粘土矿物的特性及其特性

粘土矿物_结晶矿物学

三、粘土矿物

这是一类层状结构硅酸盐矿物的总称，指的是粒度小于2微米，具有无序有序过渡结构的微粒质点状的含水层状结构硅酸盐矿物。

（一）粘土矿物特性

粘土矿物常常以隐晶的粒状集合体形式存在。它们颗粒细小，比表面积巨大。具有的层状结构特征使其具有特征的层间域结构并含“水”，导致它们具有一些特殊的性质。

1.可塑性

可塑性为粘土矿物粉碎后用适量水调和捏成泥团，在外力作用下可任意改变其形状而不破裂或具有裂纹，去掉外力后仍能保持其受力时状态的性能。

粘土矿物可塑性的大小可用可塑性指数，即粘土矿物液限含水率（粘土由塑性进入流动性的含水界限）与塑限含水率（粘土由塑性进入固态的含水界限）之差来表征，可依次分为高塑性粘土矿物，可塑性指数大于15；中塑性粘土矿物，可塑性指数7－15；低塑性粘土矿物，可塑性指数小于7；无塑性粘土矿物，可塑性指数小于1。

2.膨润性

膨润性，又称为膨胀性。为粘土矿物吸水后而导致体积增大的现象。以膨胀成因不同可分为内膨胀和外膨胀。

内膨胀为水进入粘土矿物结构单位层之间，沿层面之间层层叠置使其层间距离扩大而引起的膨胀现象。如蒙脱石加水后可使体积增大1/4。

外膨胀为水存在粘土矿物颗粒之间而引起体积增大的现象。

粘土矿物的膨润性对石油开采、建筑地基等影响十分重大。

3.触变性

触变性，又称为稠化性。即粘土矿物加水形成泥浆，受到震动或搅拌时，粘度降低获得流动性，停止搅动又可恢复原状的特性。

4.悬浮性

悬浮性，又称反絮凝性。即粘土矿物悬浮于水中时难以沉淀的性质。如大江大河中，河水可携带粘土矿物流动千万里正是由于粘土矿物具有的这种性质。而粘土矿物产生此性质不仅由于颗粒细小，更由于粘土矿物的表面带有许多电荷而产生了悬浮性。

5.凝聚性

凝聚性，又称为团聚性。即在粘土矿物悬浮液中加入不同离子溶液或加热或蒸发作用或冷冻或震动作用等，会导致小的粘土质点凝聚成大质点而沉积下来。如各个河流入海口处形成大的三角洲正是这一作用的结果。

6.离子交换性

离子交换性为粘土矿物表面颗粒带电，当遇到性质不同的其他离子溶液时可进行离子间的互换性质。

粘土矿物表面的颗粒带电的原因比较复杂，主要有：

（1）因粘土矿物颗粒表面有未中和的酸基（如SiO₃^2－、HSiO₃^－或碱基Al（OH）₂⁺、Al（OH）²⁺、Al³⁺）而带电，所带电荷由酸基或碱基属性决定。

（2）由于粘土矿物结构单位层内的高价离子元素被低价离子元素类质同象替换（如Si被Al替换，Al被Mg代替）而带电，所带电荷一般电性为负。

（3）结构单位层边缘上出现破键而带电，其电性由介质pH值决定。当pH＜6颗粒边缘一般带正电荷；当pH=7颗粒边缘电性中和；当pH＞8颗粒边缘一般带负电荷。

（4）粘土矿物结构单位层之间可吸附带电离子而引起整体带电。由于粘土矿物颗粒的这种性质使它能从溶液中不仅吸附异号的无机离子，也可吸附极性的有机分子。其吸附量决定于中和表面电荷所需的数量，而吸附能力则取决于被吸附离子的作用力场。因此在粘土矿物上可用一种离子替换先吸附其颗粒表面的另一种离子，形成离子交换。

