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粘土矿物学-3(200706)

粘土矿物学-3(200706)

（2）变质成因的滑石岩 变质成因的滑石岩可分为两种类型，一种是镁质碳酸盐岩中 的滑石岩，另一种是滑石片岩。前者质纯，块状构造，工业价值 最大，后者含非滑石矿物较多，具片状构造，工业上利用往往需 要进行选矿。 1）.镁质碳酸盐岩中的滑石岩 主要产在太古代的菱镁矿、白云石大理岩中。如辽宁海城滑 石岩，它产于元古代辽河群的一套变质结晶片岩、片麻岩、白云 石大理岩和菱镁矿中。 滑石岩呈大小不等的扁豆体或透镜体，滑石岩体与围岩界线 不清，需根据化学分析圈定。岩体延长最大约500m，平均厚度 35m左右，最大延深约400m，岩体内常包裹着滑石化的菱镁矿 岩块及白云石大理岩的残留体。 岩石主要为块状及片状。块状滑石岩质量最佳，滑石含量可 达90％以上，其共生矿物为菱镁矿、白云石、偶尔有少量石英、 磷灰石、黄铁矿以及次生的蛇纹石、绿泥石等。
2）．区域变质的滑石岩
以四川滑石岩为例，区域地层为前震旦纪登相营下段，主要是一套硅质 条带白云岩、白云质灰岩、白云质大理岩等。地层呈S形弯曲，节理甚为发 育。滑石岩产于白云石大理岩中，呈脉状或透镜状。 滑石在岩石中的含量约为30-50％，其它共生矿物为白云石、方解石、石 英与透闪石。在地表，由于风化作用，滑石可以加富至50-70％。 滑石岩主要为片抉构造 成因，一般认为是富镁的碳酸盐在一定的温度压力条件下与Si02反应生 成的：
3.3 叶蜡石岩 叶蜡石也和滑石相似，很少有人想到它在沉积岩中也能形 成。1984年方邺森等人在江苏丹徒县发现并证实叶蜡石不仅可以 在沉积岩中形成，而且可以形成有重要工业价值的粘土矿产 （1）沉积成因的叶蜡石岩 据南京大学方邺森报导，江苏丹徒十里长山一带泥盆纪五通 组砂岩中，约有5—9层叶蜡石岩，厚薄不等，最厚可达4.75m， 最薄约0.7m.。 叶蜡石岩呈青、灰、白、黑等色，在风化带为具可塑性的粘 土，手感滑润，偏光显微镜下呈鳞片状集合体，干涉色可达二级。 叶蜡石在岩石中的含量可达60％左右，其它矿物为高岭石、石英 及白云母。

第七章 粘土岩

第七章 粘土岩

• 三、有机物质
• 粘土岩中常有数量不等的有机物质，而有机质的 丰度以岩石中剩余有机碳含量、氨基酸的总量以 及氨基酸总量/剩余有机碳的比值作为衡量标准。 剩余有机碳含量、氨基酸含量高，氨基酸总量/剩 余有机碳的比值低，则有机质丰度高，此类粘土 岩为良好的生油岩。这类粘土岩常呈深灰、灰黑、 黑色，多形成于受限制的安静低能还原环境，如 泻湖、海湾、海湖深水盆地。同时，这种环境也 利于硫化铁的生成，故硫化铁矿物（如黄铁矿） 常与富有机质的暗色粘土岩共生。
集合体呈六方柱状的全自形高岭石
扫描电镜
• 2.埃洛石（多水高岭石）族 • 有埃洛石和变埃洛石两种主要矿物。
• 埃洛石又称多水高岭石、四水高岭石、叙 永石，Al4[Si4O10](OH)8 ·4H2O；变埃洛石 又称变多水高岭石、二水高岭石、变叙永 石，含有2.2~2.3 H2O。
• 埃洛石的晶体结构为1:1型。层间域有 一层水分子，故层间水较多。10埃埃 洛石多呈白色致密块状集合体，断口 细腻，微具油脂光泽或瓷状光泽。风 干后呈现不规则尖角状裂纹。相对密 度2.1~2.6，硬度1.0~2.6，遇酸较易溶 解。
K＜1Al2[（Al，Si）Si3O10]（OH）2·nH2O 。 晶体结构属2:1型。 • 偏光显微镜下，伊利石呈鳞片状、羽毛状 集合体。无色，低~中正突起，干涉色可达 二级顶部，近乎平行消光，正延性。
• 透射电镜下，伊利石呈不规则鳞片状晶体 或边界圆滑的片状。
• 扫描电镜下，伊利石集合体呈层片状排列 或弯曲片状。
• 凹凸棒石为青灰至灰白色，土状，具粘性和可塑 性，浸泡不易分散；可形成具工业规模的矿床。 （坡缕石为白色纤维状，无粘性和可塑性。结晶 程度较好）。
• 偏光镜下，凹凸棒石呈黄褐色、浅绿色纤维状或 鳞片状集合体，干涉色达一级黄，常与蒙脱石共 生，不易区分。

