stringtranslate.com

Глинистый минерал

Оксфордская глина ( юрский период ), обнаруженная около Уэймута , Англия

Глинистые минералы представляют собой водные алюминиевые филлосиликаты (например, каолин , Al2Si2O5 ( OH ) 4 ) , иногда с различным количеством железа , магния , щелочных металлов , щелочноземельных металлов и других катионов, встречающиеся на поверхности некоторых планет или вблизи них .

Глинистые минералы образуются в присутствии воды [1] и были важны для жизни, и многие теории абиогенеза включают их. Они являются важными составляющими почв и были полезны людям с древних времен в сельском хозяйстве и производстве .

Характеристики

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

Глина — это очень мелкозернистый геологический материал, который становится пластичным при намокании, но становится твердым, хрупким и непластичным при высыхании или обжиге . [2] [3] [4] Это очень распространенный материал, [5] и самая древняя известная керамика . Доисторические люди открыли полезные свойства глины и использовали ее для изготовления керамики . [6] Химический состав глины, включая ее способность удерживать питательные катионы, такие как калий и аммоний , важен для плодородия почвы. [7]

Поскольку отдельные частицы в глине имеют размер менее 4 микрометров (0,00016 дюйма), их нельзя охарактеризовать обычными оптическими или физическими методами. Кристаллографическая структура глинистых минералов стала лучше понята в 1930-х годах с достижениями в области рентгеновской дифракции (XRD), необходимой для расшифровки их кристаллической решетки. [8] Было обнаружено, что частицы глины в основном представляют собой листовые силикатные (филлосиликатные) минералы, которые теперь объединяются в глинистые минералы. Их структура основана на плоских гексагональных листах, подобных листам группы минералов слюды . [9] Стандартизация терминологии также возникла в этот период, [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) являются ультратонкозернистыми, для их идентификации и изучения требуются специальные аналитические методы. Помимо рентгеновской кристаллографии, они включают методы электронной дифракции [10] , различные спектроскопические методы, такие как мессбауэровская спектроскопия [11] , инфракрасная спектроскопия [ 10] , рамановская спектроскопия [12] и SEM - EDS [13] или автоматизированные минералогические [10] процессы. Эти методы могут быть дополнены поляризованной световой микроскопией , традиционной техникой, устанавливающей фундаментальные явления или петрологические связи. [14]

Происшествие

Глинистые минералы являются обычными продуктами выветривания (включая выветривание полевого шпата ) и продуктами низкотемпературного гидротермального изменения . Глинистые минералы очень распространены в почвах, в мелкозернистых осадочных породах, таких как сланец , аргиллит и алеврит , а также в мелкозернистом метаморфическом сланце и филлите . [9]

Учитывая потребность в воде, глинистые минералы относительно редки в Солнечной системе , хотя они широко распространены на Земле, где вода взаимодействует с другими минералами и органическими веществами . Глинистые минералы были обнаружены в нескольких местах на Марсе , [15] включая Echus Chasma , Mawrth Vallis , Memnonia quadrangle и Elysium quadrangle . Спектрография подтвердила их присутствие на небесных телах, включая карликовую планету Церера , [16] астероид 101955 Бенну , [17] и комету Темпеля 1 , [18] а также спутник Юпитера Европа . [19]

Структура

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

Как и все филлосиликаты, глинистые минералы характеризуются двумерными слоями тетраэдров SiO 4 или октаэдров AlO 4 с общими углами . Слоистые единицы имеют химический состав (Al, Si) 3 O 4 . Каждый кремниевый тетраэдр делит три своих вершинных иона кислорода с другими тетраэдрами, образуя гексагональную решетку в двух измерениях. Четвертый ион кислорода не делится с другим тетраэдром, и все тетраэдры «указывают» в одном направлении; т. е. все неподеленные ионы кислорода находятся на одной стороне слоя. 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 координируются шестью атомами кислорода. Неразделенная вершина тетраэдрического листа также образует часть одной стороны октаэдрического листа, но дополнительный атом кислорода расположен над зазором в тетраэдрическом листе в центре шести тетраэдров. Этот атом кислорода связан с атомом водорода, образуя группу ОН в структуре глины. Глины можно классифицировать в зависимости от того, как тетраэдрические и октаэдрические листы упакованы в слои . Если в каждом слое есть только одна тетраэдрическая и одна октаэдрическая группа, глина известна как глина 1:1. Альтернатива, известная как глина 2:1, имеет два тетраэдрических листа с неразделенной вершиной каждого листа, направленной друг к другу и образующей каждую сторону октаэдрического листа. [20]

