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
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Si4＋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Mg2+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Si4+被Al3+
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
名词解释： 1.矿物; 2. 晶体;3荧光与磷光;4面角守恒定律与整数定律;5. 解理、断口;6.硫盐与硫酸盐; 7.自色;8. 假色与他色;9. 类质同象与同质多象;10脆性与延展性；11.有序与无序；12.双晶与平行连生；1 3.结晶水、结构水、层间水、沸石水、吸附水；1 4. 结核体、分泌体；1 5. 层状硅酸盐的二八面体型与三八面体型结构；1 6.点群与空间群；1 7.解理与裂开；1 8.对称型与等效点系20. 单形与聚形. 21矿物的条痕22、岛状硅酸盐；23、结晶习性24、 晶体常数和晶胞参数；25、对称型；26、晶面符号、单形符号；27类质同象；28、配位数与配位多面体；29同质多象；30、层间域；31、层状硅酸盐的四面体片与八面体片32、荧光、磷光；33、发光性；34.一般形、特殊形；35、开形、闭形；36、左形、右形；37正形、负形；38、定形、变形 二.填空题： 1.晶体生长的基本理论是层生长理论，螺旋位错生长理论。 2.实际晶体的晶面常平行网面结点密度最大的面网。中长石的环带结构反映该晶体按 层生长理论机制生长。 3.晶体部结构特有的对称要素有平移轴，螺旋轴，滑移面。 4.晶体的基本性质主要有：自限性，均一性，异向性，对称型，最小能，稳定性。 5.{110}单形在等轴晶系中为菱形十二面体单形，在四方晶系中为四方柱单 形，在斜方晶系中为斜方柱单形。 6.六方晶系的晶体常数特点是a≡b≠c ，α=β=90°γ=120°。 7.石英的晶体常数特点是a≡b≠c ，α=β=90°γ=120°。（三方晶系） 8.写出4种基本的晶体格子类型：原始格子，底心格子，面心格子，体心格子。
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．１６７１－６３９６．２０１１．２２．００４ １ 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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《结晶学与矿物学》思考题 绪论 1、什么是矿物？矿物与岩石、矿石的区别？ 2、什么是晶体？晶体与非晶体有何本质区别？ 3、判别下列物质中哪些是晶体，哪些是非晶体？哪些是矿物，哪些不是矿物？ 冰糖金刚石沥青水晶 玻璃水空气方解石 4、为什么要学习矿物学？ 第一篇 第一章 1、网面密度大的面网，其面网间距也大，这种说法对不对？试画简图加以定性的说明。 2、为什么晶体被面网密度较大的晶面所包围？ 3、为什么形态各异的同种晶体，其对应晶面夹角恒等? 4、为什么晶体具有均一性和异向性？ 5、为什么晶体具有一定的熔点？试举例说明之 6、从能量的角度说明晶体的稳定性 7、晶体与非晶体在内部结构和基本性质上的主要区别是什么？ 8、什么是晶体构造中的相当点？下图是石墨（C）晶体构造中的碳原子层，黑圆点代表碳 原子的中心位置。找出点m的所有相当点，并画出平行四边形（二维格子——面网）的形状。再找出点A的相当点，用另外的颜色画出平行四边形的形状。比较两次画出的平行四边形的形状和大小是否相同。 第二章 1、对称的概念？晶体的对称与其他物体的对称有何本质区别？ 2、什么是对称面、对称中心、对称轴及旋转反伸轴？ 3、为什么晶体上不可能存在L5及高于六次的对称轴？ 4、怎样划分晶族与晶系？下列对称型各属何晶族与晶系？ L2PC 3L23PC L44L25PC L66L27PC C 3L44L36L29PC L33L2L33L23PC 3L24L33PC
