Spanish Investigations on Clay Minerals and Related Minerals

7/24/2019 Spanish Investigations on Clay Minerals and Related Minerals

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S P A N I S H I N V E S T I G A T I O N S O N C L A Y M I N E R A L S

A N D R E L A T E D M I N E R A L S

B y

J M ALBAREDA

I n s t i t u t o d e E d a f o l o g i a y F i s i o lo g l a V e g e t a l , M a d r i d , S p a i n

A B S T R A C T

T h e s t u d i e s u n d e r t a k e n b y t h e I n s t i t u t o d e E d a f o l o g l a y F i s i o l o g [ a V e g e t a l o n c l a y m i n -

e r a l s a n d r e l a te d s il ic a t e s c a n b e cl a s si f ie d i n t o t h r e e m a i n g r o u p s : A ) M i n e r a l o g i c a l

i d e n t i f i c a t io n a n d c ry s t a l li n e s t r u c t u r e : B ) p h y s i c o - c h e m i ca l b e h a v i o r ; a n d C ) t e c h n i c a l

a p p l i c a t i o n s . T h e y a r e s u m m a r i z e d b r i e f l y .

M I N E R A L O G I C A L I D E N T I F I C A T I O N A N D C R Y S T A L L I N E S T R U C T U R E

O F S I L I C A T E S

I n t h i s f i e ld o f s t u d y t h e t a s k o f t h e I n s t i t u t e h a s b e e n c e n t e r e d o n t w o p r o b -

l e ms : 1 ) I de n t i f i c a t ion o f t he s i li c a te s o f s e ve r a l S pa n i sh de pos i t s, a nd 2 )

s t u d y o f t h e m i n e r a l o g i c a l c o m p o s i t i o n o f t h e c l a y f r a c t i o n o f a g r e a t n u m b e r

of Spanish so i l s .

I nve s t iga t ions on the i de n t i f i c a t io n o f na tu r a l s i l i c a te s r e su l t e d in t he d i s c ov -

e r y , b y E . G u t i 6 r re z R i o s a n d L . H e r n a n d o 1 9 4 7 , 1 9 4 8 ) , o f b e n t o n i t e d e p o s i ts

i n S p a n i s h M o r o c c o . T h e g e n e s is o f t h e m o n t m o r i l l o n i te o f th i s d e p o s i t w a s t h e

o b j e c t o f r e s e a rc h b y E . G u f i e r re z R i n s a n d F . G o n z ~ te z G a r c i a 1 9 4 9 ) w h o c o n -

c l u d e d t h a t i t w a s f o r m e d b y t h e a c t i o n o f w a t e r o n a n d e s i t e s a n d t h a t t h e c o n -

t r i b u t i o n o f M g 2 b y w a t e r p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e g e n e s is o f m o n t m o r i l -

I o n it e s. T h e t r a n s f o r m a t i o n t a k e s p l ac e in a n a l k a l in e m e d i u m a n d i s i n i ti a t e d

b y h y d r a t i o n o f t h e c r y s t a l li n e l a tt i c e o f th e r o c k f e ld s p a r .

E m p l o y i n g t h e c a lc u l a t io n m e t h o d s u g g e s t e d b y R o s s a n d H e n d r i c k s , G u t i 6 r-

r e z R i o s a n d G o n z fi le z G a r c l a 1 9 4 8 ) d e t e r m i n e d t h e m i n e r a l o g i c a l f o r m u l a s o f

t h e b e n t o n i t e o f M o r o c c a n d e p o s it s . T h e y c o n c l u d e d t h a t t h e b e n t o n i t e m i n e r a l s

a r e m e m b e r s o f t h e m o n t m o r i ll o n i t e- b e i d e ll i te se ri es , a n d t h a t s o m e o f t h e m r e p -

r e s e n t v e r y a d v a n c e d s u b s t i t u t i o n o f S i~+ b y A13+.

V . A le ix a nd r e 1949 ) l a t e r e s t a b l i she d the ha l loys i t i c na tu r e o f t he Ma a z z a

d e p o s it s a n d t h e m o n t m o r i l l o n i t i c c h a r a c t e r o f t h e g r e e n a n d w h i t e s m e c t i t ic

c l ay s o f S i e r r a d e G a d o r A l m e r i a ) .

I n th e i r s tu d y o f t h e S i e r r a d e N i j a r A l m e r l a ) d e p o s it s , J . L . M a r t in V i v a l d i

a n d F . G o n z ~ le z G a r c l a s h o w e d t h a t th e m i n e r a l i s f u n d a m e n t a l l y a m e m b e r o f

t h e m o n t m o r i l l o n i t e- b e i d e l li t e s e ri e s, r e v e a l in g a h i g h d e g r e e o f i s o m o r p h o u s

subs t i t u t i on o f A13+ by M g 2+ a nd F e in oc t a he d r a l c oo r d in a t ion Gonz ~ le z Ga r -

c l a a n d M a r t i n V i v a l d i, 1 9 4 9 ; M a r t i n V i v a ld i a n d G o n z fi le z G a r c i a , 1 9 5 1 ) . T h e

e l e c t ro n m i c r o s c o p e h a s r e v e a le d t h e e x i s te n c e o f a h i g h c o n c e n t r a t i o n o f f i b -

r o u s p a r t i c l es w h i c h m u s t b e r e l a te d t o m o n t m o r i l lo n i t e , a l t h o u g h t h e l i t e r a t u r e

f a i ls to m e n t i o n t h is m o r p h o l o g y i n m i n e r a l s o f th e m o n t m o r i l lo n i t e - b e i d e ll i te

ser ies .

A . H o y o s d e C a s t r o a n d M . D e l g a d o 1 9 4 9 ) h a v e in v e s t i g a te d t h e g en e s is o f

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SP NISH INVESTIG TIONSON CL Y MINER LS

t h e k a o l i n d e p o s it s o f C a r a t a u n a s ( G r a n a d a ) a n d h a v e c o n c l u d e d t h a t th e k a o -

l in i s t he r e s u l t o f the a l t e r a t i on o f a n e r up t i ve r oc k . F i r s t, s e r i c i t e w a s f o r m e d

b y h y d r o t h e r m a l m e t a m o r p h o s i s , t h r o u g h t he a g e n c y o f a l k a li n e so l ut io n s . L a t -

e r , t r a n s f o r m a t i o n o f s e r i c i t e b y m e a n s o f h y d r o t h e r m a l p r o c e s s e s o r w e a t h e r -

i n g le d t o t h e f o r m a t i o n o f k a o l in .

