“粘土矿物与风化作用”的概念、定义、翻译、参考文献-科学参考

单词

粘土矿物与风化作用

释义

【粘土矿物与风化作用】

粘土矿物是地球表面和近地表带分布最广的矿物，大量纯的粘土矿物聚集形成有工业价值的矿床。粘土矿物的成因有多种多样，但风化作用是大多数粘土矿物，特别是沉积粘土矿物形成的主要地质营力。

物理风化作用造成地表各种母岩的破碎和分解，而对矿物的结构没有影响，因而母岩中各种矿物成分仍保持在风化产物之中，一般称这些矿物为继承矿物。其中粘土矿物组合为碎屑云母、伊利石和绿泥石。这些物理风化的产物可以在未受结构变化的情况下被风和水来自母岩的破碎崩解，最常见的粘土矿物组合为碎屑云母、伊利石和绿泥石。这些物理风化的产物可以在未受结构变化的情况下被风和水流等介质搬运到数百至数千Km以外。中国黄土高原巨厚的黄土物质一般认为是山风从沙漠地带搬运而来，它们基本上保持了源区风化产物的特点。从对陕西的黄土和新疆沙漠中粘土样品的分析可知，均以碎屑云母、伊利石和绿泥石为主。只是某些古土壤层中，粘土矿物发生不同程度的结构变化，有过渡性粘土矿物和少量自生粘土矿物出现，这种变化是风化产物沉积下来之后在新的环境下发生的。河水亦可以搬运大量未受化学风化的物质。如北阿帕拉契山的一些山区河流携带的伊利石和绿泥石等粘土矿物组分，主要是河水从基底页岩中冲蚀的物质。根据统计学分析和伊利石结晶指数，Potter(1975)认为，被密西西比河搬运的大量粘土物质多来自基岩而不是土壤。Gibbs(1967)提出，到达Amazon河口的大多数粘土矿物组分是安第斯山中物理风化的产物。中国黄河搬运的大量泥砂物质主要来自对黄土高原上黄土层的侵蚀，其中粘土矿物组分也主要是物理风化的产物。所以，海洋中的沉积物也含有相当多量的物理风化产物。

化学风化作用是更为广泛的现象，主要受自然界水活动的控制，特别是水中溶有CO₂和来自有机质分解的有机酸时，可大大加速化学风化作用的进行。自然界雨水的H⁺浓度大约为1．59×10^－7～1mmol／L，一般稍具酸性，与大气CO₂平衡的水，H⁺浓度为2μmol／L，而水的化学风化作用主要是其中含有H⁺离子。一般每升雨水中含有10^－4～10^－3ml的H⁺离子。雨水进入土壤后，其酸性应加大，因土壤上层有很大的细菌家族，细菌活动导致有机质被氧化，释放出CO₂，故水饱和带以上土壤气体中含有CO₂是大气中CO₂含量的10～40倍，CO₂和水反应形成碳酸和H⁺离子，H⁺离子的其它来源是有机酸。碳酸的形成和H+离子浓度的增大，促进化学风化作用的进化。高的气温是促进化学风化作用的另一个重要因素。化学风化作用有如下的基本反应；

母岩+少离子水→风化复合物+富离子水

原矿物+侵蚀溶液→次生矿物+淋滤溶液

按照侵蚀溶液的组成，化学风化作用包括4种不同的类型：(1)酸解作用。发育于有机的和酸性环境，易形成有机——矿物复合体；(2)盐化作用。以蒸发的含盐(Na，K)环境为特征；(3)碱化作用。具相应的碱性条件和水中含有Ca和Mg；(4)水解作用。是最发育和常见的作用，岩石遭受少离子水的侵蚀，具有中等H+浓度的条件。

水解作用基本上代表盐和水之间的化学反应，形成一种酸和碱。广泛分布的铝硅酸盐(例如长石、辉石、角闪石、云母)构成弱酸盐，它们与水反应形成溶解的硅酸和各种碱以及次生矿物如粘土矿物。例如：

正长石+水→高岭石+溶液

2(Si₃Al)O₈K+11H₂O→Al₂Si₂O₅(OH)₂+4Si(OH)₄+2(KOH)

水解作用实质上是从母岩的不同矿物中进一步去除离子，首先是最活跃的如Na、K、Ca、Mg和Sr，开始是在矿物对淋滤最暴露的部位如外表面、解理面和裂隙，而最不活跃的Al离子残留下来，形成A1的氢氧化物。在温湿条件下，云母水解显示如下离子去除的步骤：层间阳离子(K、Na)的淋滤；某些八面体阳离子(Mg、Fe)向层间迁移，以便平衡电价；某些四面体阳离子(Si、A1)向八面体层迁移和最后向层间迁移。利于水解作用发生的条件有：(1)可溶性矿物丰富，例如盐类矿物明显地比碳酸盐更脆弱，而硅酸盐抗水解的能力又大大超过碳酸盐。常见的硅酸盐遭受水解作用也存在着如下由易到难的顺序：