粘土矿物1

粘土矿物1
一、粘土是一个岩石术语； 粘土是一个岩石术语； 粘土是一个粒度术语。 二、粘土是一个粒度术语。
岩石术语
粘土是粘土矿物的集合体， 粘土是粘土矿物的集合体，在沉积 岩石学中， 岩石学中，粘土指的是疏松的尚未固 结成岩的以粘土矿物为主的沉积物， 结成岩的以粘土矿物为主的沉积物， 经过成岩作用以后就变为“粘土岩” 经过成岩作用以后就变为“粘土岩”， 换句话说： 换句话说：把松散的具有可塑性的称 粘土” 为“粘土”，而把坚硬的无可塑性的 称为“粘土岩” 称为“粘土岩”。粘土岩或粘土中粘 土矿物含量高于50%。与粘土岩相近 土矿物含量高于 。 岩石术语还有泥岩、页岩、 岩石术语还有泥岩、页岩、板岩和泥 板岩。 板岩。
性质独特
粘土矿物是自然界颗粒最细小的一类矿物， 粘土矿物是自然界颗粒最细小的一类矿物，有 晶质和非晶质两类。晶质粘土矿物的基本结构属于 晶质和非晶质两类。 二维系，晶体呈层片状；粘土矿物在比表面、电荷、 二维系，晶体呈层片状；粘土矿物在比表面、电荷、 阳离子交换、吸附有机质、 阳离子交换、吸附有机质、水化膨胀及对环境的敏 感性等方面都具有突出的特性。 感性等方面都具有突出的特性。
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2
前言[01]__概念 概念 前言
粘土和粘土岩 关于“粘土” 关于“粘土”术语含义 各学科理解不尽相同， 各学科理解不尽相同， 地质学家强调颗粒大小； 地质学家强调颗粒大小； 工程学家强调粘土的可 塑性； 塑性；而陶瓷学家则强 调粘土的烧结性。 调粘土的烧结性。一般 来说， 来说，地质科学中的粘 土具有两方面的含义， 土具有两方面的含义，
粒度术语
粘土指的是粒度分析中最细部分， 粘土指的是粒度分析中最细部分， 也即粘土级部分。 也即粘土级部分。粘土级上限一般采 用2 µm，也常有采用 ，也常有采用5µm或4 µm者， 或 者 甚至也有1 甚至也有 µm或10 µm者。各学科不 或 者 尽一致。 尽一致。

第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础

第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础
晶格取代作用可以发生在八面体中典型的是mg晶胞平均负电荷比蒙脱石高产生的负电荷主要由k伊利石石油工程学院石油工程学院182013818伊利石负电荷主要产生在四面体晶片离晶层表与晶层的负电荷之间的静电引力比氢键强水不易进入晶层间
第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础
本章要求重点掌握内容：

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2012-6-9
石油工程学院
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(5)海泡石族（层链状结构）
海泡石族矿物俗称抗盐粘土，属链状构造的含水 铝镁硅酸盐。包括：海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石(又 名山软木)。海泡石族矿物是含水的铝镁硅酸盐，晶体 构造常为纤维状，海泡石族矿物特点是硅氧四面体所
组成的六角环都依上下相反的方向对列，并且相互间
Al O-…... H+
粘土晶体的端面上吸附了OH-、SiO3
机阴离子聚电解质等。
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2-等无机阴离子或吸附有
OHSiO3 2-
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3. 正电荷 —— 表面电荷 来源：粘土端面上带正电荷的原因多数人认为是由于裸露在边 缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质中解离出OH-，如下式所 示：当PH<8时, 特点: 受环境PH值影响 。 粘土的负电荷一般多于正电荷，粘土一般带负电。 Al —O — H → Al+ + OH-
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石油工程学院
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特点 晶格取代 主要在八面体中：Mg2+ Al3+ 晶层上下面为氧原子，分子间力连接，连接力弱， 水分子易进入引起晶格膨胀；晶格取代、带有较多负 电荷，能吸附等电量阳离子。水化阳离子进入晶层， 层间距增加。蒙脱石是膨胀型粘土矿物，增加了胶体 活性 补偿阳离子：Na+、Ca2+ 阳离子交换容量高：70-130 mmol/100克土 水化能力强。