H o y o s d e C a s t ro a n d D e l g a d o ( 1 9 5 2 ) h a v e a ls o in v e s t i g a t e d t h e g e n e si s a n d

c h a r a c t e r o f th e m a t e r i a l k n o w n a s " l a u n a . "

M . D e l g a d o ( 1 9 5 3 ) h a s s tu d i e d t w o s e rp e n t i n e d e p o s i ts , o n e i n S i e r r a N e v a d a

( G r a n a d a ) a n d t h e o t h e r i n S i e r r a B e r m e j a ( M ~ l a g a ) . H e co n c lu d e d t h a t t h e

f o r m e r i s h y d r o t h e r m a l i n o r i g i n a n d i s p o s s i b l y d e r i v e d f r o m a p y r o x e n i t e .

T h e s e c o n d d e p o s i t s e e m s t o b e o f h y p o g e n i c o r i g i n .

J . L . M a r t i n V i va l d i a nd J . Ca no Ru i z ( 1953 ) ha v e inve s t i ga t e d t he se p i o l i te s

o f t h e V a l l e ca s ( M a d r i d ) a n d C a b a f i a s d e l a S a g r a ( T o l e d o ) d e p o s i ts a n d h a v e

e s t ab l i sh e d t h e i r a p p r o x i m a t e e m p i r i c a l f o r m u l a a s 6 SiO 2 9 4 R O 9 7 H 2 0 , w h e r e

R i s m a i n l y M g 2 t, w i t h s om e F e a n d A 13 i n i s om or p h i c s ub s t i t u t i on . O f t he

s e v en m o l e c u l e s o f w a te r , f o u r a r e l o st a t t e m p e r a t u r e s b e lo w 3 0 0 ~ C a n d m u s t ,

t h e r e f o r e , r e p r e s e n t c o m p l e t e l y r e v e r s i b l e h y g r o s c o p i c w a t e r .

A l a t e r d e t a i le d s t u d y o f t h e d e h y d r a t i o n p r o c e s s in s e p i o li te ( M a r t i n V i v a l d i

a n d C a n o R u i z , 1 9 5 6 ) h a s e n a b l e d t h e m t o e s t a b l i s h a c l o s e r a g r e e m e n t w i t h

t h e t y p e s o f w a t e r p o s t u la t e d b y N a g y a n d B r a d l e y ( 1 9 5 5 ) . O f t h e s e v e n w a t e r

m o l e c u l e s , t h r e e a r e i n t he c ha nne l s , a r e t o t a l ly r e ve r s i b l e , a nd a r e g i ve n o f f up

t o a b o u t 1 0 0 ~ C ; t w o a r e c o o r d i n a t e d w a t e r m o l e c u l es a n d a r e g i v e n o f f u p t o

a b o u t 4 0 0 ~ C . A p o r t i o n o f t h e m i s l o st i n th e m o l e c u l a r w a t e r r e g i o n a n d i s

r e ve r s i b l e . A pa r t o f t he l a tt i c e w a t e r m o l e c u l e s ( 0 .5 t oo l ) i s l o s t be t w e e n 400 ~

a n d 5 0 0 ~ C ( w a t e r o f t h e c h a r g e - c o m p e n s a t i n g c a t i o n s ) . A b o v e 5 0 0 ~ C t h e

t rue l a t t i ce wa te r (1 .5 m ol ) i s los t.

T h e s e a u t h o r s ( 1 9 5 6 ) i n a n o t h e r s t u d y h a v e su g g e s t e d t h a t m i n e r a l s o f t h e

p a l y g o r s k i t e -s e p i o l it e g r o u p o c c u p y t h e d i s c o n t i n u i t y i n t e r v a l e x i st e n t b e t w e e n

d i o c t a h e d r a l a n d t r i o c t a h e d r a l m i n e r a l s .

F . G onz ~ l e z , F . T r i s t a n a nd M . Ch a ve s ( 1954 ) ha v e de s c r i be d t he ve r m i c u l i t e

f r o m a B a d a j o z d e p o s it .

V . A l e i x a n d r e a n d D . A l v a r e z - E s t r a d a ( 1 9 4 9 ) a n d J . G a r c i a V i c e n te ( 1 9 5 1 )

h a v e i n v e s t i g a te d s e v e r a l t a lc s a m p l e s f r o m d e p o s i ts in A l m e r i a , B o f i a r ( L e 6 n ) ,

a n d G e r o n a . T h e i n f l u e n c e o f c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o n t h e p o s i ti o n o f th e e n -

d o t h e r m i c p e a k c h a r a c te r i s ti c o f t a lc h a s b e e n d e s c r i b e d : I n t h e p u r e s a m p l e

i t is f o u n d a t t e m p e r a t u r e s o v e r 1 0 0 0 ~ C , w h i l e in t h e i m p u r e i t s e ts i n a r o u n d

950 ~ C . T h e a u t h o r s s ugge s t t ha t t h i s i s due to t he m i ne r a l i z i n g a c t i on o f im -

p u r i t i e s ( d o l o m i t e , c h l o ri te , q u a r t z ) w h i c h f a v o r t h e t r a n s f o r m a t i o n o f t a lc

i n t o p r o t o - e n s t a t i t e .

