Другим примером реликтовой структуры являются бентониты и близкие к ним осадки, образующиеся in situ при преобразовании вулканического пепла. Нереликтовые структуры включают оолитовые и пизолитовые формы, возникающие в некоторых бокситовых и диаспоровых глинах. Известны также псевдоморфные замещения ракушечного материала монтмориллонитом и диагенетически перекристаллизованные структуры, подобные «метакристаллам» иллитовой слюды в тонкозернистой иллитовой основной массе. Большинство глинистых сланцев, однако, не проявляет ни одной из этих особенностей; они либо бесструктурны, либо слоисты/
Тонкослойные сланцы характеризуются ориентированными пластинчатыми слюдистыми компонентами, параллельными плоскости напластования, что хорошо видно под микроскопом. Хотя отдельные кристаллы располагаются не строго параллельно к плоскости напластования, шлифы, приготовленные перпендикулярно к этой плоскости, проявляют эффект одновременного погасания, как и в случае если бы шлиф был сделан из единого кристалла. В пластинчатых минералах световые колебания медленнее и параллельны спайности, поэтому проявляется параллельное погасание – эффект агрегатного погасания.
Однако в некоторых глинах и сланцах глинистые минералы проявляют беспорядочную ориентировку. Подобное явление может быть результатом аутигенной кристаллизации на месте. В других случаях подобное явление вызывается нарушением первичной структуры иллоядными донными организмами.
Свежеотложенные илы имеют чрезвычайно высокую водонасыщенность и очень большую пористость. Первоначальная пористость может составлять 70-80%. Поскольку в среднем в глинистых сланцах пористость составляет только 13%, то это означает, что первичные отложения были сильно уплотнены и обезвожены. Тот факт, уменьшение пористости происходит скорее за счет уплотнения, а не выполнения пор (как у песчаников), подтверждается постепенными изменениями структуры, которые направлены на то, чтобы ориентировать глинистые пластинки параллельно друг к другу и плоскости напластования.
Атомная структура, состав и группы глинистых минералов
Глинистые минералы представляют собой гидратированные алюмосиликаты, обычно с частичным замещением алюминия железом и магнием. Они тонкозернисты, обычно менее 5мкм, а в некоторых случаях их размер измеряется миллимикронами.
Атомная структура большинства глинистых минералов сложена двумя единицами. Одна структурная единица состоит из двух слоев плотноупакованных кислородов или гидроксилов, в которых атомы алюминия, железа, или магния расположены в октаэдрической координации таким образом, что каждый из них находится на равном расстоянии от шести кислородов или гидроокислов. Вторая структурная единица образована кремнекислородными тетраэдрами. В каждом тетраэдре атом кремния одинаково удален от четырех кислородов или гидроксилов, расположенных в форме тетраэдра с атомом кремния в центре, чтобы сбалансировать структуру. Кремнекислородные тетраэдры сгруппированы таким образом,что создают гексагональную сетку, которая бесконечно повторяется и образует лист состава Sі4O6(OH)4. Тетраэдры расположены так, что все их вершины обращены в одну сторону, а основания лежат в одной и той плоскости. Эту структуру можно рассматривать как структуру, состоящую из перфорированной плоскости кислородных атомов, расположенных в плоскости основания тетраэдрических групп; плоскости атомов кремния с атомами кремния, расположенными в полости в месте соединения трех атомов кислорода и, следовательно образующими гексагональную сетку; плоскости атомов гидроксила, в которой каждый гидроксил расположен непосредственно над кремнием на вершине тетраэдров.
Глинистые минералы относятся к двум группам. В каолинитовой группе минерал характеризуется двухэтажной (1:1 слой) решеткой, состоящей из одного октаэдрического или гиббситового слоя, связанного с одним кремнекислородным тетраэдрическим слоем. Эта решетка не расширяется в зависимости от изменяющегося содержания воды и замещения на железо или магний в гиббситовом слое неизвестны. Другая группа глинистых минералов характеризуется трехэтажной (2:1) решеткой. В этом типе решетки октаэдрический алюминиевый слой расположен между кремнекислородными тетраэдрическими слоями. Несколько важных глинистых минералов принадлежит к трехэтажной группе. В монтмориллоните эти трехэтажные ячейки свободно объединяются по оси c, а вода и катионы расположены между ними. Количество воды изменяется таким образом, что величина с варьируется от 9,6 до 21,40А. Минерал имеет разбухающую решетку. Трехслойные соединения могут также объединяться калием, который благодаря соответствующему ионному диаметру и координационным свойствам связывают структуру воедино столь плотно, что расширение невозможно. Глинистая слюда, образованная таким образом, представляет собой иллит. Хлоритовая группа также имеет трехэтажную структуру, характеризующуюся внедрением бруситового слоя Mg(OH)2 между трехэтажными элементами. В каждой структурной группе возможны многие варианты по составу. Хотя многим из них на основании состава даны специальные названия, можно считать, что каждая группа проявляет беспредельно широкий диапазон состава. Глинистые минералы классифицируются главным образом на основе их структуры.