粘土矿物

粘土矿物

东营凹陷沙四上亚段Sr Ba比值分析图 东营凹陷沙四上亚段Sr / Ba比值分析图
沙四上亚段含盐水溶液中， Sr／Ba比值是在 0～8, 甚至最高值可达到12。东北 部永安镇、民丰、广利港一带河流-三角洲水的进入，Ba很快沉积，形成Sr／Ba比 值最低值，大约 0～1。随着离岸距离的增大，Sr含量相对富集在辛镇、郝科1、史 口、利津和牛庄等开阔半咸水湖相，比值大约是在 1～5。最后向南坡和西部的含盐 水Sr／Ba高达到6～8 及其以上，如王家岗、纯化镇等含咸分析图 东营凹陷沙四上亚段Fe/Mn比值分析图
湖盆Fe和Mn性质分异较明显，大致0.005以上至0.007的Fe/Mn高比值是 在Fe+3更多富集于河口或滨岸地带, 而Mn+2更多富集于小于0.005以下的滨 656、郝科1、王587等较深水区的低值响应。
交换性阳离子 n H2O
O2 Si 4+ OHAl3+ (Fe2- 、Fe3+ 、 Mg 2+）
伊利石类构造示意图
蒙托石构造示意图
高呤石: 假六方板状， 高呤石: 假六方板状，书页和蠕虫状
高岭石: 高岭石:
假六方板状，书页和蠕虫状 假六方板状，
蒙脱石
弯片状、棉絮状，遇水膨胀，脱落堵塞 弯片状、棉絮状，遇水膨胀，
蒙托石
伊利石
绿泥石
混层 伊/蒙 绿/蒙
山东济阳坳陷砂岩成岩作用序列表
成岩带 一般埋深 m 主要层位 储层主要沉积相 地温 ℃ 镜煤反射率 % 一般孔隙度 % 平均渗透率 10-3μm 有机质成熟度 粘土环边 早期方解石化 石英次生加大 自生高岭石化 黑云母碳酸盐化 深层溶解次生孔隙出现 阶状石榴石形成 斜长石钠长石化 铁方解石胶结交代作用 铁白云石胶结交代作用 蒙托石带 无序混层带 有序混层带 伊利石带 油气形成 常见敏感性伤害 浅层 <1700 Nm～ Nm～Ed 河流冲洪积 <75 0.35 25～ 25～35 500～ 500～600 未成熟 中层 1700～ 1700～2100 Ed～ Ed～Es2 湖砂坝湖砂坝-三角洲 90 0.45 20～ 20～30 500～ 500～2000 半成熟 深层 超深层 2100～ 2100～3200 >3200 Es2～Es4 Es4～Ek 湖三角洲-浊流湖三角洲-浊流-河流冲洪积 130 >130 0.65 >0.65 5～20 1～10 50～ 50～500 >10 成熟 高成熟

粘土矿物1

粘土矿物1

（2）非膨胀性
在伊利石晶层之间 吸附有钾离子。它受到 相邻两晶层负电荷的吸 附，因而对相邻两晶层 产生了很强的键联效果， 连接力很强，使晶层不 易膨胀。
（3）电荷数量较大
同晶替代较普遍， 主要发生在硅片中， 但部分电荷被K＋离子 所中和，阳离子交换 量介于高岭石与蒙脱 石之间。
（4）胶体特性
3、水化云母组
又叫2：1型非 膨胀性矿物或伊利 组矿物。
水化云母组具有以下特征：
（1）2：1型晶层结构
晶层结构与蒙脱石相似， 同样是由两层硅片夹一层 铝片组成，硅片和铝片的 比例为2：1，故又称2：1 型非膨胀性矿物。
伊利石是其代表。分子 式为： K2（Al·Fe·Mg）4 （SiAl）8O20（OH） 4·nH2O。
晶层类型
两种晶片的配合比例不 同，而构成： 1：1型晶层 2：1型晶层 2：1：1型晶层
（1）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成单位 晶层。这样1：1型层状铝硅酸盐的 单位晶层有两个不同的层面，一个 是由具有六角形空穴的氧原子层面， 一个是由氢氧构成的层面。
2、单位晶片
从化学上来看，四面体 为 （ SiO4）4－， 八 面 体 为 （AlO6）9－，它们都不是化 合物，在它们形成硅酸盐粘 土矿物之前，四面体和八面 体分别各自聚合。
（1）四面体片（简称硅片）
在水平方向上四面体通过共 用底部氧的方式在平面两维方向上 无限延伸，排列成近似六边形蜂窝 状的四面体片（简称硅片）。
粘土矿物的分类
粘土矿物根据结晶学特征分 为三类：
一、层状硅酸盐粘土矿物， 二、纤维状硅酸盐粘土矿物， 三、非硅酸盐粘土矿物（非 晶质粘土矿物）。

