III. Глинистые породы

К глинистым породам относятся соответствующие глинистые осадки (илы, глины, суглинки) и сцементированные разности – плотные глины, аргиллиты, сланцеватые аргиллиты (глинистые породы), глинистые, аспидные, кровельные и филлитоподобные сланцы (метаморфизованные глинистые породы). На их долю приходится более половины объема всех осадочных пород стратисферы.

Некоторые сложности возникают в связи с применением термина «глины», который относится как к осадку, так и осадочной породе. Первые отличаются высокой пористостью, достигающей 60%, и имеют свойство пластичности (глина с водой образует вязкую пасту, способную после нагрева и потери воды сохранять приданную ей форму).

Важной особенностью глинистых пород является их поведение в воде, на основе чего можно достаточно надежно различать глинистые осадки и осадочные породы. Глина, относящаяся к осадку, легко размокает в воде. Глина как осадочная порода медленно размокает в воде, и к ней желательно применять термин «плотная глина». Ее пористость снижается до 25-30%. Резко ухудшаются коллекторские свойства в связи со слабой проницаемостью.

Аргиллиты отличаются еще более высокой объемной плотностью, имеют малую пористость (7-5%), плохо или даже вообще не размокают в воде, не обладают пластичностью.

Глинистые сланцы и другие виды метаморфизованных глинистых пород не размокают в воде, очень плотные, пористость снижается до величин менее 1%, не пластичные, часто растрескиваются на тонкие пластинки по сланцеватости и на осколки по трещинам кливажа.

Генезис. По генезису выделяют водноосадочные и остаточные глины. Первые образуются при коагуляции коллоидных растворов и частично в процессе механической дифференциации глинистых минералов. В соответствии с обстановкой осадконакопления они подразделяются на морские, лагунные, дельтовые, озерные, речные, водно-ледниковые и др. Вторые образуются в процессах химического выветривания кристаллических пород (элювиальные).

Вещественный состав. По минеральному составу различают каолинитовые (каолины), гидрослюдистые (иллиты, глауконитовые глины и др.), монтмориллонитовые (бентониты, флоридины) и полиминеральные глинистые осадки и породы. Реже встречаются хлоритовые, галлуазитовые и палыгорскитовые глины.

В составе глин можно выделить пять групп компонентов:

1) собственно глинистые минералы, имеющие размеры частиц обычно менее 0,01 мм и особенно менее 0,001 мм (они являются широко распространенной в природе дисперсной фазой коллоидных растворов и продуктами химического выветривания);

2) обломочные зерна минералов (кварца, полевых шпатов, слюд, тяжелых минералов) размером более 0,01 мм;

3) сингенетические и эпигенетические минералы цемента с размером частиц более 0,001 мм (оксиды и гидроксиды железа, карбонаты, сульфаты, фосфаты, опал и др.);

4) ионообменный комплекс химических соединений;

5) органическое вещество.

Главными минеральными частицами глинистых пород (более 50% объёма) являются минеральные виды семейства глинистых минералов (группы каолинита – Al₂(OH)₄[Si₂O₅], гидрослюд – K(Fe,Al,Mg)(OH)₂[AlSi₃O₁₀]·nH₂O, монтмориллонита – (Al,Mg)₂(OH)₂[Si₄O₁₀]·nH₂O и смешаннослойные образования). Второстепенные минеральные виды – группы хлоритов, палыгорскита, сепиолита, оксиды и гидроксиды алюминия, глауконит, семейство кремнезема (опал, халцедон, кварц). В качестве примесей могут присутствовать слюды, полевые шпаты, железорудные оксиды, сульфиды железа, оксиды титана. Обычно в глинистых осадках значительная часть минерального вещества находится в аморфном состоянии, чем они также отличаются от плотных глин как осадочных пород.

Минеральный состав цемента в глинистых породах еще более разнообразен. В его составе могут быть карбонаты (кальцит, доломит, сидерит, анкерит и др.), сульфаты (гипс и др.), сульфиды (пирит, марказит и др.), оксиды и гидроксиды железа и марганца.

