Surowce ilaste są to surowce zawierające minerały ilaste jako podstawowy składnik. Minerały ilaste odgrywają dużą rolę w naszym codziennym życiu. Niektórzy autorzy uważają wręcz, że bez nich nie powstało by to życie: przypisywana jest im rola katalizatorów przy powstaniu pierwszych związków organicznych z których rozwinęły się pierwsze formy życia zdolne do reprodukcji.
Minerały ilaste są krzemianami charakteryzującymi się niemal zawsze warstwową strukturą krystaliczna. Stąd ogólniejsza nazwa dla zdecydowanej większości minerałów ilastych używana w mineralogii to krzemiany warstwowe – a te nie występują wyłącznie we frakcji ilastej (<0.004 mm).
Wyróżniamy warstwy oktaedryczne – zawierające uporządkowane w (pseudo)heksagonalny wzór ośmiościany np. [AlO3(OH)3]4- , oraz warstwy tetraedryczne zawierające uporządkowane również w (pseudo)heksagonalny wzór czworościany, głównie [SiO4]4-. Małe kationy metali umieszczone są w środku, natomiast atomy tlenu lub grupy hydroksylowe (OH-) umieszczone są w narożach czworo- i ośmiościanów. Warstwy te połączone są w pakiety. Jedna warstwa tetraedryczna połączona z warstwą oktaedryczną daje pakiet typu 1:1, natomiast dwie warstwy tetraedryczne połączone z warstwą oktaedryczną formują pakiet typu 2:1. W zależności od podstawień izomorficznych kationów o różnym ładunku elektrycznym w obrębie warstw (np. Si4+→Al3+ w obrębie warstw tetraedrycznych, Al3+→Mg2+ w obrębie warstwy oktaedrycznej) pakiety mogą posiadać ujemny ładunek elektryczny. Ładunek ten jest balansowany przez obecność kationów międzypakietowych, łączących naładowane pakiety. Zwykle wiązania między pakietami są słabe, stąd wynika bardzo dobra łupliwość kryształów, blaszkowy pokrój oraz szereg właściwości technicznych minerałów ilastych (zdolność do pęcznienia, duża powierzchnia właściwa, plastyczność, wymiana jonowa i in.). Niekiedy zamiast kationów międzypakietowych występuje warstwa metalohydroksylowa, wówczas mamy do czynienia z pakietem typu 2:1:1. Ponadto nie wszystkie pozycje strukturalne we wnętrzu oktaedrów muszą być zapełnione. Gdy statystycznie na trzy pozycje dwie są zajęte przez kationy (zwykle trójwartościowe) a jedna jest pusta (zwana wówczas wakancją), mówimy o minerale dioktaedrycznym. Gdy liczba zajętych przez kationy (wówczas zwykle dwuwartościowe) pozycji jest bliska lub równa trzy, mówimy o minerale trioktaedrycznym.
Te cechy – liczba warstw w pakiecie, ładunek pakietu oraz charakterystyka chemiczna warstwy oktaedrycznej są podstawą do klasyfikacji minerałów ilastych. Wyróżniamy siedem głównych grup:
Grupa kaolinitu i serpentynu
Dioktaedrycznymi krzemianami warstwowymi o typie pakietu 1:1 bez ładunku elektrycznego pakietów minerały z podgrupy kaolinitu - Al4Si4O10(OH)8. Ich trioktadrycznymi odpowiednikami są minerały z podgrupy serpentynu – Mg6Si4O10(OH)8.
Grupa talku i pyrofyllitu
Dioktaedrycznymi krzemianami warstwowymi o typie ładunku 2:1 bez ładunku elektrycznego pakietów są minerały z podgrupy pyrofyllitu - Al4Si8O20(OH)4. Ich trioktaedrycznymi odpowiednikami są minerały z podgrupy talku – Mg6Si8O20(OH)4.
