《土壤矿物质》PPT课件.ppt

第三章 土壤矿物质(Soil mineral ),矿物：指地壳及上地幔中的化学元素在各种地质作用下形成的具有一定的化学组成和物理性质的单质或化合物。 是指地质作用下天然形成的纯净物 岩石：矿物的集合体,第一节 土壤矿物质的矿物和化学组成 一、元素组成 表3-1 地壳和土壤的平均化学组成（重量%）,1、几乎包括元素周期表中所有元素； 2、O、Si、Al、Fe为主，地壳中四者共占88.7%以，土壤中92.93； 3、植物必需营养元素含量低，分布不平衡。 4 反映了成土过程中的分散性，富积性，生物积聚,二、矿物组成(Mineral components) 原生矿物：由地壳深处岩浆冷凝而形成的矿物 次生矿物：由原生矿物风化演变而形成的新矿物，又称次生粘土矿物。,(一)原生矿物(Primal mineral) 1、原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主 以氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势。 如石英、长石、云母、辉石、角闪石等。 2、原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性 石英最稳定，是粗土粒的主要成分；白云母和长石较稳定，在粗土粒中较多； 黑云母、角闪石、辉石等暗色矿物易风化。 3、原生矿物是植物养分的重要来源 Ca、Mg、K、P、S等 （二）次生矿物(secondary mineral) 原生矿物分解转化形成的矿物。 以粘土矿物为主，又以结晶层状硅酸盐矿物为主；此外有Si、Al、Fe的氧化物及其水合物 。,硅氧四面体的构造图示法,第二节 粘土矿物(Clay mineral) 一、层状硅酸盐粘土矿物 (一)构造特征 1、基本结构单位 (1)硅氧四面体（SiO44-Si2O52-Si4O104- ）,1,(2)铝氧八面体(AlO69-Al4O1212-Al4（OH）8O44- ),kuangwu.swf 铝氧八面体的构造图示法,2、单位晶片 硅氧四面体 硅（氧）片 铝氧八面体 铝（氧）片,1.5,硅片（硅氧片）图示法 存在6个氧原子组成的晶穴p24,铝片（水铝片）图示法,3、单位晶层 （1）1:1型 一层硅（氧）片与一层铝（氧）片重叠而成,1:1型层状硅酸盐(高岭石)晶体结构示意图,（2）2:1型 两层硅（氧）片中间夹一铝（氧）片,2:1型层状硅酸盐（蒙脱石）晶体结构示意图,（3）2:1 :1型 2:1型基础上增加一铝（氧）片(或镁层),2:1:1型层状硅酸盐（绿泥石）结构示意图,4、同晶替代 指硅酸盐矿物的中心离子被电性相同、大小相近的其它离子所代替而矿物晶格构造保持不变的现象。 发生同晶替代后，硅酸盐矿物产生永久负电荷 (二) 硅酸盐矿物的种类 1、高岭(石)组(Kaolinite ) 包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等 特点： (1) 1:1型 单位晶胞（层）化学式：Al4Si4O10(OH)8 SiO2/Al2O3=4/2=2 硅铝铁率：土壤粘粒部分的SiO2和Fe2O3、Al2O3（R2O3）含量的分子比 硅铝率：土壤粘粒部分SiO2和Al2O3的分子比 硅铁率：土壤粘粒部分SiO2和Fe2O3的分子比,硅铝铁率可以反映土壤母质的化学风化程度 硅铝铁率还可以反映土壤的成土过程和保肥能力 (2) 膨胀性小 小于5% 晶层间距约0.72nm,硅片和铝片之间存在氢键 (3) 电荷数量少 同晶替代极少，可变电荷为主， 3-15cmol/kg， (4) 颗粒较大，胶体特性弱 （有效直径0.22m）比表面小10-20 m2/g ，可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱,2、蒙脱石组(Montmorillonite) 包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等 特点： (1) 2:1型 单位晶胞的理论化学式：Al4Si8O20(OH)4nH2O 蒙脱石理论硅铝率SiO2/Al2O3=8/2=4 (2) 膨胀性大 晶层以分子引力联结，晶层间距： 蒙脱石0.962.14nm 蛭石0.961.45nm (3) 电荷数量大 同晶替代现象普遍 80-120 ，150cmol/kg以上 (4) 颗粒较细，呈片状 比表面600-800m2/g 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，对耕作不利 蒙脱石在我国北方土壤分布较广，蛭石分布在风化不太强而排水良好的土壤中,3、水化云母(伊利石)组（又称2 :1型非膨胀性矿物） 特点： (1) 2 :1型 单位晶胞化学式： K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O SiO2/Al2O3:34 (2) 非膨胀性 晶层之间吸附的K+的强吸附力，层间距1.0nm,(3) 电荷数量大 20-40cmol/kg 同晶替代现象普遍，主要发生在硅片，电荷量较大，但部分被层间K+中和，有效电荷量少于蒙脱石 (4) 可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间。