03 第二章 粘土矿物-36页PPT
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土壤矿物质相关资料PPT课件( 29页)
Al2O3·nH2O、Fe2O3·nH2O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。
粘土矿物的形成：正负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/Al2O3＞3，可形成2:1型矿物 当溶胶SiO2/Al2O3＜3，可形成1:1型矿物及氧化铝矿物 风化液pH与盐基淋溶有关，并影响胶体的正、负电荷数量和 沉淀凝胶中正负电荷胶体的比例。
•
8、有些人，因为陪你走的时间长了，你便淡然了，其实是他们给你撑起了生命的天空；有些人，分开了，就忘了吧，残缺是一种大美。
•
9、照自己的意思去理解自己，不要小看自己，被别人的意见引入歧途。
•
10、没人能让我输，除非我不想赢！
•
11、花开不是为了花落，而是为了开的更加灿烂。
•
12、随随便便浪费的时间，再也不能赢回来。
（四）水云母－蛭石－高岭区 包括秦岭山地和长江中下游平 原，为一狭长的过渡地带，在适宜条件下，水云母、蛭石和高 岭石都可成为土壤粘粒中的主要成分。
二、我国土壤粘土矿物分布规律
（五）蛭石－高岭区 包括四川盆地、云贵高原、喜马拉雅山 东南端。土壤粘粒中云母退居次要成分，以蛭石和高岭为主。 东部蛭石尤多，并多三水铝石；西部蛭石较少，氧化物含量很 高，山地土壤中水云母含量随海拔高度升高而增加。四川盆地 土壤中还有不少蒙脱石。 （六）高岭－水云母区 包括浙、闽、湘、赣大部和粤、桂北 部。土壤中粘粒部分结晶差的高岭石为主。东部不少水云母和 蛭石伴存，铁铝氧化物含量也显著增多。 （七）高岭区 包括贵州南部、闽粤东南沿海、南海诸岛及台湾
并参与矿物形成。
粘土矿物的形成：正负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/Al2O3＞3，可形成2:1型矿物 当溶胶SiO2/Al2O3＜3，可形成1:1型矿物及氧化铝矿物 风化液pH与盐基淋溶有关，并影响胶体的正、负电荷数量和 沉淀凝胶中正负电荷胶体的比例。
•
8、有些人，因为陪你走的时间长了，你便淡然了，其实是他们给你撑起了生命的天空；有些人，分开了，就忘了吧，残缺是一种大美。
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9、照自己的意思去理解自己，不要小看自己，被别人的意见引入歧途。
•
10、没人能让我输，除非我不想赢！
•
11、花开不是为了花落，而是为了开的更加灿烂。
•
12、随随便便浪费的时间，再也不能赢回来。
（四）水云母－蛭石－高岭区 包括秦岭山地和长江中下游平 原，为一狭长的过渡地带，在适宜条件下，水云母、蛭石和高 岭石都可成为土壤粘粒中的主要成分。
二、我国土壤粘土矿物分布规律
（五）蛭石－高岭区 包括四川盆地、云贵高原、喜马拉雅山 东南端。土壤粘粒中云母退居次要成分，以蛭石和高岭为主。 东部蛭石尤多，并多三水铝石；西部蛭石较少，氧化物含量很 高，山地土壤中水云母含量随海拔高度升高而增加。四川盆地 土壤中还有不少蒙脱石。 （六）高岭－水云母区 包括浙、闽、湘、赣大部和粤、桂北 部。土壤中粘粒部分结晶差的高岭石为主。东部不少水云母和 蛭石伴存，铁铝氧化物含量也显著增多。 （七）高岭区 包括贵州南部、闽粤东南沿海、南海诸岛及台湾
粘土矿物.ppt
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
特点：电荷量不受pH值、介质的影响！
2、可变（负）电荷 粘土所带电荷的数量随介质的pH值改变而改变。
原因： （1）铝氧八面体中＞Al-OH是两性的，在碱性介质中电出
H+，使粘土带负电荷； 在酸性介质中则电离出OH-，使粘土带正电荷。 一般情况下钻井液呈碱性，所以粘土带负电荷。
（2）粘土晶层在外力作用下发生断裂，则在断裂的边缘处 可能带负电，可能带正电荷。
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。
1.27
1.43
1.45
水合阳离子
半径（埃） 3.3
1.6
1.0
0.7
-
0.4 7.0 5.2 4.7 2.0
-
（3）H+水化半径小。H+与水形成H3O+，它们在粘土中表面 的吸附特别强。这也是泥浆性能的研究中格外重视pH值的重 要原因。 （4）不同粘土矿物的影响 阳离子的离子吸附能力由小到大交换顺序： 高岭石 Li+＜Na+NH 4+＜H+ K+＜Mg2+＜Ca2+
第二章 粘土矿物-ppt课件
