Глина минеральная
Глинистые минералы представляют собой водные слоистые алюминия силикаты (например, каолин , Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 ), иногда с переменным количеством железа , магния , щелочных металлов , щелочноземельных металлов и других катионов , обнаруженных на некоторых планетарных поверхностях или вблизи них .
Глинистые минералы образуются в присутствии воды. [1] и были важны для жизни, и многие теории абиогенеза включают их. Они являются важными компонентами почв и с древних времен были полезны человеку в сельском хозяйстве и производстве .
Характеристики
[ редактировать ]Глина — очень мелкозернистый геологический материал, который при намокании приобретает пластичность становится твердым, хрупким и непластичным , но при высыхании или обжиге . [2] [3] [4] Это очень распространенный материал, [5] и является старейшей известной керамикой . 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 невозможно 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 глинистые частицы представляют собой преимущественно пластинчатые силикатные (филлосиликатные) минералы, которые теперь сгруппированы в глинистые минералы. В основе их структуры лежат плоские шестиугольные пластинки, аналогичные таковым у слюды . минералов группы [9] В этот период также возникла стандартизация терминологии. [8] при этом особое внимание уделялось похожим словам, которые приводили к путанице, таким как лист и самолет. [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 электронографии , [10] различные спектроскопические методы, такие как мессбауэровская спектроскопия , [11] инфракрасная спектроскопия , [10] Рамановская спектроскопия , [12] и СЭМ - ЭЦП [13] или автоматизированная минералогия [10] процессы. Эти методы могут быть дополнены микроскопией в поляризованном свете — традиционным методом, устанавливающим фундаментальные явления или петрологические взаимосвязи. [14]
возникновение
[ редактировать ]Глинистые минералы являются обычными продуктами выветривания (включая выветривание полевого шпата низкотемпературных гидротермальных изменений ) и продуктами . 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 комета Темпель 1 , [18] а также спутник Юпитера Европа . [19]
Структура
[ редактировать ]Как и все слоистые силикаты, глинистые минералы характеризуются двумерными слоями с общими углами. SiO 4 или тетраэдры AlO 4 октаэдра. Листовые единицы имеют химический состав (Ал, 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 К + или одиноким октаэдрическим листом. Промежуточный слой может также содержать воду. Кристаллическая структура формируется из стопки слоев, расположенных между собой прослойками. [20]
Классификация
[ редактировать ]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 друг с другом 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:
- каолинов , в которую входят минералы каолинит , диккит , галлуазит и накрит ( полиморфы Группа Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ). [21]
- Некоторые источники включают каолинит-серпентиновую группу из-за структурного сходства. [8]
- Группа смектитов , в которую входят диоктаэдрические смектиты, такие как монтмориллонит , нонтронит и бейделлит, и триоктаэдрические смектиты, такие как сапонит . [21] В 2013 году аналитические тесты марсохода Curiosity показали результаты, соответствующие присутствию смектитовых глинистых минералов на планете Марс . [22] [23] [24]
- Группа иллита , в которую входят глины-слюды. Иллит — единственный распространенный минерал этой группы. [21]
- Группа хлорита включает большое разнообразие подобных минералов со значительными химическими вариациями. [21]
- Существуют и другие типы глин 2:1, такие как палыгорскит (также известный как аттапульгит ) и сепиолит , глины с длинными водными каналами внутри их структуры.
