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1粘土矿物的结晶结构及基本特征

3粘土矿物的结晶结构及基本特征

3.1粘土矿物概念、类型及其结构化学特征

粘土的本质是粘土矿物。粘土矿物是细分散的含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。晶质含水层状硅酸盐矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等: 含水非晶质硅酸盐矿物有水铝英石、胶硅铁石等。粘土矿物决定了整个粘土类或岩石的性质，它是最活泼的组分。

粘土矿物的晶体结构主要是由两个最基本结构单元组成，即硅氧四面体和铝氧八面体，并沿X 轴方向发展。四

面体的中心是四价的硅Si 4+，而四个二价的氧O 2－

分布于四面体的四个顶角，四面体的四个面均为等边三角形(如图3.1- (a))，有时四面体中的氧原子为氢氧原子所代替，四面体的底面落在同一平面上，以三个尖顶彼此连结，第四个尖顶均指向同一个方向，在平面上组成六角形网格状结构或链状结构(如图3.1- (b))，成为四面体层(片)。八面体由六

个氧或氢氧原子以等距排列而成，A13+(或Mg 2＋

)居于中心(如图3.2- ( a ))，八面体亦排列成层状态结构，成为八面体层(片)(如图3.2- (b))。

由于单位晶格的大小相近似，四面体层与八面体层很容易沿C 轴叠合而成为统一的结构层，此结构层称为结构单位层，简称晶层，几个结构层组成晶胞。四面体层与八面体层的不同组合堆叠重复，便构成了各种粘土矿物的不同层状结构。由一个四面体层与一个八面体层重复堆叠的称为1:1型结构单位层(如高岭石等)，也称为二层型; 由两个四面体层间夹一个八面体层重复堆叠的称为2:1型结构单位层(如蒙脱石、伊利石等)，也称为三层型;在层状结构中，四面体层与八面体层间共用一个氧原子层，故四面体层与八面体层间的键力大，联结较强，但在1:1型或2:1型结构单位层间并不共用氧原子层，层间的联结较弱。

在高岭石类粘土矿物中，结构单位层间为O

与HO(或OH 与OH)相邻(如图3.3 )，堆叠时，在相邻两晶层之间，除了范德华(Van der waals)力增扩的静电能外，主要为表层(羟)基及氧原子之间的氢键力，将相邻两晶层紧密地结合起来，使水不易进入晶层之间。即使有表面水合能撑开晶层，但不足以克服晶层间大的内聚力，几乎无阳离子交换(阳离子交换容量很小，其CEC 值为3－15毫克当量/100克干土)和类质同象置换现象，其基本层是中性的。同时，高岭石晶体基面间距(C 轴间距或doo1值)小(约7.2 A )，没有容纳阳离子的地方，即晶层无阳离子存在。高岭石晶体只有外表面，没有内表面，比表面积很小(一般远小于100m 2

/g )，被吸附的交换性阳

离子(如Na ＋

、Ca 2+等)仅存于高岭石矿物外表面，这对晶层水合无重要影响，所以高岭石是较稳定的非膨胀性粘土矿物，层间联结强，晶格活动性小，最活跃的表面是在晶体断口、破坏的及残缺部位的边缘部分，浸水后结构单位层间的距离（C 轴间距或doo1值)不变，使高岭石膨胀性和压缩性都较小，但有较好的解理面。

蒙脱石类粘土矿物中的结构单位层间为O 与

O(如图3.4 )，相邻两晶层之间的联结力主要为范德华(Van der waals)力，层间联结极弱，易于拆开。蒙脱石既有外表

面，又有内表面，比表面积大(理论值

为800m2／g左右)，其类质同象置换

比较普遍，单位结构层内的阳离子

(A13＋、Si 4＋)能被其它阳离子(Ca2+,

Mg2+, Na＋)部分置换，一般发生于

八面体中(高价阳离子被低价阳离子

置换，如A13+被Mg2+置换，Mg2+被

Na＋置换，有时A13+被Fe3＋或Fe2+置

换)，也发生于四面体中(少量的Si 4＋

被A13+)。阳离子交换的结果，一方面

是高价被低价置换后所造成的正电荷

亏损，由吸附在晶体外表面和晶层间

的可交换性阳离子(Ca2+, Mg2+,

Na＋……)来中和平衡，另一方面是阳

离子交换后引起的电荷不均匀，八面

体层内的平衡电荷(33%)大于四面体

层内的平衡电荷(15%)，即阳离子交换

后的主要电荷在八面体上，可是它距

层间阳离子远，吸引力弱，尤其是对

水合阳离子更弱。因此，层间可交换

性的阳离子能自由地进出，为阳离子

交换提供了十分有利的条件。可见，

吸附的交换性阳离子(如Na+ , Ca2+等)

既存于蒙脱石晶体外表面，也充填于

晶体内表面(晶层间)，故蒙脱石类粘

土矿物的晶格活动性极大，其晶体基

面间距(C轴间距或d001，值)和阳离子

交换容量比高岭石大(蒙脱石类粘土

矿物阳离子交换容量为70～130毫克

当量/100克干土)，层间无氢键力，仅靠范德华(Van der waals)力联系，联系弱，所以能允许交换性阳离子带着大量水分子和其它极性分子进入晶层(结构层)之间，并将其沿着C轴推动，表现出极强的膨胀性和极高的压缩性。蒙脱石内外表面能量具有不等价性，即表面的阳离子与一个外部表面相作用，而层间的阳离子与两个表面(内表面)相作用，结果使后者具有较多的配位数，以致使其电场应力减小及它们与其相互作用物质之间的连结减弱，因此，当蒙脱土类粘土矿物水化时，其层间阳离子的配位圈保持水分子的能力将比表面阳离子弱。

伊利石类粘土矿物与蒙脱石类粘土矿物同属于2:1型结构单位层，但在四面体层之间，于D层的六角形网眼之中央嵌有钾离子(K+ )(如图3.5 )。伊利石阳离子交换容量比蒙脱石少，约1040毫克当量/100克干粘土，其阳离子交换主要发生在Si－O四面体晶片内(Si4+被A13+置换)，所以不均衡电荷也主要在四面体晶片内，距层间阳离子很近，当结构层中出现阳离子K+时，便被紧紧地吸附住，并恰好嵌在上下两个四面体晶片氧原子的六角形网眼中(K+离子半径约1.33A，两个四面体六角形网眼为1.34 A，上下两个为2×1.34 A)形成一种强键，致使水难以进入晶层间，不会引起晶层的膨胀，对水的活跃性只是在表面外部。所以，伊利石属于非膨胀性粘土矿物，其晶格活动、膨胀性及压缩性均介于高岭石与蒙脱石之间。

绿泥石类粘土矿物类似于伊利石结构，即两个Si－O四面体片夹一个八面体片，不同之处是它多出一个氢氧镁石(水镁石)八面体片(如图3.6 )。绿泥石的阳离子交换容量比蒙脱石少，近似于伊利石。在绿泥石两个Si－O四面体

片夹一个八面体片中，由于低价

A13+置换高价Si 4＋

所造成的正电荷亏损，由其附加在晶层间的八面体晶片中的高价阳离子A13+置换低价阳离子Mg 2+所赢得正电荷来平衡。可见，绿泥石的晶层间联系力，除了范德华引力和水镁石八面体上OH 原子形成的氢键外，就是阳离子交换后形成的静电力。所以，绿泥石晶层一般不具有膨胀性。

在一定条件下，由一种形式的结构单位层，过渡为另一种形式的结构单位层，形成一类由两种或两种以上不同结构层，沿C 轴方向相间成层堆叠组合成的晶体结构，具这类结构的矿物

称为混层粘土矿物，有的称为间层粘土矿物或“混层矿物”。这类矿物在地层中极为常见，分为有序和无序混层粘土，大多数是膨胀层与非膨胀层粘土相间混层。

除了平坦平行的基面外，所有粘上矿物都有不同发育程度的侧面断口的活化表面，微晶的角、棱部位，其能量的不平衡由符号相反的离子所补偿。粘土矿物在结构方面的差异使它们与水及水溶液作用时的性质及表现截然不同。由于粘土矿物表面存在有对水的“活化”吸附中心，所以在固相矿物颗粒与孔隙溶液的界面上便形成了一个水层，其性质既有别于自由的溶液，又不同于固相颗粒。