M . M u f i o z T a b o a d e l a a n d J . R a m i r e z ( 1 9 5 3 ) h a v e s tu d i e d t h e r e l a t io n o f

t r a c e e l e m e n t s t o t he o r i g i n o f c e r t a i n c l a y m i ne r a l s . M e t a ha l l oys i t e ( V a l de -

m o r i l l o , M a d r i d ) a n d p u r e g i b b s i t e ( P u e n t e d e A r c e , S a n t a n d e r ) c o n t a i n e d a

s m a l l e r p r o p o r t i o n o f a l k a li n e a n d a l k a l in e - e a r t h c a t i o n s a n d , p a r t i c u l a r l y , n o

L i T h e p r o p o r t i o n o f th e L i w a s l o w i n s u c h m i n e r a l s a s s e p io l it e ( C a b a f i a s

d e l a S a g r a , T o l e d o ) a n d l e a t h e r y se p i o li te ( C e r r o d e A l m o d S v a r , M a d r i d ) ,

a n d h i g h i n s a p o n i t e ( M o l in o s , T e r u e l ) . T h e p r o p o r t i o n o f a l k a l in e a n d a lk a -

l i ne - e a r t h c a t i ons m e a s u r e s , t o a c e r t a i n de g r e e , t he e l uv i a l o r i l l uv i a l c on d i t i ons

o f f o r m a t i o n o f th e m i n e r a l s .

I n c l o s e pa r a l l e l l i s m t o t he s e i nve s t i ga t i on s on pu r e s i li c a te s , t he I n s t i t u t o de


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J. M . ALBAREDA 14 9

E d a f o l o g i a h a s u n d e r t a k e n w o r k o n t h e m i n e r a l o g i c a l c o m p o s i t i o n o f s o m e

r o c k s a n d c l a y s e x t r a c t e d f r o m s o i ls o r e m p l o y e d in th e c e r a m i c in d u s t r y . S il -

u r i a n s h a l e s h a v e b e e n s t u d i e d b y J . M . A l b a r e d a , V . A l e i x a n d r e a n d M . C .

S ~nc he z Ca l vo 194 ,9 , 195 1 ) . I n a ll t he s e s ha l e s be s i de s qu a r t z w h i c h oc c u r s

a b u n d a n t l y a s v e r y f i n e g r a i n s ) t h e d o m i n a n t m i n e r a l s a r e m i c a s , es p e c ia l ly

m u s c o v i t e . K a o l i n i t e is a ls o p r e s e n t , t h o u g h i n s m a l l e r p r o p o r t i o n . C h l o r i t e

a n d a m i x e d - l a y e r m i c a - c h l o r i t e m i n e r a l G a r c i a V i c e n te a n d S a n c h e z C a l v o ,

1954 ) a r e p r e s e n t a s a c c e s s o r y m i ne r a l s .

A l ba r e da , A l e i xa n d r e , a nd S ~inchez Ca l vo 1952 ) ha v e i nve s t i ga t e d c l a ys

e x t r a c t e d f r o m s o i l s f o r m e d f r o m S i l u r i a n s h a l e s , a n d h a v e o b s e r v e d t h a t t h e

p r e d o m i n a t i n g m i n e r a l i s i lt it e, s o m e t i m e s a s s o c i a te d w i t h k a o l in i te . T h u s ,

m us c ov i t e ha s be e n a l t e r e d t o i l l i t e by w e a t he r i ng .

T h e a b o v e m e n t i o n e d w o r k e r s h a v e a ls o d e t e r m i n e d p e r s o n a l c o m m u n i c a -

t i o n ) t h o s e m i n e r a l s p r e s e n t i n t h e

b r a u n l e h m

c l a y s o f S p a n i s h C o n t i n e n t a l

G u i n e a . I t w a s f o u n d t h a t t he g r e a t e r p a r t o f t h e s e cl a y s c o n t a in s f r o m 5 0 to 9 0

p e r c e n t k a o l i n it ic m i n e r a l s . T h e r e m a i n d e r i s m a d e u p o f c ry s t a ll i n e h y d r o x i d e s

s u c h a s g i b b s i t e a n d l e p i d o c r o c i t e F i g s. 1, 2 ) a n d a m o r p h o u s m a t t e r . H e m a t i t e

i s p r e s e n t b u t i n v e r y s m a l l a m o u n t s . T h e p r e s e n c e o f m e t a h a l l o y s i t e h a s b e e n

c o n f i r m e d t h r o u g h e l e c t r o n m i c r o s c o p y .

M . A l ia , T . A l v i r a a n d M . M u f i o z T a b o a d e l a 1 9 5 2 ) h a v e a ls o s t u d i e d t h e

c l a ys o f Con t i ne n t a l G u i n e a s o il s a nd ha ve f oun d i n t he s e e qua t o r i a l s o i ls de -

r i v e d p r i n c i p a l l y f r o m m i g m a t i t e s ) m e t a h a l l o y s i te , g i b b s i te , a n d g o e t h i te . T h e

g o e t h i t e h a s c o n t r i b u t e d i n a g r e a t m e a s u r e t o f o r m a t i o n o f l o o s e c o n c r e t i o n s

a t s o m e h o r i z o n s. A . H o y o s d e C a s t r o a n d R o d r i g u e z M a r t i n e z i n p r e s s ) h a v e

r e c e n t l y s t u d ie d t h e s o il s a n d c l ay s o f I n s u l a r S p a n i s h G u i n e a a n d h a v e f o u n d a

s i m i l a r g r o u p o f c la y m i n e r a l s .

T h e s t u d y o f t h e c l a y f r a c ti o n o f S p a n i s h s o il s ra i s e d a p r o b l e m a s t o t h e m o s t

a p p r o p r i a t e p a r t i c l e s iz e f o r th e c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e s p e c i fi c c la y m i n e r a l s

p r e s e n t. I n o r d e r t o s t u d y th i s p r o b l e m , J . M . A l b a r e d a , V . A l e i x a n d r e a n d J .

G a r c i a V i c e n t e 1 9 5 0 ) t o o k th e c la y f r a c t i o n o f 13 h o r i z o n s o f S p a n i s h s o il s

w h i c h h a d d e v e l o p e d u n d e r d i f f e r e n t c li m a t i c c o n d i t i o n s a n d s u b d i v i d e d i t i n t o

t h r e e o t he r f r a c t i on s o f t he f o l low i ng d i a m e t e r s : l e ss t ha n 0 . 8~ , 0 .8 t o 1 .13~ ,

a n d 1 .1 3 t o 1 .9 7~ . I t w a s f o u n d a d v i s a b l e t o e m p l o y th e f r a c t i o n m a d e u p o f

p a r t ic l e s h a v i n g a s e d i m e n t a t i o n v e l o c i t y o f 1 0 c m / 2 4 h r i n th e m a t u r e s o il s,

a n d o f p a rt ic l es h a v i n g a s e d i m e n t a t io n v e l o c it y o f 1 0 c m / 4 8 h r i n t h e p o o r l y

dev e lope d so i ls .

