Геомаркетинг » ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ДЕФЕКТНОСТИ СТРУКТУРНОГО ПАКЕТА И МИНЕРАЛА КАОЛИНИТ

DOI: 10.25296/1993-5056-2019-14-4-44-54

ПРИОБРЕСТИ ПОЛНУЮ ВЕРСИЮ за 250 руб.

“Инженерная геология”, том XIV, № 4/2019

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ДЕФЕКТНОСТИ СТРУКТУРНОГО ПАКЕТА И МИНЕРАЛА КАОЛИНИТ

Середин В.В., Медведева Н.А., Ситева О.С., Иванов Д.В.

Середин В.В., Медведева Н.А., Ситева О.С., Иванов Д.В., 2019. Влияние давления на формирование дефектности структурного пакета и минерала каолинит. Инженерная геология, Том ХIV, № 4, с. 44–54, https://doi.org/10.25296/1993-5056-2019-14-4-44-54.

Для формирования технологических свойств глин производят их обработку с изменением структуры. Цель работы — изучить влияние давления на изменение дефектности структурного пакета и минерала каолинит. В статье представлены результаты рентгенофлуоресцентного анализа, инфракрасной (ИК) спектроскопии и дифрактометрического анализа на образцах каолиновой глины. Экспериментальные исследования показали, что при обработке каолина давлением в структурном пакете минерала каолинит формируются дефекты за счет удаления из него ионов Al3+, Fe3+/2+, Mg2+, Si4+. При этом давление оказывает максимальное влияние на вытеснение ионов Al3+. Образование дефектов при удалении ионов влечет за собой деформацию кристаллической решетки. Полученные данные по ИК-спектроскопии подтверждают увеличение дефектности (неупорядоченности) структуры каолинита. Так при воздействии давления происходит изменение полос колебаний, связанных с гидроксильными группами (3696 см-1, 3672 см-1, 3654 см-1, 3620 см-1 и 914 см-1). Установлено, что при увеличении давления наблюдается тенденция уменьшения коэффициентов К3 = I3695/I3620 от 1,3 до 0,88 и К4 = I3695/I915 от 0,8 до 0,6. В интервале давлений от 0 до 150 МПа эти изменения происходят более значимо, чем от 150 МПа до 800 МПа. Это свидетельствует о том, что при увеличении давления происходит переход каолинита от совершенной (бездефектной) к несовершенной (дефектной) структуре, вызванной искажением (деформацией) его кристаллической решетки. Выявлено, что при обработке каолиновой глины давлением до 150 МПа в минерале (кристаллите), состоящем из 20–40 пакетов, наблюдается упорядочивание структуры, то есть дефектность структуры уменьшается. При давлениях более 150 МПа наблюдается увеличение дефектности кристаллита за счет разрушения водородных связей между пакетами и, как следствие, скольжение и вращение структурных пакетов. Изменение дефектности структуры каолина оказывает значительное влияние на формирование его физико-химических свойств.

