Статья: Керамические глины кайнозоя Центрально-Черноземного района

Керамические глины кайнозоя Центрально-Черноземного района

А.В. Крайнов, Д.А. Дмитриев

Воронежский государственный университет

Аннотация

Керамические глины кайнозоя Воронежской антеклизы формировались в эоценовую, миоценовую и плиоценовую эпохи. Глины накапливались в мелководно-морских или аллювиальных фациях. Качество у них ниже, чем у керамических глин аптского яруса, но при внесении добавок, возможно их использование для изготовления керамических изделий. В статье рассмотрен вещественный состав керамических глин кайнозоя, который определяет технологические свойства исследуемого сырья. В минеральном составе отмечаются иллит, смектит и каолинит. Это кислые и полукислые глины, как правило, с высоким содержанием красящих оксидов. На электронномикроскопических снимках преобладают чешуйки терригенного каолинита неправильной формы с изменением псевдогексагональных пластинок. В миоценовых глинах, помимо каолинита неправильной формы, отмечаются вермикулярные кристаллы, что может свидетельствовать о дозревании глин в условиях проточного диагенеза. По совокупности вещественного состава и технологических свойств эоценовые отложения наименее перспективные из рассматриваемых для выявления в них месторождений керамических глин. Наиболее перспективные - аллювиальные образования миоцена и плиоцена.

Ключевые слова: керамические глины, огнеупорные глины, эоцен, миоцен, плиоцен.

Abstract

CENOZOIC CERAMIC CLAY OF THE CENTRAL BLACK EARTH REGION

The ceramic clays of the Cenozoic Voronezh anteclise were formed in the Eocene, Miocene, and Pliocene epochs. These clays accumulated in shallow-water or alluvial facies. Their quality is lower than that of the ceramic clays of the Aptian tier, but when adding additives, they can be used for the manufacture of ceramic products. The article discusses the material composition of Cenozoic ceramic clays, which determines the technological properties of the studied raw materials. In the mineral composition, illite, smectite and kaolin are noted. These are acidic and semi-acidic clay, usually with a high content of coloring oxides. The electron microscopic images are dominated by irregularly shaped terrigenous kaolinite pups with a change in pseudo-hexagonal plates. In Miocene clays, in addition to kaolinite of irregular shape, vermicular crystals are noted, which may indicate ripening of clays under conditions of flow diagenesis. By the totality of the material composition and technological properties, the Eocene sediments are the least promising among the ceramic clay clays considered to reveal in them. The most promising are the alluvial formations of the Miocene and Pliocene.

Keywords: ceramic clay, refractory clay, eocene, oligocene-miocene, Miocene, pliocene.

Введение

На территории Центрально-Черноземного района разрабатываются керамические глины аптского яруса. Они являются наиболее качественными и перспективными для наращивания запасов. Однако в качестве керамического сырья могут быть также использованы кайнозойские. В кайнозое выделяется 3 уровня развития керамических глин: эоценовый, миоценовый, плиоценовый [1]. К первому уровню приурочено Сергиевское месторождение и Горшеченское проявление керамических глин, ко второму - Шрамовское (Россошанское) и Краснояружское месторождения, к третьему - Байгоровское (рис. 1). Государственным балансом запасов учтены два месторождения - Красно- яружское и Шрамовское, которые находятся в нераспределенном фонде недр [2].

Рис. 1. Схема расположения кайнозойских месторождений и проявлений керамических глин Центральночерноземного района: 1 - Сергиевское, 2 - Горшеченское, 3 - Шрамовское (Россошанское), 4 - Краснояружское, 5 - Байго- ровское.

Эоценовый уровень. Сергиевское месторождение (1) расположено в Губкинском районе Белгородской области у села Сергиевка. В геологическом строении месторождения принимают участие отложения палеогеновой, неогеновой и четвертичной систем. Полезной толщей служат зеленовато-серые и серые глины киевской свиты палеогена мелководно-морских фаций, залегающие выдержанным слоем, мощностью 1,8-7,7 м, в среднем 5,77 м. Во вскрыше залегают кварцевые пески берекской свиты олигоцен-миоцена, средней мощностью 1,7 м, четвертичные суглинки, мощностью 2,5 м и почвенно-растительный слой мощностью 0,4-0,6 м [3]. Формирование глин проходило в мелководно-морских условиях на глубинах порядка 100 м [4].

По химическому составу глины кислые и полукис- лые: А12Оз 10,27-23,15%, SiO2 57,80-73,93%; с высоким содержанием красящих оксидов: Fe2O2 - 3,555,65%. Показатель огнеупорности - 1400-1480 °С.

