粘土礦物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)及基本特征

33.1粘土礦物概念、類(lèi)型及其構(gòu)造化學(xué)特征粘土的本質(zhì)是粘土礦物。粘土礦物是細(xì)分散的含水的層狀硅酸鹽和含水的非晶質(zhì)硅酸鹽礦物的總稱(chēng)。晶質(zhì)含水:含水非晶質(zhì)硅酸鹽礦物有水鋁英石、膠硅鐵石等。粘土礦物打算了整個(gè)粘土類(lèi)或巖石的性質(zhì)，它是最活潑的組分。粘土礦物的晶體構(gòu)造主要是由兩個(gè)最根本構(gòu)造單元組成，即硅氧四周體和鋁氧八面體，并沿X軸方向進(jìn)展。四周體的中心是四價(jià)的硅Si4+，而四個(gè)二價(jià)的氧O2－分布于四周體的四個(gè)頂角，四周體的四個(gè)面均為等邊三角形(如圖3.1-(a))，有時(shí)四周體中的氧原子為氫氧原子所代替，四周體的底面落在同一平面上，以三個(gè)尖頂彼此連結(jié)，第四個(gè)(如圖3.1-(b))，成為四周體層(片)。八面體由六個(gè)氧或氫氧原子以等距排列而成，A13+(Mg2＋)居于中心(3.2-(a))，八面體亦排列成層狀態(tài)構(gòu)造，成為八面體層(片)(3.2-(b))。由于單位晶格的大小相近似，四周體層與八面體層很簡(jiǎn)潔沿C軸疊合而成為統(tǒng)一的構(gòu)造層，此構(gòu)造層稱(chēng)為構(gòu)造單位層，簡(jiǎn)稱(chēng)晶層，幾個(gè)構(gòu)造層組成晶胞。四周體層與八面體層的不同組合堆疊重復(fù)，便構(gòu)成了各種粘土礦物的不同層狀構(gòu)造。由一個(gè)四周體層與一個(gè)八面體層重復(fù)1:1型構(gòu)造單位層(如高嶺石等二層型;由兩個(gè)四周體層間夾一個(gè)八面體層重復(fù)堆2:1型構(gòu)造單位層(如蒙脫石、伊利石等)，也稱(chēng)為三層型;間共用一個(gè)氧原子層，故四周體層與八面體層間的1:12:1型構(gòu)造單位層間并不共用氧原子層，層間的聯(lián)結(jié)較弱。在高嶺石類(lèi)粘土礦物中，構(gòu)造單位層間為OHO(或OH與OH)相鄰(3.3)(Vanderwaals)力增擴(kuò)的靜電能外，主要為表層(同層狀構(gòu)造。由一個(gè)四周體層與一個(gè)八面體層重復(fù)1:1型構(gòu)造單位層(如高嶺石等二層型;由兩個(gè)四周體層間夾一個(gè)八面體層重復(fù)堆2:1型構(gòu)造單位層(如蒙脫石、伊利石等)，也稱(chēng)為三層型;間共用一個(gè)氧原子層，故四周體層與八面體層間的1:12:1型構(gòu)造單位層間并不共用氧原子層，層間的聯(lián)結(jié)較弱。在高嶺石類(lèi)粘土礦物中，構(gòu)造單位層間為O7.2A)，沒(méi)有容納陽(yáng)離子的地方，即晶層無(wú)陽(yáng)離子存在。高嶺石晶體只有外外表，沒(méi)有內(nèi)外表，比表面積很小(100m2/g)，被吸附的交換性陽(yáng)離子(如Na＋、Ca2+等)僅存于高嶺石礦物外外表，這對(duì)晶層水合無(wú)重要影響，所以高嶺石是較穩(wěn)定的非膨脹性粘土礦物，層間聯(lián)結(jié)強(qiáng)，晶格活動(dòng)性小，最活潑的外表是在晶體斷口、破壞的及殘缺部位的邊緣局部，浸水后構(gòu)造單位層間的距離〔C軸間距或doo1值)不變，使高嶺石膨脹性和壓縮性都較小，但有較好的解理面。