粘土矿物学-2(200706)
粘土矿物学-3(200706)
（2）变质成因的滑石岩 变质成因的滑石岩可分为两种类型，一种是镁质碳酸盐岩中 的滑石岩，另一种是滑石片岩。前者质纯，块状构造，工业价值 最大，后者含非滑石矿物较多，具片状构造，工业上利用往往需 要进行选矿。 1）.镁质碳酸盐岩中的滑石岩 主要产在太古代的菱镁矿、白云石大理岩中。如辽宁海城滑 石岩，它产于元古代辽河群的一套变质结晶片岩、片麻岩、白云 石大理岩和菱镁矿中。 滑石岩呈大小不等的扁豆体或透镜体，滑石岩体与围岩界线 不清，需根据化学分析圈定。岩体延长最大约500m，平均厚度 35m左右，最大延深约400m，岩体内常包裹着滑石化的菱镁矿 岩块及白云石大理岩的残留体。 岩石主要为块状及片状。块状滑石岩质量最佳，滑石含量可 达90％以上，其共生矿物为菱镁矿、白云石、偶尔有少量石英、 磷灰石、黄铁矿以及次生的蛇纹石、绿泥石等。
2）．区域变质的滑石岩
以四川滑石岩为例，区域地层为前震旦纪登相营下段，主要是一套硅质 条带白云岩、白云质灰岩、白云质大理岩等。地层呈S形弯曲，节理甚为发 育。滑石岩产于白云石大理岩中，呈脉状或透镜状。 滑石在岩石中的含量约为30-50％，其它共生矿物为白云石、方解石、石 英与透闪石。在地表，由于风化作用，滑石可以加富至50-70％。 滑石岩主要为片抉构造 成因，一般认为是富镁的碳酸盐在一定的温度压力条件下与Si02反应生 成的：
3.3 叶蜡石岩 叶蜡石也和滑石相似，很少有人想到它在沉积岩中也能形 成。1984年方邺森等人在江苏丹徒县发现并证实叶蜡石不仅可以 在沉积岩中形成，而且可以形成有重要工业价值的粘土矿产 （1）沉积成因的叶蜡石岩 据南京大学方邺森报导，江苏丹徒十里长山一带泥盆纪五通 组砂岩中，约有5—9层叶蜡石岩，厚薄不等，最厚可达4.75m， 最薄约0.7m.。 叶蜡石岩呈青、灰、白、黑等色，在风化带为具可塑性的粘 土，手感滑润，偏光显微镜下呈鳞片状集合体，干涉色可达二级。 叶蜡石在岩石中的含量可达60％左右，其它矿物为高岭石、石英 及白云母。
粘土类矿物的概述
立志当早，存高远粘土类矿物的概述在可浮性分类中粘土类矿物属氧化物及硅酸盐、铝硅酸盐类矿物。
粘土一般指天然产出，以含水铝硅酸为主的土状集合体。
除含少量粗粒外，大部分粒度很细，直径数微米或1 微米以上，其矿物组成复杂。
本节的粘土（类）是指粒度极细、可浮性较差的各种极性硅（铝—硅）酸盐土状矿物原料，可以包括高岭土、耐火粘土、膨润土（蒙脱石土）、酸性白土和海泡石等。
其中几个代表矿物的组成如表1。
这些粘土类矿物原料，用途相当广泛。
可用作陶瓷和耐火材料的原料、纸张、橡胶、肥皂的充填剂、脱色剂、粘合剂、钻探泥浆、催化剂等等。
对这类矿物原料的技术加工和产品要求，因用途不同差别很大。
本节以研究较深入的高岭土为基础从浮选加工的角度，对极性粘土原料的浮选略加介绍。
高岭土原料的加工，可能包括下列过程:破碎—磨矿—浮选（磁选）—分级—漂白—浓密—过滤—干燥。
其中：浮选用于脱去锐钛矿（TiO2），磁选（强磁或高梯度磁选）用于除去氧化铁。
漂白用氯气、二氧化硫或硫氰化锌作漂白剂，目的是溶去铁锈等有色物质，增加产品白度（对某些粘土矿物，还要进行活化处理）。
其余过程的目的和原理与一般选矿过程相同。
表1 代表性的极性粘土矿物矿物化学式比重零电点其它高岭土埃洛石蒙脱石海泡石坡缕石Al2Si2O3(OH)4(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2H2OAl2Si2O3 (OH)4·nH2OMg3Si12O30 (OH)4·(OH2)4·8H2OMg3Si8O20 (OH)2·(OH2)4·4H2O2.6092-2.83.4 其主要成分为硅酸盐或铝硅酸盐的粘土矿物，表面电位多为3～4。
由于粒度小，比表面大，特别是海泡石等矿物晶体呈凹凸交替的长条形，有很大的离子交换容量，在浮选中有如下几个共同的特点：（1）药剂消耗量大（脂肪酸类用量可以高达2.5gk/t）（2）浮选浓度低，有较好的选择性。
1粘土矿物的结晶结构及基本特征
3粘土矿物的结晶结构及基本特征3.1粘土矿物概念、类型及其结构化学特征粘土的本质是粘土矿物。
粘土矿物是细分散的含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。
晶质含水层状硅酸盐矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等: 含水非晶质硅酸盐矿物有水铝英石、胶硅铁石等。
粘土矿物决定了整个粘土类或岩石的性质，它是最活泼的组分。
粘土矿物的晶体结构主要是由两个最基本结构单元组成，即硅氧四面体和铝氧八面体，并沿X轴方向发展。
