粘土矿物1

粘土矿物及其鉴定方法第一节粘土矿物的结构和性质第二节粘土矿物鉴定的主要方法简介为什么要研究粘土矿物？粘土矿物学的应用领域什么是粘土矿物？粘土矿物是化学风化作用的主要产物，是大多数沉积岩（沉积物）中的重要组粘土矿物的一般特征是晶粒较小，颗粒直径通常小于2μmPyrophyllite（叶蜡石）粘土矿物的分类粘土矿物根据结晶学特征分为三类：一、层状硅酸盐粘土矿物，二、纤维状硅酸盐粘土矿物，三、非硅酸盐粘土矿物（非晶质粘土矿物）。一、层状硅酸盐粘土矿物（1）层状硅酸盐粘土矿物从外部形态上看，是一些极细微的结晶颗粒。（2）从内部结构看，是由两种基本结构单位所构成，并都含有结晶水，只是化学成分和水化程度不同而已。（3）层状硅酸盐矿物的性质与矿物的化学组成和结晶构造关系十分密切（一）构成特征1、基本结构单位构成层状硅酸盐粘土矿物晶格的基本结构单位是：（1）硅氧四面体（2）铝氧八面体（1）硅氧四面体（或简称四面体）四面体基本的结构是由1个硅离子（Si4＋）和4个氧离子（O2－）所构成。其排列方式是以3个氧离子构成三角形为底，硅离子位于底部3个氧离子之间的中心低凹处，第四个氧则位于硅离子的顶部，恰恰把硅离子盖在氧离子的下面。（2）铝氧八面体（简称八面体）八面体基本的结构是由1个铝离子（Al3＋）和6个氧（O2－）离子（或氢氧离子）所构成。6个氧离子（或氢氧离子）排列成两层，每层都由3个氧离子（或氢氧离子）排列三角形，但上层氧的位置与下层氧交错排列，铝离子位于两层氧的中心空穴内。像这样的构造单位，如果连接相邻的3个氧离子的中心，可构成假想的8个三角形的面，铝离子位于这8个面的中心，所以我们称这种单位为铝氧八面体（简称八面体）2、单位晶片从化学上来看，四面体为（SiO4）4－，八面体为（AlO6）9－，它们都不是化合物，在它们形成硅酸盐粘土矿物之前，四面体和八面体分别各自聚合。（1）四面体片（简称硅片）在水平方向上四面体通过共用底部氧的方式在平面两维方向上无限延伸，排列成近似六边形蜂窝状的四面体片（简称硅片）。硅片顶端的氧仍然带负电荷，硅片可用n（Si4O10）4－表示。（2）八面体片（简称铝片）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，排列成八面体片（简称铝片）。铝片两层氧都有剩余的负电荷，铝片可用n（Al4O12）12－3、单位晶层由于硅片和铝片都带有负电荷，不稳定，必须通过重叠化合才能形成稳定的化合物。硅片和铝片以不同的方式在C轴方向上堆叠，形成层状铝硅酸盐的单位晶层晶层类型两种晶片的配合比例不同，而构成：1：1型晶层2：1型晶层2：1：1型晶层（1）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。这样1：1型层状铝硅酸盐的单位晶层有两个不同的层面，一个是由具有六角形空穴的氧原子层面，一个是由氢氧构成的层面。（2）2：1型单位晶层由两个硅片夹一个铝片构成。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。这样2：1型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都是氧原子面。（3）2：1：1型单位晶层在2：1单位晶层的基础上多了1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、1个铝片和1个镁片（或铝片）构成。4、同晶替代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（1）什么是同晶替代？（2）同晶替代的条件①离子半径替代和被替代离子的大小要相近，只有这样才能保证替代后晶形不发生改变。如Fe3＋离子的半径为0.064nm，与八面体的中心离子Al3＋（半径0.057nm）的半径相近，可发生替代而不改变晶形。②离子的电性替代和被替代离子的电性必须相同，电价可以同价或不等价。如果替代的两个离子是同价的，互换的结果不仅晶形不变，而且晶体内部仍保持电性中和。如果替代的离子电价不等，互换的结果使晶体带电，其电性或正或负（3）硅酸盐粘土矿物中的同晶替代在硅酸盐粘土矿物中，最普遍的同晶替代现象是晶体中的中心离子被低价的离子所替代，如四面体中的Si4＋被Al3＋离子所替代，八面体中Al3＋被Mg2＋替代，所以土壤粘土矿物一般以带负电荷为主。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。（4）同晶替代的结果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，被吸附的离子通过静电引力被束缚在粘土矿物的表面（二）硅酸盐粘土矿物的种类及一般特征层状硅酸盐粘土矿物的种类很多，根据其构造特点和性质，可以归纳为4个类组，主要有：高岭组、蒙蛭组、水化云母组和绿泥石组矿物。1、高岭组又叫1：1型矿物，是硅酸盐粘土矿物中结构最简单的一类。包括高岭石、珍珠陶土、迪恺石和埃洛石等。高岭组的特点：（1）1：1型的晶层结构晶层由一层硅片和一层铝片重叠而成，硅片和铝片的比例为1：1，故又称1：1型矿物。