粘土矿物中发生的离子交换按其特征可分为两大类：在结构单位层间包含的交换性阳离子，如蒙脱石、蛭石等矿物中发生的离子交换；出露在晶体破碎表面上的一部分氧原子价。这部分氧原子价在未平衡下进入溶液，其交换离子数量少，但十分普遍。

粘土矿物进行的离子交换反应中，依表面电性的不同可分为阳离子和阴离子两种。其被交换的程度、大小可用离子交换容量和置换能力来表征：离子交换容量指在pH=7时，每100g干粘土样品吸附某种离子的毫克当量数。这种交换容量与粘土矿物的种类、带电机理和粒度大小等因素有关，不同粘土矿物的离子交换容量如下：

蛭石100～150（mol/100g）；蒙脱石80～150；高岭石3～15；云母类粘土10～40；多水高岭石（2H₂O）5～10；多水高岭石（4H₂O）40～50；伊利石10～40；绿泥石10～40；海泡石20～30；坡缕石20～30。

从上可看出，高岭石的离子交换容量远小于蒙脱石、蛭石的交换容量。

离子的置换能力，指离子之间交换能力的强弱。一般条件下，阳离子电价越高，其置换能力则越强。因此粘土中高电价离子容易置换低电价离子，而自身一般难以被置换。当电价相同时，其置换能力随半径增大而增强。一般阳离子置换能力的顺序如下：

而阴离子置换能力与其离子团的几何形态有关，其置换顺序如下：

OH^－＞［CO₃］^2－＞I^－＞Br^－＞Cl^－＞［NO₃］^－＞［SO₄］^2－＞［PO₄］^3－＞［SiO₄］^4－。

7.催化性

粘土矿物由于颗粒细小和结构特征，对有机质有较强的亲合力。有机质不仅可被吸附在粘土矿物的颗粒表面，也可进入结构单位层之间，呈结晶状态出露于氧原子表面上或形成粘土矿物与有机质的混合晶层。而形成的物质被称为粘土－有机复合体。

有机质与粘土矿物结合后，可使有机质在沉积、埋藏的早期不被破坏。但随着成岩作用和脱水作用的进行，出现在粘土矿物表面上的质子酸中心对胫类裂解的催化作用增强，使有机质加速向石油转化。

（二）粘土矿物的主要用途

粘土矿物的用途十分广泛，在地质学中常被用来研究和确定岩相古地理、古气候、成岩成矿条件和地层对比等。在石油地质中，利用粘土矿物研究石油的生成、运移、贮藏、富集、勘探、开发等方面。也可在建筑工程中利用粘土矿物进行地基安全性的分析与评价。在农业上研究粘土矿物可进行土壤分析与改良。另外，粘土矿物也可应用于陶瓷、造纸、冶金、橡胶、塑料、化工、医药、食品等行业中。

（三）主要粘土矿物种类

自然界主要的粘土矿物种有高岭石、蒙脱石、蛭石、海绿石、伊利石、多水高岭石（埃洛石）、绿泥石等，它们的主要特征见表18－4－4、18－4－5，其他特征如下：

表18－4－4　高岭石、蒙脱石、蛭石的主要性质

表18－4－5　海绿石、伊利石、埃洛石、绿泥石的主要特征

续表

1.化学成分

高岭石：矿物名称来自我国江西省景德镇的高岭山，因该地所产高岭石质量优良，在国内外享有盛名。成分比较纯净，可含少量的Mg、Fe、Cr、Cu等元素替换Al。也可吸附其他离子或有机质。含铬则形成铬高岭石。

蒙脱石：被称为胶岭石或微晶高岭石。化学式中的E为层间交换阳离子，主要为Na⁺、Ca²⁺、K⁺、Li⁺等，x为层电荷数，一般在0.2～0.6之间。根据层间交换阳离子种类可分亚种：钠蒙脱石、钙蒙脱石、钾蒙脱石、锂蒙脱石。