S t a r t i n g f r o m t y p i c a l l y P e n i n s u l a r s o il s, M . M u f i oz T a b o a d e l a 1 9 5 2 , 1 9 5 3 )

h a s f o u n d t h e f o l l o w i n g c o r r e l a ti o n s b e t w e e n s o i l t y p e s a n d c l a y m i n e r a l a s s em -

blag es :

A. Ar id zone so i ls .

P r e s e n t c o n d i t i o n s : m e a n a n n u a l r a in f a l l , 3 0 0 t o 7 0 0

m m , o f i r r e g u la r d i s tr i b u t io n t h r o u g h o u t t h e y e a r ; m e a n a n n u a l t e m p e r a t u r e ,

12 to 18 ~ C.

1 . Re d c a l c a r e ous s o i l s . E x t e ns i ve l y d i s t r i bu t e d i n t he a r i d z one o f S pa i n ,

c o n t a i n a b o u t o n e p e r c e n t o f o r g a n i c m a t t e r ; p H 7 t o 8. C o n t a i n 1 0 t o 4 0 p e r -

c e n t o f r e d c l a y w i t h a c a t i o n - e x c h a n g e c a p a c i t y o f a b o u t 3 0 to 4 0 m e q / 1 0 0 g

a n d a b a s e s a t u r a t i o n o f m o r e t h a n 9 0 p e r ce n t . T h e s e s o i ls i n cl u d e th e M e d i -

t e r r a n e a n

terra rossa.

T h e c l a y m i n e r a l s a r e d o m i n a n t l y i l l i t e w i t h s o m e k a o -

l in i te . T h e c o l o r o f t he s e s o i ls i s due pa r t l y t o c o l l o i da l i r on i n the f o r m o f

he m a t i t e .


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SPANISH INVESTIGATIONS ON CLAY MINERALS

P r o f il e N s B r a u le h m

Ioo 200 soo 49o 500

t t i

I t t t

2 4 6 8

q 700 s o o ~ ? o o , .4 0 o0

T e m p e r a t u r e ~

FICURL 1. -- Di ff er en ti al thermal curves and water-loss curve Profile no. 594 Acurenam

Young Braun]ehm.

2 . A n d a l u s i a n b l a c k s oi ls . W i d e s p r e a d i n / s o u t h e r n S p a i n . G r a y t o d a r k -

g r a y s o il s, e s p e c ia l ly f r o m t h e l o w - l y i n g ar e a s , c o n t a i n i n g o n e t o t h r e e p e r c e n t

o f C a - s a t u r a t e d h u m u s , a n d y i e l d i n g 3 0 t o 6 0 p e r c e n t o f b a s e - s a t u r a t e d c l a y

h a v i n g a c a t i o n - e x c h a n g e c a p a c i t y o v e r 5 0 m e q / 1 0 0 g . T h e c l a y m i n e r a l s a r e

d o m i n a n t l y m o n t m o r i l l o n o i d a n d a c c e s s o r y i ll it e.

B. Hum id zone soi ls .

P r e s e n t c o n d i t i o n s : m e a n a n n u a l r a i n f a ll , 10 0 0 t o

1 4 0 0 r a m , a n d m e a n a n n u a l t e m p e r a t u r e 1 0 t o 1 3 ~ C . T h e i r o n - h u m u s p o d s o l s

f r o m A s t u r i a s , N . S p a i n , w h i c h d e v e l o p e d g e n e r a l l y f r o m p u r e s a n d s t o n e c o n -

t a i n i n g o n l y a tr a c e o f k a o li n it e , p r o d u c e d a c l a y m i n e r a l a s s e m b l a g e o f d i o c ta -

he d r a l i ll i te e s pe c i a l l y i n t he i l luv i a l ho r i z o ns ) a nd ka o l i n i t e s pe c i a l l y i n t he

e l uv i a l ho r i z o ns ) . S om e A13+ a nd F e a i n t he c o l l o i da l f r a c t i on oc c u r s a s g i bb s i t e

an d go e th i t e in the i l luv ia l l eve ls .


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J. M . ALBAREDA 15 1

Pro fi l e N9595 - Bisobineng - Brounlehm

Hor.A

\ o o ooo

2oo 3 4 o ~oo soo zoo soo

200 400 600 800

Temperature ~

FIGURE 2 . - Differential the rmal curves and water-loss curve Profile no. 595 Bisob inang

Braunlehm.

T h e i r r e g u l a r d i s t r i b u t i o n o f c l a y t h r o u g h o u t t h e p r o f i l e s u g ge s ts t h e f o l lo w -

i n g e v o l u t i o n o f c l a y m i n e r a l s i n t h e p o d s o l p r o f i l e : F o r m a t i o n o f il li t e i n t h e

B ho r i z ons , a nd we a the r in g o f i ll i te t o ka o l in i t e i n t he A ho r i z on s .

P H Y S 1 C O - C H E M I C A L B E H A V I O R O F S I L I C A T E S

F r o m a q u a n t i t a t i v e p o i n t o f v i ew , E . G u t i 6 rr e z R io s a n d J . L . M a r t in V i v a l d i

1 9 4 9 ) h a v e s t u d ie d t h e c a p a c i t y o f k a o li n i te a n d m o n t m o r i l l o n i t e t o e n t e r i n t o


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152

SPANISH INVESTIGATIONS ON CLAY MINERALS

a s s oc i a t i on w i t h w a t e r . A s e r ie s o f a l ka l i ne a nd a l ka l i ne - e a r t h be n t on i t e s a n d

k a o l i n it e s w e r e p r e p a r e d a n d th e h y d r a t i o n s a t d i f fe r e n t v a p o r p r e s s u r e s o v e r

7 0, 5 0 a n d 3 0 p e r c e n t s u l f u r i c a c i d , a t 2 0 ~ C , c o r r e s p o n d i n g t o p a r t i a l v a p o r

p r e s s u r e s o f w a t e r o f 1 . 30, 6 . 50 a nd 13 . 15 m m H g a t 20 ~ C) w e r e s t ud i e d .