Главной особенностью химического состава глинистых пород является высокое содержание глинозема (15-40%). Преобладающим компонентом обычно является кремнезем (до 70%). Из других компонентов характерны оксиды железа, магния и щелочных металлов (табл. 4).

Текстуры глинистых пород довольно однообразны. Они могут быть объединены в две группы: слоистые и массивные. Среди слоистых текстур преобладают горизонтально-слоистые, часто толща имеет неясно-слоистый характер. Текстуры метаморфизованных глинистых пород более разнообразны – пятнистые, сетчатые, конгломератовидные, брекчиевидные и др.

Таблица 4

Химический состав глин (фракция <0,001 мм), мас. %

Примечания: 1 – сухарная глина, Новгородская обл., нижний карбон; 2 – пластичная глина, там же; 3 – Северный Урал, мезозой; 4 – Фергана, мезозой; 5 – бентонит, Азербайджан, эоцен; 6 – Ленинградская обл., нижний кембрий; 7 – там же, средний кембрий; 8 – там же, нижний карбон; 9 – там же, верхний девон; Сл – следы.

Структуры глинистых пород, наоборот, разнообразны и в зависимости от подхода могут быть объединены в следующие группы:

1) с учетом гранулометрического состава глин выделяются структуры пелитовые, алевропелитовые, псаммопелитовые и алевропсаммопелитовые;

2) с учетом взаимного расположения в пространстве и формы минеральных частиц выделяют подгруппы ориентированных (микрослоистая, микрослоисто-сланцеватая, сланцеватая) и неориентированных структур (беспорядочно-зернистая, ооидная, волокнистая, конгломератовидная, брекчиевидная, оолитовая, сферолитовая, реликтовая);

3) по степени кристалличности глинистого вещества различают кристаллические, полукристаллические и аморфные структуры.

Диагностика. Глинистые породы весьма похожи на кремниевые, некоторые разности фосфатных, карбонатных, глиноземистых и др. Окраска глин светлая, часто белая, серая, а в зависимости от примесей может быть черная, бурая, красная, зелёная и т.д. Основными их диагностическими признаками являются поведение в воде, реакция с некоторыми красителями (метод окрашивания глин Викуловой), испытание на ощупь, пористость, поведение при нагревании и др. Характерным физическим свойством глин является пластичность.

В качестве основного красителя при применении метода окрашивания используют обычно т.н. метиленовый голубой (Мг). Максимум поглощения лучей света метиленовым голубым лежит в области красной и оранжевой частей спектра, что и вызывает его голубую окраску. Однако эта окраска сильно меняется в зависимости от степени подкисления, температуры и концентрации раствора.

Метиленовый голубой применяется в виде очень слабого 0,01%-ного раствора (цвет голубовато-синий). Кроме того, готовится насыщенный раствор КСl. Все растворы готовят на дистиллированной воде. Хранить подготовленные растворы следует в тёмном месте в сосудах с притёртой пробкой.

Окрашивание производят в пробирках. Для этого берут 0,5 г глины, замачивают её в дистиллированной воде, которую через сутки сливают для удаления электролитов, перешедших из глины в раствор. Размокшую глину взмучивают переворачиванием пробирки и оставляют отстаиваться в течение суток. Осевшую вследствие коагуляции суспензию многократно промывают, пока не получат устойчивую суспензию, отмытую от электролитов. После этого в чистую пробирку наливают 5 см³ суспензии (примерно половину пробирки), добавляют такое же количество раствора Мг и взбалтывают. Половину окрашенной суспензии отливают в другую пробирку, добавляют в неё одну-три капли KCl и взбалтывают.

Результаты окрашивания большей частью видны уже через 1 - 2 часа или раньше. Однако нередко окрашивание проявляется через сутки или двое, что связано с замедленной реакцией окрашивания; поэтому наблюдения обычно проводят через 1 - 2 суток.

Окрашивание определяют по характеру осадка (гелевидный, плотный), его особенностям (полное, пятнистое, по слоям и т.д.) и цвету суспензии. Для наблюдения этого результата пробирки взбалтывают и цвет наблюдают на белом фоне при дневном освещении. Для более точной визуальной оценки цвета применяют стандартную шкалу (Викулова и др., 1957).

