土壤学课件第2章粘粒矿物

第五节粘粒矿物,一、粘粒矿物概念,分布在粘粒部分的矿物,硅酸盐：最重要的造岩矿物，自然界中，占已知矿物种类的1/3，占岩石圈量的80-90%，绝大多数都以硅酸盐为主要矿物成分，由岩石风化成为土壤，土壤亦含大量硅酸盐土壤的骨骼。在硅酸盐中，其结构可以看成是氧离子组成骨架，阳离子填充于氧离子空隙中,阳离子的大小很重要.,岛状环状链状层状架状,主要包括层状的硅酸盐矿物和氧化物类。前者是晶型矿物，后者有晶型的，也非晶型的。,第五节粘粒矿物,二、层状硅酸盐粘土矿物,1、基本结构特征,化学结构式,SiO44-,硅氧四面体:由四个氧离子和一个硅离子所组成,从外部形态来看，是一些极微细的结晶颗粒。从内部构造上看，是两种基本结构单位所构成,硅氧四面体,铝氧八面体,第五节粘粒矿物,二、层状硅酸盐粘土矿物,1、基本结构特征,许多硅四面体可以共用氧原子形成一层。氧原子排列成为中间有空的六角形，称为硅氧四面体片，简称硅片。,硅氧四面体片底层有六角形网眼要记住！哇噻，网眼半径1.32埃。谁会被陷进去？,第五节粘粒矿物,二、层状硅酸盐粘土矿物,1、基本结构特征,第五节粘粒矿物,二、层状硅酸盐粘土矿物,1、基本结构特征,许多个铝八面体相互连接成片称为铝氧八面体片，简称铝片。,第五节粘粒矿物,二、层状硅酸盐粘土矿物,2、单位晶片,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。,第五节粘粒矿物,二、层状硅酸盐粘土矿物,2、单位晶片,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。,第五节粘粒矿物,二、层状硅酸盐粘土矿物,2、单位晶片,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。,第五节粘粒矿物,二、层状硅酸盐粘土矿物,3、同晶替代,在矿物形成时，晶格中的某离子被别的大小相近、电荷符号相同的离子所取代，而其晶格外型不变的现象。,Fe3+离子半径0.064nm,八面体的Al3+离子半径0.057nm,高价阳离子被低价阳离子取代的多；因此，土壤粘土矿物一般以负电荷为主。四面体中的Si4+被Al3+离子所替代，八面体中Al3+被Mg2+替代。同晶替代现象在2:1型和2：1：1型粘土矿物中较普遍，而1:1型的粘土矿物中则没有或极少。高岭石电荷为？,第五节粘粒矿物,二、层状硅酸盐粘土矿物,4、层状硅酸盐的基本类型与特征,类组：（构造特点和性质）高岭组蒙蛭组水化云母组绿泥石组,第五节粘粒矿物,二、层状硅酸盐粘土矿物,4、层状硅酸盐的基本类型与特征,高岭石组特征（1:1型矿物）这组矿物主要有：高岭石、珍珠陶土、迪恺石、埃洛石等,特点：晶层结构为1:1型(1:1layersilicates)。分子式可表示为Al4Si4O10(OH)8两个晶层的层面间产生了键能较强的氢（H）键，膨胀性小。0.72nm只有外表面，无内表面电荷数量少。高岭石表面氢离子可以被解离，表面带负电。阳离子交换量为315Cmoles(+)kg-1。外形是片状，粒径在0.2-2m，较粗粘着力、可塑性弱、胶体特性较弱,这类矿物主要分布在南方热带和亚热带土壤中，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少。,高岭石的矿物结构,Kaolinite(1:1),第五节粘粒矿物,二、层状硅酸盐粘土矿物,4、层状硅酸盐的基本类型与特征,蒙蛭组特征（2:1型膨胀性矿物）,这一组矿物主要有：蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。,特点：晶层结构为2:1型（2:1layersilicates）。分子式可表示Al4Si8O20(OH)4nH2O。晶层之间为分子引力，胀缩性大。电荷数量大，同晶替代现象普遍。阳离子交换量为80120Cmoles(+)kg-1。