T h r o u g h t h e s e e x p e r i m e n t s t h e a u t h o r s h a v e f o r m u l a t e d th e f o ll o w i n g e m p i r i c a l

e q u a t i o n s :

A l k a l i n e b e n t o n i t e s

A l k a l i n e - e a r t h b e n t o n i t e s

ze

i

b p z e

. . . . . H = = ~ + 1 0 8 i + ~ .

t

w h e r e H r e p r e s e n t s h y d r a t i o n , b is a co n s t a n t , p t h e p a r t i a l w a t e r - v a p o r p r e s s u r e

i n m m o f m e r c u r y , i t h e n u m b e r o f e x c h a n g e c a t io n s p e r g r a m o f s u b s t a n c e ,/ 3

a c ons t a n t , e t he c ha r ge o f t he e l e c t r on , z t he num be r o f e l e c t r i c a l c ha r ge s o f

t h e e x c h a n g e c a ti o n , a n d r th e r a d i u s o f t h e e x c h a n g e c a ti o n . T h e q u o t i e n t z e r 2

is t h e p o l a r i z a t i o n c a p a c i t y o f t h e e x c h a n g e c a ti o n G o l d s c h m i d t ) . T h u s , at

c o n s t a n t p r e s s u r e t h e r e is a n a p p r o x i m a t e l y l in e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e h y -

d r a t i o n o f t h e s u b s t a n c e a n d t h e p o l a r i z a t io n c a p a c i t y .

T h e s e f o r m u l a s h a v e b ee n c o r r o b o r a t e d b o t h b y o u r d a t a a n d o t h er s, a n d t h e

a g r e e m e n t b e t w e e n t h e e x p e r i m e n t a l a n d c a l c u l a t e d v a l u e s i s o f t h e o r d e r o f

m a g n i t u d e w h i c h c o r r e s p o n d s to t h e m e t h o d s e m p l o y e d .

T h e v a l u e b is a c o n s t a n t f o r e a c h t y p e o f m i n e r a l ; f o r S p a n i s h M o r o c c o a n d

M i s s i ss i p p i b e n t o n i t e s c o n s o n a n t v a l u e s o f 4 . 5 x 1 0 -6 a n d 4 . 3 x 1 0 -6 h a v e b e e n

ob t a i ne d r e s pe c t i ve l y ; f o r ka o l i n t he va l ue i s 8 .1 x 10 - 3 . T h e c ons t a n t b is in -

d e p e n d e n t o f t h e n a t u r e o f t h e e x c h a n g e c a t io n s . T h e r e f o r e , th e a m o u n t o f

w a t e r r e p r e s e n t e d b y b p i b e h a v e s a s i f i t s u n i o n w e r e m o t i v a t e d o n l y b y t h e

s u r f a c e o f t he c r y s t a l l ine l a ye r . T h e /3 f a c t o r d e pe n ds on t he na t u r e o f t he

z e d e p e n d s o n

a t e r i a l , a m on g o t he r f a c t o r s , a nd c ons e q ue n t l y t he t e r m ~3

t h e m a t e r i a l a n d o n t h e e x c h a n g e c a t i o n s .

T h e l o g a r i t h m i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e i m b i b i t i o n p h e n o m e n o n s h o w s t h r e e

s t r a i g h t s p a n s w h i c h a r e a t t r i b u t e d f i r st to t h e p r e d o m i n a n c e o f c a p i l la r y i m b i -

b i t i on , s e c ond l y t o the i n t e r m i c e l l a r t ype , a nd , f i na l l y t o i m b i b i t i o n o f a n

o s m o t i c n a t u r e .

J . Ca n o Ru i z a nd J . L . L 6pe z G onz ~ile z 1955 ) ha v e e x t e nde d t he u s e o f t h i s

p r oc e s s t o o t he r l a ye r - l a t t i c e s i l i c a t e s a nd ha ve s t ud i e d m on t m or i l l on i t e , ve r m i c -

u l it e, i ll it e a nd s e p i o li t e. A m a r k e d d i f f e r e nc e be t w e e n s i l ic a t e s r e ve a l i ng l a m i na r

e x p a n s i o n a n d t h o s e l ac k i n g it c a n b e o b s e r v e d . T h e o s m o t i c g r a d i e n t o f t h e

nons w e l l i ng s i li c a t e s i s o f t he s a m e o r d e r o f m a g n i t ud e a s t ha t o f s il i c a ge l p r e -

p a r e d a n d i n v e s t i g a t e d b y t h e a u t h o r s .

A . H o y o s d e C a s t r o a n d J . R o d r l g u e z 1 9 5 2 , 1 9 5 4 ) h a v e s t u d i e d t h e im b i b i -

t io n o f a b e n t o n i t e th e s u r f a c e o f w h i c h h a s b e e n m o d i f i e d b y t h e r m a l t r e a t m e n t .

T h e m o d i f i c a t i o n s d u e t o t h e r m a l t r e a t m e n t h a v e a l s o b e e n s t u d i e d b y F . G o n -

z ~le z G a r c i a a nd S . G onz ~ile z G a r c i a 1953 ) i n s il i ca t e s o f t he m o n t m or i l l on i t e -

b e i d e ll it e i s o m o r p h o u s s e r ie s . S a m p l e s o f m o n t m o r i l l o n i t e s a tu r a t e d b y c a t io n s

ha v i ng a s t r ong e l e c t r o s t a t ic fi e l d a nd a h i g h po l a r i z a t i on c a pa c i t y L i +,

n g 2

Z n 2 , C e 3 , n +) a r e d e h y d r a t e d i r r e v e r s i b l y w h e n h e a t e d a t t e m p e r a t u r e s b e l o w

t h o s e r e q u i r e d f o r e l i m i n a t i o n o f h y d r o x y l w a t e r .


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J .M . ALBAREDA 153

S a m pl e s s a t u r a t e d w i t h c a t i ons ha v i ng a w e a k e r e l e c t r o s t a t i c f i e ld ( Ba 2 ., K

R b a r e d e h y d r a t e d r e v e r s i b l y u n d e r t h e s a m e c o n d i t i o n s o f t r e a t m e n t .

