第1章 土壤矿物质

OH
2、单位晶片 • 四面体片（Tetrahedral Sheets） • 八面体片（Octahedral Sheets）
四面体片（Tetrahedral Sheets） 四面体片（Tetrahedral Sheets）
Si6O18
z y x
y
z x
Si6O18 Spaced Filled View
2、性质 性质
高岭组
蒙蛭组 很 铝片 80—120
伊利组 普 硅片 20—40 离
绿泥组 遍 三片
同晶替代 很少 位置 CEC* 层间键 层间物质 膨胀性 比表面** 颗粒大小 粘结性 3.0—15 氢键 无 很弱
10—40
子 键 水镁片 无
分子键 阳离子 水 K+ 很强
10—20.0 600—800 70—120 70—150 0.2-5µm 0.01—1.0 0.1—2 差 强 中等
地壳和土壤的平均化学组成（重量%）
元素 O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H 地壳中 土壤中 47.0 49.0 29.0 33.0 8.05 7.13 4.65 3.80 2.96 1.37 2.50 1.67 2.50 1.36 1.37 0.60 0.45 0.40 (0.15) ? 元素 Mn P S C N Cu Zn Co B Mo 地壳中 0.10 0.093 0.09 0.023 0.01 0.01 0.005 0.003 0.003 0.003 土壤中 0.085 0.08 0.085 2.0 0.1 0.002 0.005 0.0008 0.001 0.0003
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南方红、黄壤中的粘土矿物以高岭石为主， 1. 南方红 、黄壤中的粘土矿物以高岭石为主， 而北方土壤中 以蒙脱石，伊利石为主( 以蒙脱石，伊利石为主( )。 不同土壤类型粘土矿物的组成不同( 2. 不同土壤类型粘土矿物的组成不同( )。 任何土壤的矿物质组成中既含有原生矿物， 3. 任何土壤的矿物质组成中既含有原生矿物，也含有次生矿 )。 物( )。 土壤矿物质的化学组成，一般N素含量很少( )。 4. 土壤矿物质的化学组成，一般N素含量很少( )。 土壤中的粘粒均由次生矿物所组成并多以云母为主( )。 5. 土壤中的粘粒均由次生矿物所组成并多以云母为主( )。 蒙脱石矿物晶架的顶，底层由离子键相连( )； 6. 蒙脱石矿物晶架的顶，底层由离子键相连( )；高岭石矿 物顶、底层由氧键相连( )；伊利石矿物则由Si Si物顶、底层由氧键相连( )；伊利石矿物则由Si-O相连 )。 ( )。
二、非硅酸盐粘土矿物
Nonsilicate Clay Minerals
（一）结晶形态
• 结晶态（crystallized） • 无定型（amorphous) • 结晶差的（poorly crystallized）
（二）产生电荷的途径
脱氢作用（deprotonation）
M − OH + 2
—
H+ + H+
组成矿物的中心离子（ Si 4+, Al3+ ) 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。
晶片中阳离子与氧离子的比值范围
在四面体中的比值为 0.255 — 0.414 在八面体中的比值为 0.414 — 0.732
晶片中常见的阳离子
离子 O2Si4+ Al3+ Fe2+ Fe3+ Mg2+ K+ 半径(nm) 0.135 0.040 0.055 0.080 0.067 0.078 0.134 0.30 0.41 0.59 0.54 0.58 1.00 rc / ro 存在的位置 硅片、铝片 硅片 硅片、铝片 铝片 铝片 铝片 层间
Si6O18
Tetrahedral Sheet
unsaturated ‘edge’sites
x y z
Tetrahedral Sheet
[n(Si4O10)4-]
x z
y
unsaturated apical oxygens
Tetrahedral Sheet
x y z
Si:O 2:5
八面体片 （Octahedral Sheets） Sheets）
z y x
[n(Al4O12)12-]
三八面体(tri)octahedral 三八面体(tri)octahedral Sheet
Mg,Fe2+
z y x
二八面体 Dioctahedral Sheet
z y
Al3+、Fe3+
x
3、单位晶层 （Layer） Layer）
Octahedral-Tetrahedral Linkage
地壳和土壤的平均化学组成（重量%）
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 O Si Al Fe Ca Na K Mg
地壳 土壤
二、土壤的矿物组成
The mineralogical Compositions in Soil 1、原生矿物（primary minerals )
石英(Quartz)、长石(Feldspar)、云母(Mica)…
矿物(Minerals)--晶态(Crystalline)、 非晶态(Noncrystalline or amorphous)
第二节 粘土矿物
Secondary Clay Minerals
一、层状硅酸盐粘土矿物 Phyllosilicate Minerals
（一）构造特征
1、基本结构单位（structural unit)
