粘土礦物在地質(zhì)、環(huán)境、材料科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

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1、粘土礦物在地質(zhì)、環(huán)境、材料科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用隨著人類對(duì)粘土礦物研究的日益深入以及粘土礦物在各領(lǐng)域中的應(yīng)用日益加深，粘土礦物的獨(dú)特性質(zhì)正越來越受到人們的關(guān)注。粘土礦物分布的廣泛性、特有的物理、化學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)及其形成機(jī)理的獨(dú)特性，決定了它在地質(zhì)、環(huán)境、材料科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中的重要意義。1.粘土礦物的結(jié)構(gòu)特征概述粘土礦物是顆粒細(xì)小（<0.1mm）的含水層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，其結(jié)構(gòu)單元層是由si-o四面體片與Al-o八面體片按不同的規(guī)律連結(jié)起來而構(gòu)成，按其連結(jié)方式的不同把粘土礦物分為1:1和2:1兩種結(jié)構(gòu)類型，前者如高嶺石，后者如蒙脫石、伊利石、凹凸棒石等。粘土礦物結(jié)構(gòu)單元層內(nèi)部因發(fā)生離子的類質(zhì)同象置換

2、，比如四面體中Si離子被Ai離子置換，八面體中Ai離子被Fe、Mg離子置換，從而使其單元層表面具有電性。此外，粘土礦物顆粒細(xì)小，比表面積大，因而，粘土礦物會(huì)表現(xiàn)吸附性、離子交換性、膠體性、分散性和催化性，這些特征在地質(zhì)、環(huán)境、材料科學(xué)領(lǐng)域中具有十分重要的意義。在粘土礦物中，硅、鋁、氧是其中最主要的元素。在這些粘土礦物中，硅和氧結(jié)合生成硅氧四面體，鋁和氧結(jié)合生成鋁氧八面體，其中硅氧四面體分布在同一個(gè)平面內(nèi)，彼此以三個(gè)角頂相連，從而形成二維延展的網(wǎng)層即四面體片。同樣，鋁氧八面體共用邊角形成了八面體片。這些鋁氧四面體片和硅氧八面體片又共用氧原子，將不同的片結(jié)合在一起，形成層狀結(jié)構(gòu)。粘土礦物除少數(shù)為非

3、晶質(zhì)外，大多是是由按四面體配位陽離子(Si4+、Al3+、Fe3+)和按八面體配位陽離子（Al3+、Fe3+、Fe2+、Mg2+）組成層狀或鏈狀的硅酸鹽化合物。層狀硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元是硅氧四面體層或水鎂石層或三水鋁石八面體層。粘土礦物可分為高嶺石類、蒙脫石類和云母類等。高嶺石為1:1型結(jié)構(gòu)，基本式為Si4Ai4O10（OH）8，個(gè)單元層間距小，小分子或陽離子很少有機(jī)會(huì)進(jìn)入層際空隙中，故層際通常不發(fā)生離子交換，而是在粘土的表面和邊、角發(fā)生。蒙脫石類和云母類粘土均為2:1型結(jié)構(gòu)其基本式為Si3Ai4O20（OH）4·nH2O，由于同晶置換，這兩種類型的粘土礦的離子交換除在層面的邊、腳上發(fā)生，更多

4、是由層際間的陽離子交換而形成。2.粘土礦物在石油地質(zhì)中的應(yīng)用眾所周知，粘土礦物是泥頁巖的主要組分，是砂巖中的主要膠結(jié)物，碳酸鹽巖、變質(zhì)巖和火山碎屑巖中也往往會(huì)含有或多或少的粘土礦物；石油、天然氣的生成，儲(chǔ)集、運(yùn)移和開采更是無不和粘土礦物密切相關(guān)。因此，粘土礦物研究成果可以用于恢復(fù)沉積盆地的古氣候、古鹽度、古濕度和物源區(qū)，可以用于成巖作用和地層對(duì)比等方面的研究。粘土礦物對(duì)環(huán)境很敏感，粘土礦物研究成果可以用于推斷古環(huán)境。在一定范圍內(nèi)，對(duì)于地層對(duì)比，尤其是缺少化石的啞層對(duì)比，粘土礦物研究具有獨(dú)特效果。粘土礦物的成巖轉(zhuǎn)化與有機(jī)質(zhì)熱演化密切相關(guān)，將兩者結(jié)合起來，可以更有效的劃分成巖階段和生油門限值。近年

5、來，粘土礦物和能源開發(fā)的關(guān)系日益密切，粘土礦物在防治油層損害和提高采收率方面的成效已引起許多學(xué)者和廣大工程技術(shù)人員的極大關(guān)注，由于不同地層所含的粘土礦物成分不同，不同的粘土礦物的性質(zhì)差別很大，所以當(dāng)其遇到不相匹配的工作液就會(huì)產(chǎn)生井壁垮塌和油層損害等問題。①粘土礦物與古水介質(zhì)古水介質(zhì)對(duì)粘土礦物的形成，轉(zhuǎn)化和消失都具有明顯的控制作用，顯然，沉積盆地的粘土礦物特征是研究古水介質(zhì)性質(zhì)的重要依據(jù)，根據(jù)粘土組分的K2O和B含量可以計(jì)算出古水介質(zhì)的鹽度；根據(jù)粘土組分的礦物組成特點(diǎn)可以推斷古水介質(zhì)的離子種類、離子含量、離子化和古水介質(zhì)的酸堿性。②粘土礦物與沉積相帶現(xiàn)代海洋沉積物的研究結(jié)果表明，伊利石是海洋中最

6、豐富的粘土礦物，伊利石約占大西洋沉積粘土的50%，太平洋中伊利石含量略低一些；綠泥石多集中于高緯度海相沉積物中；高嶺石多集中于赤道地區(qū)的海相沉積物中。一般說來，總的趨勢(shì)是海相地層趨于含有較多的伊利石和綠泥石，非海相地層比海相地層富含高嶺石和蒙皂石。一般地區(qū)的現(xiàn)代海洋沉積物研究表明，近岸海洋沉積物中，高嶺石含量高，沿著向海的方向，高嶺石逐漸減少，蒙皂石等礦物逐漸增加，造成這種現(xiàn)象的原因是差異沉積作用，粗粒的高嶺石首先沉積，蒙皂石等礦物在向海的方向上逐漸富集。一般說來，用粘土礦物特征研究沉積相帶，對(duì)于現(xiàn)代沉積比較適用，對(duì)于沉積巖在溫度較低，井深較淺時(shí)也有一定的利用價(jià)值。③粘土礦物與地層劃分和對(duì)比古

7、生物資料是地層劃分和對(duì)比的主要依據(jù)，但是有些地層因缺少古生物化石常常難于進(jìn)行劃分和對(duì)比，粘土礦物特征和其他礦物特征可以彌補(bǔ)這種不足，尤其是對(duì)于那些古環(huán)境或來源母質(zhì)（物源）等地質(zhì)因素發(fā)生突變的地層，利用粘土礦物和其他礦物學(xué)特征進(jìn)行劃分和對(duì)比，往往會(huì)效果更好。古環(huán)境的變化是利用粘土礦物進(jìn)行地層劃分與對(duì)比的基礎(chǔ)。在一個(gè)舊的時(shí)代性質(zhì)發(fā)生變化，而水介質(zhì)性質(zhì)的變化又直接關(guān)系到各種礦物的生成、轉(zhuǎn)變和消失，尤其是