Химический состав глинистых сланцев и аргиллитов
Химический анализ остается одним из главных источников информации о составе глинистых сланцев.
Кремнезем является основным компонентом всех глин и сланцев. Он присутствует в качестве составной части глинисто-минерального комплекса; в качестве обломочных силикатов и в виде свободной двуокиси кремния как обломочного кварца, так и биохимически осажденного кремнезема (опал радиолярий, диатомей, спикул). Глинозем является существенным компонентом комплекса глинистых минералов, а также компонентом невыветрелых обломочных силикатов — главным образом полевых шпатов. Исключительно высокое содержание окиси алюминия предполагает наличие свободной гидроокиси алюминия (диаспор) или бокситового материала. Железо в глинистых сланцах присутствуете качестве окисного пигмента, в виде составной части присутствующих хлоритов и особенно в виде пирита или маркозита, сидерита или силикатов железа. Степень окисления железа влияет на цвет глин (рис. 8-9). Окись магния встречается в хлоритовом комплексе или как компонент доломита. Известь встречается главным образом в виде карбонатов, хотя в некоторых сланцах она присутствует в больших количествах, чем необходимо для образования карбонатов, и поэтому должна содержаться в невыветрелых силикатах или в форме гипса. Щелочи представлены в невыветрелых обломочных силикатах (особенно полевых шпатах). Калий адсорбируется имеющимися глинистыми минералами и является компонентом иллита или глинистой слюды, он также может содержаться в глауконите. Более редкими компонентами являются двуокись титана (в виде рутила), марганец, фосфор и органическое вещество.
Интерпретация химических анализов сланцев связана со значительными трудностями, потому что, как отмечалось выше, химический состав зависит от величины зерна, от зрелости осадка и от восстановления с помощью химических и биохимических процессов многих компонентов, удаленных при образовании кор выветривания, за счет которых сформировались осадки.
Влияние размера зерен успешно иллюстрируется сравнением результатов анализа летней алевритовой фракции, взятой из пропластка ленточной глины, и фракции ассоциирующей зимней глины (табл. 8-6, А и Б). Здесь зрелость и постседиментационная история материалов настолько идентичны, что различия в составе полностью обусловлены различиями в размерах зерен. Как можно видеть из таблицы, крупные фракции богаче кремнеземом, тогда как мелкие материалы богаче окисью алюминия, железом, калием и водой. Эти отличия, без сомнения, отражают обогащение алеврита детрнтовым кварцем, а более мелких фракций — глинистыми минералами: водными алюмосиликатами, содержащими калий, и хлоритами, обогащенными железом и содержащими магний.
Средний состав глинистого сланца (табл. 8-7,А) существенно отличается от типичной остаточной глины.
Различия частично наблюдаются за счет размера зерен. Изучение результатов анализов Грута нескольких размерных фракций глин дает основание предполагать, что средний глинистый сланец состоит из двух частей алеврита и одной части глины. Такая смесь имеет состав, приближающийся к составу усредненного глинистого сланца. При внимательном сравнении результатов анализа среднего сланца с анализами остаточных глин видны различия, обусловленные не только добавлением алеврита. Остаточные глины содержат чрезвычайно мало щелочей и щелочных земель, тогда как в среднем сланце их количество увеличивается. Другими словами, усредненный сланец не просто перенесенная остаточная глина. Это смесь глины, алеврита, а также компонентов глинистой фракции, удаленных ранее при выветривании, а затем частично восстановленных во время или после процесса седиментации. Это касается в частности калия, а также до некоторой степени магния, которые, очевидно, входят в состав глинистых минералов и образуют аутигенные серициты и хлориты. Кальций обычно не привносится таким способом, но может связываться биохимическим путем. He восстанавливается только натрий.
