第一章土壤礦物質(zhì)修復(fù)的

第一章土壤礦物質(zhì)Chapter1:soilmineral基本要求：

使學(xué)生了解土壤礦物質(zhì)組成和化學(xué)組成，層狀鋁硅酸鹽粘土礦物、非硅酸鹽粘土礦物的主要性狀及其分布。重點(diǎn)：土壤粘土礦物種類及其性質(zhì)；不同種類粘土礦物的構(gòu)造和性質(zhì)第一節(jié)土壤礦物質(zhì)的礦物組成和化學(xué)組成第二節(jié)粘土礦物第三節(jié)我國土壤粘土礦物分布規(guī)律第一節(jié)土壤礦物質(zhì)的礦物和化學(xué)組成一、元素組成

地殼和土壤的平均化學(xué)組成（重量%）元素地殼中土壤中元素地殼中土壤中OSiAlFeCaNaKMgMn47.029.08.054.652.962.502.501.370.1049.033.07.133.801.371.671.360.600.085PSCNCuZnBMo0.0930.090.0230.010.010.0050.0030.0030.080.0852.00.10.0020.0050.0010.0003地殼的元素組成

1、幾乎包括元素周期表中所有元素；

2、O、Si、Al、Fe為主，四者共占88.7%以上；

3、植物必需營養(yǎng)元素含量低，分布不平衡。二、礦物組成(Mineralcomponents)表1-1

1、幾乎包括元素周期表中所有元素；

2、O、Si、Al、Fe為主，四者共占88.7%以上；

3、植物必需營養(yǎng)元素含量低，分布不平衡。二、礦物組成(Mineralcomponents)表1—2

(一)原生礦物(Primalmineral)

1、原生礦物以硅酸鹽和鋁硅酸鹽為主

以氧化硅和硅酸鹽礦物占絕對優(yōu)勢。如石英、長石、云母、輝石、角閃石等。2、原生礦物類型和數(shù)量決定于礦物的穩(wěn)定性石英最穩(wěn)定，是粗土粒的主要成分；白云母和長石較穩(wěn)定，在粗土粒中較多；黑云母、角閃石、輝石等暗色礦物易風(fēng)化。3、原生礦物是植物養(yǎng)分的重要來源

Ca、Mg、K、P、S等

形成土壤母質(zhì)的礦物、巖石一、主要的成土礦物

（一）礦物的概念

礦物是一類天然產(chǎn)生于地殼中且具有一定的化學(xué)組成、物理特性和內(nèi)部構(gòu)造的化合物或單質(zhì)。

礦物以各種形態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）存在于自然界中。礦物可以是單一元素所組成的，也可以是幾種元素組成的化合物。形成巖石的礦物稱為造巖礦物。

（二）礦物的類型礦物按成因可分為原生礦物和次生礦物.

原生礦物由地殼深處熔融狀態(tài)的巖漿冷凝固結(jié)而形成的礦物稱原生礦物。如石英、長石、云母、輝石、角閃石等。

次生礦物

原生礦物經(jīng)物理、化學(xué)風(fēng)化作用，組成和性質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化，形成的新礦物稱次生礦物。如方解石、高嶺石等。

硅酸鹽類氧化物類

硫化物類

磷化物類1.原生礦物次生硅鋁酸鹽礦物

氧化物類礦物有結(jié)晶和非結(jié)晶兩種

簡單鹽類礦物2.次生礦物二氧化硅凝膠（瑪瑙）(三)主要成土礦物的性質(zhì)石英紫水晶煙水晶正長石KAl3Si3O8斜長石

CaAl2Si3O8橄攬石（Mg，F(xiàn)e）2SiO4

石膏CaSO4·2H2O石膏白云母方解石CaCO3

腎狀（赤鐵礦）高嶺石（H2Al2Si2O8.H2O）

巖石是一種或幾種礦物組合而成的自然集合體。巖石都有一定的礦物組成，結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。