高岭石是土壤中最常见的一种1：1型硅酸盐粘土矿物。单位晶胞的分子式可表示为Al4Si10（OH）8（2）非膨胀性在相邻晶层的层面不同，一个是硅片的氧面，一个是铝片的氢氧面，两个晶层间产生了键能较强的氢键，使相邻晶层间产生了较强的连接力，晶层的距离不变，不易膨胀，膨胀系数一般小于5％。高岭石层间间距约为0.72nm。（3）电荷数量少晶层内部硅片和铝片中没有或极少同晶替代现象，其负电荷的来源：一是晶体外表面的断键，二是晶体边面OH基在碱性及中性条件下的离解。（4）胶体特性较弱虽然矿物颗粒大小在胶体范围，但颗粒较其它的硅酸盐粘土矿物粗。其外形大部分为片状，有效直径为0.2～2μm。颗粒的总表面积相对较小。可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都较弱2、蒙蛭组又叫2：1型膨胀性矿物，包括蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。蒙蛭组具有以下特征：（1）2：1型的晶层结构晶层由二层硅片夹一层铝片构成，硅片和铝片的比例为2：1，故又称2：1型膨胀性矿物。单位晶胞的分子式为：Al4Si8O20（OH）4·nH2O。（2）胀缩性大该组矿物晶层的顶层和底层两个基面都有Si－O面所构成，所以当两个晶层相互重叠时，晶层相互间只能形成很小的分子引力。晶层间的结合力很弱，故晶层的间距因水分的进入而扩张，因失水而收缩，蒙脱石晶层间距变化在0.96～2.14nm之间，具有很大的膨胀性。（3）电荷数量大同晶替代现象普遍，蒙脱石主要发生在铝片中，一般以Mg2＋代Al3＋，而蛭石的同晶替代主要发生在硅片中（4）胶体特性突出蒙脱石颗粒细微，直径为0.01～1μm；颗粒的总表面积大。其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都特别显著。蛭石的颗粒比蒙脱石大，其表面积比蒙脱石小。3、水化云母组又叫2：1型非膨胀性矿物或伊利组矿物。水化云母组具有以下特征：（1）2：1型晶层结构晶层结构与蒙脱石相似，同样是由两层硅片夹一层铝片组成，硅片和铝片的比例为2：1，故又称2：1型非膨胀性矿物。伊利石是其代表。分子式为：K2（Al·Fe·Mg）4（SiAl）8O20（OH）4·nH2O。（2）非膨胀性在伊利石晶层之间吸附有钾离子。它受到相邻两晶层负电荷的吸附，因而对相邻两晶层产生了很强的键联效果，连接力很强，使晶层不易膨胀。（3）电荷数量较大同晶替代较普遍，主要发生在硅片中，但部分电荷被K＋离子所中和，阳离子交换量介于高岭石与蒙脱石之间。（4）胶体特性颗粒大小介于高岭石和蒙脱石之间，其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都介于高岭石和蒙脱石之间。4、绿泥石组这类矿物以绿泥石为代表，绿泥石是富含Mg、Fe及少量Cr的硅酸盐粘土矿物。具有以下特征：（1）2：1：1型晶层结构两层硅片夹一层铝片组成，再加上与水镁片或水铝片重叠，所以绿泥石的晶层结构为2：1：1型（2）同晶替代较普遍硅片、铝片和水镁片中都存在程度不同的同晶替代现象，除含有Mg、Al、Fe等离子外，有时也含有Cr、Mn、Ni、Cu和Li等离子。因而绿泥石元素组成变化较大。绿泥石的分子式为：（Fe·Mg·Al）12（SiAl）8O20（OH）16。（3）胶体特性颗粒较小，其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性居中。二、纤维状粘土矿物1、纤维状粘土矿物的种类不常见，在不同的沉积环境中出现，如在海相和湖相沉积物、热液矿床和干旱地区的土壤等中发育有。坡缕石和海泡石（也有称凹凸棒石）2、结构和性质（1）坡缕石的结构坡缕石是一种由Al3＋置换部分Mg2＋和Si4＋的Mg硅酸盐。它的结构式：Mg5Si8O20（OH2）4•4H2O式中OH2是结晶水，H2O是沸石水。（2）海泡石的结构与坡缕石有一些微细的差别。现在通用两种：Mg2Si3O6（OH）4和Mg4Si6O15（OH）2•6H2O（3）性质①纤维状粘土矿物坡缕石和海泡石分别由硅氧四面体双链和三链组成，其中Si：O＝4：11。②当加温至850℃的过程中，水分子被逐渐排挤出去，最终导致结构的破坏。③当用有机溶液处理时，坡缕石和海泡石都不膨胀。三、非硅酸盐粘土矿物粘土矿物组成中，除层状硅酸盐外，还含有一类矿物结构比较简单、水化程度不等的铁、锰、铝和硅的氧化物及其水合物和水铝英石。（一）氧化铁土壤中常见的氧化铁矿物是针铁矿和赤铁矿。针铁矿（α-FeOOH）一般晶体都很小，比较大的带黄色，较小的带棕色，常呈针状，故称为针铁矿。天然的针铁矿中有一部分Fe3＋被Al3＋所替代。一般说来，含有Al3＋替代的针铁矿其结晶程度都比较差赤铁矿（α-Fe2O3）赤铁矿常呈六角形的板状。在高温、潮湿、风化程度很深的红色土壤中存在。（二）氧化铝土ccc分布在热带和亚热带高度风化的酸性土壤中，其含量可作为脱硅作用和富铝作用的指标（三）水铝英石水铝英石（xAl2O3·ySiO2·nH2O），是由氧化硅、氧化铝和水组成的非晶质硅酸盐矿物，Si/Al比在1～2之间变化。水铝英石具有较高的阳离子交换量。水铝英石具有较大的表面积