第一章 地学基础

为主；此外有Si、Al、Fe的氧化物及其水合物。
变质矿物：是早期形成的矿物经过变质作用（高温高
压和化学活性物质的影响下）所形成的矿物。如蛇
纹石、红柱石等。
凹凸 棒石
膨润土
粘土矿物 clay mineral
高岭石 海泡石
一、层状硅酸盐粘土矿物
(一)构造特征 1、基本结构单位
(1)硅氧四面体（SiO44-→Si2O52-→Si4O104- ）由一个硅离子和四 个氧离子所构成的四面体结构。
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。 盐基离子Mg2+、K+等直接参与新矿物合成，分 别形成富钾（伊利石）、富镁（蛭石、绿泥石） 等矿物。
2、粘土矿物的形成条件
粘土矿物形成与气候等成土条件密切相关 南方热带砖红壤、亚热带红壤矿物风化程度高，粘土矿 物以1:1型为主，并有三水铝石，粘粒硅铝铁率为2左右， 属铁铝土 北方温带地区，粘粒矿物为各种2:1型(伊利石、蒙脱石
哈哈，我 们满意了
公用底角氧原子
唉。上层氧原 子电价未平衡
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？
铝氧八面体 octahedra
每个氧原子带 1.5个负电荷
化学结 构式
[AlO6]9-
2、单位晶片—铝层
铝氧八面体片 octahedral sheet
氧还有一个 负电荷未得 到平衡， 怎么办？
氧化铝
三水铝石： Al（OH)3,分布 在热带和亚热带 高度风化的酸性 土壤中。我国 300以南地区土 壤中才有
水铝英石
水铝英石 x Al2O3.ySiO2.nH2O
氧化硅
是火山灰土壤的主 要粘土矿物。温带 半湿润和湿润地区 土壤。
蛋白石： SiO2.nH2O 火山灰土壤。灰化 土壤，来与于有机 体形成有机酸产生 酸性淋溶的土壤中。
Al2O3· 2O， Fe2O3· 2O 带正电荷，碱胶基 nH nH 盐基离子Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，决定溶液pH，并参与矿物形成
正负电荷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
(2) 铝氧八面体(AlO69-→Al4O1212-→Al4（OH）8O44- )由1个铝 离子和6个氧离子（或氢氧离子）所构成的八面体结构。
硅氧四面体 tetrahedra
Si0.39埃
化学结构式
[SiO4] 4-
2、单位晶片—硅层
硅氧四面体片 tetrahedral sheet
我们还带一个 负电荷，么办?
1、粘土矿物形成途径 粘土矿物：风化和成土过程中形成的次生矿物
（1）原生矿物风化淋溶直接演变 +H2O，-K 云母类 伊利石 -K 蛭石 -Mg 蒙脱石 -Si 高岭石 -Si 三水铝石
（2）风化沉淀（自然合成）学说
原生矿物彻底风化产物重新组合沉淀而成。 SiO2· 2O nH 土壤pH条件下带负电荷，酸胶基
滑 石
绿泥石组(Chlorite)
（以绿泥石为代表，富含镁、铁）
特点：
(1) 2:1:1型
三八面体，化学式为Mg· Al)12(Si· 8O20(OH)16 Fe· Al)
(2)同晶替代现象普遍
硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中Al3+代Si4+、铝片中Mg2+代 Al3+产生负电荷，水镁片中Al3+ 代Mg2+产生正电荷，两者相抵为净负电荷， 介于伊利石与高岭石之间
条痕
矿物粉末的颜色。将矿物在无釉瓷板上擦划，（注意矿物 硬度小于瓷板）所留在瓷板上的颜色即为条痕。
条痕对有色矿物具有鉴定意义。可以消除假色、减弱他色而 显现自色。
光泽
金属光泽—如黄铁矿
矿物表面对入射光线的反射能力称光泽，按其表现可分为 ：
半金属光泽—如赤铁矿
非金属光泽－如石棉、白云母、高岭石
硬度
特点：
(1) 1:1型 在氢键 (3) 电荷数量少 同晶替代极少 (4) 颗粒较大（有效直径0.2～2μm） 可塑性、粘结 性、吸湿性、粘着性弱 单位晶胞（层）化学式：Al4Si4O10(OH)8
(2) 膨胀性小
晶层间距约0.72nm,硅片和铝片之间存