二、主要成土巖石（二）巖石的概念1.巖漿巖巖漿巖是地球內(nèi)部巖漿侵入地殼或噴出地表冷凝形成的巖石。巖漿巖的類型:巖漿巖深成巖

淺成巖

噴出巖

侵入巖

（二）巖石的類型主要的巖漿巖

酸性巖

SiO2含量在65％以上如花崗巖,流紋巖

中性巖SiO2

含量52％～65％如閃長巖,安山巖基性巖SiO2

含量45％～52％如輝長巖,玄武巖

超基性巖

SiO2含量小于45％如橄欖巖

侵入性巖漿巖噴出性巖漿巖玄武巖花崗巖2.沉積巖沉積巖是由地殼表面早期形成的巖石經(jīng)風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積、壓實(shí)、膠結(jié)硬化而形成的巖石。一般分為機(jī)械沉積巖、化學(xué)沉積巖和生物沉積巖三類。

各種先成巖在新的地殼變動或巖漿活動產(chǎn)生的高溫、高壓下，使巖石的礦物重新結(jié)晶，重新排列，改變其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和化學(xué)成分，而形成的新巖石，稱變質(zhì)巖。

3.變質(zhì)巖巖片,麻巖,石英,巖板巖,結(jié)晶片巖,千枚巖,大理巖

礦物質(zhì)是構(gòu)成土壤的基本物質(zhì)，又是植物礦質(zhì)營養(yǎng)的源泉，是全面影響土壤肥力高低的一個重要因素。土壤中的礦物質(zhì)來自巖石的風(fēng)化物。而巖石又是由礦物組成的，不同的礦物構(gòu)成不同的巖石。不同的巖石經(jīng)過風(fēng)化作用，形成土壤中的礦物質(zhì)。所以礦物能影響土壤的理化性質(zhì)和土壤養(yǎng)分狀況。

是一種或幾種礦物組合而成的自然集合體。巖石都有一定的礦物組成，結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。

巖石(Rock):二、成土的主要礦物和巖石Magmaticrock（巖漿巖）：巖漿巖是地球內(nèi)部巖漿侵入地殼或噴出地表冷凝形成的巖石。Sedimentary（沉積巖）：由各種先成的巖石經(jīng)風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積、重新固結(jié)而成或由生物遺體堆積而成的巖石稱為沉積巖。Metamorphic（變質(zhì)巖）：在高溫高壓下巖石中的礦物發(fā)生重新結(jié)晶或結(jié)晶定向排列而形成的巖石稱為變質(zhì)巖。三大巖類物質(zhì)循環(huán)MagmaticRocks（巖漿巖）Formedfrommagma（巖漿）CoarseorfinegrainedCoarse-Grained:Granite（花崗巖）

=MostcommonHard&richinquartzWidelyusedUsedformonumentsFine-Grained:Basalt（玄武巖）

=mostcommonHard,dense,durableHighbearingcapacitySedimentaryRocks（沉積巖）conglomeratesandstonesiltstoneshaleclaysiltsandgravelsedimentssedimentaryrocksMetamorphicRock（變質(zhì)巖）

原來存在的巖石在新的地殼變動或巖漿活動產(chǎn)生的高溫、高壓下，使巖石的礦物重新結(jié)晶，重新排列，改變其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和化學(xué)成分，而形成的新巖石，稱變質(zhì)巖。（二）次生礦物(secondarymineral)原生礦物經(jīng)外動力地質(zhì)作用分解轉(zhuǎn)化形成的礦物。外動力地質(zhì)作用是指大氣、水和生物在太陽能、重力能的影響下產(chǎn)生的動力對地球表層所進(jìn)行的各種作用統(tǒng)稱為外動力地質(zhì)作用。以粘土礦物為主，又以結(jié)晶層狀硅酸鹽礦物為主；此外有Si、Al、Fe的氧化物及其水合物。硅氧四面體硅氧四面體的構(gòu)造圖示法

第二節(jié)粘土礦物(Claymineral)一、層狀硅酸鹽粘土礦物(一)構(gòu)造特征1、基本結(jié)構(gòu)單位(1)硅氧四面體（SiO44-→Si2O52-→Si4O104-

）(2)鋁氧八面體(AlO69-→Al4O1212-→Al4（OH）8O44-)

鋁氧八面體鋁氧八面體的構(gòu)造圖示法2、單位晶片硅氧四面體硅層鋁氧八面體鋁層硅片（硅氧片）圖示法鋁片（水鋁片）圖示法3、單位晶層（1）1:1型一層硅層與一層鋁層重疊而成