1. Болдырев В.В., 2006. Механохимия и механическая активация твердых веществ. Успехи химии, Том 75, № 3, с. 203–216.
2. Вяхирев Н.П., 1966. Промежуточные формы в непрерывном ряду аморфное вещество — каолинит. В сб. Рентгенография минерального сырья. Недра, Москва, Том 5, с. 128–131.
3. Гойло Э.А., Котов Н.В., Франк-Каменецкий В.А., 1966. Экспериментальное исследование влияния давления и температуры на кристаллические структуры каолинита, иллита и монтмориллонита. В сб. Физические методы исследования осадочных пород. Наука, Москва, с. 123–129.
4. Дятлова Е.М., Бобкова Н.М., Сергиевич О.А., 2019. ИК-спектроскопическое исследование каолинового сырья белорусских месторождений. Проблемы недропользования, № 2, с. 143–149.
5. Кара-Сал Б.К., Сапелкина Т.В., 2012. Повышение адсорбционных свойств глинистых пород Тувы в зависимости от методов активации. Актуальные проблемы современной науки, № 5, с. 158–162.
6. Коссовская А.Г., Шутов В.Д., Дриц В.А., 1963. Глинистые минералы — индикаторы глубинного изменения терригенных пород. В сб. Геохимия, минералогия и петрография осадочных образований. Изд-во АН СССР, Москва, с. 68–73.
7. Котельников Д.Д., Конюхов А.И., 1986. Глинистые минералы осадочных пород. Недра, Москва.
8. Медведева Н.А., Ситева О.С., Середин В.В., 2018. Сорбционная способность глин, подверженных сжатию. Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело, Том 18, № 2, с. 118–128, https://doi.org/10.15593/2224-9923/2018.4.2.
9. Ничипоренко С.П., Круглицкий Н.Н., Панасевич А.А., Хилько В.В., 1974. Физико-химическая механика дисперсных минералов. Наукова думка, Киев.
10. Пластинина М.А., Куковский Е.Г., 1979. Степень совершенства каолинитов по данным рентгенографии и ИК-спектроскопии. Минералогический журнал, Том 1, № 2, с. 67–72.
11. Плюснина И.И., 1976. Инфракрасные спектры минералов. Изд-во Московского университета,, Москва.
12. Пушкарева Г.И., 2000. Влияние температурной обработки брусита на его сорбционные свойства. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, № 6, с. 90–93.
13. Сапронова Ж.А., Лесовик В.С., Гомес М.Ж., Шайхиева К.И., 2015. Сорбционные свойства УФ-активированных глин Ангольских месторождений. Вестник Казанского технологического университета, Том 18, № 1, с. 91–93.
14. Середин В.В., Медведева Н.А., Анюхина А.В., Андрианов А.В., 2018. Закономерности изменения содержания связанной воды в каолиновой глине при ее сжатии высокими давлениями. Вестник Пермского университета, Том 17, № 4, с. 359–369, https://doi.org/10.17072/ psu.geol.17.4.359.
15. Середин В.В., Растегаев А.В., Медведева Н.А., Паршина Т.Ю., 2017. Влияние давления на площадь активной поверхности частиц глинистых грунтов. Инженерная геология, № 3, с. 18–27, https://doi.org/10.25296/1993-5056-2017-3-18-27.
16. Тарасевич Ю.И., Овчаренко Ф.Д., 1975. Адсорбция на глинистых минералах. Наукова думка, Киев.
17. Франк-Каменецкий В.А., Котов Н.В., Гойло Э.А., 1970. Изменение структуры глинистых минералов в различных термодинамических условиях. В сб. Рентгенография минерального сырья. Недра, Москва, № 7, с. 166–174.
18. Франк-Каменецкий В.А., 1983. Рентгенография основных типов породообразующих минералов (слоистые и каркасные силикаты). Недра, Ленинград.
19. Шлыков В.Г., 2006. Рентгеновский анализ минерального состава дисперсных грунтов. ГЕОС, Москва.
20. Chukanov N.V., 2014. Infrared spectra of mineral species. Springer, Dordrecht, Netherlands,
https://doi.org/10.1007/978-94-007-7128-4.
21. Ehrenberg S.N., Aagaard P., Wilson M.J., Fraser A.R., Duthie D.M.L., 1993. Depth-dependent transformation of kaolinite to dickite in sandstones of the Norwegian continental shelf. Clay Minerals, No. 28, pp. 325–352.
22. Galan E., Aparicio P., Gonzalez Â., 2006. The effect of pressure on order/disorder in kaolinite under wet and dry conditions. Clays and Clay Minerals, Vol. 54, No. 2, pp. 230–239.
23. Gates W.P., Kloprogge J.T., Madejova J., Bergaya F., 2017. Infrared and raman spectroscopies of clay minerals. Elsevier, Amsterdam,
Netherlands.
24. La Iglesia A., 1993. Pressure induced disorder in kaolinite. Clay Minerals, No. 28, pp. 311–319.
25. Range K.J., Range A., Weiss A., 1969. Fire-clay type kaolinite or fire-clay mineral? Experimental classification of kaolinite-halloysite minerals. Proceedings of the International Clay Conference, Tokyo, Japan, 1969, Vol. 1, pp. 3–13.
26. Suraj G., Iyer C.S.P., Rugmini S., Lalithambika M., 1997. The effect of micronization on kaolinites and their sorption behavior. Applied Clay Science, Vol. 12, pp. 111–130.
27. Vaculíkova L., Plevová E., Vallová S., Koutník I., 2011. Characterization and differentiation of kaolinites from selected czech deposits using infrared spectroscopy and differential thermal analysis. Acta Geodynamica et Geomaterialia, Vol. 8, No. 1(161), pp. 59–67.
28. Xiaoyan Zhu, Zhichao Zhu, Xinrong Lei, Chunjie Yan., 2016. Defects in structure as the sources of the surface charges of kaolinite. Applied Clay Science, Vol. 124–125, pp. 127–136.