Химический состав некоторых глинистых сланцев заметно отличается от нормы, т. е. от обычного или «среднего» сланца. Сланцы, не содержащие алеврита, с необычно высоким содержанием кремнезема (кремнистые сланцы), вероятно, являются диатомовыми или содержат кремнезем вулканического пепла. Сланцы с низким содержанием кремнезема и необычно высоким содержанием алюминия исключительно тонкозернисты, имеют каолинитовый или, в редких случаях, бокситовый состав. Глинистые или аспидные сланцы, особенно богатые железом, содержат пирит, если имеют черную окраску; они могут быть также обогащены сидеритом или содержать значительное количество железистых силикатов. Железосодержащие сланцы постепенно переходят в шамозитовые и родственные им аргиллиты. Красноцветные сланцы часто описываются как «железистые», хотя фактически содержание железа в них может и не превышать нормы; они характеризуются присутствием скорее трехвалентного железа, чем двухвалентного. Сланцы очень богатые известью и окисью магния, по всей вероятности содержат кальцит или доломит. В пользу этого предположения свидетельствует высокое содержание CO2, а также растворимых в кислотах материалов. Если кальция больше, чем это необходимо для соединения с CO2, то, вероятно, присутствуют некоторые невыветрелые силикаты или сульфаты. В последнем случае высокое содержание кальция ассоциируется с высоким содержанием SO3.
В глинистых и аспидных сланцах калий почти всегда превалирует над натрием. В сланцах, в которых наблюдается обратная зависимость, содержатся скорее продукты абразии, чем глинистые минералы. Это характерно для некоторых ледниковых глин и алевритов (см. табл. 8-6). Сланцы, обладающие существенной примесью вулканического материала, также могут иметь повышенное содержание натрия; натрий может преобладать над калием.
Сланцы с высоким содержанием углистых частиц медленно формировались в анаэробных условиях. Они обычно богаты соединениями двухвалентной серы. Некоторые из них обогащены фосфатами.
Химический состав, кроме того что он проливает свет на возможный минералогический состав сланца и связан с его гранулометрией, определяется также обстановкой осадконакопления. По мнению Милло, глинистые сланцы пресноводного, солоноватоводного и морского происхождения отличаются по валовому химическому составу. Пресноводные сланцы имеют более низкое содержание как К2О, так и MgO по сравнению с морскими или лагунными сланцами. Эти отличия вполне понятны, так как каолинит — характерный глинистый минерал «кислых» пресноводных условий, тогда как глинистые минералы щелочных морских вод представлены монтмориллонитом или его диагенетическим производным иллитом. Эти взгляды оспариваются. Многие исследователи считают, что существуют некоторые отличия, в частности, по содержанию второстепенных элементов. Оказывается, что содержание бора и радиоактивных элементов в морских сланцах значительно отличается от неморских сланцев. Ho надежность редких элементов как индикаторов обстановки осадконакопления подвергается сомнению.
Кроме вариаций химического состава, обусловленных различиями в структуре и вызванных привносом химических, биохимических и вулканических примесей, существуют вариации, связанные с различиями в составе остаточных глин. Вогт считал глинистые осадки перемытыми остаточными продуктами выветривания и полагал, что окись алюминия как наименее мобильный окисел может концентрироваться в наиболее зрелых выветрелых остатках. Такое обогащение может быть замаскировано из-за колебаний содержания кварцевого алеврита в сланце, поэтому необходимо пересчитывать результаты химического анализа, исключая SiO2 и TiO2. Содержание трех окислов MgO, CaO и Na2O постепенно уменьшается с увеличением содержания остатка, тогда как содержание К2О, SiO2 и TiO2 увеличивается. Количество железа остается постоянным даже при значительном колебании других компонентов. Как отмечалось выше, содержание натрия в вулканических и ледниковых глинистых сланцах может быть выше нормального: наиболее зрелые продукты выветривания обогащаются окисью алюминия. Следовательно, отношение окиси алюминия и натрия является надежным показателем зрелости.
Были предприняты многочисленные попытки рассчитать средний химический состав глинистого сланца (см. табл. 8-7). Кларк был одним из первых исследователей, который рассчитал средний состав глин. Такие средние составы используются в геохимии для расчетов баланса масс; они полезны в качестве эталонной величины, с которой можно сравнивать результаты анализов сланцев с целью обнаружения значительных отклонений от нормы.