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]
Глина | Каолинит | Обезвоженный галлуазит | Гидратированный галлуазит | Иллит | Вермикулит | Смектит | Хлорит |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Рентгеновский RF(001)(нанометры) | 7 | 7 | 10 | 10 | 10–14 | 10–18 | 14 |
Гликоль (мг/г) | 16 | 35 | 60 | 60 | 200 | 300 | 30 |
ЦИК (мэкв/100 г) | 3 | 12 | 12 | 25 | 150 | 85 | 40 |
К 2 О (%) | 0 | 0 | 0 | 8–10 | 0 | 0 | 0 |
ДТА | Конец. 500–660° + Резкий* Экзо. Острый 900–975° | То же, что и каолинит, но коэффициент наклона пика 600° > 2,5. | То же, что и каолинит, но коэффициент наклона пика 600° > 2,5. | Конец. 500–650° Ширина. Конец. 800–900° Широкий экзо. 950° | 0 | Конец. 600–750° Конец. 900°. Экзо. 950° | Конец. 610 ± 10° или 720 ± 20° |
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
[ редактировать ]Глиняную гипотезу происхождения жизни предложил Грэм Кэрнс-Смит в 1985 году. [27] [28] Он постулирует, что сложные органические молекулы возникли постепенно на ранее существовавших неорганических репликационных поверхностях кристаллов силиката при контакте с водным раствором. глинистый минерал монтмориллонит Показано, что 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 метаболический фенотип затем развились в богатую сульфидами область горячих весной приобрела способность фиксировать азот . Наконец, фосфат был включен в развивающуюся систему, что позволило синтезировать нуклеотиды и фосфолипиды». [31]
Биомедицинское применение глин
[ редактировать ]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
[ редактировать ]Глинистые минералы можно включать в известково-метакаолиновые растворы для улучшения механических свойств. [33] Электрохимическое разделение позволяет получать модифицированные сапонитсодержащие продукты с высоким содержанием 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 при подготовке 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.
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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 в мягком состоянии часто называют мергелями . Точно так же глинистые песчаники, такие как граувакк , представляют собой песчаники, состоящие в основном из кварца зерен , с промежуточными пространствами, заполненными глинистыми минералами.
См. также
[ редактировать ]- Химия глины . Химическая структура, свойства и реакции глинистых минералов.
- Экспансивная глина - глинистая почва склонна к набуханию и сжатию.
- Аргиллит/глина на планете Марс
- Четырехугольник Эолиды - одна из серии из 30 четырехугольных карт Марса.
- Состав Марса - Отделение геологии Марса.
- Хронология Марсианской научной лаборатории - Хронология событий миссии Марсианской научной лаборатории НАСА.
- Обратное выветривание
- Общество глинистых минералов
- Глинистый минерал, рентгеновская дифракция
- Глина для лепки — любая из группы податливых веществ, используемых при строительстве и лепке.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ Гуггенхайм и Мартин 1995 , стр. 255–256.
- ^ Центр научного обучения, 2010 .
- ^ Брейер 2012 .
- ^ Боггс 2006 , с. 140.
- ^ Скарр 2005 , с. 238.
- ^ Ходжес, Южная Каролина (2010). «Основы плодородия почвы» (PDF) . Отделение почвоведения, Университет штата Северная Каролина . Проверено 8 декабря 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с д Бейли С.В. (1980). «Сводка рекомендаций номенклатурного комитета AIPEA по глинистым минералам» . Являюсь. Минерал. 65 : 1–7.
- ^ Jump up to: а б с д Нессе, Уильям Д. (2000). Введение в минералогию . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. стр. 252–257. ISBN 9780195106916 .
- ^ Jump up to: а б с Сродонь, Ю. (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 .
- ^ 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 .
- ^ Клопрогге, Дж. Т. (2017). «Раман-спектроскопия глинистых минералов». Развитие глиноведения . 8 : 150–199. дои : 10.1016/B978-0-08-100355-8.00006-0 . ISBN 9780081003558 .
- ^ 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 .
- ^ Уивер, Р. (2003). «Вновь открывая микроскопию поляризованного света» (PDF) . Американская лаборатория . 35 (20): 55–61 . Проверено 20 сентября 2021 г.
- ^ Технологический институт Джорджии (20 декабря 2012 г.). «Глины на Марсе: больше, чем ожидалось» . Наука Дейли . Проверено 22 марта 2019 г.
