土壤学2.2.ppt

1、第二节土壤矿物soil minerals,Silicon (Si) and oxygen (O) are the two most abundant elements in the earths crust -27 percent and 47 percent, respectively. These two elements, along with lesser amounts of others, combine in different ways to form a huge array of minerals. 土壤矿物元素组成主要是：氧、硅、铝、铁，其它元素的量相对较比较少。,一.土

2、壤矿物基本组成composition of soil minerals,结晶态氧化物,（一）原生矿物 primary minerals,1.原生矿物概念：在风化合成土过程中未改变化学组成的原始成岩矿物。 2.土壤中主要原生矿物,正长石,斜长石,黑云母,白云母,辉石,铁锰硅酸盐,闪石,橄榄石,磷灰石,土壤矿物和母质区别,土壤原生矿物,3.原生矿物对土壤肥力的贡献 (1)构成了土壤的骨骼粗的土粒 (2)提供潜在养分通过风化作用逐渐释放 原生矿物的组成和比例很少能反映土壤形成过 程特点，但是，它们说明成土母质成因特征。土壤 中原生矿物丰富，说明土壤相当年轻。随着土壤年 龄增长，原生矿物含量和种类逐渐

3、减少。 传统观念：黄土不缺钾来由（？） 钾素与质地关系（砂土钾素问题）,1.次生矿物的概念 在风化和成土过程中新形成的矿物。次生矿物一般比较小，属于 粘粒范围，因此，也有人叫它粘土矿物或者粘粒矿物(clay minerals). 粘土矿物（粘粒矿物）clay mineral ；粒径大小在粘粒范围内的 次生矿物称之。 2.粘土矿物意义:粘土矿物的类型和特征综合地反映土壤的风化和成 土条件。研究和鉴定它的类型、数量和特征具有以下意义： （1）可以帮助人们了解各种土壤在发生学上的地位，在土壤分类 学中，次生矿物成为鉴别土类的主要依据。 （2）有助于了解土壤一系列理化性状（吸湿性、可塑性、胀缩 性、离

4、子吸附性），判断土壤肥力特征。 （必须更加关注粘土矿物）,（二） 次生矿物 secondary minerals,（二） 次生矿物 secondary minerals,3.次生矿物主要类型,1.土壤矿物质元素组成,（三） 土壤矿物质主要元素组成和硅铝铁律,（三） 土壤矿物质主要元素组成和硅铝铁律,（三） 土壤矿物质主要元素组成和硅铝铁律,土壤矿物质元素组成特点： 1.土壤矿物质主要元素组成为O、Si、Al、Fe. O+Si=76%, O+Si+Fe+Al=88.7% 2.不同粒级颗粒的矿物质化学组成有所不同 3.在地壳中植物生长的必须营养元素含量很低，其中P+S0.1% N0.001%,且分

5、布不均匀。,2.硅铝铁律概念 硅铝率（silica-alumina ratio) 又称Sa 值：土壤粘粒中二氧化硅与 三氧化二铝的分子数（摩尔数）之比。 Sa=SiO2/Al2O3 硅铝铁率（silica-sesquioxide ratio）又称Saf值：土壤粘粒矿物 的二氧化硅分子数与三氧化二铁、三氧化二铝分子数之和的比。 Saf=SiO2/Fe2O3+Al2O3) =SiO2/R2O3 意义 （1）判断粘土矿物的组成及大体特征。 （2）与土壤母岩对比，分析土壤成土过程；Sa增大，土壤有脱铝 现象（酸性淋溶-灰化土）；Sa减小，土壤有富铝化作用（红壤） （3）对照土壤剖面上下各层硅铝率，说明

6、物质淋溶状况。 （4）判断土壤带电性。SiO2叫酸胶基，带负电； R2O3叫碱胶基，带正电。,（三） 土壤矿物质主要元素组成和硅铝铁律,二.粘土矿物clay mineral,高岭石,海泡石,膨润土,凹凸棒石,粘粒形状 clay shape,二. 粘土矿物 clay minerals,（一）铝硅酸盐粘土矿物的构造特征 1.粘土矿物的基本结构单元 Most clay minerals are aluminosilicates, the major elements in their structure being oxygen, silicon ,and aluminum. Silicon ato

