第三章 土壤矿物质(Soil mineral )第一节 土壤矿物质的矿物和化学.ppt

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1、 第三章第三章 土壤矿物质土壤矿物质(Soil mineral)第一节第一节 土壤矿物质的矿物和化学组成土壤矿物质的矿物和化学组成一、元素组成一、元素组成 表表3-1地壳和土壤的平均化学组成（重量地壳和土壤的平均化学组成（重量%）元素元素元素元素地地地地壳中壳中壳中壳中土壤中土壤中土壤中土壤中元素元素元素元素地地地地壳中壳中壳中壳中土壤中土壤中土壤中土壤中O OSiSiAlAlFeFeCaCaNaNaK KMgMgMnMn47.047.029.029.08.058.054.654.652.962.962.502.502.502.501.371.370.100.1049.049.033.033.

2、07.137.133.803.801.371.371.671.671.361.360.600.600.0850.085P PS SC CN NCuCuZnZnB BMoMo0.0930.0930.090.090.0230.0230.010.010.010.010.0050.0050.0030.0030.0030.0030.080.080.0850.0852.02.00.10.10.0020.0020.0050.0050.0010.0010.00030.0003 1、几乎包括元素周期表中所有元素；、几乎包括元素周期表中所有元素；2、O、Si、Al、Fe为主，四者共占为主，四者共占88.7%以上；

3、以上；3、植物必需营养元素含量低，分布不平衡。、植物必需营养元素含量低，分布不平衡。二、矿物组成二、矿物组成(Mineral components)表表 32 (一一)原生矿物原生矿物(Primal mineral)1、原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主原生矿物以硅酸盐和铝硅酸盐为主 以氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势。以氧化硅和硅酸盐矿物占绝对优势。如石英、长石、云母、辉石、如石英、长石、云母、辉石、角闪石等。角闪石等。2、原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性、原生矿物类型和数量决定于矿物的稳定性 石石英英最最稳稳定定，是是粗粗土土粒粒的的主主要要成成分分；白白云云母母和和长长石石较较稳稳定定，在在

4、粗粗土土粒粒中较多；中较多；黑云母、角闪石、辉石等黑云母、角闪石、辉石等暗色矿物暗色矿物易风化。易风化。3、原生矿物是植物养分的重要来源、原生矿物是植物养分的重要来源 Ca、Mg、K、P、S等等（二）次生矿物（二）次生矿物(secondary mineral)原生矿物分解转化形成的矿物。原生矿物分解转化形成的矿物。以以粘土矿物粘土矿物为主，又以为主，又以结晶层状硅酸盐矿物结晶层状硅酸盐矿物为主；此外有为主；此外有Si、Al、Fe的的氧化物及其水合物氧化物及其水合物。硅氧四面体硅氧四面体的构造图示法硅氧四面体硅氧四面体的构造图示法 第二节第二节 粘土矿物粘土矿物(Clay mineral)Cla

5、y mineral)一、层状硅酸盐粘土矿物一、层状硅酸盐粘土矿物(一一)构造特征构造特征1、基本结构单位、基本结构单位(1)硅氧四面体（硅氧四面体（SiO44-Si2O52-Si4O104-）(2)铝氧八面体铝氧八面体(AlO69-Al4O1212-Al4（OH）8O44-)铝氧八面体铝氧八面体 铝氧八面体的构造图示法铝氧八面体的构造图示法2、单位晶片、单位晶片硅氧四面体硅氧四面体 硅层硅层铝氧八面体铝氧八面体 铝层铝层硅片（硅氧片）图示法硅片（硅氧片）图示法铝片（水铝片）图示法铝片（水铝片）图示法3、单位晶层、单位晶层（1）1:1型型 一层硅层与一层铝层重叠而成一层硅层与一层铝层重叠而成 1

6、:11:1型层状硅酸盐型层状硅酸盐(高岭石高岭石)晶体结构示意图晶体结构示意图 （2）2:1型型 两层硅层中间夹一铝层两层硅层中间夹一铝层2:12:1型层状硅酸盐（蒙脱石）晶体结构示意图型层状硅酸盐（蒙脱石）晶体结构示意图 （3）2:1:1型型 2:1型基础上增加一铝层型基础上增加一铝层(或镁层或镁层)2:1:12:1:1型层状硅酸盐（绿泥石）结构示意图型层状硅酸盐（绿泥石）结构示意图 4、同晶替代、同晶替代 指硅酸盐矿物的中心离子被电性相同、大小相近的其它离子所代替而指硅酸盐矿物的中心离子被电性相同、大小相近的其它离子所代替而矿物晶格构造保持不变的现象。矿物晶格构造保持不变的现象。发生同晶替