蒙脫石類(lèi)粘土礦物中的構(gòu)造單位層間為O與O(3.4)，相鄰兩晶層之間的聯(lián)結(jié)力主要為范德華(Vanderwaals)力，層間聯(lián)結(jié)極弱，易于拆開(kāi)。蒙脫石既有外表(理論值800m2／g左右)，其類(lèi)質(zhì)同象置換800m2／g左右)，其類(lèi)質(zhì)同象置換比較普遍，單位構(gòu)造層內(nèi)的陽(yáng)離子(A13＋、Si4＋)能被其它陽(yáng)離子(Ca2+,Mg2+, Na＋)局部置換，一般發(fā)生于八面體中(高價(jià)陽(yáng)離子被低價(jià)陽(yáng)離子置換，如A13+被Mg2+置換，Mg2+被Na＋置換，有時(shí)A13+被Fe3＋或Fe2+置換)，也發(fā)生于四周體中(少量的Si4＋被A13+)是高價(jià)被低價(jià)置換后所造成的正電荷虧損，由吸附在晶體外外表和晶層間的可交換性陽(yáng)離子(Ca2+, Mg2+,(15%后的主要電荷在八面體上，可是它距層間陽(yáng)離子遠(yuǎn)，吸引力弱，尤其是對(duì)水合陽(yáng)離子更弱。因此，層間可交換性的陽(yáng)離子能自由地進(jìn)出，為陽(yáng)離子交換供給了格外有利的條件?？梢?jiàn)，吸附的交換性陽(yáng)離子(如Na+,Ca2+等)既存于蒙脫石晶體外外表，也充填于晶體內(nèi)外表(晶層間)，故蒙脫石類(lèi)粘土礦物的晶格活動(dòng)性極大，其晶體基面間距(C軸間距或d001值(15%后的主要電荷在八面體上，可是它距層間陽(yáng)離子遠(yuǎn)，吸引力弱，尤其是對(duì)水合陽(yáng)離子更弱。因此，層間可交換性的陽(yáng)離子能自由地進(jìn)出，為陽(yáng)離子交換供給了格外有利的條件?？梢?jiàn)，吸附的交換性陽(yáng)離子(如Na+,Ca2+等)既存于蒙脫石晶體外外表，也充填于晶體內(nèi)外表(晶層間)，故蒙脫石類(lèi)粘土礦物的晶格活動(dòng)性極大，其晶體基面間距(C軸間距或d001值)和陽(yáng)離子交換容量比高嶺石大(蒙脫石類(lèi)粘土70～130毫克2:1D層的六角形網(wǎng)眼之中心嵌有鉀離子(K+)(3.5)1040毫克當(dāng)量/100主要發(fā)生在Si－O四周體晶片內(nèi)(Si4+被A13+置換)，所以不均衡電荷也主要在四周體晶片內(nèi)，距層間陽(yáng)離子很近，當(dāng)構(gòu)造層中消滅陽(yáng)離子K+(K+離子半徑1.33A1.34A2×1.34A)形成一種強(qiáng)鍵，致使水難以進(jìn)入晶層間，不會(huì)引起晶層的膨脹，對(duì)水的活潑性只是在外表外部。所以，伊利石屬于非膨脹性粘土礦物，其晶格活動(dòng)、膨脹性及壓縮性均介于高嶺石與蒙脫石之間。綠泥石類(lèi)粘土礦物類(lèi)似于伊利石構(gòu)造，即兩個(gè)Si－O四周體片夾一個(gè)八面體片，不同之處是它多出一個(gè)氫氧鎂石(水鎂石)八面體片(3.6)。綠泥石的陽(yáng)離子交換容量比蒙脫石少，近似于伊利石。在綠泥石兩個(gè)Si－O四周體AA13+置換高價(jià)S4所造成的正八面體晶片中的高價(jià)陽(yáng)離子A13+置換低價(jià)陽(yáng)離子Mg2+所贏力和水鎂石八面體上OH原子晶層一般不具有膨脹性。兩種或兩種以上不同構(gòu)造層C軸方向相間成層堆疊組合成大多數(shù)是膨脹層與非膨脹層粘土相間混層。除了平坦平行的基面外，全部粘上礦物都有不同發(fā)育程度的側(cè)面斷口的活化外表，微晶的角、棱部位，其能量的不平衡由符號(hào)相反的離子所補(bǔ)償。