5、中级晶族的晶体上，若有L2与高次轴并存，一定是彼此垂直而不能斜交，为什么？ 第三章 1、为什么在实际晶体上，同一单形的各个晶面性质相同？在理想发育的晶体上同一单形的 各个晶面同形等大？ 2、怎样区别八面体、四方双锥、斜方双锥？ 3、五角十二面体和菱形十二面体与三根彼此垂直的L4（或L2）的空间交截关系有何异同？ 4、四角三八面体与三根彼此垂直的L4（或L2）相交的特点？ 5、菱面体与三方双锥都是六个晶面，他们之间的区别何在？ 6、在四十七种几何单形中，下列单形能否相聚 八面体与四方柱六方柱与菱面体五角十二面体与平行双面三方双锥与六方柱斜方柱与四方柱三方单锥与单面 第四章 1、晶体定向的定义？ 2、晶体定向的原则，各晶系晶体定向的方法及晶体常数特点？ 3、何谓晶面的米氏符号？某晶面与X、Y、Z轴上的截距系数分别为2、2、4，请写出此晶 面的米氏符号。 4、在某等轴晶系的晶体上，某晶面与X、Y、Z轴上的截距分别为2.5mm，5mm，∞，试 写出此晶面的米氏符号 5、为什么四方晶系及三、六方晶系晶体的轴单位具有a=b≠c的特征？ 6、下列晶面，哪些属于[001]晶带，哪些属于[010]晶带，哪些晶面为[001]与[010]二晶带共 有？ （100）、（010）、（001）、（001）、（100）、（010）、（110）、（110）、（011）、（011）、（101）、（101）、（110）、（110）、（101）、（101）、（011）、（011） 7、{111}在等轴、四方、斜方、单斜（L2PC对称型）和三斜晶系中分别代表什么单形？ 8、判断晶面与晶面、晶面与晶棱，晶棱与晶棱之间的空间关系（平行、垂直或斜交） （1）等轴晶系、四方晶系及斜方晶系： （001）与[001]；（010）与[001]；[001]与[110]；（110）与（010）。 （2）单斜晶系晶体 （001）与[001]；（001）与（100）；[100]与[001]；（100）与（010）。 （3）三、六方晶系晶体 （1010）与（0001）；（1010）与（1120）；（1010）与（1011）；（0001）与（1120）。 9、写出各晶系常见单形及形号，并总结、归纳以下形号在各晶系中各代表什么单形？ {100}、{110}、{111}、{1011} {1010} {1120} {1121} 第五章 1、双晶的定义。 2、双晶与平行连生的区别？ 3、双晶面、双晶轴、接合面的涵义及其空间方位的表示方法？ 4、双晶面为什么不能平行晶体的对称面？ 5、双晶轴为什么不能平行晶体的偶次对称轴？ 6、斜长石（C）可以有卡式律双晶和钠长石律双晶，为什么正长石（L2PC）只有卡式律双 晶，而没有钠长石律双晶？ 第二篇 第一章
第一章： 1.名词解释：晶体、空间格子 晶体：内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体 特征：1拥有整齐规则的几何外形 2晶体拥有固定的熔点 3晶体有各向异性的特点 空间格子：将相当点按照一定的规则连接起来的几何图形 相当点：①点的内容相同②点的周围环境相同 空间格子要素1结点 2行列 3面网 2.晶体、非晶体的结构特点。 晶体具有进程规律也具有远程规律，非晶体只具有进程规律，不具备格子构造。 3.根据图示，能找出相当点并正确连线。 4.基本概念要清楚（判断正误）： （1）同一晶体结构，可以有多套相当点，由不同套的相当点组成的空间格子肯定是一样的。错 （2）空间格子中的结点一定是由同种质点所占据。错 （3）实际晶体中同种质点一定占据在同一套相当点上。错 （4）同一点阵中，面网密度大的面网其面网间距一定也大。对 5.注意区分晶胞和平行六面体。 晶胞：6个两两平行的且相等的面组成， 平行六面体：空间格子可以划出一个最小的重复单位 6.掌握晶体的基本性质：自限性、均一性、异向性、对称性、最小内能性、稳定性 第二章： 1.名词解释：面角守恒定律、 2.能区分晶面夹角与面角 3.熟悉吴氏网的应用（做晶面的极射赤平投影与求两晶面的面角） 4.球面上圆的极射赤平投影：水平大圆的投影形成基圆；直立大圆的投影形成 直径；倾斜大圆的投影形成大圆弧；直立小圆的投影形成小圆弧。 第三章： 1.名词解释：对称型（或点群）、晶体对称定律 2.晶体对称特点：所有晶体都是对称的；晶体的对称是有限的；晶体的对称不仅体现在外形上，同时也体现在物理性质上。
