Читая каменную летопись Земли...

Большинство межслоевых катионов играют роль «молнии» или своего рода «липучек». Некоторые из них, например Са²⁺ или Mg²⁺, стягивают соседние пакеты совсем нежестко. Другие связывают пакеты более крепко (Na⁺). Все эти катионы относятся к обменным. С помощью нехитрой химической обработки их можно вывести наружу, заменив другими, скажем Li⁺, Н⁺, NH₄⁺. Благодаря небольшому отрицательному заряду, рассеянному по поверхности трехэтажных пакетов и в основном компенсированному обменными катионами, в межслоевом пространстве может помещаться вода, образующая слои или сетки. Последние составлены ориентированными молекулами воды, находящимися в состоянии жидкого кристалла. Возникает структура более плотная по сравнению со структурой льда. Такая вода называется переуплотненной. Полагают, что она является химически чистой, т. е. не содержит примесей, а потому агрессивна в химическом отношении.

В зависимости от типа обменного катиона, находящегося в межслоевом пространстве, там может образоваться один, два или более слоя структурированной воды: при преобладании натрия — один слой, при наличии кальция или магния — два слоя. Присутствие воды значительно растягивает межслоевое пространство. Высота двухслойного пакета (по оси с) равна 7,14 А^о, трехслойного — около 10 А^о. Но так как единичные пакеты разделены довольно широким межслоевым промежутком, в котором находятся вода и обменные катионы, то реальное расстояние между нижними поверхностями двух соседних трехэтажных пакетов возрастает до 12,4 или даже до 15,4 А^о. Это расстояние называется межплоскостным и широко используется для идентификации (диагностики) глинистых минералов.

Более того, в широкие межслоевые промежутки легко проникают тяжелые неполярные органические молекулы, например этиленгликоля или глицерина. И тогда межплоскостное расстояние увеличивается до 16,5 А^о в первом случае и до 17,8 А^о во втором. Минералы с подобной кристаллической решеткой называются разбухающими. В большинстве своем они относятся к группе смектита (рис. 2). Их несколько: смектит, бейделлит, сапонит, железистый смектит и некоторые редко встречающиеся минералы.

Рис. 2. Структура трехэтажного пакета смектита (Грим, 1956 г.) 1 — атомы кислорода; 2 — гидроксильные группы; 3 — агомы алюминии, железа, магния; 4 — атомы кремния, иногда алюминия

Минералы группы хлорита характеризуются межплоскостным расстоянием, близким к таковому смектитов. В межслоевом промежутке (d_хлорит = 14,3 А^о), как уже упоминалось выше, место структурированной воды и обменных катионов занимает отдельно лежащий октаэдрический слой. В отличие от смектитов минералы этой группы не разбухают в присутствии глицерина или этиленгликоля. Эффект разбухания наблюдается лишь в том случае, если октаэдрический слой разорван на отдельные блоки, между которыми, частично раздвинув межпакетное пространство, могут внедриться неполярные органические молекулы.

Наконец, самым крепким видом соединения трехэтажных пакетов в том слоеном пироге, которым является чешуйка глинистого минерала, является сочленение через катионы К⁺, находящиеся в межслоевом промежутке. Крупные катионы этого элемента лежат как бы полуутопленными в пустотах, окруженных шестью соседними тетраэдрами. Если верхняя половина катиона оказывается в точно такой же ячейке тетраэдрического слоя соседнего пакета, межпакетное пространство запирается словно на кнопки. Чтобы «расстегнуть» их, необходимо удалить К⁺. Подобное строение характерно для минералов группы слюд (мусковита, биотита, флогопита) и сохраняется в производных от них образованиях — иллитах (гидрослюдах). Жесткость сцепления обеспечивается сильным отрицательным зарядом трехэтажных пакетов у всех этих минералов, который как раз и нейтрализуется калием. В отличие от слюд у иллитов кнопки расставлены далеко не равномерно, т. е. часть пакетов не пристегнуты «намертво». Там, где отсутствует К ⁺, могут находиться молекулы воды. Именно поэтому эти минералы нередко именуют гидрослюдами. Они практически не разбухают и имеют межплоскостное расстояние около 10 А^о.

Таким образом, мы познакомились со структурой основных глинистых минералов — смектитов, каолинита, иллита и хлорита. Существует масса разновидностей этих образований, а также переходных между ними форм. Родственными являются также структуры, относимые к псевдослоистым силикатам, — палыгорскит и сепиолит. Они возникают в условиях дефицита основных строительных кирпичиков — кремния и алюминия, а поэтому отличаются игольчатой или волокнистой формой кристаллов, прекрасно идентифицируемых на электронных микрофотографиях.