Связывание тетраэдрических и октаэдрических листов требует, чтобы тетраэдрический лист стал гофрированным или скрученным, вызывая дитригональное искажение гексагональной решетки, а октаэдрический лист стал плоским. Это минимизирует общие искажения связи-валентности кристаллита. [20]

В зависимости от состава тетраэдрических и октаэдрических листов, слой не будет иметь заряда или будет иметь чистый отрицательный заряд. Если слои заряжены, этот заряд уравновешивается катионами между слоями, такими как Na + или K + , или одиночным октаэдрическим листом. Промежуточный слой может также содержать воду. Кристаллическая структура образована из стопки слоев, расположенных между прослойками. [20]

Классификация

Структура групп глинистых минералов

Глинистые минералы можно классифицировать как 1:1 или 2:1. Глина 1:1 будет состоять из одного тетраэдрического листа и одного октаэдрического листа, и примерами могут быть каолинит и серпентинит . Глина 2:1 состоит из октаэдрического листа, зажатого между двумя тетраэдрическими листами, и примерами являются тальк , вермикулит и монтмориллонит . Слои в глинах 1:1 не заряжены и связаны водородными связями между слоями, но слои 2:1 имеют чистый отрицательный заряд и могут быть связаны вместе либо отдельными катионами (например, калием в иллите или натрием или кальцием в смектитах), либо положительно заряженными октаэдрическими листами (как в хлоритах ). [9]

Глинистые минералы включают в себя следующие группы:

Для большинства из вышеперечисленных групп существуют смешанные слои глины. [9] Упорядочение описывается как случайный или регулярный порядок и далее описывается термином рейхвейт, что по-немецки означает диапазон или досягаемость. В литературных статьях будет упоминаться, например, упорядоченный иллит-смектит R1. Этот тип будет упорядочен в виде иллит-смектит-иллит-смектит (ISIS). С другой стороны, R0 описывает случайный порядок, и встречаются также другие типы продвинутого порядка (R3 и т. д.). Минералы смешанных слоев глины, которые являются идеальными типами R1, часто получают свои собственные названия. Упорядоченный хлорит-смектит R1 известен как корренсит, иллит-смектит R1 — это ректорит. [25]

X-ray rf(001) — расстояние между слоями в нанометрах, определенное методом рентгеновской кристаллографии. Glycol (мг/г) — адсорбционная способность гликоля, который занимает межслоевые участки, когда глина подвергается воздействию паров этиленгликоля при 60 °C (140 °F) в течение восьми часов. CEC — катионообменная способность глины. K 2 O (%) — процентное содержание оксида калия в глине. DTA описывает кривую дифференциального термического анализа глины.

Глина и происхождение жизни

Гипотеза происхождения жизни из глины была предложена Грэмом Кейрнсом-Смитом в 1985 году. [27] [28] Она постулирует, что сложные органические молекулы постепенно возникали на уже существующих, неорганических репликационных поверхностях силикатных кристаллов в контакте с водным раствором. Было 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 «первые организмы были самовоспроизводящимися богатыми железом глинами, которые фиксировали углекислый газ в щавелевую кислоту и другие дикарбоновые кислоты . Эта система реплицирующихся глин и их метаболический фенотип затем эволюционировали в богатую сульфидами область горячего источника, приобретая способность фиксировать азот . Наконец, фосфат был включен в развивающуюся систему, что позволило синтезировать нуклеотиды и фосфолипиды». [31]

Биомедицинское применение глин

Структурная и композиционная универсальность глинистых минералов придает им интересные биологические свойства. Благодаря дисковидным и заряженным поверхностям глина взаимодействует с рядом лекарств, белков, полимеров, ДНК или других макромолекул. Некоторые из применений глин включают доставку лекарств, тканевую инженерию и биопечать. [32]

Применение раствора

Глинистые минералы могут быть включены в известково-метакаолиновые растворы для улучшения механических свойств. [33] Электрохимическое разделение помогает 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, измельчение хвостов происходит во время подготовки сырья для керамики; эта переработка отходов имеет большое значение для использования глиняной пульпы в качестве нейтрализующего агента, так как для реакции требуются мелкие частицы. Эксперименты по раскислению гистозоля щелочной глинистой суспензией показали, что нейтрализация со средним уровнем pH 7,1 достигается при 30% добавленной 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 сообщества как на местном, так и на региональном уровнях. [35]

