Основы минералогии гипергенеза

Как уже показано выше, исследования связей структурных характеристик слоистых силикатов с эффективностью их выщелачивания бактериями выявили значение структурного упорядочения минералов, традиционно оцененного с помощью дифрактографического метода, показателя Хинкли и размеров блоков когерентного рассеяния рентгеновских лучей.

В последнее время с помощью модифицированных методов удалось для каолинита получить новейшие структурные характеристики, позволившие по-новому оценить взаимодействия силикатных бактерий (Bac. mucilagenosus) с минералом (Яхонтова и др., 1991б).

Объектами исследования послужили образцы из каолиновых месторождений элювиального генезиса, представленные двумя типами мономинеральных псевдоморфоз каолинита по биотиту. Псевдоморфозы первого типа (обр. 1) образовались по механизму эндотаксического послойного замещения биотита, второго типа - путем эпитаксического слоисто-спирального роста каолинита (обр. 2, 3). Псевдоморфозы второго типа насыщены винтовыми дислокациями, а структура самого каолинита имеет не дискретное, а геликоидальное межслоевое пространство.

Обработка образцов каолинита осуществлялась одним и тем же штаммом силикатных бактерий в течение 7 сут. при температуре 25 С. Перемешивание каолинитовых суспензий осуществлялось с помощью воздушной струи. По истечении срока выщелачивания в накопленных растворах количественно определялись SiO₂ и Al₂O₃ (табл. 59).

Примечание. В скобках показан коэффициент кристалличности и число слоев в среднем блоке после бактериальной обработки образцов.

Перед бактериальной обработкой образцы каолинита исследовались традиционным дифрактометрическим методом с определением показателя кристалличности, т.е., по существу, степени упорядоченности, по Хинкли. Затем рентгеновским же методом, но посредством сканирования обратного пространства, выполненном на кафедре минералогии Казанского университета на усовершенствованном дифрактометре, у которого движение счетчика рентгеновских квантов и держателя препарата независимы, было оценено структурное совершенство каолинита в использованных пробах и определены размеры областей (блоков) когерентного рассеяния в виде числа слоев (N) в среднем блоке (Звягин, Кринари, 1989). Надо заметить, что традиционные методы рентгеновского анализа получение таких данных не обеспечивают.

Метод сканирования обратной решетки каолинита позволил получить картину разрешенности рефлексов зоны 0,2-11 дифрактограммы, которые, как известно, являются наиболее чувствительными к любым искажениям структуры слоистых силикатов, что было очень важным в данном случае - при обработке каолинита органической жидкостью и культурой силикатных бактерий.

Полученные дифрактограммы образцов каолинита (рис.19) показали высокую степень изначальной упорядоченности каолинита образцов 2, 3, т.е. псевдоморфных образований второго типа, и существенно менее упорядоченную структуру каолинита в обр. 1. Эти данные в общем совпали и с результатами определения коэффициента кристалличности каолинита, который особо низок (0,67) вновь у обр. 1.

С целью вычисления характера взаимодействия силикатных бактерий (их активных метаболитов в первую очередь) со структурой каолинита был использован метод интеркаляции (насыщения) проб гидразинмоногидратом в совокупности со сканированием обратного пространства. Исследование выполнено в полном соответствии с известной методикой и согласно выработанным представлениям о том, что кинетика интеркаляционного процесса может быть выражена временем интеркаляции когерентного блока кристаллической структуры (t ) и фрактальной размеренностью ( ), определяющей геометрию распределения системы блоков в объеме кристаллической структуры и задающей последовательность их вступления в процесс интеркаляции (Галимова и др., 1990). Учитывая также, что система когерентных блоков в совокупности частиц каолинита фрактальна, т.е. удовлетворяет условиям самоподобия и однородности во всем диапазоне изменения их размеров.