7、代后，硅酸盐矿物产生负电荷发生同晶替代后，硅酸盐矿物产生负电荷 (二二)硅酸盐矿物的种类硅酸盐矿物的种类 1、高岭、高岭(石石)组组(Kaolinite)包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等包括高岭石、埃洛石、珍珠陶土等 特点：特点：(1)1:1型型 单位晶胞（层）化学式：单位晶胞（层）化学式：Al4Si4O10(OH)8 SiO2/Al2O3=4/2=2 硅铝铁率：硅铝铁率：土壤粘粒部分的土壤粘粒部分的SiO2和和Fe2O3、Al2O3（R2O3）含量的分子比含量的分子比 硅铝率：硅铝率：土壤粘粒部分土壤粘粒部分SiO2和和Al2O3的分子比的分子比 硅铁率：硅铁率：土壤粘粒部分土壤粘粒部分SiO

8、2和和Fe2O3的分子比的分子比 例：例：某土壤粘粒部分某土壤粘粒部分SiO2含量为含量为41.89%，Al2O3含量含量33.27%，Fe2O3含量含量11.85%，计算其硅铝铁率、硅铁率。，计算其硅铝铁率、硅铁率。解：解：41.89 33.27 SiO2的分子含量的分子含量 0.698 Al2O3的分子含量的分子含量 0.326 60 102 11.85 SiO2 0.698 Fe2O3的分子含量的分子含量 0.074 1.75 160 R2O3 0.326+0.074 硅铝铁率可以反映土壤母质的化学风化程度硅铝铁率可以反映土壤母质的化学风化程度 硅铝铁率还可以反映土壤的成土过程和保肥能力

9、硅铝铁率还可以反映土壤的成土过程和保肥能力 (2)膨胀性小膨胀性小 晶层间距约晶层间距约0.72nm,硅片和铝片之间存在氢键硅片和铝片之间存在氢键(3)电荷数量少电荷数量少 同晶替代极少同晶替代极少(4)颗粒较大颗粒较大（有效直径有效直径0.22m）可塑性、粘结性、吸可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性弱湿性、粘着性弱 2、蒙脱石组、蒙脱石组(Montmorillonite)包括蒙脱石、绿脱石、蛭石包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等等 特点：特点：(1)2:1型型 单位晶胞的理论化学式：单位晶胞的理论化学式：Al4Si8O20(OH)4nH2O 蒙脱石理论硅铝率蒙脱石理论硅铝率SiO2/Al2O3=8/2=

10、4 (2)膨胀性大膨胀性大 晶层以分子引力联结，晶层间距：晶层以分子引力联结，晶层间距：蒙脱石蒙脱石0.962.14nm 蛭石蛭石0.961.45nm (3)电荷数量大电荷数量大 同晶替代现象普遍同晶替代现象普遍 (4)颗粒较细，呈片状颗粒较细，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而排水良好的土壤中 3、水化云母、水化云母(伊利石伊利石)组组(Hydromica)（又称又称2:1型非型非膨胀性矿物）膨胀性矿物）特

11、点：特点：(1)2:1型型 单位晶胞化学式：单位晶胞化学式：K2(AlFeMg)4(SiAl)8O20(OH)4nH2O SiO2/Al2O3:34 (2)非膨胀性非膨胀性 晶层之间吸附的晶层之间吸附的K+的强吸附力，的强吸附力，层间距层间距1.0nm (3)电荷数量大电荷数量大 同晶替代现象普遍，同晶替代现象普遍，主要发生在硅片，电荷量较大，但部分被层间主要发生在硅片，电荷量较大，但部分被层间K+中和，有效电荷量少于蒙脱石中和，有效电荷量少于蒙脱石 (4)可塑性等性质介于高岭组和蒙脱组之间。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伊利石主要存在于我国北方干旱