Тесты, подтверждающие наличие глинистых минералов

Результаты адсорбции гликоля, катионообменной емкости, рентгеновской дифракции, дифференциального термического анализа и химических испытаний дают данные, которые могут быть использованы для количественных оценок. После определения количества органического вещества, карбонатов, свободных оксидов и неглинистых минералов, процентное содержание глинистых минералов оценивается с использованием соответствующих данных адсорбции гликоля, катионообменной емкости, K20 и DTA. Количество иллита оценивается по содержанию K20, поскольку это единственный глинистый минерал, содержащий калий. [36]

Глинистые породы

Глинистые породы — это те, в которых глинистые минералы являются значительным 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 . Аналогично, глинистые песчаники, такие как граувакка , — это песчаники, состоящие в основном из кварцевых зерен, с интерстициальными пространствами, заполненными глинистыми минералами.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Керр ПФ (1952). «Формирование и распространение глинистых минералов». Глины и глинистые минералы . 1 (1): 19–32. Bibcode :1952CCM.....1...19K. doi : 10.1346/CCMN.1952.0010104 .
  2. ↑ Гуггенхайм и Мартин 1995, стр. 255–256.
  3. ^ Центр изучения науки 2010.
  4. ^ Брейер 2012.
  5. ^ Боггс 2006, стр. 140.
  6. ^ Скарре 2005, стр. 238.
  7. ^ Hodges, SC (2010). "Основы плодородия почвы" (PDF) . Soil Science Extension, North Carolina State University . Получено 8 декабря 2020 г. .
  8. ^ abcd Бейли SW (1980). «Резюме рекомендаций номенклатурного комитета AIPEA по глинистым минералам». Am. Mineral. 65 : 1–7.
  9. ^ abcd Нессе, Уильям Д. (2000). Введение в минералогию . Нью-Йорк: Oxford University Press. С. 252–257. ISBN 9780195106916.
  10. ^ abc Środoń, J. (2006). "Глава 12.2 Идентификация и количественный анализ глинистых минералов". Развитие науки о глине . 1 : 765–787. doi :10.1016/S1572-4352(05)01028-7. ISBN 9780080441832.
  11. ^ Мурад, Энвер (1998). «Глины и глинистые минералы: что может сделать мёссбауэровская спектроскопия, чтобы помочь понять их?». Сверхтонкие взаимодействия . 117 (1/4): 39–70. Bibcode : 1998HyInt.117...39M. doi : 10.1023/A:1012635124874. S2CID  93607974.
  12. ^ Kloprogge, JT (2017). "Рамановская спектроскопия глинистых минералов". Developments in Clay Science . 8 : 150–199. doi :10.1016/B978-0-08-100355-8.00006-0. ISBN 9780081003558.
  13. ^ Раджкумар, К.; Раманатан, АЛ; Бехера, ПН (сентябрь 2012 г.). «Характеристика глинистых минералов в речных отложениях мангровых лесов Сундарбана с помощью СЭМ/ЭДС». Журнал Геологического общества Индии . 80 (3): 429–434. Bibcode :2012JGSI...80..429R. doi :10.1007/s12594-012-0161-5. S2CID  128633253.
  14. ^ Weaver, R. (2003). «Повторное открытие микроскопии поляризованного света» (PDF) . American Laboratory . 35 (20): 55–61 . Получено 20 сентября 2021 г. .
  15. ^ Georgia Institute of Technology (20 декабря 2012 г.). «Глины на Марсе: их больше, чем ожидалось». Science Daily . Получено 22 марта 2019 г.
  16. ^ Rivkin AS, Volquardsen EL, Clark BE (2006). "Состав поверхности Цереры: открытие карбонатов и богатых железом глин" (PDF) . Icarus . 185 (2): 563–567. Bibcode : 2006Icar..185..563R. doi : 10.1016/j.icarus.2006.08.022.
  17. ^ Харвуд, Уильям (11 октября 2023 г.). «Образцы астероида Бенну, полученные NASA, содержат следы углерода и воды, говорят ученые». CBS News . Получено 16 октября 2023 г.
  18. ^ Napier WM, Wickramasinghe JT, Wickramasinghe NC (2007). «Происхождение жизни в кометах». Int. J. Astrobiol. 6 (4): 321–323. Bibcode :2007IJAsB...6..321N. doi :10.1017/S1473550407003941. S2CID  121008660.
