粘土矿物在地质、环境、材料科学领域中的应用

粘土矿物在地质、环境、材料科学领域中的应用随着人类对粘土矿物研究的日益深入以及粘土矿物在各领域中的应用日益加深，粘土矿物的独特性质正越来越受到人们的关注。

粘土矿物分布的广泛性、特有的物理、化学、晶体结构的性质及其形成机理的独特性，决定了它在地质、环境、材料科学领域应用中的重要意义。

1.粘土矿物的结构特征概述粘土矿物是颗粒细小（<0.1mm）的含水层状结构硅酸盐矿物，其结构单元层是由si-o四面体片与Al-o八面体片按不同的规律连结起来而构成，按其连结方式的不同把粘土矿物分为1:1和2:1两种结构类型，前者如高岭石，后者如蒙脱石、伊利石、凹凸棒石等。

粘土矿物结构单元层内部因发生离子的类质同象置换，比如四面体中Si离子被Ai离子置换，八面体中Ai离子被Fe、Mg离子置换，从而使其单元层表面具有电性。

此外，粘土矿物颗粒细小，比表面积大，因而，粘土矿物会表现吸附性、离子交换性、胶体性、分散性和催化性，这些特征在地质、环境、材料科学领域中具有十分重要的意义。

在粘土矿物中，硅、铝、氧是其中最主要的元素。

在这些粘土矿物中，硅和氧结合生成硅氧四面体，铝和氧结合生成铝氧八面体，其中硅氧四面体分布在同一个平面内，彼此以三个角顶相连，从而形成二维延展的网层即四面体片。

同样，铝氧八面体共用边角形成了八面体片。

这些铝氧四面体片和硅氧八面体片又共用氧原子，将不同的片结合在一起，形成层状结构。

粘土矿物除少数为非晶质外，大多是是由按四面体配位阳离子(Si4+、Al3+、Fe3+)和按八面体配位阳离子（Al3+、Fe3+、Fe2+、Mg2+）组成层状或链状的硅酸盐化合物。

层状硅酸盐的基本结构单元是硅氧四面体层或水镁石层或三水铝石八面体层。

粘土矿物可分为高岭石类、蒙脱石类和云母类等。

高岭石为1:1型结构，基本式为Si4Ai4O10（OH）8，个单元层间距小，小分子或阳离子很少有机会进入层际空隙中，故层际通常不发生离子交换，而是在粘土的表面和边、角发生。

蒙脱石类和云母类粘土均为2:1型结构其基本式为Si3Ai4O20（OH）4·nH2O，由于同晶置换，这两种类型的粘土矿的离子交换除在层面的边、脚上发生，更多是由层际间的阳离子交换而形成。

2.粘土矿物在石油地质中的应用众所周知，粘土矿物是泥页岩的主要组分，是砂岩中的主要胶结物，碳酸盐岩、变质岩和火山碎屑岩中也往往会含有或多或少的粘土矿物；石油、天然气的生成，储集、运移和开采更是无不和粘土矿物密切相关。

因此，粘土矿物研究成果可以用于恢复沉积盆地的古气候、古盐度、古湿度和物源区，可以用于成岩作用和地层对比等方面的研究。

粘土矿物对环境很敏感，粘土矿物研究成果可以用于推断古环境。

在一定范围内，对于地层对比，尤其是缺少化石的哑层对比，粘土矿物研究具有独特效果。

粘土矿物的成岩转化与有机质热演化密切相关，将两者结合起来，可以更有效的划分成岩阶段和生油门限值。

近年来，粘土矿物和能源开发的关系日益密切，粘土矿物在防治油层损害和提高采收率方面的成效已引起许多学者和广大工程技术人员的极大关注，由于不同地层所含的粘土矿物成分不同，不同的粘土矿物的性质差别很大，所以当其遇到不相匹配的工作液就会产生井壁垮塌和油层损害等问题。

①粘土矿物与古水介质古水介质对粘土矿物的形成，转化和消失都具有明显的控制作用，显然，沉O和积盆地的粘土矿物特征是研究古水介质性质的重要依据，根据粘土组分的K2B含量可以计算出古水介质的盐度；根据粘土组分的矿物组成特点可以推断古水介质的离子种类、离子含量、离子化和古水介质的酸碱性。