7、ms are in tetrahedra, and the aluminumu atoms are in octahedra.,粘土矿物的 基本结构单元,硅氧四面体tetrahedron,铝氧八面体octahedron,粘土矿物构造特征Structure of some silicate minerals,SiO4-4,化学结构式,硅氧四面体 tetrahedra,氧原子带 一个负电 怎么办？,中心孔0.32A0,Si- 0.39埃,粘土矿物构造特征Structure of some silicate minerals,公用底角氧原子,我们还带一个 负电荷，么办?,哈哈，我们满意了,硅氧四面体

8、片 tetrahedral sheet,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？,唉。上层氧原 子电价未平衡,粘土矿物构造特征Structure of some silicate minerals,铝氧八面体 octahedra,AliO6-9,化学结 构式,每个氧原子带 1.5个负电荷,中心孔径0.58埃 Al离子半径0.57埃,铝氧八面体片octahedral sheet,粘土矿物构造特征Structure of some silicate minerals,公用上下l两层氧原子形成片,氧还有一个负电荷未得到平衡， 怎么办？,二八面体 （dioctahe

9、dral sheet）八面体中仅2/3空隙被Al原子占据着。 三八面体：（trioctahedral sheet) 八面体中3/3空隙被二价镁等占据。,铝氧八面体片octahedral sheet,为什么氧原子和硅原子形成四面体构造，而铝原子和氧原子形成八面体构造？电性平衡、几何原因，追求稳定性,同晶替代isomorphous substitution,同晶替代概念 (同晶置换，同形异质现象)：粘土矿物晶架结构中原子被另外一个 大小相近、典型相同的离子代替，但不破坏晶架结构的现象 The atoms arrangement (morphology) in the minerals does n

10、ot change ;Only the kinds of atoms )composition) change. Isomorphous substitution occurs when the minerals is forming. The amount and kind of Isomorphous substitution are determined by the environmental conditions under which the mineral forms .For example, if the solution from which the silicate cl

11、ay forms is rich in iron, Fe2+ may substitute for AL3+in the octahedral layer. If the solution is rich in Al3+ compared to Si4+,Al3+ will substitute for Si in some tetrahedral. positions. Once the mineral has 同晶替代条件：大小相近；电性相同 产生结果：晶架结构可能产生了剩余负电荷（以低价代替高价较为 普遍)。 同价离子相互取代，晶价电荷数量不变； 低价离子代替高价，负电荷增加（常见） 高

12、价代替低价正电荷增加（自然界很少见） 高价代替低价和低价代替高价同时发生在相邻部位，无剩余负电荷产生 现象：四面中硅被铝取代;八面体中铝被镁、铁取代，尽管有人提出P、Mn也可 以带替si，但缺乏证据。,土壤带电原因之一,（二）粘土矿物基本类型与特性,硅氧片和铝氧片如何联结？,1：1粘土矿物单位晶层构造,1.高岭石组,高岭石结构模型 kaolinite,高岭石特征(1:1型矿物） - 这一组矿物主要有：高岭石，珍珠陶土，迪凯石，埃洛石等 1.晶层结构为1:1型（1:1layer silicates） 2.分子式 Al2Si2O5（OH）4-Al2O3.2SiO2.2H2O Sa值=SiO2/Al

13、2O3=2 3.晶架结构内部同晶替代少(little isomorphous substitution)（永久电荷少） 4.晶层之间为H键，胀缩性小（little shrink-swell) 5.只有外表面，无内表面 6.高岭石外表面氢（H）离子可以被解离，表面带负电荷（可变电荷多） 7.外形是片状(明显的六角形片状，粒径在0.105.多数在0.22 8,粘着力、可塑性弱。 这类矿物主要分布在南方热带和亚热带土壤中，而华北、东北、西北及西藏高原土壤中含量较少,1 si tetrahedral sheet 1 Al octahedral sheet,瞧：氢键在这里（牢固）,单位晶层,内表面（无）