本实验制备的单一离子粘土矿物有Ca －高岭土、Na －高岭土、Ca －蒙脱土、Na －蒙脱土、标准Na －蒙脱土等，它们的部分性质汇总于表3.10。

3.2粘土矿物的微细结构及其理化特性

上述粘土矿物结构化学特征是最基本的理想模型，实际上因粘土矿物晶体的缺陷带来的微细结构将影响其理化性质。粘土矿物的实际晶体结构与理想模型之间的大多数偏差与下列几方面有关:（1）晶体结构中类质同像置换; (2)四面体和八面体晶格畸变；(3)四面体和八面体晶格在层中和层间相互叠置不规则。

1)粘土矿物的类质同像置换

所谓类质同像，就是矿物晶体格架中一部分阳离子被另一部分阳离子置换后，矿物的晶体结构类型保持不变，只是晶格常数、化学成分和物化性质有所改变的现象。类质同像在粘土矿物中，除了高岭石外，其它粘土矿物如伊利石簇、蒙脱石簇、绿泥石簇、混层粘土矿物等均广泛存在类质同像现象。无论是四面体晶格，还是八面体晶格均

如此。粘土矿物类质同像置换的结果将导致:①异价阳离子置换后晶体结构的电荷中性被破坏和产生过剩负电荷；②矿物晶体格架中进入新的阳离子，即使这种阳离子的半径与被置换的阳离子很接近，也会引起四面体和八面体晶格几何大小的变化以及四面体阳离子位置的改变，即引起晶格常数的变化; ③类质同像置换引起粘土矿物结构层过剩电荷补偿阳离子的出现，这些补偿阳离子进入结构层之间的空间，分布于晶体边棱上，从根本上影响着粘土矿物的结构特征和物理一化学性质。

2)四面体和八面体晶格畸变

八面体层阴离子晶格的畸变：层状硅酸盐的理想结构是假设八面体顶面的一些氧原子呈六角形网格。实际上，几乎这些晶格的所有结构都变了形，并具有较为复杂的形状。二八面体粘土矿物中八面体阴离子晶格畸变的主要原因是阳离子所占据的位置不平衡。这种畸变是由八面体晶格中应力的不平均分布造成的。该应力是由阳离子A13+的相同电荷相互排斥所引起的。其结果是使八面体阴离子晶格中O －O, OH －OH 和O －OH 键的长度发生变形；八面体的公共晶棱受到挤压力而缩短到2.4～2.5A ，而非共同的晶棱则相反，稍许伸长至2.8～2.9A 。个别八面体的变形引起所有八面体层结构骨架的畸变，其表现为: ①八面体顶面氧原子的规则正六角形格架被破坏，结果是理想八面体晶格ab 面上氧原子的正六角形格架(如图3.7(a))转变成实际结构为复三角形的格架(如图3.7(b));②八面体层沿C 轴压缩，而沿ab 轴伸展; ③由于一些棱边缩短，另一些延长，充填八面体的上顶面和下底面相对于法线以相反方向旋转3～5o; ④类质同像也将引起八面体阴离子晶格畸变，如类质同像引起阳离子与阴离子之间的长度改变; ⑤具粗大层间阳离子K +的云母，其八面体层阴离子晶格的某些畸变，可能由于晶格的大小与四面体晶格的参数不相应，并缺少靠弯转使四面体缩短的条件之故; ⑥三八面体矿物，由于所有八面体的方位都被充填，其阴离子晶格的变形较轻。四面体晶格畸变：从大量不同程度类质同像置换的层状硅酸盐结构的实测资料看出，四面体阳离子在结构中的位置可依的A13+含量而改变。特别是当少量Si 4+被Al 3+置换时，四面体阳离子则从其几何中心移向四面体的底面而削弱其与顶端氧的相互联系。当四面体中有相当数量的类质同像置换时，阳离子则移向相反方向，即向四面体的顶尖移动，说明其与基底氧的联系减弱，氧与离子补偿的联系则加强。可以预料，当八面体中类质同像置换程度很高，而四面体中的置换并不大时，则八面体和四面体共顶点上阴离子价将出现严重的不饱和。因此，四面体的阳离子可以移向这些顶点。当四面体层中类质同像置换定位时，四面体的阳离子可向四面体底面

移动。这种情况与八面体负电荷仅部分被层间阳离子补偿有关。四面体负电荷的剩余部分靠八面体的阳离子补偿。在这种情况下，顶端氧靠八面体的阳离子满足了其大部分原子价，而它们与四面体阳离子的连结减弱了。当出现类质同像时，在阳离子从四面体中心迁移的同时，阳离子与氧原子间的个别距离发生了变化，四面体形状也发生畸变。阳离子从几何中心的迁移和原子间距离的改变导致四面体形状的畸变，即具类质同像置换阳离子的四面体与规则的相比较，可被拉长或缩短。四面体的畸变是通过某一棱边靠其余棱边缩短而拉长的途径造成的。 3)四面体和八面体晶格在层中和层间相互叠置不规则

粘土矿物的重要特性是存在层内和相邻层内四面体与八面体晶格相互不同接合的可能性。层与晶格相互叠置、彼此相似的多样性受以下因素控制: ①相邻晶格与层的表面上，原子的对称排列，可能有好几种相互接合的方式，而其能量差别则很小; ②相邻层沿层理面相互作用的能量不高。1:1型矿物如高岭石类结构中的八面体晶格可有两个互相相反的方位，而其中的每一个方位可能有三种四面体晶格的连结方式，这样，在 1:1型矿物的同一层内，晶格的相互位移类型可能有六种，而且位移具有有序和无序的特性，有序位移的存在，使结构单一，而且在结晶学方面是完善的;无序位移的存在，导致均一性和结构完善程度的破坏，制约了其由三斜晶系(完整的高岭石)向假单斜晶系(非完整的高岭石)的过渡。2:1型粘土矿物，层位的各种叠置类型不太显著，因为它们按邻层的Si －O 晶格和ab 面上的投影一致的方式连结，这种能量不利的晶格位置是由补偿阳离子决定的，后者在层间空间中的八面体配位要求一层氧原子晶胞准确地叠置在另一层的氧晶胞上，因此，层间阳离子阻碍了层位的相对位移。三层型的粘土矿物生成多种变种的可能性大大低于二层型的结构。

3.3泥页岩分类

除了特殊需要，将高岭石类、蒙脱石类等粘土矿物制备成某一特殊性能的单离子矿物外，在农业深层土壤、石油钻井工程、油藏工程、建筑业等，涉及的粘土矿物主要是泥页岩，可见，泥页岩在实际工程应用中具有显赫的地位。泥页岩是从粘土到板岩的一大类海相或湖相沉积岩的总称，由粘土矿物和非粘土矿物组成。不同地区、不同层位的泥页岩组成差别很大，泥页岩的微观结构(微裂隙及层理发一育情况、粘土矿物外形结构、胶结状态等)也是非常复杂的。不同的泥页岩类型，带来的特殊作用不同，所引起的实际工程问题也就不同。人们在实际工程应用中所碰到的泥页岩有以下六大类:

第一类泥页岩包括那些蒙脱石含量高、伊利石的含量也较高的很软的泥页岩，其膨胀和分散的趋势相当强。

第二类泥页岩包括其它的软泥岩，其总的粘土含量和第一类泥页岩相当。但在此类泥页岩中，有些蒙脱土己经历了自然阳离子交换过程，钾离子取代了较弱的阳离子，形成了伊利石和间层粘土矿物。这类泥页岩的膨胀和分散的趋势比第一类泥页岩稍弱些。