四面体的中心是四价的硅Si4+，而四个二价的氧O2－分布于四面体的四个顶角，四面体的四个面均为等边三角形(如图3.1- (a))，有时四面体中的氧原子为氢氧原子所代替，四面体的底面落在同一平面上，以三个尖顶彼此连结，第四个尖顶均指向同一个方向，在平面上组成六角形网格状结构或链状结构(如图3.1- (b))，成为四面体层(片)。
八面体由六个氧或氢氧原子以等距排列而成，A13+(或Mg2＋)居于中心(如图3.2- ( a ))，八面体亦排列成层状态结构，成为八面体层(片)(如图3.2- (b))。
由于单位晶格的大小相近似，四面体层与八面体层很容易沿C轴叠合而成为统一的结构层，此结构层称为结构单位层，简称晶层，几个结构层组成晶胞。
四面体层与八面体层的不同组合堆叠重复，便构成了各种粘土矿物的不同层状结构。
由一个四面体层与一个八面体层重复堆叠的称为1:1型结构单位层(如高岭石等)，也称为二层型; 由两个四面体层间夹一个八面体层重复堆叠的称为2:1型结构单位层(如蒙脱石、伊利石等)，也称为三层型;在层状结构中，四面体层与八面体层间共用一个氧原子层，故四面体层与八面体层间的键力大，联结较强，但在1:1型或2:1型结构单位层间并不共用氧原子层，层间的联结较弱。
在高岭石类粘土矿物中，结构单位层间为O与HO(或OH与OH)相邻(如图3.3 )，堆叠时，在相邻两晶层之间，除了范德华(Van der waals)力增扩的静电能外，主要为表层(羟)基及氧原子之间的氢键力，将相邻两晶层紧密地结合起来，使水不易进入晶层之间。
粘土矿物
用扫描电子显微镜观察，沉积岩中自生高岭石呈蠕虫状(图版I-b)、书页状(图版I-c)集合体赋存子粒间．其单晶为六方板状（图版I—a），常与自生石英、方解石等自生矿物共生．10.1.2成分特征用能谱测定高岭石的化学成分．主要元素为硅(Si)、铝(Al)，其Si02/Al2O3的比值为1·1-1.3。
10.2蒙皂石10.2.1形态特征用扫描电子显微镜观察．沉积岩中自生蒙皂石呈蜂窝状（图版I-a、b、c）赋存子粒表，星棉絮状、片状赋存予粒间．10.2.2成分特征用能谱测定其成分．主要成分为硅(Si)、铝(Al)、钙(Ca)、钠(Na)，氧化钾(K2O)含量低，通常小于1.5%．10.3伊利石10.3.1形态特征用扫描电子显微镜观察，自生伊利石呈片状（图版I-a、c）或丝状（图版I-b）集合体，赋存子粒表和粒同．10.3.2成分特征用能谱测定伊利石成分．主要元素为硅(Si)、铝(Al)、钾(K)．其氧化钾(K20)值通常大于7.5%．10.4绿泥石10.4.1形态特征用扫描电子显微镜观察，自生绿泥石墨绒球状(图版Ⅳ-a)赋存子粒间，或以针叶状(图版Ⅳ-b)赋存于粒表，其单晶结构为叶片状(图版Ⅳ-c)．10.4.2成分特征用能谱测定绿泥石成分．主要元素为硅(Si)、铝(Al)、铁(Fe)、镁(Mg)．除硅、铝外，富含铁、镁是其主要特征．10.5伊/蒙混层用扫描电子显微镜观察，伊/蒙混层呈丝状（图版Va、b、c），是蒙皂石向伊利石过渡期的粘土矿物．形态特征是蒙皂石特征逐渐消失，伊利石特征逐渐增强，赋存于粒表和粒间．10.5.2成分特征用能谱测定伊/蒙混层成分，主要元素为硅(Si)、铝(Al)、钾(K)、钙(Ca)、钠(Na)．其成分特征主要反映在氧化钾(K2O）含量为1.5%～7.5%．确定为过渡期的混层粘土矿物．10.6绿/蒙混层10.6.1形态特征用扫描电子显微镜观察，绿/蒙混层粘土矿物呈蜂窝状（图版Ⅵ-a、b）和丝状结构（图版Ⅵ-c）．是蒙皂石向绿泥石过渡期的粘土矿物，具有蒙皂石和绿泥石的形态特征．10.6.2成分特征用能谱测定绿/蒙混层成分，主要元素为硅(Si)、铝(Al)、铁(Fe)、镁(Mg)、钙(Ca)。
粘土是一种重要的矿物原料
粘土是一种重要的矿物原料粘土是一种重要的矿物原料。
由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成，并含有石英、长石、云母及硫酸盐、硫化物、碳酸盐等杂质。
粘土矿物的颗粒细小，常在胶体尺寸范围内，呈晶体或非晶体，大多数是片状，少数为管状、棒状。
粘土矿物用水湿润后具有可塑性，在较小压力下可以变形并能长久保持原状，而且比表面积大，颗粒上带有负电性，因此有很好的物理吸附性和表面化学活性，具有与其他阳离子交换的能力。
工业用粘土矿有高岭土、膨润土(主要组成为蒙脱石)、活性白土(组成不定)等。
高岭土最早由中国在江西高岭村开采，用来制造陶瓷。
膨润土于1888年在美怀俄明州开始开采，活性白土于1906年在美国得克萨斯州首次开采。
粘土矿广泛分布于世界各地的岩石和土壤中。
世界膨润土矿资源为 1.3Gt以上，主要分布于美国和加拿大。
高岭土矿储量约 1.6Gt，主要分布于中国、美国、苏联、墨西哥、西班牙等国。
中国是高岭土资源十分丰富的国家,矿质优良、成因类型齐全,主要产地有江苏苏州、湖北均县、四川叙永县等地。
活性白土主要产于美国和加拿大。
高岭土的加工大多采用湿法。
矿石经破碎、洗矿、浆化、除砂、分级、精选、漂白、过滤，最后经喷雾干燥得产品。
