Thành phần khoáng vật và hóa học pha rắn của đất

Thành phần khoáng vật của đất có thể chia làm 3 loại: khoáng vật nguyên sinh, khoáng vật thứ sinh hai loại này là khoáng vật vô cơ, và chất hóa hợp hữu cơ.. Thành phần khoáng vật của pha

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA ĐỊA CHẤT

- -TIỂU LUẬN

MÔN: ĐỊA CHẤT THỦY VĂN

ĐỀ BÀI

Thành phần khoáng vật và hóa học pha rắn của đất ảnh hưởng của chúng đến tính chất của đất

Hà Nội - 2016

Lời mở đầu

Khoáng vật là những đơn chất hay hợp chất hóa học trong tự nhiên hình thành

và tồn tại trong vỏ trái đất hay trên mặt đất trong những điều kiện địa chất nhất định

Hiện nay các nhà khoa học đã tìm được khoảng 2800 khoáng vật, trong đó có khoảng 50 khoáng vật tạo thành đất đá

Do đất là sản phẩm của sự phong hóa đá gốc do vậy thành phần khoáng vật của đất chủ yếu phụ thuộc vào thành phần đá gốc và tác động phong hóa của đá Tác dụng phong hóa khác nhau sẽ sản sinh các khoáng vật khác nhau ngay cả khi tác dụng phong hóa trên cùng một loại đá gốc

Thành phần khoáng vật của đất có thể chia làm 3 loại: khoáng vật nguyên sinh, khoáng vật thứ sinh( hai loại này là khoáng vật vô cơ), và chất hóa hợp hữu cơ Ảnh hưởng của các thành phần khoáng vật đến tính chất của đất có thể thấy:

- Với đất có kích thước hạt lớn: thành phần khoáng vật không ảnh hưởng nhiều đến tính chất của đất

- Với đất có kích thước hạt nhỏ: thành phần khoáng vật ảnh hưởng nhiều đến tính chất của đất vì chúng ảnh hưởng đến hoạt tính bề mặt hạt đất dẫn đến ảnh hưởng tới lớp nước kết hợp mặt ngoài hạt đất

1 Thành phần khoáng vật của pha rắn

Thành phần khoáng vật là một trong những đặc trưng quan trọng của pha rắn, nó không những ảnh hưởng đến hình dạng kích thước của các hạt đất mà còn ảnh hưởng đến sự tương tác giữa pha rắn và pha lỏng, đặc biệt là đối với các hạt phân tán nhỏ, do đó ảnh hưởng rất lớn đến đặc điểm, tính chất và cường

độ mối liên kết giữa các hạt rắn

Đất được thành tạo do sự phong hóa của đá, nhất là phong hóa hóa học, vì vậy trong đất có cả các khoáng vật nguyên sinh và các khoáng vật thứ sinh Về thành phần, chủ yếu là các nhóm khoáng vật sét; các loại oxyt và hydroxyt của silic, sắt, nhôm ; các loại loại khoáng vật thuộc nhóm muối đơn giản có trình độ hòa tan khác nhau; một ít các mảnh vụn nhỏ có các hạt khoáng vật nguyên sinh, các tạp chất di tích hữu cơ và các hợp chất hữu cơ

Các loại khoáng vật sét chiếm phần chủ yếu trong các đất loại sét, thường gặp nhất là các nhóm kaolinit, hydromica và monmorilonit Do cấu trúc mạng tinh thể nên chúng thường bị vỡ vun thành các vảy nhỏ, dạng tấm phân tán nhỏ(

<0.002mm) khoáng vật sét là tên gọi chung của nhiều loại khoáng vật thuộc họ alumosilicat lớp, trong các thành phần hóa học của chúng có cả SiO2 và Al2O3 , rất nhạy cảm với nước nên chúng ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất cơ lý của khối đất