粘土礦物在構(gòu)造方面的差異使它們與水及水溶液作用時(shí)的性質(zhì)及表現(xiàn)截然不同。由于粘土礦物外表存在有對(duì)水的“活化”吸附中心，所以在固相礦物顆粒與孔隙溶液的界面上便形成了一個(gè)水層，其性質(zhì)既有別于自由的溶液，又不同于固相顆粒。本試驗(yàn)制備的單一離子粘土礦物有Ca－高嶺土、Na－高嶺土、Ca－蒙脫土、Na－蒙脫土、標(biāo)準(zhǔn)Na－蒙脫土等，3.10。粘土礦物的微細(xì)構(gòu)造及其理化特性上述粘土礦物構(gòu)造化學(xué)特征是最根本的抱負(fù)模型，實(shí)際上因粘土礦物晶體的缺陷帶來(lái)的微細(xì)構(gòu)造將影響其理化:〔1〕晶體構(gòu)造中類(lèi)質(zhì)同像置換;(2)四周體和八面體晶格畸變；(3)四周體和八面體晶格在層中和層間相互疊置不規(guī)章。粘土礦物的類(lèi)質(zhì)同像置換所謂類(lèi)質(zhì)同像，就是礦物晶體格架中一局部陽(yáng)離子被另一局部陽(yáng)離子置換后，礦物的晶體構(gòu)造類(lèi)型保持不變，只是晶格常數(shù)、化學(xué)成分和物化性質(zhì)有所轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。類(lèi)質(zhì)同像在粘土礦物中，除了高嶺石外，其它粘土礦物如伊利石簇、蒙脫石簇、綠泥石簇、混層粘土礦物等均廣泛存在類(lèi)質(zhì)同像現(xiàn)象。無(wú)論是四周體晶格，還是八面體晶格均如此。粘土礦物類(lèi)質(zhì)同像置換的結(jié)果將導(dǎo)致:①異價(jià)陽(yáng)離子置換后晶體構(gòu)造的電荷中性被破壞和產(chǎn)生過(guò)剩負(fù)電荷；②礦物晶體格架中進(jìn)入的陽(yáng)離子，即使這種陽(yáng)離子的半徑與被置換的陽(yáng)離子很接近，也會(huì)引起四周體和八面體晶格;③類(lèi)質(zhì)同像置換引起粘土礦物構(gòu)造層過(guò)剩電荷補(bǔ)償陽(yáng)離子的消滅，這些補(bǔ)償陽(yáng)離子進(jìn)入構(gòu)造層之間的空間，分布于晶體邊棱上，從根本上影響著粘土礦物的結(jié)構(gòu)特征和物理一化學(xué)性質(zhì)。四周體和八面體晶格畸變八面體層陰離子晶格的畸變：層狀硅酸鹽的抱負(fù)構(gòu)造是假設(shè)八面體頂面的一些氧原子呈六角形網(wǎng)格。實(shí)際上，幾乎這些晶格的全部構(gòu)造都變了形，并具有較為簡(jiǎn)單的外形。二八面體粘土礦物中八面體陰離子晶格畸變的主要原因是陽(yáng)離子所占據(jù)的位置不平衡。這種畸變是由八面體晶格中應(yīng)力的不平均分布造成的。該應(yīng)力是由陽(yáng)離子A13+的一樣電荷相互排斥所引起的。其結(jié)果是使八面體陰離子晶格中O－O,OH－OHO－OH鍵的長(zhǎng)度發(fā)生變形；八面體的公共晶棱受到擠壓力而縮短到2.4～2.5A，而非共同的晶棱則相反，稍許伸長(zhǎng)至2.8～2.9A。個(gè)別八面體的變形:晶格ab面上氧原子的正六角形格架(3.7(a))轉(zhuǎn)變成實(shí)際構(gòu)造為復(fù)三角形的格架(3.7(b));②八面體層沿C軸壓縮，而沿ab軸伸展;③由于一些棱邊縮短，另一些延長(zhǎng)，充填八面體的上頂面和下底面相對(duì)于法線(xiàn)以相反方向旋轉(zhuǎn)3～5o;④類(lèi)質(zhì)同像也將引起八面體陰離子晶格畸變;⑤具粗大層間陽(yáng)離子K+的云母，其八面體層陰離子晶格的某些畸變，可能由于晶格的大小與四周體晶格的參數(shù)不相應(yīng)，并缺少靠彎轉(zhuǎn)使四周體縮短的條件之故;⑥三八面體礦物，由于全部八面體的方位都被充填，其陰離子晶格的變形較輕。