Каолинитовые глины окрашиваются в блеклый, но чистый светло-фиолетовый цвет, который не меняется при добавления KCl. Фиолетово-синяя или синяя окраски указывают на наличие гидрослюды и также не изменяются при добавлении KCl. Монтмориллонитовые глины приобретают интенсивный чисто фиолетовый цвет, от добавления КС1 цвет изменяется на голубой или голубовато-зелёный.

При макроскопическом описании состав глинистого вещества можно установить "методом капли", который был разработан чешским литологом Иржи Конта (1955 г.). Этот метод основан на различной скорости впитывания капли воды гладкой поверхностью глины, на различиях формы капли, характера краёв её и поверхности после впитывания. Так, каолинитовая глина характеризуется довольно быстрым впитыванием капли (0,5 мин), выпуклой ее формой и гладкой круглой поверхностью смоченного участка, размеры которого небольшие.

Монтмориллонитовые глины отличаются более длительным впитыванием воды (4 мин), плоской формой капли, которая растекается в большей степени и имеет неправильный рваный (амебовидный) контур. Поверхность после впитывания воды набухшая, вспученная. По этим признакам гидрослюдистые глины занимают промежуточное положение.

Для точной диагностики глин и детального описания их состава применяют разнообразные методы: оптическая микроскопия, электронная микроскопия, гранулометрический, спектральный, термический, рентгеноструктурный (дифрактометрию), химический силикатный, атомно-абсорбционный анализы.

Описание основных типов глинистых пород. Каолинитовые породы представлены первичными (хемогенными) и вторичными (обломочными) каолинами, а также каолинитовыми глинами. Первые образуются в корах выветривания кристаллических пород и являются обычно конечными продуктами разложения первичных минералов (полевых шпатов). Помимо каолинита они обычно содержат гидрослюды, галлуазит, кварц и некоторые устойчивые к агентам химического выветривания тяжелые минералы (ильменит, циркон, рутил, турмалин, лейкоксен и др.). Гранулометрический анализ позволяет выявить в их составе определенную долю алевритовых и песчаных частиц. При повышенном их содержании существенно снижается пластичность глин. Обычно отличаются белой окраской и при обжиге дают белый черепок. Характерным признаком первичных каолинов является их залегание в разрезе с подстилающими неизмененными породами и наличие реликтовых структур, свойственных материнским породам.

Вторичные каолины образуются в результате размыва каолинитовых кор выветривания и переотложения частиц каолинита после переноса в водной среде. Глины морского генезиса отличаются наиболее тонкодисперсным гранулометрическим составом, аллювиальные – содержат небольшую примесь тонкоалевритового материала. В тех и других встречается также ничтожная примесь тяжелых минералов, все они отличаются повышенной пластичностью. В минеральном составе вторичных каолинов возможны примеси гидрослюд, галлуазита, кварца, углистого вещества, сульфидов железа, гидраргиллита. Залегают они в толщах осадочных пород, нередко между слоями песков.

Первичные каолины жирные на ощупь, характеризуются высокой пористостью, белой или буровато-белой окраской; при растирании пальцами в них нередко ощущаются мелкие кварцевые песчинки. Вторичные каолины – плотные, жирные на ощупь породы, окрашенные в серовато-белые, белые и серые тона. При растирании пальцами обломочной примеси не ощущается. Такая глина, замешанная с водой, дает вязкое тесто и раскатывается в тонкую нить.

Каолинитовые глины нередко образуются в результате осаждения каолинита при слиянии коллоидов кремнезема и глинозема и их коагуляции. Они представлены двумя главными разновидностями – сухарными и пластичными огнеупорными глинами. Сухарные глины отличаются тонкодисперсностью (85-98% частиц имеют размеры менее 0,001 мм). В воде они почти не размокают, после размола с водой образуют малопластичное тесто. В химическом составе присутствует примесь свободных гидроксидов алюминия, что сближает их с бокситами. Пластичные глины характеризуются светло-серой или серой окраской, пелитовой структурой и шелковистым блеском на изломе. Текстура обычно яснослоистая. Мощность пластов измеряется несколькими метрами.