第一章 土壤矿物质
Soil Mineralogy
z
x
y
意义(Significance)
1) 土壤物理性质：粘结性、膨胀性、耕性 2) 化学性质：缓冲性、保肥性、吸附性 3) 生物和生物化学性质：酶学、微生物 4) 鉴定土壤类型 5) 识别土壤形成过程：富铝化、淋溶
第一节 土壤矿物质的组成
Mineral Compositions of Soil 一、土壤矿物质的主要元素组成 The main Elements in soil minerals
2、次生矿物（secondary minerals )
层状硅酸盐(Phyllosilicates)、水化氧化物 (Hydrous oxides)、简单盐类(Simple salts)
原生矿物： 砂粒(sand)、粉砂粒(silt) 硅酸盐(silicates)、铝硅酸盐 (aluminosilicates)
4、同晶替代 （Isomorphic Substitution） Substitution）
permanent (layer) charge
Isomorphic Substitution
tet Si4+ Al3+
oct
Al3+, Fe3+
Mg2+
z
x
y
同晶替代 （Isomorphic Substitution） Substitution）
1、气候条件：影响矿物的风化速度 和产物，影响环境的酸碱性和盐基离 子的种类。 2、母质：盐基离子种类
白云母 伊利石 蛭石 蒙脱石 高岭石 三水铝石
复杂
简单
二、我国土壤粘土矿物分布规律
温带、干旱和半干旱地区土壤中的粘土 矿物以伊利石、蒙蛭 绿泥石组为主。
热带和亚热带的湿润地区土壤中的 粘土矿物以高岭石和氧化物为主。
(四) 主要类型及性质
• 针铁矿(Goethite)：黄色，分布于温带、亚 热带和热带土壤中 • 赤铁矿(Hematite)：红色，分布于亚热带和 热带土壤中 • 三水铝石(Gibbsite)：分布较广
都具有很强Βιβλιοθήκη Baidu固磷作用
The distribution of soil minerals in 第三节 我国土壤粘土矿物分布 China 一、风化和成土作用与粘土矿物组成 的关系
M − OH
—
H+ + H+
M − O−
质子化作用（protonation） 正电（positive） 中性（neutral） 负电（negative）
（三）主要特点
• 不存在同晶替代(Isomorphous Substitution) • 不仅带负电(Negative Charge)，也带正电 (Positive Charge) • 数量可变(Variable) • 晶态转化，性质差异较大
CEC：阳离子代换量，单位： * CEC：阳离子代换量，单位：cmol(+) / kg **比表面：单位质量的表面积。单位： **比表面：单位质量的表面积。单位：m2 kg-1×103 比表面
决定硅酸盐矿物性质的主要因素
• 硅片与铝片的比例 • 层面物质（O、OH；氢键、分子键） • 层间物质（水、水镁片或水铝片、K+、其 它阳离子） • 同晶替代（数量和位置）
1:1型 高岭石(Kaolinite)
2：1型 蒙脱石(Montmorillonite)
2：1型 伊利石(Illite)
(Chlorite)
2 1 1 ： ： 绿 泥 石
粘土矿物的主要性质
• 带电性(electrical charge) • 巨大的表面积(surface area) • 离子吸附与交换(ion adsorption and exchange) • 胀缩性、粘结性(expansion and cohesion)
水云母— 蒙脱石区 水云母区 水云母— 蛭石区 水云母—蛭石—高岭区 高岭—水云母区 蛭石— 高岭区 高岭区
核心名词：
原生矿物 四面体 同晶替换 2：1型
次生矿物 八面体 硅铝铁率 1:1型
思考题
什么叫矿物? 1. 什么叫矿物?分析原生矿物和次生矿物在土壤中的 主要作用是什么? 主要作用是什么? 2. 试比较高岭石 、 蒙脱石和伊利石在晶架构造上有 试比较高岭石、 何不同? 何不同? 矿物的SiO 比值大小说明什么问题? 3. 矿物的SiO2/R2O3比值大小说明什么问题? 试比较高岭石与蒙脱石在性质上的差异? 4. 试比较高岭石与蒙脱石在性质上的差异?以及产生 这些差异的原因是什么? 这些差异的原因是什么?
（二） 层状硅酸盐粘土矿物的种类和 一般特性
1、种类：
高岭组(Kaolin)：高岭石(kaolinite)、埃洛石 (Halloysite) 蒙蛭组：蒙脱石(montmorillonite)、蛭石 (vermiculite) 水化云母组：伊利石(illite) 绿泥石组：绿泥石(chlorite)
硅氧四面体（Silica tetrahedron） 铝氧八面体（ Aluminum octahedron）
( 1 ) 硅氧四面体 Si-O tetrahedron
z
x
y
硅氧四面体Si-O tetrahedron
(2) 铝氧八面体
Al – O octahedron
Al(OH)6 or Mg (OH)6 Octahedron
1：1型的晶层
Serpentine (1:1 trioctahedral mineral) tet
oct
z
x
y
2：1型的晶层
Talc (2:1 trioctahedral mineral) tet oct tet
z
x
y
2：1：1型晶层
Short-hand Symbols
tet oct
Short hand, Block notation