膨润土矿的加工仅需简单的粉碎技术以及除去水分等挥发物，先将矿石粉碎、浆化，然后采用沸腾床干燥器干燥，再经粉碎、筛分得产品。
活性白土是将膨润土脱水，加入硫酸活化、分离、水洗、过滤、干燥、粉碎后制得产品。
高岭土主要用于制造陶瓷和耐火材料。
造纸工业中使用大量高岭土作造纸填料和涂层，以提高纸张强度并降低透明度，还用于制造无碳纸。
膨润土主要用作石油钻井泥浆成分。
活性白土用于动植物油、工业用油、机械润滑油、石脑油等的漂白。
在金属加工中大量的膨润土用作金属铸造翻砂粘合剂。
另外，高岭石和多水高岭石粘土矿还可用作生产汽油的催化剂。
粘土是配制钻井液的重要原材料，它的主体矿物为粘土矿物，粘土矿物的结构和基本特性是钻井液的性能及其控制与调整密切相关。
第二章粘土矿物和粘
钻井液是粘土—水的胶质悬浮体系，分散在水中的粘 土细粒具有巨大的表面积，因此，它们亦有聚结以及吸附 作用，且都是自发地进行的，以使体系的表面积减小。
淋洗完成后，将滤液蒸干并进行焙烧，此时各种醋酸 盐均分解为无机化合物。反应式如下：
残渣用盐酸处理后，即可测定钙、镁等离子含量； 醋 酸铵淋洗以后的粘土，用乙醇洗去过剩的醋酸铵，再向粘 土中加浓NaOH溶液，NH4+又被Na+交换出来，生成氢氧化铵。 因而，经过直接蒸煮后，得到NH4OH，用标准酸吸收，再经 过滴定，便可换算为每100g土的交换性阳离子的毫粘摩尔 数，即粘土的阳离子交换容量。
粘土的水化作用
粘土矿物的水分：结晶水、吸附水、自由水、
结晶水：为粘土矿物的一部分，与粘土矿物之 间以化学键相连，温度较高（300℃） 才能释放出来。
吸附水：与粘土矿物之间的作用力为分子间以 及静电引力，即水化膜形式存在，也 叫束缚水。
自由水：存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中，不 受粘土约束，可以自由运动
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
粘土阳离子交换容量的测定：测定粘土阳离子 交换容量的方法很多，经典的方法是醋酸铵淋 洗法。其基本原理如下：
淋洗剂为醋酸铵NH4Ac，NH+可交换出粘土中的 Ca2+和Mg2+等阳离子，其作用可用图2—11表示。
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
钻土的正电荷与负电荷的代数和即为粘土品体的净 电荷数。由于粘土的负电荷一般多于正电荷，因此，粘 土一般都带负电荷。
粘土矿物学-5(200706)
5.2斑脱岩
斑脱岩（bentonite）最早是专指火山凝灰岩蚀变成的遇水有 可塑性和膨胀性的岩石。因此斑脱岩一词原来就是有成因含意的， 但后来发现很多沉积岩层（包括海相沉积）中的粘土都有与斑脱 岩相似的膨胀性，也就把这些非火山成因的膨胀土都称为 bentonite，因此也有将“bentonite”一词译为“膨润土”的， 这样，中文上就把斑脱岩与膨润土作为同义语了。 然而地质学家则把膨润土赋予矿产的含意，而把斑脱岩赋予岩 石成因的含意。事实上大量的蒙皂石粘土岩都与火山作用有密切 的联系。 从地质成因的角度，将斑脱岩划分为四个类型：①火山灰沉积 成岩蚀变型；②火山岩热液蚀变型；③岩浆期后蚀变型；④复合 成因型。
5.3 酸性白土与蒙皂石页岩 酸性白土与蒙皂页岩都是在表生带改造的产物。
酸性白土(acid (1) 酸性白土(acid clay) 所谓酸性白土，就是斑脱岩在酸性地表水作用下，淋湿了蒙皂石中的A1而形 成的一种白土，它的特点是sio2与A1,03的比值增大。据小林久平(1949)的 资料，日本的酸性白土的平均SiOZ/A120s＝7·050 显然由于这种白土中A1的溶出，必然造成蒙皂石八面体电荷的不足，而增加 其吸附能力。所以这种白土的有机吸附能力（如吸蓝作用）远较斑脱岩强， 故酸性白土也可以称为天然活性粘土。 鉴定酸性白土与斑脱岩可根据研磨pH值和对维生甲（鱼肝油）的反应。前者 的研磨pH值呈酸性、而后者的研磨pH值呈碱性，前者对维生素甲迅速呈蓝色 反应、而后者一般不明显。 由于酸性白土有前述性能．所以现在多用人工的方法进行酸活化，使之成为 活性土。活化的方法很简单，将斑脱岩粉末放在20％的盐酸中，加热至100t 一小时后过滤、洗涤到pH二4-5为止、在800C下烘干粉碎即可。
由蒙皂石组成的粘土与岩石，一般从矿产角度上称为膨润土， 而从成因与岩石的角度上称为斑脱岩，国外一般统称bentoniteo 这里把bentonite译为斑脱岩，并赋与成因岩石学的含意，因 为bentonite最早是指蚀变粘土化的火山凝灰岩而言。 膨润土一词用作矿产名称是可以的，但作为一个严谨的科学术 语就显得欠妥，因为事实上不存在无膨润性的粘土，(这个术语 容易和工程上的膨胀土相混淆。所以，作为粘土矿产，最好以矿 物成分为命名墓础，如蒙皂石粘土、蒙脱石粘土、绿脱石粘 土……较妥).
