ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Минералогия глин из "Состав и свойства буровых агентов" Геологи считают, что максимальный размер глинистых частиц 2 мкм, поэтому практически все они по своим размерам относятся к коллоидам. В природе глины встречаются в виде неоднородной смеси мелкоизмельченных минералов, таких как кварц, полевой шпат, кальцит, пирит и т. д., но большую часть коллоидоактивных компонентов глин составляют один или несколько видов глинистых минералов. [c.133] В идентификации и классификации глин обычный химический анализ играет лишь вспомогательную роль. Глинистые минералы имеют кристаллическое строение атомная структура их кристаллов является самым важным фактором, определяющим их свойства. [c.133] Идентификацию и классификацию глин осуществляют главным образом путем анализа рентгенограмм и адсорбционных спектров, а также посредством дифференциального термического анализа. [c.133] Подслои связаны между собой общими атомами кислорода. Если тетраэдрических подслоя два, между ними располагается октаэдрический подслой (см. рис. 4.3). Тетраэдры обращены внутрь и имеют в вершине общий с октаэдрическим подслоем атом кислорода, который вытесняет два из трех первоначально присутствовавших гидрооксилов. Эта структура известна под названием структуры Гофмана, ее размеры показаны на рис. 4.4. [c.134] Следует обратить внимание на то, что кислородная решетка обнажена на обеих базальных поверхностях. Если имеется только один тетраэдрический подслой, он связан с октаэдрическим подслоем обычным образом, поэтому в этом случае кислородная решетка обнажена на одной базальной поверхности, а на другой обнажены гидроксилы (рис. 4.5). [c.134] Подслои в единичном слое объединены между собой ковалентными связями, благодаря чему единичный слой устойчив. В кристаллической решетке слои удерживаются вместе только силами Ван-дер-Ваальса и побочными связями между расположенными рядом атомами. Поэтому кристаллическая решетка легко расщепляется вдоль базальных поверхностей с образованием мельчайших чешуек, напоминающих слюду. [c.136] Химический состав диоктаэдрической структуры, показанной на рис. 4.4, соответствует минералу пирофиллиту. Триоктаэдри-ческий минерал напоминает тальк, но в нем вместо алюминия присутствует магний. Пирофиллит и тальк—это прототипы глинистых минералов группы смектитов, но истинно глинистыми минералами не являются. Они расщепляются (а не разрушаются) на очень тонкие пластинки, которые характерны и для глинистых минералов. Коренное различие этих двух типов минералов заключается в том, что структуры прототипов уравновешены и электростатически нейтральны, в то время как кристаллы глинистого минерала несут заряд, возникающий в результате изоморфных замещений одних атомов в их структуре другими иной валентности. [c.137] Например, если один атом А1 + замещается одним атомом Мд2+, возникает дефицит заряда. Это создает отрицательный потенциал на поверхности, кристалла, который компенсируется адсорбцией катиона. В присутствии воды адсорбированные катионы могут вступать в обменные реакции с катионами других видов, присутствующими в воде, поэтому их называют обменными катионами. Замещения могут происходить как в октаэдрическом, так и в тетраэдрическом подслое, причем в реакции обмена могут участвовать самые различные катионы, так что возникают бесчисленные виды группировок и перегруппировок глинистых минералов. [c.137] Степень замещения участвующих в обмене атомов и обменных катионов оказывает большое влияние на свойства буровых растворов в связи с изменением таких характеристик глин, как набухание и диспергируемость. От этого показателя зависят также реологические и фильтрационные свойства буровых растворов. Ниже рассматриваются различные типы глинистых минералов и их характеристики. [c.137] Минералы группы смектитов различают на основе минерала-прототипа по относительному числу замещений в октаэдрическом или тетраэдрическом подслое и по видам замещаемых атомов. Главные минералы этой группы перечислены в табл. 4.1. [c.138] Следует отметить, что формулы глинистых минералов условились записывать следующим образом. [c.138] В монтмориллоните преобладают замещения А1 + на и Ре + в октаэдрическом подслое, но А1 + может также замещаться 51 + в тетраэдрическом подслое. Если замещения в тетраэдрическом подслое преобладают над замещениями в октаэдрическом подслое, минерал называют бейделлитом. [c.139] Как и другие смектиты, монтмориллонит сильно набухает вследствие отмеченных особенностей ее кристаллической ре-и1етки. Увеличение с-расстояния зависит от обменных катионов. При наличии некоторых катионов (особенно натрия) давление набухания настолько велико, что глинистые сланцы разделяются на мелкие агрегаты и даже на отдельные единичные слои (рис. 4.7). Неоднократно предпринимались попытки определить размер частиц в натриевом монтмориллоните, но сделать это оказалось чрезвычайно трудно, поскольку пластинки плоские, тонкие и имеют неправильную форму, а диапазон размеров очень большой. В ходе исследований Кану удалось с помощью ультрацентрифуги разделить натриевый монтмориллонит на пять фракций (по размеру). Затем, используя комбинацию ме-тодов он определил максимальную ширину и толщину пластинок каждой фракции. Результаты его исследований, суммированные в табл. 4.2, свидетельствуют о том, что ширина и толщина пластинок уменьшаются с сокращением радиуса эквивалентных сфер. Если предположить, что с-расстояние в агрегатах равно 1,9 нм, то в частицах самой крупной фракции будет восемь слоев, а среднее число слоев в самых мелких фракциях, массовая доля которых в пробе достигает 57 %, немного больше одного. [c.140] Иллиты относятся к гидрослюдам, прототипами которых являются мусковит (диоктаэдрическая слюда) и биотит (триокта-эдрическая слюда). Они представляют собой трехслойные глины, по структуре напоминающие монтмориллонит, если не считать того, что в них преобладают замещения кремния алюминием в тетраэдрическом подслое. Во многих случаях таким образом может быть замещен один из четырех атомов кремния. Замещения алюминия обычно магнием и железом могут иметь место и в октаэдрическом подслое. Средний дефицит заряда выше, чем у монтмориллонита (0,69 по сравнению с 0,41), а уравновешивающим катионом всегда является калий. [c.141] Иллиты диспергируются в воде на частицы, имеющие РЭС около 0,15 мкм, ширину приблизительно 0,7 мкм и толщину примерно 72 нм. [c.142] Некоторые иллиты встречаются в природе в деградированном виде, являющемся следствием выщелачивания калия из пространства между слоями. Это видоизменение делает возможными некоторую межслойную гидратацию и разбухание решетки, но не в такой степени, как у монтмориллонита. [c.142] Каолинит представляет собой двухслойную глину, структура которой напоминает ту, которая показана на рис. 4.5. Один тетраэдрический подслой связан с октаэдрическим обычным способом, так что гидроксилы на поверхности октаэдрического подслоя располагаются против атомов кислорода на поверхности тетраэдрического подслоя следующего слоя. В результате между слоями существует сильная водородная связь, которая препятствует разбуханию решетки. Изоморфные замещения незначительны или вообще отсутствуют, а на основных поверхностях адсорбируется очень мало катионов либо такой адсорбции вообще не происходит. [c.142] Неудивительно поэтому, что большинство каолинитов встречается в виде крупных, хорошо упорядоченных кристаллов, которые нелегко диспергировать в воде в виде мелких частиц. Ширина этих кристаллов изменяется от 0,3 до 4 мкм, а толщина — от, 0,05 до 2 мкм. [c.142] Двумя другими представителями группы каолинита являются диккит и накрит. Они отличаются от каолинита последовательностью слоев в пакетах. [c.142] Вернуться к основной статье