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ Jump up to: а б с д В этом 2000 году , стр. 235–237.
- ^ Jump up to: а б с д «Группа Клей Минерал» . Аметистовые галереи . 1996. Архивировано из оригинала 27 декабря 2005 года . Проверено 22 февраля 2007 г.
- ^ Эгл, округ Колумбия, Браун Д. (12 марта 2013 г.). «Ровер НАСА обнаружил на Марсе условия, когда-то подходящие для древней жизни » НАСА . Проверено 12 марта 2013 г.
- ^ Стена М (12 марта 2013 г.). «На Марсе когда-то могла быть жизнь: что вам нужно знать» . Space.com . Проверено 12 марта 2013 г.
- ^ Чанг К. (12 марта 2013 г.). «На Марсе когда-то могла быть жизнь, утверждает НАСА» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 12 марта 2013 г.
- ^ Мур Д.М., Рейнольдс-младший RC (1997). Рентгеновская дифракция, идентификация и анализ глинистых минералов (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780195087130 . ОСЛК 34731820 .
- ^ Основы поведения почвы, 3-е издание Джеймс К. Митчелл, Кеничи Сога. ISBN 978-0-471-46302-3 , Таблица 3.9 .
- ^ Кэрнс-Смит, Грэм (2 сентября 1982 г.). Генетический захват и минеральное происхождение жизни . Кембридж: Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-23312-7 . OCLC 7875600 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . ПМИД 11536891 . S2CID 2464 .
- ^ Хшановский, Войцех; Ким, Салли Юнсун; Абу Нил, Энсанья Али (2013). «Биомедицинское применение глины». Австралийский химический журнал . 66 (11): 1315. дои : 10.1071/CH13361 .
- ^ 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. дои : 10.1016/j.conbuildmat.2014.04.118 .
- ^ 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 .
- ^ Пашкевич, М.А.; Алексеенко, А.В. (2020). «Перспективы повторного использования хвостов алмазной глины рудника имени Ломоносова, Северо-Запад России» . Минералы . 10 (6): 517. Бибкод : 2020Мин...10..517П . дои : 10.3390/мин10060517 . В эту статью включен текст, доступный по лицензии CC BY 4.0 .
- ^ Митчелл, Джеймс Кеннет, 1930 – Основы поведения почвы / Джеймс К. Митчелл, Кеничи Сога.—3-е изд. р/85-100
- ^ Зивер, Раймонд (2019). «Глинистые породы» . Доступ к науке . дои : 10.1036/1097-8542.049900 .
- ^ «Глинистый известняк: информация о минералах, данные и местонахождение» . www.mindat.org . Проверено 27 декабря 2019 г.
Цитируемые работы
[ редактировать ]- Боггс, Сэм (2006). Принципы седиментологии и стратиграфии (4-е изд.). Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: Пирсон Прентис Холл. ISBN 0131547283 .
- Брейер, Стивен (июль 2012 г.). «Химия гончарного дела» (PDF) . Химическое образование : 17–20. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 8 декабря 2020 г.
- Докинз, Ричард (1996). Слепой часовщик (переиздание с новым введением под ред.). Нью-Йорк: WW Norton & Company. ISBN 978-0-393-31570-7 . OCLC 35648431 .
- Гуггенхайм, Стивен; Мартин, RT (1995). «Определение глины и глинистого минерала: совместный отчет номенклатурных комитетов AIPEA и номенклатурных комитетов CMS» . Глины и глинистые минералы . 43 (2): 255–256. Бибкод : 1995CCM....43..255G . дои : 10.1346/CCMN.1995.0430213 .
- Скарр, К. (2005). Человеческое прошлое . Лондон: Темза и Гудзон. ISBN 0500290636 .
- «Что такое глина» . Центр научного обучения . Университет Вайкато . Архивировано из оригинала 3 января 2016 года . Проверено 10 января 2016 г.