土壤学课件第2章粘粒矿物

土壤学课件第2章粘粒矿物

化学结构式
[SiO4] 4-
第五节 粘粒矿物
二、层状硅酸盐粘土矿物
1、基本结构特征
硅氧四面体片底层有 六角形网眼要记住！ 哇噻，网眼半径1.32 埃。谁会被陷进去？
许多硅四面体可以共用 氧原子形成一层。氧原 子排列成为中间有空的 六角形，称为硅氧四面 体片，简称硅片。
第五节 粘粒矿物
二、层状硅酸盐粘土矿物
子交换量为10－40 Cmoles(+) kg-1。 ➢ 颗粒较小，其可塑性、粘结性、粘着性和吸
湿性居中
土壤的绿泥石大部分是由母质遗留下来，但也可能由层状 硅酸盐矿物转变而来。沉积物和河流冲积物中含较多的绿 泥石。
小结
单位晶层 1：1型 2：1型 2：1型 2：1：1型
矿物类型 1：1型粘土矿物
2：1型膨胀性矿物 2:1型非膨胀性矿物 2：1：1型粘土矿物
第五节 粘粒矿物
一、粘粒矿物概念
分布在粘粒部分的矿物
硅酸盐：最重要的造岩矿物，自然界中，占已知矿物种类的1/3，占岩 石圈量的80-90%，绝大多数都以硅酸盐为主要矿物成分，由岩石风化 成为土壤，土壤亦含大量硅酸盐—土壤的骨骼。在硅酸盐中，其结构可 以看成是氧离子组成骨架，阳离子填充于氧离子空隙中,阳离子的大小很 重要.
第五节 粘粒矿物
三、非硅酸盐粘粒矿物－氧化物类
4、常见氧化物
（一）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矿
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
赤铁矿 （a-
）：红色，呈六角板状，少量赤铁矿的存在也会使土壤看起来呈
在2：1单位晶层的基 础上多了1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、1 个铝片和1个镁片 （或铝片）构成。

粘土矿物的晶体构造与性质

粘土矿物的晶体构造与性质

三.造浆粘土的选用
钻井泥浆是粘土在水中的分散体系，从钻井工程 的工艺要求出发，需要采用较为优质的膨润土造 浆，即需要选用以含蒙脱石为主的钠膨润土为造 浆材料。 国内外富含蒙脱石的大型优质膨润土矿有不少， 如我国的新疆夏子街、山东高阳、辽宁黑山、浙 江余杭，美国的怀俄明以及南澳大利亚等地都有 高纯度的大型膨润土矿床。泥浆公司和粘土粉生 产厂家从这些地方采取粘土矿原料，做适当的加 工，形成造浆粘土的正规产品。
2、表面羟基与H+与OH-的反应（可变电荷）
在酸性环境中：羟基与H+反应，粘土带正电性。
﹥Al-OH + H+
﹥Al+ + OH-
在碱性或中性条件下：羟基与OH-反应，粘土带负电性。 ﹥Al-OH + OH﹥Al-O- + H2O
3、吸附
力等 物理吸附，氢键，分子 化学吸附，化学键力 离子交换吸附，离子交 换
周围吸附的阳离子数目较多，可发生交换的阳离子数目 多，所以C.E.C大。
Ｅ、造浆率高
☞因为蒙脱石具有很强的水化膨胀能力，造浆率高，所以它
是钻井泥浆的主要配浆材料。
（3）伊利石
①伊利石晶体结构示意图
②伊利石特点 A、2：1型粘土矿物 B、存在晶格取代，取代位置主要在 Si-O四面体中，且取代数目比蒙脱 石多，产生的负电荷由等量的K+来 平衡。 C、晶层间引力以静电力为主，引力 强，属非膨胀型粘土矿物。为什么？
⑵蒙脱石
①蒙脱石晶体结构示意图
Si-O Al-O Si-O Si-O Al-O Si-O
②蒙脱石特点
A、2：1型粘土矿物 B、存在晶格取代，取代位置主要在Al-O八面体中，即Al3+ 被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，产生的负电荷由等量的Na+

第二章 第四节 粘土矿物自生与转化

第二章 第四节 粘土矿物自生与转化

2、高岭石
高岭石族粘土矿物包括高岭石，地开石和珍珠陶土3种矿物。高岭石 族矿物的晶体结构以高岭石为代表。高岭石由一层Si—O四面体和一层Al— （O—H）八面体组成。
3、蒙皂石 现代的用法趋向于建立1个蒙皂石族（Semetite）来代替过去的蒙脱
石族。 蒙皂石又分为蒙脱石（在八面体层中Mg代替Al）和贝得石（在四面
孔隙衬层
孔隙衬层或 孔隙充填 孔隙衬层或 孔隙充填 孔隙衬层
孔隙衬层
孔隙衬层
2-10
2-10 4-150 ， 通 常 4-20 8-40
0.1-10
2-12
2-12
特殊特征
锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？） 锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？） 锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？）
颗粒之间搭 桥 颗粒之间搭 桥 颗粒之间搭 桥
410、蒙皂石与高岭石 （霍6井，1647.02m，大磨拐河组，SEM）
371、粒间大孔隙，颗粒表面贴附蒙皂石 （贝16井, 1334.70m，兴安岭群,SEM）
394、粒间充填伊利石 （乌20井，2073.67m，南屯组，SEM）
395、伊利石贴附颗粒与充填孔隙 （乌20井，2077.09m，南屯组，SEM）
体层中Al代替Si）两个亚组。 蒙脱石有两个四面体层夹1个八面体层组成。
3、伊利石 伊利石并不是一种具体矿物。这个术语表示一组具有云母
构造的粘土矿物，过去称之为水云母。
二、如何区别自生与碎屑粘土矿物
1、识别手段 A 扫描电镜 B 电子探针 C 偏光显微镜 D x射线衍射分析（结晶度，伊利石） E 透射电子显微镜
H2O，Na+，Ca2+
蒙皂石
火山玻璃
＋H2O；—Na+，Ca2+，K+

