Трансформация минералов глин в отложениях Кунгурской пещеры // Вестник Перм. ун-та. – Пермь, 1999. – Вып. 3. – Геология. – С. 232-237. — Лаборатория геологии техногенных процессов

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[Al_nSi_2-n*O₅], где n- от 0,3 до 1,0. Для него характерен широкий изоморфизм главных элементов (Mg⁺²

Fe⁺²

Mn⁺² и Al₊₃

Fe⁺³

Cr⁺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
Минералы	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 2

Литература

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.
Лазаренко Е. К. Курс минералогии. — М.: Высшая школа, 1971.
Максимович Н.Г., Бельтюкова Н. В. Вторичные минералы карбонатных карстовых пещер // Пещеры. — Пермь, 1981. — N18. — С.59–70.
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.