stringtranslate.com

Глина минеральная

Оксфордская глина ( юрский период ), обнаженная недалеко от Уэймута , Англия.

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 .

Характеристики

Шестиугольные листы глинистого минерала каолинита ( изображение СЭМ , увеличение 1340×)

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]

Вхождение

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]

Состав

Вид тетраэдрической листовой структуры глинистого минерала. Апикальные ионы кислорода окрашены в розовый цвет.

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]

Классификация

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 будет упоминаться, например, 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.

Глина и происхождение жизни

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]

Биомедицинское применение глин

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]

Применение растворов

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]

Тесты, подтверждающие наличие глинистых минералов.

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

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.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Керр П.Ф. (1952). «Образование и распространение глинистых минералов». Глины и глинистые минералы . 1 (1): 19–32. Бибкод : 1952CCM.....1...19K. дои : 10.1346/CCMN.1952.0010104 .
  2. ^ Гуггенхайм и Мартин 1995, стр. 255–256.
  3. ^ Центр научного обучения, 2010.
  4. ^ Брейер 2012.
  5. ^ Боггс 2006, с. 140.
  6. ^ Скарр 2005, с. 238.
  7. ^ Ходжес, Южная Каролина (2010). «Основы плодородия почвы» (PDF) . Отделение почвоведения, Университет штата Северная Каролина . Проверено 8 декабря 2020 г.
  8. ^ abcd Bailey SW (1980). «Сводка рекомендаций номенклатурного комитета AIPEA по глинистым минералам». Являюсь. Минеральная. 65 : 1–7.
  9. ^ abcd Нессе, Уильям Д. (2000). Введение в минералогию . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. стр. 252–257. ISBN 9780195106916.
  10. ^ abc Сродонь, Дж. (2006). «Глава 12.2 Идентификация и количественный анализ глинистых минералов». Развитие глиноведения . 1 : 765–787. дои : 10.1016/S1572-4352(05)01028-7. ISBN 9780080441832.
  11. ^ Мурад, Энвер (1998). «Глины и глинистые минералы: что может сделать мессбауэровская спектроскопия, чтобы помочь понять их?». Сверхтонкие взаимодействия . 117 (1/4): 39–70. Бибкод : 1998HyInt.117...39M. дои : 10.1023/А: 1012635124874. S2CID  93607974.
  12. ^ Клопрогге, JT (2017). «Раман-спектроскопия глинистых минералов». Развитие глиноведения . 8 : 150–199. дои : 10.1016/B978-0-08-100355-8.00006-0. ISBN 9780081003558.
  13. ^ Раджкумар, К.; Раманатан, Алабама; Бехера, ПН (сентябрь 2012 г.). «Характеристика глинистых минералов в отложениях реки мангровых зарослей Сундарбан с помощью SEM/EDS». Журнал Геологического общества Индии . 80 (3): 429–434. Бибкод : 2012JGSI...80..429R. дои : 10.1007/s12594-012-0161-5. S2CID  128633253.
  14. ^ Уивер, Р. (2003). «Вновь открывая микроскопию поляризованного света» (PDF) . Американская лаборатория . 35 (20): 55–61 . Проверено 20 сентября 2021 г.
  15. ^ Технологический институт Джорджии (20 декабря 2012 г.). «Глины на Марсе: больше, чем ожидалось». Наука Дейли . Проверено 22 марта 2019 г.
  16. ^ Ривкин А.С., Волкардсен Э.Л., Кларк Б.Е. (2006). «Состав поверхности Цереры: открытие карбонатов и богатых железом глин» (PDF) . Икар . 185 (2): 563–567. Бибкод : 2006Icar..185..563R. дои : 10.1016/j.icarus.2006.08.022.
  17. ↑ Харвуд, Уильям (11 октября 2023 г.). «Найденные НАСА образцы астероида Бенну демонстрируют наличие углерода и воды, - говорят ученые». Новости CBS . Проверено 16 октября 2023 г.
  18. ^ Нэпьер В.М., Викрамасингхе Дж.Т., Викрамасингхе, Северная Каролина (2007). «Происхождение жизни в кометах». Межд. Дж. Астробиол. 6 (4): 321–323. Бибкод : 2007IJAsB...6..321N. дои : 10.1017/S1473550407003941. S2CID  121008660.