第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础

第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础
b. 离子半径 离子半径越大离子水化半径越小，离 子的吸附性越强交换能力越大，通常离子的交换 能力由弱到强的排列顺序为：
Li+<Na+<K+(NH4+)<Mg2+<Ca2+<Ba2+<Al3+<Fe3+<H+
c. 离子浓度 离子浓度越大交换能力越强
四、粘土的凝聚性
（1）概念：粘土矿物（颗粒）在水分散体系状态下，通 过不同的联结方式产生絮凝或聚结（集）的现象。
膨胀性是衡量粘土亲水性的指标，亲水性越强，吸水量越 大，水化膨胀越厉害。 二、水化膨胀机理
各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的 程度不同而已。粘 土水化膨胀受三种力制约：表面水化 力、渗透水化力和毛细管作用。
二、 粘土的水化膨胀性
(1)表面水化 ①定义：由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附的 可交换性阳离子间接吸附水分子而导致的水化。 ②表面水化机理 直接水化：粘土表面上的H+和OH-通过氢键吸附水分子 间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子 (2) 渗透水化
D、CEC 大介于高岭石与蒙脱石之间（200-400mmol/kg)
☞蒙脱石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，由于 蒙脱石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层 表面近，故与K+产生很强的静电力， K+不易交换下来。
☞ K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴 中，起到连接作用，周围有12个氧与它配伍，因此， K+连 接通常非常牢固，不易交换下来。
2 粘土矿物带电量
CEC：pH值等于7的水溶液中1kg粘土中可被交换 出来的阳离子电荷总数。

3土壤粘土矿物

3土壤粘土矿物

3-2 层状硅酸盐矿物结构
(3) 蛭石（Vermiculite) 结构为2:1型，有三八 面体粗粒蛭石和二八面体粘粒蛭
石，其单位化 学式分别为M0.70Mg3[Si3.3Al0.7O10](OH)2 和 M0.74(Al1.4Mg0.3Fe3+0.3)[Si3.56Al0.44O10](OH)2。三八面体蛭石 多由黑云母、绿泥石等矿物风化或热液蚀变而成，在土壤 中主要分布在砂粒或粉砂粒中，土壤粘粒中的蛭石以二八 面体型为主，它们可以是云母和水云母进一步脱钾而成。 蛭石的层电荷比云母低。
3-1 离子化固体结构原理
在矿物晶体形成时，离子都尽可能地相互靠近，形成 最紧密堆积以达到内能最小、处于最稳定的状态。可用 原子的球体模式预测离子键晶体中可能有的原子排列。
3-1 离子化固体结构原理
六方最紧密堆积 原子按 ABABAB 二层重复一次的规律堆积，使原子在空
间的分布与空间格子中的六方底心格子相一致 。
3-2 层状硅酸盐矿物结构
(4) 蒙皂石（Smectite): 蒙脱石在 水中能分散，特别是钠蒙脱石具有高度分
散性，在水中易分散成极薄的片，钙蒙脱石分散性较差。 蒙脱石颗粒细小，有很大的比表面，约为600-800m2 ·g-1， 且以内表面为主。蒙脱石的吸湿性、胀缩性和对阳离子的 交换吸附性，以及对有机污染物、农药等的吸附性等，使 其在土工建筑、重金属和放射性污染物的环保处理，以及 化工生产等方面有特殊的意义和用途。
3-2 层状硅酸盐矿物结构
硅氧四面体片
3-2 层状硅酸盐矿物结构
铝（镁）氧（氢氧）八面体片 铝与氧、镁与氧的半径比分别为0.364 和0.471 ，均可
形成六配位的八面体结构。八面体中铝（镁）离子周 和围等距离地配上六个氧（氢氧），三个在上，三个在下 ，相互错开作最紧密堆积。相邻的两个八面体通过共棱边 的两个相连形成八面体片。铝（镁）氢氧八面体片由n个 [Al4(OH)12]或n 个[Mg6(OH)12]单元组成，片厚约0.5nm。

