KHOÁNG VẬT SÉT

56 Phần lớn, khoáng vật sét thường gặp dưới dạng tập hợp hạt mịn. Khi hấp phụ nước, chúng trở thành vật liệu với độ dẻo thay đổi. Hạt sét có dạng vảy; chúng có thể tồn tại ở trạng thái vô định hình. Kích thước hạt thường nhỏ, có thể thay đổi từ cỡ hạt keo cho đến gần giới hạn của độ phân giải của kính hiển vi. Về cấu trúc tinh thể, khoáng vật sét hình thành từ các lớp TO và TOT gồm lá tứ diện SiO 4 ghép với lá bát diện kiểu brucit/gibbsit. Dựa trên những đặc trưng khác nhau, trước hết là độ lớn của c (thông số chuỗi mạng thẳng góc với mặt lớp) khoáng sét chia thành 4 nhóm chính: kaolinit (7Å), illit (10Å), smectit (15Å) và vermiculit (14,5Å). Bảng 6.15 Số liệu hoá phân tích của khoáng vật sét 1 2 3 4 5 6 7 SiO 2 46,20 44,46 51,25 56,59 51,46 50,25 34,04 TiO 2 0,09 0,15 0,17 0,06 0,05 0,03 – Al 2 O 3 39,20 36,58 23,53 20,06 2,20 4.44 15,37 Fe 2 O 3 0,23 0,36 2,02 3,19 24,70 0,50 8,01 FeO – 0,07 0,33 – – – – MnO – – – 0,03 0,03 0,02 – MgO 0,07 0,18 3,32 3,10 3,27 23,81 22,58 CaO 0,06 0,19 0,59 0,68 1,45 1,70 0,00 Na 2 O 0,09 0,01 0,05 2,17 1,06 0,76 0,00 K 2 O 0,21 0,51 7,61 0,45 0,24 0,10 0,00 H 2 O + 13,80 13,38 5,87 13,67 15,34 7.25 19,93 H 2 O – – 4,05 5,26 – – 10,76 – Tổng 99,95 100,12 100,02 100,00 99,80 99,69 99,93 Số ion tính trên 18 (O,OH) Si 3,981 4,01 7,163 7,776 7,950 7,513 5,44 Al 0,019 – 0,837 0,224 0,050 0,487 2,56 ∑ 4,00 4,01 8,00 8,00 8,00 8,00 8,00 Al 3,962 3,89 3,040 3,026 0,351 0,296 0,32 Ti 0,006 0,01 0,018 0,006 0,006 0,003 – Fe 3+ 0,015 0,02 0,212 0,330 2,872 0,056 0,96 Fe 2+ – 0,01 0,039 – – – – Mn – – – 0,003 0,004 0,003 – Mg 0,009 0,02 0,692 0,635 0,753 5,306 4,72 ∑ 3,99 3,95 4,00 4,00 3,99 5,67 6,00 Mg 0,64 Ca 0,006 0,02 0,088 0,100 0,240 0,272 – K 0,023 0,06 1,357 0,079 0,047 0,019 – Na 0,015 0,00 0,014 0,578 0,318 0,220 – ∑ 1,46 0,76 0,60 0,51 57 OH 7,980 8,04 4,000 4,000 4,000 4,00 H 2 O 8,64 1. Kaolinit, St. Austell, Cornwall, UK; Contain 1-2 per cent mica (Jepson, W. B. & Rowse, J. B., 1975, Clays and Clay Min., 23, 310-17). 2. White halloysite, Bedford, Indiana, USA (Kerr, P. F.,Hamilton, P.K. & Pill, R. J., 1950, Reference clay minrrals. Amer. Petrolium Inst. Res. Proj., 49, Columbia Univ., New york, Includes P 2 O 5 0,18). 3. Illite, Aymestry Limestone, Showers End, Worcs, UK (Srodon, J. & Karlinger, M. R., 1986, Clays and Clay Min., 34,368-78. Includes P 2 O 5 0,02. Containes 7 per cent smectit layers). 4. Montmorillonite, Creme, Recoaro Terme, Vicenza, Itali (Brigatti, M. F., 1983, Clay Min., 18, 177-86). 5. Nontronite, Andreasberg, Germany (Brigatti, M. F., 1983, Clay Min., 18, 177-86). 6. Saponite, Ballarat, Inyo Co., California, USA (Post, J. G., 1984, Clays and Clay Min., 32, 147-53. Includes NiO 0,07). 7. Vermiculit, Kenya (Mathieson, A. McI & Walker, G. F., 1954, Amer. Min., 39, 231- 55). Tuy vậy, thông số này có thể thay đổi giá trị: tăng (trương nở) do nước hay dung môi hữu cơ bị hấp phụ, nằm chèn vào giữa các lớp; giảm (co rút) do mất cả nước hấp phụ và nước cấu trúc. Khoáng vật sét hết thảy đều là silicat ngậm nước, ở nhiệt độ cao sau khi mất nước, chúng biến thành vật li ệu chịu lửa. Những trang sau sẽ đề cập đến các khoáng, trừ nhóm năm. Tuy có nhiều điểm chung như các khoáng dạng lớp, paligorskit và sapiolit có dạng sợi mảnh. Cấu trúc của chúng cũng có nhóm chức (Al,Si) 2 O 5 dạng lá, nhưng các bát diện (Al, Mg, Fe) không kết thành lớp mà thành chuỗi, để lại các kênh chứa các phân tử nước và chất hữu cơ. Bảng 6.16 Một số đặc trưng chính của các nhóm khoáng vật sét Kaolinit Illit Smectit Vermiculit T : O 1 : 1 2 : 1 2 : 1 2 : 1 Lá bát diện Hai bát diện Hầu hết hai bát diện Hai và ba bát diện Hầu hết ba bát diện Cation trao đổi Không có K Ca, Na Mg Nước xen lớp Haloysit: 1 lớp Phân tử H 2 O Một ít trong hydromica 1 lớp H 2 O (Na-smectit)/2 lớp H 2 O (Ca-smectit) 2 lớp phân tử H 2 O Thông