3.基本概念（判断正误）： （1）一个具有对称中心的图形，其对应的面、棱、角都体现为反向平行。（2）在晶体中，当存在对称中心时，其晶面必然成对分布，每对晶面都是两两平行且同形等大。 4.熟悉对称面、对称轴、对称中心、旋转反伸轴的操作。 5.熟练掌握对称规律的组合。 6.熟练掌握晶族（3个）、晶系（7个）的划分依据；给出对称型，能判断其所属的晶族、晶系。 第四章： 1.名词解释：晶体常数、晶带定律 2.熟练掌握晶面符号（hkl）、单形符号或解理符号{ hkl }、晶棱符号或晶带符号[rst]，能判定晶棱与晶棱、晶面与晶棱、晶面与晶面之间的空间关系。 3.熟练掌握晶体的定向方法：晶轴、轴角、轴率。 4.熟练掌握表4-1各晶系选择晶轴的具体办法及晶体常数特点。 5.熟练掌握表4-3和常见对称型的国际符号。 6.根据晶带定律的平面公式，会进行相关计算。 7.基本概念（判断正误）： （1）所有平行晶棱具有同一个晶棱符号。 （2）对应指数符号彼此相反，但绝对值相同的晶棱符号，表示的是同一晶棱。（3）指数为0并不是表示晶棱与相应的晶轴平行，在直角坐标系下，即在等轴、四方、斜方晶系中，指数为0表示晶棱垂直与相应的晶棱。 （4）晶面平行于某晶轴时，则对应序位上的晶面指数为0. 第五章 1.名词解释：单形 2.基本概念（判定正误）： （1）以单形中任意一个晶面作为原始晶面，通过对称型中全部对称要素的作用，一定会导出该单形的全部晶面。 （2）在同一对称型中，由于晶面与对称要素之间的位置不同，可以导出不同的单形。 （3）不同形态的单形其对称型一定不同。 （4）一个对称型最多能推导出7种单形，因此一个聚形最多只可能由7种单形相聚。 （5）一个结晶单形对应于多个几何单形。 （6）（中级晶族中，）柱类单形都与Z轴平行。
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
《结晶学与矿物学》实验教学大纲 一、实验课名称：结晶学与矿物学 二、适用专业：四年制本科地质学、资源勘查工程、矿物加工工程专业 三、采用教材：结晶矿物学实习指导书 四、课程总学时：80~90 学时（40 学时） 五、实验项目名称和学时分配
六、实验教学的目的和要求： 结晶矿物学是地质专业，材料专业的重要专业课。本课程的主要目的是掌握造岩矿物的基本形态，鉴定特征。要求学生学会用肉眼识别矿物的基本方法，并能用简单方法、手段对矿物进行鉴定。 七、实验内容和要求 （一）实验项目实 验1.晶体对称要素实 验内容： ①观察晶体模型外形面、棱、角顶的重复规律。 ②理解对称轴、对称面和对称中心的对称要素含义。
实验要求： ①掌握寻找对称要素的方法 ②学会确定对称要素的种类和数目 实验2.利用对称要素组合定律寻找对称要素： 实验内容： ①练习应用对称要素组合定律寻找对称要素。 ②根据组合要素特点确定对称型及对称型的书写格式。 实验要求： 掌握 32 个对称型和对称分类体系 实验3.单形认识 实验内容： ①对照 47 种单形图形，观察实际模型认识并记忆名称。 ②从形状、晶面和对称要素关系熟悉常见 18 种单形。 实验要求： ①熟练掌握 18 种单形晶体。 ②了解不同单形在各晶族、晶系中的分布。 ③作单形赤平投影图。 实验4.聚形分析 实验内容： ①根据对称要素特点确定晶族、晶系。 ②根据聚形上晶面类型，确定单形数目。 ③确定聚形中单形的名称。 实验要求： 掌握聚形晶体的分析方法，学会确定单形的种类，名称和数目。实验5.等轴晶系对称型的国际符号、晶体定向及单形符号 实验内容： ①找出晶体的对称要素，确定晶系和对称型。 ②写出等轴晶系对称型的国际符号。 ③确定晶面符号，单形符号。 实验要求：