14、,外表面,高岭石,高岭石结构模型 kaolinite,2：1型单位晶层构造,2.蒙脱石(montmorillonite),2.蒙脱石(montmorillonite),蒙脱石特征(2:1型胀缩性矿物） - 这一组矿物主要有：蒙脱石，拜来石，绿脱石，蛭石等 1.晶层结构为2:1型（2:1layer silicates） 2.分子式 Al2Si4O10（OH)2 .nH2O-Al2O3.4SiO2.H2O.n H2O Sa=4 3.晶架结构内部同晶替代较普遍(much isomorphous substitution) 主要发生在硅层，又有少量发生Mg、Fe代替Al。 4.晶层之间为分子键，胀缩性

15、强（much shrink when dry and swelling when wet ) 5.既有外表面，又有丰富的内表面 6.外形是片状，颗粒较小，厚度在0.0101. 8,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，华北褐土、西北灰钙土也有少量。,2 si tetrahedral sheet 1 Al octahedral sheet,瞧：胀缩比多么大,这里是内表面,单位晶层,3. 2:1型非胀缩性矿物,伊利石（illite）,伊利石特征（水化云母组）(2:1型非胀缩性矿物） - 这一组矿物主要代表矿物为伊利石 1.晶层结构为2:1型（2:1layer sili

16、cates） 2.Sa值=SiO2/Al2O3=34 3.晶架结构内部同晶替代较普遍(much isomorphous substitution)（永久电荷多） 主要发生在硅层，很少发生在Al层。 4.晶层之间为钾键，胀缩性弱（weak shrink when dry and swelling when wet ) K=1.33埃 与1.32埃层间网眼相近。 5.既有外表面，又有一定的内表面 6.外形是不规则片状，颗粒较小，厚度在0.0101. 8,粘着力、可塑性强。 这类矿物主要分布在西北干旱半干旱土壤中，钾素丰富，南方雨量大淋溶强 的土壤中少。,2 si tetrahedral sheet

17、 1 Al octahedral sheet,三大类次生层状铝硅酸盐矿物区别,4.间层矿物 2:1:1 或2:2型矿物,代表矿物有：绿泥石chlorite CEC约为2040cmol/kg 在我国土壤中少见，主要存 在于一些漠境、半漠境地带 的某些黄土母质发育的土壤 里。,水镁石或 水铝石,滑石,（三）非硅酸盐粘土矿物,意义：1.对土壤颜色主要作用 2.土壤磁性材料 3.颗粒胶结剂 4.磷素的包被作用（Fe-P，AlP）（固磷基质） 5.土壤酸度主要原因 6.气候和环境指示剂 7.正电荷载体（碱胶基）,1:1型粘土矿物 2:1型粘土矿物,粘土矿形成,粘粒矿物形成是一个有争议的问题：1.原生矿物

18、风化脱盐形成,2.风化沉淀学说（自然合成学说）：由风化的简单盐类在一定条件下合成的。,我国粘土矿物分布规律,我国主要土类中胶体矿物分布表）小于5微米土粒中的%）,粘土矿物的形成与环境条件有密切关系，在编碱性条件下，如有富足盐基离子，特别是具有较多镁离子，则有利于蒙脱石粘粒形成，如果钾离子特别丰富，则形成的粘粒矿物可能以伊利石为主，南方土壤淋溶作用强，盐基离子少，所形成的粘粒矿物以高岭石为主，其次为氧化物矿物。,我国粘土矿物分布规律,粘土矿物的形成与环境条件有密切关系，在编碱性条件下，如有富足盐基离子，特别是具有较多镁离子，则有利于蒙脱石粘粒形成，如果钾离子特别丰富，则形成的粘粒矿物可能以伊利石为主，南方土壤淋溶作用强，盐基离子少，所形成的粘粒矿物以高岭石为主，其次为氧化物矿物。 湿润和半湿润热带的排水良好的土壤趋向于以铁和铝的各种含水氧化物为主。高岭石一般是这些土壤中占优势的硅酸盐矿物。并且和含水氧化物粘粒一起存在于热带地区土壤中。 蒙脱石、蛭石和伊利石在较冷地带更为突出。较冷地区风化强度比热带和亚热带弱。,粘土矿物的