E . G u t i6 r r e z R i os a nd J . D . L 6p e z G onz ~ l ez ( 19 52 ; 1955 ) ha v e a ls o s tud i e d

t h e a c t io n o f s t ro n g a c i d s o n m e m b e r s o f t h e m o n t m o r i ll o n i t e -b e i d e l l it e i so -

m o r p h o u s s er ie s . C h e m i c a l s t u d y s h o w s th a t t h e c o n s t i tu e n t c a t i o n s o f t h e c r y s -

t a l l i n e l a t t i c e a r e d i s s o l v e d i n a n a m o u n t w h i c h d i m i n i s h e s i n t h e m e a s u r e i n

w h i c h th e p o l a r iz a t io n c a p a c i t y o f t h e c a ti o n s i n cr e a s es ; i.e ., M g O > F % Q >

AI_~O:,

Mg2 Fe 3 AI 3

ze r 2 3.29 6.68 9.23

E . G u t i 6 rr e z R i o s a n d J . C a n o R u i z ( 1 9 5 4 ) h a v e u n d e r t a k e n a t h e r m o d y n a m i c

s t u d y o f i on e x c h a n g e a n d h a v e f o r m u l a t e d a n e q u a t i o n f o r c a t io n e x c h a n g e . O n

t h e b a s i s o f V a n s e l o w ' s e q u a t i o n t h e y h a v e a l s o c o n s i d e r e d t h e h y d r a t e d r a d i i

o f t h e c a ti o n s t a k i n g p a r t i n t h e e x c h a n g e . T h e l a r g e r t h e r a d i u s o f t h e c a t i o n

in so lu t ion , the l e s s in tense wi l l be i t s e l ec t ros ta t i c f i e ld , and , the re fore , the

s m a l l e r w il l b e t h e e le c t r o s ta t i c a t t r a c t io n t o w a r d t h e n e g a t i v e c h a r g e h a r b o r e d

i n t h e a d s o r b e n t ; c o n s e q u e n t ly , t h e p o w e r o f t h e c a t i o n t o r e p l a c e o t h e r s i s

s m a l l e r . T h e r e f o r e , i t i s c o n s i d e r e d t h a t t h e n u m b e r o f m o l e s w h i c h a r e a d s o r b e d

a t a n y i n s t an t i s i n v e r s e ly p r o p o r t i o n a l t o th e h y d r a t e d r a d i u s o f t h e a d s o r b e d

c a t i on , 1 / r A p p e n d i n g t h i s c o n s i d e r a t i o n t o t h o s e o n w h i c h V a n s e l o w ' s e q u a t i o n

i s b a s e d , t h e y d e v e l o p e q u a t i o n s f o r c a t i o n e x c h a n g e b e t w e e n m o n o v a l e n t i o n s

a n d b e t w e e n m o n o - a n d d i v a l e n t io n s .

T h e a u t h o r s h a v e c a r r i e d o u t a n e x h a u s t i v e e x p e r i m e n t a l s u b s t a n t i a t i o n o f

t h e s e e q u a t i o n s e m p l o y i n g b o t h t h e i r o w n d a t a a n d t h o s e o f o t h e r a u t h o r s , s u c h

a s V a n s e l o w ( 1 9 3 2 ) a n d M a g i s t a d , M i l to n , a n d M a r b y ( 1 9 4 4 ) . T h e e q u i li b -

r i u m c o n s t o n t o f i o n e x c h a n g e i s c o n s i d e r e d a s a f u n c t i o n o f t h e h y d r a t e d i o n i c

rad i i .

E . G u t i 6 r r e z R i os a nd C . de l P i n o V f i z que z ( i n p r e s s ) ha v e a pp l i e d t h i s e qua -

t i o n o f G u t i 6 rr e z R i o s a n d C a n o R u i z ( 1 9 5 4 ) t o t h e e x c h a n g e e q u i l i b r i u m b e -

t w e e n h y d r o g e n a n d a l k a l in e i o n s, t a k i n g i n to a c c o u n t t h e d i f f ic u l ti e s e v o k e d b y

c o n s i d e r a t i o n o f t h e h y d r o g e n i o n i n t h e d i f f e r e n t p r o p o s e d e q u a t i o n s . T h e

e x p e r i m e n t a l w o r k w a s c a r r i e d o u t w i t h V o l c l a y b e n t o n i t e a n d d u o l i t e i o n -

e x c h a n g e r e s in .

T E C H N I C A L A P P L I C A T I O N S

T he s t udy o f c e r t a i n S pa n i s h s i l i c a t e de pos i t s r e ve a l e d t he i r e xc e l l e n t p r ope r -

t i e s f o r i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s a n d h a s f u r t h e r e d t e c h n i c a l w o r k .

R e s e a r c h o n M o r o c c a n b e n t o n i t e d e p o s i ts a n d t h e s u b s t a n t i a t i o n o f t h e i r

q u a l i t y i n d u c e d E . G u t i 6 r r e z R i o s ( 1 9 4 9 ) t o s tu d y t h e te c h n o l o g i c a l c h a r a c t e r

o f t he s e be n t on i t e s in o r de r t o e s t a b l i s h t he i r i nd us t r i a l u t i l i t y a s w e l I a s tho s e

a p p l i c a t i o n s m o r e a d e q u a t e t o t h e n a t u r e o f t h e m a t e r i a l . T w o d i f f e r e n t t y p e s

o f p r o d u c t s c o v e r t h e f ie l d o f s u g g e s t e d a p p l ic a t i o n : c o l l o id a l b e n t o n i t e a n d

a c t i v a t e d b e n t o n i te . B o t h w e r e o b t a i n e d a n d t h e i r q u a l i t y c o m p a r e d f a v o r a b l y

w i t h t h a t o f si m i l a r f o r e i g n p r o d u c t s . T h e u s e o f t h e m a t e r i a l s o b t a i n e d i n

d e c o l o r a t i o n o f o il s, s o a p m a n u f a c t u r e a n d p r e p a r a t i o n o f c o m p o u n d s a s s o c i a t e d

w i t h s u l f u r ( o f e xc e ll e n t u s e a s f ung i c i de s ) w a s s pe c i f i c a l ly s tud i e d .