钻井液原理第二章粘土矿物
氧或羟基 返回
铝氧八面体晶片：多个铝 氧八面体通过共用的OH 连接而成的AL-O八面体 网络
第钻一井液节工粘艺土原矿理电物子的教晶案体构造第二章
3、晶片的结合
晶层：四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合，构成晶层
（1）1：1型晶层：由一个硅氧四面体晶片与一个铝 氧八面体
晶片构成。
层面上是OH
层面是O
D、C.E.C 大（70-130 mmol/100g土)
原因在于蒙脱石存在晶格取代，所以带负电荷较多，周 围吸附的阳离子数目较多，可发生交换的阳离子数目多， 所以C.E.C大。 Ｅ、造浆率高
◆蒙脱石晶层间引力以分子间力为主，层间引力较弱， 水分子易进入晶层，引起蒙脱石水化膨胀。
◆蒙脱石负电荷多，吸附阳离子数量，水化阳离子给粘 土带来厚的水化膜，使蒙脱石水化膨胀。
例2：伊利石在不发生晶格取代时，其理想结构式为： Al4（Si8O20）（OH）4
伊利石的实际结构式为： (K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)20
（2）阳离子交换容量（C.E.C)
定义：分散介质PH=7时，100g粘土所能交换下来的阳离 子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。
C.E.C可用来表示粘土在水中带电性的多少，它与粘 土的水化分散、吸附等性质密切相关。
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第钻一井节液工粘艺土原矿理物电的子教晶案体构造第二章
一、粘土矿物的两种基本构造单元
1、硅氧四面体与硅氧四面体晶片
顶氧
硅氧四面体：有一个硅原子
与四个氧原子，硅原子在四面 体的中心，氧原子在四面体的 顶点，硅原子与各氧原子之间 的距离相等，其结构见右图。
底氧
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粘土矿物学-4(200706)
（2）凝灰岩蚀变的伊利石岩 这类岩石过去多被人误认作叶蜡石。 近年来在我国分别发现伴随着凝灰岩蚀变形成的纯净块状伊 利石。如浙江温州的渡船头、诸暨的青山头、江西上饶的下高 州等。温州渡船头的岩石呈凝块状，一般为黄白色、灰白色、 青灰色、暗青等色，蜡状光泽，呈胶状，由于胶体脱水造成很 多收缩裂纹，所以虽有宝润色，但不适宜雕琢。 伊利石岩成分很纯，粉碎研细呈洁白的粉末，其物理性质与 滑石粉相似。
（3）海绿石岩 苏联学者鲁欣(PyzHH. Л. B.）把含海绿石的岩石独立划分 出来称为海绿石岩。实际上海绿石在岩石中很少能达到40％。 海绿石有地质成因意义。 海绿石在砂岩、页岩、碳酸盐岩中都有出现，它多为胶状团 粒，呈绿色、蓝绿色、黄绿色等鲜艳的颜色出现在不同的沉积 岩中。 海绿石与其说是一个矿物名称，还不如说是一个矿物集合体 的名称，更准确地说，是一种云母－伊利石－蒙脱石等矿物转 化过渡物。其转化主要表现在K＋、Fe2＋的带入（+K+、+Fe)带出 （-K+、-Fe)，以及相应地引起的有序无序与混层关系。
伊利石在粘土中分布最广，量也最多，应加强其应用开发研 究。
（1）火山凝灰蚀变伊利石岩 这种岩石的伊利石十分纯净，研细粉末有很高的白度，可以代替滑石粉， 用于陶瓷可以减少钾长石配料的用量，还可用作橡胶、塑料、玻璃钢的填料； 因其具有一定的珠光白，所以也可用于化妆品中；也是很好的涂料添加剂。 （2）伊利石页岩 往往含有一定量的膨胀层，将其粉碎、成球后经1000℃左右焙烧，可制 陶粒轻骨料，用作轻质建材水泥的骨料。 （3）伊利石粘土 伊利石处理原子能（放射性）半衰期长的银、艳的同位素废物有独特吸 附固定的能力。 （4）海绿石 海绿石有很好的使硬水软化的能力，岩石中若含有30-40％海绿石就可能 被利用。某些绿色页岩中含有一定量的海绿石，这种页岩含钾很高，经粉碎 焙烧可作钾肥使用。
粘土矿物2
一[02]__粘土矿物的晶体结构 粘土矿物的晶体结构
有 序 无 序 的 概 念 --
有序--无序是一个结晶学概念。从理论上讲， 有序 无序是一个结晶学概念。从理论上讲，原子或离 无序是一个结晶学概念 子在结晶过程中总是倾向于进入特定的结构位置， 子在结晶过程中总是倾向于进入特定的结构位置，形成有序 结构，从而最大限度地降低内能，达到最稳定的状态。通常 结构，从而最大限度地降低内能，达到最稳定的状态。 所指的结构有序 长程有序， 结构有序是 所指的结构有序是长程有序，也就是全部点阵都作有秩序有 规律的分布。与长程有序相对应的是短程有序，短程有序指 规律的分布。与长程有序相对应的是短程有序，短程有序指 的是镶嵌在一个个小区域（晶畴）内的有序结构。 的是镶嵌在一个个小区域（晶畴）内的有序结构。 