既有外表面，又有丰富的内表面。外形是片状，颗粒较小，厚度在0.01-1m、胶体特性突出粘着力、可塑性强,这类矿物主要分布在东北的黑钙土和华北的栗钙土中,第五节粘粒矿物,二、层状硅酸盐粘土矿物,4、层状硅酸盐的基本类型与特征,水化云母组（2:1型非膨胀性矿物）,特点：2:1型晶层结构，伊利石是其主要代表。分子式为K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O。无膨胀性。在伊利石晶层之间吸附有钾离子，对相邻两晶层产生了很强的键联效果，使晶层不易膨胀，伊利石晶层的间距为1.0nm。电荷数量较大，但部分电荷被+离子。阳离子交换量为2040Cmoles(+)kg-1。颗粒大小，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。,伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是华北干旱地区的土壤中含量很高，而南方土壤中含量很低。,第五节粘粒矿物,二、层状硅酸盐粘土矿物,4、层状硅酸盐的基本类型与特征,绿泥石组（2:1:1型）,特点：2:1:1型晶层结构绿泥石的分子式：(MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16。同晶替代较普遍，元素组成变化较大，阳离子交换量为1040Cmoles(+)kg-1。颗粒较小，其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性居中,土壤的绿泥石大部分是由母质遗留下来，但也可能由层状硅酸盐矿物转变而来。沉积物和河流冲积物中含较多的绿泥石。,绿泥石为代表，是富含镁、铁及少量铬的硅酸盐粘土矿物,小结,第五节粘粒矿物,三、非硅酸盐粘粒矿物氧化物类,1、结晶形态,结晶态（crystallized）无定型（amorphous)结晶差的（poorlycrystallized）,氧化物类,第五节粘粒矿物,三、非硅酸盐粘粒矿物氧化物类,2、产生电荷的途径,+H+,+H+,H+,H+,脱氢作用（deprotonation）,质子化作用（protonation）,中性（neutral）,正电（positive）,负电（negative）,第五节粘粒矿物,三、非硅酸盐粘粒矿物氧化物类,3、主要特点,电荷产生不是通过同晶替代获得不仅带负电(NegativeCharge)，也带正电(PositiveCharge)电荷的数量是可变的(Variable)晶态转化，性质差异较大,第五节粘粒矿物,三、非硅酸盐粘粒矿物氧化物类,4、常见氧化物,（一）氧化铁赤铁矿、针铁矿、褐铁矿、磁铁矿、陵铁矿、兰铁矿土壤中常见的氧化铁矿物是赤铁矿和针铁矿针铁矿（a-FeOOH):黄色或棕色，呈针状，在温带、亚热带与热带的土壤中大量存赤铁矿（a-）：红色，呈六角板状，少量赤铁矿的存在也会使土壤看起来呈红色。在高温、潮湿、风化程度很深的红色土壤中存在较多。存在方式：呈胶膜质包被在土壤颗粒的表面，或铁盘。,（二）氧化铝三水铝石土壤中三水铝石的含量可作为脱硅作用和富铝作用的指标。大致在北纬30以南地区的土壤中才出现三水铝石。主要分布在热带和亚热带高度风化的酸性土壤中。,起重要作用的主要是非晶质（无定形）的铁铝氧化物。非晶质的铁铝氧化物可以吸附阴离子，如土壤中磷酸根离子的吸附，使磷被固定，失去其有效性。,第五节粘粒矿物,三、非硅酸盐粘粒矿物氧化物类,（三）水铝英石无定形硅酸铝水铝石英由氧化硅、氧化铝和水组成，Si/Al比在12之间变化。阳离子交换量，为1015Cmoles(+)kg-1。表面积一般为70300103m2kg-1。,温带半湿润和湿润地区以及热带地区玄武岩和火山灰发育的幼年土壤中、有些森林覆盖、高海拔、低温、中高雨量条件下的土壤，其心土层中也存在水铝英石。,第五节粘粒矿物,三、非硅酸盐粘粒矿物氧化物