1:1型層狀硅酸鹽(高嶺石)晶體結(jié)構(gòu)示意圖

（2）2:1型兩層硅層中間夾一鋁層2:1型層狀硅酸鹽（蒙脫石）晶體結(jié)構(gòu)示意圖

（3）2:1:1型2:1型基礎(chǔ)上增加一鋁層(或鎂層)2:1:1型層狀硅酸鹽（綠泥石）結(jié)構(gòu)示意圖

4、同晶替代

指硅酸鹽礦物的中心離子被電性相同、大小相近的其它離子所代替而礦物晶格構(gòu)造保持不變的現(xiàn)象。

發(fā)生同晶替代后，硅酸鹽礦物產(chǎn)生負(fù)電荷

(二)硅酸鹽礦物的種類

1、高嶺(石)組(Kaolinite)

包括高嶺石、埃洛石、珍珠陶土等

特點(diǎn)：

(1)1:1型單位晶胞（層）化學(xué)式：Al4Si4O10(OH)8

SiO2/Al2O3=4/2=2硅鋁鐵率：土壤粘粒部分的SiO2和Fe2O3、Al2O3（R2O3）含量的分子比硅鋁率：土壤粘粒部分SiO2和Al2O3的分子比硅鐵率：土壤粘粒部分SiO2和Fe2O3的分子比例：某土壤粘粒部分SiO2含量為41.89%，Al2O3含量33.27%，F(xiàn)e2O3含量11.85%，計(jì)算其硅鋁鐵率、硅鐵率。解：41.89

33.27SiO2的分子含量＝———＝0.698Al2O3的分子含量＝———＝0.32660102

11.85

SiO2

0.698Fe2O3的分子含量＝———＝0.074———＝——————＝1.75160

R2O30.326+0.074

硅鋁鐵率可以反映土壤母質(zhì)的化學(xué)風(fēng)化程度硅鋁鐵率還可以反映土壤的成土過程和保肥能力

(2)膨脹性小

晶層間距約0.72nm,硅片和鋁片之間存在氫鍵

(3)電荷數(shù)量少同晶替代極少

(4)顆粒較大（有效直徑0.2～2μm）

可塑性、粘結(jié)性、吸濕性、粘著性弱2、蒙脫石組(Montmorillonite)包括蒙脫石、綠脫石、蛭石等特點(diǎn)：

(1)2:1型單位晶胞的理論化學(xué)式：Al4Si8O20(OH)4·nH2O

蒙脫石理論硅鋁率SiO2/Al2O3=8/2=4

(2)膨脹性大

晶層以分子引力聯(lián)結(jié)，晶層間距：蒙脫石0.96～2.14nm蛭石0.96～1.45nm(3)電荷數(shù)量大同晶替代現(xiàn)象普遍

(4)顆粒較細(xì)，呈片狀

可塑性、粘結(jié)性、吸濕性、粘著性顯著，對耕作不利

蒙脫石在我國北方土壤分布較廣，蛭石分布在風(fēng)化不太強(qiáng)而排水良好的土壤中

3、水化云母(伊利石)組(Hydromica)（又稱2:1型非膨脹性礦物）特點(diǎn)：

(1)2:1型

單位晶胞化學(xué)式：K2(Al·Fe·Mg)4(Si·Al)8O20(OH)4·nH2OSiO2/Al2O3:3～4(2)非膨脹性

晶層之間吸附的K+的強(qiáng)吸附力，層間距1.0nm

(3)電荷數(shù)量大

同晶替代現(xiàn)象普遍，主要發(fā)生在硅片，電荷量較大，但部分被層間K+中和，有效電荷量少于蒙脫石

(4)可塑性等性質(zhì)介于高嶺組和蒙脫組之間。

伊利石主要存在于我國北方干旱地區(qū)土壤中

四川盆地紫色土和河流沖積土一般以伊利石為主

4、綠泥石組(Chlorite)