Nhóm kaolinit gồm các khoáng vật kaolinit, haloisit, dickit và nakrit, tuy khác nhau về kiến trúc và các tính chất vật lý, nhưng chúng có cùng một thành phần hóa học, tinh thể đều có dạng tấm 6 cạnh Kaolinit thường có màu trắng hoặc hơi nhuốm màu vàng, phớt nâu, phớt đỏ Kích thước các tinh thể thường lớn hơn0.1µ, khối lượng riêng 2.58 – 2.59, cát khai hoàn toàn, phản ứng tỏa nhiệt lớn, điểm cực đại ở nhiệt độ 550 - 610ºC Kaolinit được thành tạo do sự phong hóa của các khoáng vật alumosilicat như fenspat, mica, zêolit v.v trong các đá macma, biến chất, hoặc trầm tích trong môi trường axit ( pH= 5

-6 ) khi nước giàu các axit cacbonic, axit hữu cơ v.v

K2O.Al2O3 6SiO2 + CO2 + nH2O = Al2O3.2SiO2.2H2O + K2CO3 + 4 SiO2 nH2O Kaonilit có thể sinh thành trong các điều kiện khí hậu khác nhau nhưng thuận lợi nhất là trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm, trong môi trường axit,

nên rất phổ biến trong các loại đất ở nước ta Nó có thể tích tụ lại trong vỏ phong hóa hoặc bị rửa trôi vận chuyển đi xa và trầm đọng lại

Mạng tinh thể của các khoáng vật kaolinit tương đối ổn định Mỗi mạng đơn

vị gồm 4 mặt oxyt silic ( Si-O) và một tầng các khối 8 mặt hydroxyt Alumin (Al – O –OH)

Trong tập mạng tiếp xúc giữa các mạng tinh thể kế cận gồm 1 bên ( có tổng điện tích âm) là các nguyên từ 0xy (có tổng điện tích dương) là các hydroxyl

Vì vậy mối liên kết giữa các mạng tinh thể tương đối bền vững, tính lưu động giữa các mạng tinh thể thấp, khả năng hấp thụ nước giữa các mạng tinh thể không đáng kể, tính ưa nước của kaolinit kém hơn monmorilonit

Nhóm monmorilonit có cấu trúc mang tinh thể tương tự kaolinit Mỗi mạng đơn vị gồm có các tầng khối 8 mặt hydroxyt alumin và hai tầng khối 4 mặt oxyt silic ơ hai bên Vì vậy trong mạng tinh thể các tầng 4 mặt oxyt silic đều liền kề nhau Do đó mối liên kết giữa các mạng tinh thể yếu hơn kaolinit,

monmorilonit dễ hấp thụ nước vào các mặt dạng tinh thể nên có khả năng trương nở thành kaolinit Các tinh thể monmorilonit gặp nước dễ bị phân rã thành các hạt có kích thước nhỏ, thường nhỏ hơn 0.001mm, làm tăng tỷ mặt ngoài, tăng hoạt tính mặt ngoài của đất Ngoài ra, các ion dương trong mạng tinh thể monmorilonit có thể bị thay thế bằng các ion dương có hóa trị nhỏ hơn

Mg2+ có thể thay thế cho Al3+ hoặc Al3+ có thể thay thế cho Si4+, làm cho mạng tinh thể bị dư thừa hóa trị và làm tăng khả năng hấp phụ của monmorilonit Theo một số học giả nước ngoài thì trong điều kiện khí hậu nóng ẩm,

monmorilonit có thể dần dần chuyển thành hydromica, và sau cùng thành kaolinit Một số khoáng vật sét có thể tiếp tục phân giải tạo thành các oxyt silic

và oxyt alumin tự do Sự phân giải này có thể trình bày dưới dạng sơ đồ như sau :

Al4[Si4O10][OH]8 + [H+ - OH-] = 2Al2O3.nH2O + 2SiO2.nH2O

Hydro mica có tính trung gian giữa kaolinit và monmorilonit ; nó có thể do các khoáng vật mica bị phong hóa mà tạo thành, và có khả năng hâos thụ một lượng nước nhất định làm cho thể tích bị trương nở

Các khoáng vật nhóm oxyt và hydroxyt silic, sắt, nhôm cũng là rất phổ biến trong đất

