Читая каменную летопись Земли...

Конюхов Александр Иванович

Рис. 1. Структура двухэтажного пакета каолинита (Грим, 1956 г.) 1 — атомы кислорода; 2 — гидроксильные группы; 3 — атомы алюминия. 4 — атомы кремния

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 А^о, трехслойного — около 10 А^о. 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 А^о. 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 А^о в первом случае и до 17,8 А^о 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.

Рис. 2. Структура трехэтажного пакета смектита (Грим, 1956 г.) 1 — атомы кислорода; 2 — гидроксильные группы; 3 — агомы алюминии, железа, магния; 4 — атомы кремния, иногда алюминия

Минералы группы хлорита характеризуются межплоскостным расстоянием, близким к таковому смектитов. В межслоевом промежутке (d_хлорит = 14,3 А^о), как уже упоминалось выше, место структурированной воды и обменных катионов занимает отдельно лежащий октаэдрический слой. В отличие от смектитов минералы этой группы не разбухают в присутствии глицерина или этиленгликоля. Эффект разбухания наблюдается лишь в том случае, если октаэдрический слой разорван на отдельные блоки, между которыми, частично раздвинув межпакетное пространство, могут внедриться неполярные органические молекулы.

Наконец, самым крепким видом соединения трехэтажных пакетов в том слоеном пироге, которым является чешуйка глинистого минерала, является сочленение через катионы К⁺, находящиеся в межслоевом промежутке. Крупные катионы этого элемента лежат как бы полуутопленными в пустотах, окруженных шестью соседними тетраэдрами. Если верхняя половина катиона оказывается в точно такой же ячейке тетраэдрического слоя соседнего пакета, межпакетное пространство запирается словно на кнопки. Чтобы «расстегнуть» их, необходимо удалить К⁺. Подобное строение характерно для минералов группы слюд (мусковита, биотита, флогопита) и сохраняется в производных от них образованиях — иллитах (гидрослюдах). Жесткость сцепления обеспечивается сильным отрицательным зарядом трехэтажных пакетов у всех этих минералов, который как раз и нейтрализуется калием. В отличие от слюд у иллитов кнопки расставлены далеко не равномерно, т. е. часть пакетов не пристегнуты «намертво». Там, где отсутствует К ⁺, могут находиться молекулы воды. Именно поэтому эти минералы нередко именуют гидрослюдами. Они практически не разбухают и имеют межплоскостное расстояние около 10 А^о.

Таким образом, мы познакомились со структурой основных глинистых минералов — смектитов, каолинита, иллита и хлорита. Существует масса разновидностей этих образований, а также переходных между ними форм. Родственными являются также структуры, относимые к псевдослоистым силикатам, — палыгорскит и сепиолит. Они возникают в условиях дефицита основных строительных кирпичиков — кремния и алюминия, а поэтому отличаются игольчатой или волокнистой формой кристаллов, прекрасно идентифицируемых на электронных микрофотографиях.

Диагностируются глинистые минералы преимущественно с помощью дифрактометрии, которая является одним из методов рентгенографического анализа. Фиксируя на дифрактограммах рефлексы отражений разного порядка от внутренних поверхностей минеральных структур, ориентированных на стеклянной пластинке, легко рассчитать межплоскостные расстояния тех глинистых минералов, которые находятся в составе препарата. При этом используют целый ряд дополнительных обработок — насыщение глицерином или этиленгликолем, прокаливание до 500 °C и др., что дает возможность распознавать минералы сходного строения и состава, имеющие близкие межплоскостные расстояния, например иллит, смектит и хлорит.

В воде глины распадаются на мелкие чешуйки и микроагрегаты. Их исследуют в поле электронного микроскопа либо методом просвечивания, либо путем сканирования напыленной золотом поверхности. Многие минералы узнаются по характерным очертаниям: палыгорскит и сепиолит присутствуют в виде иголочек или волокон, галлуазит — в виде обломанных или полураскрытых трубочек, хорошо окристаллизованный каолинит — в форме шестигранных пластинок. Менее надежно диагностируются другие глинистые минералы. На электронных микрофотографиях смектит обычно представлен мелкими облаковидными агрегатами с нечетко выраженными краями. Для иллитов характерны крупные плотные агрегаты неправильной формы с четкими очертаниями.

Таковы некоторые «интимные» подробности строения минералов, входящих в состав грязи, которую мы досадливо смываем в распутицу с наших ботинок.

Известняк — кладбище древних обитателей морей и озер

Если поместить в поле оптического микроскопа шлиф, приготовленный из обломка известняка, то в поляризованном свете перед глазами исследователя предстанет скопление обломков и зерен причудливых очертаний, мерцающих бело-розовыми тонами интерференционной окраски. Впрочем, встречаются и другие разности, сложенные мелкозернистой массой зерен, ромбоэдрами кальцита или овальными в плане ооидами, погруженными в тонкозернистый матрикс, в составе которого трудно различить индивидуальные частицы.