số c 7,1Å (haloysit:10Å) 10 Å Không xác định, Ca- smectit : 15Å Không xác định, 14,4Å khi ngậm đủ nước Glycol Chỉ haloysit hấp phụ Không tác dụng 2 lớp pt glycol, 17Å 1 lớp pt glycol, 14Å Công thức Al 4 Si 4 O 10 (OH) 8 KAl 4 (Si,Al) 8 M + (Y 3+ ,Y 2+ ) 4–6 M 2+ (Y 3+ ,Y 2+ ) 4-6 58 hoá học ít biến đổi O 20 (OH) 4 (Si,Al) 8 O 20 (OH) 4 .nH 2 O (Si,Al) 8 O 20 (OH) 4 .8H 2 O Nung 200°C Haloysit co rút, c = 7,4Å Không biến đổi Co rút, c = 10 Å Phân lớp, c giảm Nung 650°C Kaolinit ⇔ Metakaolinit, c 7Å c 10 Å c 9,6 – 10Å Co rút c đến 9Å Chiết suất Np, Ng, 2V 1,55 –1,56 1,56 – 1,57 24 – 50°º 1,54 – 1,57 1,57 – 1,61 < 10°º 1,48 – 1,61 1,50 – 1,64 Không xác định 1,52 – 1,57 1,53 – 1,58 <18°º Khoáng vật sét phân biệt nhau ở cách chúng mất nước, cách chúng phân rã và ở bản chất của sản phẩm phân huỷ. Thành phần hoá học (xem bảng 6.15) biến động tuỳ thuộc quy mô trao đổi của Si, Al và Mg với các cation khác, tuỳ thuộc bản chất và số lượng của cation và nước chúng hấp phụ. Khoáng vật sét là thành tố chính của một loại trầm tích, mà sau khi lắng đọng và kết chặt sản sinh đá phiến sét hay đá sét. Chúng thường là sả n phẩm của phong hoá và biến đổi nhiệt dịch, loại hình thay đổi tuỳ thuộc điều kiện hoá lí và bản chất của đá mẹ; ví dụ feldspat, mica, phun trào thuỷ tinh hay các khoáng vật fema. Khoáng sét đóng vai trò quan trọng trong kiến trúc và tính chất của đất trồng. Khoáng vật sét tập hợp trong các nhóm sau: Nhóm kaolinit, gồm kaolinit, dickit, nacrit và haloysit. Nhóm illit, gồm illit, hydromica, phengit, bramalit, glauconit và celadolit. Nhóm smectit, gồm montmorillonit, beidelit, nontronit, hectorit, saponit và sauconit. Vermiculit Nhóm paligorskit, gồm paligorskit và sepiolit. 6.10.1. Kaolinit Hệ ba nghiêng hay một nghiêng (−) Al 4 [Si 4 O 10 ] (OH) 8 Np,Nm,Ng 1,553 – 1,565; 1,559 – 1,569; 1,560 – 1,570; Ng−Np; 2V ∼ 0,006; 24 – 59° Ô cơ sở : a ∼5,15Å; b ∼8,95Å; c ∼7,4Å; α ∼91,8°; β ∼104,8°; γ ∼90°. Z = 1; NKG: C1 Định hướng : Nm : x = 1 – 3,5°; Ng = y. MQT ⊥ (010) d hkl chính, Å : 7,15 (10); 3,57 (10); 2,55 (8); 2,49 (9); 2,33 (10); 2,33 (10). Đặc điểm cấu trúc Với T : O = 1 (bảng 6.16), kaolinit có đơn vị cấu trúc gồm hai lá TO; lá tứ diện và lá bát diện dạng gibbsit. Nhóm chức (Si 4 O 10 ) 4– hình thành từ những tứ diện SiO 4 gắn kết thành lá (do các vòng lục giác ghép lại). Đáy các tứ diện gần như đồng phẳng, đỉnh của chúng đều hướng về phía đối. Tại tâm lục giác giữa 6 ion oxy đỉnh này có ion OH – , các anion O 2– và 59 OH – ấy tạo nên đáy của lá bát diện dạng gibbsit (OH) 6 –Al 4 –(OH) 2 O 4 . Tại đây, Al chỉ chiếm 2/3 số khoang bát diện (hình 6.28). Các lớp TO của kaolinit xếp chồng lên nhau, sao cho ion oxy mặt dưới của lớp này kết nối với ion hydro mặt trên của lớp kia (bằng mối liên kết hydro). Ô mạng cơ sở hệ ba nghiêng của cấu trúc tinh thể kaolinit hình thành như vậy. Nó chỉ gồm một lớp duy nhất (hình 6.28,b). Dickit và nacrit có thành phần hoá học giống của kaolinit, nhưng các lớp của chúng sắp đặt theo nh ững trình tự khác nhau. Dickit và nacrit có ô mạng cơ sở một nghiêng với bề dày c lần lượt gồm hai lớp và sáu lớp. Trong không gian giữa các lớp, haloysit chứa một lớp phân tử nước; làm cho d 001 tăng từ 7,2Å đặc trưng của kaolinit lên khoảng 10Å. Haloysit mất nước có d 001 khoảng 7Å. Trật tự xếp lớp tạo nên ô cơ sở hai lớp và dù cho phân tử nước sắp xếp có vẻ hợp lí bằng dạng liên kết hydro, cấu trúc haloysit vẫn bộc lộ sự không trật tự. Các lớp có xu hướng cuộn thành dạng ống hay dạng cầu. Điều đó, cùng với tình trạng không trật tự, làm cho hiệu ứng nhiễu xạ của haloysit có dạng trải rộng và không đối xứ ng. Nước xen lớp có thể thay bằng glycol làm cho d 001 từ 10 lên khoảng 11Å. Các khoáng vật khác trong nhóm có thể trương nở, không phải do nước, mà do một số hợp chất hữu cơ đặc biệt. Hình 6.28 Cấu trúc tinh thể kaolinit a) Cấu trúc lí