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一、电荷产生缘由(3个缘由)
1、可交换阳离子的解离 粘土在自然界构成时发生晶格取代作用产生负电荷，
为了到达电平衡必然从周围环境吸附等量的可交换阳离 子。
〔1〕粘土外表负电荷的静电作用 〔使其接近粘土外表〕
〔2〕热运动〔使其从粘土矿物外表解离下来〕
可交换阳离子以分散的方式陈列在粘土矿物的外 表，构成分散双电层，使粘土带负电。
矿物名称 高岭石
带电原因 （主）
解离
电荷分布 边缘
CEC mmol/kg
30-150
蒙脱石
晶格取代 Al-O八面体
700-1300
伊利石
晶格取代 Si-O四面体
200-400
思索题：为什么伊利石单位晶胞所带负电荷比蒙脱石多，而CEC却 比蒙脱石小？
第三节 粘土的水化膨胀性
一、定义：粘土吸水后体积增大的性质。
C、晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距 C=9.6Å- 40Å，属膨胀型粘土矿物，为什么？
◆蒙脱石上下相临的层面皆为O面，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。 ◆蒙脱石由于晶格取代产生较多的负电荷， 在它周围必然会吸附等电量的阳离子，水化 阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石膨 胀。
定义：分散介质pH=7时，1000g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〕。
CEC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、吸附等性质亲密相关。
〔3〕造浆率：一吨干粘土所能配制粘度〔表观粘度〕为 15mPa.s钻井液的体积数，m3/T。
造浆率
粘土的水化分散才干
3、晶片的结合(根本构造层) 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
粘土矿物1
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。
4、同晶替代
（1）什么是同晶替代？
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
（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 . 0 5 7 nm） 的 半 径 相 近 ， 可 发 生 替代而不改变晶形。
（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：
（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）
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。
4、同晶替代
（1）什么是同晶替代？
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
（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 . 0 5 7 nm） 的 半 径 相 近 ， 可 发 生 替代而不改变晶形。
（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：
（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）
粘土矿物
东营凹陷沙四上亚段Sr Ba比值分析图 东营凹陷沙四上亚段Sr / Ba比值分析图
沙四上亚段含盐水溶液中， Sr／Ba比值是在 0～8, 甚至最高值可达到12。东北 部永安镇、民丰、广利港一带河流-三角洲水的进入，Ba很快沉积，形成Sr／Ba比 值最低值，大约 0～1。随着离岸距离的增大，Sr含量相对富集在辛镇、郝科1、史 口、利津和牛庄等开阔半咸水湖相，比值大约是在 1～5。最后向南坡和西部的含盐 水Sr／Ba高达到6～8 及其以上，如王家岗、纯化镇等含咸分析图 东营凹陷沙四上亚段Fe/Mn比值分析图
湖盆Fe和Mn性质分异较明显，大致0.005以上至0.007的Fe/Mn高比值是 在Fe+3更多富集于河口或滨岸地带, 而Mn+2更多富集于小于0.005以下的滨 656、郝科1、王587等较深水区的低值响应。
交换性阳离子 n H2O
O2 Si 4+ OHAl3+ (Fe2- 、Fe3+ 、 Mg 2+）
伊利石类构造示意图
蒙托石构造示意图