结晶过程中的热扰动或晶体的快速生长都会促使原子或 离子随机地占据任何可能的结构位置，从而形成无序结构。 离子随机地占据任何可能的结构位置，从而形成无序结构。 无序结构 由于无序结构中的原子或离子是随机地占据任何可能的结构 位置，内能大，所以，无序结构是一种不稳定的结构。 位置，内能大，所以，无序结构是一种不稳定的结构。 有序--无序之间是可以相互转化的 无序之间是可以相互转化的， 有序 无序之间是可以相互转化的，当温度高于某一临 界值时，有序结构将转变为无序结构；反之， 界值时，有序结构将转变为无序结构；反之，当温度低于这 个临界值时，无序结构又会向有序结构转变。由无序结构向 个临界值时，无序结构又会向有序结构转变。 有序结构的转变作用称为有序化 有序化。 有序结构的转变作用称为有序化。 有序结构有时也称为超结构或超点阵。 有序结构有时也称为超结构或超点阵。
8
一[02]__粘土矿物的晶体结构 粘土矿物的晶体结构
第二章粘土矿物
体
体 它大得多的氧构成。底氧和顶氧。
铝氧八面体 由一个铝与六个氧（或羟基） 配位而成。
Si、O四面体堆积图
四面体连接的透视示意图/硅氧四面体片
四面体的平面投影图
四面体氧八面体 铝 氧（羟基）
八面体连接的透视图/铝氧八面体片
粘土矿物的基本构造
二、基本结构层
粘土矿物的基本结构层（单位晶层）是由硅氧四面体片与铝氧八面体片按不同 比例结合而成。
高岭石的晶格取代很弱。
可变负电荷
粘土所带电荷的数量随介质的pH值的改变而改变，这种 电荷叫做可变负电荷。
晶体端面上与铝相连的OH在碱性条件下解离
可变负电荷
端面上吸附了OH-1，Sio32-等无机阴离子或有机聚阴离子
电解质
粘土永久负电荷与可交换负电荷的比例与粘土矿物的种 类有关，蒙脱石的永久负电荷最高，约占负电荷总和95%， 伊利石约占60%，高岭石只占25%。
第三节 粘土—水界面的双电层
扩散双电层理论
1924年，Stern提出了较完善的扩散双电层理论，其要点如下：从胶团结 构可知，既然胶体粒子带电，那么在它周围必然分布着电荷数相等的反离 子，于是在固液界面形成双电层。双电层中的反离子，一方面受到固体表面 电荷的吸引，靠近固体表面；另一方面，由于反离子的热运动，又有扩散到 液相内部去的能力。这两种相反作用的结果使得反离子扩散地分布在胶粒周 围，构成扩散双电层。在扩散双电层中反离子的分布是不均匀的，靠近固体 表面处密度高，形成紧密层（吸附层）。
矿物 名称
晶型
晶 nm层间距-1/10 层间引力
阳/m离mo子l·(交10换0g容粘量土)
-1
高岭 1:1 7.2
氢键力，引力强 3~15
粘土矿物
一、粘土矿物的结构
（一）硅氧四面体与硅氧四面体晶片
• 其最基本的结构单元是 SiO4四面体，多个SiO4 四面体通过共用顶角上 的一个、二个或三个、 四个氧原子连成链状、 环状、片状或三维网状 结构。在空间重复形成 硅氧四面体晶片。
硅氧四面体晶片
硅氧四面体的六方网格结构 内切圆直径0.288 nm，硅氧四面体片的厚度0.5 nm
（三）粘土-水界面的吸附作用——离子交换吸附
1、离子交换吸附： 就是一种离子被吸附的同时从吸附剂表面顶替出等电量
的带相同电荷的另一种离子的过程。 由于粘土颗粒带负电荷，它在溶液中能吸附阳离子，进
行阳离子交换吸附。离子交换吸附是经常发生的，例如:在泥 浆 中 2Na+ 与 Ca2+ 的 交 换 吸 附 ， 又 如 饱 含 盐 水 泥 浆 pH 下 降 ， Na+与H+的交换吸附。
第一章 粘土矿物
• 粘土在钻井工艺中起着极其重要的作用，粘土的种 类和数量直接影响钻井液的性能、井眼的稳定性以 及油气层的保护。
• 粘土主要由粘土矿物（含水的硅铝酸盐）组成，呈 颗粒状，其颗粒大多数小于2μm。它在水中具有水 化性、分散性、带电性、离子交换性。这些性能对 于处理与配制钻井液都具有重要作用，是主要的配 浆用原料。
3、可变性（端面 ）正电荷 • 当粘土介质的pH值小于9时，粘土晶体端面上带正电荷，
这是因为裸露在边缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质 中解离出OH-:
＞Al-OH→＞Al++OH-（两性偏碱性）
粘土表面-OH的两性表现
4、净电荷数
粘土的正电荷与负电荷的代数和称为粘土晶体颗粒的净电 荷数。粘土的负电荷数一般多于正电荷，所以粘土颗粒总起来 讲是带负电荷。
粘土矿物考研名词解释
粘土矿物考研名词解释
粘土矿物（Clay minerals）是一类存在于地球表面或地下的矿物，主要由硅酸盐矿物组成，含有氢氧根、羟根或氧根的负电荷。
粘土矿物可以分为几十种不同的类别，常见的有蒙脱石、伊利石等。
粘土矿物具有一些特殊的物理和化学性质，使其在地质、环境和工程方面具有重要的应用价值。
首先，粘土矿物具有吸附性能，能吸附和储存大量的水分、有机物和离子，因此被广泛应用于水净化、土壤改良和储存核废料等方面。