第二章粘土矿物和粘

第二章粘土矿物和粘
从上式可以看出，降低体系表面能有两条途径：一条 是缩小表面积；另一条是减小比表面能σ。前者引起一系 列的毛细管现象和胶态体系的聚结不稳定性，后者引起吸 附作用。
钻井液是粘土—水的胶质悬浮体系，分散在水中的粘 土细粒具有巨大的表面积，因此，它们亦有聚结以及吸附 作用，且都是自发地进行的，以使体系的表面积减小。
淋洗完成后，将滤液蒸干并进行焙烧，此时各种醋酸 盐均分解为无机化合物。反应式如下：
残渣用盐酸处理后，即可测定钙、镁等离子含量； 醋 酸铵淋洗以后的粘土，用乙醇洗去过剩的醋酸铵，再向粘 土中加浓NaOH溶液，NH4+又被Na+交换出来，生成氢氧化铵。 因而，经过直接蒸煮后，得到NH4OH，用标准酸吸收，再经 过滴定，便可换算为每100g土的交换性阳离子的毫粘摩尔 数，即粘土的阳离子交换容量。
粘土的水化作用
粘土矿物的水分：结晶水、吸附水、自由水、
结晶水：为粘土矿物的一部分，与粘土矿物之 间以化学键相连，温度较高（300℃） 才能释放出来。
吸附水：与粘土矿物之间的作用力为分子间以 及静电引力，即水化膜形式存在，也 叫束缚水。
自由水：存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中，不 受粘土约束，可以自由运动
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
粘土阳离子交换容量的测定：测定粘土阳离子 交换容量的方法很多，经典的方法是醋酸铵淋 洗法。其基本原理如下：
淋洗剂为醋酸铵NH4Ac，NH+可交换出粘土中的 Ca2+和Mg2+等阳离子，其作用可用图2—11表示。
粘土的交换性阳离子及 阳离子交换容量的测定
钻土的正电荷与负电荷的代数和即为粘土品体的净 电荷数。由于粘土的负电荷一般多于正电荷，因此，粘 土一般都带负电荷。

第二章粘土矿物课件PPT

第二章粘土矿物课件PPT

钾离子直径（0.266nm）与硅氧四面体片中的六方网格结 构内切圆直径（0.288nm）相近，使它易进入六方网格结构中 而不易释出，所以晶层结合紧密，水不易进入其中。伊利石层 间距比较稳定，一般为1.0nm。
矿物 名称
晶型
晶 nm层间距-1/10 层间引力
阳/m离mo子l·(交10换0g容粘量土)
-1
2、2:1层型基本结构层 由两个硅氧四面体片夹着一个铝氧八面体片结合而成。
七层原子面：一层铝面，两层硅面和四层氧（或羟基）面。典型矿物：蒙脱石
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引伸概念
粘土矿物分别由上述两种基本结构层堆叠而成。 层间域：当两个基本结构层重复堆叠时，相邻基本结构层 之间的空间； 粘土矿物的单位构造：基本结构层加上层间域； 层间物：存在于层间域中的物质；若层间物为水时，则称 为层间水，若层间域中有阳离子，则称为层间阳离子。
分子间力（不存在氢键）
膨胀型粘土矿物
大量的晶格取代
大量可交换阳离子
蒙脱土的晶格取代主要发生在铝氧八面体片中，由铁或镁取代铝氧八面体中 的铝。硅氧四面体中的硅很少被取代。晶格取代后，在晶体表面可结合各种可交 换阳离子。
可交换阳离子为钠
钠蒙脱石
可交换阳离子为钙
钙蒙脱石
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高岭 1:1 7.2
氢键力，引力强 3~15
石
2021/3/10蒙石脱 2:1 9.6~40.0
分子间力，引力 70~130 弱
14
20~40
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四、绿泥石（Chlorite）
基本结构层是由一层类似伊利石2:1层型的结构片与一层水 镁石片组成。与其他2:1层型的粘土矿物相比，不同之处在于它 的层间域为水镁石片所充填。水镁石片为八面体片，片中的镁 为铝取代，使它带正电性，可代替可交换阳离子补偿2:1层型结 构中由于铝取代硅后产生的不平衡电价。

粘土矿物2

粘土矿物2
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一[02]__粘土矿物的晶体结构 粘土矿物的晶体结构
有 序 无 序 的 概 念 --
有序--无序是一个结晶学概念。从理论上讲， 有序 无序是一个结晶学概念。从理论上讲，原子或离 无序是一个结晶学概念 子在结晶过程中总是倾向于进入特定的结构位置， 子在结晶过程中总是倾向于进入特定的结构位置，形成有序 结构，从而最大限度地降低内能，达到最稳定的状态。通常 结构，从而最大限度地降低内能，达到最稳定的状态。 所指的结构有序 长程有序， 结构有序是 所指的结构有序是长程有序，也就是全部点阵都作有秩序有 规律的分布。与长程有序相对应的是短程有序，短程有序指 规律的分布。与长程有序相对应的是短程有序，短程有序指 的是镶嵌在一个个小区域（晶畴）内的有序结构。 的是镶嵌在一个个小区域（晶畴）内的有序结构。 结晶过程中的热扰动或晶体的快速生长都会促使原子或 离子随机地占据任何可能的结构位置，从而形成无序结构。 离子随机地占据任何可能的结构位置，从而形成无序结构。 无序结构 由于无序结构中的原子或离子是随机地占据任何可能的结构 位置，内能大，所以，无序结构是一种不稳定的结构。 位置，内能大，所以，无序结构是一种不稳定的结构。 有序--无序之间是可以相互转化的 无序之间是可以相互转化的， 有序 无序之间是可以相互转化的，当温度高于某一临 界值时，有序结构将转变为无序结构；反之， 界值时，有序结构将转变为无序结构；反之，当温度低于这 个临界值时，无序结构又会向有序结构转变。由无序结构向 个临界值时，无序结构又会向有序结构转变。 有序结构的转变作用称为有序化 有序化。 有序结构的转变作用称为有序化。 有序结构有时也称为超结构或超点阵。 有序结构有时也称为超结构或超点阵。
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一[02]__粘土矿物的晶体结构 粘土矿物的晶体结构