高呤石: 假六方板状， 高呤石: 假六方板状，书页和蠕虫状
高岭石: 高岭石:
假六方板状，书页和蠕虫状 假六方板状，
蒙脱石
弯片状、棉絮状，遇水膨胀，脱落堵塞 弯片状、棉絮状，遇水膨胀，
蒙托石
伊利石
绿泥石
混层 伊/蒙 绿/蒙
山东济阳坳陷砂岩成岩作用序列表
成岩带 一般埋深 m 主要层位 储层主要沉积相 地温 ℃ 镜煤反射率 % 一般孔隙度 % 平均渗透率 10-3μm 有机质成熟度 粘土环边 早期方解石化 石英次生加大 自生高岭石化 黑云母碳酸盐化 深层溶解次生孔隙出现 阶状石榴石形成 斜长石钠长石化 铁方解石胶结交代作用 铁白云石胶结交代作用 蒙托石带 无序混层带 有序混层带 伊利石带 油气形成 常见敏感性伤害 浅层 <1700 Nm～ Nm～Ed 河流冲洪积 <75 0.35 25～ 25～35 500～ 500～600 未成熟 中层 1700～ 1700～2100 Ed～ Ed～Es2 湖砂坝湖砂坝-三角洲 90 0.45 20～ 20～30 500～ 500～2000 半成熟 深层 超深层 2100～ 2100～3200 >3200 Es2～Es4 Es4～Ek 湖三角洲-浊流湖三角洲-浊流-河流冲洪积 130 >130 0.65 >0.65 5～20 1～10 50～ 50～500 >10 成熟 高成熟
土壤学课件第2章粘粒矿物
化学结构式
[SiO4] 4-
第五节 粘粒矿物
二、层状硅酸盐粘土矿物
1、基本结构特征
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？
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。
第五节 粘粒矿物
二、层状硅酸盐粘土矿物
子交换量为10－40 Cmoles(+) 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。
小结
单位晶层 1：1型 2：1型 2：1型 2：1：1型
矿物类型 1：1型粘土矿物
2：1型膨胀性矿物 2:1型非膨胀性矿物 2：1：1型粘土矿物
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.
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
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。
第二章讲义粘土矿物和粘
几种主要粘土矿物的晶体构造
伊利石的单元晶层构造：也称为水云母。
伊利石也称为水云母，其 晶体构造和蒙脱石类似，主要 区别在于晶格取代作用多发生 在四面体中，铝原子取代四面 体的硅。晶格取代作用也可以 发生在八面体中，典型的是 Mg2+和Fe2+取代Al3+，其晶胞平 均负电荷比蒙脱石高，产生的 负电荷主要由K+来平衡。
从上式可以看出，降低体系表面能有两条途径：一条 是缩小表面积；另一条是减小比表面能σ。前者引起一系 列的毛细管现象和胶态体系的聚结不稳定性，后者引起吸 附作用。
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。
粘土矿物的晶体构造与性质
粘土作为钻井液的重要组成成分，其晶体构造 与性质对钻井酸性能有十分重要的影响。钻井过程 中井眼的稳定性、油气层的保护均与地层中粘土矿 物类型和特性密切相关。
粘 土 矿 物：含水的铝硅酸盐 粘土组成 非粘土矿物：石英、长石
胶 体 矿 物：氢氧化铁、蛋白石、 氢氧化铝等
粘土矿物颗粒直径较小，在水中具有一定的分 散性、带电性、水化性，可发生离子交换。
被吸附的阳离子以钠离子为主的蒙脱石(称为钠 蒙脱石)，其膨胀压很大，晶体可以分散为细小的颗 粒，甚至可以变为单个的单元晶层。
若被吸附的阳离子以钙离子为主的蒙脱石（称 为钙蒙脱石），由于钙离子所带电荷较多，晶层之 间的作用力较强，矿物晶体膨胀性能较差。
当然，可通过离子交换使得不同类型的粘土相 互转化。
胶体分散体系则不然，由多相所组成，在胶体 颗粒和分散介质之间存在物理界面，为多相分散体 系。如泥浆中的粘土胶粒与水之间存在界面，改变 粘土—水界面的性质即可改变泥浆的性能。认识粘 土—水界面的性质对了解泥浆的本质有重要意义。
粘土矿物物相分析PPT课件
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• 与一般矿物鉴定相比粘土矿物的物相鉴定难度较大 ,当试样中的物相数目 多和元素 信息不详时困难更大。在衍射 图中 d值 (mn)为0.45、0.25、 0.15的衍射峰 ,其它层状硅酸盐矿物都有,重迭峰多。因此靠“三峰法” 、 “五峰法”或“八强线”法作物相鉴定难于实现,常常只靠一 二条或二三 条主要特征峰来作鉴定。
