معدن الطين

المعادن الطينية هي سيليكات الألومنيوم المائية (مثل الكاولين ، Al2Si2O5 ₍ OH ) 4 _{) ،} وأحيانًا تحتوي على كميات متغيرة من الحديد والمغنيسيوم والمعادن القلوية والقلويات الترابية وغيرها من الكاتيونات _{الموجودة} على أو بالقرب من بعض أسطح الكواكب .

تتشكل المعادن الطينية في وجود الماء ^{[ 1 ]،} ولها دور هام في الحياة، وتتضمنها العديد من نظريات نشأة الحياة . وهي مكونات أساسية للتربة ، وقد أفادت الإنسان منذ القدم في الزراعة والصناعة .

الطين مادة جيولوجية دقيقة الحبيبات، تكتسب مرونةً عند البلل، لكنها تصبح صلبة وهشة وغير مرنة عند التجفيف أو الحرق . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} وهو مادة شائعة جدًا، ^{[ 5 ]} ويُعدّ أقدم أنواع السيراميك المعروفة . اكتشف الإنسان في عصور ما قبل التاريخ الخصائص المفيدة للطين واستخدمه في صناعة الفخار . ^{[ 6 ]} تُعدّ التركيبة الكيميائية للطين، بما في ذلك قدرته على الاحتفاظ بالكاتيونات المغذية مثل البوتاسيوم والأمونيوم ، مهمة لخصوبة التربة. ^{[ 7 ]}

نظرًا لأن حجم الجزيئات الفردية في الطين يقل عن 4 ميكرومترات (0.00016 بوصة) ، فلا يمكن توصيفها بالطرق البصرية أو الفيزيائية التقليدية. وقد ازداد فهم التركيب البلوري للمعادن الطينية في ثلاثينيات القرن العشرين مع التقدم في تقنية حيود الأشعة السينية (XRD) التي لا غنى عنها لفك شفرة شبكتها البلورية. ^{[ 8 ]} وُجد أن جزيئات الطين تتكون في الغالب من معادن سيليكات صفائحية (فيلوسيليكات)، والتي تُصنف الآن ضمن مجموعة المعادن الطينية. ويستند تركيبها على صفائح سداسية مسطحة تشبه تلك الموجودة في مجموعة معادن الميكا . ^{[ 9 ]} كما ظهر توحيد المصطلحات خلال هذه الفترة أيضًا، ^{[ 8 ]} مع إيلاء اهتمام خاص للكلمات المتشابهة التي أدت إلى حدوث لبس، مثل "صفيحة" و"مستوى". ^{[ 8 ]} 

نظرًا لأن المعادن الطينية عادةً ما تكون (ولكن ليس بالضرورة) ذات حبيبات دقيقة للغاية، فإن تحديدها ودراستها يتطلبان تقنيات تحليلية خاصة. بالإضافة إلى علم البلورات بالأشعة السينية، تشمل هذه التقنيات طرق حيود الإلكترون ، ^{[ 10 ]} وطرقًا طيفية متنوعة مثل مطيافية موسباور ، ^{[ 11 ]} ومطيافية الأشعة تحت الحمراء ، ^{[ 10 ]} ومطيافية رامان ، ^{[ 12 ]} والمجهر الإلكتروني الماسح المزود بمطيافية تشتت الطاقة للأشعة السينية ^{[ 13 ]} أو عمليات علم المعادن الآلية ^{[ 10 ]} . ويمكن تعزيز هذه الطرق باستخدام المجهر الضوئي المستقطب ، وهي تقنية تقليدية تُستخدم لتحديد التواجدات الأساسية أو العلاقات البترولوجية. ^{[ 14 ]}

تُعدّ المعادن الطينية من نواتج التجوية الشائعة (بما في ذلك تجوية الفلسبار ) ونواتج التحول الحراري المائي عند درجات الحرارة المنخفضة . وتوجد المعادن الطينية بكثرة في التربة، وفي الصخور الرسوبية ذات الحبيبات الدقيقة مثل الصخر الزيتي والحجر الطيني والحجر الغريني ، وفي الصخور المتحولة ذات الحبيبات الدقيقة مثل الأردواز والفيليت . ^{[ 9 ]}

نظراً لاحتياجها للماء، تُعدّ المعادن الطينية نادرة نسبياً في النظام الشمسي ، على الرغم من وجودها بكثرة على الأرض حيث تفاعل الماء مع معادن أخرى ومواد عضوية . وقد تم رصد المعادن الطينية في عدة مواقع على سطح المريخ ، ^{[ 15 ]} بما في ذلك إيكوس تشاسما ، ووادي ماورث ، ومنطقة ميمونيا، ومنطقة إليسيوم . وأكدت الدراسات الطيفية وجودها على أجرام سماوية أخرى، منها الكوكب القزم سيريس ، ^{[ 16 ]} والكويكب 101955 بينو ، ^{[ 17 ]} والمذنب تمبل 1 ، ^{[ 18 ]} بالإضافة إلى قمر أوروبا التابع لكوكب المشتري . ^{[ 19 ]}