结晶学 一、基本概念： １．晶体（ｃrysｔaｌ)的概念：内部质点在三维空间周期性重复排列构成的固体物质。这种质点在三维空间周期性地重复排列称为格子构造，所以晶体是具有格子构造的固体。 2对称型（cｌass ofｓymmｅtry）晶体宏观对称要素之组合。(点群，point ｇroup） 3.空间群：一个晶体结构中，其全部对称要素的总和。也称费德洛夫群或圣佛利斯群。 4.单形(Ｓimｐle foｒm):一个晶体中,彼此间能对称重复的一组晶面的组合。 即能借助于对称型之全部对称要素的作用而相互联系起来的一组晶面的组合。 5.双晶：两个以上的同种晶体，彼此间按一定的对称关系相互取向而组成的规则连生晶体。 6.平行六面体：空间格子中按一定的原则划分出来的最小重复单位称为平行六面体。 是晶体内部空间格子的最小重复单位,是由六个两两平行且相等的面网组成。7．晶胞:能充分反映整个晶体结构特征的最小结构单元，其形状大小与对应的单位平行六面体完全一致。 8．类质同像: 晶体结构中某种质点为性质相似的他种质点所替代,共同结晶成均匀的单一相的混合晶体，而能保持其键性和结构型式不变,仅晶格常数和性质略有改变。9．同质多像:化学成分相同的物质,在不同的物理化学条件下，形成结构不同的若干种晶体的现象。 10．多型：一种元素或化合物以两种或两种以上层状结构存在的现象。这些晶体结构的结构单元层基本上是相同的，只是它们的叠置次序有所不同。 二、晶体的6个基本性质 1、均一性（hｏmogeｎｅity):同一晶体的任一部位的物理和化学性质性质都是相同的。 2、自限性(pｒoperty of seｌf-confiｎement)：晶体在自由空间中生长时,能自发地形成封闭的凸几何多面体外形。 3.异向性（各向异性）异向性(anisｏｔroｐy): 晶体的性质随方向的不同而有所差异。4．对称性(prｏperty of symmetry): 晶体的相同部分（如外形上的相同晶面、晶棱或角顶,内部结构中的相同面网、行列或质点等)或性质，能够在不同的方向或位置上有规律地重复出现。 5. 最小内能性：在相同的热力学条件下，与同种化学成分的非晶质体、液体及气体相比，以晶体的内能为最小。 6. 稳定性:在相同的热力学条件下，对于化学成分相同的物质，以不同的物理状态存在时，其中以结晶状态最为稳定。 三、晶体的对称特点及晶体的对称规律 1．晶体的对称具有以下3个特点：p２3 ⑴一切晶体都是对称的。 ⑵晶体的对称是有限的。遵循“晶体对称定律”。 ⑶晶体的对称不仅包含着几何意义，也包含着物理意义:不仅体现在外形上，也体现在性质上。 2. 晶体对称定律( ｌawｏf crystaｌsymmetry)：晶体中只可能出现轴次为一次、二次、三次、四次和六次的对称轴（Ｌ１、L2、L3、L４和L6）,而不可能存在五次及高于六次的对称轴。
1.晶体：晶体是内部质点(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性平移重复排列而形成格子构造的固体。相应地，内部质点在三维空间呈周期性平移重复排列的固体物质，称为结晶质。 2.面角守恒定律：同种物质的所有晶体，其对应晶面的夹角恒等 3.类质同象与同质多象 类质同象：晶体结构中某种质点（原子、离子或分子）被其他类似的质点所代替，仅晶格常数发生不大的变化，而结构型式并不改变的现象，如菱锰矿中的镁被铁代替，结构形式不变同质多象：同种化学成分的物质，在不同的物理化学条件下，形成不同结构的晶体的现象。如CaCO3在不同条件下可以形成方解石和文石 4.双晶与平行连生 双晶：指两个或两个以上的同种晶体，其结晶学取向彼此呈现为一定对称关系的 规则连生体。 平行连生：由若干个同种的单晶体，按所有对应的结晶方向（包括各个对应的结晶轴、对称要素、晶面以及晶棱方向）全都相互平行的关系而组成的连生体。平行连生也称平行连晶。如萤石立方体的平行连生 5、空间格子、点群与空间群 空间格子：表示晶体内部质点在三维空间做周期性平移重复排列规律的几何图形点群：晶体外部对称要素的组合。（对称型）32种空间群：晶体内部结构所有对称要素的组合。230种 6.解理：矿物晶体在受力作用时，沿一定结晶学方向破裂成一序列光滑平面的固有特性称为解理。这些平面称解理面。如方铅矿的立方体完全解理 7.