Основные группы глинистых минералов: каолинита, монтмориллонита, иллита или мусковита и хлорита.
Группа каолинита. Главным членом группы каолинита является каолинит, имеет формулу (OH)8Al4Si4O10 или Al2O3 2SiO2 2H2O. Старинное название этого минерала перешло от китайцев. Кау-линг-«высокая гора»; так называлось месторождение каолина.
Химический состав. Al2O3 39.5%,SiO2 46,5%, H2O 14%. Уд. Вес 2,58-2,60.
Облик кристаллов. Более или менее хорошо образованные пластинчатые кристаллы исключительно редки и малы по размерам (до 1мм). Весьма вероятно, что они относились не к каолину, а к диккиту или накриту. Чаще наблюдаются обломки обломки изогнутых столбчатых кристаллических образований, в увеличенном виде напонающих дождевых червей. Агрегаты рыхлые, чешуйчатые или плотные тонкозернистые.
Цвет. Отдельные чешуйки и пластинки бесцветны. Сплошные массы- белого цвета, нередко с желтым, буроватым, красноватым, иногда зеленоватым или голубоватым оттенком. Блеск отдельных чешуек и пластинок перламутровый, а сплошных масс - матовый.
Твердость около 1. Отдельные чешуйки гибки, но не обладают упругостью. В сухом состоянии землистые массы кажутся тощими на ощупь.
Аноксит подобен каолиниту, за исключением молекулярного соотношения SiO2:Al2O3 приблизительно равного трем вместо двух, что менее обычно. Диккит и накрит, сходные с каолинитом по составу, но с небольшими отличиями по форме кристаллов, также являются членами данной группы.
Монтмориллонитовая группа, получившая название по главному минералу группы, монтмориллониту, который имеет состав: (OH)4AL4Si8O10 nH2O.
Монтмориллонит назван по месту нахождения в Монтмориллоне (Франция). Химический состав непостоянный, сильно зависит от варьирующего содержания воды. По анализам чистых разностей устанавливаются следующие колебания (%): Al2O3 11-22, Fe2O3 0-5и больше (ферримонтмориллонит), MgO 4-9, CaO 0, 8-3, 5 и выше в кальциомонтмориллоните,SiO2 48-56, H2O 12-24.
Цвет монтмориллонита белый с сероватым, иногда синеватым оттенком, розовый, розово-красный, иногда зеленый.
Блеск В сухом состоянии матовый.
Твердость отдельных чешуек неизвестна. Очень мягкий. Жирный.
Замечательной и чрезвычайно важной в практическом отношении особенностью минералов группы монтмориллонита является их свойство набухать в присутствии воды, а при нагревании постепенно отдавать адсорбированную воду.
К минералам группы монтмориллонита относятся существенно магнезиальные, существенно алюминиевые и промежуточные между ними виды.Магний обычно замещает часть ионов алюминия в решетке. В монтмориллонитовую группу входят бейделит, который имеет молекулярное отношение SiO2:Al2O3 равное трем, и нонтронит, в котором окисное железо замещает алюминий.
Иллитовая, или глинисто-слюдистая группа включает иллит, который имеет общую формулу
(OH)4 Ky(Al4 Fe4 Mg4 Mg6) (Si8-y Aly) O20,
Где « y » варьируется от 1 до 1,5. Иллит является разновидностью белых слюд, но отличается от них, вероятно, тем, что содержит меньше калия и больше воды, чем обычно свойственно слюдам. Кроме разновидностей иллита группа содержит глауконит.
Группа хлорита состоит из минералов богатых магнием, которые широко представлены в сланцах и в которых ионы двухвалентного железа занимают видное место.
Хлорит имеет химический состав 5(Mg,Fe)O Al2O3 3SiO2 4H2O. Твердость 2-2,5. Удельный вес 2,0-2,8. Блеск от стеклянного до перламутрового. Цвет зеленый. Форма кристаллов – таблички, чешуйки, срастающиеся друзами.
Известно также множество « смешаннослойных» глинистых минералов. Структура этой группы является результатом упорядоченного или неупорядоченного расположения основных глинистых минеральных пакетов друг относительно друга по оси с. В некоторых из них отмечается переслаивание двух- и трехэтажных слоев. Подобные типы смешаннослойного строения обычно называют каолинит-иллитовыми, хлорит-иллитовыми и так далее, вместо того чтобы изобретать новые наименования для каждой смеси.
Помимо основных групп, перечисленных выше, некоторые глинистые минералы реже встречаются и имеют несколько отличную кристаллическую структуру, например, галлуазит (OH)16Al4Si4O6, а также менее гидратированный метагаллуазит (OH)8Al4Si4O10 и аллофан, некристаллический взаимный раствор двуокиси кремния, окиси алюминия и воды в различных пропорциях. В некоторых случаях в глинах обнаруживают вермикулит и палыгорскит (сепиолит и аттапульгит).