在八面体中，Al可被Mg、Fe、Zn、Ni、Li、Cr等元素替换，且Fe²⁺、Mg²⁺替换Al³⁺，四面体中Si⁴⁺被Al³⁺、Fe³⁺替代是导致结构单位层间产生电荷的主要原因。当层电荷来自T结构层时，被称为贝得石。当层电荷来自O结构层时，被称为绿脱石。

层间水含量主要取决于层间阳离子的种类和环境的温度、湿度等条件。此外，层间也可吸附有机分子。

蛭石：化学成分复杂多变，极不稳定。四面体片中Al³⁺、Fe³⁺替换Si⁴⁺，导致了层电荷的产生。单位层电荷数在0.6～0.9之间，其阳离子的交换量要大于蒙脱石。电荷的补偿由八面体中Al、Fe³⁺替换Mg及层间出现的阳离子完成。层间阳离子元素主要为Mg、Ca、Na、K、（H₃O）⁺及Rb、Cs、Li、Ba等。而八面体片中的阳离子元素主要为Mg，也可进入Fe、Al、Cr、Ni、Li等元素。

层间水的含量取决于层间阳离子水合能力与形成环境的温度、湿度。水合能力强的Mg在正常温度和湿度下，单位化学式中可含水分子4～5个；而水合能力弱的Cs可以不含水分子；当水含量最大时约相当于双层水分子层。

海绿石：化学成分组成变化大，其中Al∶Si值比较低，可出现Na替换K，其x=0.4～1.0，Y组阳离子主要为Fe³⁺，Al³⁺、Mg²⁺次之。富铝的变种被称为铝海绿石，可含有层间水。

海绿石中K、Fe的含量与形成的地质时代和岩性有关，一般早古生代形成的海绿石K含量比现代沉积物的高，而Fe含量则相反。同一地质时代产于石英砂岩、石灰岩中的海绿石K的含量比产于长石砂岩及泥岩的高。

伊利石：化学成分与白云母相似，但其K含量比较低，在0.7～0.8之间，成分中SiO₂、MgO、H₂O高。X组阳离子元素主要为K及少量的Ca、Mg、H，以Na为主者称钠伊利石。Y组阳离子元素以Al为主，也可以有Mg、Fe代替。

埃洛石，又称叙永石或多水高岭石：成分中含有以混入物形式进入的Fe、Mg、Ca、Cr、Cu、Na、K等元素，形成亚种：铁埃洛石、铜埃洛石、铬埃洛石、镍埃洛石。成分中水含量变化大。

绿泥石：化学成分比较复杂且变化多端，可用通式表示：Y₃［Z₄O₁₀］（OH）₂+Y₃（OH）₆。Y主要为Mg、Al、Fe及Mn、Cr、Ni、Ti等元素，含铬高者被称为铬绿泥石。Z主要为Si、Al。离子之间类质同象替换特别发育，以Y组中Fe²⁺∶R²⁺的比值及Si的数量可分为：