《矿物材料》PPT课件 (2)

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矿物的表面性质既与先天因素 即矿物的组成、化学成分和结构有关， 也与加工技术有关 。
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9.3.2 光学矿物材料
1、如石英：作棱镜等光学仪器。 2、冰洲石：具有双折射现象。 3、萤石：光学材料，夜明珠。 4、闪锌矿作紫外半导体激光材料
5、电气石具有高红外辐射性能
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9.3.3 特种矿物材料
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9.3.6 超硬材料
• 合成的人造金刚石和立方氮化硼成 为超硬材料中制造切磨工具的佼佼者， 其中，立方氮化硼多晶复合材料(PCBN) 是近几年发展起来的一种性能优异的超 硬材料，具有耐磨性高、耐热性好、与 黑色金属不起亲和反应等优点，是制作 数控机床等必备的刀具材料，用于高硬 度、高耐磨性、高精度材料的加工 。
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•
沸石、海泡石、坡缕石是具有纳米通道
结构的天然纳米结构矿物材料。由于它们具
有非常大的内表面积和一定的离子交换性，
因此广泛用作吸附剂、催化剂载体和抗菌剂
载体等。
•
国内外已对沸石的纳米结构进行了研究，
并利用沸石的纳米结构进行了半导体量子纳
米团簇的组装和应用研究；
•
国外也在海泡石的纳米通道结构中组装
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• 纳米二氧化钛具有湿敏、气敏及光 催化等功能，在特种陶瓷、涂料、抗菌 材料、隐形与屏蔽材料等方面具有重要 的意义。
• 纳米白炭黑、氧化铝、氧化镁等应 用领域非常广泛，并在高新技术材料的 应用中占有重要的地位 。
• 以蛇纹石矿和煤系高岭土为原料， 通过化学处理，用水解与均匀沉淀法制 备纳米SiO2、纳米MgO和纳米A1203 粉 体。
4、矿物新材料设计研究
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一、粘土矿物的结构
（一）硅氧四面体与硅氧四面体晶片
• 其最基本的结构单元是 SiO4四面体，多个SiO4 四面体通过共用顶角上 的一个、二个或三个、 四个氧原子连成链状、 环状、片状或三维网状 结构。在空间重复形成 硅氧四面体晶片。
硅氧四面体晶片
硅氧四面体的六方网格结构 内切圆直径0.288 nm，硅氧四面体片的厚度0.5 nm
特点：电荷量不受pH值、介质的影响！
2、可变（负）电荷 粘土所带电荷的数量随介质的pH值改变而改变。
原因： （1）铝氧八面体中＞Al-OH是两性的，在碱性介质中电出
H+，使粘土带负电荷； 在酸性介质中则电离出OH-，使粘土带正电荷。 一般情况下钻井液呈碱性，所以粘土带负电荷。
（2）粘土晶层在外力作用下发生断裂，则在断裂的边缘处 可能带负电，可能带正电荷。
3、可变性（端面 ）正电荷 • 当粘土介质的pH值小于9时，粘土晶体端面上带正电荷，
这是因为裸露在边缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质 中解离出OH-:
＞Al-OH→＞Al++OH-（两性偏碱性）
粘土表面-OH的两性表现
4、净电荷数
粘土的正电荷与负电荷的代数和称为粘土晶体颗粒的净电 荷数。粘土的负电荷数一般多于正电荷，所以粘土颗粒总起来 讲是带负电荷。
1.27
1.43
1.45
水合阳离子
半径（埃） 3.3
1.6
1.0
0.7
-
0.4 7.0 5.2 4.7 2.0
-
（3）H+水化半径小。H+与水形成H3O+，它们在粘土中表面 的吸附特别强。这也是泥浆性能的研究中格外重视pH值的重 要原因。 （4）不同粘土矿物的影响 阳离子的离子吸附能力由小到大交换顺序： 高岭石 Li+＜Na+NH 4+＜H+ K+＜Mg2+＜Ca2+
第一章 粘土矿物
• 粘土在钻井工艺中起着极其重要的作用，粘土的种 类和数量直接影响钻井液的性能、井眼的稳定性以 及油气层的保护。