第三类泥页岩主要指坍塌性的中硬页岩。由于存在自然阳离子交换过程，这类页岩中伊利石和间层粘土矿物含量比较高。至于其中的蒙脱石含量部分，除了与间层粘土矿物伴生的那部分外，实际上已不复存在。这类页岩中有时存在微裂缝。

第四类泥页岩为易于崩塌的硬页岩。粘土部分仅占页岩的20～40%，而伊利石和绿泥石又占粘土成分的绝大部分。除粘土外，其余部分是由石英和长石组成的惰性基岩，其粘土部分会发生有限的膨胀和分散。有时所产生的高膨胀压差，会使页岩发生崩落和坍塌。

第五类泥页岩包括极硬的脆性页岩，其中存在有大量的微裂缝。这类页岩中，伊利石、高岭石和绿泥石的含量较高。其膨胀和分散的趋势受到限制，但在遇到流体侵入时，会沿微裂缝发生膨胀和分散。

第六类页岩指的是如煤岩这类特殊性的破碎性页岩，粘土含量极低，属惰性岩石，质轻、裂缝裂隙极为发育且连通性好，水分子极易沿裂缝裂隙渗入，导致岩体分散、崩落和坍塌。

3.4小结

1)所有粘土矿物都有不同发育程度的侧面断口的活化表面，微晶的角、棱部位，其能量的不平衡由符号相反的离子所补偿。粘土矿物在结构方面的差异使它们与水及水溶液作用时的性质及表现截然不同。

2)由于晶体结构中类质同像置换、四面体和八面体晶格畸变、四面体和八面体晶格在层中和层间相互叠置不规则等原因，因而导致粘土矿物的实际晶体结构与理想模型之间存在偏差。

3)按粘土含量及水化分散膨胀能力，将泥页岩分为六大类，即蒙脱石含量高、伊利石的含量也较高的很软的泥页岩;伊利石和间层粘土矿物的泥页岩;坍塌性的中硬页岩;易于崩塌的硬页岩;伊利石、高岭石和绿泥石的含量较高的极硬的脆性页岩: 煤岩这类特殊性的破碎性页岩。

注：（1967年国际矿物学会IMA审查通过）*为本文涉及的矿物

粘土矿物在扫描电镜下的识别

10自生粘土矿物鉴定根据矿物的形态特征和成分特点进行鉴定． 10.1高岭石 10.1.1形态特征用扫描电子显微镜观察，沉积岩中自生高岭石呈蠕虫状(图版I-b)、书页状(图版I-c)集合体赋存子粒间．其单晶为六方板状（图版I—a），常与自生石英、方解石等自生矿物共生．10.1.2成分特征用能谱测定高岭石的化学成分．主要元素为硅(Si)、铝(Al)，其Si02/Al2O3的比值为1·1-1.3。 10.2蒙皂石 10.2.1形态特征用扫描电子显微镜观察．沉积岩中自生蒙皂石呈蜂窝状（图版I-a、b、c）赋存子粒表，星棉絮状、片状赋存予粒间． 10.2.2成分特征用能谱测定其成分．主要成分为硅(Si)、铝(Al)、钙(Ca)、钠(Na)，氧化钾(K2O)含量低，通常小于1.5%． 10.3伊利石 10.3.1形态特征用扫描电子显微镜观察，自生伊利石呈片状（图版I-a、c）或丝状（图版I-b）集合体，赋存子粒表和粒同． 10.3.2成分特征用能谱测定伊利石成分．主要元素为硅(Si)、铝(Al)、钾(K)．其氧化钾(K20)值通常大于7.5%． 10.4绿泥石 10.4.1形态特征用扫描电子显微镜观察，自生绿泥石墨绒球状(图版Ⅳ-a)赋存子粒间，或以针叶状(图版Ⅳ-b)赋存于粒表，其单晶结构为叶片状(图版Ⅳ-c)． 10.4.2成分特征用能谱测定绿泥石成分．主要元素为硅(Si)、铝(Al)、铁(Fe)、镁(Mg)．除硅、铝外，富含铁、镁是其主要特征． 10.5伊/蒙混层 10.5.1形态特征用扫描电子显微镜观察，伊/蒙混层呈丝状（图版Va、b、c），是蒙皂石向伊利石过渡期的粘土矿物．形态特征是蒙皂石特征逐渐消失，伊利石特征逐渐增强，赋存于粒表和粒间．10.5.2成分特征用能谱测定伊/蒙混层成分，主要元素为硅(Si)、铝(Al)、钾(K)、钙(Ca)、钠(Na)．其成分特征主要反映在氧化钾(K2O）含量为1.5%～7.5%．确定为过渡期的混层粘土矿物．10.6绿/蒙混层 10.6.1形态特征用扫描电子显微镜观察，绿/蒙混层粘土矿物呈蜂窝状（图版Ⅵ-a、b）和丝状结构（图版Ⅵ-c）．是蒙皂石向绿泥石过渡期的粘土矿物，具有蒙皂石和绿泥石的形态特征． 10.6.2成分特征用能谱测定绿/蒙混层成分，主要元素为硅(Si)、铝(Al)、铁(Fe)、镁(Mg)、钙(Ca)。其铁、镁含量较高是主要特征．

环境保护中粘土矿物的应用

环境保护中粘土矿物的应用 [文档副标题] [日期]

环境保护中粘土矿物的应用摘要：无机非金属环境矿物材料基于其不同的性能广泛用于空气污染处理、废水处理和固体废弃物处理的环境治理，并在节能保温材料方面、在降噪隔声方面、在无形磁波污染控制方面、在自然灾害防治方面、在太阳能材料应用方面、在传动系统减震方面、在新型抗菌材料方面、在人体健康材料方面等都将起到重要作用。 1.粘土矿物材料的研究现状人类社会的发展史就是人们利用矿物材料的文明史。随着科学技术的发展和工业化程度的不断提高，许多金属材料的性能已不能适应高强、高速、高温、轻质、绝缘、耐腐蚀等方面的要求，因而非金属矿物材料的发展十分迅速，如美国汽车工业中轿车钢铁构件已由占81%降为61%，采用由非金属材料制成的构件大大减轻了车重，节约了钢材；发达国家一些原来从事钢铁、造船等行业的研究已转向新型材料及新型陶瓷的研究。同时，伴随着矿物材料的深加工技术的发展，矿物材料的利用价值和应用领域不断提高，如散装膨润土30美元/吨，而有机膨润土2400-3600美元/吨；重晶石散装未碎者40美元/吨，而药物级达2560美元/吨；石墨原矿500美元/吨，石墨密封材料7000美元/吨，而石墨乳10000美元/吨。近年来无机非金属矿物材料在环境保护中的应用不断加强，使矿物材料成为治理、修复环境污染的环境材料。新型材料是发展高新技术产业的重要支柱之一,随着材料结构向多元化、功能化、智能化发展,矿物材料已成为现代材料科学的重要组成部份。传统的或一般的矿物材料的应用是直接利用矿物(包括部分岩石)本身所具有的物理化学性质和工艺特性,而且只作为单一性能或低性能的一般材料来应用。如陶瓷矿物材料、建筑矿物材料、化工矿物材料和冶金辅助矿物材料等,这种传统的矿物材料都是低值材料或产品,并由于其本身性能的局限性或未得以强化增强,因而在诸