其次，粘土矿物还具有塑性和可塑性，可以通过调整含水量和粒度分布来改变其形态和力学性质，因此在陶瓷制造、地质工程和岩土工程等领域中得到广泛应用。
此外，粘土矿物还可以用于催化剂、药物传递系统和电子领域等方面。
在考研中，粘土矿物常常在地质学、矿床学和环境科学等学科的研究中被提及，在了解其性质和应用方面的基础上，有助于理解地球表面和地下的地质过程、矿床形成和环境变化等问题。
第一章 粘土矿物
斥力：双电层斥力、水化膜粘弹性。
引力：范德华力、电解质的聚结作用。
②沉降稳定性： ⑴定义：在重力作用下，分散相颗粒是否容易 下沉的性质。 ⑵影响聚结稳定性的因素 斯托克斯定律：V =2/9×r2(ρ-ρ0)g/μ
两侧硅氧四面体片的顶氧构成铝氧八面体片 的一部分，取代铝氧八面体片的部分羟基。 即四面体片顶端（尖端）指向八面体片。
三、由基本结构层重复堆积引伸出的概念
层状粘土矿物：由上述两种基本结构层重复 堆积而成。
层间域：相邻基本构造层之间的空间。
粘土矿物的单位构造：基本构造层+层间域。
层间物：存在于层间域中的物质。
强
30-150
＜5
静电引力+范德 华力
弱
800-1500
90-100
静电引力+范德 2：1 O-O 华力+K+镶嵌作 用
较强
200-400
25
第三节 粘土矿物的性质
一、带电性
电泳试验：粘土颗粒向阳极运动。 试验结论：带负电荷。 电荷种类：永久性负电荷、可变性负
电荷、正电荷。
1、永久负电荷
定 义：由自身结构导致电荷产生的，由晶
③ 外来可溶性盐类的影响
降低电动电位，降低双电层的厚度
④ 有机处理剂的影响
水溶性有机（特别是高分子）处理剂有较多 的亲水基团，吸附于粘土离子表面或将粘土
颗粒包被起来，减弱或阻止水分子的进入，
使粘土粒子的水化性能变弱或不水化。
四、凝聚性和稳定性 1、凝聚性：在一定条件下，粘土矿物颗粒
在水中发生联接的性质。 三种联接方式： ①面—面：引力远远大于斥力，使粒子体积变 大，分散度降低。 ②面—端：引力大于斥力，形成网架结构。 ③端—端：端面水化膜较薄，相对斥力较小， 易使其联接，形成网架结构。
黏土矿物学
黏土矿物学是研究黏土矿物的化学成分、结构、物理性质、成因、分类、地质意义和应用等方面的学科。
黏土矿物是指具有层状结构、层间距较小、层间吸附能力强、化学性质稳定等特点的矿物。
常见的黏土矿物有高岭土、伊利石、蒙脱石、膨润土等。
黏土矿物学主要研究以下方面内容：
1.黏土矿物的化学成分和结构：研究黏土矿物的化学成分和晶体结构，了解其成因和演化过程。
2.黏土矿物的物理性质：研究黏土矿物的物理性质，如颜色、硬度、密度、熔点、热稳定性等，以及它们对环境变化的响应。
3.黏土矿物的分类：根据黏土矿物的化学成分、晶体结构和物理性质等特征，对其进行分类和命名。
4.黏土矿物的地质意义：研究黏土矿物在地质过程中的作用和意义，如沉积作用、成岩作用、变质作用等。
5.黏土矿物的应用：研究黏土矿物的应用领域，如陶瓷制造、橡胶工业、建筑材料、土壤改良等。
黏土矿物学在地质学、材料科学、环境科学、化学工程等领域都有广泛的应用。
第二讲粘土矿物学及钻井液胶体化学
1. 高岭石(Kaolinite)
① 化学式是 Al4[Si4O10][OH]8(2Al2O3·4SiO2·4H2O ）.
② 晶体构造是由一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八 面体晶片组成,两层间由共同的氧原子联结在一起 组成晶层，故称为1:1型粘土矿物。
③ 粘土矿物颗粒是由上述晶层在垂直方向上一层一 层重叠，而在平面上延伸而形成的。其相邻两晶
Figure 2-5. Atom arrangement（原子排列图） in the unit cell（单元晶胞） of a 3-layer mineral-pyrophyllite（叶蜡石）
注：The oxygen network is exposed on both basal surfaces（基面）
Test 2
1. Cutting 2. Foam 3. Kelly 4. Annulus 5. Filter cake 6. Water-based Drilling
Fluid 7. Emulsion 8. Fresh water 9. Shale shaker 10. Gellant
Answers
1. Drilling Fluid (Mud) 2. Viscosity 3. Marsh funnel 4. Gel strength 5. Bentonite 6. Hydrate 7. Free water 8. Water loss 9. Yielded 10. Makeup water
1. 钻井液（泥浆） 2. 粘度 3. 马氏漏斗 4. 凝胶强度 5. 膨润土 6. 水化 7. 自由水 8. 失水 9. 造浆 10. 配浆水
between juxtaposed atoms.
