1土质学基础知识

土质学基础一、土的来源与物质组成1土的来源土是母岩经过风化作用、搬运作用、沉积作用形成的松散堆积物质。因此，土是由岩石风化而来的。另一方面：沉积岩是土经过成岩作用形成的岩石，因此，土和岩石实际上是互为物质来源，在地质历史时期是相互转化的。岩土循环过程示意图火山爆发的熔岩流火山爆发场景冰岛火山爆发照片花岗岩风化作用台湾野柳风景区女王头石风力侵蚀：海蚀风风力侵蚀作用：风蚀城堡、风蚀柱、风蚀蘑菇、风蚀洼地戈壁滩流水的侵蚀作用V形谷——流水侵蚀作用怒江大峡谷崎岖不平的云贵高原南方红壤水土流失造成红色沙漠瀑布河流沟谷、峡谷水流冲刷侵蚀作用水流冲刷侵蚀作用侵蚀形成的石山地貌角峰——冰川的侵蚀作用U形谷——冰川侵蚀作用形成峡湾——冰川侵蚀作用海浪侵蚀作用成土作用冰川堆积风沙堆积作用——漫天黄沙的塔克拉玛干沙漠新月型沙丘——风力堆积作用形成移动沙丘的构造静止沙丘的构造带有大量沙粒的气流，如果遇到灌丛或石块，风沙受阻堆积下来，就形成沙丘。如果没有植被的滞阻，沙丘在风力作用下则成为流动沙丘，它会淹没农田村舍，破坏交通。风力堆积作用戈壁沙漠黄土黄土高原流水沉积山区洪积扇河流中的沉积和冲刷阶地（渭河流域）2土中矿物（1）原生矿物：母岩中的矿物未经改变留在土体中的矿物叫原生矿物。主要是性质稳定的石英、长石、云母（2）次生矿物：土壤形成过程中以及土壤形成以后生成的新的无机矿物。传统指次生粘土矿物：高岭石、伊利石、蒙脱石。（3）水溶盐：存在于土壤孔隙水中的可溶性盐。（4）有机质：存在于土壤中的动植物分解的残骸，彻底分解的有机质称为腐殖质。（5）次生氧化物和难容盐：存在于土颗粒间起胶结作用的物质，使土的性质随时间变化。3按照土堆积的地点与母岩的关系分类（1）残积土：母岩风化后未经搬运而与母岩处于同一地点的土叫残积土（2）坡积土：母岩风化后经过重力短距离搬运的土（3）运积土：岩石风化后经过搬运作用而存在于与母岩有一定距离的土。运积土按照搬运力不同分：1）洪积土；2）冰渍土；3）冲积土；4）风积土4按照土的沉积环境分类（1）残积土（2）动水沉积土：坡积土，洪积土，冲击土（3）静水沉积土：湖相沉积土，海相沉积土（4）风积土（5）冰渍土5土的三相系土与一般固体物质性质有极大的不同，就是因为组成土体是三相系，三相之间的相互作用和三相比例的变化及各相的物质组成变化是土的性质变化的内因。土的三相：指土矿物颗粒组成的固相，土孔隙中的水组成的液相和土孔隙中的气体组成的气相。土质学主要集中研究土的三相组成对土性质影响最显著的粘性土的物理力学性质。实际上即使是纯的砂土，土的三相比例变化也对其性质具有极大的影响。二、晶体粘土矿物结构1.粘土矿物的基本特性土壤中的晶体粘土矿物是母岩在经受化学风化而成土过程中形成的层状硅酸盐晶体矿物。晶体粘土矿物常呈薄片状、板条状、管状、纤维状等形态，厚度在1/10～1/1000μm量级，长度和宽度一般在几微米以内。粘土矿物内部电荷经常处于不平衡状态，因此表面可阳离子和水分子，在水中能分散成胶体悬浮状态。由于粘土矿物具有可塑性、粘结性、膨胀性、阳离子交换与吸附特性等特殊性质，是土壤中最活跃的成分之一，因此成为土质学的主要研究对象。～膨胀土放大2000倍后的片状矿物图像膨胀土放大10,000后的图片，显示片状、板状矿物2硅酸盐和层状硅酸盐地球上硅酸盐矿物约占自然界已知矿物种类的1/3，占岩石圈重量的80%～90%，是主要的造岩矿物。硅酸盐是由硅酸阴离子和各种金属阳离子组成的盐类，其骨干是硅离子和氧离子。层状硅酸盐通常是由Si—O四面积层和Al—OH八面体层组成。由硅氧配位组成的四面体[SiO4]4-是最稳定的基本结构单元，硅氧四面体可以呈孤立的岛状形式，也可以通过公用氧离子相互连接成其它形状：环状、链状、层状等。层状硅酸盐晶体结构中，除了层状硅氧四面体层外，还有Al—OH八面体层与硅氧四面体层共同形成粘土矿物晶胞。3层状硅酸盐粘土矿物晶体结构（1）基本晶片组成晶体最基本的单元叫晶片，粘土矿物最基本的晶片通常由Si—O四面积层和Al—OH八面体层组成。