粘土矿物在环境中的应用

https://www.wendangku.net/doc/2311090135.html, 粘土矿物在环境中的应用刘龙涛1，崔丹2 1中国矿业大学（北京）资源学院（100083） 2陕西师范大学旅环院（710062） E-mail：wfhtllt@https://www.wendangku.net/doc/2311090135.html, 摘要：随着科学技术的不断发展，人们在享受科技成果的同时，也造成了对自身生存环境的污染。许多化学污染物以多种途径进入环境，工业和生活废弃物的排放日益增多，造成土壤、水体和大气污染，严重影响着生态系统的安全，对人类与生态环境产生了直接或潜在的危害。随着工农业生产的飞速发展和人口急剧膨胀，人类活动与自然资源和环境之间的矛盾日益加剧，合理利用矿产资源和有效控制环境污染已是实现社会可持续发展的战略问题。目前，对于环境污染，人们已经研究出多种物理、化学和生物的方法来转移这些污染物。由于粘土矿物价格便宜且具有机械稳定性，多孔隙率、多种表面和结构、分散悬浮性、离子交换性、吸附性等，故用颗粒细小的粘土矿物及改性粘土矿物来转移污染物已经成为人们研究的热点。关键词：粘土矿物环境保护构造特征 1．引言近几年，粘土矿物在环保方面的应用越来越广泛，在污水处理、大气吸附、过滤脱色等方面的应用水平不断提高;在生态建材(如具有保温、隔热、吸音、调光等功能的建材)、杀菌、消毒剂等方面都有新的应用技术和产品[22-23]。加强环境保护、改善生态平衡已成为当务之急。 2. 粘土矿物的结构特征概述粘土矿物是颗粒细小(＜0.1mm)的含水层状结构硅酸盐矿物，其结构单元层是由Si-O四面体片与Al-O八面体片按不同的规律连结起来而构成，按其连接方式的不同把粘土矿物划分为1:1和2:1两种结构类型，前者如高岭石，后者如蒙脱石、伊利石、凹凸棒石等.粘土矿物结构单元层内部因发生离子的类质同象置换，比如四面体中Si4+被Al3+置换，八面体中Al3+被Fe2+、Mg2+置换，从而使其单元层表面具有电性.此外，粘土矿物颗粒细小，比表面积大，因而，粘土矿物会表现吸附性、离子变换性、胶体性、分散性和催化性，这些特性在环境污染处理中具有十分重要意义. 在粘土矿物中，硅、铝、氧是其中最主要的元素。在这些粘土矿物中，硅和氧结合生成硅氧四面体，铝和氧结合生成了铝氧八面体，其中硅氧四面体分布在同一个平面内，彼此以3个角顶相连，从而形成二维延展的网层即四面体片。同样，铝氧八面体共用边角形成了八面体.这些硅氧四面体片和铝氧八面体片又共用氧原子，将不同的片结合在一起.形成层状结 -1-

粘土矿物对储层物性的影响_李娟

中国西部科技
２０１１年０８月（上旬）第１０卷第２２期总第２５５期
粘土矿物对储层物性的影响
李娟于斌
（成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，四川成都６１００５９）摘要：依据化学成分的不同，可将粘土矿物分为五类，高岭石、蒙皂石、伊利石、绿泥石、伊利石－蒙皂石和绿泥石－蒙皂石混层。粘土矿物的类型、含量、产状和物理性质对储层的物性有较大的影响，粘土矿物含量越高，砂岩的孔隙度和渗透率越低，储集性能越差；粘土矿物的产状与油气层的渗透率有密切联系，其中搭桥式对储层的渗透率影响最大；粘土矿物因其具有膨胀性，对酸敏感性，也严重影响着储层物性。关键词：粘土矿物；孔隙度；渗透率；含量；产状ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－６３９６．２０１１．２２．００４１引言中的绿泥石富含镁、铁，具有较强的酸敏性。伊利石－蒙皂石混层和绿泥石－蒙皂石混层以薄膜式贴附在砂岩颗粒表面，分别具有两种矿物的性质，具有较高的膨胀性。３粘土矿物成岩作用粘土矿物的演化对储层研究有重要意义，它既可以充
在砂岩储层中粘土矿物的组成、含量、产状和分布特征直接影响到对砂岩储层的评价，它与油层储层敏感性密切相关，粘土矿物分布的广泛性和特有的物理化学性质，使它与石油地质和油气田的开发诸多发面联系起来。不同类型的粘土矿物与砂岩的渗透率有不同的相关关系，同一种粘土矿物形态和产状的不同与渗透率相关性也有差异，基于粘土矿物的重要性及复杂性对其做深入的了解。２粘土矿物的类型与物理性质根据化学成分的不同，可将粘土矿物划分为五种类型：高岭石、蒙皂石、伊利石、绿泥石、伊利石－蒙皂石和绿泥石－蒙皂石混层。高岭石在砂岩孔隙中常以书页状、蠕虫状等各种形态的集合体形式存在，高岭石具有颗粒大、对砂岩颗粒的附着力弱两大特征。蒙皂石常以薄膜式贴附在碎屑颗粒表面，具有较大的比表面积，在岩层中的存在形态有多种，有时呈现出波状、褶皱层状等，蒙皂石是膨胀性很强的粘土矿物。伊利石是砂岩中最常见的粘土矿物，在地质剖面上从上至下均有分布，但存在形态有变化，在较浅的砂岩中呈鳞片状贴附在砂岩颗粒表面；在深部，伊利石呈毛发状、纤维状或条片状呈搭桥式生长［１］，把砂岩中可流动的粒间孔隙变为微细束缚孔隙，它常常是我国低渗透－特低渗透砂岩储层及致密非储集砂岩粘土矿物的主要特征之一。伊利石膨胀性介于高岭石与蒙皂石之间。绿泥石常见于较深的地层中，存在形态有板状，柳叶状，集合体状等，油层
［２］
填粒间孔隙，减少孔隙空间，还可以通过影响储层敏感性降低储层的渗透率。粘土矿物纵向上演化具有一定的规律性，随着埋藏深度和温度的增加，砂岩中的蒙皂石要向伊利石或绿泥石转化，同时伊利石的结晶程度随着埋藏深度的增加而变好。油气对砂岩粘土矿物的成岩作用的影响。油气进入储层以后抑制自生粘土矿物的进一步演化，如英国北海盆地侏罗系Ｂｒｅｎｔ砂岩，在油水界面之上的砂岩只含高岭石，很少含伊利石，而在油水界面之下的砂岩则以含伊利石为主，而且有证据证明伊利石呈高岭石假象，其是成岩过程中高岭石与孔隙水不断发生反应的结果。因此，油层粘土矿物的演化程度可以用来推断油气进入储层的时间［３］。孔隙水流动特征影响粘土矿物的成岩作用。砂岩储层中孔隙流体的流动特征决定了成岩过程中物质的迁移和再分配，影响粘土矿物在砂岩储层中的分布特征。４粘土矿物对储层渗透率的影响４．１粘土矿物含量的影响国内外的研究表明，在沉积成岩条件大致相同的情况下，粘土矿物绝对含量越高，砂岩的孔隙度和渗透率越低，储集性能越差，砂岩的粘土含量为１％～５％时，为储集
图１粘土矿物含量与孔渗关系［５］收稿日期：２０１１－０５－２７修回日期：２０１１－０６－１９作者简介：李娟（１９８６－），女，硕士，研究方向为矿产普查与勘探。
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粘土矿物分析

作为岩石组分的粘土矿物其含量、种类及其分布、产状等对地层伤害有着非常密切的关系。由于粘土矿物颗粒细小（<0.01mm），比表面极大，并具有特殊的结构组成，因此它们对外来作业流体如注入水、压裂液、酸化液、压井液等的侵入极为敏感。当与外来流体接触时，粘土矿物往往会发生膨胀、微粒运移、生成某种沉淀等从而堵塞储层油气流动的孔隙通道，造成储层渗流能力的下降，损害油气层。因此了解粘土矿物的性质对油田开发十分重要。通过X射线衍射分析和扫描电子显微镜技术可以确定岩石中粘土矿物的含量、分布及产状等。选取了西泉5井的部分岩石样品进行了上述测定，测定结果见表1。表1 西泉5井区三叠系储层粘土矿物含量统计表根据X衍射和扫描电镜分析，韭菜园子组砂层以蒙皂石（包括蒙脱石和皂石两个亚族）为主，63％～98％，平均87.8％；其次为伊/蒙混层（20％～99％，平均72.76％），绿泥石（1％～55％，平均9.33％），另有高岭石（1％～12％，平均5.74％）和伊利石（2％～16％，平均6.24％）（见表1）。对韭菜园子组敏感性的简单分析：（供参考）韭菜园子组伊/蒙混层和绿/蒙混层含量较多，伊/蒙混层和绿/蒙混层是遇水易膨胀的矿物，易发生粘土膨胀和分散造成地层伤害。韭菜园子组绿泥石含量相对较高（平均9.33％），绿泥石是酸敏性矿物，酸化时易造成氢氧化铁胶体沉淀（酸敏）。另外伊利石和高岭石是速敏性矿物，易造成颗粒运移堵塞地层。