位置可依的A1位置可依的A13+Si4+被Al3+量的類(lèi)質(zhì)同像置換時(shí)，陽(yáng)離子則移向相反方向，即向四周體的頂尖移動(dòng)，說(shuō)明其與基底氧的聯(lián)系減弱，氧與離子補(bǔ)償?shù)穆?lián)系則加強(qiáng)。可以預(yù)料，當(dāng)八面體中類(lèi)質(zhì)同像置換程度很高，而四周體中的置換并不大時(shí)，則八面體和四周體共頂點(diǎn)上陰離子價(jià)將消滅嚴(yán)峻的不飽和。因此，四周體的陽(yáng)離子可以移向這些頂點(diǎn)。當(dāng)四周體層中移動(dòng)。這種狀況與八面體負(fù)電荷僅局部被層間陽(yáng)離子補(bǔ)償有關(guān)。四周體負(fù)電荷的剩余局部靠八面體的陽(yáng)離子補(bǔ)償。在這種狀況下，頂端氧靠八面體的陽(yáng)離子滿(mǎn)足了其大局部原子價(jià)，而它們與四周體陽(yáng)離子的連結(jié)減弱了。當(dāng)消滅類(lèi)質(zhì)同像時(shí)，在陽(yáng)離子從四周體中心遷移的同時(shí)，陽(yáng)離子與氧原子間的個(gè)別距離發(fā)生了變化，四周體外形也發(fā)生畸變。陽(yáng)離子從幾何中心的遷移和原子間距離的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致四周體外形的畸變，即具類(lèi)質(zhì)同像置換陽(yáng)離子的四周體與規(guī)章的相比較，可被拉長(zhǎng)或縮短。四周體的畸變是通過(guò)某一棱邊靠其余棱邊縮短而拉長(zhǎng)的途徑造成的。四周體和八面體晶格在層中和層間相互疊置不規(guī)章粘土礦物的重要特性是存在層內(nèi)和相鄰層內(nèi)四周體與八面體晶格相互不同接合的可能性。層與晶格相互疊置、彼此相像的多樣性受以下因素掌握:能量差異則很小;②相鄰層沿層理面相互作用的能量不高。1:1型礦物如高嶺石類(lèi)構(gòu)造中的八面體晶格可有兩個(gè)相互相反的方位，而其中的每一個(gè)方位可能有三種四周體晶格的連結(jié)方式，這樣，在1:1型礦物的同一層內(nèi)，晶格的相互位移類(lèi)型可能有六種，而且位移具有有序和無(wú)序的特性，有序位移的存在，使構(gòu)造單一，而且在結(jié)晶學(xué)方面是完善的;無(wú)序位移的存在，導(dǎo)致均一性和構(gòu)造完善程度的破壞，制約了其由三斜晶系(完整的高嶺石)向假單斜晶系(非完整的高嶺石)的過(guò)渡。2:1型粘土礦物，層位的各種疊置類(lèi)型不太顯著，由于它們按鄰層的Si－O晶格和ab面上的投影全都的方式連結(jié)，這種能量不利的晶格位置是由補(bǔ)償陽(yáng)離子打算的，后者在層間空間中的八面體配位要求一層氧原子晶胞準(zhǔn)確地疊置在另一層的氧晶胞上，因此，層間陽(yáng)離子阻礙了層位的相對(duì)位移。三層型的粘土礦物生成多種變種的可能性大大低于二層型的構(gòu)造。泥頁(yè)巖分類(lèi)除了特別需要，將高嶺石類(lèi)、蒙脫石類(lèi)等粘土礦物制備成某一特別性能的單離子礦物外，在農(nóng)業(yè)深層土壤、石油鉆井工程、油藏工程、建筑業(yè)等，涉及的粘土礦物主要是泥頁(yè)巖，可見(jiàn)，泥頁(yè)巖在實(shí)際工程應(yīng)用中具有顯赫的地位。