Si—O四面积层由硅氧四面体公用氧离子展布而成；Al—OH八面体层由Al—OH八面体公用OH离子展布而成。Al—OH八面体、八面体层和符号Si—O四面体、四面体层排列和符号2.晶片的组合粘土矿物晶体通常有四面体片和八面体片组合形成层状硅酸盐的晶层。粘土矿物晶体的晶胞按照两种晶片的配合比例分为1:1和2:1两大类型。1:1型晶胞2:1型晶胞3典型粘土矿物晶体结构高岭石的晶体结构，典型的高岭石晶体由70～100层晶胞组成蒙脱石的晶体结构，典型的蒙脱石晶体由几层～十几层晶胞组成K+K+K+伊利石的晶体结构，典型的伊利石晶体由十几～几十层晶胞组成4层状硅酸盐的矿物分类前面介绍的几种矿物是土体中最常见的粘土矿物。实际上层状硅酸盐类矿物还有几十种。层状硅酸盐矿物分类首先按照组成矿物的两种晶片比例不同分成1:1的二片型硅酸盐和2:1的三片型硅酸盐两大类。然后按照晶层间的电荷数分类，再将八面体片中通过同型替代而生成的不同阳离子成分将其分成亚类，最后根据具体矿物成分划分到种。当层间电荷为0时，没有额外的层间阳离子，这时矿物只有较好的解理而缺乏膨胀性；当层间电荷为0.25-0.6时,遇水膨胀失水收缩；当层间电荷为0.6-0.9时，层间化学键增强遇水膨胀有限；当层间电荷为1以上时，没有膨胀性。层状硅酸盐矿物分类类型类族亚族种1:10高岭～蛇纹石高岭蛇纹石高岭石埃洛石迪恺石纤蛇纹石叶蛇纹石鳞蛇纹石2:10叶腊石～滑石叶腊石滑石叶腊石滑石0.25-0.6蒙皂石蒙脱石皂石蒙脱石拜来石绿脱石皂石汉克脱石锌皂石0.6-0.9蛭石二八面体三八面体粘粒蛭石蛭石0.9-1水云母二八面体三八面体伊利石海绿石绿地石1云母白云母黑云母白云母钠云母黑云母金云母5.典型粘土矿物的基本物理力学性质（1）高岭石的理论结构式为：Al4Si4O10(OH)8，不含层间水，但常含有石英、云母、长石、蒙脱石等杂质。晶胞厚度7.2A，晶体由70～100层晶胞组成。比重2.58～2.61，塑性指数17～25，残余内摩擦角100～130，水稳定性好。（2）伊利石的理论结构式为：KAl2(AlSi3O10)(OH)2nH2O,典型的伊利石含K2O6.3%，阳离子交换量大约在10～40毫克当量/100g，具有一定的吸水膨胀特性，晶胞厚度10A，比重2.6～3.0，残余内摩擦角90～110。（3）蒙脱石的理论结构式为：Al2Si4O10(OH)2·nH2O,阳离子交换量大约在70～130毫克当量/100g，具有一定的吸水膨胀特性，晶胞厚度12A～19A，比重2.2～2.7，塑性指数100～650，残余内摩擦角40～100三、土壤中的氧化物土壤中的粘粒矿物组成，除了层状硅酸盐晶体矿物外，还有铁、锰、铝、钛、硅等氧化物及其水合物。虽然氧化物矿物在绝大多数土壤中数量上是次要成分，但它们所取的作用都是不能忽视的。土壤中的粘粒含量极其矿物组成是成土过程的产物，也是成土条件的反映。由于土壤中粘粒氧化物既有晶体状态，也有非晶体状态，还经常与粘土矿物胶结在一起，因此其分离困难，造成研究程度弱。1土中粘粒氧化物的存在状态土中粘粒氧化物在成土过程中总是处于非晶质到晶质的老化过程中，在有机物作用下可以由晶质到非晶质方向活化。非晶质的氧化物胶体常称作无定形物质，比表面积很大，如无定形Fe(OH)3为303m2/g,Al(OH)3达到441m2/g。土壤中的氧化物以单粒、凝胶、氢氧聚合物等形式存在。还经常与层状硅酸盐矿物相结合，使粘土矿物的负电荷数量下降，阳离子交换量降低，土粒间连接增强。土壤中的氧化物还可参与次生粘土矿物的生成，如Fe2O3和Al2O3共存时，在一定条件下能生成蒙脱石。2主要粘粒氧化物的性质(1)氧化铁土壤中的氧化铁颗粒可以在粘粒范围，也可以更大。一般土壤中，铁氧化物含量可达到土壤总重的4%～25%。