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
伊利石组(Hydromica)（又称2 :1型非膨胀性矿物） 特点：
(1) 2 :1型 单位晶胞化学式： K2(Al· Mg)4(Si· 8O20(OH)4· 2O Fe· Al) nH
SiO2/Al2O3:3～4
(2) 非膨胀性
晶层之间吸附的K+的强吸附力，层间距1.0nm
(3) 电荷数量大
有效电荷量少于蒙脱石
等)，粘粒硅铝铁率多在3以上。风化度低，属硅铝土 。
3、我国土壤粘土矿物分布规律
全国分为7个分布区 北方以水云母（伊利石）为主的1、2、3区 秦岭、长江中下游水云母、蛭石、高岭石交错分布区(4区)
南方西部蛭石和高岭石为主的分布区（5区）
南方以高岭石为主的6、7分布区
西北和青藏高原水云母区(1区)，土壤风化程度最低
公用上下l两层氧原子形成片
3、单位晶层
4、同晶替代(同晶置换，同形异质现象) ：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。 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 土壤带电原因之一
蛭石0.96～1.45nm
(3) 电荷数量大
同晶替代现象普遍
(4) 颗粒较细，呈片状 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性显著，对耕作不利 蒙脱石在我国北方土壤分布较广，蛭石分布在风化不太
强而排水良好的土壤中
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）
第一节 矿物
教学目标与要求
1.矿物、原生矿物、次生矿物、变质矿物、粘土矿物、同晶
置换；
2.了解粘土矿物（层状硅酸盐矿物）的主要特征：硅氧四面
体、铝氧八面体；硅片、铝片；单位晶层；同晶置换；
3.识别矿物的主要形态和物理性质； 4.了解主要的造岩矿物及其特性。
矿物：指地壳及上地幔中的化学元素在各种地质作
意义：1.对土壤颜色主要作用 3.颗粒胶结剂
2.土壤磁性材料
4.磷素的包被作用（Fe-P，Al—P）（固磷基质） 6.气候和环境指示剂
5.土壤酸度主要原因
7.正电荷载体（碱胶基）
硅氧四面体
铝氧八面体
硅氧片
铝氧片 晶层
1:1型粘土矿物 2:1型粘土矿物
晶体颗粒 层状铝硅酸盐矿物
三 、 粘土矿物的形成和分布规律
0.01~1.0（小）
伊利石 2:1
3~4 钾键
0.1~2.0（中）
高岭石 1:1
2 氢键
0.1~5.0（大)
不规则片状 高 700~800 高 很高 高 80~120
不规则片状 中 100~120 中 中 中 20~40
六方形晶体 低 5~20 低 无 低 3~15
二、 非硅酸盐粘土矿物
氧化铁
针铁矿（FeOOH）（温 带热带亚热带土壤中） 赤铁矿（ Fe2O3）：在高 温、潮湿、风化程度很深 的红色土壤中存在.黄色和 棕色土壤中没有。氧化铁 使土壤呈现棕色、褐色、 桔红色和红色。 氧化铁往往以胶膜态包被 土壤颗粒表面—形成结构
(2)矿物的物理性质
颜色、条痕、光泽、解理、断口、硬度等
颜色
根据其发生的物质基础不同，有自色、他色和假色
自色—矿物自身具有的色素表现出来的颜色，如石英的白
色。 他色—含有外来的带色素的杂质而产生的颜色，如无色透明 的石英(水晶)因锰的混入被染成紫色。 假色—矿物表面、解理面及裂缝因氧化而产生氧化膜产生 光的干涉效应而呈现出的颜色。
(3) 颗粒较小
可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中
土壤中绿泥石大部分来自母质遗留，沉积岩和沉积物中较多
ห้องสมุดไป่ตู้
三大类次生层状铝硅酸盐矿物区别
性质 晶架结构
Sa值 晶层间连接键 大小（） 形状 比表面（m2/g） 外表面 内表面 胀缩性 CEC（cmol/kg)
次生层状铝硅酸盐矿物 蒙脱石 2:1
4 分子引力
（2）氧化物类 主要有石英类、其次是赤铁矿类、氧化
钛类 （3）硫化物类 主要有黄铁矿类。 （4）磷酸盐类 主要有氟磷灰石、氯磷灰石。