(2)矿物的细小颗粒，因有高的比表面积和大量的离子排出位置，比大颗粒的同样矿物更易于被水解；(3)由细菌活动提供有机碳的存在并参与矿物分解；(4)好的排水条件，使淋滤作用连续进行和便于离子排出：(5)高的湿度和温度促使水解活动加速，其中湿度的影响超过温度，风化复合体中水解作用的加强和离子顺利排出，相应地淋滤溶液中含有越来越多的溶解元素，同时形成次生矿物。

经风化作用形成的次生矿物通常包括各种粘土矿物和与之共生的氧化物，它们是由原生矿物退化转变形成的，或在淋滤溶液中释放的离子新形成的(Millot，1964、1970)。根据水解的强度和离子去除的情况，硅在土壤中可以形成具有2个、1个或不具有四面体层的新矿物。具有2个四面体层(主要是2个Si层)和1个八面体层(主要为Al层)的次生矿物被称为双硅铝土化，它符合于2∶1层的粘土矿物；只具有1个四面体层的称单硅铝土化，符合1∶1层的粘土矿物；而不具有四面体层的称缺硅铝土化，为铝的氧化物。

水解作用有时伴随有其它风化作用或受到其它风化作用的调剂，可使总的风化作用的效应加强。如果在强而短的潮湿季节且地面又缺乏植被(如西非一些地区)时，风化淋滤层位遭受强烈剥蚀，粘土矿物和细粒物质被搬运走，只留下粗的物质，使风化淋滤进一步向深部发展，在地势高处因便于水的活动和离子去除，这种发展就较快，相反地形低平则较慢。所以，风化和剥蚀作用总的结果是使大陆地形均夷化。

各气候带内风化作用的类型和程度很不相同，相应地产生出不同的风化产物和土壤类型，所含有的粘土矿物组合及特征粘土矿物的结构特点也有明显的差异。因而，粘土矿物的形成、转化及其组合特征与它们所处的气候带有十分密切的关系。

严寒的气候非常冷的冰川和永久冻土带的气候是以不存在活动水为特征，缺乏降雨(即使降雪多)使气候干燥，植被不发育造成有机质缺乏，这些都不利于化学风化作用的进行，风化产物主要靠物理风化作用形成。在剥蚀表面的砂丘、冲积层或高山硅质及钙质岩上发育了很薄的苔原土壤，其中粘土矿物主要由母岩中含有的矿物碎屑组成。这是南、北极和高海拔山区的典型特征。Kelly和Zumberge(1961)指出，南极的闪长岩没有受到明显的化学风化作用。已知挪威中部的风化复合体和年轻土壤中的粘土矿物主要是来自母岩中的碎屑云母和绿泥石。阿根廷南Pampa平原上薄的土壤含有来自母岩的伊利石等矿物，伴生有少量的高岭石和蒙脱石，它们来自下伏的岩系。覆盖于阿尔卑斯山和比利牛斯山最高部分结晶岩之上的风化产物，主要由云母类和绿泥石类粘土矿物组成。最高海拔的土壤是以伊利石和绿泥石为特征的，因为岩浆的和变质的基岩丰富，物理风化导致云母的页片状剥落，长石的绢云母化和硅酸盐的绿泥石化。高纬度区非结晶岩的风化作用产生各种粘土矿物，如蒙脱石来自各种蚀变的火山岩，高岭石、伊利石和混合层粘土矿物产生于近北极的中生代沉积物。少数化学风化的例子报道于南极的McMurdo Sound地区，在岩浆岩和冰碛层之上的土壤中，发现有不规则混合层粘土矿物、蛭石和蒙脱石，这些土壤层是全新世以前形成的，是连续的间冰期风化导致的。现代的水解作用只是限于某些金属(Fe、Mn)的解压和氧化物沉淀。

温－湿气候中纬度地区，大多以温和的气候和平均降雨量500～1000mm／a为特征，这种条件导致有意义的化学风化作用、硅酸盐的淋滤，造成某些碱(Ca、Mg等)元素的迁移，也有少量Fe和Si的迁移，形成的土壤主要呈褐色和栗色。在较温暖的地中海地区，土壤呈淡红色，它们含有由物理风化和化学风化形成的粘土矿物。温和的气候只造成原物质部分地脱盐和去硅，土壤中粘土矿物有限的去除离子和退化，原来的层状硅酸盐(云母、绿泥石)首先被水解剥离，形成开放伊利石和绿泥石，如水解更为活跃时，这些矿物继续演变形成不规则的蛭石混合层、粘土状蛭石、蒙脱石混合层、退化蒙脱石，最后出现非晶质物水铝英石(Millot，1970)。已知有3种演变相：