• 粘土主要由粘土矿物（含水的硅铝酸盐）组成，呈 颗粒状，其颗粒大多数小于2μm。它在水中具有水 化性、分散性、带电性、离子交换性。这些性能对 于处理与配制钻井液都具有重要作用，是主要的配 浆用原料。
（三）粘土-水界面的吸附作用——离子交换吸附
1、离子交换吸附： 就是一种离子被吸附的同时从吸附剂表面顶替出等电量
的带相同电荷的另一种离子的过程。 由于粘土颗粒带负电荷，它在溶液中能吸附阳离子，进
行阳离子交换吸附。离子交换吸附是经常发生的，例如:在泥 浆 中 2Na+ 与 Ca2+ 的 交 换 吸 附 ， 又 如 饱 含 盐 水 泥 浆 pH 下 降 ， Na+与H+的交换吸附。
Si-O四面体：Al3+取代Si4+ Al-O八面体： Mg2+、Fe2+取代Al3+
粘土带负电荷
二、粘土的性质 （一）粘土的带电性
粘土颗粒通常带有负电荷。 粘土带负电是它具有一系列电化学性质的根本原因。 1、永久性（负）电荷 永久性电荷是由于粘土在自然界形成时发生晶格取代作用 产生的 ，如四价硅被三价铝取代如伊利石等；三价铝为Fe2+、 Mg2+取代如蒙脱石。晶格取代是粘土带电荷的主要来源。
（2）离子半径对离子交换吸附的影响：当相同价数的各种 离子浓度相近时，一般离子半径小，水化半径大，离子中
心离粘土表面越远，则吸附弱。
Li+
Na+
K+
NH4+ Rb+
Cs+ Mg2+ Ca2+ Sr2+ Ba2+ H3O+
阳离子半径 （埃）
0.78
0.98
1.33
1.43
1.49
1.65
0.78
1.06
3、粘土矿物阳离子交换容量
粘土带电量通常用CEC表示， CEC越大，说明粘土所带 负电荷越多，三种常见粘土矿物的CEC大致如下。
矿物名称
带电原因（主）
电荷分布
高岭石 蒙脱石 伊利石
解离 晶格取代 晶格取代
边缘 AI-O八面体 SI-O四面体
CEC
mmol/100g土 3-15
70-130
20-40
பைடு நூலகம்
Si-O晶片 Al-O晶片 Si-O晶片
氧原子
可交换阳离子 nH2O结晶水
蒙脱石的晶体结构（2﹕1层型）
•单元晶层面与面堆积在一起形成晶体 •一个单元晶层到相邻的单元晶层之间的垂直距离称
为晶层间距
•层间物：层间水、层间阳离子 •晶层与晶层之间主要靠分子间力堆积在一起
(四）晶格取代
在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外阳离子所置 换，产生过剩电荷的现象。
•1、1﹕1型晶层
•由一个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体晶片构成。
高岭石的晶体结构 （1﹕1层型，层间距0.72 nm）
层面是O
层面上是O
Si-O晶片 Al-O晶片
常见的粘土矿物-高岭石
（最早发现于中国景德镇高岭林而得名）
2、2﹕1型晶层：由两个硅氧四面体晶片与一个铝 氧八面体晶片构成。
氧原子
（二）粘土的可交换阳离子及阳离子交换容量
1、可交换阳离子 为了保持粘土的电中性，粘土必然从分散介质中
吸附等电量的阳离子。这些阳离子可以被分散介质中 的其它阳离子所交换，因而称粘土的交换性阳离子。
2、阳离子交换容量 粘土的阳离子交换容量是指分散介质PH为7的情
况下，粘土所能交换下的阳离子总量，记为CEC （cation exchange capacity），单位是mmol/kg。 它反映了粘土晶体的晶格取代度。
蒙脱石 Li+＜Na+ NH4+＜K+ H+＜Mg2+＜Ca2+
（四）粘土矿物的水及水化 1、结晶水
这是粘土矿物晶体构造中的一部分，只有温度高于300℃ 以上时，结晶受到破坏，这部分水才能释放出来。 2、吸附水
（二）铝氧八面体与铝氧八面体晶片
铝氧八面体的六个顶点为氧或氢氧原子团，Al3+或Fe3+、 Fe2+、Mg2+置于八面体的中央，通常是Al3+。
铝氧八面体
单个的铝氧八面体通过共用顶角的原子或者原子团在空间 重复形成晶片。
铝氧八面体晶片
（三） 晶层的结构
•硅氧四面体晶片与铝氧八面体晶片通过共价键以适当的方法 结合，构成晶层。
2、离子交换吸附的特点 （1）同性离子交换吸附 阳离子→阳离子 （2）等电量交换吸附 2Na+→Ca2+ （3）离子交换吸附是可逆的 3、离子交换吸附强弱的规律
（1）一般在溶液中浓度相差不大时，离子价数越高， 与粘土表面的吸附能力越强，也越难从粘土表面上被交换下
来，所以 Ca2+的吸附能力比Na+强。