12、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四川盆地紫色土和河流冲积土一般以伊利石为主 4、绿泥石组、绿泥石组(Chlorite)（以绿泥石为代表，富含镁、铁以绿泥石为代表，富含镁、铁）特点：特点：(1)2:1:1型型三八面体，化学式为三八面体，化学式为MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16 (2)同晶替代现象普遍同晶替代现象普遍硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中硅片、水铝片和水镁片上均有发生，硅片中Al3+代代Si4+、铝片中铝片中Mg2+代代Al3+产生负电荷，水镁片中产生负电荷，水镁片中Al3+代代Mg2+产生正电荷，两者相抵为净负电荷，产生正电荷，两者相抵为净

13、负电荷，介于伊利石与高岭石之间介于伊利石与高岭石之间 (3)颗粒较小颗粒较小 可塑性、粘结性、吸湿性、粘着性居中可塑性、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 二、非硅酸盐粘土矿物二、非硅酸盐粘土矿物 铁、铝、硅、锰等的氧化物及其水合物、水铝英石铁、铝、硅、锰等的氧化物及其水合物、水铝英石 结晶质和非晶质结晶质和非晶质 可可变变电电荷荷，表表面面羟羟基基的的质质子子化化或或离离解解，因因介介质质pH而而异异，可正可负（两性胶体）可正可负（两性胶体）低低pH M-OH+H+M-OH2+（水合基）水合基）高

14、高pH M-OH+OH-M-O-+H2O 1、氧化铁氧化铁(Iron oxide)土壤主要矿质染色剂土壤主要矿质染色剂（1）氧化铁的类型）氧化铁的类型 针针铁铁矿矿(-FeOOH)晶晶体体较较大大者者为为黄黄色色，较较小小者者为棕色，存在于湿润土壤有较高氧化性的亚表层，锈纹锈斑，铁结核为棕色，存在于湿润土壤有较高氧化性的亚表层，锈纹锈斑，铁结核 赤赤铁铁矿矿(-Fe2O3)红红色色，存存在在于于干干燥燥的的氧氧化化性性表表土土层及胶膜层及胶膜 纤铁矿纤铁矿(-FeOOH)棕橙色，存在于排水不良而富棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤含有机质土壤 磁赤铁矿磁赤铁矿(-Fe2O3)暗红棕色，存在

15、于高度风化且暗红棕色，存在于高度风化且有机质少的表土有机质少的表土 磁铁矿（磁铁矿（Fe3O4）棕黑色，多存在于母质中棕黑色，多存在于母质中,有时与有时与磁赤铁矿共存磁赤铁矿共存 无定形铁（无定形铁（Fe(OH)3）棕色，胶膜，锈水棕色，胶膜，锈水 （2 2）氧化铁的形态及转化）氧化铁的形态及转化 非游离铁非游离铁 全铁全铁（FetFet）游离铁游离铁 结晶质结晶质 （FedFed）无定形或活性铁无定形或活性铁 非络合铁非络合铁 （FeoFeo）络合铁络合铁（FepFep）土壤铁的游离度（土壤铁的游离度（%）=Fed/Fed/FetFet 100 100土壤铁的活化度（土壤铁的活化度（%）=F

16、eoFeo/Fed 100/Fed 100土壤铁的络合度（土壤铁的络合度（%）=FepFep/Fed 100/Fed 100无定形无定形隐晶质隐晶质晶质晶质 2 2、氧化铝、氧化铝(Aluminium oxide)硅硅酸酸盐盐矿矿物物彻彻底底分分解解产产物物，常常见见的的有有三三水水铝铝石石 AlAl2 2O O3 33H3H2 2O O，Al(OH)Al(OH)3 3 和和粘土矿物粘土矿物 湿热强度风化湿热强度风化脱硅富铝化的指标之一脱硅富铝化的指标之一 我国北纬我国北纬3030度以南土壤（红壤、砖红壤等）中才出现。度以南土壤（红壤、砖红壤等）中才出现。花岗岩风化土壤中较多。山地土壤中也有三

17、水铝石存在花岗岩风化土壤中较多。山地土壤中也有三水铝石存在 无无定定形形铁铁铝铝氧氧化化物物比比表表面面大大，包包被被土土粒粒，改改变变表表面面性性质质可可吸吸附附固固定定H H2 2POPO4 4-等阴离子，减低其有效性等阴离子，减低其有效性 3、氧化硅、氧化硅(Silicon oxide)（粘粒）粘粒）（结晶质和非晶（结晶质和非晶质）质）晶质以晶质以石英为主石英为主 非晶质为蛋白石非晶质为蛋白石(SiO2nH2O)，脱水结晶为玉髓、石英、方石英、脱水结晶为玉髓、石英、方石英、鳞石英等变体。鳞石英等变体。土壤中部分蛋白石来源于有机体，其含量常与有机质含土壤中部分蛋白石来源于有机体，其含量常与

