1、,第三章 土壤矿物质,主要内容（重点）：,1.主要成土母岩及其性质 2.土壤矿物质的矿物组成和化学组成 3.粘土矿物（重点） 4.我国土壤粘土矿物分布规律,教学目标与要求：,1.了解常见成土母岩种类和性质 2.了解常见的土壤原生矿物和次生矿物的种类 3.重点掌握土壤黏土矿物的结构单元、结构类型、同晶代换以及不同类型黏土矿物的特性。,土壤矿物是土壤的主要组成物质，构成了土壤的“骨骼”,第一节 主要造岩矿物和成土母岩,一、几种主要岩石类型和特性二、主要成土矿物的组成和特性三、岩石的风化作用与成土母质,一、几种主要岩石的类型和特性,岩浆岩概 念：指地球内部熔融岩浆上浸地壳的一定深度或喷出地表冷却凝固
2、所形成的岩石。共 性：非碎屑状的块状构造；没有规则的层次排列；不含化石。 主要造岩矿物：橄榄石、辉石、角闪石、云母、斜长石、钾长石、石英,岩浆岩分类：,按二氧化硅含量不同：,按不同位置冷却,流纹构造流纹岩,气孔和杏仁构造玄武岩,块状构造花岗岩,岩浆在结晶作用过程中,由于物理化学条件的改变,先析出的矿物与岩浆发生反应,鲍温反应系列使矿物成分发生变化,产生新的矿物。,连续系列（浅色的斜长石）,矿物的结晶格架不发生大的改变,在成分上有连续渐变关系； 不连续系列（深色的铁镁矿物）,相邻矿物之间结晶格架发生显著变化。,上述两系列又联合成一个不连续的反应系列，依次形成钾长石、白云母和石英。,鲍温反应系列,
3、沉积岩 沉积岩：地壳表面的岩石经风化、搬运、沉积等作用后，在一定条件下胶结硬化所形成的岩石。其约占地表总面积的75%。,共 性：有明显的层理构造；矿物成分复杂并呈碎屑状组织；有时含有化石。例如：砾岩、砂岩、页岩、石灰岩。,砾岩,石灰岩,芦笛岩,七星岩,二、主要成土矿物的组成和特性,（五）氧化铁类矿物赤铁矿（Fe2O3） ，常使土壤染成红色。磁铁矿（Fe3O4） ，具磁性。黄铁矿（FeS2） ，分解后形成硫酸盐。（六）磷酸盐类矿物磷灰石是制造磷肥的主要原料，是植物磷元素的主要来源。,（七）方解石（CaCO3）方解石是土壤中碳酸钙的主要来源。（八）褐铁矿（Fe2O3 3H2O） 由赤铁矿水化形成的
4、一种含水氧化铁，是土壤黄色和棕色染色剂。,三、岩石的风化作用与成土母质,（一）风化作用岩石在地表受到种种外力作用，逐渐破碎成为疏松物质，这一过程叫做风化作用。所产生的疏松物质就是土壤母质。,形态变化：岩石破碎 组成变化：矿物组成和化学组成的改变性质变化：坚硬疏松,（二）风化作用的类型1、物理风化作用指使岩石产生物理变化而成为碎屑状态的过程，特点是成分未变。 （1）主要是温度引起岩石的热力学变化-昼夜温差、冻结。 （2）盐类结晶的裂胀作用、流水冲刷和磨蚀、风砂磨蚀产物：颗粒较粗，多偏砂、石砾多，养分不易释放出来。,图3-2 由于冰的冻结扩大了岩石的裂隙,图3-1 气温变化引起岩石胀缩不均而崩解过
5、程示意图 a、b、c、d 表示风化过程,【风蚀残土墩】,【风蚀留砾】,【魔鬼城】,2、化学风化作用指岩石在水和空气（主要是氧气和二氧化碳）的参与下进行的溶解作用、水化作用、水解作用、氧化作用等的总称，特点是岩石可进一步破碎成胶体状微粒，使原生矿物成分发生改变，产生在地表条件下比较稳定的次生矿物。,CaCO3+H2O+CO2Ca2+2HCO3-,（2）水化作用,CaSO4+2H2O CaSO4 2H2O(硬石膏) （石膏）2Fe2O3 + 3H2O 2Fe2O3 3H2O(赤铁矿) (褐铁矿),（1）溶解作用,Fe2O3（赤铁矿） 红色2Fe2O3 H2O（赤褐铁矿） 浅红棕色Fe2O3 H2O
