Породы, долгое время остававшиеся загадочными

Песчаные и алевритовые породы, о которых только что шла речь, состоят из мелких обломочных частиц минералов. К ним по размеру минеральных частиц примыкают другие широко распространенные горные породы - глины, но состоят они в основном из частичек не обломочного происхождения. Размер глинистых частиц обычно меньше 0,001 мм.

Ничтожные размеры частичек глинистых минералов, или, как говорят, сильная дисперсность глин, привели к тому, что до недавнего времени об их составе знали очень немного. Размер глинистых частичек настолько мал, что в поляризационном микроскопе при самом сильном увеличении (до двух тысяч раз) видны только какие-то точки, о природе которых нельзя сказать ничего определенного. Не помогал и химический анализ, поскольку не было уверенности, что глина состоит из одного минерала, а не из смеси нескольких.

Минеральный состав глин начал выясняться при сопоставлении их химического состава и кривых нагревания с составом и кривыми нагревания хорошо окристаллизованных разновидностей таких минералов, как каолинит, монтмориллонит, гидратированная слюда, палыгорскит и некоторых других. Точные данные о составе глин были получены с помощью рентгеновского анализа и электронного микроскопа (рис. 7). Теперь известно, что состав и характерные особенности глин определяют несколько тонкодисперсных минералов, называемых глинистыми. Главные из них каолинит, монтмориллонит, гидрослюда и палыгорскит. Кроме того выделяются промежуточные, так называемые смешаннослойные образования, состоящие из элементарных частиц двух или нескольких глинистых минералов, многократно сменяющих друг друга. Как примесь в глинах встречаются зернышки кварца, полевых шпатов, слюд и некоторых других минералов. По химическому составу глинистые минералы относятся к алюмосиликатам и состоят из кремния, алюминия, кислорода и водорода. В некоторых из них содержатся еще железо и магний (монтмориллонит), магний (палыгорскит) или калий (гидрослюда). Кристаллические решетки большинства глинистых минералов слоистые.

Рис. 7. Кристаллы каолинита под электронным микроскопом. Увеличение в 25 тысяч раз. По Г. С. Грицаенко и др

Основная масса глинистых минералов образовалась при выветривании горных пород с полевым шпатом и слюдой. Пропитывающая горные породы вода с растворенными в ней кислородом, углекислым газом и различными веществами химически разлагала полевые шпаты и слюду и замещала их глинистыми. Иногда глинистые минералы оставались на месте своего образования, где природа разрушила их "прародителей". Так возникли "первичные", или "остаточные", залежи глины, обычно мощные (до нескольких десятков метров), занимающие большие площади.

Однако большая часть месторождений первичных глин размыта водой, ветром и движущимися ледниками, а глинистые минералы перенесены на далекие расстояния. В местах, где скорость водных потоков уменьшалась, глинистые частички отлагались и накапливались, при благоприятных условиях сохранившись в виде сравнительно небольших залежей слоистого строения. Это и есть месторождения вторичных глин.

Глины - важное полезное ископаемое, находящее самое разнообразное применение. Каолин - обязательная составная часть смеси для изготовления фарфора и фаянса. Это белая, жирная на ощупь, малопластичная и очень огнеупорная глина (плавится при температуре около 1750°С). Каолин - превосходный наполнитель, широко используется в бумажной, парфюмерной, мыловаренной и резиновой промышленности. Волокнистость бумажной массы, хотя ее тщательно растирают, не позволяет получить однородную гладкую бумагу. Поэтому в бумажную массу добавляют так называемый наполнитель, закрывающий промежутки между волокнами. Лучший наполнитель для бумаги - каолинит, который к тому же из-за своего ослепительно-белого цвета служит и отбеливателем.

Гидрослюдистые глины легкоплавкие и в основном идут для изготовления грубой керамики - кирпича, черепицы, гончарных предметов и пр.

Монтмориллонитовые глины окрашены в зеленоватый или желтый цвет, восковидны, с матовым блеском. Некоторые из них легко поглощают воду и сильно набухают. Монтмориллонитовые, или, как их еще называют, бентонитовые, глины отличаются от других способностью извлекать примеси из жидкостей, твердых веществ и шерсти. Монтмориллонитовые глины прекрасно очищают нефтяные продукты, растительные масла, уксус, вина, фруктовые соки и др. В текстильной промышленности они издавна применяются для обезжиривания шерсти и известны под названием сукновальных глин.