泥頁(yè)巖是從粘土到板巖的一大類(lèi)海相或湖相沉積巖的總稱(chēng)，由粘土礦物和非粘土礦物組成。不同地區(qū)、不同層()也是格外簡(jiǎn)單的。不同的泥頁(yè)巖類(lèi)型，帶來(lái)的特別作用不同，所引起的實(shí)際工程問(wèn)題也就不同。人們?cè)趯?shí)際工程應(yīng)用中所碰到的泥頁(yè)巖有以下六大類(lèi):第一類(lèi)泥頁(yè)巖包括那些蒙脫石含量高、伊利石的含量也較高的很軟的泥頁(yè)巖，其膨脹和分散的趨勢(shì)相當(dāng)強(qiáng)。其次類(lèi)泥頁(yè)巖包括其它的軟泥巖，其總的粘土含量和第一類(lèi)泥頁(yè)巖相當(dāng)。但在此類(lèi)泥頁(yè)巖中，有些蒙脫土己經(jīng)歷了自然陽(yáng)離子交換過(guò)程，鉀離子取代了較弱的陽(yáng)離子，形成了伊利石和間層粘土礦物。這類(lèi)泥頁(yè)巖的膨脹和分散的趨勢(shì)比第一類(lèi)泥頁(yè)巖稍弱些。第三類(lèi)泥頁(yè)巖主要指坍塌性的中硬頁(yè)巖。由于存在自然陽(yáng)離子交換過(guò)程，這類(lèi)頁(yè)巖中伊利石和間層粘土礦物含量比較高。至于其中的蒙脫石含量局部，除了與間層粘土礦物伴生的那部格外，實(shí)際上已不復(fù)存在。這類(lèi)頁(yè)巖中有時(shí)存在微裂縫。第四類(lèi)泥頁(yè)巖為易于倒塌的硬頁(yè)巖。粘土局部?jī)H占頁(yè)巖的20～40%，而伊利石和綠泥石又占粘土成分的絕大局部。除粘土外，其余局部是由石英和長(zhǎng)石組成的惰性基巖，其粘土局部會(huì)發(fā)生有限的膨脹和分散。有時(shí)所產(chǎn)生的高膨脹壓差，會(huì)使頁(yè)巖發(fā)生崩落和坍塌。第五類(lèi)泥頁(yè)巖包括極硬的脆性頁(yè)巖，其中存在有大量的微裂縫。這類(lèi)頁(yè)巖中，伊利石、高嶺石和綠泥石的含量較高。其膨脹和分散的趨勢(shì)受到限制，但在遇到流體侵入時(shí)，會(huì)沿微裂縫發(fā)生膨脹和分散。第六類(lèi)頁(yè)巖指的是如煤巖這類(lèi)特別性的裂開(kāi)性頁(yè)巖，粘土含量極低，屬惰性巖石，質(zhì)輕、裂縫裂隙極為發(fā)育且連通性好，水分子極易沿裂縫裂隙滲入，導(dǎo)致巖體分散、崩落和坍塌。小結(jié)子所補(bǔ)償。粘土礦物在構(gòu)造方面的差異使它們與水及水溶液作用時(shí)的性質(zhì)及表現(xiàn)截然不同。等緣由，因而導(dǎo)致粘土礦物的實(shí)際晶體構(gòu)造與抱負(fù)模型之間存在偏差。巖;伊利石和間層粘土礦物的泥頁(yè)巖;坍塌性的中硬頁(yè)巖;易于倒塌的硬頁(yè)巖;伊利石、高嶺石和綠泥石的含量較高的極硬的脆性頁(yè)巖:煤巖這類(lèi)特別性的裂開(kāi)性頁(yè)巖。型〔Type〕 群〔Group〕(x層間電荷)

粘土礦物分類(lèi)表亞群〔subgroup〕

種〔Species〕2∶1滑石—葉臘石2∶1滑石—葉臘石二八面體葉臘石SiO(OH)〔x0〕三八面體滑石410 2蒙脫石—皂石〔0.25x0.6〕二八面體*蒙脫石、貝得石、*綠脫石、銘嶺石三八面體*皂石、鋰皂石、鋅蒙脫石、富鎂蒙脫石蛭石二八面體二八面體蛭石〔0.6x0.6〕三八面體三八面體蛭石伊利石〔x~1〕二八面體*伊利石、*海綠石、水白云母、綠鱗石……三八面體三八面體伊利石〔Leolikite〕水金云母、水黑云母