералів можна поділити на дві групи: додевонські, які характеризуються мономінеральним (гідрослюдистим) складом і післядевонські відклади, які мають полімінеральний склад глинистої фракції. Породи девонського віку займають проміжне положення серед цих двох груп, так як у них у глинистій фракції переважають переважно гідрослюди і каолініт.

Переважаючим мінералом у глинистих породах різного віку є гідрослюда: до 95 % у породах додевонського віку і 58 % серед порід мезозойського і кайнозойського віку. Причинами переважання гідрослюд є можливість утворення гідрослюд у морських і континентальний умовах, перетворення їх в інші глинисті мінерали у процесі метаморфізму, а також поступове перетворення первинних слюд у глинисту і навіть колоїдну фракцію у результаті механічного руйнування гірських порід.

На другому місці за поширенням знаходяться мінерали групи монтморилоніту. Особливо часто монтморилоніт зустрічається серед відкладів палеогену, юри, перму і карбону. У породах палеогенового і неогенового віку його вміст зменшується. Під впливом сучасного процесу гіпергенезу монтморилоніт у ряді кліматичних зон є нестійким і руйнується.

Каолініт є третім глинистим мінералом, який має широке поширення серед осадових відкладів. Його вміст відносно невеликий у відкладах мезо-кайнозойського віку, але різко зростає у відкладах карбону і девону.

Відповідно, при інженерно-геологічному вивченні глинистих мінералів порід і грунтів найбільшу увагу слід приділяти цим трьом групам мінералів. Однак це не означає, що у кожному конкретному випадку у глинистій породі не можуть переважати і визначати її властивості інші глинисті мінерали, такі як хлорит, вермикуліт, змішано-шаруваті та ін. Але окремі поодинокі випадки не порушують загальної закономірності у поширенні глинистих мінералів.