Grupa miki
Krzemianami warstwowymi o ładunku pakietu równym 1,8-2,0e na jednostkę wzoru [O20(OH)4] są minerały z podgrupy mik dioktaedrycznych np. muskowit K<2Al4Al<2Si>6O20(OH)4. Przedstawicielem podgrupy mik trioktaedrycznych jest flogopit - K<2Mg6Al<2Si>6O20(OH)4.
Grupa wermikulitu
Krzemianem warstwowym o ładunku pakietu równym 1,2-1,8 na jednostkę wzoru [O20(OH)4], trioktaedrycznym jest wermikulit - [Mg0.54H2O] (Mg,Fe2+)3Si6Al2O10(OH)2.
Grupa smektytu
Krzemianami warstwowymi o ładunku pakietu równym 0,5-1,2 na jednostkę wzoru [O20(OH)4], należą do tej grupy np. montmoryllonit (Na,Ca)0,3-0.6Al3.4Mg0.6Si8O20(OH )4, beidellit M+0.6Al4Si7.4Al0.6O20(OH )4, nontronit M+0.6Fe+34Si7.4Al0.6O20(OH )4.
Grupa chlorytów
Przykładowym chlorytem dioktaedrycznym jest donbasyt – Al4Si8O20(OH)4Al4(OH)12 ładunek pakietu około 2e
Grupa pałygorskitu i sepiolitu – krzemiany warstwowo-wstęgowe.
Klasyfikacja ta nie jest sztuczna – te trzy parametry decydują również o najważniejszych właściwościach technologicznych.
Oszacowanie złoża surowców ilastych wymaga następujących operacji:
- obserwacje terenowe (odsłonięcia, wiercenia, szyby testowe); uzyskane informacje powinny obejmować rozmiar złoża, jego miąższość i geometrię. Makroskopowy opis surowców ilastych powinien obejmować kolor, zmienność i homogeniczność przestrzenną,
- wiercenia rozpoznawcze (gęstość siatki wzrasta wraz ze wzrostem zróżnicowania surowców ilastych; często surowce są bardzo mocno zróżnicowane np. siatka wierceń wystarczająca do rozpoznania złoża węgla brunatnego „Turów” jest zdecydowania nieadekwatna do zmienności surowców ilastych tam występujących.
- analizy danych geofizycznych, szczególnie technik sejsmicznych i pomiarów opornościowych, szczególnie przy złożach zaburzonych tektonicznie.
- obliczenia zasobów złoża – zwykle z uwagi na dużą zmienną ciężaru objętościowego (1,5-2,2 g/cm3) surowców ilastych wymagane jest określenie tej wartości na konkretnych próbkach.
- analiza możliwości transportowych i określenie rynku zbytu; podczas transportu może dojść do zanieczyszczeń surowców ilastych, również ich przeładowywanie może mieć negatywny wpływ na ich jakość.
Statystycznie najbardziej powszechnymi naukowymi metodami badawczymi zalecanymi przez naukowców do badań surowców ilastych są:
- dyfrakcja promieni rentgenowskich;
- spektroskopia w podczerwieni;
- różne metody analizy składu chemicznego, w tym fluorescencja rentgenowska;
- określenie pojemności jonowymiennej;
- skaningowa i transmisyjna mikroskopia elektronowa;
- metody analizy termicznej (DTA, TGA);
- analiza wielkości ziaren i określenie powierzchni właściwej;
Oprócz tego bada się szereg właściwości technicznych surowców ilastych: barwę po wypaleniu, wytrzymałość, ogniotrwałość, stopień plastyczności i wiele innych.
Typy głównych złóż surowców ilastych
Kaoliny - skały zawierające głównie minerały z podgrupy kaolinitu kaolinit, dickit, nakryt a także kwarc i mikę.