粘土矿物分析在储层潜在敏感性评价中的应用一、粘土矿物类型粘土矿物(clay minerals)是粘土和粘土岩中晶体一般小于2微米，主要是含水的铝、铁和镁的层状结构硅酸盐矿物。有的在其成分中还有某些碱金属或碱土金属存在。粘土矿物包括高岭石族矿物、蒙皂石、蛭石、粘土级云母、伊利石、海绿石、绿泥石和膨胀绿泥石以及有关的混层结构矿物，此外还包括具过渡性的层链状结构的坡缕石（凹凸棒石）和海泡石以及非晶质的水铝英石。除水铝英石外均属层状或层链状结构硅酸盐，因此粘土矿物可按层状结构硅酸盐矿物的分类来划分。粘土矿物按成因可分为他生粘土矿物和自生粘土矿物两类，他生粘土矿物主要是来自沉积物源区的陆源矿物，矿物成分与母源区岩石类型关系密切；自生粘土矿物为储层在特定成岩阶段化学反应析出的矿物，如自生绿泥石、自生高岭石等。不同成因粘土矿物通常具有不同的矿物组合、产状、晶形和分布规律等特征。粘土矿物的粒度细小，其大小和形态需用电子显微镜才能测定。多数粘土矿物如伊利石等呈鳞片状，结晶良好的高岭石则呈完整的假六方片状。少数粘土矿物呈管状（埃洛石）或纤维状（坡缕石和海泡石）。晶体结构与晶体化学特点决定了它们的如下一些性质。①离子交换性。具有吸着某些阳离子和阴离子并保持于交换状态的特性。一般交换性阳离子是Ca2+、Mg2+、H+、K+、(NH4)+、Na+，常见的交换性阴离子是(SO4)2-、CI-、(PO4)3-、(NO3)-。产生阳离子交换性的原因是破键和晶格内类质同象置换引起的不饱和电荷需要通过吸附阳离子而取得平衡。阴离子交换则是晶格外露羟基离子的交代作用。②粘土-水系统特点。粘土矿物中的水以吸附水、层间水和结构水的形式存在。结构水只有在高温下结构破坏时才失去，但是吸附水、层间水以及海泡石结构孔洞中的沸石水都是低温水，经低温（100～150℃）加热后就可脱出，同时象蒙皂石族矿物失水后还可以复水，这是一个重要的特点。粘土矿物与水的作用所产生的膨胀性、分散和凝聚性、粘性、触变性和可塑性等特点在工业上得到广泛应用。③粘土矿物与有机质的反应特点。有些粘土矿物与有机质反应形成有机复合体，改善了它的性能，扩大了应用范围，还可作为分析鉴定矿物的依据。此外，粘土矿物晶格内离子置换和层间水变化常影响光学性质的变化。蒙皂石族矿物中的铁、镁离子置换八面体中的铝，或者层间水分子的失去，都使折光率与双折射率增大。粘土矿物的形成方式有三种：①与风化作用有关。风化原岩的种类和介质条件如水、气候、地貌、植被和时间等因素决定了矿物种和保存与否。②热液和温泉水作用于围岩，可以形成粘土矿物的蚀变富集带。③由沉积作用、成岩作用生成粘土矿物。高岭土主要用作陶瓷原料、造纸的填料和涂层；主要由蒙脱石构成的膨润土用于作

南海粘土矿物组合特征及其环境意义_邱中炎

文章编号:1001-909X (2008)01-0058-07 收稿日期: 2006-05-15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40476050) 作者简介:邱中炎(1981-),男,广西柳州市人,硕士研究生,主要从事海洋环境记录方面的研究。南海粘土矿物组合特征及其环境意义邱中炎 1,2 ,沈忠悦3,韩喜球 1,2 ,陈建芳 1 (1.国家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州　310012; 2.国家海洋局海底科学重点实验室,浙江杭州　310012; 3.浙江大学地球科学系,浙江杭州　310027) 摘　要:利用X 射线衍射法(X RD )对南海12个海底表层沉积物和20个悬浮物样品中粘土矿物组成和分布特征进行了综合分析。结果表明:(1)研究区的表层沉积物粘土矿物以伊利石为主,其次为绿泥石、高岭石、伊/蒙间层矿物以及蒙皂石;悬浮物粘土矿物是以绿泥石为主,其次为高岭石、蒙皂石、伊利石以及伊/蒙间层矿物。(2)粘土矿物的组成和分布特征主要受气候条件、物质来源、水动力条件及相互间稀释作用的制约。伊利石的含量随离岸距离和水深的增加呈增大趋势;高岭石则在近岸区特别是河口区富集;绿泥石在西部沿岸海区的含量较低,在东部岛弧和北部台湾岛附近海区的含量较高;蒙皂石与火山作用密切相关,在东部火山岛弧附近海区含量较高。(3)粘土沉积物的来源以河流输入为主,海洋自生和风尘搬运对该区的沉积影响不大。(4)深海悬浮物粘土矿物的组成变化能够很好地指示短尺度气候环境的变迁,伊利石的结晶程度对气候和环境变化反映灵敏,其随所处环境的压力增大而变差。关键词:南海;粘土矿物;结晶度;环境意义中图分类号: P736.21 文献标识码:A 0　引言南海背靠亚洲大陆、外绕岛弧,是一个典型的半封闭性边缘海,其独特的地理位置和晚新生代以来的高沉积速率,引起了中外众多海洋地质学家的极大关注。海洋粘土矿物的分布非常广泛,它的组成和分布特征可以反映源区气候以及许多非气候条件,如物质来源、沉积环境和水动力条件等。对粘土矿物的组合、含量、粒度分布特征以及结构特点的深入研究,可为了解粘土矿物的形成、推测来源区气候环境的特征及沉积环境提供有益的信息,对解决相关的地质科学问题、改善生态环境具有重要意义。前人对南海表层沉积物中的粘土矿物特征曾进行了大量的研究[1-6] ,本文在对其组合特征进行研究的同时,还对不同季节、不同水深采集到的悬浮物样品中粘土矿物组合特征进行了研究,为未来南海粘土矿物来源及在时间和空间上变化的进一步研究提供科学依据。 1　样品及实验方法本文共采集了32个样品,其中12个样品来自于南海海底表层沉积物,20个样品来自于南海N E 2站位(17.2534°N 、119.5013°E )的海洋悬浮物(图1)。表层沉积物样品是利用箱式采集器采集的,悬浮物样品是1998年7月8日～1999年4月30日利用悬浮物采集器采集的。采集悬浮物时,将各采集器悬挂于浅、中、深3种不同水深处,当悬浮物缓慢沉淀到采集器中后,将悬浮物取出,经低温冷冻烘干后密封保存,供实验室分析和测量使用,采集的周期为半个月至一个月不等。实验室分析和测量步骤如下:(1)原样品经醋酸处理去除碳酸盐矿物后,用离心法分离,获得粒级小于2μm 的粘土矿物;(2)采用自然沉降法制取定向样品,并进行X 射线衍射(X RD)分析;(3)自然定向样品在60℃的乙二醇饱和蒸汽中恒温16h, 第26卷　第1期2008年3月海洋学研究 JOURNAL OF MARINE S CIENC ES V ol.26　N o.1M a r.,　2008