  19. ↑ Грейциус Т (26 мая 2015 г.). «Глинеподобные минералы, обнаруженные на ледяной коре Европы». НАСА . Архивировано из оригинала 24 сентября 2016 года . Проверено 21 декабря 2013 г.
  20. ^ abcd Нессе 2000, стр. 235–237.
  21. ^ abcd "Группа минералов глины". Аметистовые галереи . 1996. Архивировано из оригинала 27 декабря 2005 года . Проверено 22 февраля 2007 г.
  22. ^ Эгл, округ Колумбия, Браун Д. (12 марта 2013 г.). «Ровер НАСА находит на Марсе условия, когда-то подходящие для древней жизни». НАСА . Проверено 12 марта 2013 г.
  23. ^ Стена М (12 марта 2013 г.). «На Марсе когда-то могла быть жизнь: что вам нужно знать». Space.com . Проверено 12 марта 2013 г.
  24. ^ Чанг К. (12 марта 2013 г.). «На Марсе когда-то могла быть жизнь, утверждает НАСА». Нью-Йорк Таймс . Проверено 12 марта 2013 г.
  25. ^ Мур DM, Рейнольдс-младший RC (1997). Рентгеновская дифракция, идентификация и анализ глинистых минералов (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780195087130. ОСЛК  34731820.
  26. ^ Основы поведения почвы, 3-е издание Джеймс К. Митчелл, Кеничи Сога. ISBN 978-0-471-46302-3 , Таблица 3.9 . 
  27. ↑ Кэрнс-Смит, Грэм (2 сентября 1982 г.). Генетический захват и минеральное происхождение жизни . Кембридж: Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-23312-7. ОСЛК  7875600.
  28. ^ Докинз, Ричард (1996). Слепой часовщик (переиздание с новым введением под ред.). Нью-Йорк: WW Norton & Company. стр. 148–161. ISBN 978-0-393-31570-7. ОСЛК  35648431.
  29. ^ Хуан, Вэньхуа; Феррис, Джеймс П. (12 июля 2006 г.). «Одноэтапный региоселективный синтез олигомеров РНК длиной до 50 мер с помощью монтмориллонитового катализа». Журнал Американского химического общества . 128 (27): 8914–8919. дои : 10.1021/ja061782k. ПМИД  16819887.
  30. ^ Субраманиам, Ананд Бала; Ван, Цзянди; Гопинатх, Арвинд; Стоун, Ховард А. (2011). «Полупроницаемые везикулы из натуральной глины». Мягкая материя . 7 (6): 2600–2612. arXiv : 1011.4711 . Бибкод : 2011SMat....7.2600S. дои : 10.1039/c0sm01354d. S2CID  52253528.
  31. ^ Хартман, Хайман (1998). «Фотосинтез и происхождение жизни». Происхождение жизни и эволюция биосфер . 28 (4–6): 515–521. Бибкод : 1998OLEB...28..515H. дои : 10.1023/А: 1006548904157. PMID  11536891. S2CID  2464.
  32. ^ Хшановский, Войцех; Ким, Салли Юнсун; Абу Нил, Энсанья Али (2013). «Биомедицинское применение глины». Австралийский химический журнал . 66 (11): 1315. дои : 10.1071/CH13361.
  33. ^ Андрейковичова, С.; Велоса, Алабама; Ферраз, Э.; Роча, Ф. (2014). «Влияние добавки глинистых минералов на механические свойства воздушных известково-метакаолиновых растворов». Строительство и строительные материалы . 65 : 132–139. doi :10.1016/j.conbuildmat.2014.04.118.
  34. ^ Чантурия, Вирджиния; Миненко В.Г.; Макаров, Д.В. (2018). «Передовые методы извлечения сапонита из воды предприятий по переработке алмазов и области применения сапонита». Минералы . 8 (12): 549. Бибкод : 2018Мой....8..549С. дои : 10.3390/мин8120549 . В эту статью включен текст, доступный по лицензии CC BY 4.0.
  35. ^ Пашкевич, М.А.; Алексеенко, А.В. (2020). «Перспективы повторного использования хвостов алмазной глины на руднике имени Ломоносова, Северо-Запад России». Минералы . 10 (6): 517. Бибкод : 2020Мой...10..517П. дои : 10.3390/мин10060517 . В эту статью включен текст, доступный по лицензии CC BY 4.0.
  36. ^ Митчелл, Джеймс Кеннет, 1930 – Основы поведения почвы / Джеймс К. Митчелл, Кеничи Сога.—3-е изд. п/85-100
  37. ^ Сивер, Раймонд (2019). «Глинистые породы». Доступ к науке . дои : 10.1036/1097-8542.049900 .
  38. ^ «Глинистый известняк: информация о минералах, данные и местонахождение». www.mindat.org . Проверено 27 декабря 2019 г.

Цитируемые работы