②粘土矿物与沉积相带现代海洋沉积物的研究结果表明，伊利石是海洋中最丰富的粘土矿物，伊利石约占大西洋沉积粘土的50%，太平洋中伊利石含量略低一些；绿泥石多集中于高纬度海相沉积物中；高岭石多集中于赤道地区的海相沉积物中。

一般说来，总的趋势是海相地层趋于含有较多的伊利石和绿泥石，非海相地层比海相地层富含高岭石和蒙皂石。

一般地区的现代海洋沉积物研究表明，近岸海洋沉积物中，高岭石含量高，沿着向海的方向，高岭石逐渐减少，蒙皂石等矿物逐渐增加，造成这种现象的原因是差异沉积作用，粗粒的高岭石首先沉积，蒙皂石等矿物在向海的方向上逐渐富集。

一般说来，用粘土矿物特征研究沉积相带，对于现代沉积比较适用，对于沉积岩在温度较低，井深较浅时也有一定的利用价值。

③粘土矿物与地层划分和对比古生物资料是地层划分和对比的主要依据，但是有些地层因缺少古生物化石常常难于进行划分和对比，粘土矿物特征和其他矿物特征可以弥补这种不足，尤其是对于那些古环境或来源母质（物源）等地质因素发生突变的地层，利用粘土矿物和其他矿物学特征进行划分和对比，往往会效果更好。

古环境的变化是利用粘土矿物进行地层划分与对比的基础。

在一个旧的时代性质发生变化，而水介质性质的变化又直接关系到各种矿物的生成、转变和消失，尤其是粘土矿物对周围环境的变化非常敏感，显然，古环境的变化必然会在矿物上留下痕迹，这就为把粘土矿物学用于地层划分与对比奠定了基础。

④粘土矿物与有机质热演化一般认为有机质容易被粘土矿物吸附，有机质与粘土表面的密切接触有助于催化裂解和脱羧基反应的发生。

粘土矿物的分布特征受古环境、成岩作用和来源母质等多种因素控制。

粘土矿物的这一特征决定了利用粘土矿物资料推断地层温度和有机质热演化程度的方法并非是普遍有效，只有在粘土矿物分布特征主要成成岩作用控制时才比较有效，如正常转化型分布类型的I-a亚类，粘土矿物的转化阶段有效地反映了成岩作用阶段和有机质热演化程度。

⑤粘土矿物研究在石油钻采工程中的应用（1）粘土矿物与储层物性粘土含量愈高，砂岩孔隙度、渗透率愈低，当其它条件基本相同时这种规律最为明显，当其他条件不尽相同时，一般只具有这种相关趋势；不同类型的粘土矿物对渗透率的影响不同，一般来说，胶结物中高岭石含量高比绿泥石含量高的砂岩渗透率较高；砂岩中粘土矿物存在的方式不同对孔隙度和渗透率的影响不同。

（2）粘土矿物与油层损害在砂岩中，粘土矿物主要是作为空隙衬里和空隙充填产出的存在方式决定了他们先于骨架颗粒与进入地层的流体接触，由于它们颗粒细小、比表面积大，很容易与注进地层的流体起反应。

不同种类的粘土矿物的形态上的差异和化学成分上的差异使得由其所引起的油层损害问题有所不同，一般来说，由粘土矿物所引起的油层损害问题大致有水敏、细粒迁移和敏酸三个方面。

（3）粘土矿物与井眼稳定由于粘土矿物是泥页岩的重要组分，所以钻井过程中的井眼稳定与粘土矿物密切相关，粘土矿物的研究成果可直接用于钻井工程中，为防止井壁坍塌等问题提供依据。

a根据粘土矿物分布规律的研究成果，结合该地区的古环境、来源母质、地层温度等资料，可以预测未钻地层的粘土矿物组合，及时为钻井设计和泥浆配置等提供依据。

b为坍塌机理研究提供依据。

3.粘土矿物在环境科学领域中的应用①有机粘土矿物材料对污染地下水及土壤的修复2:1型粘土矿物中常见的阳离子有钠、钾、钙、镁离子等。

他们存在于层间，对粘土矿物的层状结构和表面性质有很大的影响。

当粘土矿物处于干燥状态时，这些阳离子大多处于脱水状态，使矿物表明暴露出来从而可以吸附中性有机污染物。

相反，当粘土矿物处于湿润状态时，特别是在水溶液中，由于阳离子的强烈水合作用，矿物表面覆盖有一层水膜并具有强烈的亲水性，不能有效的吸附中性有机污染物。

通过阳离子交换反应，把粘土矿物中原有的无机阳离子交换成有机阳离子，由于有机阳离子的水合作用很微弱，生成的有机粘土矿物具有疏水性，同时又增加了粘土矿物的有机质含量，可大大增加粘土矿物从水中去除疏水性有机污染物的能力。