1粘土矿物的结晶结构及基本特征

3粘土矿物的结晶结构及基本特征 3.1粘土矿物概念、类型及其结构化学特征粘土的本质是粘土矿物。粘土矿物是细分散的含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。晶质含水层状硅酸盐矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等: 含水非晶质硅酸盐矿物有水铝英石、胶硅铁石等。粘土矿物决定了整个粘土类或岩石的性质，它是最活泼的组分。粘土矿物的晶体结构主要是由两个最基本结构单元组成，即硅氧四面体和铝氧八面体，并沿X 轴方向发展。四面体的中心是四价的硅Si 4+，而四个二价的氧O 2－分布于四面体的四个顶角，四面体的四个面均为等边三角形(如图3.1- (a))，有时四面体中的氧原子为氢氧原子所代替，四面体的底面落在同一平面上，以三个尖顶彼此连结，第四个尖顶均指向同一个方向，在平面上组成六角形网格状结构或链状结构(如图3.1- (b))，成为四面体层(片)。八面体由六个氧或氢氧原子以等距排列而成，A13+(或Mg 2＋ )居于中心(如图3.2- ( a ))，八面体亦排列成层状态结构，成为八面体层(片)(如图3.2- (b))。由于单位晶格的大小相近似，四面体层与八面体层很容易沿C 轴叠合而成为统一的结构层，此结构层称为结构单位层，简称晶层，几个结构层组成晶胞。四面体层与八面体层的不同组合堆叠重复，便构成了各种粘土矿物的不同层状结构。由一个四面体层与一个八面体层重复堆叠的称为1:1型结构单位层(如高岭石等)，也称为二层型; 由两个四面体层间夹一个八面体层重复堆叠的称为2:1型结构单位层(如蒙脱石、伊利石等)，也称为三层型;在层状结构中，四面体层与八面体层间共用一个氧原子层，故四面体层与八面体层间的键力大，联结较强，但在1:1型或2:1型结构单位层间并不共用氧原子层，层间的联结较弱。在高岭石类粘土矿物中，结构单位层间为O 与HO(或OH 与OH)相邻(如图3.3 )，堆叠时，在相邻两晶层之间，除了范德华(Van der waals)力增扩的静电能外，主要为表层(羟)基及氧原子之间的氢键力，将相邻两晶层紧密地结合起来，使水不易进入晶层之间。即使有表面水合能撑开晶层，但不足以克服晶层间大的内聚力，几乎无阳离子交换(阳离子交换容量很小，其CEC 值为3－15毫克当量/100克干土)和类质同象置换现象，其基本层是中性的。同时，高岭石晶体基面间距(C 轴间距或doo1值)小(约7.2 A )，没有容纳阳离子的地方，即晶层无阳离子存在。高岭石晶体只有外表面，没有内表面，比表面积很小(一般远小于100m 2 /g )，被吸附的交换性阳离子(如Na ＋、Ca 2+等)仅存于高岭石矿物外表面，这对晶层水合无重要影响，所以高岭石是较稳定的非膨胀性粘土矿物，层间联结强，晶格活动性小，最活跃的表面是在晶体断口、破坏的及残缺部位的边缘部分，浸水后结构单位层间的距离（C 轴间距或doo1值)不变，使高岭石膨胀性和压缩性都较小，但有较好的解理面。蒙脱石类粘土矿物中的结构单位层间为O 与 O(如图3.4 )，相邻两晶层之间的联结力主要为范德华(Van der waals)力，层间联结极弱，易于拆开。蒙脱石既有外表

粘土类矿物的概述

立志当早，存高远粘土类矿物的概述在可浮性分类中粘土类矿物属氧化物及硅酸盐、铝硅酸盐类矿物。粘土一般指天然产出，以含水铝硅酸为主的土状集合体。除含少量粗粒外，大部分粒度很细，直径数微米或1 微米以上，其矿物组成复杂。本节的粘土（类）是指粒度极细、可浮性较差的各种极性硅（铝—硅）酸盐土状矿物原料，可以包括高岭土、耐火粘土、膨润土（蒙脱石土）、酸性白土和海泡石等。其中几个代表矿物的组成如表1。这些粘土类矿物原料，用途相当广泛。可用作陶瓷和耐火材料的原料、纸张、橡胶、肥皂的充填剂、脱色剂、粘合剂、钻探泥浆、催化剂等等。对这类矿物原料的技术加工和产品要求，因用途不同差别很大。本节以研究较深入的高岭土为基础从浮选加工的角度，对极性粘土原料的浮选略加介绍。高岭土原料的加工，可能包括下列过程:破碎—磨矿—浮选（磁选）—分级—漂白—浓密—过滤—干燥。其中：浮选用于脱去锐钛矿（TiO2），磁选（强磁或高梯度磁选）用于除去氧化铁。漂白用氯气、二氧化硫或硫氰化锌作漂白剂，目的是溶去铁锈等有色物质，增加产品白度（对某些粘土矿物，还要进行活化处理）。其余过程的目的和原理与一般选矿过程相同。表1 代表性的极性粘土矿物矿物化学式比重零电点其它高岭土埃洛石蒙脱石海泡石坡缕石Al2Si2O3(OH)4(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2 H2OAl2Si2O3 (OH)4·nH2OMg3Si12O30 (OH)4·(OH2)4·8H2OMg3Si8O20 (OH)2·(OH2)4·4H2O2.6092-2.83.4 其主要成分为硅酸盐或铝硅酸盐的粘土矿物，表面电位多为3～4。由于粒度小，比表面大，特别是海泡石等矿物晶体呈凹凸交替的长条形，有很大的离子交换容量，在浮选中有如下几个共同的特点：（1）药剂消耗量大（脂肪酸类用量可以高达2.5gk/t）（2）浮选浓度低，有较好的选择性。浮选的矿浆浓度以10%最适宜，载体浮选（背负浮选）

粘土矿物在地质、环境、材料科学领域中的应用

粘土矿物在地质、环境、材料科学领域中的应用随着人类对粘土矿物研究的日益深入以及粘土矿物在各领域中的应用日益加深，粘土矿物的独特性质正越来越受到人们的关注。粘土矿物分布的广泛性、特有的物理、化学、晶体结构的性质及其形成机理的独特性，决定了它在地质、环境、材料科学领域应用中的重要意义。 1.粘土矿物的结构特征概述粘土矿物是颗粒细小（<0.1mm）的含水层状结构硅酸盐矿物，其结构单元层是由si-o四面体片与Al-o八面体片按不同的规律连结起来而构成，按其连结方式的不同把粘土矿物分为1:1和2:1两种结构类型，前者如高岭石，后者如蒙脱石、伊利石、凹凸棒石等。粘土矿物结构单元层内部因发生离子的类质同象置换，比如四面体中Si离子被Ai离子置换，八面体中Ai离子被Fe、Mg离子置换，从而使其单元层表面具有电性。此外，粘土矿物颗粒细小，比表面积大，因而，粘土矿物会表现吸附性、离子交换性、胶体性、分散性和催化性，这些特征在地质、环境、材料科学领域中具有十分重要的意义。在粘土矿物中，硅、铝、氧是其中最主要的元素。在这些粘土矿物中，硅和氧结合生成硅氧四面体，铝和氧结合生成铝氧八面体，其中硅氧四面体分布在同一个平面内，彼此以三个角顶相连，从而形成二维延展的网层即四面体片。同样，铝氧八面体共用边角形成了八面体片。这些铝氧四面体片和硅氧八面体片又共用氧原子，将不同的片结合在一起，形成层状结构。粘土矿物除少数为非晶质外，大多是是由按四面体配位阳离子(Si4+、Al3+、Fe3+)和按八面体配位阳离子（Al3+、Fe3+、Fe2+、Mg2+）组成层状或链状的硅酸盐化合物。层状硅酸盐的基本结构单元是硅氧四面体层或水镁石层或三水铝石八面体层。粘土矿物可分为高岭石类、蒙脱石类和云母类等。高岭石为1:1型结构，基本式为Si4Ai4O10（OH）8，个单元层间距小，小分子或阳离子很少有机会进入层际空隙中，故层际通常不发生离子交换，而是在粘土的表面和边、角发生。蒙脱石类和云母类粘土均为2:1型结构其基本式为Si3Ai4O20（OH）4·nH2O，由于同晶置换，这两种类型的粘土矿的离子交换除在层面的边、脚上发生，更多是由层际间的阳离子交换而形成。 2.粘土矿物在石油地质中的应用