СЕРЕДИН В.В.*
Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Россия, seredin@nedra.perm.ru
Адрес: ул. Букирева, д. 15, г. Пермь, 614068, Россия
МЕДВЕДЕВА Н.А.
Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Россия, nata-kladova@yandex.ru
СИТЕВА О.С.
ООО НИППППД «Недра», г. Пермь, Россия, sisesin@rambler.ru
Адрес: ул. Л. Шатрова, д. 13а, г. Пермь, 614064, Россия
ИВАНОВ Д.В.
Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Россия, dm-psu@yandex.ru

Engineering Geology World, Vol. XIV, No. 4/2019

THE INFLUENCE OF PRESSURE ON THE FORMATION OF DEFECTIVENESS OF THE STRUCTURAL PACKAGE AND THE KAOLINIT MINERAL

Seredin V.V., Medvedeva N.A., Siteva O.S., Ivanov D.V.

Seredin V.V., Medvedeva N.A., Siteva O.S., Ivanov D.V., 2019. The influence of pressure on the formation of defectiveness of the structural package and the kaolinit mineral. Engineering Geology World, Vol. XIV, No. 4, pp. 44–54, https://doi.org/10.25296/1993-5056-2019-14-4-44-54.

To form the technological properties of clays, they are processed with a change in their structure. The purpose of the work is to study the influence of stress pressure on the change of defectiveness of structural package and kaolinite mineral. The paper presents the results of x-ray fluorescence analysis, infrared (IR) spectroscopy and diffractometric analysis on samples of kaolin clay. Experimental studies have shown that when kaolin is treated with stress pressure, defects are formed in the structural package of the mineral kaolinite due to the removal of Al3+, Fe3+/2+, Mg2+, Si4+ ions from it. In this case the most significant effect of the pressure is made on the displacement of Al3+ ions. The formation of defects, formed by removal of ions from the package, causes deformations of the crystal lattice. The obtained data on IR spectroscopy confirm an increase of the defectiveness (disorder) of the kaolinite structure. So, the vibration bands of hydroxyl groups (3696 cm-1, 3672 cm-1, 3654 cm-1, 3620 cm-1 and 914 cm-1) change under the influence of pressure. It has been found out that when pressure is increased, K3 = I 3695/I 3620 tends to decrease from 1,3 to 0,88 and K4 = I 3695/I915 from 0,8 to 0,6. These changes are more significant within the pressure range from 0 to 150 MPa than from 150 MPa to 800 MPa. It proves that at the increase of pressure the structure of kaolinite changes from perfect (defect-free) to imperfect (defective) one, caused by distortion (deformation) of its crystal lattice. It has been revealed that when kaolin clay is treated with pressure up to 150 MPa in a mineral (crystallite) consisting of 20–40 packages, the structure ordering is observed, i.e. the defectiveness of the structure decreases. At pressures P > 150 MPa an increase in the crystallite defectiveness is observed due to the destruction of hydrogen bonds between the packages and, as a consequence, sliding and rotation of structural packages. A change in the defectiveness of the kaolin structure has a significant effect on the formation of its physicochemical properties.

chemical composition pressure kaolinite kaolin chemical bonds structural package defects infrared spectroscopy