كجميع معادن السيليكات الصفائحية، تتميز معادن الطين بصفائح ثنائية الأبعاد من رباعيات _أوجه SiO₄ أو ثمانيات _أوجه AlO₄ المتصلة بزواياها . تتكون وحدات الصفائح من التركيب الكيميائي (Al, Si) _₃O₄ . يتشارك كل رباعي أوجه من السيليكا ثلاثة من أيونات الأكسجين الرأسية مع رباعيات أوجه أخرى، مُشكلاً بذلك ترتيبًا سداسيًا ثنائي الأبعاد. _أما أيون الأكسجين الرابع فلا يتشارك مع أي رباعي أوجه آخر، وتتجه جميع رباعيات الأوجه في الاتجاه نفسه؛ أي أن جميع أيونات الأكسجين غير المشتركة تقع على الجانب نفسه من الصفيحة. تُسمى هذه الأيونات غير المشتركة بأيونات الأكسجين القمية. ^{[ 20 ]}

في الطين، ترتبط الصفائح رباعية الأوجه دائمًا بصفائح ثمانية الأوجه تتكون من كاتيونات صغيرة، مثل الألومنيوم أو المغنيسيوم، وترتبط بست ذرات أكسجين. يشكل الرأس غير المشترك من الصفيحة رباعية الأوجه جزءًا من أحد جوانب الصفيحة ثمانية الأوجه، ولكن توجد ذرة أكسجين إضافية فوق الفجوة في الصفيحة رباعية الأوجه في مركز الأوجه الستة. ترتبط ذرة الأكسجين هذه بذرة هيدروجين مكونةً مجموعة OH في بنية الطين. يمكن تصنيف الطين بناءً على طريقة ترتيب الصفائح رباعية الأوجه وثمانية الأوجه في طبقات . إذا كانت هناك مجموعة واحدة فقط من الصفائح رباعية الأوجه ومجموعة واحدة من الصفائح ثمانية الأوجه في كل طبقة، يُعرف الطين باسم طين 1:1. أما البديل، المعروف باسم طين 2:1، فيتكون من طبقتين رباعيتي الأوجه، حيث يشير الرأس غير المشترك لكل طبقة إلى الأخرى ويشكل كل جانب من جوانب الطبقة ثمانية الأوجه. ^{[ 20 ]}

يتطلب الترابط بين الصفائح رباعية الأوجه وثمانية الأوجه أن تصبح الصفيحة رباعية الأوجه متموجة أو ملتوية، مما يُسبب تشوهًا ثنائيًا في الترتيب السداسي، بينما تُصبح الصفيحة ثمانية الأوجه مسطحة. وهذا يُقلل من التشوهات الكلية لتكافؤ الروابط في البلورة. ^{[ 20 ]}

اعتمادًا على تركيب الصفائح رباعية الأوجه وثمانية الأوجه، ستكون الطبقة إما متعادلة الشحنة أو ذات شحنة سالبة صافية. إذا كانت الطبقات مشحونة، فإن هذه الشحنة تُعادل بواسطة كاتيونات بين الطبقات مثل Na ⁺ أو K ⁺ أو بواسطة صفيحة ثمانية الأوجه منفردة. قد تحتوي الطبقة البينية أيضًا على الماء. يتكون التركيب البلوري من طبقات متراصة تتخللها طبقات بينية. ^{[ 20 ]}

يمكن تصنيف المعادن الطينية إلى نوعين: 1:1 و2:1. يتكون الطين من النوع 1:1 من طبقة رباعية الأوجه وطبقة ثمانية الأوجه، ومن أمثلته الكاولينيت والسربنتين . أما الطين من النوع 2:1 فيتكون من طبقة ثمانية الأوجه محصورة بين طبقتين رباعيتي الأوجه، ومن أمثلته التلك والفيرميكوليت والمونتوموريلونيت . طبقات الطين من النوع 1:1 غير مشحونة وترتبط فيما بينها بروابط هيدروجينية ، بينما طبقات الطين من النوع 2:1 تحمل شحنة سالبة صافية، وقد ترتبط معًا إما بواسطة كاتيونات منفردة (مثل البوتاسيوم في الإيليت أو الصوديوم أو الكالسيوم في السميكتيت) أو بواسطة طبقات ثمانية الأوجه موجبة الشحنة (كما في الكلوريت ). ^{[ 9 ]}

