Allmänt om lermineraler
Lermineralernas struktur har till stor del bestämts med hjälp av röntgendiffraktionsmetoder. De väsentliga egenskaperna hos silikater med vattenhaltigt lager avslöjades av olika forskare, däribland Charles Mauguin, Linus C. Pauling, W.W. Jackson, J. West och John W. Gruner genom slutet av 1920-talet till mitten av 1930-talet. Dessa egenskaper är kontinuerliga tvådimensionella tetraedriska skikt av sammansättningen Si2O5, med SiO4-tetraedrar (figur 1) som är sammanlänkade genom att dela tre hörn av varje tetraeder för att bilda ett hexagonalt nätmönster (figur 2A). Ofta är tetraedrarnas kiselatomer delvis ersatta av aluminium och i mindre utsträckning av järn. Det apikala syret i det fjärde hörnet av tetraederna, som vanligtvis är riktat normalt mot arket, utgör en del av ett intilliggande oktaederark där oktaederna är sammanlänkade genom att dela kanter (figur 3). Förbindelseplanet mellan tetraeder- och oktaederplattorna består av de gemensamma apikala syreatomerna i tetraederna och odelade hydroxyler som ligger i mitten av varje sexkantig ring av tetraederna och på samma nivå som de gemensamma apikala syreatomerna (figur 4). Vanliga katjoner som koordinerar de oktaedriska skikten är Al, Mg, Fe3+ och Fe2+; ibland förekommer Li, V, Cr, Mn, Ni, Cu och Zn i betydande mängder. Om tvåvärda katjoner (M2+) finns i oktaederbladen är sammansättningen M2+/3 (OH)2O4 och alla oktaedrar är upptagna. Om det finns trevärda katjoner (M3+) är sammansättningen M3+/2 (OH)2O4 och två tredjedelar av oktaederna är upptagna, med avsaknad av den tredje oktaedern. Den förstnämnda typen av oktaederblad kallas trioktaedrisk och den sistnämnda dioktaedrisk. Om alla anjongrupper är hydroxyljoner i sammansättningarna av oktaedriska skikt kan de resulterande skikten uttryckas med M2+(OH)2 respektive M3+(OH)3. Sådana skikt, som kallas hydroxidskikt, förekommer enstaka och alternerar med silikatskikt i vissa lermineraler. Brucit, Mg(OH)2, och gibbsit, Al(OH)3, är typiska exempel på mineral med liknande strukturer. Det finns två huvudtyper av de strukturella ”ryggraden” i lermineraler som kallas silikatskikt. Enhetssilikatskiktet som bildas genom att en oktaedrisk skiva anpassas till en tetraedrisk skiva kallas ett 1:1-silikatskikt, och den exponerade ytan på den oktaedriska skivan består av hydroxylsyror. I en annan typ består enhetssilikatskiktet av ett oktaedriskt skikt som är insprängt mellan två tetraedriska skikt som är orienterade i motsatt riktning och kallas för ett 2:1-silikatskikt (figur 5). Dessa strukturella egenskaper är dock begränsade till idealiserade geometriska arrangemang.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.
De verkliga strukturerna hos lermineralerna innehåller betydande kristallspänningar och -förvrängningar, vilket ger upphov till oregelbundenheter som deformerade oktaeder och tetraeder snarare än polyeder med liksidiga triangelytor, ditrigonal symmetri modifierad från den ideala hexagonala ytsymmetrin, och veckade ytor i stället för de plana plan som utgörs av de basala syreatomerna i det tetraedriska arkets basala symmetri. En av de viktigaste orsakerna till sådana förvrängningar är dimensionella ”missanpassningar” mellan de tetraedriska och oktaedriska skikten. Om det tetraedriska skiktet endast innehåller kisel i den katjoniska platsen och har en idealisk hexagonal symmetri, är den längre enhetsdimensionen inom basalplanet 9,15 Å, vilket ligger mellan de motsvarande dimensionerna 8,6 Å för gibbsit och 9,4 Å för brucit. För att passa in den tetraedriska plattan i dimensionen av den oktaedriska plattan roterar alternerande SiO4-tetraedrar (upp till ett teoretiskt maximum på 30°) i motsatta riktningar för att förvränga den ideala hexagonala ordningen till en dubbelt triangulär (ditrigonal) ordning (figur 2B). Genom denna distorsionsmekanism kan tetraeder- och oktaederplattor med många olika sammansättningar, som är resultatet av joniska substitutioner, länkas samman och upprätthålla silikatskikt. Bland joniska substitutioner är det de mellan joner av tydligt olika storlek som mest signifikant påverkar de geometriska konfigurationerna av silikatskikt.
En annan viktig egenskap hos skiktsilikater, på grund av deras likhet i skiktstrukturer och hexagonala eller nästan hexagonala symmetri, är att strukturerna tillåter olika sätt att stapla atomära plan, skikt och skikt på varandra, vilket kan förklaras av kristallografiska operationer som translation eller förskjutning och rotation, och därmed skiljer dem från polymorfer (t.ex. diamantgrafit och kalcit-aragonit). Den förstnämnda innebär endimensionella variationer, men den sistnämnda i allmänhet tredimensionella. De olika strukturer som är resultatet av olika staplingssekvenser av en fast kemisk sammansättning kallas polytyper. Om en sådan variation orsakas av joniska substitutioner som är små men konsekventa kallas de polytypoider.