Метод исследования фрактальной размерности каолинита, как никакой другой, позволяет рассмотреть процесс бактериального выщелачивания силиката с учетом тех деталей его строения, которые непосредственно участвуют в биокосном взаимодействии. Имеется в виду система структурных блоков, степень их подобия и время их обработки (интекаляции) продуктами метаболизма бактерий. Не случайно этот метод с успехом используется, выявляя новые возможности интерпретации технологических процессов.

Переходя к обсуждению полученных результатов (табл. 59), прежде всего отметим максимальную эффективность бактериального выщелачивания, проявленную обр. 2, минимальную, характерную для обр. 1, и промежуточное положение обр. 3.

Анализ экспериментальных данных убедительно показал, что оценка процесса бактериального выщелачивания и стабильности каолинита не может быть произведена на основе какой-либо одной структурной характеристики образца - необходим учет комплекса характеристик. Так, для наиболее результативно выщелачиваемого каолинита (обр. 2) в этот комплекс можно включить: 1) совершенство структуры, обладающей геликоидальным межслоевым пространством и высокой концентрацией винтовых дислокаций, и 2) большую скорость интеркаляции, обеспеченную при относительно невысокой фрактальной размерности, т.е. степени однородности и самоподобия, довольно крупными средними блоками.

Рис. 19. Дифрактограммы зоны 0,2-11 каолинита образцов 2, 3 (а) и обр. 1 (б). Штриховой контур отвечает пробе после бактериальной обработки

Низкую эффективность выщелачивания обр. 1 можно связать не только с несовершенством структуры, но и с большим временем ее интеркаляции (временем проникновения метаболитов), обязанным мелким структурным блокам, хотя и обладающим высокой степенью однородности, т.е. фрактальной размерности. Не исключена также отрицательная роль самого процесса формирования псевдоморфоз каолинита механизмом послойного роста с отсутствием винтовых дислокаций.

Особо интересен обр.3, который практически по всем выявленным характеристикам (высокая структурная упорядоченность, блоки лишь слегка меньше, винтовые дислокации, близкая фрактальная размерность) напоминает обр. 2, но по результатам выщелачивания резко от него отличается (выход в раствор Si и Al уменьшился в 1,5 раза). Объяснение такого поведения образца видится лишь в заметно увеличенном времени интеркаляции его гидразином и, следовательно, культуральным раствором (21 сек.). Вопрос о непосредственной причине замедленного насыщения образца пока, к сожалению, остается не выясненным.

Сопоставление рентгенограмм зоны 02-11 каолинита до и после бактериальной обработки показало, что совершенная структура минерала (см. рис.19), выщелачивание которой происходит наиболее интенсивно, практически не претерпевает каких-либо изменений. При этом выход в раствор Si и Al, т.е. выщелачивание вещества из обоих структурных сеток (тетраэдрической и октаэдрической), находится в весьма близком (1:1) отношении.

Иначе дело обстоит с образцом каолинита, обладающего малой упорядоченной структурой. В этом случае при выщелачивании происходит замтное разрешение дифракционных максимумов рентгенограммы, свидетельствующее о некотором упорядочении структуры каолинита. Сам процесс выщелачивания характеризуется преимущественным изменением состава октаэдрических слоев структуры с определенным сохранением тетраэдрических сеток. Заметно увеличился коэффициент кристалличности. Видимо, можно полагать, что в условиях бактериального воздействия слоистые силикаты могут испытывать некоторое структурное упорядочение, в механизме которого еще предстоит разобраться.

В целом приведенные исследования с использованием новейших методик изучения каолинита, направленные на выяснение характера взаимосвязей между его тонкими конституционными характеристиками и эффективностью бактериального выщелачивания, показали, что этот процесс может быть не только прогнозируемым, но и контролируемым в отношении результативности со стороны структурных свойств силиката. Новые данные подтвердили ранее высказанную концепцию об определяющей роли структурного упорядочения каолинита в процессе бактериального выщелачивания.