УДК 551
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ СМЕКТИТОВЫХ СЛОЕВ В ДИСПЕРСНЫХ ДИОКТАЭДРИЧЕСКИХ K-СОДЕРЖАЩИХ СЛЮДИСТЫХ МИНЕРАЛАХ
© 2015 г. Б. А. Сахаров, В. А. Дриц
Геологический институт РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 7;
E-mail: sakharovba@gmail.com Поступила в редакцию 26.03.2014 г.
Разработана методика определения небольших содержаний смектитовых слоев в структуре дисперсных диоктаэдрических К-содержащих слюдистых разновидностей иллит-глауконитового состава. Для ее реализации были рассчитаны дифракционные картины, соответствующие двухкомпо-нентным смешанослойным структурам слюда-смектит, в которых содержание смектитовых слоев с шагом 2% увеличивалось от 2 до 20% при факторе ближнего порядка R = 0 и от 2 до 14% при факторе R = 1. В соответствии с принципами Ж. Меринга [Mering, 1949] и Q-правилами Д. Мура и Р. Рейнол-дса [Moore, Reynolds, 1989] для смешанослойной структуры с данным содержанием смектитовых слоев ЖСм рассчитывалась полуширина ß cos 9 каждого базального рефлекса и его расстояние Q до ближайшего рефлекса, соответствующего периодической структуре, состоящей из слюдистых слоев высотой 9.98 А. Зависимость Q от ßcos9 для серии базальных отражений, наблюдаемых на рассчитанной дифракционной картине, апроксимировалась прямой, соответствующей линейному регрессионному уравнению. Выведены уравнения, связывающие углы наклона прямых (а) и концентрации смектитовых слоев (ЖСм) в анализируемых смешанослойных структурах с факторами ближнего порядка R = 0 и R = 1 соответственно. Для определения содержания смектитовых слоев в природных слюдистых разновидностях базальные рефлексы, наблюдаемые на экспериментальных дифракто-граммах от ориентированных, насыщенных этиленгликолем образцов, подвергались следующей процедуре: определялась полуширина (ß cos 9)э каждого 001 рефлекса анализируемого образца и строилась зависимость Q от (ß cos9)э для наблюдаемой серии базальных отражений, апроксимиро-ванная линейным регрессионным уравнением и соответствующей прямой; вычислялся угол наклона этой прямой а и с помощью уравнения, связывающего значения а и WCyi, определялось содержание смектитовых слоев в структуре образца. Применение описанной процедуры показало, что содержание смектитовых слоев в изученных образцах изменялось в пределах от 5.2 до 12.6%. Точность определения смектитовых слоев составляла доли процента. Поскольку полуширина рефлекса 003 не зависит от содержания смектитовых слоев, ее значение использовалось для определения толщины и числа слоев в усредненной области когерентного рассеяния изучаемого образца. Дифракционные картины, рассчитанные для смешанослойных структур, параметры которых, ^См, ^Сл, R, T и N были определены экспериментально, оказались в хорошем соответствии с экспериментальными дифрактограммами изученных образцов.
DOI: 10.7868/S0024497X1501005X
Тонкодисперсные диоктаэдрические К-содер-жащие слюдистые минералы широко распространены в самых разнообразных геологических об-становках земной коры [Srodon, 1999; Moore, Reynolds, 1989; 1997; Дриц, Коссовская, 1990, 1991; Дриц и др., 1983]. Идеализированная структура этих минералов образована совокупностью 2 : 1 слоев, разделенных межслоевыми катионами калия. Каждый 2 : 1 слой состоит из октаэдриче-ской сетки, к которой сверху и снизу примыкают тетраэдрические сетки. В диоктаэдрических 2 : 1 слоях катионы заселяют два из трех симметрично независимых октаэдра. Последовательность 2 : 1 слоев образует однослойную моноклинную
структуру, соответствующую политипной модификации 1М. В природных образцах такая периодичность часто нарушается из-за наличия дефектов упаковки, обусловленных относительными поворотами соседних слоев либо на ±120°, либо на п60° (п = 0, 1, 2, ..., 5). Идеализированную структурную формулу рассматриваемой группы минералов можно представить в виде:
К+,(814-Ж) (Я 2-д У+)Ою(ОН)2,
где Д3+ и Д2+ соответствуют трехвалентным (А1, Ре3+) и двухвалентным (М§, Бе2+) октаэдрическим катионам.