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三、粘土矿物的高温衍射分析
• 所谓高温衍射就是将试样(矿物)放置于高温炉 内,按指定的升温率 、恒 温时间加温 ,在指定温度点或温度范围进行 X 射线衍射 ,收集样品在某温 度时的衍射花样及 其衍射数据 d 值和 I 值 ,通过衍射花样了解试样中的 物相变化,如非晶化及其温度 、新相形成及 其温度等。
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• 必须指出 由于 凹 凸棒石粘土中常有低量水云母 ,在检查试样是否有凹 凸棒石时,最好的办法是将试样焙烧至 600℃高温处理后再测量 ,如果 d=1.0左右的峰仍存在,则凹 凸棒石应予否定。因 为凹 凸棒石 非晶化温 度在 500C左右；在鉴定高岭石族时 ,应考虑30°至 40°内是 否存在“山 字形”和 “双 指形”峰的问题。 总之粘土矿物鉴定是项复杂过程,应结 合产状和其它分析资料综合考虑。
因此根据衍射峰的形状可以了解矿物晶体结晶程度的好坏推断矿物形成的环境划分成岩期以及岩石变质的程度进而为研究矿床矿物成因提供科学依据处理制成计算其衍射峰的高度p不低角区一侧的高度v的比值从图可见v3pv2pv1p结晶良好的蒙脱石其vp1比值越小一般认为结晶度越差
• 粘土矿物在 自然界分布极广 ,尤其在风化壳和沉积岩层中。我国粘土矿 物储藏量居世 界之首 ,从开发 利用情况看 ,主要有蒙脱石、海泡石 、凹 凸棒石和高岭石等 。 射线衍射分析主要从结构上对粘土矿物研究,可以 解决粘土矿物的 3 个基本问题 ；结晶度 、物相组成、和物相定量 。
• 与一般矿物鉴定相比粘土矿物的物相鉴定难度较大 ,当试样中的物相数目 多和元素 信息不详时困难更大。在衍射 图中 d值 (mn)为0.45、0.25、 0.15的衍射峰 ,其它层状硅酸盐矿物都有,重迭峰多。因此靠“三峰法” 、 “五峰法”或“八强线”法作物相鉴定难于实现,常常只靠一 二条或二三 条主要特征峰来作鉴定。
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三、粘土矿物的高温衍射分析
• 所谓高温衍射就是将试样(矿物)放置于高温炉 内,按指定的升温率 、恒 温时间加温 ,在指定温度点或温度范围进行 X 射线衍射 ,收集样品在某温 度时的衍射花样及 其衍射数据 d 值和 I 值 ,通过衍射花样了解试样中的 物相变化,如非晶化及其温度 、新相形成及 其温度等。
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• 必须指出 由于 凹 凸棒石粘土中常有低量水云母 ,在检查试样是否有凹 凸棒石时,最好的办法是将试样焙烧至 600℃高温处理后再测量 ,如果 d=1.0左右的峰仍存在,则凹 凸棒石应予否定。因 为凹 凸棒石 非晶化温 度在 500C左右；在鉴定高岭石族时 ,应考虑30°至 40°内是 否存在“山 字形”和 “双 指形”峰的问题。 总之粘土矿物鉴定是项复杂过程,应结 合产状和其它分析资料综合考虑。
因此根据衍射峰的形状可以了解矿物晶体结晶程度的好坏推断矿物形成的环境划分成岩期以及岩石变质的程度进而为研究矿床矿物成因提供科学依据处理制成计算其衍射峰的高度p不低角区一侧的高度v的比值从图可见v3pv2pv1p结晶良好的蒙脱石其vp1比值越小一般认为结晶度越差
• 粘土矿物在 自然界分布极广 ,尤其在风化壳和沉积岩层中。我国粘土矿 物储藏量居世 界之首 ,从开发 利用情况看 ,主要有蒙脱石、海泡石 、凹 凸棒石和高岭石等 。 射线衍射分析主要从结构上对粘土矿物研究,可以 解决粘土矿物的 3 个基本问题 ；结晶度 、物相组成、和物相定量 。
第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础
b. 离子半径 离子半径越大离子水化半径越小，离 子的吸附性越强交换能力越大，通常离子的交换 能力由弱到强的排列顺序为：
Li+<Na+<K+(NH4+)<Mg2+<Ca2+<Ba2+<Al3+<Fe3+<H+
c. 离子浓度 离子浓度越大交换能力越强
四、粘土的凝聚性
（1）概念：粘土矿物（颗粒）在水分散体系状态下，通 过不同的联结方式产生絮凝或聚结（集）的现象。
膨胀性是衡量粘土亲水性的指标，亲水性越强，吸水量越 大，水化膨胀越厉害。 二、水化膨胀机理
各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的 程度不同而已。粘 土水化膨胀受三种力制约：表面水化 力、渗透水化力和毛细管作用。
