第03章+土壤矿物质

第三章土壤矿物质第三章土壤矿物质主要内容（重点）：1.主要成土母岩及其性质2.土壤矿物质的矿物组成和化学组成3.粘土矿物（重点）4.我国土壤粘土矿物分布规律教学目标与要求：1.了解常见成土母岩种类和性质2.了解常见的土壤原生矿物和次生矿物的种类3.重点掌握土壤黏土矿物的结构单元、结构类型、同晶代换以及不同类型黏土矿物的特性。固相矿物质有机质液相气相土壤液体土壤气体95%5%土壤矿物是土壤的主要组成物质，构成了土壤的“骨骼”第一节主要造岩矿物和成土母岩一、几种主要岩石类型和特性二、主要成土矿物的组成和特性三、岩石的风化作用与成土母质一、几种主要岩石的类型和特性岩浆岩概念：指地球内部熔融岩浆上浸地壳的一定深度或喷出地表冷却凝固所形成的岩石。共性：非碎屑状的块状构造；没有规则的层次排列；不含化石。主要造岩矿物：橄榄石、辉石、角闪石、云母、斜长石、钾长石、石英岩浆岩分类：按二氧化硅含量不同：按不同位置冷却流纹构造—流纹岩气孔和杏仁构造—玄武岩块状构造—花岗岩岩浆在结晶作用过程中,由于物理化学条件的改变,先析出的矿物与岩浆发生反应,鲍温反应系列使矿物成分发生变化,产生新的矿物。①连续系列（浅色的——斜长石）,矿物的结晶格架不发生大的改变,在成分上有连续渐变关系；②不连续系列（深色的——铁镁矿物）,相邻矿物之间结晶格架发生显著变化。上述两系列又联合成一个不连续的反应系列，依次形成钾长石、白云母和石英。鲍温反应系列沉积岩沉积岩：地壳表面的岩石经风化、搬运、沉积等作用后，在一定条件下胶结硬化所形成的岩石。其约占地表总面积的75%。共性：有明显的层理构造；矿物成分复杂并呈碎屑状组织；有时含有化石。例如：砾岩、砂岩、页岩、石灰岩。砾岩砂岩页岩石灰岩芦笛岩七星岩变质岩变质岩：沉积岩、岩浆岩经过高温高压或受岩浆侵入的影响,其矿物组成、结构、构造,以至化学成分发生剧烈改变后形成的。共性：一般具有片理及片麻构造；矿物质地致密，坚硬；不易风化。例如片麻岩，石英岩，板岩，大理岩等。片麻岩大理岩石英岩（一）长石类矿物正长石，又称钾长石，是土壤中钾元素的重要来源。（二）云母类白云母，又称钾云母，是土壤中钾元素的来源之一。黑云母也是钾元素的来源，更易分解，风化。（三）角闪石与辉石类矿物含盐基丰富，化学稳定性低，容易被彻底分解。（四）石英矿物不易风化，是土壤中砂粒的主要来源。二、主要成土矿物的组成和特性（五）氧化铁类矿物赤铁矿（Fe2O3），常使土壤染成红色。磁铁矿（Fe3O4），具磁性。黄铁矿（FeS2），分解后形成硫酸盐。（六）磷酸盐类矿物磷灰石是制造磷肥的主要原料，是植物磷元素的主要来源。（七）方解石（CaCO3）方解石是土壤中碳酸钙的主要来源。（八）褐铁矿（Fe2O3⋅3H2O）由赤铁矿水化形成的一种含水氧化铁，是土壤黄色和棕色染色剂。三、岩石的风化作用与成土母质（一）风化作用岩石在地表受到种种外力作用，逐渐破碎成为疏松物质，这一过程叫做风化作用。所产生的疏松物质就是土壤母质。形态变化：岩石破碎组成变化：矿物组成和化学组成的改变性质变化：坚硬→疏松（二）风化作用的类型1、物理风化作用指使岩石产生物理变化而成为碎屑状态的过程，特点是成分未变。（1）主要是温度引起岩石的热力学变化--昼夜温差、冻结。（2）盐类结晶的裂胀作用、流水冲刷和磨蚀、风砂磨蚀产物：颗粒较粗，多偏砂、石砾多，养分不易释放出来。图3-2由于冰的冻结扩大了岩石的裂隙图3-1气温变化引起岩石胀缩不均而崩解过程示意图a、b、c、d表示风化过程【风蚀残土墩】【风蚀留砾】【魔鬼城】2、化学风化作用指岩石在水和空气（主要是氧气和二氧化碳）的参与下进行的溶解作用、水化作用、水解作用、氧化作用等的总称，特点是岩石可进一步破碎成胶体状微粒，使原生矿物成分发生改变，产生在地表条件下比较稳定的次生矿物。