tưởng của lớp TO chiếu trên mặt (001); b) Cấu trúc nhìn dọc trục [010] và [100] cho thấy các lớp chệch nhau Đặc điểm hoá học Thành phần hoá học của kaolinit ít biến động. Một lượng nhỏ cation như Fe, Cr, Ti, Mg và K có mặt, nhưng không phải trong cấu trúc khoáng vật, mà dưới dạng tạp chất như anatas, rutil và mica. Mặc dầu có một số khoáng vật ba bát diện, đồng cấu trúc với kaolinit như 60 serpentin, amesit, berthierin, cronstedtit, nhưng thay thế đồng hình trong kaolinit của (Mg, Fe) cho Al là không đáng kể: kaolinit vẫn là cấu trúc hai bát diện. Haloysit có thành phần biến động hơn. Al IV thay thế cho Si nhiều hơn. Một nửa trong 4H 2 O trong công thức của nó (Al 2 O 3 .2SiO 2 .4H 2 O) tồn tại dưới dạng ion OH − và số còn lại có mặt giữa các lớp dưới dạng các phân tử liên kết yếu. Hầu hết chúng bị thải loại ngay ở nhiệt độ trong phòng, tại môi trường không bão hoà nước. Năng lực trao đổi cation của kaolinit chỉ bằng 1/20 của illit, 1/40 của haloysit và 1/100 của smectit. Đặc biệt, kaolinit có năng lực trao đổi anion mạnh hơn so với hầu hết các khoáng vật sét. Xen giữa các lớp có các ion OH − dễ bị thay thế. Tính chất vật lí Cát khai {001} rất hoàn toàn cho các tấm mềm dẻo, nhưng không đàn hồi và đôi khi có kích thước khá lớn. Kaolinit không chịu tác động của các dung môi hữu cơ, trong khi các khoáng sét khác có thể thay đổi chỉ số chiết suất khi tinh thể có các chất này thâm nhập vào. Đối với các mẫu hạt mịn chỉ có thể đo giá trị trung bình của chiết suất. Chiết suất của haloysit (khoảng 1,530) thấ p hơn của kaolinit. Trên ảnh hiển vi điện tử phần lớn các hạt kaolinit có dạng cạnh thẳng và đôi khi dạng tấm dài với góc của các cạnh là 60°. Halloysit thường có dạng kéo dài, dạng phỏng cầu và dạng không đều đặn. Trên ảnh hiển vi điện tử sợi halloysit có dạng ống, dạng cuộn kéo dài dọc trục y. Halloysit cũng có dạng tấm và kaolinit cũng có dạng sợi. Tỉ trọng của khoáng vật sét có lẽ không dễ xác định; độ lớn của nó biến thiên cùng với trạng thái hydrat hoá. Kaolinit có tỉ trọng khoảng 2,63g/cm 3, trong khi giá trị này ít thay đổi thì tỉ trọng của halloysit dao động từ 2,55 đối với trạng thái mất nước đến 2,0g/cm 3 tuỳ độ chứa nước. Tỉ trọng của dickit và nacrit là khoảng 2,6g/cm 3 và biến thiên cho tới giá trị lí thuyết. Khi ở trạng thái ngậm nước, kaolinit và các khoáng vật sét thường có tính dẻo, tuy nhiên điều này chưa được giải thích tường tận. Để có độ dẻo tối đa, chúng đồi hỏi một lượng nước hợp lí. Bằng chứng cho thấy, các phân tử nước phân bố trong cấu trúc của tinh thể khoáng sét phải theo một trật tự nhất định. Có lẽ liên kết hydro là lực gắn chúng v ới nhau, với nguyên tử oxy và với ion hydroxil ở mặt ngoài của lớp TO. Dấu hiệu phân biệt Các tính chất quang học có thể sử dụng để phân biệt kaolinit với dickit và nacrit. Dickit quang dương có chỉ số khúc xạ thấp, và góc tắt Nm : x = 14−20°. Nacrit quang âm và góc tắt này có giá trị lớn hơn. Montmorillonit có chỉ số khúc xạ thấp so với sericit, cả hai khoáng này đều có lưỡng chiết suất lớn hơn. Khi phân biệt các khoáng kaolinit hạt mịn với nhau và v ới các khoáng vật sét khác cũng như với các silicat lớp (không phải là sét), cần sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X đối với các mẫu nguyên, mẫu nung, mẫu xử lí glycol; cần kết hợp với phương pháp DTA, với xử lí màu và với các thực nghiệm khác. Kaolinit thường không chịu tác động của HCl loãng, nhưng serpentin và chlorit dễ dàng bị acid này phân huỷ. 6.10.2. Illit Hệ một nghiêng (−) K 1,5 – 1,0 Al 4 [ Si 6,5 – 7,0 Al 1,5 – 1,0 O 20 ](OH) 4 Np,Nm,Ng : 1,54 – 1,57 1,57 – 1,61 1,57 – 1,61 61 Ng–Np ~ 0,03 2V < 10° Định hướng : Nm ~ ⊥ (001) Ô cơ sở (loại 1M) : a ~ 5,2Å; b ~ 9,0Å; d 001 ~ 10Å; Z = 1 Đặc điểm cấu trúc tinh thể Về cấu trúc tinh thể, illit cùng với smectit và vermiculit là những khoáng sét giống mica, nhưng illit còn có