比表面70-120 m2/g 伊利石主要存在于我国北方干旱地区土壤中 四川盆地紫色土和河流冲积土一般以伊利石为主,4、绿泥石组(Chlorite) （以绿泥石为代表，富含镁、铁） 特点： (1) 2:1:1型 化学式为MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16 (2)同晶替代现象普遍 硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中Al3+代Si4+、铝片中Mg2+代Al3+产生负电荷，水镁片中Al3+ 代Mg2+产生正电荷，两者相抵为净负电荷，介于伊利石与高岭石之间 (3) 颗粒较小 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中 土壤中绿泥石大部分来自母质遗留，沉积岩和沉积物中较多,（3）2:1 :1型 2:1型基础上增加一铝（氧）片(或镁层),2:1:1型层状硅酸盐（绿泥石）结构示意图,二、非硅酸盐粘土矿物 铁、铝、硅、锰等的氧化物及其水合物、水铝英石 结晶质和非晶质 可变电荷，表面羟基的质子化或离解，因介质pH而异， 可正可负（两性胶体） 低pH M-OH + H+M-OH2+（水合基） 高pH M-OH + OH-M-O- + H2O 1、氧化铁(Iron oxide) 土壤主要矿质染色剂 （1）氧化铁的类型 针铁矿(-FeOOH) 晶体较大者为黄色，较小者为棕色，存在于湿润土壤有较高氧化性的亚表层，锈纹锈斑，铁结核 赤铁矿(-Fe2O3) 存在于高温，多湿，风化程度高的土壤中，颜色深红（块状可呈黑色），一种颜料,纤铁矿(-FeOOH) 棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤 磁赤铁矿(-Fe2O3) 暗红棕色，存在于高度风化且有机质少的表土 磁铁矿（Fe3O4） 棕黑色，多存在于母质中,有时与磁赤铁矿共存 无定形铁（Fe(OH)3） 棕色，胶膜，锈水（溶胶） 无定形隐晶质晶质 2、氧化铝(Aluminium oxide) 硅酸盐矿物彻底分解产物，常见的有三水铝石Al2O33H2O，Al(OH)3和水铝石 湿热强度风化脱硅富铝化的指标之一 我国北纬30度以南土壤（红壤、砖红壤等）中才出现。无定形铁铝氧化物比表面大，可吸附固定H2PO4-等阴离子，减低其有效性. 无定形的表面积更大，会向晶态转化,铁铝氧化物是最常见的氧化物类矿物，其等电点高， 一般带正电，对阴离子有强烈的吸附作用,3、氧化硅(Silicon oxide) （结晶质和非晶质） 晶质以石英为主 非晶质为蛋白石(SiO2nH2O)，脱水结晶为玉髓、石英、方石英、鳞石英等变体。 土壤中部分蛋白石来源于有机体，其含量常与有机质含量有关。可作为古土壤埋藏表层的指示性矿物。 4、水铝英石(Allophane) 非晶质硅酸盐矿物，火山灰土壤的主要粘土矿物,Si/Al变化在1-2之间。比表面较大，带较多负电荷，数量决定于水化程度和溶液pH ， 三、粘土矿物的形成和分布规律 1、粘土矿物形成途径 粘土矿物是风化和成土过程中形成的次生矿物 粘土矿物的生成种类与原岩有关，二与风化成土条件有关,（1）原生矿物风化淋溶直接演变 +H2O，-K -K -Mg -Si -Si 云母类 伊利石 蛭石 蒙脱石 高岭石 三水铝石 （2）风化沉淀（自然合成）学说 原生矿物彻底风化产物重新组合沉淀而成。 SiO2nH2O 土壤pH条件下带负电荷，酸胶基 Al2O3nH2O， Fe2O3nH2O 带正电荷，碱胶基 盐基离子Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，决定溶液pH，并参与矿物形成 正负电荷胶体相互中和沉淀组成新矿物 沉淀 老化、结晶 溶胶 凝胶（非晶质） 结晶质 当溶胶SiO2/Al2O33，可形成2:1型矿物 当溶胶SiO2/Al2O33，可形成1:1型矿物及氧化铝矿物,盐基离子Mg2+、K+等直接参与新矿物合成，分别形成富钾（伊利石）、富镁（蛭石、绿泥石），南方盐基离子少，形成高岭石等矿物。硅淋失，形成氧化铁铝 2、粘土矿物的形成条件 粘土矿物形成与气候等成土条件密切相关 南方热带砖红壤、亚热带红壤矿物风化程度高，粘土矿物以1:1型为主，并有三水铝石，氧化铁，粘粒硅铝铁率为2左右，属铁铝土 北方温带地区，粘粒矿物为各种2:1型(伊利石、