6、（针铁矿） 棕色2Fe2O3 3H2O（褐铁矿） 棕黄色Fe2O3 2H2O（褐铁矿） 黄色,2KAlSi3O8 + CO2 + 2H2O H2Al2Si2O8 H2O + 2SiO2 + K2CO3 (正长石) (高岭石) (含水二氧化硅) (钾盐),Ca2(PO4) + 2H2O + 2CO2 Ca(H2PO4)2 + 2CaCO3 (磷灰石) (磷酸二氢钙),（3）水解作用-最基本、最重要,（4）氧化作用,2FeS2 + 16H2O +7O2 2FeSO4 7H2O + 2H2SO4 (黄铁矿) (硫酸亚铁),3、生物风化作用指动物、植物、微生物的生命活动及其分解产物对岩石矿物的风化作用
7、。 1、根系的挤压； 2、地衣、苔藓保蓄水分，加强化学风化； 3、呼吸产生的二氧化碳和有机酸，分解矿物等。,（三）影响风化作用的因素,1、 岩石的性质 （1）矿物成分：单一矿物较成分复杂抗风化-膨胀系数 （2）矿物稳定性：石英砂岩较长石砂岩抗风化-组成物质 （3）矿物的内部构造：,2、 岩石的结构和构造结构：细小且呈等粒状粗粒、斑状坚硬密实疏松多孔构造：处于节理发育处有层理或片理裂隙,3、 气候、地形和植被,（四）风化产物,指暴露在地表的岩石和矿物遭受风化作用的破坏而形成的覆盖在地表的大小不等的松散物质。 按成因和大小，可分为： 1、碎屑物质：物理风化的产物，化学分化未完全的产物 2、溶解性物
8、质：化学风化和生物风化的主要产物 3、难溶物质：次生矿物,风化作用中元素迁移顺序,风化作用的阶段性（1）机械破碎为主的碎屑阶段（2）钙淀积阶段（3）酸性硅铝阶段（4）富积阶段,（五）母质类型,残积体：风化物后未经搬运 坡积体：风化物在重力或径流作用在坡体上沉积 洪积体：经洪水的搬运在山前沉积 冲积体：（河床、河漫滩，牛轭湖，三角洲等） 湖积体：积水沉积 风积体：风力搬运和沉积 浅海沉积体：海相沉积体 黄土母质：风成母质,第二章 土壤母质和矿物质,第一节 土壤母质,三、风化作用的类型,河流沉积，延庆盆地,第二章 土壤母质和矿物质,第一节 土壤母质,三、风化作用的类型,风积体：流动沙地沙波纹（毛乌
9、素）,第二章 土壤母质和矿物质,第一节 土壤母质,三、风化作用的类型,黄土母质：峁边线,第二节 土壤矿物质的矿物组成和化学组成,一、土壤矿物质的化学组成,一、土壤矿物质的化学组成,分布规律,（1）氧（O）和硅（Si）是地壳中含量最多的二种元素铁、铝次之，四者相加共占88.7的重量。在组成地壳的化合物中，以硅酸盐最多。,（2）在地壳中，植物生长必需要的营养元素含量很低而且分布很不平衡。,（3）土壤矿物的化学组成反映了成土过程中元素的分散、富集特性和生物积聚作用。,原生矿物：指那些经过不同程度的物理风化，未改变化学组成和结晶结构的原始成岩矿物。主要分布：土壤的砂粒和粉粒中。特点： 土壤原生矿物以硅