1. Boldyrev V.V., 2006. Mechanochemistry and mechanical activation of solids. Russian Chemical Reviews, Vol. 75, No. 3, pp. 203–216. (in Russian)
2. Viakhirev N.P., 1966. Intermediate forms in a continuous row of an amorphous substance — kaolinite. In collection of papers X-ray analysis of mineral raw materials. Nedra, Moscow, Vol. 5, pp. 128–131. (in Russian)
3. Goilo E.A., Kotov N.V., Frank-Kamenetskii V.A., 1966. An experimental study of the effect of pressure and temperature on the crystal structures of kaolinite, illite and montmorillonite. In collection of papers Physical methods for the study of sedimentary rocks. Nauka, Moscow, pp. 123–129. (in Russian)
4. Diatlova E.M., Bobkova N.M., Sergievich O.A., 2019. Infrared study of kaolin raw materials of belarusian deposits. Subsoil Use Problems, No. 2, pp. 143–149.
5. Kara-Sal B.K., Sapelkina T.V., 2012. Increasing the adsorption properties of clay rocks of Tuva depending on activation methods. Actual problems of modern science, No. 5, pp. 158–162. (in Russian)
6. Kossovskaia A.G., Shutov V.D., Drits V.A., 1963. Clay minerals — indicators of deep changes in terrigenous rocks. In collection of papers Geochemistry, mineralogy and petrography of sedimentary formations. Publishing house of the USSR Academy of Sciences, Moscow, pp. 68–73. (in Russian)
7. Kotel'nikov D.D., Koniukhov A.I., 1986. Clay minerals of sedimentary rocks. Nedra, Moscow. (in Russian)
8. Medvedeva N.A., Siteva O.S., Seredin V.V., 2018. Sorption ability of clays exposed to compression. Perm Journal of Petroleum and mining engineering, Vol. 18, No. 2, pp. 118–128, https://doi.org/10.15593/2224-9923/2018.4.2. (in Russian)
9. Nichiporenko S.P., Kruglitskii N.N., Panasevich A.A., Khil'ko V.V., 1974. Physical and chemical mechanics of dispersed minerals. Naukova Dumka, Kiev. (in Russian)
10. Plastinina M.A., Kukovskii E.G., 1979. The degree of perfection of kaolinites according to x-ray and infrared spectroscopy. Mineralogical Journal, Vol. 1, No. 2, pp. 67–72. (in Russian)
11. Pliusnina I.I., 1976. Infrared spectra of minerals. Publishing house of the Moscow University, Moscow. (in Russian)
12. Pushkareva G.I., 2000. The effect of temperature treatment of brucite on its sorption properties. Physical and technical problems of mining, No. 6, pp. 90–93. (in Russian)
13. Sapronova Zh.A., Lesovik V.S., Gomes M.Zh., Shaikhieva K.I., 2015. Sorption properties of UV-activated clays of the Angolan deposits. Herald of Kazan Technological University, Vol. 18, No. 1, pp. 91–93. (in Russian)
14. Seredin V.V., Medvedeva N.A., Aniukhina A.V., Andrianov A.V., 2018. Regularities of the bound water content variation in kaolin clay under high pressure. Bulletin of Perm University, Vol. 17, No. 4. pp. 359–369, https://doi.org/10.17072/ psu.geol.17.4.359. (in Russian)
15. Seredin V.V., Rastegaev A.V., Medvedeva N.A., Parshina T.Iu., 2017. Influence of pressure on the active surface area of clay soil particles. Inzhenernaya geologiya, No. 3, pp. 18–27, https://doi.org/10.25296/1993-5056-2017-3-18-27. (in Russian)
16. Tarasevich Iu.I., Ovcharenko F.D., 1975. Adsorption on clay minerals. Naukova Dumka, Kiev. (in Russian)
17. Frank-Kamenetskii V.A., Kotov N.V., Goilo E.A., 1970. Changes in the structure of clay minerals under various thermodynamic conditions. In collection of papers X-ray analysis of mineral raw materials. Nedra, Moscow, No. 7, pp. 166–174. (in Russian)
18. Frank-Kamenetskii V.A., 1983. X-ray diffraction of the main types of rock-forming minerals (layered and frame silicates). Nedra, Leningrad. (in Russian)
19. Shlykov V.G., 2006. X-ray analysis of the mineral composition of dispersed soils. GEOS, Moscow. (in Russian)
20. Chukanov N.V., 2014. Infrared spectra of mineral species. Springer, Dordrecht, Netherlands,
https://doi.org/10.1007/978-94-007-7128-4.
21. Ehrenberg S.N., Aagaard P., Wilson M.J., Fraser A.R., Duthie D.M.L., 1993. Depth-dependent transformation of kaolinite to dickite in sandstones of the Norwegian continental shelf. Clay Minerals, No. 28, pp. 325–352.
22. Galan E., Aparicio P., Gonzalez Â., 2006. The effect of pressure on order/disorder in kaolinite under wet and dry conditions. Clays and Clay Minerals, Vol. 54, No. 2, pp. 230–239.
23. Gates W.P., Kloprogge J.T., Madejova J., Bergaya F., 2017. Infrared and raman spectroscopies of clay minerals. Elsevier, Amsterdam, Netherlands.
24. La Iglesia A., 1993. Pressure induced disorder in kaolinite. Clay Minerals, No. 28, pp. 311–319.
25. Range K.J., Range A., Weiss A., 1969. Fire-clay type kaolinite or fire-clay mineral? Experimental classification of kaolinite-halloysite minerals. Proceedings of the International Clay Conference, Tokyo, Japan, 1969, Vol. 1, pp. 3–13.
26. Suraj G., Iyer C.S.P., Rugmini S., Lalithambika M., 1997. The effect of micronization on kaolinites and their sorption behavior. Applied Clay Science, Vol. 12, pp. 111–130.
27. Vaculíkova L., Plevová E., Vallová S., Koutník I., 2011. Characterization and differentiation of kaolinites from selected czech deposits using infrared spectroscopy and differential thermal analysis. Acta Geodynamica et Geomaterialia, Vol. 8, No. 1(161), pp. 59–67.
28. Xiaoyan Zhu, Zhichao Zhu, Xinrong Lei, Chunjie Yan., 2016. Defects in structure as the sources of the surface charges of kaolinite. Applied Clay Science, Vol. 124–125, pp. 127–136.