二、 粘土的水化膨胀性
(1)表面水化 ①定义：由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附的 可交换性阳离子间接吸附水分子而导致的水化。 ②表面水化机理 直接水化：粘土表面上的H+和OH-通过氢键吸附水分子 间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子 (2) 渗透水化
D、CEC 大介于高岭石与蒙脱石之间（200-400mmol/kg)
☞蒙脱石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，由于 蒙脱石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层 表面近，故与K+产生很强的静电力， K+不易交换下来。
☞ K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴 中，起到连接作用，周围有12个氧与它配伍，因此， K+连 接通常非常牢固，不易交换下来。
2 粘土矿物带电量
CEC：pH值等于7的水溶液中1kg粘土中可被交换 出来的阳离子电荷总数。
Li+<Na+<K+(NH4+)<Mg2+<Ca2+<Ba2+<Al3+<Fe3+<H+
c. 离子浓度 离子浓度越大交换能力越强
四、粘土的凝聚性
（1）概念：粘土矿物（颗粒）在水分散体系状态下，通 过不同的联结方式产生絮凝或聚结（集）的现象。
膨胀性是衡量粘土亲水性的指标，亲水性越强，吸水量越 大，水化膨胀越厉害。 二、水化膨胀机理
各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的 程度不同而已。粘 土水化膨胀受三种力制约：表面水化 力、渗透水化力和毛细管作用。
二、 粘土的水化膨胀性
(1)表面水化 ①定义：由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附的 可交换性阳离子间接吸附水分子而导致的水化。 ②表面水化机理 直接水化：粘土表面上的H+和OH-通过氢键吸附水分子 间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子 (2) 渗透水化
D、CEC 大介于高岭石与蒙脱石之间（200-400mmol/kg)
☞蒙脱石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，由于 蒙脱石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层 表面近，故与K+产生很强的静电力， K+不易交换下来。
☞ K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴 中，起到连接作用，周围有12个氧与它配伍，因此， K+连 接通常非常牢固，不易交换下来。
2 粘土矿物带电量
CEC：pH值等于7的水溶液中1kg粘土中可被交换 出来的阳离子电荷总数。
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)。
第二章 粘土矿物与水的相互作用
粘土矿物的带电的原因
1、边缘破键电荷的不平衡； 2、同晶置换作用； 3、水化解离作用
粘土颗粒 水分子
阳离子
8
第二章 粘土矿物与水的相互作用
1
§2 粘土矿物与水 §2.1键力复习
化学键（主键、高能键）——离子键、共价键、金属键
NaCl
Cl2
金属
分子键（次键、低能键）——范德华键
氢键——介于主次键之间的一种键力。氢原子失去一个电子，形成 一个裸露的原子核，与其他带有负电荷的原子相互吸引， 构成特殊的氢键。
2
...........
............
粘土
.
........................
............
粘土
6
§1 土的物性与分类 §2.3粘土颗粒的带电现象 粘土矿物的带电性质
粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷粘土ຫໍສະໝຸດ 粒水分子 阳离子7
§1 土的物性与分类 §2.3粘土颗粒的带电现象
表面高积岭石大积约与一 伊利石 粒 径个足球大场一样大 中
蒙脱石
小
比表面积 10-20m2/g 80-100m2/g 800m2/g
胀缩性
小
中
大
强度
大
中
小
压缩性
小
中
大
5
§1 土的物性与分类 §2.3粘土颗粒的带电现象
列依斯（Reuss）1807年的试验
+
-
+
-
.... .. . ....
.... ....