单形：由对称要素联系起来的一组晶面的总合.如四方柱 结晶单形：不仅考虑几何形态，还考虑其对称性的46种单形。 几何单形：如果将形状相同的归为一个单形，几何形态上不同的单形有47种 一般形,特殊形；凡是单形晶面处在特殊位置，即晶面垂直或平行于任何对称要素，或者与相同的对称要素以等角相交，这种单形被称为特殊形；反之，单形晶面处于一般位置，即不与任何对称要素垂直或平行，这种单形称为一般形。 一般形的形号都为{ hkl }或{ hkil }。每个对称型只有一个一般形。属于同一对称型的晶体归为一个晶类，晶类的名称以一般形来命名。一般形的原始晶面位置都在最小重复单位的内部 开形、闭形；根据单形的晶面是否可以自相闭合来划分。凡是单形的晶面不能封闭一定空间者称开形，例如各种面、柱、单锥等等；反之，凡是单形晶面可以封闭一定空间者，称为闭形，例如各种双锥、面体和等轴晶系的全部单形等等。左形、右形；互为镜像，但不能借助于旋转或反伸操作使之重合的两个图形。左形与右形不仅针对几何单形而言，也针对结晶单形的，有的单形在几何形态上看不出左右形，但内部结构的对称性可以有左右形之分。凡是属于只有对称轴，无对称面和对称中心的对称型的晶体，不管几何形态如何，其晶体内部结构和物理性质都有左右形之分。 正形、负形；取向不同的两个相同单形，相互之间能够借助于旋转操作彼此重合。例如：五角十二面体、四面体. 定型、变形：一种单形其晶面间的角度为恒定者，称定形；反之，称变形。凡单形符号为数字的，一定是定形，凡单形符号是字母的，一定是变形。属于定形者有：单面、平行双面、三方柱、四方柱、六方柱、四面体、立方体、八面体、菱形十二面体九种单形，其余都为变形。
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
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
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。
结晶学与矿物学名词解释
结矿名词解释 1、晶体：具有格子状构造的固体 2、矿物：指地质作用中形成的天然单质和化合物，具有相对固定的化学成分和内部结构，稳定于一定的物理化学条件，是构成岩石和矿石的基本单元 3、矿物学：是研究矿物的化学成分、内部结构、外表形态、物理性质及其相互关系，并阐明地壳中矿物的形成和变化历史，探讨其时间和空间分布规律及其实际用途的科学 4、相当点（晶体结构中的相当点）：晶体结构中性质相同、环境相同的几何点。 5、空间格子：由相当点构成的几何图形。 6、网面密度：面网上单位面积的结点数目。 7、网面间距：互相平行的相邻两网面之间的垂直距离。 8、晶格的均一性和异向性：同一晶体的各个部分质点的分布相同，故性质相同是晶体的均一性；同一晶体的不同方向上质点的排列一般不同，故晶体的性质也随方向的不同而有所差异就是晶格的异向性。 9、科塞尔原理：晶体生长过程中，晶面（晶体
影点（极点）位置的球面坐标。投影轴与晶面法线之间的夹角，即极点与北极N 之间的弧角称为晶面的极距角（ρ），而包含该晶面法线的子午面与零度子午面之间的夹角则称为晶面的方位角（φ）。 19、基圆：投影球与投影面（通过球心的水平面）相交的大圆，它相当于地球的赤道。 20、对称：指物体相同部分有规律的重复。 21、对称要素与对称操作：欲使晶体相同部分有规律的重复所进行的操作称为对称操作，在进行对称操作时所应用的辅助几何要素则称为对称要素。 22、对称面（P）：是通过晶体中心的一个假想的平面，它将晶体平分为互为镜像的两个相等部分，相应的对称操作为对此平面的反映。 23、对称轴（Ln）：是通过晶体中心的一根假想的直线，当晶体围绕此直线旋转一定的角度后，可使相等部分重复，旋转一周重复的次数称为轴次（n），重复时所旋转的最小角度称为基转角（α），二者之间关系为n=360°/α 24、对称中心（C）：对称中心是一个假想的的点，
