Глинистые минералы представляют собой водные слоистые силикаты алюминия (например , каолин , Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 ), иногда с переменным количеством железа , магния , щелочных металлов , щелочноземельных металлов и других катионов , обнаруживаемых на некоторых планетарных поверхностях или вблизи них .
Глинистые минералы образуются в присутствии воды [1] и играют важную роль в жизни, и их используют многие теории абиогенеза . Они являются важными компонентами почв и с древних времен были полезны человеку в сельском хозяйстве и производстве .
Глина — очень мелкозернистый геологический материал, который при намокании приобретает пластичность , но при высыхании или обжиге становится твердым, хрупким и непластичным . [2] [3] [4] Это очень распространенный материал, [5] и самая старая известная керамика . Первобытные люди открыли полезные свойства глины и использовали ее для изготовления гончарных изделий . [6] Химический состав глины, в том числе ее способность удерживать питательные катионы, такие как калий и аммоний , важен для плодородия почвы. [7]
Поскольку отдельные частицы глины имеют размер менее 4 микрометров (0,00016 дюйма), их нельзя охарактеризовать обычными оптическими или физическими методами. Кристаллографическая структура глинистых минералов стала лучше понятна в 1930-х годах благодаря достижениям в методе рентгеновской дифракции (XRD), необходимом для расшифровки их кристаллической решетки. [8] Было обнаружено, что частицы глины представляют собой преимущественно листовые силикатные (филлосиликатные) минералы, которые теперь сгруппированы как глинистые минералы. В основе их структуры лежат плоские шестиугольные пластинки, аналогичные таковым у минералов группы слюды . [9] В этот период также возникла стандартизация терминологии, [8] при этом особое внимание уделялось похожим словам, которые приводили к путанице, таким как лист и плоскость. [8]
Поскольку глинистые минералы обычно (но не обязательно) ультрамелкозернистые, для их идентификации и изучения необходимы специальные аналитические методы. Помимо рентгеновской кристаллографии, к ним относятся методы электронной дифракции , [10] различные спектроскопические методы, такие как мессбауэровская спектроскопия , [11] инфракрасная спектроскопия , [10] рамановская спектроскопия , [12] и SEM - EDS [13] или автоматизированная минералогия . [10] процессы. Эти методы могут быть дополнены микроскопией в поляризованном свете — традиционным методом, устанавливающим фундаментальные явления или петрологические взаимосвязи. [14]
Глинистые минералы являются обычными продуктами выветривания (включая выветривание полевого шпата ) и продуктами низкотемпературных гидротермальных изменений . Глинистые минералы очень распространены в почвах, в мелкозернистых осадочных породах, таких как сланцы , аргиллиты и алевролиты , а также в мелкозернистых метаморфических сланцах и филлитах . [9]
Учитывая потребность в воде, глинистые минералы относительно редки в Солнечной системе , хотя они широко распространены на Земле, где вода взаимодействовала с другими минералами и органическими веществами . Глинистые минералы были обнаружены в нескольких местах на Марсе , [15] включая Эхус Касму , Долину Маурта , четырехугольник Мемнонии и четырехугольник Элизиума . Спектрография подтвердила их присутствие на небесных телах, включая карликовую планету Церера , [16] , астероид 101955 Бенну , [17] и комету Темпель 1 , [18], а также спутник Юпитера Европу . [19]
Как и все слоистые силикаты, глинистые минералы характеризуются двумерными листами тетраэдров SiO 4 с общими углами или октаэдров AlO 4 . Листовые единицы имеют химический состав (Al, Si) 3 O 4 . Каждый кремниевый тетраэдр разделяет три своих вершинных иона кислорода с другими тетраэдрами, образуя шестиугольный массив в двух измерениях. Четвертый ион кислорода не является общим с другим тетраэдром, и все тетраэдры «направлены» в одном направлении; т.е. все неподеленные ионы кислорода находятся на одной стороне листа. Эти неподеленные ионы кислорода называются апикальными ионами кислорода. [20]
В глинах тетраэдрические листы всегда связаны с октаэдрическими листами, образованными из небольших катионов, таких как алюминий или магний, и координированными шестью атомами кислорода. Неразделенная вершина тетраэдрического листа также образует часть одной стороны октаэдрического листа, но дополнительный атом кислорода расположен над разрывом в тетраэдрическом листе в центре шести тетраэдров. Этот атом кислорода связан с атомом водорода, образуя группу ОН в структуре глины. Глины можно разделить на категории в зависимости от способа упаковки в слои тетраэдрических и октаэдрических листов . Если в каждом слое имеется только одна тетраэдрическая и одна октаэдрическая группа, глина называется глиной 1:1. Альтернативный вариант, известный как глина 2:1, состоит из двух тетраэдрических листов, причем неподеленные вершины каждого листа направлены друг к другу и образуют каждую сторону октаэдрического листа. [20]
Соединение между тетраэдрическими и октаэдрическими листами требует, чтобы тетраэдрический лист стал гофрированным или скрученным, вызывая дитригональное искажение шестиугольного массива, а октаэдрический лист сплющивался. Это сводит к минимуму общие искажения валентности связей кристаллита. [20]
В зависимости от состава тетраэдрических и октаэдрических листов слой будет не иметь заряда или иметь суммарный отрицательный заряд. Если слои заряжены, этот заряд уравновешивается межслоевыми катионами, такими как Na + или K + , или одиноким октаэдрическим слоем. Промежуточный слой также может содержать воду. Кристаллическая структура формируется из стопки слоев, расположенных между собой прослойками. [20]