§2 粘土矿物与水 §2.2粘土矿物的结晶结构
基本单元： 硅-氧四面体
硅片的结构
3
1、边缘破键电荷的不平衡； 2、同晶置换作用； 3、水化解离作用
粘土颗粒 水分子
阳离子
8
第二章 粘土矿物与水的相互作用
1
§2 粘土矿物与水 §2.1键力复习
化学键（主键、高能键）——离子键、共价键、金属键
NaCl
Cl2
金属
分子键（次键、低能键）——范德华键
氢键——介于主次键之间的一种键力。氢原子失去一个电子，形成 一个裸露的原子核，与其他带有负电荷的原子相互吸引， 构成特殊的氢键。
2
...........
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粘土
.
........................
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粘土
6
§1 土的物性与分类 §2.3粘土颗粒的带电现象 粘土矿物的带电性质
粘土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷粘土ຫໍສະໝຸດ 粒水分子 阳离子7
§1 土的物性与分类 §2.3粘土颗粒的带电现象
表面高积岭石大积约与一 伊利石 粒 径个足球大场一样大 中
蒙脱石
小
比表面积 10-20m2/g 80-100m2/g 800m2/g
胀缩性
小
中
大
强度
大
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压缩性
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§1 土的物性与分类 §2.3粘土颗粒的带电现象
列依斯（Reuss）1807年的试验
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§2 粘土矿物与水 §2.2粘土矿物的结晶结构
基本单元： 硅-氧四面体
硅片的结构
3
第二章粘土矿物课件PPT
钾离子直径（0.266nm）与硅氧四面体片中的六方网格结 构内切圆直径（0.288nm）相近，使它易进入六方网格结构中 而不易释出，所以晶层结合紧密，水不易进入其中。伊利石层 间距比较稳定，一般为1.0nm。
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
2、2:1层型基本结构层 由两个硅氧四面体片夹着一个铝氧八面体片结合而成。
七层原子面：一层铝面，两层硅面和四层氧（或羟基）面。典型矿物：蒙脱石
2021/3/10
6
2021/3/10
7
引伸概念
粘土矿物分别由上述两种基本结构层堆叠而成。 层间域：当两个基本结构层重复堆叠时，相邻基本结构层 之间的空间； 粘土矿物的单位构造：基本结构层加上层间域； 层间物：存在于层间域中的物质；若层间物为水时，则称 为层间水，若层间域中有阳离子，则称为层间阳离子。
分子间力（不存在氢键）
膨胀型粘土矿物
大量的晶格取代
大量可交换阳离子
蒙脱土的晶格取代主要发生在铝氧八面体片中，由铁或镁取代铝氧八面体中 的铝。硅氧四面体中的硅很少被取代。晶格取代后，在晶体表面可结合各种可交 换阳离子。
可交换阳离子为钠
钠蒙脱石
可交换阳离子为钙
钙蒙脱石
2021/3/10
11
2021/3/10
高岭 1:1 7.2
氢键力，引力强 3~15
石
2021/3/10蒙石脱 2:1 9.6~40.0
分子间力，引力 70~130 弱
14
20~40
2021/3/10
15
四、绿泥石（Chlorite）
基本结构层是由一层类似伊利石2:1层型的结构片与一层水 镁石片组成。与其他2:1层型的粘土矿物相比，不同之处在于它 的层间域为水镁石片所充填。水镁石片为八面体片，片中的镁 为铝取代，使它带正电性，可代替可交换阳离子补偿2:1层型结 构中由于铝取代硅后产生的不平衡电价。
粘土矿物2
7
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。
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一[02]__粘土矿物的晶体结构 粘土矿物的晶体结构
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。
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一[02]__粘土矿物的晶体结构 粘土矿物的晶体结构
土力学 第二章 粘性土的物理化学性质
第二章 粘性土的物理化学性质
内容提要
本章主要讨论决定粘性土的宏观物理化学性 质的微观结构特征。主要包括：
键力的基本概念
粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土颗粒的胶体化学性质
粘性土工程性质的利用和改良
粘性土特有的性质及成因
粘性土随着含水量的不同会呈现不同的 物理状态。