Гидрослюдистые глиныпо генезису близки к каолинитовым и связаны с ними постепенными переходами (гидрослюдисто-каолинитовые и каолинито-гидрослюдистые). Они формируются в ходе первой стадии химического выветривания силикатных пород в условиях гумидного климата и представляют собой типичные промежуточные продукты коры выветривания. При перемыве таких кор выветривания образуются вторичные гидрослюдистые глины.

Характерной разновидностью являются глауконитовые глины. Они образуются при диагенезе морских осадков в процессе гальмиролиза. В минеральном составе этих глин помимо гидрослюды, в т.ч. глауконита, присутствуют обычно каолинит, смешаннослойные образования, кварц, полевые шпаты, слюды, хлориты, монтмориллонит. В отдельных случаях обнаруживаются органическое вещество, гидроксиды железа и др. В качестве аутигенных компонентов отмечаются карбонаты, сульфиды. Среди мелких частиц акцессорных минералов обычны ильменит, циркон, рутил, лейкоксен, магнетит.

В химическом отношении гидрослюдистые глины отличаются от каолинов повышенным содержанием щелочей, особенно оксида калия. Для разностей, образовавшихся в водоемах с повышенной концентрацией солей, отмечено повышенное содержание оксидов кальция, магния и иногда железа. Макроскопически они представляют собой пористые породы серого, темно-серого, белого, буровато-серого, зеленоватого и пестрого цветов, имеют землистое сложение.

Первичные гидрослюдистые глины характерны для кор выветривания кристаллических пород, вторичные образуются в процессах седиментогенеза в континентальных обстановках – озерах, реках, приледниковых озерах, морских – обычно на шельфе и переходных – в лагунах.

Пример описания

Глина уплотненная, темно-серая и серая, грубодисперсная, алевритовая, тонкослоистая, с ровным и раковистым изломом, с тонкими (меньше 2 мм) прослойками глинисто­го алевролита. В воде размокает не сразу, без набухания или со слабым набуханием; становится пластичной. С HCl не реагирует, т. е. не извест­ковая. При окрашивании метиленовым голубым с добавлением KCl окраска из фиолетово-синей становится голубовато-зеленоватой, что свидетельствует о присутствии минералов типа монтмориллонита или бейделлита. Основной же состав, вероятно, гидрослюдисто-каолинитовый. Имеются от­печатки аммонитов.

Монтмориллонитовые глиныобразуются в корах выветривания эффузивных (особенно богатых вулканическим стеклом), средних и ультраосновных пород (железистые разности – нонтрониты). Другой типичный способ образования – при диагенезе обломочных и вулканогенно-обломочных пород в лагунах и морских водоемах за счет преобразования вулканического пепла, стекла и других глинистых минералов. Наконец, встречаются и обломочные монтмориллонитовые глины как результат перемыва осадочных пород, богатых монтмориллонитом, механической дифференциации обломочных частиц и отложения глинистого материала в различных обстановках.

Наиболее распространенными среди них являются бентониты и флоридины. Бентониты представляют собой слоистые светлоокрашенные зеленоватые или желтоватые глинистые породы, иногда темнеющие при выветривании. Они отличаются сильным разбуханием в воде благодаря способности глинистых частиц данного состава и структуры поглощать большие количества воды, которая размещается между слоями кристаллической решетки (межплоскостная вода). Характерная для них реакция – вспучивание участка поверхности при попадании на нее капли воды. При высыхании многие бентониты покрываются трещинами и распадаются на твердые остроугольные частицы.

Флоридины (суббентониты, или отбеливающие земли) распространены чаще, чем бентониты. Они слабее разбухают в воде, но быстро распадаются в ней на угловатые осколки. По внешнему виду это высокодисперсные жирные на ощупь породы светло-серого, коричневатого или зеленовато-серого цветов, иногда до черного. Во влажном состоянии имеют восковидный отблеск.

