logo
Главная История Структура Разработки Лаборатории Контакты

Лаборатория геологии техногенных процессов
Cотрудники Список публикаций Места работ
Молоштанова Н.Е., Максимович Н.Г., Шлыков В.Г. Трансформация минералов глин в отложениях Кунгурской пещеры // Вестник Перм. ун-та.- Пермь, 1999.-Вып.3. Геология.-С.232-237.

Трансформация минералов глин в отложениях Кунгурской ледяной пещеры

Молоштанова Н.Е., Максимович Н.Г., Шлыков В.Г.

Комплексные исследования Кунгурской ледяной пещеры, начатые в 1993 г. в рамках программы «Университеты России», продолжаются до настоящего времени. Пещерные системы в силу своей специфики являются уникальными природными образованиями, где возможно изучение особенностей минералогенеза. Минералогия пещер в последнее время начинает выделяться в самостоятельный раздел [3]. Однако глинистым минералам пещер не уделяется должного внимания [4]. С 1996 г. в Кунгурской пещере проводятся отбор проб и минералого-петрографические исследования с целью выяснения генетического типа минералов глин, так как, именно, слоистые силикаты являются показателем зрелости литогенеза. Соотношение таких минералов как монтмориллонит, каолинит гидрослюды, хлорит, и их трансформация позволяет выявить преобладающие процессы в различных участках пещеры.
Преобразование первичных минералов глин может протекать тремя путями :
1. С сохранением структуры (изоморфная трансформация) с изменением химического состава.
2. С изменением структуры без изменения химического состава (полиморфная трансформация).
3. С изменением структуры и химического состава минералов глин.
Трансформация может быть положительной (аградация) и отрицательной (деградация). К деградации можно отнести преобразования, связанные с выносом компонентов, с разупорядочением структуры. К ним относятся, например, разупорядочение каолинитов при транспортировке или преобразование биотита в монтмориллонит через смешаннослойные образования хлоритов.
К аградации относятся преобразования, связанная с приобретением катионов с упорядочением структуры, как, например, преобразования монтмориллонита в гидрослюду через серию смещаннослойных образований; мусковитизация гидрослюды и стабилизация разбухающих смешаннослойных структур.
Кроме вышеперечисленных трансформированных слоистых силикатов, среди отложений Кунгурской ледяной пещеры встречены новообразованные минералы глин, синтезированные из природных растворов, с характерной коллоидной структурой, такие как аллофан или каолинит, выполняющий пустоты или поры в рыхлых отложениях.
Для исследования минералов глин, количество которых колеблется от 0.1 до 18.9 %. В отложениях пещеры [1] были выделены нерастворимые остатки после обработки кислотами [2]. Полученная таким образом глинистая фракция исследовалась методом рентгеноструктурного анализа в Московском государственном университете (В.Г. Шлыковым).
Рентгеноструктурные исследования позволили установить в отложениях Кунгурской ледяной пещеры следующие минералы глин : смектит (монтмориллонит-сапонит), иллит, хлорит, каолинит, следы аллофана и новообразования корренсита.
Монтмориллонит (Al,Mg)2(OH)2[Si4O10]*nH2O, химический состав его непостоянный, он часто образует закономерные срастания с каолинитом и гидрослюдами (смешаннослойные структуры). При исследовании с помощью РСА выделен как смектит и характеризуется трехслойной кристаллической структурой, состоящей из двух тетраэдрических кремнекислородных слоев, между которыми располагается октаэдрический слой, состоящий из катионов алюминия. Между этими трехслойными пакетами находятся молекулы воды и обменные катионы Mg, Ca, Na («внешние основания»), которые не принимают участия в построении кристаллической решетки, адсорбированы и компенсируют излишний отрицательный заряд кристаллической структуры, возникшей при замене высоковалентных катионов низковалентными, например : Si+4 на Al+3 или Al+3 на Mg+2.
Каолинит Al2(OH)4[Si2O5]. Его кристаллическая структура состоит из двухслойных пакетов, содержащих один кремнекислородный тетраэдрический слой и один алюмокислородногидроксильный слой октаэдрический слой. Оба слоя объединяются в пакет с помощью общих ионов кислорода кремненкислородного тертаэдра.
Хлорит (Mg,Fe)3-n (Al,Fe)n(OH)4[AlnSi2-n*O5], где n- от 0,3 до 1,0. Для него характерен широкий изоморфизм главных элементов (Mg+2Fe+2Mn+2 и Al+3Fe+3Cr+3) а также замещение Si+Mg на Al2 и Mg3 на Al2, что обуславливает большое разнообразие химического состава представителей группы хлоритов. Кристаллическая структура хлоритов имеет специфическое четырехслойное строение, характеризующееся чередованием трехслойных слюдоподобных пакетов (2 внешних тетраэдрических кремнекислородных слоя и внутренний октаэдрический — магнезиально-алюминевый) с однослойными пакетами типа брусита или гидраргиллита.
Корренсит характеризуется закономерным чередованием неразбухающих и разбухающих хлоритовых слоев и относиться к смещаннослойным хлорит-смектитам.
Иллит (из группы гидрослюд) синоним гидромусковита, который является промежуточным продуктом между мусковитом и каолинитом. От мусковита отличается тем, что Al в меньшей мере замещает Si, содержит больше воды и К в нем замещен частично на Са и Мg, а от каолинита отличается присутствием катионов К, Са или Mg, причем последний может замещать также и Аl (Mg3 на Al2).