10、酸盐和铝硅酸盐占绝对优势。 土壤中原生矿物类型和数量的多少在很大程度上决定于矿物的稳定性，如长石和石英。 土壤原生矿物是植物养分的重要来源:常见的有石英、长石、云母、辉石、角闪石和橄榄石以及其它硅酸盐类和非硅酸盐类。,图3-1 正长石、斜长石的结晶外形 a. 正长面氏双晶 b. 斜长面的聚双晶,图3-2 云母类矿物形状 a. 解理及解理面 b. 云母的极完全解理 c. 方铅矿的三向完全解理,图3-5 黄铁矿的晶体形状 a. 立方体 b. 五角十二面体 c. 立方体与五角十二面体的聚形,图3-6 磁铁矿的晶体形状 a. 八面体 b. 菱形十二面体,图3-7 磷灰石晶形,图3-8 方解石的晶体形状
11、立方体 a. 晶体 b. 犬车状集合体 c. 菱面体解理（放大镜下）,次生矿物：由原生矿物分解转化而来,分类： （1）易溶盐、微溶盐K+、Na+、Ca 2+、 Mg 2+盐、 Cl- 、 SO42- 、 CO32- 、 PO43-盐，硫化物 （2）粘土矿物：层状铝硅酸盐类矿物Si、Fe、Al氧化物及水化氧化物,*第三节 粘土矿物,一、 粘土矿物的概念及分类,次生粘土矿物原生矿物在地表风化蚀变和风化物合成的产物，是地表特定水热条件下形成的一类稳定矿物。,主要包括层状铝硅酸盐粘土矿物 -晶型矿物非硅酸盐粘土矿物（硅、铁、锰、铝的含水氧化物和氢氧化物）-晶型，非晶型,（一）层状硅酸盐粘土矿物构造特征
12、1、基本结构单位,（1）硅氧四面体（或简称四面体） 硅氧四面体是硅酸盐矿物的最基本的结构单位，不同的连接组合方式形成不同的硅酸盐矿物。,粘土矿物分类,（2）铝氧八面体（或简称八面体）,图3-11 八面体和八面体片,硅氧片：硅氧四面体之间相互以3个顶角的氧相连接，排列成向两个方向延伸的六角形网格状平面层。,2、单位晶片,铝片：八面体在水平方向上相邻八面体通过共用两个氧离子的方式，在平面两维方向上无限延伸，排列形成八面体片。,Octahedral Sheet,Share 2 oxygens,3、单位晶层,1:1型单位晶层:由一个硅片和一个铝片构成。硅片顶端的活性氧与铝片底层的活性氧通过共用的方式形
13、成单位晶层。,2:1型单位晶层:由2个硅片和一个铝片构成。两个硅片顶端的氧都向着铝片，铝片上下两层氧分别与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶层,2:1:1型单位晶层在2:1单位晶层的基础上多了一个八面体片水镁片或水铝片，这样2:1:1型单位晶层由两个硅片、一个铝片和一个镁片（或铝片）构成。,*4、同晶替代是指组成矿物的中心离子被电性相同、大小相近的离子所替代而晶格构造保持不变的现象。同晶替代的结果使土壤产生永久电荷，能吸附土壤溶液中带相反电荷的离子,使土壤具有保肥能力。,土壤中同晶替代的规律：,1、高价阳离子被低价阳离子取代的多；因此，土壤胶体一般其净电荷为阴性。 2、四面体中的Si4+被Al
14、3+离子所替代，八面体中Al3+被Mg2+替代。 3、同晶替代现象在2:1和2:1:1型的粘土矿物中较普遍，而1:1型的粘土矿物中则相对较少。,（二）硅酸盐粘土矿物的种类及一般特性,四个类组：高岭组蒙蛭组水化云母组 绿泥石组矿物,高岭组（1:1型矿物）包括：高岭石、珍珠陶土、迪恺石及埃洛石等,特征： （1）1:1型的晶层结构单位晶胞的分子式可表示为Al4Si4O10(OH)8,高岭石的矿物结构,Silica Tetrahedral Sheet,Aluminum Octahedral Sheet,Kaolinite,Non-Expanding 10 cmol(+)/kg,1:1 Clay,（2）
