Высвобожденный глинозем при достаточно интенсивном выщелачивании, обеспечивающем удаление кремнезема, может кристаллизоваться в гиббсит. Однако чаще всего в присутствии постоянных водоносных горизонтов происходит накопление кремнезема и возникают алюмосиликатные глинистые минералы. Поэтому обычно алюминий и кремний накапливаются совместно, и лишь иногда происходит их разделение. Как правило, оба элемента рекомбинируются немедленно после высвобождения из силикатов. Если же они разделяются, то малоподвижный глинозем концентрируется на месте в профиле выветривания и формируются бокситовые горизонты.
Кремний и другие катионы в новообразованиях. Возрастание степени несовершенства кристаллической структуры новообразований обусловлено влиянием посторонних катионов. Степень совершенства структуры уменьшается от макро- до микрокристаллического кварца, халцедона, опала со структурой кристобалита – тридимита, наконец, еще менее упорядоченного опала. Неупорядоченность возрастает под влиянием катионов кальция, который хотя не участвует в формировании кристаллической решетки силикатов гидросферы, но определяет возникновение неупорядоченности. Присутствие в растворе заметного количества катионов способствует возникновению кристаллических структур силикатов. В частности, при достаточном содержании Al, Fe, Mg формируются слоистые гидроокислы этих катионов, на которых фиксируется кремнезем и образуются глинистые минералы.
В этом процессе важнейшую роль играет глинозем. В ненасыщенных растворах он комбинируется с кремнеземом в каолинит. В растворах с высоким содержанием различных катионов он ассоциирует с кремнеземом в тетраэдрическом слое и частично занимает октаэдрические позиции. Чем выше содержание глинозема в растворах, тем богаче глиноземом новообразования глинистых минералов.
Структура силикатов определяется характером сочетания кремнекислородных тетраэдров. Алюминий замещается кремнием, другие катионы располагаются в пустотах структуры. Такое представление обусловлено тем, что периодичность решетки минералов в значительной степени определяется характером сочетания кремнекислородных тетраэдров. Однако в последнее время накапливается все больше фактов, свидетельствующих о важной роли катионов при росте кристаллов. Разнообразие структур и возникновение некоторых необычных их типов во многом зависит от размеров катионов
Действительно, в присутствии кремнезема именно катионы влияют на характер кристаллической структуры. Как образно отметил Гольдштауб, «катионы заключены среди кремнекислородных тетраэдров, как рыба, пойманная в сеть», причем сеть приспосабливается к размерам и расположению в ней рыбы.
При снижении влияния катионов на формирующуюся силикатную кристаллическую структуру, возникает трехмерная структура кварца. По мере роста нарушающих структуру катионов вместо трехмерной структуры формируются «чередующиеся слои» кристобалита или тридимита. Эти слои состоят из колец кристобалита, но в вертикальном направлении периодичность отсутствует. Можно говорить о начале формирования двухмерных структур. Организуясь подобным образом, они дают начало глинистым минералам. Можно считать, что если в поверхностных условиях при формировании структуры определяющую роль играют K, Mg, Al то неизбежно образуются двухмерные структуры. На глубине K, Mg, Ca, Al могут входить в трехмерные структуры полевых шпатов.
Неупорядоченность, упорядоченность, размер частиц. Возрастание неупорядоченности структуры сопровождается в новообразованиях кремнезема уменьшением размера кристаллов, и в конечном итоге возникают опалы, стоящие на границе кристаллического состояния вещества. Иначе говоря, по мере того как в кристаллическую структуру кремнезема входят катионы, размер кристаллов уменьшается.
При образовании глинистых минералов формируются упорядоченные структуры. Однако степень совершенства структуры тесно связана с количеством изотипных и гомотипных замещений. В глинистых минералах возможность изоморфных замещений очень велика, что препятствует формирование совершенных кристаллических структур с большим размером кристаллов глинистых минералов. На стадии эпигенеза и метаморфизма под влиянием температуры и давления идет перестройка структур слоистых силикатов, чуждые ионы удаляются или перегруппируются, размер кристаллов возрастает. Важной особенностью геохимии поверхностных процессов являются малые размеры образующихся кристаллов, отражающие неупорядоченность их кристаллических структур. Всякое выщелачивание катионов из решетки силикатов обусловливает ухудшение степени совершенства их структуры и диспергацию минералов. Это один из главнейших механизмов выветривания. И напротив, любые примеси в растущем кристалле препятствуют возникновению совершенной структуры и обуславливают «криптокристаллическое» состояние минерала. При освобождении от примесей структура упорядочивается и размеры кристаллов возрастают.