这种性质主要取决于粘粒粒组的含量与 粘粒的矿物成分。
电渗排水和电化学加固
电泳与电渗
在电场作用下，带有负电荷的粘土颗粒
向阳极移动，这种电动现象称为电泳。
水分子及水化阳离子向阴极移动，这种
电动现象称为电渗。
电渗排水和电化学加固
电渗排水
在渗透系数小于 10-6cm/s 的饱和软粘土地
层中开挖基坑或进行其它地下工程活动， 可以采用电渗排水的方法降低地下水位。
两个同性原子形成同一元素分子的联结
力称为共价键。
通过自由电子将原子或离子联结成金属
晶格的联结力为金属键。
总
结
离子键、共价键和金属键都属于主键。 主键的影响范围最小，约为 0.1~0.2μm ，
而其联结能最大，相当于 8.4 ～ 84J/kmol 。
分子键
分子键又称范德华（Van Der Waals）键
粘性土的各种工程性质（可塑性、压缩性、强度
等）主要受组成粘性土的粘土矿物的结晶结构特 征以及矿物颗粒与周围介质的相互作用所制约。
第一节 键力的基本概念
所谓键力是指组成粘土矿物的原子与原子
之间或分子与分子之间的一种联结力。
键力的类型：
化学键 分子键 氢键
化学键
原子与原子之间的联结称为化学键，也称
粘土颗粒在沉积过程中，除受重力作用外，
内容提要
本章主要讨论决定粘性土的宏观物理化学性 质的微观结构特征。主要包括：
键力的基本概念
粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土颗粒的胶体化学性质
粘性土工程性质的利用和改良
粘性土特有的性质及成因
粘性土随着含水量的不同会呈现不同的 物理状态。
这种性质主要取决于粘粒粒组的含量与 粘粒的矿物成分。
电渗排水和电化学加固
电泳与电渗
在电场作用下，带有负电荷的粘土颗粒
向阳极移动，这种电动现象称为电泳。
水分子及水化阳离子向阴极移动，这种
电动现象称为电渗。
电渗排水和电化学加固
电渗排水
在渗透系数小于 10-6cm/s 的饱和软粘土地
层中开挖基坑或进行其它地下工程活动， 可以采用电渗排水的方法降低地下水位。
两个同性原子形成同一元素分子的联结
力称为共价键。
通过自由电子将原子或离子联结成金属
晶格的联结力为金属键。
总
结
离子键、共价键和金属键都属于主键。 主键的影响范围最小，约为 0.1~0.2μm ，
而其联结能最大，相当于 8.4 ～ 84J/kmol 。
分子键
分子键又称范德华（Van Der Waals）键
粘性土的各种工程性质（可塑性、压缩性、强度
等）主要受组成粘性土的粘土矿物的结晶结构特 征以及矿物颗粒与周围介质的相互作用所制约。
第一节 键力的基本概念
所谓键力是指组成粘土矿物的原子与原子
之间或分子与分子之间的一种联结力。
键力的类型：
化学键 分子键 氢键
化学键
原子与原子之间的联结称为化学键，也称
粘土颗粒在沉积过程中，除受重力作用外，
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2、几种常见粘土矿物的晶体构造
（1）高岭石 ①高岭石晶体结构示意图
铝氧八 面体片
硅氧四 面体片
共用氧原 子连接
②高岭石特点
A、1：1型粘土矿物 B、几乎不存在晶格取代，负电量少 C、晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距C=7.2Å
问题：高岭石属非膨胀型粘土矿物，为什么？
Si-O
高岭石上下相临的层面，一面为OH面， O
Ｅ、造浆率低 高岭石晶层间以氢键为主，引力较强，晶层间连接紧
密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表面， 故水化分散能力差，造浆率低。
⑵蒙脱石 ①蒙脱石晶体结构示意图
硅氧四 面体片 铝氧八 面体片 硅氧四 面体片
②蒙脱石特点
A、2：1型粘土矿物
B、存在晶格取代，取代位置主要在Al-O八面体中，即Al3+被 Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，产生的负电荷由等量的Na+或Ca2+ 来平衡，分别被称为钠蒙脱石和钙蒙脱石。
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第一节 粘土矿物的晶体构造
2、铝氧八面体与铝氧八面体晶片
铝氧八面体：六个顶点为氧或 氢氧原子团，铝、铁或镁原子 居于八面体中央。
铝氧八面体晶片：多个铝氧 八面体通过共用的O或OH连接 而成的Al-O八面体网络
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第一节 粘土矿物的晶体构造
Al-O
另一面为O面，而O与OH很容易形成 OH
氢键，层间引力较强，晶层间连接紧密，
水分子不易进入晶层。
D、CEC低（30-150 mmol/kg) 在三种常见的粘土矿物中，高岭石的ＣEC最低。原因 在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电荷很少， 周围吸附的阳离子数目少，可发生交换的阳离子数目就 更少了，所以CEC小。
