第一章土壤矿物质[修复的]

1、第一章 土壤矿物质Chapter 1: soil mineral基本要求： 使学生了解土壤矿物质组成和化学组成，层状铝硅酸盐粘土矿物、非硅酸盐粘土矿物的主要性状及其分布。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 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%）地壳的元素组成 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；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(Mine

2、ral components)表表 1-1 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；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 12 (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。 如如石英、长石、云母、辉石、角闪石等。石英、长石、云母、辉石、角闪

3、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 石英最稳定，是粗土粒的主要成分；白云石英最稳定，是粗土粒的主要成分；白云母和长石较稳定，在粗土粒中较多；母和长石较稳定，在粗土粒中较多； 黑云母、黑云母、角闪石、辉石等角闪石、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 形成土壤母质的矿物、岩石形成土壤母质的矿物、岩石一、主要的成土矿物一、主要的成土矿物 （一）矿物的概念（一）矿物的概念 矿物矿物是一类天然产生于地壳中且具有一定的是一类天然产生于地壳中且具有一定的化学组成化学

4、组成、物理特性和内部构造的化合物或单质物理特性和内部构造的化合物或单质。 矿物以各种形态（固态、液态、气态）存在矿物以各种形态（固态、液态、气态）存在于自然界中。于自然界中。 矿物可以是单一元素所组成的，也可以是几矿物可以是单一元素所组成的，也可以是几种元素组成的化合物。种元素组成的化合物。 形成岩石的矿物称为形成岩石的矿物称为造岩矿物。造岩矿物。 （二）矿物的类型（二）矿物的类型 矿物按成因可分为原生矿物和次生矿物矿物按成因可分为原生矿物和次生矿物. . 原生矿物原生矿物 由地壳深处熔融状态的岩浆由地壳深处熔融状态的岩浆冷凝固结而形成的矿物称原生矿物。如石英冷凝固结而形成的矿物称原生矿物。如

5、石英、长石、云母、辉石、角闪石等。、长石、云母、辉石、角闪石等。 次生矿物次生矿物 原生矿物经物理、化学风化原生矿物经物理、化学风化作用，组成和性质发生化学变化，形成的新作用，组成和性质发生化学变化，形成的新矿物称次生矿物。如方解石、高岭石等。矿物称次生矿物。如方解石、高岭石等。 硅硅 酸酸 盐盐 类类氧氧 化化 物物 类类 硫硫 化化 物物 类类 磷磷 化化 物物 类类 1. 1.原生矿物原生矿物次生硅铝酸盐矿物次生硅铝酸盐矿物 氧化物类矿物有结晶和非结晶两种氧化物类矿物有结晶和非结晶两种 简单盐类矿物简单盐类矿物 2. 2.次生矿物次生矿物二氧化硅凝胶（玛瑙）二氧化硅凝胶（玛瑙）( (三三

6、) )主要成土矿物的性质主要成土矿物的性质石石 英英紫水晶紫水晶烟水晶烟水晶正长石正长石KAl3Si3O8斜长石斜长石 CaAl2Si3O8橄揽石（橄揽石（Mg，Fe）2SiO4 石膏石膏 CaSOCaSO4 42H2H2 2O O石膏石膏白云母白云母方解石方解石 CaCO3 肾状（赤铁矿）肾状（赤铁矿）高岭石（高岭石（H2Al2Si2O8.H2O） 岩石岩石 是一种或几种矿物组合而是一种或几种矿物组合而成的自然集合体。岩石都有一定的矿物成的自然集合体。岩石都有一定的矿物组成，结构和构造。组成，结构和构造。 二、主要成土岩石二、主要成土岩石（二）岩石的概念（二）岩石的概念1.1.岩岩 浆浆 岩

7、岩 岩浆岩是地球内部岩浆侵入地壳或喷出岩浆岩是地球内部岩浆侵入地壳或喷出地表冷凝形成的岩石。地表冷凝形成的岩石。 岩浆岩的类型岩浆岩的类型:岩浆岩岩浆岩深成岩深成岩 浅成岩浅成岩 喷出岩喷出岩 侵入岩侵入岩 （二）岩石的类型（二）岩石的类型主要的岩浆岩主要的岩浆岩 酸性岩酸性岩 SiO2含量在含量在65以上以上 如如花岗岩花岗岩, ,流纹岩流纹岩 中性岩中性岩SiO2 含量含量5265 如闪长岩如闪长岩, ,安山岩安山岩 基性岩基性岩SiO2 含量含量4552 如如辉长岩辉长岩, ,玄武岩玄武岩 超基性岩超基性岩 SiO2含量小于含量小于45 如如橄榄岩橄榄岩 侵入性岩浆岩喷出性岩浆岩玄武岩花