（1）溶解作用CaCO3+H2O+CO2→Ca2++2HCO3-（2）水化作用CaSO4+2H2O→CaSO4⋅2H2O(硬石膏)（石膏）2Fe2O3+3H2O→2Fe2O3⋅3H2O(赤铁矿)(褐铁矿)Fe2O3（赤铁矿）……………………………红色2Fe2O3⋅H2O（赤褐铁矿）…………………浅红棕色Fe2O3⋅H2O（针铁矿）……………………棕色2Fe2O3⋅3H2O（褐铁矿）…………………棕黄色Fe2O3⋅2H2O（褐铁矿）……………………黄色2KAlSi3O8+CO2+2H2O→H2Al2Si2O8⋅H2O+2SiO2+K2CO3(正长石)(高岭石)(含水二氧化硅)(钾盐)Ca2(PO4)+2H2O+2CO2→Ca(H2PO4)2+2CaCO3(磷灰石)(磷酸二氢钙)（3）水解作用--昀基本、昀重要（4）氧化作用2FeS2+16H2O+7O2→2FeSO4⋅7H2O+2H2SO4(黄铁矿)(硫酸亚铁)3、生物风化作用指动物、植物、微生物的生命活动及其分解产物对岩石矿物的风化作用。1、根系的挤压；2、地衣、苔藓保蓄水分，加强化学风化；3、呼吸产生的二氧化碳和有机酸，分解矿物等。（三）影响风化作用的因素1、岩石的性质（1）矿物成分：单一矿物较成分复杂抗风化------膨胀系数（2）矿物稳定性：石英砂岩较长石砂岩抗风化------组成物质（3）矿物的内部构造：2、岩石的结构和构造结构：细小且呈等粒状粗粒、斑状坚硬密实疏松多孔构造：处于节理发育处有层理或片理裂隙3、气候、地形和植被（四）风化产物指暴露在地表的岩石和矿物遭受风化作用的破坏而形成的覆盖在地表的大小不等的松散物质。按成因和大小，可分为：1、碎屑物质：物理风化的产物，化学分化未完全的产物2、溶解性物质：化学风化和生物风化的主要产物3、难溶物质：次生矿物•风化作用中元素迁移顺序•风化作用的阶段性（1）机械破碎为主的碎屑阶段（2）钙淀积阶段（3）酸性硅铝阶段（4）富积阶段迁移值顺序指数=地表水、潜水的干流中某元素的含量该区域岩石中相应元素的含量（五）母质类型残积体：风化物后未经搬运坡积体：风化物在重力或径流作用在坡体上沉积洪积体：经洪水的搬运在山前沉积冲积体：（河床、河漫滩，牛轭湖，三角洲等）湖积体：积水沉积风积体：风力搬运和沉积浅海沉积体：海相沉积体黄土母质：风成母质第二章土壤母质和矿物质第二章土壤母质和矿物质第一节土壤母质三、风化作用的类型河流沉积，延庆盆地第二章土壤母质和矿物质第二章土壤母质和矿物质第一节土壤母质三、风化作用的类型风积体：流动沙地沙波纹（毛乌素）第二章土壤母质和矿物质第二章土壤母质和矿物质第一节土壤母质三、风化作用的类型黄土母质：峁边线第二节土壤矿物质的矿物组成和化学组成一、土壤矿物质的化学组成一、土壤矿物质的化学组成一、土壤矿物质的化学组成表1-1地壳和土壤的平均化学组成（重量%）（维诺格拉多夫，1950、1962）*元素地壳中土壤中元素地壳中土壤中OSiAlFeCaNaKMgTiH47.029.08.054.652.962.502.501.370.45(0.15)49.033.07.133.801.371.671.360.600.40?MnPSCNCuZnCoBMo0.100.0930.090.0230.010.010.0050.0030.0030.0030.0850.080.0852.00.10.0020.0050.00080.0010.0003*根据克拉克等(1924)、费尔斯曼(1939)和泰勒(1964)的估计,地壳的化学元素组成与此表稍有不同,但总的趋势是一致的。分布规律（1）氧（O）和硅（Si）是地壳中含量昀多的二种元素铁、铝次之，四者相加共占88.7％的重量。在组成地壳的化合物中，以硅酸盐昀多。（2）在地壳中，植物生长必需要的营养元素含量很低而且分布很不平衡。（3）土壤矿物的化学组成反映了成土过程中元素的分散、富集特性和生物积聚作用。二、土壤中的矿物组成根据矿物的结晶状态，矿物可分为：结晶质矿物非晶质矿物一般常分为：原生矿物和次生矿物。原生矿物：指那些经过不同程度的物理风化，未改变化学组成和结晶结构的原始成岩矿物。主要分布：土壤的砂粒和粉粒中。特点：①土壤原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐占绝对优势。②土壤中原生矿物类型和数量的多少在很大程度上决定于矿物的稳定性，如长石和石英。③土壤原生矿物是植物养分的重要来源:常见的有石英、长石、云母、辉石、角闪石和橄榄石以及其它硅酸盐类和非硅酸盐类。