- Thạch anh là khoáng vật nhóm oxyt (SiO2 ) rất ổn định về mặt hóa học,

có cường độ và độ cứng cao, chủ yếu là có nguồn gốc nguyên sinh, hạt thường có kích thước lớn và đẳng thước, là phần chính của cuội, sỏi, cát

và bụi Cát hạt to như cát vàng hầu như hoàn toàn là thạch anh Một phần thạnh anh cũng có nguồn gốc thứ sinh do sự phá hủy của các nhóm

khoáng vật nhóm silicat và alumonsilicat Chịu tác dụng phong hóa hóa học các khoáng vật nỏi trên tạo thành các axit octosilisic ( H2SiO4 ) và axit metasilisic( H2SiO3 ), H2SiO3 có thể chuyển sang trạng thái dạng keo

H2SiO3 + nH2O = SiO2.nH2O( opan)

- Opan mất nươc dần kết tinh lại tạo thành thạch anh thứ sinh (SiO2) tích lũy lại trong đất

Các loại oxyt và hydroxyt sắt và nhôm là các sản phẩn phong hóa hóa học của các khoáng vật nguyên sinh giàu sắt và nhôm, chúng rất phổ biến trong đất phong hóa vùng đồi núi thường gặp ở trạng thái keo vô định hình

Lấy ví dụ sự oxy hóa của các khoáng vật sunfua, như pyrit ( FeS2) :

2FeS2 + 7O2 + H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4

Sắt sunFuat lại tiếp tục bị oxy hóa :

12FeSO4 + 3O2 + 6H2O = 4Fe2(SO4)3 + 2Fe(OH)3

Fe2(SO4)3 không bền vững và bị thủy phân cho limonit và axit sunfuric

2Fe2(SO4)3 + 9H2O = 2Fe2O3.3H2O + 6 H2SO4

Các alumosilicat bị phong hóa tạo ra hydroxyt nhôm Al(OH)3 là keo dạng vô định hình và có thể kết tinh lại

2Al(OH)3 ==kết tinh= Al2O3 3H2O ( gipsit hay hydracgilit) Gipsit, hydracgilit là các khoáng vật thường tích lũy lại ở trong đất đồi núi vùng nhiệt đới ở nước ta

Hàm lượng các loại oxyt và hydroxyt silic, sắt và nhôm trong đất luôn thay đổi tùy thuộc vào đá gốc, điều kiện khí hậu và địa hình

Trong vùng nhiệt đới nóng ẩm, các khoáng vật, các vật chất hữu cơ bị phân hủy rất nhanh, silic bị rửa trôi mạnh cùng với các kim loại kiềm Một loại đất đỉ bazan Tây Nguyên hàm lượng SiO2 chỉ chiếm từ 20 – 30%( Phạm Văn Thìn) Trong các lớp đất do phong hóa ở vùng đồi núi Miền Bắc, hàm lượng SiO2 có thể chiếm tới 40 - 50% Hàm lượng trong đất đỏ bazan Phủ Quỳ( Nghệ An) tới 33%, ở một số vùng đồi miền bắc lên đến 40%( V.M Fridland) ; Fe2O3 trong đất đỏ bazan Phủ Quỳ từ 20 – 22%( Lê Văn Thưởng), ở tây nguyên từ 20 – 30% (Phạm Văn Thìn), trong đất vón laterit có thể tới 70 – 80%( V.M Fridland) Có vùng do bị khử oxy sắt chuyển sang dạng hóa trị 2 để dễ bị rửa trôi, như trên đất bạc màu vĩnh phú chỉ còn 1,83 đến 3,72%

Các loại oxyt và hydroxyt sắt và nhôm trong các sản phẩm phong hóa, nhất

kà trong đất phong hóa laterit thường tích đọng lại, gắn kết các hạt đất tạo nên các hợp thể, các kết vón có độ bền vững khác nhau, nhất là khi độ ẩm của đất thay đổi,

và ảnh hưởng đến sự tập trung của các số liệu thí nhiệm về tính chất cơ lý của đất Oxyt và hydroxyt sắt làm cho đất có màu nâu đỏ, màu rỉ sắt, vì vậy pyrit là một trong những khoáng vật có hại cho các loại đá dùng làm vật liệu xây dựng, làm đá