По данным электронной микроскопии основная часть вещества киевской свиты сложена преимущественно пелитовым компонентом, который составляет 75%. Он представлен глинистым веществом хлопьевидной формы. Органические остатки в породе (12%) представлены диатомовыми водорослями центрической формы, большая часть которых представлена родом Coscinodiscus (рис. 2).

Рентгеноструктурный анализ показывает, что пелитовая масса имеет смектит-каолинит-иллитовый состав. На долю каолинита приходится до 20% породы. керамический глина кайнозой

На основании лабораторно-технологических испытаний, выяснено, что глины Сергеевского месторождения весьма чувствительны к сушке и обжигу, но, при значительном отощении шамотом (до 4060%), могут быть использованы для производства канализационных труб. Кроме того, рассматриваемые глины пригодны для производства качественного глинистого раствора, используемого при бурении.

Рис. 2. Электронно-микроскопический снимок. Киевская свита: створка диатомовой водоросли чашевидной формы. Увеличение 600.

Горшеченское проявление (2) расположено в Гор- шеченском районе Курской области, в 1 км к северу от поселка Горшечное. Полезная толща приурочена к отложениям киевской свиты палеогеновой системы. Глины присутствуют в виде линз, слоев среди песчаного разреза. Средняя мощность их составила 6,0 м; вскрышных пород - 4,2 м.

Рис. 3. Дифрактограммы фракции менее 0,005 мм глин Горшеченского проявления.

Глины коричневые, красно-коричневые, пестроцветные, среднепластичные (число пластичности 19,9-23,0 ед.), низко- и среднедисперсные (содержание частиц менее 0,001 мм - 35,9-41,9%). Они кислые и полукислые, с высоким содержанием красящих оксидов. На дифрактограммах отмечается каолинит- иллит-смектитовый состав с преобладанием первого минерала (рис. 3). При обжиге дают черепок светлооранжевого и оранжевого цвета [5].

На электронно-микроскопических снимках преобладают чашуйки каолинита размером, преимущест- венно, менее 5 мкм, неправильной формы с изменением псевдогексагональных пластинок, что выражается в расплывчатости их контуров, появлении зазубрин. Редко встречается каолинит в округлых формах со слабо выраженными псевдогексагональными очертаниями (рис. 4).

Рис. 4. Каолиниты из глин Горшеченского месторождения. РЭМ JSM 6380 LV, аналитик к. г.-м. н. Н.С. Базиков.

Миоценовый уровень. Шрамовское (Россошанское) месторождение (3) расположено в Воронежской области, в 25 км южнее г. Россошь. Полезная толща приурочена к отложениям новопетровской свиты миоцена. Средняя мощность полезной толщи - 2,53 м. Вскрыша сложена песками берекской свиты, глинами и суглинками четвертичной системы общей мощностью от 1,8 до 19,8 м. Средняя мощность вскрышных пород - 11,6 м. Подстилается полезная толща глинистыми песками берекской свиты и песками кантемировской свиты олигоцена [3]. Глина охристо-желтого цвета, слюдистая, алеврити- стая, пластичная, жирная на ощупь. Цвет обусловлен ожелезнением.

По данным рентгеноструктурного анализа глина имеет смектит-иллит-каолинитовый состав. Смектит характеризуется межплоскостным расстоянием 13,9314,33 А; иллит - 9,94 А, 5,0 А, 3,34 А; каолинит - 7,18 А, 4,47 А, 3,58 А. В пробе также присутствует кварц (рис. 5).

Рис. 5. Дифрактограммы фракции менее 0,005 мм глин Шрамовского месторождения.

По данным растровой электронной микроскопии в глинах Шрамовского месторождения встречаются 2 генерации кристаллов каолинита. Первая генерация представлена вермикулярными кристаллами размером от 10 до 40 мкм (рис. 6 а, б). Так же на снимках можно видеть изометричные кристаллы. Каолинит второй генерации плохо окристаллизован, чешуйки имеют размер, преимущественно менее 1 мкм (рис. 6 в, г). Наблюдается полное отсутствие гексагональных хорошо окристаллизованных пластинок. Такая форма чешуек типична для аллотигенного каолинита.

По содержанию глинозема глины Шрамовского месторождения относятся к группам полукислых и кислых тугоплавких (с показателем огнеупорности 1400-1560оС), с высоким и средним содержанием красящих оксидов (табл. 1), средне- и высокопластичным (число пластичности 18,7-28,9). При обжиге кислые разновидности дают кирпичный, полукислые - светло-коричневый цвет черепка.