（以綠泥石為代表，富含鎂、鐵）

特點(diǎn)：

(1)2:1:1型三八面體，化學(xué)式為Mg·Fe·Al)12(Si·Al)8O20(OH)16(2)同晶替代現(xiàn)象普遍

硅片、水鋁片和水鎂片上均有發(fā)生，硅片中Al3+代Si4+、鋁片中Mg2+代Al3+產(chǎn)生負(fù)電荷，水鎂片中Al3+

代Mg2+產(chǎn)生正電荷，兩者相抵為凈負(fù)電荷，介于伊利石與高嶺石之間

(3)顆粒較小可塑性、粘結(jié)性、吸濕性、粘著性居中土壤中綠泥石大部分來自母質(zhì)遺留，沉積巖和沉積物中較多二、非硅酸鹽粘土礦物

鐵、鋁、硅、錳等的氧化物及其水合物、水鋁英石結(jié)晶質(zhì)和非晶質(zhì)可變電荷，表面羥基的質(zhì)子化或離解，因介質(zhì)pH而異，可正可負(fù)（兩性膠體）低pHM-OH+H+—→M-OH2+（水合基）高pHM-OH+OH-—→M-O-+H2O

1、氧化鐵(Ironoxide)

土壤主要礦質(zhì)染色劑（1）氧化鐵的類型

針鐵礦(α-FeOOH)

晶體較大者為黃色，較小者為棕色，存在于濕潤土壤有較高氧化性的亞表層，銹紋銹斑，鐵結(jié)核赤鐵礦(α-Fe2O3)

紅色，存在于干燥的氧化性表土層及膠膜

纖鐵礦(γ-FeOOH)

棕橙色，存在于排水不良而富含有機(jī)質(zhì)土壤磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)

暗紅棕色，存在于高度風(fēng)化且有機(jī)質(zhì)少的表土磁鐵礦（Fe3O4）棕黑色，多存在于母質(zhì)中,有時與磁赤鐵礦共存無定形鐵（Fe(OH)3）棕色，膠膜，銹水（2）氧化鐵的形態(tài)及轉(zhuǎn)化

非游離鐵全鐵（Fet）

游離鐵

結(jié)晶質(zhì)

（Fed）

無定形或活性鐵

非絡(luò)合鐵（Feo）絡(luò)合鐵（Fep）

土壤鐵的游離度（%）=Fed/Fet×100土壤鐵的活化度（%）=Feo/Fed×100土壤鐵的絡(luò)合度（%）=Fep/Fed×100無定形→隱晶質(zhì)→晶質(zhì)2、氧化鋁(Aluminiumoxide)

硅酸鹽礦物徹底分解產(chǎn)物，常見的有三水鋁石[Al2O3·3H2O，Al(OH)3]和粘土礦物濕熱強(qiáng)度風(fēng)化——脫硅富鋁化的指標(biāo)之一

我國北緯30度以南土壤（紅壤、磚紅壤等）中才出現(xiàn)。花崗巖風(fēng)化土壤中較多。山地土壤中也有三水鋁石存在無定形鐵鋁氧化物比表面大，包被土粒，改變表面性質(zhì)可吸附固定H2PO4-等陰離子，減低其有效性3、氧化硅(Siliconoxide)（粘粒）（結(jié)晶質(zhì)和非晶質(zhì)）

晶質(zhì)以α—石英為主非晶質(zhì)為蛋白石(SiO2·nH2O)，脫水結(jié)晶為玉髓、石英、方石英、鱗石英等變體。

土壤中部分蛋白石來源于有機(jī)體，其含量常與有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)?？勺鳛楣磐寥缆癫乇韺拥闹甘拘缘V物。

4、水鋁英石(Allophane)

非晶質(zhì)硅酸鹽礦物，火山灰土壤的主要粘土礦物,Si/Al變化在1-2之間。比表面較大，帶較多負(fù)電荷，數(shù)量決定于水化程度和溶液pH

三、粘土礦物的形成和分布規(guī)律

1、粘土礦物形成途徑粘土礦物：風(fēng)化和成土過程中形成的次生礦物

（1）原生礦物風(fēng)化淋溶直接演變

+H2O，-K-K

-Mg

-Si-Si云母類伊利石蛭石蒙脫石高嶺石三水鋁石（2）風(fēng)化沉淀（自然合成）學(xué)說

原生礦物徹底風(fēng)化產(chǎn)物重新組合沉淀而成。

SiO2·nH2O土壤pH條件下帶負(fù)電