Минеральный состав отличается резким преобладанием монтмориллонита и присутствием в качестве второстепенных компонентов гидрослюд, смешаннослойных минералов, каолинита, аллофана, опала, кальцита, гипса, органического вещества и др. Из обломочных зерен характерны кварц, полевые шпаты, биотит и др.

Макроскопически монтмориллонитовые глины по многим особенностям напоминают воск, они жирны на ощупь, отличаются светлой, серовато-белой, зеленоватой или желтоватой окраской. При диагностике используются особые свойства этих глин – высокая адсорбционная способность, способность разбухать в воде, высокая пластичность.

Полиминеральные глинынаиболее широко распространены в природе. Их формирование обусловлено сложным минеральным составом пород, подвергавшихся химическому выветриванию, несовершенной механической дифференциацией тонкообломочного материала, характерной для речных обстановок осадконакопления, процессами интеграции разнородного глинистого материала на склонах, в оврагах, на побережьях, в верховьях рек, руслах временных потоков и т.д. Основная часть этих глин имеет обломочное происхождение. Они широко распространены среди делювиальных, аллювиальных (пойменные фации рек), пролювиальных, озерных, иногда развиты и в морских обстановках.

Полиминеральные глины отличаются пестротой минерального состава, в котором представлены гидрослюды, каолинит, монтмориллонит, смешаннослойные образования, кварц, слюды. Второстепенными компонентами являются хлориты, опал, галлуазит, органическое вещество, акцессории (ильменит, циркон, рутил, лейкоксен, магнетит, сфен и др.). Аутигенными новообразованиями часто служат карбонаты, сульфаты, сульфиды, оксиды и гидроксиды железа и марганца.

По гранулометрическому составу полиминеральные глины также отличаются от мономинеральных более широким спектром частиц по крупности – от песчаных до тонкопелитовых.

Макроскопически они довольно разнообразны: связные, пористые породы разной степени пластичности в зависимости от гранулометрического состава, окрашенные в светло-бурые, коричневые, серые, темно-серые, зеленоватые и другие тона.

Аргиллитыпредставляют собой сцементированные плотные породы, окрашенные в серые, бурые, зеленоватые, красные и пестрые тона. Как правило, они не размокают в воде и лишены пластичности. Однако некоторые разности аргиллитов, особенно содержащие примесь монтмориллонита, способны размокать в воде. Пористость аргиллитов существенно меньше, чем у плотных глин, и обычно колеблется в пределах от 10 до 1%.

Минеральный состав аргиллитов разнообразен, но чаще встречаются гидрослюдистые и полиминеральные разности. Второстепенными минералами, помимо семейства глинистых минералов, являются кварц, слюды, полевые шпаты, карбонаты, опал, халцедон, оксиды и гидроксиды железа, акцессории. Некоторые аргиллиты содержат органическое вещество и отличаются темно-серой или чёрной окраской.

Глинистые минералы в составе аргиллитов имеют двойственную природу. Часть из них имеет первичное обломочное происхождение, другая часть является аутигенными компонентами.

Образование аргиллитов на стадии катагенеза подтверждается характерными особенностями минерального состава и структуры. В частности, глинистые обломочные минералы подвергнуты заметным изменениям. Например, широко развит процесс гидрослюдизации каолинита. Типичны ориентированные текстуры.

Сланцеватые аргиллитыотличаются от обычных аргиллитов более высокой степенью изменения и присутствием сланцеватых текстур. Они знаменуют переход от глинистых пород к метаморфизованным их разностям.

Глинистые сланцыявляются плотными сланцеватыми породами. Они не размокают в воде и имеют весьма малую пористость (часто менее 1%). Окраска глинистых сланцев серая, темно-серая, реже светлая и пестрая. Темные разности сланцев содержат углистое вещество или сильно метаморфизованные битумы.

В минеральном отношении глинистые сланцы являются гидрослюдистыми или полиминеральными породами. В качестве минеральных новообразований, характерных для стадии метагенеза, отмечаются серицит, хлориты, смешаннослойные структуры, вторичные кварц и карбонаты (обычно кальцит, реже доломит и анкерит).