2. Consequently, the lattice cleaves（劈裂） readily along the basal surfaces, forming tiny mica-like flakes.
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所谓1:1型结构，是两层间的位置上，由上面的四面体
氧平面与下面相邻的八面体OH表面构成OH-0的配位，
形成一个较长的键（其离子间距大约为3 å)，从而形 成层与层的结合（图)。 如果层发生弯曲或成管状（如纤维蛇纹石），就会影响 这种氢氧键的形成
高岭矿物有十二个理想的三八面体多型。 为了鉴定方便，十二个层状多型可以化分为四个族 （A-D），每个族都具有可计算的最大强反射峰。各族 间其值不同（表2.1），因此一个好的X射线衍射谱可 以把一个未知的1:1层状硅酸盐从四个族中很快的检索 出来，并立即确定其层间转换方向和构造中八面体阳 离子位置的占位模式。每一族中三种构造的进一步确 定必须根据弱反射峰的特征，它们中间有些对于精确 鉴定层的堆垛序列是很灵敏的。假若这些反射很微弱 或由于堆垛无序而成条纹状，不可能区别出三种构造 中的某一种，但四个族仍可根据非条纹状的较强峰区 别开来。
b=8.94460±0.00017Å，c＝7．40485±0.00017Å;
α ＝91.697°±0.002°，β ＝104.862°±0.002°，γ ＝
89.823°±0.002°（据Bish and Von Dreele,1988）。
高岭石形态呈六角板状和书本状，是二八面体1:1型
层状硅酸盐，其空位与被Al离子充填的八面体形成一
（2）沉积高岭土 各种途径形成的高岭石，经地表水迁移到滨海凹地、湖泊、或卡斯特凹地， 沉积成高岭土矿床。在特定的条件下，在河相心滩与边滩也能沉积有价值的 高岭土。 a．滨海凹地高岭土:在周围山区有丰富的高岭石来源，经地表水悬浮搬运，在 搬运过程中颗粒变细，并沿(001)面发生剥层，使高岭石发生机械无序化，这 种无序化的强度与搬运距离成正变关系，这表现在K = 3n指数的变化上，如 滨海凹地是卤水的，由于碱性阳离子的作用，动摇了c轴也产生了无序化，这 表现在（00 l）反射的衰减与扩散上。并因而产生好的可塑性与粘性。上述高 岭土由于在迁移与沉积过程中吸附了有机质，使颜色变暗，特别是在滨海沼 泽环境中。由于季节的因素，高岭土也常出现黑白相间的沉积层。 b．湖沼沉积高岭石:在陆表酸性水中迁移，一般不会动摇c轴，但在迁移过程 中由于层内（OH)离子的不稳定性而发生变位，造成空位紊乱，因而产生假单 斜无序化。这主要表现在2θ＝35°-40°（CuKα ）的两个三重峰趋向于两个 二重峰。 c．河相高岭石:多为1Tc有序高岭石，其工业意义不大，因为一般含量很低， 但在特定的情况下，在河漫滩与心滩相也可形成含高岭石达20％的高岭土， 这种高岭土经选矿是有工业意义的。特别值得指出的是，这种高岭石多为片 状，自形度高，是造纸刮刀涂布较好的原料。
水铝英石电镜照片x 10000 （黑龙江呐河）
伊毛缟石电镜照片x 90000 （据须藤俊男，1981）
伊毛搞石结构与三水铝石结构的关系图 （据Cradwick, 1972)
伊毛缟石（中）与水铝石（上） 及埃洛石（下）差热曲线的比较
（2）埃洛石（A14Si4010 (OH)8 4H20） 伊毛缟石是八面体空位中嵌插一个四面体，埃洛石则 独立形成四面体片与八面体片，构成一个单位晶层。 它的晶层较伊毛缟石的半晶态大进了一步，但它还是 一种高度无序的矿物。 考利(Cowley, 1961)指出，相干散射测定的晶畴比 正个埃洛石管状颗粒小得多，可以有效地应用弯曲层 模式而不是完整圆柱模式。所以在长距离上是高无序 的。埃洛石单位晶胞中有四个水分子。亨德里克斯和 杰斐逊(Hendricks和Jefferson,1938)认为4H20在层间 ，10.1-7.2=2.9 å 的间距中，足以安置一张以六角 网排列的水分子平面，并且水分子与水分子间，以及 水分子与相邻的O和OH离子间以氢键连接。
（e）板片状埃洛石。
埃洛石的卷曲与纤维蛇纹石的卷曲正好相反，蛇 纹石的八面体片大于四面体片，因而四面体片在 卷曲的内侧；而埃洛石的八面体片( b =8.01Å） 小于四面体片(b=8.93-8.95Å），所以八面体片 在卷曲的内侧。
（3）高岭石(Al4Si4O10 (OH)8）
空间群C1，a=5.15560±0.00010Å，
2.1 高岭矿物
（1）水铝英石与伊毛缟石 高岭矿物的化学成分是Si02,A1203,H20三者组成 的。它们呈非晶态(poorly crystal-dine）和晶态。 水铝英石(xSi02 · 203 ·nH20 )是一个典型的非 yA1 晶态矿物，也可以把它视为目然界中的一种硅－铝 凝胶。在电子显微镜下呈 0.5μm左右的小圆球粒 （照片)，鉴定它的存在除电镜观察外，可用呈色反 应法，取1克试样粉末，加5m1的NaF（或KF)饱和 溶液，再加2-3滴酚酞，若呈桃色，证实有水铝英石 存在，其它矿物无此反应。 伊毛缟石(xSi02 · 203 · A1 2-3H20 )是一个半晶态矿 物。可以认为它是水铝英石与埃洛石的中间过渡矿 物，是一个初建八面体与四面体的矿物。