VALERIY V. SEREDIN*
Perm State National Research University, Perm, Russia, seredin@nedra.perm.ru
Address: Bld. 15, Bukireva St., 614068, Perm, Russia
NATALIA A. MEDVEDEVA
Perm State National Research University, Perm, Russia, natakladova@yandex.ru
OLGA S. SITEVA
«Nedra» LLC, Perm, Russia, sisesin@rambler.ru
Address: Bld. 13a, L. Shatrova St., 614064, Perm, Russia
DMITRIY V. IVANOV
Perm State National Research University, Perm, Russia, dm-psu@yandex.ru

Статьи из журнала

О КЛАССИФИКАЦИИ ГРУНТОВ ПО ДАННЫМ СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

“Инженерная геология”, том XIV, № 4/2019

Авторы: Болдырев Г.Г., Идрисов И.Х.

В работе представлен анализ известных методов классификации грунтов с использованием параметров статического зондирования CРТ, CPTU: лобовое сопротивление, силы трения и поровое давление, измеряемое в основании конуса. Одним из наиболее распространенных, ...

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПЕРЕУПЛОТНЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНДЕКСА КОМПРЕССИИ. ЧАСТЬ 2. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ МЕТОДА

“Инженерная геология”, том XIV, № 4/2019

Автор: Васенин В.А.

Вторая часть работы посвящена детализации идей предложенного метода оценки давления переуплотнения, построенного на основе учета потерь эффективных напряжений в результате нарушения природной структуры лабораторных образцов с использованием критерия изменения коэффициента ...

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ДЕФЕКТНОСТИ СТРУКТУРНОГО ПАКЕТА И МИНЕРАЛА КАОЛИНИТ

“Инженерная геология”, том XIV, № 4/2019

Авторы: Середин В.В., Медведева Н.А., Ситева О.С., Иванов Д.В.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО ПСЕВДОСТАТИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ РАСЧЕТОВ УСТОЙЧИВОСТИ СЕЙСМОГЕННЫХ ОПОЛЗНЕЙ (НА ПРИМЕРЕ ОПОЛЗНЯ ШУЙЦЗИНЯНЬ, КИТАЙ, 2008 г.)

“Инженерная геология”, том XIV, № 4/2019

Авторы: Кропоткин М.П., Прасолов А.А.

Совершенствование расчетов устойчивости оползнеопасных склонов в сейсмически активных регионах является одной из актуальных проблем инженерной геологии. Как псевдостатический, так и динамический методы учета сейсмического воздействия содержат много субъективных допущений, снижающих ...

ВЛИЯНИЕ КРУПНЫХ ПЛОЩАДНЫХ ИСТОЧНИКОВ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

“Инженерная геология”, том XIV, № 4/2019

Автор: Позднякова И.А.

Курьяновские и Люберецкие очистные сооружения, а также ОАО «Московский нефтеперерабатывающий завод» являются примерами крупных площадных потенциальных источников загрязнения подземных вод в пределах Москвы. Крупномасштабное картирование границ гидрогеологических окон на территории ...