Сланцеватость и кливаж обусловливают способность глинистых сланцев легко раскалываться на тонкие плитки толщиной в несколько миллиметров. Излом по направлению сланцеватости ровный, в поперечном направлении – занозистый. Поверхность излома часто имеет шелковистый отлив.

Аспидные сланцы– плотные сланцеватые породы темно-серого или даже черного цвета, обогащенные углистым веществом.

Кровельные сланцыобладают способностью раскалываться на плитки толщиной 3-5 мм и не ломаться при пробое. Они также обладают сланцеватой текстурой, низкой пористостью, серой, буровато-серой или зеленовато-серой окраской.

Филлитоподобные сланцыхарактеризуются как плотные сланцеватые породы с хорошо выраженным шелковистым отливом на изломе. Они отличаются также присутствием сегрегационно-линзовидных структур, содержат секущие прожилки кварца и других минералов. Характерными деталями текстуры является наличие кливажа течения и кливажа разрыва. Породообразующими минералами в них, помимо глинистых, являются серицит, мусковит, хлориты, кварц и карбонаты.

Инженерно-геологические и гидрогеологические свойства. Глинистые породы часто являются водоносными и нефтегазоносными горизонтами. В то же время плотные глинистые образования, наоборот, играют роль водоупоров. Это зависит от их пористости и проницаемости, которые, в свою очередь, определяются гранулометрическим и минеральным составом глин, степенью их вторичного преобразования, стадией литогенеза и т.д.

Глинистые грунты наиболее часто присутствуют в основании зданий и промышленных объектов, они являются обычным дорожным покрытием, в них прокладывают газо- и нефтепроводы. Широко известно, как в период дождей размокают грунтовые дороги, что делает их практически непроезжими для легковых и даже грузовых автомашин. Оценка инженерных свойств глинистых пород является определяющей при решении вопросов о строительстве объектов. В зонах вечной мерзлоты глинистые прослои обусловливают особенности пучения грунтов.

Применение. Важнейшими свойствами глинистых пород, которые обусловили их широкое применение, являются пластичность, огнеупорность, тугоплавкость, связность, адсорбционная способность, тонкодисперсность и др. В частности, высокой огнеупорностью отличаются каолинитовые глины. Температура плавления многих глин выше 1700ºС, температура спекания – 1300-1400ºС. Еще выше температура плавления т.н. монотермитовых (гидрослюдисто-каолинитовых) глин, которая достигает 1710ºС.

Каолины используют для изготовления огнеупорного кирпича, фарфора и фаянса, в бумажной промышленности в качестве наполнителя бумажной массы, для изготовления резины, мыла, карандашей и др. Гидрослюдистые глины широко применяют при изготовлении огнеупорного кирпича и тонкой керамики, черепицы, цемента, глауконитовые – при получении зеленой краски. Монтмориллонитовые глины востребованы в пищевой промышленности для очистки масел, жиров, соков и т.д., в литейном производстве – в качестве формовочных глин, при бурении – для изготовления промывочных растворов, при очистке нефтепродуктов. Эти же глины применяют также при производстве керамзита, в мыловаренной промышленности и в парфюмерии.

Главные месторождения. Каолиновые месторождения известны на Урале, в Западной Сибири, на Дальнем Востоке и приурочены к корам выветривания. Синяя кембрийская глина окрестностей г. Санкт-Петербурга имеет гидрослюдистый состав. Месторождения монтмориллонитовых глин (флоридины) есть на Северном Кавказе (около г. Нальчика). Медистые сланцы отличаются повышенными концентрациями меди. Они обычно образуются совместно с медистыми песчаниками и близки по минеральному составу и генезису. Крупные месторождения медистых сланцев известны в ФРГ.

Вопросы для самопроверки

1. В чём состоит отличие глин от других осадочных пород?

2. Какие группы смешанных глинистых пород Вам известны?

3. Как меняется пористость в глинах, аргиллитах и глинистых сланцах?

4. Как подразделяются глины и аргиллиты по составу?

5. Какие компоненты можно установить в составе глинистых пород?

6. В чём особенности химического состава глин?

7. Охарактеризуйте структуры и текстуры глинистых пород.

8. Какие методы используются для диагностики глин?

9. Для каких целей используются глины?