Характеристика структурных ячеек минералов глин в сравнении со слюдой (по данным Лазаренко Е.К.) [2]
Минералы Константы кристаллической решетки
а° в° с° Я Примечания
монтмориллонит 5.17 8.09 15.2 ~90° константы
не постояннны и 
зависят от количества
изоморфных
примесей
каолинит 5.15 8.92 14.53 100° 12’
хлорит 5.30 9.21–9.30 14.0–14.40(14.12) 97°
иллит 5.24 9.07 10.2 95°
мусковит 5.18 9.02 20.04 95° 30’

Из таблицы видно, что параметры кристаллических решеток и химический состав изменяются в узких пределах, что способствует их срастанию на уровне кристаллической решетки и взаимным переходам из одной модификации в другую при различных трансформациях. В случае деградации возможны переходы от хлорита к монтмориллониту через корренсит или от мусковита к каолиниту через иллит. При положительных трансформациях (аградации) будет наблюдаться обратная картина.
Анализируя распределение минералов глин в отложениях пещеры и соотношение хлорита-смектитов, хлорита-иллита, иллита-каолинита, можно сделать заключение, что:
1. Все смектиты с преобразованием монтмориллонитовой составляющей являются аутигенными минералами и образовались в процессе формирования карбонатно-сульфатной толщи в виде тонкорассеяной примеси среди доломитовых и ангидритовых пород. Присутствие бруситовых прослоек в межслоях некоторых смектитов (по данным РСА) указывает на их положительную трансформацию, которая приведет к частичной хлоритизации в местах с меньшей дисперсностью, где доступен длительный контакт с поровыми растворами.
2. Хлорит, установленный в отложениях пещеры, большей частью является аллотигенным и максимальные его содержания установлены в донных отложениях пещерных озер (гроты Великан, Романтиков, Длинный и т.д.). Местами хлорит подвержен деградации и на его поверхности были установлены новообразования корренсита (рис. 1, 2). Кроме того не исключена возможность формирования аутигенного хлорита на месте нахождения за счет трансформации смектитов-монтмориллонитов (проба № 49 из грота Перепутье; пробы МН-10, МН-12 из гротов Братский, Геологов соответственно).
3. Иллит встречается в большинстве исследованных проб. Содержание его незначительно, но можно уверенно выделить две модификации иллита: одна относиться условно к аллотигенным и сформировалась за счет деградации мусковита, чешуйки которого установлены в некоторых пробах. Очевидно, в сильно реакционной среде происходит разрушение привнесенного мусковита и развитие по нему дисперсного иллита с более высоким содержанием железа (проба № МН-12 из грота Геологов).
Другая модификация иллита могла сформироваться за счет аградации смешаннослойных образований «непрерывного ряда» смектитов, среди которых установлено до 50 % иллитовых пакетов по данным РСА (проба № МН-4 из грота Полярный).
4. Каолинит относится к явно аллотигенным минералам, т.к. не мог образоваться в водоемах с повышенной соленостью, где рН>7, хотя в результате деградации иллит может быть трансформирован до каолинита. Последний, вероятно, будет иметь сильно разупорядоченную структуру вплоть до коллоидного состояния или разложен до перехода в аллофан, следы которого были установлены в некоторых пробах (грот Бриллиантовый, Данте, Геологов).
Таким образом, первичным алюмосиликатным материалом пещерных отложений были диоктаэдрический смектит (с преобладанием монтмориллонитовой составляющей) и иллит; среди терригенного материала, принесенного в водоем могли присутствовать хлорит, каолинит, слюды; новообразованными являются аллофан, корренсит, сапонит и частично иллит и хлорит.

Рис 1

Рис 2


Литература

  1. Горбунова К.А., Молоштанова Н.Е., Максимович Н.Г., Яцина И. И. Геохимические измененные породы и вторичные минеральные образования Кунгурской пещеры// Кунгурская ледяная пещера: межвуз.сборник научн.тр. — Пермь, 1995. — С.26–58.
  2. Лазаренко Е. К. Курс минералогии. — М.: Высшая школа, 1971.
  3. Максимович Н.Г., Бельтюкова Н. В. Вторичные минералы карбонатных карстовых пещер // Пещеры. — Пермь, 1981. — N18. — С.59–70.
  4. Максимович Н.Г., Зарницын Ю. А. Рентгенометрическое изучение глиняных натеков пещеры Геологов-2 //Карст Нечерноземья: тез.докл.Всес.науч.-техн.совещания. — Пермь, 1980. — С.136–137.


назад