Millot(1970)描述了法国东北部黑色石灰土和褐色土壤中的绿泥石－蛭石、伊利石－蛭石和伊利石－蒙脱石的发展。Lamoure-ux等(1967)提出，在地中海型土壤中，母岩对沉积岩成壤作用的控制，影响不规则混合层及退化蒙皂石的形成。Tardy和Gac(1968)、Meilhac和Tardy(1970)描述了覆盖于法国东北部结晶岩上大多数砂和土壤的中等演变情况，来自碎屑云母的伊利石和长石的退成岩作用，伴有次生的Al－蛭石，组合有绿泥石－蛭石，有时还有退化的蒙皂石，斜长石是花岗岩风化形成粘土矿物的主要来源。Reynolds(1971)提出，美国华盛顿北面阿尔卑斯带中，由花岗岩及变质岩风化形成蛭石－金云母混合层、蛭石和蒙皂石，强调了化学风化作用的重要性。Kha Ngnyen和H．Paquet(1975)观察到富含粘土矿物的褐色土壤中，风化作用停留在混合层阶段。Churchman(1980)描述了在正常H⁺浓度条件下，某些新西兰土壤中粘土矿物有如下的转变：

绿泥石→膨胀绿泥石→绿泥石→蛭石

伊利石→伊利石→蛭石→伊利石→蒙皂石→蒙皂石

伊利石→蛭石→退化蒙皂石

总之，温和气候下发育的风化作用，基本上与变化的2∶1层粘土矿物的形成一致，主要形成不规则混合层和小的结晶中等的蒙皂石。总的来看，蛭石混合层在冷－温地区(如中高纬度和中纬度山区)占主导，而退化蒙皂石在暖－温及潮湿地区更丰富。2∶1层矿物多是由原矿物退化产生而不是新形成的。

热－湿气候热带和亚热带大部分地区是典型的热－湿气候，此类气候环境是以高降雨量(1300～8000mm／a)，活跃的排水和氧化条件为特征，导致白－淡黄到红色土壤的形成，一般用红土一词加以概括，红土一般可厚10～30m以上。此种气候下最典型的风化产物除红土外，尚有高岭石和三水型铝土矿。

在热一湿的环境中，强烈的淋滤妨碍有机质的积累，且母岩中大部分活动组分被排走，在风化复合体中残留的铝和钛与不同数量的硅和铁结合形成新矿物。强烈的水解作用导致高岭石的形成，其硅一铝1∶1层结构同单硅铝土化的化学作用一致。针铁矿常与高岭石伴生。非常强的水解作用导致三水铝石及少量勃姆石形成，代表土壤以铝土矿化为特征。红土中高岭石和三水铝石的相对丰度主要取决于固定地下水面的存在，暂时的或波动的潜水面有利于二氧化硅的排出和三水铝石的形成。然而，甚至在富三水铝石层位，也伴生有显著数量的高岭石。这种组合出现于热－湿气候下的所有岩浆岩、变质岩和沉积岩之上。某些剖面中可保存有某些残余的或被改造的矿物，如由花岗岩碎屑中云母或长石绢云母化形成的伊利石等(Lelong和Millot，1956)。

中国南方各省广泛分布有大片的红色土壤，其中普遍含有丰富的高岭石矿物，广东和广西境内已先后发现了多个大型的高岭石矿床，海南、福建和广西等地区有三水型铝土矿形成，正是热－湿气候下强烈化学风化作用的结果。富高岭石和富三水铝石的红土铁含量都很高，它们多发育于干季时间很长的热－湿气候下。Nahon(1986)提出发育的几个阶段：通过母岩水解，阳离子被淋滤，形成氢氧化物的沉淀和结晶；连续增长的离子氧化物形成结核；假砾岩和豆状铁质壳形成。

某些其它粘土矿物可暂时性的发育于红土剖面下部最初的风化阶段，例如非洲和南美的土壤中，特别是在以稳定地下水为特征的土壤基底带(Volhoff和Melfi，1978)，形成不规则混合层矿物、蛭石和蒙皂石。在地形起伏不大和排水有限的基性、超基性岩石中，在剖面的下部经蚀变可形成大量的蒙皂石，如在苏丹、埃塞俄比亚和肯尼亚的平坦盆地中。富蒙皂石的变性土常见于北－中非的玄武岩和角闪片麻岩之上，其中含有形成的Fe贝得石(Paquet，1970)。发育在印度德干高原玄武岩上的蒙皂石也有高含量的四面体Al和八面体Fe，更象是贝得石(Singh和Murti，1975)。发育在西象牙海岸超基性岩上的粘土矿物主要为绿脱石(Paquet等，1982)。