15、非膨胀性 两个晶层的层面间产生了键能较强的氢键，膨胀系数一般小于5.高岭石层间距约0.72nm （3）电荷数量少 阳离子交换量只有3-15cmoles(+)/Kg（4）胶体特性较弱 颗粒的总表面积相对较小，为1020103 m2kg-1，可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都较弱。,高岭组粘土矿物是南方热带和亚热土壤中普遍而大量存在的粘土矿物，在华北、西北、东北及西藏高原土壤中含量很少.,特征： （1）2:1型的晶层结构典型代表-蒙脱石。单位晶胞的分子式可表示Al4Si8O20(OH)4nH2O。,包括：蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。,蒙蛭组（2:1型膨胀性矿物),Si Tetra.,Al Oct
16、.,Si Tetra.,2:1 Clay,Montmorillonite,Expanding,100 cmol(+)/kg,H2O,H2O,H2O,H2O,H2O,（2）胀缩性大 蒙脱石晶层间距变化在0.96-2.14nm之间，蛭石的膨胀性比蒙脱石小，其晶层间距变化在0.96-1.45nm之间。 （3）电荷数量大 同晶替代现象普遍。蒙脱石主要发生在铝片中，一般以Mg2+代Al3+，蛭石的同晶替代主要发生在硅片中。蒙脱石的理想结构式为：（Al3.34Mg0.66）Si8O20(OH)4X0.66式中X表示补偿异价离子置换引起的电荷亏缺的层间可交换阳离子 （4）胶体特性突出 较细（有效直径0.01
17、-1m），总表面积为600800103m2/kg，且80是内表面。蛭石一般为400103m2/kg。,蒙脱石：半干旱的草原地区，如东北的黑钙土，华北城的栗钙土、褐土以及西北的灰钙土中均有分布。 蛭石：多分布在暖温带的黄棕壤和黄壤中。,特征：（1）2:1型晶层结构 伊利石是其主要代表。分子式为K2(AlFeMg)4 (SiAl)8O20(OH)4nH2O。,水化云母组（2:1型非膨胀性矿物）,K,Interlayer K+,K,K,K,K,K,2:1 Clay,Illite,Non-expanding,40 cmol(+)/kg,伊利石广泛分布于我国多种土壤中，尤其是华北干旱地区的土壤中含量很高
18、，而南方土壤中含量很低。,（2）无膨胀性: 在伊利石晶层之间吸附有钾离子，对相邻两晶层产生了很强的键联效果，使晶层不易膨胀，伊利石晶层的间距为1.0nm。（3）电荷数量较大: 2040cmoles(+)/kg。（4）胶体特性一般: 总表面积为70120103m2/kg,其可塑性、粘结性、粘着性和吸湿性都介于高岭石和蒙脱石之间。,特征： （1）2:1:1型晶层结构绿泥石的分子式:(MgFeAl)12(SiAl)8O20(OH)16,绿泥石为代表，是富含镁、铁及少量铬的硅酸盐粘土矿物。,绿泥石组（2:1:1型）,绿泥石粘粒矿物结构示意图,土壤的绿泥石大部分是由母质遗留下来，但也可能由层状硅酸盐矿物