C、晶层间引力以分子间力为主，引力弱，晶层间距 C=9.6Å- 40Å，属膨胀型粘土矿物，为什么？
◆蒙脱石上下相临的层面皆为O面，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。 ◆蒙脱石由于晶格取代产生较多的负电荷，在 它周围必然会吸附等电量的阳离子，水化阳 离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石膨胀。
因为蒙脱石具有很强的水化膨胀能力，造浆率高，所以它是 钻井泥浆的主要配浆材料。膨润土的主要成分是蒙脱土，一级 膨润土主要为钠蒙脱土（钠土）；二级为钙蒙脱土（钙土）
（3）伊利石
①伊利石晶体结构示意图
②伊利石特点
A、2：1型粘土矿物
B、存在晶格取代，取代位置主要在Si-
Si-O
O四面体中，且取代数目比蒙脱石多， 产生的负电荷由等量的K+来平衡。
前言
（1）粘土主要由粘土矿物(含水的铝硅酸盐)组成。
粘土
（2） 在水中有分散性 、带电性、离子交换以及水化性。
粘土 与钻 井的 关系
（1）粘土为钻井液的重要组成成分之一。 （2）钻井过程中井眼的稳定性与地层粘土含量和类型密切相关。 （3）油气层粘土含量和类型与钻井过程中油气层损害密切相关。
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第一节 粘土矿物的晶体构造
一、粘土矿物的两种基本构造单元
基本构造单元－单元片－基本结构层－粘土矿物
1、硅氧四面体与硅氧四面体晶片
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。
硅氧四面体晶片：指硅氧四面体网 络。硅氧四面体晶片由多个硅氧四 面体通过共用底氧原子连接而成。
D、CEC 大（800-1500 mmol/kg)
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CEC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，吸附阳离子数量多，水化阳离子给粘 土带来厚的水化膜，使蒙脱石水化膨胀。
Al-O
Si-O
K+
C、晶层间引力以静电力为主，引力 强，晶层间距C=10Å，属非膨胀型粘 土矿物。为什么？
☞由于伊利石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负 电荷离晶层表面近，与吸附的K+产生很强的静电力，层 间引力较强，水分子不易进入晶层.
☞ K+的大小刚好嵌入硅氧四面体片 构成的六方网格内切圆空穴中，周 围有12个氧与它配伍，起到连接作 用，水分子不易进入晶层；
1、基本概念
（1）晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外 阳离子所置换，产生过剩电荷的现象。
Si-O四面体：Al3+取代Si4+ Al-O八面体： Mg2+、Fe2+取代Al3+
粘土带 负 电荷
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例1：蒙脱石在不发生晶格取代时，其理想结构式为： Al4Si8O20(OH)4.nH2O
氧原子
氧原子
Si-O晶片 Al-O晶片
Si-O晶片
4. 由基本结构层重复堆叠引申的几个概念 （1）层间域：相邻基本结构层之间的空间。 （2）粘土矿物的单位构造：基本结构层加上层间域。 （3）层间物：存在于层间域中的物质。若层间物为水则称
为层间水；若为阳离子，则称为层间阳离子。
二、几种常见粘土矿物的晶体构造
蒙脱石的实际结构式为： (1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O
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)On Exchange Capacity) CEC
3、晶片的结合(基本结构层) 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（5层原子面）。 层面上是OH
层面是O
Al-O晶片 Si-O晶片
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（2）2：1型晶层：由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体 晶片构成（7层原子面）。
定义：分散介质pH=7时，1000g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）。
CEC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。
（3）造浆率：一吨干粘土所能配制粘度（表观粘度）为 15mPa.s钻井液的体积数，m3/T。
造浆率
粘土的水化分散能力