第二章粘土矿物教材

第一节 几种主要粘土矿物的晶体结构和特点
粘土的定义 粘土矿物的基本构造 粘土矿物 粘土电荷种类及产生的原因
粘土的定义
通常认为粘土是由极细的粘土矿物组成，其颗粒小于 2μm 。在水中具有分散性、带电性和离子交换性。
粘土矿物就是通常构成岩石和土壤细粒部分（<2μm）的 主要成分的矿物。一般情况下粘‘’土矿物是细分散的、含水的 层状构造硅酸岩矿物和层链状构造硅酸岩矿物及含水的非晶 质硅酸岩矿物的总称。
根据粘土的电荷产生的原因不同，可分为永久负电荷、 可变负电荷及正电荷三种。
永久负电荷
产生的 原因
由于粘土发生晶格取代所产生的剩余的负电荷。
例如：
硅氧四面体：Si4+被Al3+取代。 铝氧八面体：Al3+被Fe2+、Mg2+等取代。 这种负电荷的数量取决于晶格中晶格取代的多少，而不受pH的影响，因此，称
非膨胀型粘土矿物
层间存在氢键
水镁石对晶层的静电引力
五、海泡石
海泡石族矿物（俗称抗盐粘土）包括海泡石、凹凸棒石 等。是铝和镁的水硅酸盐，其晶体构造常为链层状。它由2:1层 型的晶体结构每隔6个硅氧四面体做180º翻转，并沿a轴延伸而 成。产生平行与a轴的通道。
特点：含较多的吸附水，具有较高的热稳定性（加热到 350℃晶体结构仍无变化），在淡水和饱和盐水中水化膨胀情况 几乎完全一样（良好的抗盐性）。因此，用它配制的钻井液用 于海洋钻井和钻高压盐水层或盐岩层具有很好的悬浮性能。
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
三、伊利石（Illite）
基本结构层是由两个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成，2:1层型粘 土矿物。硅氧四面体的顶氧均指向铝氧八面体，通过共用氧联结在一起。
为了平衡电价而结合的阳离子是可以互相交换的，称为可交换阳离子。
很少晶格取代
很少的可交换阳离子
氢键
非膨胀型粘土矿物
很少的可交换阳离子
粘土矿物
二、蒙脱石（Montmorillonite）
基本结构层是由两个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成，2:1层型粘土矿物 硅氧四面体的顶氧均指向铝氧八面体，通过共用氧联结在一起。
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。
粘土矿物
粘土矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、坡缕石等。
一、高岭石（Kaolinite）
在高岭石的结构中，晶层的一面全部由氧组成，另一面全部由羟基组成。晶层之间 通过氢键紧密联结，水不易进入其中。
晶格取代：硅氧四面体中的硅和铝氧八面体中的铝为其他原子（通常为低一价的金 属原子）取代。晶格取代的结果，使晶体的电价产生不平衡。为了平衡电价，需在晶格 表面结合一定数量的阳离子。
与蒙脱石 不同之处
晶格取代主要发生在硅氧四面体片中，约有1/6的硅为 铝所取代。可交换阳离子主要为钾离子。
非膨胀型 粘土矿物
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
高岭 1:1 7.2
氢键力，引力强 3~15
石
蒙脱 2:1 9.6~40.0 分子间力，引力 70~130
石
弱
20~40
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。
通过对粘土进行化学分析表明粘土主要含有氧化硅SiO2、 氧化铝Al2O3和水，还含有少量的铁、碱金属和碱土金属。实 际上粘土矿物就是含水的铝硅酸盐。
粘土矿物的基本构造
基本构造单元
基本构造单元片
基本结构层
组成各种粘土矿物
一、基本构造单元及基本构造单元片
硅
铝
氧
氧
四 面
八 面
硅氧四面体 由一个硅等距离地配上四个比
为永久负电荷。不同粘土矿物晶格取代的情况不同。粘土的永久负电荷大部分分 布在粘土晶层的层面上。
蒙脱石的永久负电荷主要来源于铝氧八面体中的一部分铝离子被镁、铁等二价离
子取代，仅有少部分电荷是由于硅氧四面体中Si被Al取代所造成，一般不超过15%。 蒙脱石每个晶胞有0.25～0.6个永久负电荷。
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
Fra Baidu bibliotek
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
四面体晶片俯视图/硅氧四面体的六方网格结构
铝氧八面体 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。
1、1:1层型基本结构层 由一个硅氧四面体片与一个铝氧八面体片结合而成，它是层状构造的硅铝酸盐
粘土矿物最简单的晶体结构。 五层原子面：一层硅面，一层铝面和三层氧（或羟基）面；典型矿物：高龄石
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
1.4粘土电荷的种类和产生的原因
从电泳现象证明粘土颗粒在水中通常带有负电荷，在电场 作用下向正极移动。粘土所带的电荷是使粘土具有一系列电化 学性质的根本原因，同时对粘土的各种性质都产生影响。
比如说粘土吸附阳离子的多少决定于其所带负电荷的多 少。钻井液中各种处理剂对粘土的作用以及钻井液的稳定性都 受粘土电荷的影响。