Цікаві наукові факти про глину

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Що таке глина? Смішне питання. Хто ж цього не знає? Але, напевно, ви не думаєте про те, що живете в глиняному будинку, незалежно від того, цегляний він або залізобетонний, з керамзитом або без нього, тому що і цегла, і керамзит, і цемент отримані з глини. З глини виготовлений фарфоровий і фаянсовий посуд, кераміка. Щорічно виплавлювані сотні мільйонів тонн металу неможливо було б отримати без вогнетривкої глини; глина необхідна для переробки нафти і очищення харчових продуктів, глинисті розчини незамінні при бурінні глибоких свердловин. Досить сказати, що вартість глини, що видобувається щорічно в США, значно перевищує вартість видобутого тут золота і урану. І, тим не менш, до недавнього часу навіть фахівці не змогли відповісти на питання, що здавалося нам смішним: «що таке глина?».

Властивості глини

Глина відрізняється від всіх відомих мінералів і гірських порід дивовижними властивостями: пластичністю, здатністю розмокати, давати суспензії і в той же час «каменіти» при випалюванні. Але чим, наприклад, пояснюється така загальновідома властивість глини, як пластичність?

Спроби вивчення глин довгий час залишалися безуспішними, в кращі оптичні мікроскопи неможливо було розглянути крихітні кристалики глинистих мінералів. Тим часом хімічний склад глин та їх фізичні властивості дуже мінливі. Це наштовхнуло вчених на думку, що глина — це поняття не хімічне, а фізичне, і, отже, тонке дроблення будь-якого мінералу незмінно має привести до появи «глинистих» властивостей. Відомий мінералог Г. А. Земятченський готував штучну глину, пластичну і кам’яніючу при випалюванні, розтираючи в найтонший порошок слюду та оксиди заліза. Але ось отримати глину при стиранні таких звичайних мінералів, як кварц або кальцит, нікому не вдалося.

А як утворюються глини в природі? Які сили виробляють таке тонке подрібнення мінералів, перетворюючи їх в пил? І чому цей глинистий пил не розсіюється вітром, а залягає потужними пластами, утворюючи величезні родовища?..

Будова глини

Незвичайні фізичні властивості глини, наприклад, вдалося пояснити за допомогою рентгенівського методу дослідження. Виявилося, що всі глинисті мінерали володіють дуже своєрідною шаруватою структурою, що нагадує будову кристалів слюди. Однак розділити між собою листочки слюди досить важко, а для поділу на найтонші пластинки кристалика глинистого мінералу досить просто змочити його водою. При цьому вода вбирається в міжшарові простори глинистого мінералу, і його листочки починають легко зрушуватися, ковзати — один щодо іншого по водяній плівці. Листочки не тільки ковзають, але і закріплюються в новому положенні, при цьому виникає така незвичайна якість породи, як пластичність.

Під електронним мікроскопом, при збільшенні в десятки тисяч разів вчені побачили кристали мінералів, з яких складаються глини. Несподіванкою для дослідників виявилося, що майже всі різноманітні за кольором і властивостями глини складаються всього лише з двох головних мінералів. Один з них – знаменитий каолініт, основа всієї порцелянової промисловості. У каоліні шари кремнекисневих тетраедрів, схожих на зменшені в мільйон разів молочні пакети, чергуються з алюмінієвими октаедрами – восьмигранниками, що складаються з кисню і гідроксилу з алюмінієм в центрі.

Якщо в структуру каолініту додати ще один шар з магнієвих октаедрів, то виникає другий широко поширений глинистий мінерал — монтморилоніт. На відміну від каолініту він легкоплавкий і тому не годиться для випалу, але зате з водою саме він утворює самий високоякісний рідкий глинистий розчин. Він закачується в бурові свердловини і виносить на поверхню подрібнену буром гірську породу.

Утворення глини в природі

Промислово розвинені країни видобувають і переробляють сотні мільйонів тонн глини. Але як вона утворюється? У яких районах можна шукати нові родовища? Вченими вивчені численні родовища глин по всьому світу. При цьому з’ясувалося, що утворення глини — це процес дивовижний і загадковий. Як відомо, більшість мінералів кристалізується в надрах Землі. А ось глинисті мінерали виникають на земній поверхні і поступово йдуть в глибину.

Вчений І. Гінзбург розробив теорію «кори вивітрювання», що складається з глинистих мінералів і утворюється по самим різним гірським породам. Аналіз великого геологічного матеріалу дозволив встановити, що стародавні кори вивітрювання з глиною утворилися лише в ті періоди історії Землі, коли не відбувалося горотворення. Такі епохи були в нижньому девоні, на кордоні пермі і тріасу, між палеогеном і неогеном. Рівнинні безгірні континенти були покриті тоді великими лісами. За мільйон років в таких умовах утворюється грунт – кора вивітрювання потужністю до 100 метрів. Горотворення веде до знесення глинистого матеріалу в пониження рельєфу, розмиву і знищенню древніх грунтів.

Сучасні родовища глин – це вцілілі в сприятливих умовах залишки мертвих і позбавлених органічної речовини пластів грунту, що колись покривав поверхню Землі. Правда, глинисті мінерали виникають і в деяких інших умовах, наприклад, в районах виходів гарячих джерел в кратерах вулканів, але великих скупчень вони не утворюють.

Значить, глина, як і грунт,— породження води, Сонця і життя. Не випадково глини не були знайдені в гірських породах, доставлених з Місяця. Для утворення глин необхідні такі умови, які навряд чи існують на інших планетах Сонячної системи.

Автор: А. Портнов.