问答题 1、简述石英族矿物的分类及成因产状。（7分） 答案要点：分类：α-石英，β-石英，α-磷石英，β-磷石英，α-方石英，β-方石英，柯石英，斯石英 成因：α-石英各种地质作用下均可形成，β-石英酸性火山岩，α-磷石英β-磷石英，α-方石英，β-方石英，酸性火山岩，柯石英，斯石英陨石，高压成因。 2、简述层状硅酸盐矿物的结构型式及形态物性特点。（8 分） 答案要点：在层状硅酸盐矿物中，按八面体片中阳离子数目不同，可分为两种结构型式。在四面体片与八面体片相匹配中，［SiO4］四面体所组成的六方环范围内有三个八面体与之相适应。当这三个八面体中心位置均为二价离子(如Mg2+)占据时，所形成的结构为三八面体型结构；若其中充填的为三价离子(如Al3+)，为使电价平衡，这三个八面体位置将只有两个为离子充填，有一个空着的，这种结构称为二八面体型结构。若二价离子和三价离子同时存在，则可形成过渡型结构。 本亚类矿物的形态和许多物理性质常与其层状结构密切相关。形态上，多呈单斜晶系，假六方板、片状或短柱状。物理性质上，一般具一组极完全的底面解理；低的硬度；薄片具 3、试述矿物的分类及分类依据，并举例说明（15 分） 答案要点：大类：化合物类型，类：阴离子和络阴离子种类，亚类：络阴离子结构，族：晶体结构型和阳离子性质，亚族：阳离子种类和结构对称性，种一定的晶体结构和化学成分，亚种：完全类质同象中的端元组分比例，异种（变种）形态物性成分稍异，例如含氧盐大类，硅酸盐类，链状硅酸盐亚类，辉石族，单斜辉石，普通辉石钛辉石。 4、简述辉石族和角闪石族矿物在成分、结构、性质和成因上有何共同和不同之处？（15 分） 答案要点： 辉石族矿物 （1
结晶学与矿物学笔记 一．【结晶学及其发展史】（第一章） 1．结晶学：结晶学也称为晶体学，是以晶体为研究对象、以晶体的对称规律为主要研究内容的一门基础性的自然学科。 2．简史：1669年，斯丹诺;面角守恒定律。1784.阿羽伊；整数定律。1809、魏斯；晶体的对称定律。1830、赫赛尔；32种对称型（点群）。1855、布拉维；14种布拉维格子。1867、加多林；32种对称型（点群）。1899、费德洛夫和圣夫利斯；230种空间群。1895、X射线。1909、劳埃；X射线对晶体的衍射及结构规律研究。1960~、布拉格父子；测定了大量晶体结构。1956~1960、用电子显微镜观察晶体结构的晶格像。1984、肖特曼等；发现准晶体，由此，“准晶体学”分支学科形成。 3.学科分支：晶体化学、晶体物理学、晶体结构学、晶体生长学。 4.意义：结晶学是矿物学、材料学、生命科学等许多学科的基础，而矿物学是整个地球科的基础，材料学是人类赖以进步的基石。故曰，结晶学是一门对科学的发展、技术的进步以及社会的文明起着基础作用的重要学科。 二．【晶体的定义及相关概念】 1.晶体：内部质点在三维空间上周期性平移重复排列（也称格子构造）构成的固体物质。或晶体是具有格子构造的固体。 2.格子构造：晶体内部结构最基本的特征是内部质点在三维空间内周期性平移重复排列，即格子构造。 3.空间格子：表示晶体内部结构中质点周期性重复排列规律的几图形。 4.相当点：满足（1）.点的内容相同，（2）.点的周围环境相同的条件的点。 5.空间格子三要素：（1）结点，空间格子中的点，代表晶体结构中的相当点（2）行列.结点在直线上的排列即构成行列，空间格子中的任意两个结点联接起来就一条行列的方向行列中相邻结点间的距离称该行列的结点间距。(3).面网，结点在平面上的分布即构成面网，空间格子中任意两个相交的行列决定一个面网。一个面网上的结点分布定可以连接成一个一个的平行四边形。面网上单位面积内结点的密度称为面网密度。相互平行的面网，其密度必相同，且任意两个相邻面网间的垂直距离———面网间距也必相等。面网密度与面网间距成正比，即面网密度大的面网其面网间距亦大，反之亦然。 6.平行六面体：在三维空间上，空间格子可以划出的最小重复单位。在实际晶体结构中所划出的最小重复单位称晶包，其形状与大小取决于它的三条彼此相交的棱的长度. 7．近远程归规律：局部有序称为进程规律，整个结构范围内的有序称为远程规律。晶体两者兼备，非晶体只有近程规律，液体结构与非晶体相似，也只有近程规律，气体两者都无。 8．晶化与非晶化：由非晶体转化为晶体称晶化（脱玻化）。