thêm nét của mica là chứa kali, cation xen lớp chính. Hầu hết illit đều đơn vị cấu trúc cơ sở TOT, hai bát diện giống muscovit, một số khác ba bát diện giống biotit. Công thức tổng quát của illit là: K Y Al 4 (Si 8-Y , Ali)O 20 (OH) 4 trong đó, y < 2 và thường xấp xỉ 1,5. Vậy, illit khác muscovit về hoá học là có nhiều silic và ít kali hơn; còn về vật lí học là ở kích thước của hạt sét < 2μm. Với T : O = 2 : 1, đơn vị cơ sở của cấu trúc tinh thể illit là lớp TOT. Lá bát diện AlO 4 (OH) 2 kiểu gibbsit nằm giữa hai lá tứ diện (Si,Al)O 4 hướng đỉnh vào trong; nó giống đơn vị cơ sở của pyrophyllit (xem lại hình 4.21). Các lớp này liên kết nhau bằng lớp cation K xen giữa. Hầu hết illit chứa ít cation xen lớp so với muscovit, cho nên các lớp liên kết với nhau yếu hơn, kém đều đặn hơn. Illit có thể nhận biết bằng hiệu ứng 001 mạnh của nhiễu xạ tia X. Illit chứa ít hoặc không chứa nước hay dung môi hữu cơ, d 001 không thay giá trị, dù có xử lí nhiệt hay không. Illit tự nhiên chứa các lớp smectit, xen kẽ đều đặn hoặc ngẫu nhiên. Thành phần khoáng vật sét phong phú nhất của đá trầm tích là tập hợp các lớp illit/smectit (I/S). Khi đơn vị cấu trúc cơ sở của smectit xen với illit thì thông số mạng d 001 tăng giá trị và mẫu khoáng vật mang thêm những đặc trưng của smectit; chẳng hạn trương nở khi xử lí glycol, co rút khi xử lí nhiệt, cation K có thể thay bằng Na khi xử lí NaCl. Tỉ lệ smectit trong mẫu I/S có thể định lượng được. Đặc điểm hoá học Lá bát diện của illit chứa 4 Al trong đơn vị công thức, giống như trong muscovit. Lá tứ diện sẽ có dư điện tích do illit có tỉ số Si/Al cao hơn. Số lượng ion K tuy nh ỏ (< 2K/đvct, bảng 6.15, pt 3), cũng đủ để trung hoà điện tích âm dư này. Khoáng vật phengit cũng có tỉ số Si/Al cao và điện tích dương dư sẽ trung hoà bằng việc (Mg,Fe 2+ ) thay cho Al IV . Trong hydromuscovit, lượng kali thấp hơn 2K/đvct; điện tích âm dôi dư sẽ trung hoà bằng ion hydroxoni H 3 O + xen vào giữa các lớp hay bằng việc thay thế một số anion O 2– ⇔ OH − . Một số illit là hỗn hợp của hai loại: một với khoảng 2K/đvct, một với khoảng 1,1K/đvct, cho thành phần trung bình khoảng 1,55K/đvct. Thuật ngữ “sericit” thường dùng mô tả mica trắng hạt mịn, có thể là muscovit hay paragonit. Đôi khi, nó cũng được áp dụng cho một thứ sét với thành phần biến đổi từ muscovit theo một trong những cách đã nói trên. Illit thường chứa một ít Ca, Na thay cho K cũng như Mg, Fe thay cho Al VI ; những ion này có thể vừa nằm xen lớp vừa nằm trong lớp illit. Về năng lực trao đổi cation, illit xếp hạng cao hơn kaolinit, nhưng thấp hơn hẳn so với haloysit, smectit và vermiculit. Dù sao, trong đất illit cũng thường là dạng bị phong hoá thiếu 62 kali và có thể biến đổi thành smectit hay vermiculit. Các dạng khoáng này có năng lực hấp phụ mạnh kali từ phân bón và cố định nó. Illit hai hay ba bát diện đều mất nước theo từng giai đoạn. Nước hấp phụ trên bề mặt các hạt và có thể cả một ít nước xen lớp đều bốc ra nhanh chóng ở nhiệt độ dưới 110°C, số còn lại chậm hơn và thoát ra trong khoảng từ 110 đến 350°C. Nước thành tạo từ ion OH – sẽ bị đào thải sớm, giữa 350 và 600°C, để thải nốt số ít sót lại cần nung tiếp. Illit và tập hợp illit/smectit là những khoáng vật sét phong phú trong đá trầm tích và có thể hình thành từ những nhóm khác nhau như muscovit, kaolinit và feldspat. Nhưng khối lượng chính của chúng là sản phẩm của quá trình thành đá hay biến chất thấp (do vùi lấp) tác dụng lên smectit. Quá trình illit hoá cũng xảy ra trong môi trường nhiệt dịch, ví dụ trong các trường địa nhiệt hay quanh các mỏ qu ặng. Nhiệt độ tăng thì quá trình phát triển và sản phẩm chính sinh ra là biến thể 1M. Tại phần dưới của các đới phong hoá, feldspat bị sericit hoá cho ra đời illit và illit/smectit. Các khoáng vật này cũng sinh ra do smectit biến đổi khi chịu tác dụng của vòng tuần hoàn mùa mưa – mùa khô. Tính chất vật lí Khoáng vật illit có giá trị chiết suất thay đôỉ trong khoảng rộng. Đó là do nhiều khả năng thay thế đồng hình (chỉ số khúc xạ tăng cùng với độ chứa sắt), do mức độ hydrat hoá, do cấu trúc có xen các lớp của khoáng vật khác. So với các mica tương ứng là muscovit và biotit, illit có chiết suất thấp hơn chút ít. Sử dụng tính chất quang học để phân định các khoáng vật này đòi hỏi độ chuẩn xác cao, do kích thước rất nhỏ của các hạt illit. Dưới kính hiển vi điện tử illit cho thấy hình thái đa dạng, như vảy méo mó và lục giác đều đặn, thanh hẹp dài và sợi mảnh. Các sợi này th ường gặp trong các lỗ hổng của cát kết rỗng và có thể ảnh hưởng tiêu cực tới vai trò của chúng trong việc thu hồi dầu mỏ. Illit tinh khiết thì không màu, nhưng các tạp chất như oxit và hydroxit sắt hạt mịn có thể làm cho nó nhiễm màu vàng, xanh hay nâu, v.v ., và có thể bộc lộ tính đa sắc nhẹ. Cũng như chiết suất, tỉ trọng không thể đo chính xác bởi vì nó chịu ảnh hưởng của sự hydrat hoá và sự có m ặt của tạp chất hạt mịn. Thông thường, các khoáng vật illit có tỉ trọng hơi thấp so với các mica tương ứng. Dấu hiệu phân biệt Bản chất hạt mịn của các illit gây nhiều khó khăn cho việc nhận biết chúng bằng phương pháp quang học. Chiết suất trung bình của chúng xấp xỉ bằng chiết suất của mica tương ứng, nhưng 2V thường nhỏ so với muscovit. Để nhận bi ết chúng, có thể áp dụng phối hợp các phép phân tích hoá với DTA và nhiễu xạ tia X đối với các mẫu trước và sau khi xử lí nhiệt và dung môi hữu cơ. Một số đặc điểm trên biểu đồ nhiễu xạ tia X có thể giúp phân biệt illit và các silicat lớp khác: ∗ d 001 =10Å chỉ loại cấu trúc TOT. d 060 xấp xỉ 1,50Å là của cấu trúc hai bát diện. ∗ Cường độ vạch I 002 > I 001 :4 cho thấy nhôm (không phải sắt) là cation chính của vị trí bát diện. 63 ∗ Ir = (I 001 : I 003 ) mẫu khô : (I 001 : I 003 ) mẫu xử lí glycol = 1 cho thấy mẫu không trương nở. Chỉ số Ir thường lớn hơn 1 khi cấu trúc chứa các lớp smectit. 6.10.3. Smectit Ba bát diện ( 1 2 Ca,Na) 0,7 (Mg,Fe,Al) 4 [(Si,Al) 8 O 20 ](OH) 4 .nH 2 O Hệ một nghiêng (−) Np,Nm,Ng 1,48 – 1,61; 1,50 – 1,64; 1,50 – 1,64 Ng − Np, 2V 0,01 – 0,04; hầu hết góc nhỏ Định hướng Np ∼⊥ (001); Nm = y; M.T.Q.(010) Ô mạng cơ sở, Å a = 5,2; b = 9,1 – 9,2; d 001 = 10 – 15, tuỳ độ chứa nước. Khoáng vật chính là những silicat lớp với T : O = 2 : 1, gồm có: montmorillonit, beidelit và nontronit (hai bát diện) với công thức chung và saponit, hectorit và sauconit (ba bát diện). Về mặt hoá học tinh thể, hai nhánh này liên quan lần lượt với pyrophyllit và talc. Đặc điểm cấu trúc tinh thể Cấu trúc cơ sở của tinh thể smectit là pyrophyllit (hình 4.21). Với T : O = 2 : 1, đơn vị cơ sở của cấu trúc tinh thể là lớp TOT gồm 3 lá: nằm giữa hai lá tứ diện (Si,Al)O 4 đối đỉnh là lá bát diện: kiểu gibbsit Al(OH) 3 (smectit hai bát diện, với 2/3 bát diện do Al chiếm), hay kiểu brucit Mg(OH) 2 (với tất cả các bát diện đều do Mg chiếm, smectit ba bát diện) trong đó 2/3 nhóm OH − thay bằng anion oxy thuộc mạng lục giác của nhóm chức silic-oxy. Trong cả hai mica đồng cấu trúc với smectit, là pyrophyllit và talc, Si, Al VI hay Mg không bị thay thế đồng hình. Thành ra, lớp TOT đã trung hoà điện tích và không cần có cation xen giữa chúng. Trong khi, smectit lại có sự thay thế đồng hình cả ở vị trí trong bát diện (Al hay Mg) lẫn vị trí trong tứ diện (Si). Điện tích dôi dư từ đó sẽ được trung hoà bằng một lượng nhỏ cation Ca 2+ hay Na + xen giữa các lớp. Khoảng cách d 001 trong pyrophyllit và talc lần lượt xấp xỉ bằng 8,9 và 10Å. Smectit cho thấy thông số này biến thiên trong phạm vi rộng với giá trị nhỏ nhất 9,6Å (ứng với trạng thái co rút tối đa). Lượng cation xen lớp chỉ đủ để cân bằng điện tích âm của các lớp TOT và do đó chúng không lấp đầy các vị trí sẵn có, không giống K trong muscovit. Có thể, chúng xếp theo trật tự xen kẽ giữa