有机粘土矿物价廉易得，是简单、有效、新型的吸附剂，利用其吸附性能可以可以吸附地下水和土壤中的有机污染物，从而达到净化环境的目的。

②粘土矿物材料治理赤潮污染基于对粘土矿物的研究，用粘土治理赤潮是一种切实可行的措施。

这是因为粘土矿物广泛的存在于各种地质体中。

特殊的晶体结构赋予粘土矿物许多特性，例如吸水性和脱水性能，膨胀和收缩性能，可塑性能和离子交换性能，吸附性能和催化性能等。

由于粘土具有高的比表面积，天然粘土矿物大都具有某种活性。

粘土矿物的粒级又属胶体范围，高的比表面积和表面双电层结构，使其具有胶体的特性。

利用这种特性，将这样的胶体溶液喷洒于赤潮水域，将会起到有效治理赤潮的作用。

粘土矿物治理赤潮的作用在于：（a）粘土矿物具有大的比表面积和很强的吸附固体、气体、液体及溶于液体中的物质的能力，因而可以将水体中过剩的营养+、Fe3+、Mn2+等吸附在粘土矿物的表面上，贫化海水，破坏赤物质，如N、P、NH4潮海藻赖以生存、繁殖的物质基础；（b）粘土矿物的粒子也可以附着于藻体的内外表面上，当这些粒子沉积的很多时候，藻体也就难以生存而死亡。

因此，才去适当的方法喷洒经活化处理后的粘土，可以对治理赤潮起到积极的作用。

③粘土矿物对海水中主要营养盐的吸附特征粘土矿物具有资源丰富、成本低、对环境无污染等优点，是一种合适的去除赤潮生物的絮凝剂。

此外，由于其表面物理化学性质，粘土矿物还被称之为“天然吸附剂”,对一些物质具有吸附、迁移等作用。

从该意义上讲，粘土矿物不仅能去除赤潮生物、抑制赤潮发生，而且还可吸附水体中的营养组分、降低水域的富营养化程度，预防赤潮的发生。

4.粘土矿物在材料科学领域中的应用①粘土矿物材料对肥料养分的控释作用在原有的粘土矿物学研究基础上以矿物表面物理化学为理论基础，通过对矿物表面性质、结构的系统研究，结合相关的土壤肥科学、植物营养学参数测定，阐明有机和无机控释材料的控释机理，为深入了解反应的整个过程及反应产物中P、Si、Al、Ca等元素的存在形式及其微结构的变化，对于提高肥料的利用率，降低肥料及能源消耗，为合理开发利用丰富的非金属矿物资源、为城市污染物和废弃物的农业应用提供科学依据，并在土壤肥科学、环境生态学和矿物学学科之间架起一道相互交叉、渗透的桥梁。

粘土矿物最重要的结构特征就是由硅氧四面体片和金属-氧八面体片构成的层状结构。

粘土矿物的层间域是一个良好的化学反应场所。

它对土壤和水体中肥料营养元素及重金属元素和有机污染物有较好的吸附能力，是这些肥料营养元素及污染物良好的滞留场所。

因此对高表面活性矿物层间域的研究可以更好地了解这些肥料营养元素及污染物质在环境中迁移、吸附、解吸和降解规律，不仅可以为肥料、农药的使用技术提供指导，而且可为更好地制造控释肥料、控释农药及控制环境污染提供理论依据。

常见的无机矿物控释材料有膨润土、蛭石、海泡石、坡缕石、沸石以及硅藻土等。

②粘土矿物材料对放射性废物的处理处置当前放射性废物处置的一般方法是将放射性废弃物填埋在地质体中，然后封闭起来，这样称为放射性废物地质处置。

放射性废物地址处置的根本目的就是要以地质观点选择合适的处置场所，使被处置的废物在处置后数百年乃至上万年的时间跨度里，被封闭在一个有限的地质空间内，不致危及到人类的生存环境和生命健康。