18、有机质含量有关。可作为古土壤埋藏表层的指示性矿物。量有关。可作为古土壤埋藏表层的指示性矿物。4、水铝英石、水铝英石(Allophane)非晶质硅酸盐矿物，火山灰土壤的主要粘土矿物非晶质硅酸盐矿物，火山灰土壤的主要粘土矿物,Si/Al变化在变化在1-2之之间。比表面较大，带较多负电荷，数量决定于水化程度和溶液间。比表面较大，带较多负电荷，数量决定于水化程度和溶液pH 三、粘土矿物的形成和分布规律三、粘土矿物的形成和分布规律 1、粘土矿物形成途径、粘土矿物形成途径 粘土矿物：粘土矿物：风化和成土过程中形成的次生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）原生矿物风化淋溶直接

19、演变 +H2O，-K -K -Mg -Si -Si云母类云母类 伊利石伊利石 蛭石蛭石 蒙脱石蒙脱石 高岭石高岭石 三水铝石三水铝石（2）风化沉淀（自然合成）学说）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。原生矿物彻底风化产物重新组合沉淀而成。SiO2nH2O 土壤土壤pH条件下带负电荷，酸胶基条件下带负电荷，酸胶基 Al2O3nH2O，Fe2O3nH2O 带正电荷，碱胶基带正电荷，碱胶基 盐基离子盐基离子Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，决定溶液等，决定溶液pH，并参与矿物形成并参与矿物形成 正负电荷胶体相互中和沉淀组成新矿物正负电荷胶体相互中和沉淀组成新矿物 沉淀沉

20、淀 老化、结晶老化、结晶溶胶溶胶 凝胶（非晶质）凝胶（非晶质）结晶质结晶质 当溶胶当溶胶SiO2/Al2O33，可形成可形成2:1型矿物型矿物 当溶胶当溶胶SiO2/Al2O33，可形成可形成1:1型矿物及氧化铝矿物型矿物及氧化铝矿物 风风化化液液pHpH与与盐盐基基淋淋溶溶有有关关，并并影影响响胶胶体体的的正正、负负电电荷荷数数量量和和沉沉淀凝胶中正负电荷胶体的比例。淀凝胶中正负电荷胶体的比例。盐基离子盐基离子MgMg2+2+、K K+等直接参与新矿物合成，分别形成富钾（伊利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。石）、富镁（蛭石、绿泥石）等矿物。2、粘土矿

21、物的形成条件、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粘土矿物形成与气候等成土条件密切相关 南南方方热热带带砖砖红红壤壤、亚亚热热带带红红壤壤矿矿物物风风化化程程度度高高，粘粘土土矿矿物物以以1 1:1 1型型为为主，并有三水铝石，粘粒硅铝铁率为主，并有三水铝石，粘粒硅铝铁率为2 2左右，属铁铝土左右，属铁铝土 北方温带地区，粘粒矿物为各种北方温带地区，粘粒矿物为各种2:12:1型型(伊利石、蒙脱石等伊利石、蒙脱石等)，粘粒硅，粘粒硅铝铁率多在铝铁率多在3 3以上。风化度低，属硅铝土以上。风化度低，属硅铝土 3 3、我国土壤粘土矿物分布规律我国土壤粘土矿物分布规律 全国分为全国分为7 7个分布区个分布区 北方以水云母（伊利石）为主的北方以水云母（伊利石）为主的1 1、2 2、3 3区区 秦岭、长江中下游水云母、蛭石、高岭石交错分布区秦岭、长江中下游水云母、蛭石、高岭石交错分布区(4(4区区)南方西部蛭石和高岭石为主的分布区（南方西部蛭石和高岭石为主的分布区（5 5区）区）南方以高岭石为主的南方以高岭石为主的6 6、7 7分布区分布区 西北和青藏高原水云母区西北和青藏高原水云母区(1(1区区)，土壤风化程度最低，土壤风化程度最低 华南高岭区（华南高岭区（7 7区）土壤风化程度最高区）土壤风化程度最高