Глинистые минералы можно классифицировать как 1:1 или 2:1. Глина 1:1 будет состоять из одного тетраэдрического листа и одного октаэдрического листа, примерами могут быть каолинит и серпентинит . Глина 2:1 состоит из октаэдрического листа, зажатого между двумя тетраэдрическими листами, примерами являются тальк , вермикулит и монтмориллонит . Слои в глинах 1:1 не заряжены и связаны водородными связями между слоями, но слои 2:1 имеют суммарный отрицательный заряд и могут быть связаны вместе отдельными катионами (например, калием в иллите или натрием или кальцием в смектитах). или положительно заряженными октаэдрическими листами (как в хлоритах ). [9]
Глинистые минералы включают следующие группы:
Для большинства вышеперечисленных групп существуют варианты смешанных слоев глины. [9] Порядок описывается как случайный или регулярный порядок и дополнительно описывается термином reichweite, что в переводе с немецкого означает дальность или охват. В литературных статьях, например, будет упоминаться упорядоченный иллит-смектит R1. Этот тип будет упорядочен по схеме иллит-смектит-иллит-смектит (ISIS). R0, с другой стороны, описывает случайное упорядочение, также встречаются другие расширенные типы упорядочения (R3 и т. д.). Глинистые минералы смешанного слоя, являющиеся совершенными типами R1, часто получают собственные названия. Упорядоченный хлорит-смектит R1 известен как корренсит, R1 иллит-смектит — ректорит. [25]
Рентгеновский RF(001) представляет собой расстояние между слоями в нанометрах, определенное методом рентгеновской кристаллографии. Гликоль (мг/г) — это адсорбционная способность гликоля, который занимает межслоевые участки, когда глина подвергается воздействию паров этиленгликоля при температуре 60 °C (140 °F) в течение восьми часов. ЕКО – катионообменная емкость глины. K 2 O (%) – процентное содержание оксида калия в глине. ДТА описывает кривую дифференциального термического анализа глины.
Глинистая гипотеза происхождения жизни была предложена Грэмом Кернсом-Смитом в 1985 году . решение. Показано, что глинистый минерал монтмориллонит катализирует полимеризацию РНК в водном растворе из нуклеотидных мономеров [29] и образование мембран из липидов. [30] В 1998 году Хайман Хартман предположил, что «первыми организмами были самовоспроизводящиеся богатые железом глины, которые связывали углекислый газ в щавелевую кислоту и другие дикарбоновые кислоты . Эта система репликации глин и их метаболического фенотипа затем развилась в область, богатую сульфидами . горячий источник приобрел способность фиксировать азот . Наконец, фосфат был включен в развивающуюся систему, которая позволила синтезировать нуклеотиды и фосфолипиды». [31]
Разнообразие структуры и состава глинистых минералов придает им интересные биологические свойства. Благодаря дискообразной и заряженной поверхности глина взаимодействует с рядом лекарств, белками, полимерами, ДНК или другими макромолекулами. Некоторые из применений глины включают доставку лекарств, тканевую инженерию и биопечать. [32]
Глинистые минералы можно включать в известково-метакаолиновые растворы для улучшения механических свойств. [33] Электрохимическое разделение позволяет получать модифицированные сапонитсодержащие продукты с высокой концентрацией минералов смектитовой группы, меньшим размером минеральных частиц, более компактной структурой и большей площадью поверхности. Эти характеристики открывают возможности для производства высококачественной керамики и сорбентов тяжелых металлов из сапонитсодержащих продуктов. [34] Кроме того, хвостовое измельчение происходит во время подготовки сырья для керамики; такая переработка отходов имеет большое значение для использования глинистой пульпы в качестве нейтрализующего агента, поскольку для реакции необходимы мелкие частицы. Эксперименты по раскислению гистозоля щелочно-глинистой суспензией показали, что нейтрализация при среднем уровне рН 7,1 достигается при 30% внесенной пульпы, а экспериментальный участок с многолетними травами доказал эффективность метода. Более того, рекультивация нарушенных земель является неотъемлемой частью социальной и экологической ответственности горнодобывающей компании, и этот сценарий учитывает потребности общества как на местном, так и на региональном уровне. [35]
Результаты адсорбции гликоля, катионообменной способности, рентгеновской дифракции, дифференциального термического анализа и химических тестов дают данные, которые можно использовать для количественных оценок. После определения количества органических веществ, карбонатов, свободных оксидов и неглинистых минералов процентное содержание глинистых минералов оценивают с использованием соответствующих данных по адсорбции гликоля, катионообменной емкости, K20 и ДТА. О количестве иллита судят по содержанию К20, поскольку это единственный глинистый минерал, содержащий калий. [36]
Глинистые породы – это породы, в которых глинистые минералы являются существенным компонентом. [37] Например, глинистые известняки — это известняки [38] , состоящие преимущественно из карбоната кальция , но включающие 10-40% глинистых минералов: такие известняки, когда они мягкие, часто называют мергелями . Точно так же глинистые песчаники, такие как граувакк , представляют собой песчаники , состоящие в основном из зерен кварца , с промежутками, заполненными глинистыми минералами.