Złoża rezydualne (pierwotne) są formowane poprzez wietrzenie, najczęściej kwaśnych skał plutonicznych (granitów, granodiorytów, diorytów kwarcowych) lub wulkanicznych (ryolity, dacyty) w klimacie gorącym i wilgotnym. Złoża pierwotne powstają również w wyniku hydrotermalnych przemian granitoidów względnie ubogich w żelazo. Zmiany zachodzą zwykle powoli w stosunkowo niskich temperaturach. Szybszym zmianom hydrotermalnym podlegają skały kwaśne występujące w łukach wyspowych.
Złoża wtórne (osadowe) powstają w wyniku sedymentacji zerodowanego, przetransportowanego kaolinu. Płytki pogrzebanie takich osadów, niskotemperaturowa diageneza, infiltracja utlenionych wód może poprawić czystość i krystaliczność takich kaolinów. Często są to złoża osadzone w środowisku jeziornym lub izolowanych mórz (np. w basenie amazońskim.
Bentonity – skały zawierające głownie montmoryllonit
Powstają głównie w wyniku wietrzenia skał wulkanicznych (popiołów wulkanicznych, tufów, tufitów).
Wermikulit – powstaje głównie w wyniku wietrzenia i hydrotermalnych przeobrażeń skał zasobnych w biotych, np. związanych ze strefami kontaktowymi skał ultrazasadowych i kwaśnych.
Ponadto zróżnicowany skład mineralny mają skały osadowe wykorzystywane jako surowce ilaste – iły, iłołupki, itp.
Złoża surowców ilastych często towarzyszą kruszcom, surowcom energetycznym (węglowodory, węgiel kamienny i brunatny). Zwykle projekty zagospodarowania złoża skoncentrowane były na jednym, głównym celu i wiele wartościowych kopalin towarzyszących pozostawało nieodzyskane. Nowoczesna strategia zagospodarowania złoż obejmować powinna zintegrowane wydobycie – podczas którego wszystkie potencjalne surowce są rejestrowane a ich zasoby są oszacowane – znane są kuriozalne sytuacje, gdy bezpowrotnie zniszczono złoża surowców ilastych o wartości większej niż główny cel wydobycia. Przykładem jest czeskie złoże wartościowych iłów (mocno zmieniony fonolit) zawierających znaczne ilości TiO2 (anataz - do 14 %) nierozpoznane w porę i przysypane z powrotem zanim można było oszacować wartość materiału. Oczywiście harmonogram wydobywania głównego surowca jest czasem na tyle sztywny, że bardzo utrudnia zagospodarowanie kopalin towarzyszących. W Polsce przykładem stracenia cennego surowca jest złoże „Turów”, gdzie pogrzebano znaczne ilości wysokiej jakości czystych kaolinów iłów plastycznych. Stąd wymagane jest niekiedy uproszczenie procedur badawczych dotyczących selekcji próbek i strategii badawczej. Najważniejsze dla surowców ilastych jest uzyskanie informacji o składzie mineralnym, właściwościach chemicznych, teksturze oraz o długoterminowym zachowaniu się surowców ilastych w różnych warunkach.
Wiele z tych złóż związanych jest ze złożami węgla brunatnego. Występujące często w nadkładzie tych złóż plastyczne iły illitowe z domieszką kaolinitu, smektytów, chlorytów, minerałów mieszanopakietowych illit/smektyt, klastycznych mik i kwarcu są doskonałym surowcem ceramiki budowlanej.
Często złoża surowców ilastych – głównie kaolinitu - towarzyszą w formie soczew, warstw lub przewarstwień złożom węgla kamiennego. Surowce te są stosowane w produkcji wyrobów ogniotrwałych.
Znane są przypadki uzyskiwania surowców ilastych ze złóż kruszców – np. rud wolframu, cyny. Przykładem są zmienione w różnym stopniu granity zawierające kasyteryt, wolframit. Po odzyskaniu tych surowców pozostała część wydobytego materiału często może być wykorzystana przynajmniej w przemyśle ceramicznym.
M_rycha