Термический метод изучения свойств глинистых минералов

Термический метод используется для определения не только глинистых, но и других минералов. Он основан па различных энергетических превращениях в веществе при его нагревании. Эти превращения происходят либо с поглощением энергии (тепла) —эндотермические реакции, или эндоэффекты, либо с выделением энергии (тепла) — экзотермические реакции, или экзоэффекты. Поэтому при нагревании минералов приборы фиксируют не прямые, а кривые линии нагревания (термические кривые, или термограммы) с пиками вверх (экзоэффекты) и вниз (эндоэффекты).

Каждый минерал имеет свою эталонную термическую кривую. Эндотермические реакции связаны с дегидратацией минерала, потерей конституционной воды, разрушением кристаллической решетки минерала. Экзотермические реакции связаны со сгоранием органического вещества, перестройкой кристаллической решетки минерала (перекристаллизацией), окислением. При нагревании образцов первыми проявляются эндотермические реакции, затем экзотермические. С целью более точного выяснения природы эффектов часто одновременно с термограммами получают кривые потери массы при нагревании минерала. Они помогают определить, чем вызваны пики на термических кривых.

Основные принципы метода заключаются в следующем. В термокамере испытуемый и эталонный образцы нагревают от 20 до 1000°. В эталонном никаких реакций не происходит. В образцы помещают термопары, которые соединяют так, чтобы возникающие в них токи шли навстречу друг другу. К термопарам подсоединяют 2 гальванометра. Один фиксирует возникающую разность потенциалов, а следовательно, температуру эталонного образца. Его термограмма представляет собой плавную возрастающую кривую. Второй гальванометр, называемый дифференциальным, фиксирует разность температуры между испытуемым и эталонным образцами.

Если в исследуемом образце нет никаких реакций, он нагревается одинаково с эталонным, возникающие токи взаимогасятся и стрелка дифференциального гальванометра неподвижна. Если же в изучаемом образце начинаются эндо- или экзотермические реакции, они вызывают более медленное его нагревание (поглощение энергии) или более быстрое (выделение энергии). Разница возникающих токов фиксируется дифференциальным гальванометром и регистрируется на самописце пиками вверх (экзоэффекты) или вниз (эндоэффекты). Величина, форма и колебания температуры эффектов зависят от скорости нагрева, чувствительности термопар, массы и дисперсности образца. Полученные термические кривые называются дифференциальными термическими кривыми, анализ носит название дифференциального термического анализа (ДТА).

Недостаток описанного метода заключается в том, что в полиминеральных образцах очень трудно однозначно диагностировать индивидуальные минералы, так как термические эффекты накладываются друг на друга. Но сформированные в разных условиях глинистые породы по термограммам различаются четко.

Каолинит (рис. 12). При нагревании дает 3 максимума: эндотермический при температуре 550...610° — резкий, интенсивный (связан с потерей кристаллизационной воды и разрушением кристаллической решетки); экзотермические эффекты при температуре 920...1000° — интенсивный и при температуре 1200° —слабый (связаны с кристаллизацией продуктов распада каолинита — образованием минералов муллита и кристобалита .

Монтмориллонит (рис. 12,6). Имеет сложную кривую нагревания. Первый эндотермический эффект в интервале 100...250° распадается на максимум 150... 180°, связанный с потерей межпакетной воды, и максимум 220...240°, связанный с удалением обменных катионов. Второй эндотермический максимум 500...700° связан с потерей группы ОН и разрушением кристаллической решетки. Третий слабовыраженный эндотермический пик в интервале 800...900° связан, видимо, с полным разрушением октаэдров и тетраэдров. Следующий пик в интервале 900... 1000° имеет экзотермический характер, связан с кристаллизацией продуктов разложения и образованием минералов шпинели, кварца и др. Последний, экзотермический пик при температуре 1200° связан с образованием муллита или кордиерита. Характер и формы пиков на кривых нагревания монтмориллонитов зависят от изоморфных замещений в пакетах природы обменных катионов.

Гидрослюды (рис. 12, в). По эндотермическим реакциям гидрослюды сходны с монтмориллонитом, но отличаются меньшей интенсивностью пиков и если у монтмориллонита самый интенсивный пик первого эндоэффекта, то у гидрослюд— пик второго эндоэффекта. Первый эндотермический эффект гидрослюд при температуре 120... 140° связан с потерей межпакетной воды. Второй эндоэффект при 550...650° связан с потерей групп ОН и частичным изменением структуры. Третий эндоэффект при 850...950° вызван полным разрушением кристаллической решетки. При температуре 900... 1000° наблюдается слабый экзоэффект, связанный с перекристаллизацией продуктов разрушения и образованием новых минералов.

Вермикулит (рис. 12, г). Характеризуется сдвоенным эндоэффектом с более интенсивным пиком при 150...200° и менее интенсивным при 250...275°. Они связаны с межпакетной потерей воды. Следующая эндореакция при 700...800° связана с разрушением кристаллической решетки.

Смешанослойные минералы не обладают фиксированной кривой дифференциального термического анализа.

Изучение глинистых минералов проводится на природных образцах, которые всегда представлены полиминеральными образованиями (глинистыми породами). Задача исследований — определить слагающие породу минералы, дать их характеристику. Каждый из методов исследования минералов глинистой размерности имеет свои ограничения и недостатки.

Поэтому для точной диагностики слагающих пород минералов необходимо применять 2—3 дополняющих друг друга методики, в зависимости от поставленных задач. Так, сочетание электронно-микроскопического и рентгено-структурного анализов позволяет точно определить слагающие породу минералы, выделить фазы минералообразования, минеральные ассоциации.