19、转变而来。沉积物和河流冲积物中含较多的绿泥石。,（2）同晶替代较普遍元素组成变化较大，阳离子交换量为1040cmoles(+)/kg。 （3）颗粒较小，总面积为70-150103m2/kg,（三）非硅酸盐粘土矿物,1、氧化铁 赤铁矿、针铁矿、褐铁矿、磁铁矿、陵铁矿、兰铁矿土壤中常见的氧化铁矿物是赤铁矿和针铁 针铁矿（a-FeOOH):黄色或棕色，呈针状，在温带、亚热带与热带的土壤中大量存在 赤铁矿（a-Fe2O3）：红色，呈六角板状，少量赤铁矿的存在也会使土壤看起来呈红色。在高温、潮湿、风化程度很深的红色土壤中存在较多。 存在方式：呈胶膜质包被在土壤颗粒的表面，或铁盘。,2、氧化铝,三水铝石A
20、l(OH)3土壤中三水铝石的含量可作为脱硅作用和富铝作用的指标。大致在北纬30以南地区的土壤中才出现三水铝石。主要分布在热带和亚热带高度风化的酸性土壤中。,起重要作用的主要是非晶质（无定形）的铁铝氧化物。非晶质的铁铝氧化物可以吸附阴离子，如土壤中磷酸根离子的吸附，使磷被固定，失去其有效性。,温带半湿润和湿润地区以及热带地区玄武岩和火山灰发育的幼年土壤中、有些森林覆盖、高海拔、低温、中高雨量条件下的土壤，其心土层中也存在水铝英石。,3、水铝英石,水铝英石 由氧化硅、氧化铝和水组成非晶质硅酸盐矿物 阳离子交换量，为1015cmoles(+)/kg，取决于土壤溶液中的pH值和水化程度 表面积一般为7
21、0300103m2/kg。,4、氧化硅,结晶态氧化硅： 主要是石英 非晶质的氧化硅： 蛋白石（ ）,蛋白石经进一步脱水结晶后可变为：玉髓、石英、方英石和磷石英蛋白石呈致密状或钟乳状，纯的蛋白石无色，但因混入不同杂质呈红、黄、褐、绿等各种颜色。蛋白石广泛分布于火山灰来源的土壤中蛋白石的多少也可以作为古土壤埋藏表层的指标矿物。土壤中蛋白石含量常与土壤腐殖质含量有关。,二、我国土壤粘土矿物分布规律,（一）水云母区 包括新疆、内蒙古高原西部、柴达木盆地、青藏高原大部。土壤粘土矿物以水云母为主，其次为蒙脱石和绿泥石。 （二）水云母蒙脱石区 包括内蒙古高原东部、大小兴安岭、长白山地和东北平原大部分。土壤粘
22、粒中蒙脱石明显增多。 （三）水云母蛭石区 包括青藏高原东南边缘山地、黄土高原和华北平原。西部山地土壤粘粒中绿泥石，东部多蛭石，华北平原土壤粘粒中蒙脱石也不少。 （四）水云母蛭石高岭区 包括秦岭山地和长江中下游平原，为一狭长的过渡地带，在适宜条件下，水云母、蛭石和高岭石都可成为土壤粘粒中的主要成分。,（五）蛭石高岭区 四川盆地、云贵高原、喜马拉雅山东南端。土壤粘粒中云母退居次要成分，以蛭石和高岭为主。东部蛭石尤多，并多三水铝石；西部蛭石较少，氧化物含量很高山地土壤中水云母含量随海拔高度升高而增加。 （六）高岭水云母区 浙、闽、湘、赣大部和粤、桂北部。土壤中粘粒部分结晶差的高岭石为主。东部不少水云母和蛭石伴存，铁铝氧化物含量也显著增多。 （七）高岭区 贵州南部、闽粤东南沿海、南海诸岛及台湾。,本章小结,1.本章的主要内容是土壤矿物质的组成及粘土矿物的结构与性质。 2.本章的重点是粘土矿物的结构和性质，认真理解和掌握粘土矿物的结构和性质对学习好以后各章有重要的作用。有助于正确理解土壤的许多理化性质。 3.主要掌握几种代表性的粘土矿物。,思考题,1. 什么叫做矿物?分析原生矿物和次生矿物在土壤中的主要作用是什么? 2. 试比较高岭石、蒙脱石和伊利石在晶架构造上有何不同? 3. 试比较高岭石组矿物与蒙脱石组矿物在性质上的差异?以及产生这些差异的原因是什么?,