图3-1正长石、斜长石的结晶外形a.正长面氏双晶b.斜长面的聚双晶图3-2云母类矿物形状a.解理及解理面b.云母的极完全解理c.方铅矿的三向完全解理图3-5黄铁矿的晶体形状a.立方体b.五角十二面体c.立方体与五角十二面体的聚形图3-6磁铁矿的晶体形状a.八面体b.菱形十二面体图3-7磷灰石晶形图3-8方解石的晶体形状立方体a.晶体b.犬车状集合体c.菱面体解理（放大镜下）次生矿物：由原生矿物分解转化而来分类：（1）易溶盐、微溶盐K+、Na+、Ca2+、Mg2+盐、Cl-、SO42-、CO32-、PO43-盐，硫化物（2）粘土矿物：层状铝硅酸盐类矿物Si、Fe、Al氧化物及水化氧化物***第三节粘土矿物一、粘土矿物的概念及分类次生粘土矿物原生矿物在地表风化蚀变和风化物合成的产物，是地表特定水热条件下形成的一类稳定矿物。主要包括∶•层状铝硅酸盐粘土矿物--晶型矿物•非硅酸盐粘土矿物（硅、铁、锰、铝的含水氧化物和氢氧化物）--晶型，非晶型（一）层状硅酸盐粘土矿物构造特征1、基本结构单位粘土矿物分类（1）硅氧四面体（或简称四面体）硅氧四面体是硅酸盐矿物的昀基本的结构单位，不同的连接组合方式形成不同的硅酸盐矿物。（2）铝氧八面体（或简称八面体）图3-11八面体和八面体片硅氧片：硅氧四面体之间相互以3个顶角的氧相连接，排列成向两个方向延伸的六角形网格状平面层。2、单位晶片铝片：八面体在水平方向上相邻八面体通过共用两个氧离子的方式，在平面两维方向上无限延伸，排列形成八面体片。OctahedralOctahedralSheetSheetShare2oxygens3、单位晶层1:1型单位晶层:由一个硅片和一个铝片构成。硅片顶端的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用的方式形成单位晶层。2:1型单位晶层:由2个硅片和一个铝片构成。两个硅片顶端的氧都向着铝片，铝片上下两层氧分别与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层2:1:1型单位晶层在2:1单位晶层的基础上多了一个八面体片水镁片或水铝片，这样2:1:1型单位晶层由两个硅片、一个铝片和一个镁片（或铝片）构成。***4、同晶替代是指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸附土壤溶液中带相反电荷的离子,使土壤具有保肥能力。土壤中同晶替代的规律：1、高价阳离子被低价阳离子取代的多；因此，土壤胶体一般其净电荷为阴性。2、四面体中的Si4+被Al3+离子所替代，八面体中Al3+被Mg2+替代。3、同晶替代现象在2:1和2:1:1型的粘土矿物中较普遍，而1:1型的粘土矿物中则相对较少。（二）硅酸盐粘土矿物的种类及一般特性四个类组：高岭组蒙蛭组水化云母组绿泥石组矿物高岭组（1:1型矿物）包括：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等特征：（1）1:1型的晶层结构单位晶胞的分子式可表示为Al4Si4O10(OH)8高岭石的矿物结构SilicaTetrahedralSheetAluminumOctahedralSheetKaoliniteNon-Expanding10cmol(+)/kg1:1Clay（2）非膨胀性两个晶层的层面间产生了键能较强的氢键，膨胀系数一般小于5％.高岭石层间距约0.72nm（3）电荷数量少阳离子交换量只有3-15cmoles(+)/Kg（4）胶体特性较弱颗粒的总表面积相对较小，为10－20×103m2·kg-1，可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都较弱。高岭组粘土矿物是南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的粘土矿物，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少.特征：（1）2:1型的晶层结构典型代表--蒙脱石。单位晶胞的分子式可表示A