无机粘土矿物

无机粘土矿物蒙脱石（montmorillonite） ?蒙脱石（montmorillonite）含水层状结构硅酸盐矿物。成分为(Na，Ca) 0.33 ( Al，Mg)2[Si4O10](OH)2·nH2O 。水的含量变化很大。颗粒细小，约0.2～1微米，具胶体分散特性，通常呈块状或土状集合体产出。又... 蒙脱石（montmorillonite）含水层状结构硅酸盐矿物。成分为(Na，Ca) 0.33 ( Al，Mg)2[Si4O10](OH)2·nH2O 。水的含量变化很大。颗粒细小，约0.2～1微米，具胶体分散特性，通常呈块状或土状集合体产出。又称微晶高岭石或胶岭石。在电子显微镜下观察，晶体属单斜晶系，一般呈不规则片状。颜色为白色带浅灰，有时带浅蓝或浅红色，光泽暗淡；莫氏硬度2～2.5；比重2～2.7。具有很强的吸附能力和离子交换能力。同时还具有高度的胶体性、可塑性和粘结力。吸水性很强，加水膨胀，体积可增加几倍到十几倍。是组成膨润土的主要成分。用作钻探泥浆，铸型砂和铁矿球团的粘合剂，造纸、橡胶、化妆品的填充剂，纺织和石油工业中作吸收剂、石油脱色和裂化催化剂的原料。各种富含铝硅酸盐的矿物经风化作用，热液蚀变或沉积变质作用在碱性条件下都可以形成。在土壤和现代沉积物中蒙脱石也相当多。产地有美国怀俄明和意大利蓬札等。中国产地有辽宁、吉林、河北、浙江、新疆等。高岭石（kaolinite） ?高岭石（kaolinite）化学组成为Al4〔Si4O10〕（OH )8的层状结构的硅酸盐矿物。因最早发现于中国景德镇高岭林而得名。晶体属1∶1型单元层的二八面体型结构。由于堆叠中结构单元层间的相对位移，便构成了与地...

(完整word版)1粘土矿物的结晶结构及基本特征

3粘土矿物的结晶结构及基本特征 3.1粘土矿物概念、类型及其结构化学特征粘土的本质是粘土矿物。粘土矿物是细分散的含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。晶质含水层状硅酸盐矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等: 含水非晶质硅酸盐矿物有水铝英石、胶硅铁石等。粘土矿物决定了整个粘土类或岩石的性质，它是最活泼的组分。粘土矿物的晶体结构主要是由两个最基本结构单元组成，即硅氧四面体和铝氧八面体，并沿X轴方向发展。四面体的中心是四价的硅Si4+，而四个二价的氧O2－分布于四面体的四个顶角，四面体的四个面均为等边三角形(如图3.1- (a))，有时四面体中的氧原子为氢氧原子所代替，四面体的底面落在同一平面上，以三个尖顶彼此连结，第四个尖顶均指向同一个方向，在平面上组成六角形网格状结构或链状结构(如图3.1- (b))，成为四面体层(片)。八面体由六个氧或氢氧原子以等距排列而成，A13+(或Mg2＋)居于中心(如图3.2- ( a ))，八面体亦排列成层状态结构，成为八面体层(片)(如图3.2- (b))。由于单位晶格的大小相近似，四面体层与八面体层很容易沿C轴叠合而成为统一的结构层，此结构层称为结构单位层，简称晶层，几个结构层组成晶胞。四面体层与八面体层的不同组合堆叠重复，便构成了各种粘土矿物的不同层状结构。由一个四面体层与一个八面体层重复堆叠的称为1:1型结构单位层(如高岭石等)，也称为二层型; 由两个四面体层间夹一个八面体层重复堆叠的称为2:1型结构单位层(如蒙脱石、伊利石等)，也称为三层型;在层状结构中，四面体层与八面体层间共用一个氧原子层，故四面体层与八面体层间的键力大，联结较强，但在1:1型或2:1型结构单位层间并不共用氧原子层，层间的联结较弱。在高岭石类粘土矿物中，结构单位层间为O 与HO(或OH与OH)相邻(如图3.3 )，堆叠时，在相邻两晶层之间，除了范德华(Van der waals)力增扩的静电能外，主要为表层(羟)基及氧原子之间的氢键力，将相邻两晶层紧密地结合起来，使水不易进入晶层之间。即使有表面水合能撑开晶层，但不足以克服晶层间大的内聚力，几乎无阳离子交换(阳离子交换容量很小，其CEC值为3－15毫克当量/100克干土)和类质同象置换现象，其基本层是中性的。同时，高岭石晶体基面间距(C轴间距或doo1值)小(约 7.2 A )，没有容纳阳离子的地方，即晶层无阳离子存在。高岭石晶体只有外表面，没有内表面，比表面积很小(一般远小于100m2/g )，被吸附的交换性阳离子(如Na＋、Ca2+等)仅存于高岭石矿物外表面，这对晶层水合无重要影响，所以高岭石是较稳定的非膨胀性粘土矿物，层间联结强，晶格活动性小，最活跃的表面是在晶体断口、破坏的及残缺部位的边缘部分，浸水后结构单位层间的距离（C轴间距或 doo1值)不变，使高岭石膨胀性和压缩性都较小，但有较好的解理面。蒙脱石类粘土矿物中的结构单位层间为O与 O(如图3.4 )，相邻两晶层之间的联结力主要为范德华(Van der waals)力，层间联结极弱，易于拆开。蒙脱石既有外表

粘土主要矿物的结构与性质

粘土主要矿物的结构与性质摘要主要论述了粘土中主要矿物的结构特点，并对各种矿物的主要性能(如可塑性、干燥收缩和膨润性等)进行了综述。关键词：粘土,高岭石,蒙脱石,伊利石,晶体结构，可塑性，膨润性 ABSTRACT Mainly discusses the main structure characteristics of clay minerals, and a variety of mineral properties ( such as plasticity, drying shrinkage and swelling etc.) are reviewed. KEY WORDS: Clay, kaolinite, montmorillonite, illite, crystal structure, plasticity, swelling 粘土类原料是日用陶瓷、耐火材料等的主要原料之一，它主要是由粘土矿物和其它矿物组成的并具有一定特性的（其中主要是具有可塑性）土状岩石。粘土矿物主要是一些含水铝硅酸盐矿物，其晶体结构是由[SiO4]四面体组成的（Si2O5）n层和一层由铝氧八面体组成的AlO（OH）2层相互以顶角联接起来的层状结构，这种结构在很大程度上决定了粘土矿物的各种性能。粘土很少由单一矿物组成，而是多种微细矿物的混合体，其主要矿物是被统称为“粘土矿物”的一些含水铝硅酸盐矿物。根据矿物的结构和组成的不同，可把粘土中的主要矿物分为高岭石类、蒙脱石类和伊利石类等三种。在粘土的使用过程中，由于对各种主要矿物的结构认识不足，常常在生产中造成资源的浪费，并且产品达不到理想的性能。材料的结构决定性能，只有掌握了矿物的的结构与性能的关系，才能对矿物进行合理、充分的利用。为此，我主要分析一下三种主要粘土矿物的结构与性能。

