(二)黏粒矿物

1. 构造特征

层状硅酸盐黏粒矿物一般粒径＜5um，X射线衍射结果揭示其内部由一千多个层组所构成，而每个层组由硅(氧)片和(水)铝片叠合而成。硅片由硅氧四面体连接而成。四面体基本的结构由1个硅离子(Si⁴⁺)勺和4个氧离子(O^2-)组成，砌成一个三角锥形的晶格单元，共有四个面，故称为硅氧四面体(简称四面体)，如图2-1所示：

图2-1 硅氧四面体及其构造图示法

从化学上来看，四面体为(SiO₄)^4-，它不是化合物，在形成硅酸盐黏粒矿物之前，四面体可自聚合，聚合的结果，在水平方向上四面体通过共用底层氧离子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，这就是硅片。硅片顶端的氧仍然带负电荷，硅片可用n(Si₄O₁₀)^4-表示。如图2-2，2-3所示。

图2-2 硅四面体在平面上相互连接成硅片的图形

图2-3 硅片(硅氧片)图示法

铝片则由铝氧八面体连接而成。八面体基本结构是由1个铝离子(A1³⁺)和6个氧(O^2-)离子(或氢氧离子)所构成。6个氧离子(或氢氧离子)排列成两层，每层都由3个氧离子(或氢氧离子)排成三角形，但上层氧的位置与下层氧交错排列，铝离子位于两层氧的中心孔穴内。其晶格单元具有八个面，故称为铝氧八面体(简称八面体)，如图2-4所示：

图2-4 铝氧八面体及其构造图示法

在水平方向上的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，排列成八面体，从而构成铝片，铝片两层氧都有剩余的负电荷，铝片可用n(A1₄O₁₂)^12-。如图2-5和图2-6所示。

硅片和铝片都带有负电荷，不稳定，必须通过重叠化合才能形成稳定的化合物。硅片和铝片以不同的方式在c轴方向上堆叠，形成层状铝硅酸盐的单位晶层。两种晶片的配合比例不同，而构成1：1型、2：1型和2：1：1型晶层。

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，一个是具有六角形空穴的氧离子层面，一个是由氢氧构成的层面。如图2-7所示。

图2-5 铝八面体在平面上相互连接成铝片的图形

图2-6 铝片(水铝片)图示法

图2-7  1：1型层状硅酸盐(高岭石)晶体结构示意图

2:1型单位晶层由两个硅片夹1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。因此，2：1型层状硅酸盐的单位晶层的两个层面都是氧原子面。

2：1：1型单位晶层在2：1单位晶层的基础上多了1个八面体水镁片或水铝片，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。

2.同晶置换

矿物形成时，性质相近的元素，在矿物晶格中相互替换而不破坏晶体结构的现象，称为同晶置换。在硅酸盐黏粒矿物中，最普遍的同晶置换现象是晶体中的中心离子被低价的阳离子所替代，如四面体中的Si⁴⁺被Al³⁺离子所替代，八面体中Al³⁺被Mg²⁺替代，所以土壤黏粒矿物一般以带负电荷为主。同晶置换现象在2：1型和2：1：1型的黏粒矿物中较普遍，而1：1型的黏粒矿物中则相对较少。

低价阳离子同晶置换高价阳离子会产生剩余负电荷，为达到电荷平衡，矿物晶层之间常吸附阳离子。阳离子同晶置换的数量会影响晶层表面电荷量的多少，而同晶置换的部位是发生在四面体片还是发生在八面体片则会影响晶层表面电荷的强度。这些都是影响层间结合状态和矿物特性的主要因素。同时，被吸附的阳离子通过静电引力被束缚在黏粒矿物表面而不易随水流失。因此，从环境的角度对同晶置换进行评价，其结果可能导致某些重金属等外源物质在土壤中的不断积累以致超过环境容量而引发土壤污染。

3．黏粒矿物的种类及一般特性

根据其构造特点和性质，土壤黏粒矿物可以归纳为5个类组：高岭组、蒙蛭组、水化云母组、绿泥石组和氧化物组。其中，除氧化物组属非硅酸盐黏粒矿物外，其余4类均属硅酸盐黏粒矿物。

1)高岭组 硅酸盐黏粒矿物中结构最简单的一类。包括高岭石、珍珠陶土及埃洛石等，其单位晶胞分子式可用Al₄Si₄O₁₀(OH)₈表示，是水铝片和硅氧片相间重叠组成的1：1型矿物，无膨胀性，所带电荷数量少，胶体特性较弱。在南方热带和亚热带土壤中普遍而大量存在。

2)蒙蛭组又叫2:1型膨胀性矿物，由两片硅氧片中间夹一水铝片组成，其单位晶胞分子式可用(Al，Fe，Mg)₄(Si，Al)₈O₂₀·nH₂O表示。包括蒙脱石、绿脱石、拜来石和蛭石等。与高岭组相区别的是，蒙蛭组具有膨胀性，所带电荷数量多且胶体特性突出。蒙蛭组在我国东北、华北和西北地区的土壤中分布较广。蛭石广泛分布于各大土类中，但以风化不太强的温带和亚热带排水良好的土壤中最多。

3)水化云母组 属2：1型非膨胀性矿物，以伊利石为主要代表，故又称伊利组矿物，它的特征近似于蒙脱石，主要区别在于相邻晶层之间有K+的引力作用而使晶层间结合较之蒙脱石更为紧密，故膨胀性较小。广泛分布于我国多种土壤中，尤其是在西北、华北干旱地区的土壤中含量很高。

4)绿泥石组这类矿物以绿泥石为代表，绿泥石是富含镁、铁及少量铬的硅酸盐黏粒矿物。具有2：1：1型晶层结构、同晶置换较普遍和颗粒较小等特征。土壤中的绿泥石大部分是由母质残留下来的，但也可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。

5)氧化物组包括水化程度不等的各种铁、铝氧化物及硅的水化氧化物。其中有的为结晶型，如三水铝石、水铝石、针铁矿和褐铁矿等，有的则是非晶质无定形的物质，如凝胶态物质水铝英石等。无论是结晶质还是非晶质的氧化物，其电荷的产生都不是通过同晶置换获得的，而是由于质子化和表面羟基中H+的离解。氧化物组除水铝英石外，一般对阳离子的静电吸附力都很弱。但是，铁铝氧化物，特别是它们的凝胶态物质，都能与磷酸根作用，固定大量磷酸。红壤中这类矿物的含量较多，因此红壤的固磷能力较强。同时，它们具有专性吸附作用，影响着外源物质的行为与归宿。

相关链接：土壤矿物质的矿物组成和化学组成（一）