叶绿泥石Fe²⁺∶R²⁺=0.00～0.25，Si=3.10～3.40；

斜绿泥石Fe²⁺∶R²⁺=0.00～0.25，Si=2.75～3.10；

透绿泥石Fe²⁺∶R²⁺=0.00～0.25，Si=2.40～2.75；

辉绿泥石Fe²⁺∶R²⁺=0.25～0.75，Si=3.10～3.40；

铁镁绿泥石Fe²⁺∶R²⁺=0.25～0.75，Si=2.75～3.10；

铁绿泥石Fe²⁺∶R²⁺=0.25～0.75，Si=2.40～2.75；

铁叶绿泥石Fe²⁺∶R²⁺=0.75～1.00，Si=3.10～3.40；

鲕绿泥石Fe²⁺∶R²⁺=0.75～1.00，Si=2.75～3.10；

鳞绿泥石Fe²⁺∶R²⁺=0.75～1.00，Si=2.40～2.75。R²指Y中除Fe²⁺外其他离子和。

其中Fe₂O₃含量小于4％者，被称为正常绿泥石；Fe₂O₃含量大于4％者，被称为氧化绿泥石；富含铁且大部分呈胶体状者，被称为鳞绿泥石。

图18－4－7　高龄石晶体结构

2.晶体结构

高岭石：晶体结构为TOa型，如图18－4－7所示。可形成两个多型：一个被称为迪开石，为2M₁型；另一个被称为珍珠陶石，为2M₂型。

蒙脱石：晶体结构为TOaT型，如图18－4－8所示。其中c₀值与结构层间所含水分子层数有关：无水时c₀=0.96nm；含一层水分子时c₀=1.25nm；含两层水分子时c₀=1.55nm；含三层水分子时c₀=1.85nm；含四层水分子时c₀=2.05nm。

蛭石：晶体结构为TOmT型，如图18－4－9所示。结构单位层间可出现交换性的阳离子和双层水分子层。加热水分子层可急剧膨胀使其体积增大，高温可失水。室温下可重新得到水。

图18－4－8　蒙脱石晶体结构（引自王永华，1990）

图18－4－9　蛭石晶体结构（引自王永华）

海绿石：晶体结构为TOaT型。可发育三个多型结构，分别为1M、1M_d、3T型。以1M型为主。

伊利石：晶体结构为TOaT型。可发育四个多型结构，分别为1M、1M_d、2M₁、3T型。以1M型为主。

埃洛石：晶体结构为TOa型。其层间可含有水分子层。

绿泥石：晶体结构为TOmT∶O型。其中后一个O层为水镁石层。

3.成因产状与矿物共生组合

高岭石主要为富铝硅酸岩在酸性介质的环境里经风化或热液交代蚀变的产物，为粘土的主要组成矿物之一。它主要为长石、似长石等矿物风化或蚀变而形成，可形成规模巨大的工业矿床。

风化形成的高岭石，为在H₂O和CO₂参与的条件下，在富含碳酸、腐殖质及各种有机质的地下水作用的风化壳环境中形成的。而形成的高岭石，经水冲刷、搬运与杂质在一起可在海洋或湖泊沼泽中沉积下来。

热液蚀变形成的高岭石在浅成条件下形成的矿床规模小；在中深条件下形成的矿床规模大；在深成条件下很少形成。

我国高岭石的产地很多，其中江西景德镇高岭山、江苏苏州所产的高岭石资源质量最佳。

蒙脱石主要是斑脱岩、膨润土和漂白土中主要的组成矿物，为基性火山凝灰岩和火山灰风化而成。在低温热液蚀变带中也可形成蒙脱石，形成条件要求为富镁贫钾和强碱性环境及比较干旱的环境下。我国主要产地分布在辽宁、黑龙江、吉林、河北、河南、浙江、新疆等省区。

蛭石为黑云母遭受低温热液蚀变或风化作用所形成的产物，常呈云母假象，若再遭受进一步风化后粒径变细小则进入粘土中。蛭石也可由超基性或基性岩遭受酸性岩浆改造而形成。海洋沉积物中的蛭石为火山物质、角闪石或绿泥石等变化而来。

海绿石为典型的表生矿物，常为浅海环境下沉积形成的产物。在近代深度为300m－500m的浅海绿色淤泥中和沙中也有产出。我国海绿石主要产于华北古生代及华中、西南的许多地层中。

在风化条件下，海绿石易变为褐铁矿和SiO₂。

伊利石主要产于粘土和粘土质的岩石中，为长石类、云母类矿物风化的产物。也可由其他粘土矿物转化而来，如在低温热液条件下可由钾长石蚀变而来。在潮湿环境下伊利石可变为蒙脱石。

埃洛石为典型的表生矿物。一般形成于古风化壳，常产于氧化带中，与高岭石共生。也常与明矾石、三水铝石等矿物伴生，为酸性介质下形成的产物。常在风化壳呈透镜状；在各种岩石的空洞中呈结核状；在沉积岩中埃洛石呈细分散状。常产于富铁、铝氢氧化物的沉积粘土和煤系地层中。我国四川的叙永为埃洛石的著名产地。