chuỗi có cation và chuỗi bỏ trống. Khi thâm nhập vào không gian giữa các lớp, các phân t ử nước không xếp thành lớp liên tục, mà bao bọc thành vỏ quanh các cation. Vị trí các cation và phân tử nước phần nào phân định bằng liên kết hydro. Bản chất cuả cation xen lớp ảnh hưởng phần nào tới số lớp của phân tử nước. Montmorillonit calci (thường gặp trong tự nhiên) thường có từ 2 đến 3 lớp trong phạm vi ô mạng và d 001 lần lượt bằng khoảng 15,5 đến 19Å. Montmorillonit natri có 1 lớp (d 001 ≈ 12,5Å), 2 lớp (d 001 ≈ 15,5Å), 3 lớp (d 001 ≈ 19Å) hay nhiều hơn trong ô mạng. Khoáng vật có thể chứa ô mạng hỗn hợp với độ chứa nước của mỗi ô một khác, cho nên thông số d 001 có các giá trị biến đổi liên tục giữa 10 và 21Å và có thể biến đổi theo độ ẩm và bản chất cation trao đổi. Sau khi bị mất nước, montmorillonit và saponit thể hiện năng lực nhiễu xạ trên biểu đồ Roentgen tương tự như pyrophyllitvà talc. 64 Smectit thường bộc lộ sự chồng xếp lớp không trật tự, sinh ra trên biểu đồ nhiễu xạ tia X những hiệu ứng trải rộng thay cho những vạch rõ nét. Một số smectit hai lớp bộc lộ độ trật tự từng phần, sản sinh trên biểu đồ một số hiệu ứng sắc nhọn bên cạnh các hiệu ứng không rõ. Smectit trải qua vòng xử lí khô – ướt kế tiếp với dung dị ch chứa K có thể cho cấu trúc trật tự tốt (C2/m, β ≈ 10°) với cation K cố định tại không gian giữa các lớp. Smectit kết hợp với các silicat lớp khác theo những độ trật tự khác nhau, thường gặp nhất là illit/smectit và chlorit/smectit. Một số tên khoáng vật ra đời dành cho các cấu trúc trật tự cao, ví dụ rectorit (illit/smectit), tosudit (chlorit/smectit), alietit (saponit/talc). Cấu trúc với trật tự hoàn hảo có d 001 là tổng giá trị của hai thành phần. Với độ trật tự từng phần, cấu trúc có thông số d 001 nằm giữa các giá trị của hai thành phần. Cũng có thể gặp hỗn hợp các lớp của hai khoáng vật smectit (montmorillonit và beidelit). Bên cạnh nước và các cation trao đổi, một số ion hữu cơ như akylammon và chất lỏng hữu cơ như glycol và glicerol cũng có mặt trong không gian giữa các lớp. Các lớp chất này định vị ở đây theo số nguyên, góp phần duy trì độ trật tự chung của cấu trúc, làm cho d 001 trở thành đặc số của dạng khoáng vật. Dưới tác dụng của glicerol, haloysit và vermiculit trương nở, khiến cho d 001 tăng lên lần lượt đến 11 và 14Å.Còn đối với smectit, kết quả là 17Å. Khi nung ở nhiệt độ giữa 100 và 200°C, smectit mất nước xen lớp, d 001 giảm còn khoảng 10Å. Nung đến 500°C làm cho d 001 giảm tiếp, còn từ 9,6 đến 10Å tuỳ bản chất của cation xen lớp. Đặc điểm hoá học Thành phần hoá học của tất cả các smectit đếu giống như của pyrophyllit hay talc. Mọi sự thay thế của ion hoá trị thấp hơn vào các vị trí bát diện và tứ diện đều có kèm theo sự bổ sung tương ứng của cation trao đổi. Quy mô trung bình của sự thay thế này đòi hỏi bổ sung kho ảng 0,7 cation hoá trị một (hay tương đương) tính trên đơn vị công thức và những cation này thường có thể trao đổi. Nhóm smectit có nhiều sự khác nhau về thay thế đồng hình (trình bày có phần lí tưởng hoá, bảng 6.17). Chẳng hạn, montmorillonit và hectorit hầu hết thay thế trong vị trí Y, trong khi beidelit và saponit chủ yếu trong Z. Ngoài những thay thế giới thiệu trong bảng, smectit có nhiều trường hợp thường gặp khác. Vị trí Y có thể chứa một lượng nhỏ Fe 2+ , Mn và Ni. Không những thế, trong tự nhiên cũng tồn tại trường hợp trung gian với các đặc điểm của hai hay nhiều khoáng vật của nhóm smectit. Ví dụ, montmorillonit có một phần Si bị thay thế bởi Al, rồi beidelit và nontronit có một ít Mg. Như thế, montmorillonit–beidelit–nontronit là một chuỗi dung dịch cứng (bảng 6.15, mẫu 4, 5 và 6). Chuỗi montmorillonit–beidelit có thể biểu thị bằng công thức: Al 4–Y Mg Y (Si 8–X Al X O 20 )(OH) 4 .X X + Y trong đó, X là số cation xen lớp hoá trị một và hoá trị hai. Đối với montmorillonit y > x, đối với