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SP NISH INVESTIG TIONSON CL Y MINER LS

I nve s t iga t ion s o f t a lc de pos i t s le d V . A le ixa nd r e a nd D . A lva r e z - E s t r a da

1 9 5 2 ) t o i n i t i a te t h e i r w o r k o n t h e p r e p a r a t i o n o f s t ea t it e c e ra m i c b o d i e s u s i n g

S pa n i sh t a l c a nd to s tudy i ts d i e l e c tr i c p r ope r t i e s . P a s t e s o f va r io us c om pos i -

t i o n s w e r e p r e p a r e d e m p l o y i n g t al c s f r o m d i f f e r e n t s o u rc e s, a n d t h e f o l l o w i n g

te s ts we r e c a r r i e d ou t : 1 ) Va r i a t i on o f d i e l e c t r ic l o sse s a nd d i e l e c t r ic c ons t a n t

w i th f r e q ue nc y ; 2 ) va r i a t i o n o f d i e l e c t r i c l o sse s a nd d i e l e c t r ic c ons t a n t w i th

t e m p e r a t u r e ; 3 ) v a r i a t i o n o f s u p e r f i c i a l a n d v o l u m e r e s is t iv i t y w i t h r e la t i v e

h u m i d i t y a n d t e m p e r a t u r e ; a n d 4 ) d i e le c t ri c r i g i d i t y .

Th e r e su l t s c o r r ob o r a t e d the e xc e l l e n t p r op e r t i e s o f T i jo t a ta l c . D ie l e c t r i c

lo sses d im in i sh w i th f r e que n c y t i l l a m in im um i s a t t a ine d . I nc r e a se i n t e mpe r -

a tu r e s t r ong ly inc r e a se s t he d i e l e c t r i c l o s se s bu t , on the o the r ha nd , e xe r t s no

in f lue nc e on the d i e l e c t ri c c ons t a n t . Vo lum e re s i s t i v i t y d imin i she s r a p id ly w i th

i n c r e a s in g t e m p e r a t u r e i n a g r e e m e n t w i t h t h e e x p o n e n t i a l e q u a t i o n p =

Bea T

wh e r e B a nd a a r e c ons t a n t s .

T h e m i n e r a l o g i c a l c o m p o s i t i o n o f t h e c l a y s e m p l o y e d i n c e r a m i c i n d u s t r y

a n d i t s i n f l u e n c e o n t h e i r t e c h n i c a l p r o p e r t i e s w a s t h e o b j e c t o f w o r k c a r r i e d

o u t b y V . A l e i x a n d r e a n d A . G arc ~a V e r d u c h 1 9 5 0 , 1 9 5 1 ) . T h e f o ll o w i n g

te c hn ic a l p r op e r t i e s we r e s tud ie d : p l a s t i c it y , v i s c os i ty , t h ixo t r op y , s e d ime n ta -

t i o n v o l u m e , r a t e o f w a t e r l o s s t h r o u g h t h e m a s s , c o n t r a c t i o n o n d e s i c c a t i o n ,

p o r o s i t y d u r i n g d e s i cc a t io n , v o l u m e v a r i a t i o n o n c a l c i n a ti o n , p o r o s i t y a n d s i n -

t e r i z a t ion , a nd m e c ha n ic a l r e s is t a nc e s i n de s i c c a t e d pa s t e s .

T h e r e l a t i o n s b e t w e e n p l a s t i c i t y a n d m i n e r a l o g i c a l c o n s t i t u t i o n o f t h e m a -

t e r i a l s ha ve be e n e luc ida t e d .

I n t h e s t u d y o f t h e v i s c o u s b e h a v i o r o f c la y s u sp e n s io n s i t h a s b e e n o b s e r v e d

t h a t, b o t h w h e n d i l u ti n g t h e s u s p e n si o n a n d w h e n a d d i n g N a O H , a r e c t if i c a t io n

o f t he f l ux - hydr o s t a t i c p r e s su r e c u r ve s t ake s p l a ce . A t t he s a me t im e mob i l i t y

inc r e a se s a nd the y i e ld va lue de c r e a se s .

I n t h e t e s ts c a r r i e d o u t o n t h e t h i x o t r o p i c b e h a v i o r o f c la y s u s p e n si o n s w i t h

t h e to r s i o n c o n s i s to m e t e r , t h e e x p r e s s i o n i n a b s o l u t e u n i ts o f t h e v a r i a t i o n o f

r i g i d i t y w i t h t i m e h as b e e n a t ta i n e d . T h i x o t r o p i c c u r v e s h a v e b e e n o b t a i n e d

f o r va r ious d i f f e r e n t ma te r i a l s .

I n d i a g r a m s o f c o n t r a c t i o n a n d c h a n g e s i n p o r o s i t y d u r i n g d e s i c c at i o n t h e

d i f f e r e n t f o r m s i n w h i c h w a t e r- i s r e t a i n e d i n c l a y m a s se s h a v e b e e n e x h i b i t e d

a n d i t h a s b e e n f u l l y s u b s t a n t ia t e d t h a t t h e c o u r s e o f t h is p h e n o m e n o n i n d i f -

f e r e n t m a te r i a l s a l lows f o r a c l e a r d i f f e r e n t i a t i on o f t he i r m ine r a log ic a l c ha r a c -

t e r . C o n t r a c t io n by de s i c c a t ion inc r e a se s in t he f o l lowin g o r d e r : Ka o l in s , i l li t ic

c l a ys, a nd m on tm or i l l on i t i c cl a ys . P o r os i ty i nc r e a se s i n t he r e ve r se o r de r .

V . A l e i x a n d r e , J . R o b r e d o a n d J . G a r c l a V i c e n t e h a v e u n d e r t a k e n r e s e a r c h

o n th e c l a y s i n S p a n i s h m o l d i n g s a n d s , c l a s s i fy i n g t h e m i n a c c o r d a n c e w i t h t h e

m i n e r a l o g i c a l c o m p o s i t io n o f t h e a g g l o m e r a t in g f r a c t i o n A l e i x a n d r e , R o b r e d o

Ola ve , a nd Gonz ~ le z P e f i a, 1954 ; Ga r c i a V ic e n te a nd R ob r e do O la ve , 195 5) .