  19. ^ Greicius T (26 мая 2015 г.). «Похожие на глину минералы, найденные на ледяной коре Европы». NASA . Архивировано из оригинала 24 сентября 2016 г. Получено 21 декабря 2013 г.
  20. ^ abcd Нессе 2000, стр. 235–237.
  21. ^ abcd "The Clay Mineral Group". Amethyst Galleries . 1996. Архивировано из оригинала 27 декабря 2005 г. Получено 22 февраля 2007 г.
  22. ↑ Agle DC, Brown D (12 марта 2013 г.). «NASA Rover находит условия, когда-то пригодные для древней жизни на Марсе». NASA . Получено 12 марта 2013 г.
  23. ^ Wall M (12 марта 2013 г.). «Марс мог когда-то поддерживать жизнь: что вам нужно знать». Space.com . Получено 12 марта 2013 г.
  24. ↑ Chang K (12 марта 2013 г.). «Марс мог когда-то поддерживать жизнь, заявляет NASA». The New York Times . Получено 12 марта 2013 г.
  25. ^ Мур Д.М., Рейнольдс-младший Р.К. (1997). Рентгеновская дифракция и идентификация и анализ глинистых минералов (2-е изд.). Оксфорд: Oxford University Press. ISBN 9780195087130. OCLC  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: Cambridge University Press . ISBN 0-521-23312-7. OCLC  7875600.
  28. ^ Докинз, Ричард (1996). Слепой часовщик (переиздание с новым введением). Нью-Йорк: WW Norton & Company. стр. 148–161. ISBN 978-0-393-31570-7. OCLC  35648431.
  29. ^ Хуан, Вэньхуа; Феррис, Джеймс П. (12 июля 2006 г.). «Одношаговый региоселективный синтез до 50-меров РНК-олигомеров с помощью монтмориллонитового катализа». Журнал Американского химического общества . 128 (27): 8914–8919. doi :10.1021/ja061782k. PMID  16819887.
  30. ^ Субраманиам, Ананд Бала; Ван, Джианди; Гопинат, Арвинд; Стоун, Ховард А. (2011). «Полупроницаемые пузырьки, состоящие из натуральной глины». Soft Matter . 7 (6): 2600–2612. arXiv : 1011.4711 . Bibcode : 2011SMat....7.2600S. doi : 10.1039/c0sm01354d. S2CID  52253528.
  31. ^ Хартман, Хайман (1998). «Фотосинтез и происхождение жизни». Происхождение жизни и эволюция биосфер . 28 (4–6): 515–521. Bibcode :1998OLEB...28..515H. doi :10.1023/A:1006548904157. PMID  11536891. S2CID  2464.
  32. ^ Chrzanowski, Wojciech; Kim, Sally Yunsun; Abou Neel, Ensanya Ali (2013). «Биомедицинское применение глины». Australian Journal of Chemistry . 66 (11): 1315. doi :10.1071/CH13361.
  33. ^ Андрейковичова, С.; Велоса, АЛ; Ферраз, Э.; Роха, Ф. (2014). «Влияние добавления глинистых минералов на механические свойства растворов из воздушной извести–метакаолина». Строительство и строительные материалы . 65 : 132–139. doi :10.1016/j.conbuildmat.2014.04.118.
  34. ^ Чантурия, ВА; Миненко, ВГ; Макаров, ДВ (2018). «Современные методы извлечения сапонита из вод алмазоперерабатывающих заводов и области применения сапонита». Minerals . 8 (12): 549. Bibcode :2018Mine....8..549C. doi : 10.3390/min8120549 . В данной статье используется текст, доступный по лицензии CC BY 4.0.
  35. ^ Пашкевич, МА; Алексеенко, АВ (2020). «Перспективы повторного использования хвостов алмазосодержащей глины на руднике им. Ломоносова, Северо-Запад России». Minerals . 10 (6): 517. Bibcode :2020Mine...10..517P. doi : 10.3390/min10060517 . В данной статье используется текст, доступный по лицензии CC BY 4.0.
  36. ^ Митчелл, Джеймс Кеннет, 1930–Основы поведения почвы /Джеймс К. Митчелл, Кенити Сога.—3-е изд., стр. 85-100
  37. ^ Сивер, Рэймонд (2019). "Глинистые породы". Access Science . doi : 10.1036/1097-8542.049900 .
  38. ^ "Глинистый известняк: информация о минералах, данные и местонахождения". www.mindat.org . Получено 27.12.2019 .

Цитируемые работы