В зависимости от катионного состава октаэд-рических и тетраэдрических сеток 2 : 1 слоев выделяются следующие основные минеральные разновидности: иллиты (x > 0.2; R3+ > R2+, Al > > Fe3+), глаукониты (x > 0.2; R3+ > R2+, Fe3+ > Al), алюминоселадониты (R3+ ~ R2+, Al > Fe3+, x < 0.2) и селадониты (R3+ ~ R2+, Fe3+ > Al, x < 0.2). Для всех низкотемпературных (т.е. образовавшихся при температуре ниже 150°C) тонкодисперсных диоктаэдрических К-содержащих слюдистых минералов характерны две особенности. Во-первых, межслоевые катионы К занимают большую часть, но не все доступные межслоевые позиции и поэтому сумма катионов К в слюдистых межслоях (x + y) варьирует для разных образцов от 0.65 до 0.85 [Srodon et al., 1986; Sakharov et al., 1990, 1999] в расчете на О10(ОН)2. Во-вторых, межслоевые промежутки рассматриваемой группы минералов наряду с преобладающими слюдистыми слоями содержат небольшое количество разбухающих смектитовых межслоев. Другими словами, как правило, тонкодисперсные диоктаэдрические слюдоподобные образования имеют смешано-слойную структуру, в которой до 20% смектитовых межслоев распределены между слюдистыми с разной степенью порядка-беспорядка [Reynolds, 1980, 1988; Дриц, Сахаров, 1976; Drits, Tchoubar, 1990]. Определению содержания и порядка чередования слюдистых и смектитовых межслоев в смешанослойных структурах иллит-смектит и глауконит-смектит посвящена обширная литература [Reynolds, Hower, 1970; Reynolds, 1985; Дриц, Сахаров, 1976; Дриц и др., 1983, 2010; Drits. Tchoubar, 1990; McCarty et al., 2009; Srodon et al., 1980, 1981, 1984; Sakharov, Lanson, 2013]. Наиболее эффективным подходом к структурному изучению образца является получение максимально близкого соответствия между рассчитанными и экспериментальными дифрактограммами, содержащими базальные отражения. При этом считается, что структурные параметры, при которых такое соответствие достигнуто, адекватно описывают структуру образца [Sakharov et al., 1999; Drits et al., 1997b; Lanson et al., 2009; Drits et al., 2005]. Такой подход является достаточно трудоемким и требует использования специализированных программ. Поэтому на практике более широко применяется другой способ определения структурных характеристик смешанослойных образований. Для его реализации ряд авторов [Дриц, Сахаров, 1976; Reynolds, 1980, 1988; Дриц и др., 1983; Srodon, 1980, 1981, 1984; Watanabe, 1981] провели систематический расчет дифракционных картин для диоктаэдрических смешанослой-ных иллит-смектитов и глауконит-смектитов, различающихся по содержанию и порядку распределения разнотипных слоев.
На основании этих данных были установлены дифракционные критерии, с помощью которых без предварительных расчетов можно выявлять наличие в образце той или иной смешанослойной фазы. Более того, предложен ряд графических методов определения типов слоев, их концентрации и способа чередования. Эти методы основаны на анализе позиций базальных отражений, регистрируемых на дифрактограммах от ориентированных препаратов, насыщенных этиленглико-лем. Очевидно, что чем меньше содержание смек-титовых слоев в структуре слюдистого образца, тем слабее их влияние на положение базальных отражений. При достаточно низких содержаниях смектитовых слоев положение базальных рефлексов зависит не столько от концентрации разбухающих межслоев сколько от толщины областей когерентного рассеяния и инструментальных факторов. В этих условиях опубликованные в литературе графические методы оказываются малоэффективными, поскольку не позволяют достаточно точно определять небольшие содержания смектитовых слоев в структуре смешано-слойных минералов.
Д. Мур и Р. Рейнолдс [Moore, Reynolds, 1989] предложили другой способ оценки небольших содержаний слоев одного типа в матрице слоев другого типа, основанный на принципах Ж. Ме-ринга [Mering, 1949]. Согласно одному из этих принципов уширение базального рефлекса от смешанослойной структуры, в которой неупорядоченно чередуются слои А и В, зависит от его расстояния до ближайшего базального рефлекса, соответствующего периодической структуре, состоящей соответственно либо из слоев А, либо из слоев В. Таким образом, возникает возможность на основании анализа уширений базальных рефлексов, наблюдаемых на дифрактограмме двух-компонентной смешанослойной структуры, определять содержание небольших количеств одного из чередующихся компонентов.
Основное преимущество предложенного подхода состоит в том, что при его применении не требуется определять точное положение базаль-ных отражений от анализируемого смешанослой-ного образца. К сожалению в работе [Moore, Reynolds, 1997] недостаточно подробно описаны физические основы, приведшие к так называемому Q-правилу, которое рекомендовано использовать для оценки степени уширения базальных рефлексов, соответствующих той или иной смешано-слойной фазе.
Возможно, по этой причине, насколько нам известно, Q-правила до сих пор не применялись для анализа природных смешанослойных фаз.
Задача данной работы состояла в том, чтобы подробно рассмотреть методологические аспекты данного подхода, его возможности и ограничения
применительно к высокодисперсным диоктаэд-рическим разновидностям К-содержащих слюдистых минералов, иллитам и глауконитам, содержащим небольшие количества разбухающих смектитовых слоев и характеризующимися сравнительно тонкими областями когерентного рассеяния. Для решения данной задачи использовалась компьютерная программа, позволяющая моделировать дифракционные картины от структурных моделей рассматриваемой группы слюдистых минералов, содержащих небольшие количества смек-титовых слоев. Высокая эффективность применения этой программы продемонстрирована на примере изучения самых разнообразных природных смешанослойных образований [Дриц и др., 2011; Drits et al., 1997b, 2002a, 2005; Sakharov et al., 1999; Lanson et al., 2009; Lindgreen et al., 2002, 2008; McCarty et al., 2008, 2009].
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве объектов исследования использовались глобулярные диоктаэдрические слюдистые разновидности глауконит-иллитового состава, отобранные из разрезов верхнего протерозоя Северной Сиб
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.