T h e y a ls o m a d e t h e f o l lo w i n g t e c h n i c a l d e t e r m i n a t i o n s : 1 ) G r a n u l o m e t r y o f

t h e s a n d y f r a c t i o n ; 2 ) c o m p r e s s i o n r e s is t a n c e i n g r e e n m o l d i n g s a n d ) ; 3 )

a p p a r e n t d e n s i t y ; a n d 4 ) p e r m e a b i l i ty i n g r e e n m o l d i n g s a n d ) .

T h e r e s u l t s o b t a i n e d a r e w e l l i n t e r p r e t e d b y t h e h y p o t h e s i s o f G r i m a n d

C u t h b e r t, w h i c h a d m i t s t h e e x i s t en c e o f b l o ck s i n t h e f o r m o f a w e d g e i n m o l d -

i n g e a r t h s , i n o r d e r t o e x p l a i n t h e a g g l o m e r a t i n g a c t i o n o f t h e c l a y i n t h o s e

ea r ths .


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J. M . ALBAREDA ]_55

I t h a s b e e n o b s e r v e d t h a t t h e f a c t o r w h i c h h a s t h e g r e a t e s t i n f lu e n c e i n r e s is t-

a n c e t o c o m p r e s s io n i n g r e e n m o l d i n g s a n d s i s t h e n a t u r e a n d p r o p o r t i o n o f t h e

a g g l o m e r a n t .

G r e e n p e r m e a b i l i t y i s i n f lu e n c e d , a b o v e a ll, b y t h e g r a n u l o m e t r y o f t h e s a n d

f r a c t i o n : t h is d e p e n d e n c e c a n b e e x p l a i n e d b y J a s s o n s e q u a t i o n w h i c h e s ta b -

l i s h e s a r e l a t i o n b e t w e e n p e r m e a b i l i t y a n d t h e f i n e n e s s i n d e x A . F . A . , a n d t h e

d e n s i t y o f t h e p r e p a r e d s a m p l e a f t e r t h e a t ta c k .

I t h a s b e e n o b s e r v e d t h a t i f t h e m o l d i n g e a r t h h a s a l o w c o n t e n t o f a g g l o m e r -

a n t, t h e p e r m e a b i l i t y d e p e n d s o n l y o n t h e g r a n u l o m e t r y o f s a n d a n d i s i n d e -

p e n d e n t o f t h e m i n e r a l o g i c a l n a t u r e o f t h e a g g l o m e r a n t .

V . A l e i x a n d r e , J. G a r c i a V i c e n t e a n d C . S ~ n c h e z C o n d e ( 1 9 5 5 ) h a v e s t u d i e d

s e v e r a l S p a n i s h q u a r t z i t e s a n d t h e i r t r a n s f o r m a t i o n i n t o t r i d y m i t e b y th e a c t i o n

o f d i f f e r e n t m i n e r a l i z i n g a g e n t s ( i n c l u d i n g f e r r i c o x i d e a n d l i m e ) , a t t e m p e r a -

t u r e s b e t w e e n 1 2 0 0 ~ a n d 1 4 2 0 ~ C .

D i l a t o m e t r i c c u r v e s a r e o f u s e i n f o l lo w i n g u p t r i d y m i t i c t r a n s f o r m a t i o n . T h e

q u a r t z p e a k is s i tu a t e d a r o u n d 5 7 5 ~ C w h i le t h a t o f t r i d y m i t e o c c u r s a t a b o u t

1 5 0 ~ C .

X - r a y d i f fr a c t i o n s h o w s t h a t t r a n s f o r m a t i o n t o t r id y m i t e i s m o r e i n te n s e w h e n

t h e m i n e r a l i z i n g a g e n t c o n t a i n s f e r r i c o x i d e .

F i n a l ly , J . M . A l b a r e d a , V . A l e i x a n d r e , a n d T . F e r n a n d e z ( 1 9 5 3 ) h a v e i n -

v e s t ig a t e d t h e i n f lu e n c e o f t h e m i n e r a l o g i c a l c o m p o s i t i o n o f c la y s a n d o f e x-

c h a n g e a b l e c a t i o n s in t h e c a t a l y ti c o x i d a t i o n o f e t h y l a lc o h o l in t h e v a p o r p h a s e ,

s h o w i n g th a t, w i t h m o n t m o r i tl o n i te , t h e m a x i m u m y i e ld i s f o u n d a r o u n d 3 7 5 ~

C~ w h i l e w i th k a o l i n a t 4 0 0 ~ C ( t h e h i g h e s t t e m p e r a t u r e a t t a i n e d ) it c o n t i n u e d

t o i n c re a s e . M o n t m o r i l l o n i t e p r o d u c e s m o r e C 0 2 th a n k a o l i n a t e v e r y t e m p e r a -

t u r e t e s t e d .

A m o n g a ll t h e e x c h a n g e c a t i o n s te s te d w i th m o n t m o r i l lo n i t e , s il v er a n d c o p p e r

g i v e t h e h i g h e s t a l d e h y d e y i el d s.

T h e s e m a t e r ia l s a r e a c t i v a t e d b y m e a n s o f h e a t a n d a s tr e a m o f a i r. T h i s

p r o c e ss is m o r e e c o n o m i c a l t h a n t h a t e m p l o y e d i n a c t i v a ti n g s il ve r a n d c o p p e r

w h e n t h e y a r e u s e d a s m e t a l s o r a s t h e i r o x i d e s .

A C K N O W L E D G M E N T S

I d e e p l y a c k n o w l e d g e th e k i n d i n v i t a ti o n e x t e n d e d t o m e b y t h e C l a y M i n e r a l s

C o m m i t te e w h i c h t e n d e r e d m e t h e o p p o r t u n i t y t o ta k e p a r t i n th i s C o n f e r e n c e ,

i n t h e c o u r s e o f w h i c h I h a v e d e s c r i b e d t h e d i f fe r e n t a i m s o f t h e w o r k u n d e r -

t a k e n o n c l a y m i n e r a l s b y t h e I n s t i tu t o d e E d a f o l o g i a y F i s i o l o g i a V e g e t a l.

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