تشمل المعادن الطينية المجموعات التالية:

• مجموعة الكاولين ^التي _تشمل معادن الكاولينيت والديكيت والهالوسيت والناكريت ( ^أشكال متعددة من Al2Si2O5 ( OH ) _{4 )} . [ ²¹ _]​
  • تتضمن بعض المصادر مجموعة الكاولينيت-السربنتين نظرًا للتشابهات الهيكلية. ^{[ 8 ]}
• مجموعة السميكتايت ، التي تشمل السميكتايت ثنائي الأوجه، مثل المونتموريلونيت والنونترونيت والبيدليت ، والسميكتايت ثلاثي الأوجه، مثل السابونيت . ^{[ 21 ]} في عام 2013، توصلت الاختبارات التحليلية التي أجراها مسبار كيوريوسيتي إلى نتائج تتوافق مع وجود معادن طينية من السميكتايت على كوكب المريخ . ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}
• مجموعة الإيليت التي تشمل الميكا الطينية. الإيليت هو المعدن المشترك الوحيد في هذه المجموعة. ^{[ 21 ]}
• تضم مجموعة الكلوريت مجموعة واسعة من المعادن المتشابهة ذات تنوع كيميائي كبير. ^{[ 21 ]}
• توجد أنواع أخرى من الطين بنسبة 2:1 مثل الباليغورسكيت (المعروف أيضًا باسم الأتابولجيت ) والسيبوليت ، وهي أنواع من الطين تحتوي على قنوات مائية طويلة داخل بنيتها.

توجد اختلافات في طبقات الطين المختلطة لمعظم المجموعات المذكورة أعلاه. ^{[ 9 ]} يُوصف الترتيب بأنه عشوائي أو منتظم، ويُشار إليه أيضًا بمصطلح "reichweite" الألماني الذي يعني المدى أو الامتداد. على سبيل المثال، تشير المقالات العلمية إلى الإيليت-سميكتايت المرتب R1. يكون هذا النوع مرتبًا على شكل إيليت-سميكتايت-إيليت-سميكتايت (ISIS). من ناحية أخرى، يصف R0 الترتيب العشوائي، كما توجد أنواع أخرى من الترتيب المتقدم (R3، إلخ). غالبًا ما تُطلق أسماء خاصة على معادن الطين ذات الطبقات المختلطة التي تُصنف ضمن النوع R1 المثالي. يُعرف الكلوريت-سميكتايت المرتب R1 باسم كورينسيت ، بينما يُعرف الإيليت-سميكتايت R1 باسم ريكتوريت . ^{[ 25 ]}

يمثل X-ray rf(001) المسافة بين الطبقات بالنانومتر، كما تم تحديدها بواسطة علم البلورات بالأشعة السينية. أما Glycol (mg/g) فهو سعة امتصاص الجليكول، الذي يشغل المواقع بين الطبقات عند تعريض الطين لبخار الإيثيلين جليكول عند 60 درجة مئوية ₍ 140 درجة فهرنهايت) لمدة ثماني ساعات. CEC هي سعة التبادل الكاتيوني للطين. K₂O (%) هي النسبة المئوية لأكسيد البوتاسيوم في الطين. DTA يصف منحنى التحليل الحراري التفاضلي للطين.  

اقترح غراهام كيرنز سميث فرضية الطين لأصل الحياة عام ١٩٨٥. ^{[ ٢٧ ] [ ٢٨ ]} تفترض هذه الفرضية أن الجزيئات العضوية المعقدة نشأت تدريجيًا على أسطح تضاعف غير عضوية موجودة مسبقًا لبلورات السيليكات الملامسة لمحلول مائي. وقد ثبت أن معدن المونتموريلونيت الطيني يحفز بلمرة الحمض النووي الريبي (RNA) في المحلول المائي من مونومرات النيوكليوتيدات ، ^{[ ٢٩ ]} وتكوين الأغشية من الدهون. ^{[ 30 ]} في عام 1998، اقترح هايمان هارتمان أن "الكائنات الحية الأولى كانت عبارة عن طين غني بالحديد ذاتي التكاثر، يقوم بتثبيت ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى حمض الأكساليك وأحماض ثنائية الكربوكسيل أخرى . ثم تطور هذا النظام من الطين المتكاثر ونمطه الأيضي إلى المنطقة الغنية بالكبريتيد في الينابيع الساخنة، مكتسبًا القدرة على تثبيت النيتروجين . وأخيرًا، تم دمج الفوسفات في النظام المتطور، مما سمح بتخليق النيوكليوتيدات والفوسفوليبيدات." ^{[ 31 ]}