高岭（kaolin）现在通称为高岭土。这是按中国人的习 惯，把松散的微粒集合体称为’“土”，例如，除粘 土外的什么藻土、白蛋土，而把坚硬的称为“岩”。 沈永和（1959）建议将耐火粘土称为高岭岩。尊重 国人的这种习惯，并认为这种区别是有意义的。 因此，高岭土与高岭岩的定义为： 1．由高岭矿物组成的松散集合体称为高岭土，译名为 kaolin. 2.由高岭矿物组成的坚硬岩石称为高岭岩，可译为 kaolin rock. 3．高岭矿物（kaolin minerals）是1:1型二八面体亚族矿 物。
b．在裸露地表风化条件下（特别是潮湿气候），这些齿形晶高 岭石水化成具有特殊形态的埃洛石。如果在裂隙带地表水长年渗
滤，这里将全部转化成管状埃洛石
c． 这种高岭土储量大，品位不一，其伴生矿物含大量石英、长 石、白云母，是较好的陶瓷用土，但不适宜作造纸用，因为它是 粒状的。
蚀变长石表面结晶出的齿形高 岭石 ×37000
a．沿“轴方向的层间转换
天然样品的鉴定说明这四个族的矿物是存在的，至少 十二个多型中的九个已被发现。天然样品与理想样品 的比较如表2.2。对于一定成分的矿物，一般是趋于 形成特殊的堆垛层序，以至许多天然样品既不具有多 型性，也不具有多形性，它们可以被定义为类多型 (polytypoids) o四个族结构在天然样品中的分布与它 们结构的稳定性(C>D>A>B)存在着完好的一致性， 这种结构的稳定性面为贝利（1969)根据离子间的相 互吸引及排斥作过定性的估算 。
第二章、高岭土及高岭岩
“高岭” ——根据我国产地景德镇高岭山而得名，但始
于何年今不可考。
法国传教士殷宏绪（1712-1722）在介绍景德镇的一封
信中说：“若干年前，英国人也许是荷兰人把白不 （音dun－用作陶瓷坯料）子买回国，试图烧成瓷器， 因没有使用高岭而失败了，…，他们不用骨骼，只想 用肌肉造成结实的身体”。从这封信来看，高岭 （kaolin)一词在西方使用不晚于1722年，西方的烧瓷 业也肯定是早于1722年。
扭。四面体旋转的方向，是使其基氧向着同层中A1离子
移动的方向，也是使层间O－OH键缩短的方向。
（5）珍珠陶石(A14Si4,O10 (OH)8） 空间群Cc，a=8.908±0.002Å、b=5.146±0.001Å、 c=15.697±0.002Å、β ＝113.70±0.08°（Blount,et.al,1969）。
四水(10Å）埃洛石在实验中加热至105-70t时四个水全部脱除， 其d(001)间距由10Å减小到7Å，如果在真空中，常温下就可由10Å 转变成7Å。 在自然界中，随着气候干燥程度的不同，d间距由10.1Å7.9Å-7.5Å的范围内变化，前者称10Å埃洛石或简称埃洛石，后 者称7Å埃洛石或称变埃洛石。 此外，亚厉山大(Alexander 1943)建议把无水的称埃洛石 (A14Si4010 (OH)8) ,而把(A14Si4010 (OH) 8 4H20称安潭石 (endellite)。我们建议把它作为10Å埃洛石的同义语或直接译为 10Å埃洛石。 中文里有人把埃洛石译为多水高岭石；到1981年全国第一次 粘土会议通过的命名分类，决定放弃多水高岭石这个名词，才 统一将halloysite直译为埃洛石。
内蚀变风化叠加型高岭土的特点是：
a．高岭石往往都生长在一个蚀变了的长石颗粒上，形成一些齿 形晶，每个三角形小晶芽是由（110）及（110)晶面发育而成。 这些小晶芽不是由长石风化形成，而是由于酸性气水作用于长石 颗粒表面蚀变晶出高岭石，其结晶很不完善，同时长石内部晶格
也发生了某种程度的动摇，这可通过X射线衍射或电子衍射证实
根据电镜的观察，对埃洛石的形态可以划分为：（a） 球形高无序埃洛石：这种埃洛石多由水铝英石 转化 而来； （b）管状埃洛石：它可以是细长的、短粗的和管套 管的； （c）卷筒状埃洛石：有时可见到它具有指示结晶方
向的齿状边缘；
（d）柱状埃洛石：可以是空心的也可以是实心的，
这种埃洛石常具有不同数量的柱面；
个歪扭的六边形格局，每个大的空位被六个小的充填
了的八面体所包围。
（4） 迪开石 (Al4Si4O10(OH)8）
空间群Cc, a=5.1375±0.0014Å，b=8.9178 ±0.0019Å，
c=14.389±0.002Å，β＝ 96.74±0.02°（Joswing and
Drits，1986）。 迪开石形态呈塔晶，沿(001)裂开呈六角板状，与 高岭石不同的是，它是单斜二层结构，在层的堆叠上， 八面体空位每层互换一次，成为连续的 BCBCBCBC……的有序堆叠。 在细微的结构中，每层由于其上下八面体三次轴旋转 8.2°（共用棱缩短造成）及四面体旋转7.3°而发生歪
2.2
高岭土
（1）残积高岭土 这里暂且称之为残积高岭土，事实上真正残积型高岭土是 不会有很大工业意义的。因为在残积过程中，必然会有大量的 Fe203nH20加人到粘土中来。比如花岗岩，其中的暗色矿物（如 黑云母、角闪石）中的硅酸铁组分，在地表氧化反应为： 2Fe2Si04 + O2 + H20→2Fe203 + 2H4Si04,形成三价铁残留原地， 因为铁的迁移指数近似于零，而且因氧化而增值。我们通常所 说的长石风化为高岭石，用以下反应式来表示：