beidelit y < x. Trong smectit nhôm này, lượng trung bình tính trên đơn vị công thức của Al, Mg, Fe 3+ và Fe 2+ trong bát diện lần lượt bằng 3,0; 0,7; 0,4 và 0,4 và Al trong tứ diện là khoảng 0,4/đvct. Còn lượng Fe 2+ trong nontronit thường lớn hơn 3, trong montmorillonit/beidelit nhỏ hơn 3 nguyên tử tính trên đơn vị công thức. Bảng 6.17 Thành phần cation trong smectit, pyrophyllit và talc với sự thay thế đồng hình Z Y X (cation trao đổi) 65 Hai bát diện Pyrophyllit Si 8 Al 4 Montmorillonit Si 8 Al 3,3 Mg 0,7 (0,5Ca,Na) 0,7 Beidelit Si 7,3 Al 0,7 Al 4 (0,5Ca,Na) 0,7 Nontronit Si 7,3 Al 0,7 Fe 4 3+ (0,5Ca,Na) 0,7 Ba bát diện Talc Si 8 Mg 6 Saponit Si 7,2 Al 0,8 Mg 6 (0,5Ca,Na) 0,8 Hectorit Si 8 Mg 5,3 Li 0,7 (0,5Ca,Na) 0,7 Sauconit Si 6,7 Al 1,3 Zn 4-6 (Mg,Al,Fe 3+ ) 2–0 (0,5Ca,Na) 0,7 Trong smectit ba bát diện, Mg là cation chính tại Y, nhưng nó có thể bị thay thế hoàn toàn bởi Fe 2+ ; làm nảy sinh saponit sắt. Saponit (bảng 6.14, pt 7) thường chứa một số cation hoá trị ba trong vị trí Y và tương ứng sẽ có thêm Al thay cho Si. Một ít Fe 3+ trong saponit có thể sinh ra do Fe 2+ nguyên sinh bị oxy hoá. Hectorit thường chứa thêm F do nó vào thay cho OH. Tổng lượng ion Y trong smectit thường nằm trong khoảng từ 4 – 4,5 đến 5,7 – 6 và mặc dù có lẽ không có thành phần trung bình, vẫn có thể gặp nhiều hỗn hợp lớp của cation hoá trị hai và hóa trị ba. Cation trao đổi thường gặp nhất là natri, cesi, stronti, magnesi, hydro, và những cation xen lớp khác; chúng có mức độ trao đổi khác nhau. Chúng có lẽ đã hiện diện sẵn trong khoáng vật, khi nó thành tạo. Chúng cũng có thể sinh muộn, do quá trình trao đổi về sau. Năng lự c trao đổi phụ thuộc vào kích thước của hạt khoáng, vào bản chát của cation. Năng lực này tăng theo trình tự sau: Li < Na < K < Rb < Cs, cho cation hoá trị một và Mg < Ca < Sr < Ba, cho cation hoá trị hai. Nói chung, với hoá trị càng cao cation có năng lực thay thế càng lớn, khả năng bị thay thế càng nhỏ. Ví dụ, Ca khó bị thay thế hơn Na. Phân tích hoá của smectit hai bát diện cho thấy tổng lượng ion tại Y vượt quá 4 nguyên tử/đvct. Dường như một số ion Mg chiếm chỗ tại không gian giữ a các lớp, góp phần vào năng lực trao đổi cation của khoáng smectit Phân tử xen lớp: Lượng phân tử nước thâm nhập vào không gian giữa các lớp biến đổi tuỳ theo chủng loại smectit, theo bản chất của cation tại chỗ và theo điều kiện tự nhiên. Chẳng hạn, smectit calci thường hấp phụ hai đến ba lớp phân tử nước tại mỗi khoảng cách lớp. Trong khi smectit natri liên tục thay đổi khả năng hấp phụ nướ c và thường bộc lộ sự trương nở mạnh. Nước xen lớp có thể có dạng đi kèm cation tại chỗ, tạo lớp vỏ gồm các phân tử H 2 O bao bọc chúng. Các phân tử hữu cơ khác nhau cũng có thể hiện diện trong khoảng không giữa các lớp. Vì vậy, smectit được dùng nhiều trong việc tẩy màu, tẩy dầu mỡ, tinh chế dầu mỏ. Một loạt hợp chất hữu cơ như cồn, keton, amin, urea và amit bám chặt các ion kim loại tại chỗ. Nói chung, đối với các chất hữu cơ, cation Na, Ca và Mg hấp dẫn hơn K và trong nhiều trường hợp, có sự tham gia của dạ ng liên kết hydro nhờ các nhóm (OH) và (NH). Chính nhờ việc đưa những cation (kimloại – hữu cơ) bền vững loại này vào cấu trúc lớp của smectit, độ rỗng và tính năng xúc tác của khoáng sét được tăng cường. [...]