Минеральный состав глины Шрамовского месторождения определяет благоприятные свойства керамического сырья. Однако высокое содержание кремнезема ухудшает качество керамических изделий. Получать различную керамическую продукцию высокого качества возможно путем введения корректирующих добавок. Так, например, добавление нефелинового концентрата приводит к улучшению спека- емости; доломита или мела - регулирует влажностное расширение; кварцевого песка - уменьшает термический коэффициент линейного расширения и термической стойкости изделий.

Краснояружское месторождение (4) расположено на юго-западе Белгородской области, в 4 км юго- восточнее крайних домой райцентра Красная Яруга.

Рис. 6. Каолиниты из глин Шрамовского месторождения. РЭМ JSM 6380 LV, аналитик к. г.-м. н. С. М. Пилюгин.

Таблица 1

Сокращенный химический анализ и определение показателя огнеупорности керамических глин кайнозойского возраста

Полезная толща приурочена к краснояружской толще миоцена и состоит из двух горизонтов: нижний - горизонт огнеупорных глин, мощностью до 5,3 м; верхний - горизонт тугоплавких глин, мощностью до 11,9 м, средняя мощность полезной толщи 7,22 м. Полезная толща представлена глиной светло-серой со слабым желтоватым или зеленоватым оттенками, неслоистой, жирной на ощупь, средне- и высокопластичной, пятнами оже- лезненной.

По данным рентгеноструктурного анализа глина имеет смектит-каолинитовый состав. Смектит характеризуется межплоскостным расстоянием 13,98 А, каолинит - 7,22 А, 4,47 А, 3,54 А. В пробе отмечаются кварц и следы иллита (рис. 7).

По данным растровой электронной микроскопии для каолинита из глин Краснояружского месторождения (рис. 8) размер частиц каолинита колеблется от 0,1 до 1,5-2,0 мкм, обычно менее 0,5 мкм. Гексагональные грани, характерные для неизмененного (первичного) каолинита коры выветривания, отсутствуют. Пластинчатые частички минерала имеют сглаженные (обломанные) в процессе переноса и вторичного переотложения формы. Грани пластинок обычно имеют неровные контуры, часто с волнистыми корродированными краями. По данным [5] на электронномикроскопических снимках каолинит отмечается в непрозрачных изометрично-пластинчатых образованиях, лишь изредка присутствуют хорошо ограниченные кристаллы.

Рис. 7. Дифрактограммы фракции менее 0,005 мм глин Краснояружского месторождения.

Рис. 8. Каолиниты из глин Краснояружского месторождения. РЭМ JSM 6380 LV, аналитик к. г.-м. н. С. М. Пилюгин.

По классификации сырья для керамической промышленности эти глины относятся к группам полу- кислых тугоплавких (с температурой плавления 1480оС), с высоким содержанием красящих оксидов (табл. 1), средне- и высокопластичным (число пластичности 16,6-31,3). При обжиге дают кирпичный цвет черепка.

Полиминеральный состав глин Краснояружского месторождения обусловливает их хорошие керамические свойства. Наличие каолинита препятствует вспучиванию, водопоглощению и большой усадке черепка при обжиге. Присутствие монтмориллонита обеспечивает пластификаторские свойства глинистой массы, однако этот же минерал определяет формовочную влажность (до 25,07%) и высокую чувствительность к сушке (воздушная линейная усадка 9,8013,20%). Обычное суммарное преобладание иллита и монтмориллонита при наличии каолинита дает возможность отнести это сырье к группе среднетемпературного спекания (1200-1250 °С).

По результатам испытаний глин Краснояружского месторождения полузаводских проб, произведенных НИИСТРОЙКЕРАМИКА, огнеупорные глины пригодны: для изготовления огнеупорного кирпича марок Б и В, при условии добавки в шихту не менее 20% каолинита; для облицовочных плиток, при условии обогащения на сите 01 и соблюдении состава шихт и параметров; для получения художественного литья, по методике, разработанной НИИХИП для Борисовского керамического завода. Тугоплавкие глины могут применяться для изготовления тугоплавкого кирпича, при условии введения эффективных отощаю- щих добавок.

Плиоценовый уровень. Байгоровское месторождение (5) расположено в Верхнехавском районе Воронежской области в 7-10 км к северу и северо- западу от районного центра Верхняя Хава.