Пробиваясь через скалу, мелодично журчит источник, привлекая прохладой утомленного путника. Кристально чистая родниковая вода освежает и утоляет жажду. Но почему вода источника особенно вкусная и прозрачная? А все дело в глине. Прежде чем выйти на поверхность, вода под землей проходит длинный путь, фильтруясь через тончайшие поры и трещинки в горных породах. На этом пути она оставляет на частичках минералов-поглотителей, или, как их называют, адсорбентов, примеси коллоидного и молекулярного размера. А лучшие природные адсорбенты - глинистые минералы. Их частички самые мелкие, поперечником в микроны и доли микронов и, соответственно, с очень большой поверхностью, потому они сильнее, чем какие-либо другие минералы, задерживают частички примесей. Особенно же эффективны монтмориллонитовые глины, обладающие к тому же способностью обменивать свои катионы на катионы примесей.

В Крыму бентонитовая глина, называемая здесь кил, издавна использовалась как природное мыло. Эта глина серо-зеленого цвета легко "намыливается" на мокрое тело как настоящее мыло, только не дает пены. А самое удивительное состоит в том, что кил прекрасно моет и в морской воде. Секрет моющей способности кила, как и других монтмориллонитовых глин, очень прост. Дело в том, что тонкодисперсные частички монтмориллонита, попадая на кожу, адсорбируют на своей поверхности частички грязи.

Монтмориллонитовые глины имеют немалое значение и в животноводстве. Доказано, что прибавка к кормовым рационам бентонитовой глины заметно увеличивает эффективность откормки животных. Возьмем, например, щелочной бентонит Асканского месторождения в Грузии. Он содействует увеличению живого веса овец на 15-20%. Примерно на столько же бентониты увеличивают урожай зеленой массы злаковых и овощей. Таким образом, бентониты относятся к биологически активным веществам, и поэтому их называют бентобиотиками. Суть их действия связана с тем, что бентониты как адсорбенты вызывают сорбционные явления в пищеварительном аппарате животных, усиливают отделение слюны и желудочного сока, ускоряя таким образом жизненные процессы.

В последние десятилетия огромные массы монтмориллонитовых глин используются в буровой технике. На обширной территории нашей страны при поисках и разведке полезных ископаемых бурят огромное число скважин. И в каждую из них нагнетается водный раствор глины. Он укрепляет стенки скважин и выносит на поверхность обломки разбуренной горной породы, охлаждает буровой инструмент и уменьшает его истирание в забое скважины. Кроме того, глинистые растворы благодаря своей довольно высокой вязкости значительно эффективнее выносят выбуренный шлам. Лучшим материалом для приготовления - глинистых растворов служат монтмориллонитовые глины. О масштабе их применения свидетельствуют следующие данные. В нашей стране в 1975 г. при бурении было использовано около 500 тысяч тонн высококачественных монтмориллонитовых глин, что составляет 24% от всей их добычи в стране.

Менее всего распространены палыгорскитовые глины. Они состоят из своеобразного минерала палыгорскита, отличающегося от всех остальных глинистых минералов волокнистой формой кристаллов. Под электронным микроскопом видно, что его волокна часто собраны в пучки, кристаллы нередко изогнуты, а их концы заострены. В последнее десятилетие было открыто и изучено уникальное по качеству и своим огромным запасам месторождение палыгорскитовых и монтмориллонитовых глин в Черкасской области (Украина). Невозможно переоценить значение глин Черкасского месторождения, представляющих собой сырье для изготовления обычных и солестойких буровых растворов, формовочных материалов, адсорбентов в нефтеперерабатывающей и пищевой промышленности, фармацевтических препаратов, фарфоро-фаянсовых изделий и в других отраслях промышленности.

Глинистые почвы, когда они служат основаниями для инженерных сооружений, могут быть очень коварными. Дело в том, что они, несмотря на кажущуюся плотность, - высокопористые породы. И хотя их пористость весьма значительна (до 60%), но без лабораторных исследований она не обнаруживается. Объясняется это микроскопическим размером пор (1-5 микрон). В природных условиях микропоры обычно заполнены влагой. Пористость глин приводит к тому, что при возведении на них тяжелых зданий грунт под весом сооружений уплотняется и оседает. Если осадка идет неравномерно, здания становятся наклонными, "падающими". Широко известна падающая башня в итальянском городе Пизе. За время с 1174 г. до середины XX века башня осела с одной стороны на 3,2 м, с другой - на 1,6 м. Незадолго перед второй мировой войной осадка илисто-глинистого грунта прекратилась. Но во время военных действий на площадь, где стоит башня, упали бомбы. Взрывы вызвали сотрясение почвы, грунт "ожил", и вновь стал увеличиваться наклон башни. Сейчас отклонение верхушки башни от вертикальной оси достигло 4,9 м. Если не будут предприняты энергичные меры, башня неминуемо рухнет.

Другим интересным, но менее известным примером "падающего" здания служит башня Сюмбеки в Казанском Кремле, построенная в XVII в. Это стройное семиярусное высотой 58 м здание из красного обожженного кирпича возводилось на дубовых сваях, часть которых со временем опустилась. Поэтому башня отклонилась от вертикальной оси на 169 см.