绿泥石分布比较广泛，常为低级变质带中绿片岩相的主要矿物。在火成岩中镁绿泥石常为铁镁矿物如角闪石、辉石、黑云母等的次生蚀变矿物。热液蚀变形成绿泥石常产于中、低温热液矿床中。沉积岩中，形成含量不高的富铁绿泥石，分布十分广泛，呈细小的碎屑物可与菱铁矿、黄铁矿、赤铁矿等矿物共生。地表的粘土中可分布一定数量的绿泥石。在近海岸的沉积物中形成绿泥石与海绿石共生。

4.鉴定特征

高岭石：呈致密土状体，硬度特小，易成粉末，粘舌，加水具有塑性。

蒙脱石：加热具有膨胀性。

蛭石：具有云母状的外形，解理面无弹性，焙烧时可爆裂成蛭虫状。

海绿石：呈细小圆粒，黄绿－黑绿色，硬度小，产于浅海环境。

伊利石：无色，硬度低，致密块状。

多水高岭石（埃洛石）：具有致密粘土状块体，表面干裂后能碎裂成棱角状碎块

绿泥石：具有片状形态，浅绿至深绿色颜色，硬度低，一组极完全解理。

5.用途

高岭石因具有可塑性好、耐火度高、成型性好而从古到今一直被应用于陶瓷制造业中，为陶瓷制品的基本原料。我国江西景德镇为举世闻名的高岭石产地。

在造纸工业中，高岭石可被用作填料与涂料，可使纸张表面平滑，上光白亮，不透明，适于印刷和提高纸张密度及更好的吸墨以降低纸张成本。

在橡胶工业中，高岭石可被用作填料与补强剂，以提高橡胶的拉伸强度、耐磨性、耐腐蚀性，增强橡胶刚性，降低橡胶制品的成本。

在塑料工业中，高岭石被用作填料可使塑料表面平滑，尺寸稳定，并可改善其绝缘性、耐磨性、耐腐蚀性，延缓硬化。

以高岭石为原料可合成4A型沸石而被广泛用于制作分子筛、离子交换剂、选择性吸附剂、催化剂载体、污水处理剂、冰箱除臭剂、干燥剂等。

高岭石也可制作成各种耐火砖被广泛用于冶金、化学、陶瓷、玻璃、水泥等工业中，也可作为香粉、肥皂、铅笔芯、颜料、油漆、涂料等的填料。

蒙脱石由于具有强的粘结性可用作铁矿球团和铸造方面；在纺织工业中，可作为淀粉的替代品；利用其分散悬浮性可制作钻井泥浆；利用其离子交换性制作蒙脱石有机复合体而用于高温润脂、橡胶、油漆中；利用其吸附性用于食油精制脱色、除毒、净化石油、核废料处理、污水处理中；作为填料用于造纸、肥皂、洗衣粉、涂料、饲料行业中。

蛭石烧热具有良好的膨胀性而产生隔音、绝缘、稳定化学性质的效果而被作为轻质、保温、隔音、防火等材料而应用于建筑和其他许多行业中。

蛭石因具有阳离子交换性和吸附性而在农业上被应用于土壤改良、肥料、植物杀虫剂、除草剂载体；在环保中可应用其进行废水处理，吸附海、湖、江河中的油污，吸附放射性元素；在畜牧业中可作为饲料添加剂。还可作为摩擦材料的填料与香料的载体。

海绿石可作为钾肥，也可作为颜料。因具有离子交换性可作为硬水软化剂。

伊利石可与其他铝质粘土矿物一起作为陶瓷、电瓷原料。也可作为雕刻艺术品材料。

多水高岭石（埃洛石）主要可作为陶瓷、电瓷原料。

绿泥石主要作为研究各种地质作用与环境条件的标志矿物。