冷－湿气候在中高纬度和中高海拔地区的冷－湿气候条件下，腐殖质倾向于在排水良好的森林地区风化剖面中积累，决定了其酸性环境(H⁺浓度大于100mmol／L)和形成有机－矿物复合体，主导的风化作用符合于酸解作用，形成黑褐色土壤层，通常厚度小于1m，在不同层位中含有不同类型的有机质，在表面带(O带)中含有腐败的植物碎片，在淋滤层位(A带)中为黑色原腐殖质，而在其下的堆积层位(B带)的上部为暗褐色有机质，其余部分为砂质和持久性物质。在酸解环境中，所有阳离子倾向于从矿物中排出和形成可溶盐(Pedro等，1977)，导致在黑褐色土壤化期间母岩矿物被强烈破坏，与其它风化作用不同的是，Al和其它阳离子一起被排出，而硅的可溶性离子少，倾向于在土壤中集聚。结果，许多黑褐色土壤中含有丰富的蛋白石或方英石等次生二氧化硅(Swindale和Jackson，1960)。黑褐色土壤中粘土矿物主要是母岩矿物退化形成的，常见有强烈蚀变的伊利石、蛭石及蛭石和蒙皂石的混合层矿物(Bryant和Dixon，1964； Miliot，1970)。如果母岩中含有蒙皂石，它可保存在剖面底部和伊利石发育的层位。高岭石、三水铝石和石英更能抵抗酸解作用，经常出现于土壤的土部层位。非常成熟的黑褐色土壤可含特有的次生二氧化硅、非晶质有机－矿物复合体和强烈退化的云母残余。

热－干气候在炎热的沙漠地带，微小的降雨和强烈的蒸发妨碍化学风化作用的进行，因而水解作用非常弱，只限于铁、锰氧化物的迁移和沉淀。由于淋滤作用很弱，碱很少被排出，使岩盐、石膏等就地结晶。大多数粘土矿物形成于物理风化作用并反映母岩的组合。最典型的例子是撒哈拉大沙漠，它发育在老的稳定的由结晶岩组成的克拉通地区。其风化剥蚀的沉积物中，有丰富的伊利石和绿泥石。

温暖－半干气候具有强烈干－湿季节变化的温和到暖的地区以风化作用不连续为特征。在湿季(年降雨500～1300mm)，水解作用明显，矿物中释放的离子并未被排走，各种碱、硅、铁甚至铝元素在A层位与有机质伴生，在干季它们结合并形成新的矿物，过剩的Ca形成次生方解石，无论什么岩性的母岩均是如此。形成的土壤主要由黑色颗粒状的A层和淡褐色富钙质的B层组成。土壤结构常为棱柱状和不稳定的，H⁺浓度由上到下减小，由稍酸性变为碱性。它们一般出现中低纬度地区，如乌克兰、中东、印度南部、澳大利亚东部、北－西非洲、美国达科他到得克萨斯等地区。粘土矿物通常是以新形成的结晶良好的蒙脱石为特征，这与真正的双硅铝土化是一致的。从温到暖的气候下，水解的强度不同，蒙皂石含量为丰富到很丰富。在土壤的上部层位，蒙皂石可占粘土矿物总量的60%～90%，而不管其母岩性质如何(Redmont和Whittside，1967)。

在干－湿季节悬殊的地区，有硅结砾岩和钙结砾岩形成，前者是土壤表层由玉髓和蛋白石等形成的壳，后者是次生方解石形成的壳，它们在北半球半干旱地带特别发育。同时与之伴生的粘土矿物有Mg－蒙皂石、坡缕石和海泡石。纤维状粘土矿物和纤维状次生方解石的发育是由于水解和蒸发足够强的情况下形成的。例如摩洛哥钙质中存在有坡缕石(Paquet等，1969)，美国内华达南部钙结砾岩含有以坡缕石和海泡石为主导的粘土组合(Hay和Wiggins，1980)。中国陕西周原黄土及古土壤层中，也发现有海泡石等纤维状粘土矿物及丰富的纤维状次生方解石，反映出在半干旱气候下水解和干季蒸发下毛细作用发育的特点。

粘土矿物是在一定的地质环境和气候条件下形成的，产生并广泛分布于地表带的沉积粘土矿物，其形成和转化与气候、特别是温度和湿度有十分密切的关系。不同的气候条件，发育了不同类型和强度的风化作用，导致不同的风化复合体和土壤类型，相应地形成了特征不同的粘土矿物和组合。通过深入地研究粘土矿物和结构特征和粘土矿的组合特点，不同粘土矿物的含量比和粒度分布特征等，可以了解和推测形成区和来源区的风化作用类型和气候环境特点，为解决地质理论和有关科学问题提供有用的资料和信息。

(中国科学院地质研究所张乃娴撰)

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