8、岗岩2.2.沉沉 积积 岩岩 沉积岩是由地壳表面早期形成的沉积岩是由地壳表面早期形成的岩石经风化、搬运、沉积、压实、胶结岩石经风化、搬运、沉积、压实、胶结硬化而形成的岩石。一般分为机械沉积硬化而形成的岩石。一般分为机械沉积岩、化学沉积岩和生物沉积岩三类。岩、化学沉积岩和生物沉积岩三类。 各种先成岩各种先成岩在新的地壳变动或岩浆活在新的地壳变动或岩浆活动产生的高温、高压下，使岩石的矿物重动产生的高温、高压下，使岩石的矿物重新结晶，重新排列，改变其结构、构造和新结晶，重新排列，改变其结构、构造和化学成分，而形成的新岩石，称变质岩。化学成分，而形成的新岩石，称变质岩。 3.变质岩变质岩岩片岩片, ,

9、麻岩麻岩, ,石英石英, ,岩板岩岩板岩, ,结晶片岩结晶片岩, ,千千枚岩枚岩, ,大理岩大理岩 矿物质是构成土壤的基本物质，又是植物矿质营养的矿物质是构成土壤的基本物质，又是植物矿质营养的源泉，是全面影响土壤肥力高低的一个重要因素。源泉，是全面影响土壤肥力高低的一个重要因素。 土壤中的矿物质来自岩石的风化物。而岩石又是由矿土壤中的矿物质来自岩石的风化物。而岩石又是由矿物组成的，不同的矿物构成不同的岩石。不同的岩石经过物组成的，不同的矿物构成不同的岩石。不同的岩石经过风化作用，形成土壤中的矿物质。风化作用，形成土壤中的矿物质。所以矿物能影响土壤的所以矿物能影响土壤的理化性质和理化性质和土土壤

10、养分状况。壤养分状况。 是一种或几种矿物组合而成的自是一种或几种矿物组合而成的自然集合体。岩石都有一定的矿物组成，然集合体。岩石都有一定的矿物组成，结构和构造。结构和构造。 岩石岩石(Rock):二、成土的主要矿物和岩石三大岩类物质循环Magmatic Rocks （岩浆岩）Sedimentary Rocks（沉积岩）（沉积岩）conglomeratesandstonesiltstoneshaleclaysiltsandgravelsedimentssedimentaryrocksMetamorphic Rock（变质岩） 原来存在的岩石在原来存在的岩石在新的地壳变动或岩浆活动新的地壳变动或岩

11、浆活动产生的高温、高压下，使产生的高温、高压下，使岩石的矿物重新结晶，重岩石的矿物重新结晶，重新排列，改变其结构、构新排列，改变其结构、构造和化学成分，而形成的造和化学成分，而形成的新岩石，称变质岩。新岩石，称变质岩。 （二）次生矿物（二）次生矿物(secondary mineral)原生矿物经原生矿物经外动力地质作用外动力地质作用分解转化形成的矿分解转化形成的矿物。物。外动力地质作用外动力地质作用是指大气、水和生物在太阳能、是指大气、水和生物在太阳能、重力能的影响下产生的动力对地球表层所进行重力能的影响下产生的动力对地球表层所进行的各种作用统称为外动力地质作用。的各种作用统称为外动力地质作用

12、。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为主；此外有主；此外有Si、Al、Fe的氧化物及其水合物的氧化物及其水合物 。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)(Clay 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

13、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 1:11:1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

14、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。而矿物晶格构造保持不变的现象。 发生同晶替代后，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）

15、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SiO2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

16、 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

17、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、蛭石等包括蒙脱石、绿脱石、蛭石等 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=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，

18、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，

19、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

20、: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

21、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 可变电荷，表面羟基的质子化或离解，因介质可变电荷，表面羟基的质子化或离解，因介质pH而异，而异， 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 针铁矿针铁矿(-FeOOH)

22、 晶体较大者为黄色，较小者为晶体较大者为黄色，较小者为棕色，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 赤铁矿赤铁矿(-Fe2O3) 红色，存在于干燥的氧化性表土层红色，存在于干燥的氧化性表土层及胶膜及胶膜 纤铁矿纤铁矿(-FeOOH) 棕橙色，存在于排水不良而富含棕橙色，存在于排水不良而富含有机质土壤有机质土壤 磁赤铁矿磁赤铁矿(-Fe2O3) 暗红棕色，存在于高度风化且有暗红棕色，存在于高度风化且有机质少的表土机质少的表土 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

23、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/ Fet = Fed/ Fet 100 100土壤铁的活化度（土壤铁的活化度（% %）= Feo/ Fed = Feo/ Fed 100 100土壤铁的络合度（土壤铁的络合度（% %）= Fep/ Fed = Fep/ Fe

24、d 100 100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) 硅酸盐矿物彻底分解产物，常见的有三水铝石硅酸盐矿物彻底分解产物，常见的有三水铝石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 无定形铁铝氧化物比表面大，包被土粒，改变表

25、面性质无定形铁铝氧化物比表面大，包被土粒，改变表面性质可吸附固可吸附固定定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）（结晶质和非晶质）（结晶质和非晶质）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

26、。 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