... OH− bị thải loại và do phản ứng nội nhiệt thường bắt đầu ở khoảng 800°C Tính chất vật lí Mặc dầu vermiculit là một thành tố của đất, thường có kích thước hạt nhỏ; nó cũng gặp dưới dạng tấm tinh thể lớn, chủ yếu khi nó là sản phẩm biến đổi của biotit Tính chất quang học có thể xác định dễ dàng hơn so với các khoáng vật sét khác Tuy thế, quá trình hydrat hoá biến động và độ chứa cation thay đổi dẫn đến... X của khoáng vật này, sau khi đã xử lí glicerol Những khác nhau chính giữa vermiculit và smectit có thể tóm tắt như sau: Vermiculit thường có cỡ hạt lớn hơn Nó có năng lực trao đổi cation cao hơn và có thể tiếp nhận nhôm thay thế cho silic nhiều hơn 69 Nó chỉ có thể chứa một lớp phân tử glicerol, còn smectit thì chứa tới 2 lớp phân tử dung môi này Sau khi xử lí glicerol, d001 của các khoáng vật này... thái của albit Mặc dầu nó cũng kết tinh dạng tấm kiểu sanidin – Dạng quen adularia Khoáng vật adularia có bề ngoài của tinh thể hệ trực thoi, vì {001} và { 101 } tạo những góc gần bằng nhau với trục z Ngoài ra, feldspat giàu natri nhiệt độ cao anorthoclas thường có tinh thể hình mặt thoi Cát khai hoàn toàn của nhóm khoáng vật này là {001} và {010} thường làm với nhau góc vuông trong biến thể một nghiêng;... công thức; so với 0,7 cation hoá trị một trong smectit Tương ứng, năng lực trao đổi cation của vermiculit (giữa 1,2 hay 2,4 mcq/g) lớn gấp đôi của smectit và thực ra, đó là cao nhất trong tất cả các khoáng vật sét Trong cấu trúc tinh thể vermiculit, các cation Mg, Ca, Na, K, Rb, Cs, Ba, Li, H+, NH4+ có thể dễ dàng tham gia vào quá trình trao đổi trong khoảng không giữa các lớp TOT Mặc dầu vị trí bát diện... bỏ trống Trong cấu trúc, đôi khi nằm thế chỗ của lá trung tâm dạng brucit là lớp H2O–Mg2+–H2O không liền mạch Khoáng sét có gặp dưới dạng lớp hỗn hợp vermiculit/chlorit và vermiculit/mica (dạng này còn có tên không chính thức và dễ gây nhầm lẫn là “hydrobiotit”) Đặc điểm hoá học Vermiculit là khoáng tương đồng với phlogopit và saponit Phlogopit có sự thay thế đồng hình của AlIV cho Si và, để cân bằng... suất tăng cùng với sự thất thoát của nước trao đổi, còn tỉ trọng thì phụ thuộc vào mức độ hydrat hoá Dấu hiệu nhận biết Smectit có chỉ số chịu nhiệt bình quân tương tự như của illit và kaolinit, nhưng khoáng vật của nhóm kaolinit có lưỡng chiết suất thấp hơn của hầu hết các smectit, illit lại có lưỡng chiết suất cao hơn Montmorillonit và saponit khan và ít sắt thường tương đồng với pyrophyllit và talc... có cấu trúc gồm các tứ diện gắn kết nhau thành bộ khung ba chiều với công thức tổng quát [(Si,Al)O2]n Khi các tứ diện không chứa nhôm, bộ khung sẽ trung hoà điện tích Điều này hiện thực trong nhóm khoáng vật silica SiO2 kết tinh Khi các tứ diện chứa nhôm, điện tích âm phát sinh trong khung mở đường cho các cation cỡ lớn của kim loại kiềm, kiềm thổ Chúng nằm trong những khoảng rộng sẵn có trong khung... nhưng Fe2O3 có thể có mặt ở lượng đáng kể: có lẽ, đối với feldspat kiềm bình thường Fe2O3 dư thừa (khoảng 0,5%) tồn tại ở dạng tạp chất hay dạng sản phẩm phân rã khi nhiệt độ giảm (sắt trong các hạt khoáng vật thường làm cho vùng ranh giới hạt và mặt cát khai biến màu) Feldspat aventurin là biến thể chứa bao thể hematit Bảng 6.19 Số liệu hóa phân tích của sanidin lấy trong đá lamproit Lai Châu [12] Cấu... và Ca-plagioclas 6.11.3.Song tinh của feldspat a) Hình thái Về đối xứng feldspat ba nghiêng không khác nhiều so với feldspat một nghiêng, cho nên một số dạng quen đặc trưng đều phổ biến đối với các khoáng vật thuộc cả hai hệ – Dạng tinh thể phát triển dọc trục z Đây là một trong những dạng quen thường gặp nhất Nó gồm các hình đơn phát triển tốt, như {001} và {010}, cùng với hình đơn {110} thêm vào,... hình thoi Hạt dạng giải, sợi cũng phổ biến Màu sắc phổ biến nhất của montmorillonit là màu hồng, màu da bò, màu xám hay màu nâu nhạt, đôi khi có cả màu trắng Nontronit thường có màu lục tươi Những khoáng vật có màu thường bộc lộ tính đa sắc; các màu của nontronit là màu lục dọc (001), màu vàng theo hướng vuông góc (001) Do tính chất quang học của chúng chịu ảnh hưởng của bản chất hạt mịn, của hydrat . trào thuỷ tinh hay các khoáng vật fema. Khoáng sét đóng vai trò quan trọng trong kiến trúc và tính chất của đất trồng. Khoáng vật sét tập hợp trong các. lớp) khoáng sét chia thành 4 nhóm chính: kaolinit (7Å), illit (10Å), smectit (15Å) và vermiculit (14,5Å). Bảng 6.15 Số liệu hoá phân tích của khoáng vật sét