تُضفي المرونة التركيبية والبنيوية للمعادن الطينية خصائص بيولوجية مثيرة للاهتمام. فبفضل أسطحها القرصية الشكل والمشحونة، تتفاعل الطين مع مجموعة واسعة من الأدوية والبروتينات والبوليمرات والحمض النووي (DNA) أو غيرها من الجزيئات الكبيرة. وتشمل بعض تطبيقات الطين توصيل الأدوية وهندسة الأنسجة والطباعة الحيوية. ^{[ 32 ]}

يمكن دمج المعادن الطينية في ملاط ​​الجير والميتاكاولين لتحسين الخواص الميكانيكية. ^{[ 33 ]} يساعد الفصل الكهروكيميائي على الحصول على منتجات معدلة تحتوي على السابونيت، ذات تركيزات عالية من معادن مجموعة السميكتايت، وحجم جسيمات معدنية أصغر، وبنية أكثر تماسكًا، ومساحة سطح أكبر. تتيح هذه الخصائص إمكانية تصنيع سيراميك عالي الجودة ومواد ماصة للمعادن الثقيلة من منتجات السابونيت. ^{[ 34 ]} علاوة على ذلك، يحدث طحن للمخلفات أثناء تحضير المواد الخام للسيراميك؛ وتُعد إعادة معالجة هذه المخلفات ذات أهمية بالغة لاستخدام لب الطين كعامل مُعادل، حيث تتطلب التفاعلات جسيمات دقيقة. أظهرت التجارب على إزالة حموضة التربة الطينية باستخدام معلق الطين القلوي أن التعادل، بمتوسط ​​درجة حموضة 7.1، يتحقق عند إضافة 30% من اللب، وقد أثبت موقع تجريبي ذو أعشاب معمرة فعالية هذه التقنية. علاوة على ذلك، يُعد استصلاح الأراضي المتضررة جزءًا لا يتجزأ من المسؤولية الاجتماعية والبيئية لشركة التعدين، ويلبي هذا السيناريو احتياجات المجتمع على المستويين المحلي والإقليمي. ^{[ 35 ]}

تُوفّر نتائج امتزاز الجليكول، وسعة التبادل الكاتيوني، وحيود الأشعة السينية، والتحليل الحراري التفاضلي، والاختبارات الكيميائية، بياناتٍ يُمكن استخدامها للتقديرات الكمية. بعد تحديد كميات المواد العضوية، والكربونات، والأكاسيد الحرة، والمعادن غير الطينية، تُقدّر نسب المعادن الطينية باستخدام بيانات امتزاز الجليكول، وسعة التبادل الكاتيوني، وK20، والتحليل الحراري التفاضلي المناسبة. تُقدّر كمية الإيليت من محتوى K20، كونه المعدن الطيني الوحيد الذي يحتوي على البوتاسيوم. ^{[ 36 ]}

الصخور الطينية هي تلك التي تشكل المعادن الطينية مكونًا رئيسيًا فيها. ^{[ 37 ]} على سبيل المثال، الأحجار الجيرية الطينية هي أحجار جيرية ^{[ 38 ]} تتكون في الغالب من كربونات الكالسيوم ، ولكنها تحتوي على 10-40% من المعادن الطينية: تُسمى هذه الأحجار الجيرية، عندما تكون لينة، غالبًا بالمارل . وبالمثل، فإن الأحجار الرملية الطينية مثل الجريواك هي أحجار رملية تتكون أساسًا من حبيبات الكوارتز ، مع ملء الفراغات البينية بالمعادن الطينية.

• كيمياء الطين
• الطين المتمدد – التربة الطينية المعرضة للتمدد والانكماش 
• الطين/الحجر الطيني على كوكب المريخ
  • خريطة إيوليس الرباعية – واحدة من سلسلة تضم 30 خريطة رباعية للمريخ 
  • تكوين المريخ – فرع من جيولوجيا المريخ 
  • الجدول الزمني لمختبر علوم المريخ – الجدول الزمني لأحداث مهمة مختبر علوم المريخ التابع لناسا 
• التجوية العكسية – تكوين معادن الطين الذاتية التكوين 
• جمعية معادن الطين – منظمة غير ربحية مقرها الولايات المتحدة الأمريكية. صفحات تعرض أوصافًا مختصرة لأهداف إعادة التوجيه. 
• حيود الأشعة السينية للمعادن الطينية
• طين النمذجة – أي مادة من مجموعة المواد القابلة للتشكيل المستخدمة في البناء والنحت. صفحات تعرض أوصافًا موجزة لأهداف إعادة التوجيه