主要特点：1）大多数情况下是含量最高的氧化物，活动性也高，环境条件稍微变化都会对铁氧化物形态和性质发生影响；2）氧化铁在土壤团聚体形成过程中起到重要胶结作用，要分析粘粒的胶体性质通常要经过去铁处理；3）由氧化铁胶结的土壤通常渗透性低、孔隙小，孔隙率低，土壤脱水后易形成结核和硬壳，造成土壤板结。我国红壤是含铁高的典型土壤。（2）氧化硅在大多数土壤中，硅是氧之后的最丰富元素。其形态从氧化硅直到复杂的硅酸盐。次生氧化硅可呈胶体形式出现，如蛋白石；也可呈隐晶和微晶结构，如方英石、磷英石、次生石英等。氧化硅凝胶是一种活性很高的吸附剂，具有很大的表面积和孔隙率，在pH3.5时带负电荷，在成土过程中形成一种活性表面。由于氧化硅凝胶的胶结作用，使土壤孔隙率增大，脆性增加。（3）氧化铝土壤中的各种游离铝构成不同形态的转化序列，在土壤形成过程中从离子态→无定形态→晶质态的老化过程中。土壤中的铝与氧形成六配位化合物，为次生粘土矿物形成提供铝氧片，铝还可以与Si-O四面体中的Si发生同晶置换，成为次生粘土矿物的一部分。土壤中的活性铝含量与土壤风化成都相关，风化程度越高，交换型铝含量越低，铝从水溶性羟基铝→可交换的氧化铝凝胶→三水铝石→八面体铝氧片方向转变。3氧化物的功能（1）氧化物的巨大表面使其具有较大活性氧化物名称比表面积范围m2/g均值+标准差m2/g无定形含水氧化铁203～280241±54纤铁矿108～187134±46针铁矿17～9052±29赤铁矿22～8949±35三水铝石47～5852±8二氧化锰95±5（2）氧化物的胶结作用使粘土颗粒聚集（3）氧化物胶体的两性离解可使其带正电，与带负电的粘土颗粒发生反应而降低粘土矿物的阳离子交换量（4）氧化铝吸附氧化硅胶体发生化学反应成为粘土矿物颗粒四、粘土矿物鉴定粘土矿物鉴定的方法有很多，但到目前为止，还没有一种方法能够比较准确确定各种粘土中的粘土矿物的含量。由于天然粘土中往往存在多种粘土矿物，常需要几种方法综合分析，才能比较准确鉴定土中存在的矿物种类。1差热分析法是粘土矿物鉴定的最常用方法，利用不同晶体在加热过程中发生相变而吸热或放热的原理来鉴定粘土矿物。高岭石水化埃洛石蒙脱石伊利石蛭石2X射线衍射分析X射线衍射分析是研究晶体构造和鉴定晶体粘土矿物最常用的方法。原理是利用单色光通过晶体不同层面后产生反射线会存在相位差而出现干涉现象得到晶体参数。3化学分析法化学分析是测定粘土的化学全量，常用氧化物含量表示，如SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、CaO、K2O、Na2O、SO3、H2O等。然后采用最优拟合的方法，根据不同矿物分子式，推算它所包含的矿物种类和含量。但因为粘土中往往含多种矿物，这种推算的精度比较差。4其它方法染色法、红外光谱法、能谱法、电子显微镜法等五、土壤中的有机质1概述土壤中的有机质存在是土区别于一般固体物质的主要特性之一，有机质是土壤固相物质最易变化、性质最不稳定的组分，含有机质的土壤力学性质研究一直是土力学界关注的问题，也是目前为止研究最薄弱的领域。土壤中的有机质可分为两大类：（1）非腐殖质：化学成分与生物体相同的普通有机化合物，如低分子有机酸、单糖、氨基酸、蛋白质、纤维、木质素、脂蜡和色素等。（2）腐殖质：动植物遗体在土壤中发生化学变化后生成的新的特殊化合物，到目前为止还不知道确切的物理性质和化学性质的物质，如泥炭、底泥等但是，土壤中的腐殖质和非腐殖质并无清楚的界限，没有办法将他们完全分别开来。这是由于：一方面他们在土壤中通过不同的力彼此结合在一起；另一方面，它们的某些组分还是相同的。同时，土壤中的有机质通过物理的或（和）化学的力与土的固体颗粒相结合，结合的牢固程度各不相同，有些结合得很牢固，以至于不改变其矿物成分就没有办法将其分离。土壤中的有机物性质在土壤中处于不断变化中。如动物残骸和植物残体中的易分解部分在土壤中的半衰减期一般小于3个月（0.25年），它们不断分解为CO2、H2O和各种中间物质，并转化为腐殖质和微生物。土壤中的腐殖质仍然在不断矿化和转化为微生物，不过其分解速率比非腐殖质慢得多