次生矿物：是原生矿物在地表常温常压条件下，经风
化、沉积作用所形成的一类矿物。如碳酸盐矿物、
石膏、粘土矿物和铁铝的氧化物等。
次生矿物以粘土矿物为主，又以结晶层状硅酸盐矿物
矿物抵抗摩擦或刻划的能力。
常用二个矿物相对刻划的方法即得出其相对硬度。
表示硬度的大小，以摩氏硬度计的十种矿物作标准 ，从滑石到金刚石依次定为十个等级，其排列次序是：
矿物 滑石 石膏 方解石 萤石 磷灰石 正长石 石英 黄玉 刚玉 金刚石
华南高岭区（7区）土壤风化程度最高
四、矿物的形态及物理性质
矿物的形态与物理性质是其化学成分和内部构造的
外在反映。是肉眼鉴定矿物的主要依据。 (1)矿物的形态 单 晶——柱状、针状（角闪石）； 片状（云母）、板状（石膏）； 粒状（黄铁矿）； 双 晶——晶簇（石英）； 集合体——片状（云母）； 粒状、纤维状、钟乳状、结核状等。
元素
O Si Al Fe Ca Na K Mg Mn
地壳中 土壤中
47.0 29.0 8.05 4.65 2.96 2.50 2.50 1.37 0.10 49.0 33.0 7.13 3.80 1.37 1.67 1.36 0.60 0.085
元素
P S C N Cu Zn B Mo
地壳中 土壤中
同晶替代现象普遍，主要发生在硅片，电荷量较大，但部分被层间K+中和，
(4) 可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间。
伊利石主要存在于我国北方干旱地区土壤中
四川盆地紫色土和河流冲积土一般以伊利石为主
4.间层矿物
2:1:1 或2:2型矿物
2:1型基础上增加一铝层(或镁层)
水镁石或 水铝石
代表矿物有：绿泥石 chlorite CEC约为 20~40cmol/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。
用下形成的具有一定的化学组成和物理性质的单
质或化合物。
按形成矿物的地质作用，主要矿物分为：
• 原生矿物（岩浆矿物）
• 次生矿物（表生矿物）
• 变质矿物
原生矿物：土壤原生矿物是指那些在风化过程中末改变 长石、石英、云母等。
化学成分和结构的原始成岩矿物。如橄榄石、角闪石、 土壤原生矿物的主要类型有：
（1）硅酸盐类 包括长石类、云母类、闪石类、辉石类。
高岭石
单位晶层
瞧：氢键在这里 （牢固） 内表 面 （无）
外表 面
2：1型单位晶层构造
2.蒙脱石 (montmorillonite) 两层硅层中间夹一铝层
2.蒙脱石(montmorillonite)
蒙脱石组(Montmorillonite) 包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等
特点：
(1) 2:1型
(2) 膨胀性大：晶层以分子引力联结，晶层间距：蒙脱石0.96～2.14nm
现象：四面体中硅被铝取代；八面体中铝被镁、铁取代。
（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 一层硅层与一层铝层重叠而成
高岭石结构模型
kaolinite
高岭(石)组(Kaolinite )
包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等
高岭石
致密细粒状、 土状集合体， 白色或浅红色， 硬度1，比重 2.6，具粗糙 性，加水有可 塑性。
第一章
地学基础知识
一、地壳的范围 地球外表的一个圈层，大陆地区平均约厚35km， 海洋地区只有5-8km。
二、地壳的表面形态
海洋：占地球表面积的70.9%。我国从北到南的近
海有：渤海、黄海、东海和南海。
陆地：占地球表面积的29.1%。大的地形有山地、
高原、丘陵、盆地和平原。
三、地壳的物质组成
地壳是由各种化学元素组成的，在地壳中现已发 现有90多种化学元素，其中含量较多的有10种：
0.093 0.09 0.023 0.01 0.01 0.005 0.003 0.003 0.08 0.085 2.0 0.1 0.002 0.005 0.001 0.0003
化学元素 地质作用 矿物 地质作用 岩石 母岩 风化作用 母质 成土作用 土壤