粘土矿物在环境保护中的应用研究

粘土矿物在环境保护中的应用杨飞华姜志刚郑学松（北京市建材科学研究院北京100041）摘要无机非金属环境矿物材料基于其不同的性能广泛用于空气污染处理、废水处理和固体废弃物处理的环境治理，并在节能保温材料方面、在降噪隔声方面、在无形磁波污染控制方面、在自然灾害防治方面、在太阳能材料应用方面、在传动系统减震方面、在新型抗菌材料方面、在人体健康材料方面等都将起到重要作用， 1．粘土矿物材料的研究现状人类社会的发展史就是人们利用矿物材料的文明史。随着科学技术的发展和工业化程度的不断提高，许多金属材料的性能已不能适应高强、高速、高温、轻质、绝缘、耐腐蚀等方面的要求，因而非金属矿物材料的发展十分迅速，如美国汽车工业中轿车钢铁构件已由占81%降为61%，采用由非金属材料制成的构件大大减轻了车重，节约了钢材；发达国家一些原来从事钢铁、造船等行业的研究已转向新型材料及新型陶瓷的研究。同时，伴随着矿物材料的深加工技术的发展，矿物材料的利用价值和应用领域不断提高，如散装膨润土30美元/吨，而有机膨润土2400-3600美元/吨；重晶石散装未碎者40美元/吨，而药物级达2560美元/吨；石墨原矿500美元/吨，石墨密封材料7000美元/吨，而石墨乳10000美元/吨。近年来无机非金属矿物材料在环境保护中的应用不断加强，使矿物材料成为治理、修复环境污染的环境材料。新型材料是发展高新技术产业的重要支柱之一,随着材料结构向多元化、功能化、智能化发展,矿物材料已成为现代材料科学的重要组成部份。传统的或一般的矿物材料的应用是直接利用矿物(包括部分岩石)本身所具有的物理化学性质和工艺特性,而且只作为单一性能或低性能的一般材料来应用。如陶瓷矿物材料、建筑矿物材料、化工矿物材料和冶金辅助矿物材料等,这种传统的矿物材料都是低值材料或产品,并由于其本身性能的局限性或未得以强化增强,因而在诸多领域的应用受到限制。随着科学技术的发展,矿物材料正在向轻型、高纯、精细和复合方向发展,具有特殊功能的矿物材料已成为新型材料和应用技术研究开发的主流。因此,特种矿 2．粘土矿物在环境治理中的应用虽然物质文明提高、人类在创造物质文明的同时，也在不断破坏人类赖以生存的空间环境，地球温室效应、酸雨现象、高新技术产生的污染、臭氧层的穿孔、地球资源的枯竭、废弃物的增加等对地球环境的破坏越来越严重，保护环境、治理环境、有机地协调经济发展与生态环境保护已成为我国21世纪可持续发展的战略目标的重要内容。随着“在原料采用、产品制造、使用或者再生循环以及废料处理等环节中对地球负荷最小和最有利于人类健康的材料”绿色材料新概念的提出，矿物材料不仅是绿色材料主要组成，而且在环境保护和环境治理中起着重要的作用。 2.1矿物材料在治理空气污染中的应用大气污染系指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现足够的浓度，达

粘土矿物分析在储层潜在敏感性评价中的应用

粘土矿物在环境保护中的应用研究

粘土矿物在环境保护中的应用黏土的用途黏土 1．粘土矿物材料的研究现状人类社会的发展史就是人们利用矿物材料的文明史。随着科学技术的发展和工业化程度的不断提高，许多金属材料的性能已不能适应高强、高速、高温、轻质、绝缘、耐腐蚀等方面的要求，因而非金属矿物材料的发展十分迅速，如美国汽车工业中轿车钢铁构件已由占81%降为61%，采用由非金属材料制成的构件大大减轻了车重，节约了钢材；发达国家一些原来从事钢铁、造船等行业的研究已转向新型材料及新型陶瓷的研究。同时，伴随着矿物材料的深加工技术的发展，矿物材料的利用价值和应用领域不断提高，如散装膨润土30美元/吨，而有机膨润土2400-3600美元/吨；重晶石散装未碎者40美元/吨，而药物级达2560美元/吨；石墨原矿500美元/吨，石墨密封材料7000美元/吨，而石墨乳10000美元/吨。近年来无机非金属矿物材料在环境保护中的应用不断加强，使矿物材料成为治理、修复环境污染的环境材料。新型材料是发展高新技术产业的重要支柱之一,随着材料结构向多元化、功能化、智能化发展,矿物材料已成为现代材料科学的重要组成部份。传统的或一般的矿物材料的应用是直接利用矿物(包括部分岩石)本身所具有的物理化学性质和工艺特性,而且只作为单一性能或低性能的一般材料来应用。如陶瓷矿物材料、建筑矿物材料、化工矿物材料和冶金辅助矿物材料等,这种传统的矿物材料都是低值材料或产品,并由于其本身性能的局限性或未得以强化增强,因而在诸多领域的应用受到限制。随着科学技术的发展,矿物材料正在向轻型、高纯、精细和复合方向发展,具有特殊功能的矿物材料已成为新型材料和应用技术研究开发的主流。因此,特种矿 2．粘土矿物在环境治理中的应用虽然物质文明提高、人类在创造物质文明的同时，也在不断破坏人类赖以生存的空间环境，地球温室效应、酸雨现象、高新技术产生的污染、臭氧层的穿孔、地球资源的枯竭、废弃物的增加等对地球环境的破坏越来越严重，保护环境、治理环境、有机地协调经济发展与生态环境保护已成为我国21世纪可持续发展的战略目标的重要内容。随着“在原料采用、产品制造、使用或者再生循环以及废料处理等环节中对地球负荷最小和最有利于人类健康的材料”绿色材料新概念的提出，矿物材料不仅是绿色材料主要组成，而且在环境保护和环境治理中起着重要的作用。 2.1矿物材料在治理空气污染中的应用大气污染系指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现足够的浓度，达到足够的时间，并因此而危害了人体健康，舒适感或环境。大气污染物按其存在状态可分为气溶胶污染物和气态污染物两大类。其中气态污染物在一定的条件下可转化为气溶胶态污染

粘土矿物

主要粘粒矿物的形成环境

影响粘粒矿物形成的环境因素主要有：酸度、盐基物质、有关离子的浓度、湿度等。例如高岭石的形成条件是高温多湿与少盐基、强酸性等，则必然以分布在华南的红壤地带为主，但它在北方的古红土母质中也会出现，那是古气候影响的残迹；又如蒙脱石的形成条件是碱性与高镁等，则必然以出现在北方土壤中为主，但它在热带的燥红土中也有，则表明燥红土有特殊的干燥气候与酸度偏碱的成土环境；再如赤铁矿与三水铝石等氧化物矿物都属于风化阶段的最后产物，一般来说，他们应分布在以红壤与砖红壤地带为主，如果不是，则表明另有特殊的局部成土环境。 ——陆景岗《土壤地质学》（1997）

粘土矿物自然色无色——高岭石矿物、蒙脱石、绢云母绿色——绿泥石、蛇纹石、铁蒙脱石、滑石、黑高岭土褐色——铁蒙脱石、黑铁高岭土、黑硬绿泥石黄色——囊脱石蓝绿色——海绿石、绿鳞石 PS:采集时为绿色，在空气中放置后变成褐色粘土矿物为多铁的蒙脱石或多铁的蛇纹石，可能是由于亚铁被氧化。 ——须腾俊男《粘土矿物》（1959）粘土矿物在石油地质中地应用（A）粘土矿物判断古环境： 1、代表干旱气候的矿物组合类型粘土矿物对周围环境很敏感，干旱的古气候通过具有较高盐度和某些离子的水介质而影响粘土矿物组合类型。根据粘土矿物组合类型研究古气候效果较好。 (1)以伊利石含量占优势的伊利石+绿泥石矿物组合和伊利石+伊／蒙有序间层+绿泥石矿物组合，一般代表干旱古气候和富含K+离子的盐湖水介质。 (2)伊利石+绿／蒙间层(包括柯绿泥石)+绿泥石矿物组合，则往往代表干旱-半干旱古气候和富Fe2+、Mg2+离子中等盐度且偏碱性的水介质。 (3)伊利石+蒙皂石(或伊／蒙无序问层)+坡缕石+绿泥石矿物组合，则代表干旱-半干旱古气候和碱性(pH值为8～9)且富Mg2+离子的水介质。 (4)伊利石+伊／蒙无序间层+绿泥石矿物组合，往往处于(1)与(3)之间的古气候和古水介质。以上几种组合的共同特点是不含高岭石。 2．代表潮湿气候的矿物类型