相反，晶体内部质点的规律排列遭破坏，而转化为非晶体的过程称非晶化。 9.准晶体：内部质点排列具有近程规律和远程规律，但没有平移周期，也不具有格子构造，介于晶体与非晶体中间的状态。 三．【晶体的性质】 1.自限性：指晶体在适当条件下可以自发的形成几何多面体外形的性质。晶体的多面体形态是其格子构造在外形上的直接反映。 2.均一性：在同一晶体的不同部分，质点的分布一样，故其各个部分的物理性质和化学性质相同，即晶体的均一性。非晶体也具有均一性，但非晶体不具有格子构造，其均一性是统计的、平均近似的均一，称统计均一性，而晶体具有格子构造，称结晶均一性。 3.异向性：同一格子构造中，在不同方向上质点排列一般是不一样的，故晶体的性质也随方向的同而有所差异，此则晶体的异向性。晶体多面的形态也是其异向性的一种表现。 4.对称性：在晶体外形上常有相等的晶面、晶棱和顶角重复出现，这种相同的性质在不同的方向或位置上有规律的重复就是对称性。对称性是晶体极其重要的性质，是晶体分类的基础。 5.最小内能性:在相同的热力学条件下，晶体与同种物质的非晶体、液体、气体相比较，其内能最小这就是
结晶学 第一讲：绪论及晶体的形成 结晶学：是以晶体为研究对象，以晶体的生成和变化、晶体外部形态的几何性质、晶体的内部结构、化学组成和物理性质及其相互关系为研究内容的一门自然学科。 1) 晶体、格子构造、空间格子、相当点；它们之间的关系。 晶体：定义：晶体是具有格子构造内部，质点在三维空间作平移周期重复（本质）的固体。准晶体：排列是有规律的重复，但不具有周期性和格子构造。空间格子是表示这种重复规律的几何图形。首先在晶体结构中找出相当点，再将相当点按照一定的规律连接起来就形成了空间格子。相当点（两个条件：1、性质相同，2、周围环境相同。）平行六面体是三维空间内空间格子可以划出一个最小重复单位，由六个两两平行而且相等的面织成。 2) 结点、行列、面网、平行六面体; 结点间距、面网间距与面网密度的关系. 结点是空间格子中的点，它们代表晶体结构中的相当点。它们只有几何意义，为几何点。行列：由结点在直线上的排列构成。行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距。结点在平面上的分布即构成面网。面网上单位面积内结点的密度称为网面密度，与面网间距成正比。实际晶体结构中所划分出的这样的相应的单位，称为晶胞(晶胞参数：a, b, c; α,β,γ ,也称为轴长与轴角）。晶胞的形状与大小，则取决于它的三个披此相交的棱的长度。 3）晶体的基本性质：自限性、均一性、异向性、对称性、最小内能、稳定性，并解释为什么。均一性与异向性有矛盾吗：没有。均一性是晶体格子整体的性质，异向性是格子构造中不同行列各结点排列的性质。 4) 晶体的生长途径及生长理论（层生长理论、螺旋生长理论）。 生长途径：1由液相转变为固相(1)从熔体中结晶(2)从溶液中结晶2由气相转变为固相3由固相再结晶为固相(1)同质多象转变(2)原矿物晶粒逐渐变大(3)固溶体分解(4)变晶(5)由固态非晶质结晶 生长理论：层生长理论在理想情况下在晶核基础上生长时，应先生长一条行列，然后生长相邻的行列，在长满一层面网后再开始生长第二层面网，这样晶面一层一层地逐渐向外平行推移，最外层的面网便发育成晶体的晶面。螺旋生长理论：随着质点在凹角处的堆积，凹角并不会消失，只是在凹角的位置随质点的堆积而不断地螺旋式上升，导致生长界面以螺旋层向外推移，并在晶面上留下成长过程中形成的螺旋纹。 5) 晶面发育的布拉维法则和周期键链理论。 布拉维法则：实际晶体的晶面常常平行网面结点密度最大的面网。 周期键链理论：晶体平行键链生长，键力最强的方向生长最快。平行键链最多的面最常见于晶体的表面而成为晶面。 几何淘汰律：晶族中发育最好的晶体其延伸方向与基底近乎垂直，不垂直于基底的晶体在生长过程中常被排挤而消失。 第二讲：晶体的测量与投影 1. 面角守恒定律：同种物质的晶体，其对应晶面间的角度守恒。 2. 晶面的投影过程。 1 、球面投影：以晶体的中心为球心，任意长为半径，作一球面；然后从球心出发（注意：不是从每个晶面本身的中心出发），引每一晶面的法线，延长后各自