Синтез
Все глинистые минералы, за исключением аттапульгит-сепиолита и, возможно, галлуазита, были сынтезированы из смесей окислов при низких температурах и давлениях. Температурны синтеза были порядка первых сотен градусов Цельсия, а давления-порядка 100 атм или ниже. Эта работа в об щем показала, что в системах глинозем-кремнезем без щелочей и щелочных земель с отношениями кремнезема к глинозему, лежащими в пределах составов глинистих минералов, образуется каолинит. При добавке к таким системам калия образуется иллит, при добавке небольших количеств магния-монтмориллонит, а при болем високих концентрациях магния-хлорит. В присутствии натрия возникают цеолиты. Кальций, по-видимому, слабо влияет на направление синтеза, хотя, возможно, он благоприятствует развитию структуры монтмориллонитового типа.
Энен и Робише показали, что глинистые минералы могут бать синтезированы при обычных температурах и давлении, если окислы смешивать вместе очень медленно и при большом разбавлении.
Гидротермальное образование
Уже давно было установлено, что аргиллизация, вызванная гидротермальным воздействием, часто наблюдается в виде ореолов вокруг рудных месторождений. Глинистые продукты изменения также ассоциируют с горячими источниками и гейзерами. Масштабы ореолов изменения могут варьировать от нескольких до 100 футов и более. В таких ореолах измененных пород встречены все глинистые минералы, за исключением аттапульгит -сепиолита. Часто устанавливается зональное расположение глинистых минералов вокруг источника изменения, причем слюда и каолинит располагаются ближе к этому источнику, а хлорит и монтмориллонит - дальше.
Явления каолинизации происходят в условиях низкотемпературных гидротермальных процессов при воздействии очевидно кислых вод, содержащих в основном CO2, на алюмосиликаты и силикаты алюминия, не содержащие щелочей. Этот процесс, по существу, приводит к образованию псевдоморфоз каолинита по тем или иным минералам с сохранением их внешних форм или очертаний. Таковы, например, псевдоморфозы каолинита по полевым шпатам, мусковиту, топазу, лейциту и др. Более богатый кремнеземом аноксит образуется в виде псевдоморфоз по биотиту, пироксенам, роговым обманкам и др.
Выветривание и почвы
Глинистые минералы образовались в результате почвообразующих процессов, или эти процессы оказали существенное влияние на изменение характера глинистых минералов. Характер глинистых минералов, встречающихся в данной почве, зависит от природы материнского материала, а также от климата, топографии, растительности и времени, в течение которого продолжалось воздействие этих факторов. Характер исходного материала имеет относительно большое значение на ранних стадиях выветривания, чем там, где выветривание продолжалось в течение долгого периода времени.
Там, где климат и топография таковы, что преобладающим движением воды является просачивание вниз через зону изменения, происходит выщелачивание щелочей и щелочных земель, присутствовавших в исходном материале.
В условиях ранних стадий выщелачивания продуктом выветривания являются несколько деградированные иллиты и хлориты и набухающие глинистые минералы, а позднее развиваются каолинит и конечные окислы и гидроокислы по мере того, как выщелачивание становится более полным.
В засушливых районах, где вода не просачивается вниз, выщелачивания не происходит; щелочи и щелочные земли остаются близ поверхности, и развиваются почвы черноземного типа, содержащие иллитовые, хлоритовые и монтмориллонитовые глинистые минералы. В чрезвычайно засушливых условиях пустынь, где концентрация магния особенно высока, отмечается образование аттапульгита; считают, что этот минерал образуется именно в таких условиях.
В результате процессов выветривания, особенно там, где происходят значительные вертикальные движения влаги, образуются последовательные горизонты в пределах зоны изменения. Эти горизонты часто имеют резкие границы с соседними горизонтами. Такие горизонты различаются степенью разложения коренного материала, составом и относительным развитием вторичных минералов, различным размером частиц, содержанием органического материала, а также содержанием щелочей и щелочных земель.
Глинистые образования вулканического происхождения (бентониты)
Излившиеся вулканические породы зачастую содержат значительное количество стекла, в большей степени, чем кристаллические силикаты, подверженного гидротермальным изменениям, в результате чего возникают залежи глинистых пород.