|
Основными элементами кристаллохимической структуры глинистых минералов являются листы кремнекислородных тетраэдров, которые прочно связаны с ионами алюминия и гидроксид-ионами в виде двух- или трехслойных пакетов. Наличие листов кремнекислородных тетраэдров характерно и для глинистых минералов, и для слюд, но строение пакетов и тип межпакетной связи у них резко различаются.
В структуре каолинита чередуются плоские двухслойные пакеты (цвет. рис. VII, слева). Верхний слой состоит из кремнекислородных тетраэдров, нижний — из сочетания ионов алюминия и гидроксид-ионов. Каждый ион алюминия находится в связи с четырьмя гидроксид-ионами и двумя ионами кислорода. Формула каолинита Al4 (ОН)8 lSi4O10). Как видно на рисунке VII (слева), пакеты не соединены между собой ионной связью.
В другом распространенном глинистом минерале — монтмориллоните (рис. VII, справа) плоские пакеты трехслойны. Верхний и нижний слои представлены листами кремнекислородных тетраэдров, между которыми располагаются ионы алюминия (и магния) и гидроксид-ионы. Формула минерала (Al2> Mg3)(OH)2[Si4O10]- лН20. Особенностью структуры монтмориллонита является очень слабая связь между пакетами. В межпакетное пространство могут входить молекулы воды и раздвигать пакеты. С этим связано сильное набухание монтмориллонитовых глин.
Кристаллохимическое строение гипергенных и глубинных силикатов принципиально различается. В структурах глубинных силикатов по всем трем измерениям объема развиты электростатические (ионные, ионно-ковалентные) связи. В глинистых минералах электростатические силы имеются только в пределах плоского пакета, а связь между пакетами осуществляется межмолекулярными силами. Как удачно отметил советский ученый Е. Г. Куковский, слой имеет признаки как ионных, так и молекулярных кристаллов и является переходным звеном между неорганическим и органическим миром.
Обратим внимание еще на одно важное обстоятельство. В глубинных силикатах алюминий ведет себя двояко. Ионы алюминия иногда находятся в шестерной координации, окруженные шестью ионами кислорода и гидроксид-ионами, как, например, в слюдах (с. 19). Однако значительно чаще алюминий располагается внутри группы из четырех ионов кислорода, образуя алюмокислородные октаэдры, как, например, в самых распространенных минералах, составляющих более 60% земной коры, — в полевых шпатах. На поверхности суши происходит огромная по своим масштабам перегруппировка атомов алюминия, которые уходят из алюмокислородных тетраэдров и связываются с ионами кислорода и гндроксид-ионами в шестерной координации. Что означает эта перегруппировка, каков ее физический смысл?
Обратимся к расчетам. В окружении четырех ионов кислорода расстояние А1 — О составляет около 0,17 нм. В окружении шести атомов кислорода и гидроксид-ионов это расстояние больше, около 0,19 нм. Можно ориентировочно подсчитать, для образования какой из этих связей требуется больше энергии.
Для того чтобы переместить ионы из исходного положения на большее расстояние, необходимо израсходовать определенную энергию. Следовательно, можно предполагать, что в процессе образования новых кристаллохимических структур с увеличением расстояния между ионами алюминия и кислорода затрачивается энергия, которой как бы «заряжаются» глинистые минералы.
Расчеты показывают, что энергия связи О— А1 в окружении четырех ионов кислорода равна около 6750 кДж, в окружении шести ионов — 7510 кДж. Значит, структуры с алюминием в шестерной координации содержат энергии значительно больше, чем структуры, основанные на четверной координации этого элемента. Исходя из этого, советские ученые академик Н. В. Белов и В. И. Лебедев разработали гипотезу о глинистых минералах как геохимических аккумуляторах солнечной энергии.
Действительно, источник энергии, необходимый для преобразования кристаллического вещества земной коры на поверхности суши, — солнечная радиация. Как мы уже знаем, в структуре глинистых минералов слои кремнекислородных тетраэдров чередуются с алюмо-гидроксильными слоями, где алюминий находится в шестерной координации. Содержание алюминия в этом состоянии в глинистых минералах очень большое, например в каолините его почти 40%. В равных объемах в структуре глинистых минералов заключено значительно больше энергии, чем в глубинных силикатах. Если скопления глинистых минералов в результате геологических процессов оказываются в недрах Земли, то там начинается перекристаллизация, преобразование кристаллохимических структур применительно к условиям высоких температур и давлений. Процесс перегруппировки атомов идет в обратном направлении, и возникают глубинные минералы, в структуре которых алюминий образует связи с четырьмя ионами кислорода. При этом освобождается огромное количество энергии.
Возможно, что с помощью глинистых минералов- обеспечиваются энергией многие мощные геохимические процессы в недрах Земли.
Итак, невзрачные, повсеместно распространенные глины предстают перед нами в неожиданном качестве — в роли геохимических аккумуляторов лучистой энергии Солнца.
|