ốp lát trang trí mặt ngoài

Khi phong hóa hóa học, một số các nguyên tố trong khoáng vật nguyên sinh bị hòa tan dưới dạng ion sau này tạo nên các khoáng vật hòa tan ở các mức độ khác nhau

khó hòa tan như canxit( CaCO3), manhesit ( MgCO3), hòa tan vừa như thạch cao ( CaSO4.H2O) , hòa tan dễ như NaCl, KCl

Các loại muối hòa tan có thể trầm đọng lại thành những hạt rất nhỏ thuộc nhóm hạt bụi hoặc nhóm hạt sét, hoặc tích đọng trong các khoảng trống giữa các hạt trở thành những xi măng gắn kết các hạt, tạo ra các hợp thể, các kết hạch to nhỏ khác nhau Chúng cũng có thể lắng đọng tạo thành các loại đá cứng rắn như đá vôi, thạch cao, muối mỏ v.v Khi bị phong hóa cơ học vận chuyển, mài mòn có thể tạo nên tảng đá lăn, cuội, sỏi cát v.v Trong trường hợp này các loại muối hoàn tan nói trên có thể xem là những khoáng vật nguyên sinh vì vậy sự phân biệt các khoáng vật nguyên sinh và thứ sinh chỉ là tưởng đối mà thôi

Các khoáng vật nguyên sinh thường là các hạt có kích thước lớn, các mảnh vụn của đá, cuội sỏi, cát, mà phổ biến nhất là thạch anh và mica ít hơn là fenspat, hocblem, augit, cacbonat hoặc một vài khoáng vật quặng

Một thành phần nữa khá phổ biến và cũng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất

cơ lý của đất là các tàn tích của sinh vật, quan trọng nhất là các tàn tích, chất mục của thực vật, đặc biệt là chúng tập chung thành một khối lượng lớn, thành các lớp dày như than bùn, đất than bùn, rất hay gặp ở các vùng đồng bằng vùng Hà Nội

Đó là các loại đất chủ yếu đối với xây dựng, độ lún lớn, cường độ nhỏ Các loại đất chứa các tàn tích thực vật thường có màu đen, hơi thối Phân loại đất theo hàm lượng chất mục hữu cơ như bảng 1-1

Bảng 1-1 BẢNG PHÂN LOẠI ĐẤT THEO HÀM LƯỢNG CHẤT HỮU CƠ

Đất chứa hữu cơ trung

bình

Đất chứa rất nhiều hữu cơ 15 - 20 10 - 15

Các loại vậ chất hữu cơ có trong đất có thể được chia làm hai loại

- Loại thứ nhất : gồm các tàn tích hữu cơ bị phân hủy còn giữ nguyên hình thể, hoặc thành các mảnh vụn còn giữ nguyên câu tạo của sinh vật Các

tàn tích thực vật thường chứa tới 70-90% lượng nước, chúng vẫ tiếp ục bị phá hủy, do đó gây nhiều bất lợi cho việc sử dụng đất trong xây dựng Các loại vỏ sò hến có khi tập trung lại tạo nên đá vôi vỏ sò, là nguồn vật liệu đá, vật liệu nung vôi như ở Diễn Châu (Nghệ An)

- Loại thứ 2: là các vật chất hữu cơ bị phân hủy, mất hẳn hình dạng và cấu tạo ban đầu Các vật chất cấu tạo nên các thực vật một phần bị biến thành các hợp chất có tính dễ hòa tan, một phần lại được khoáng hóa, hoặc hòa tan trong nước tạo ra các chất khí, một phần biến thành các hợp chất hữu

cơ cao phân tử, có cấu tạo phức tạp, đó là các chất mùn, các humic- một sản phẩm màu đen vô định hình, dạng keo, có hả năng hấp phụ lơn Chúng thường hấp phụ vào trên các mặt hạt khoáng sét, gắn kết các hạt với nhau tạo nên các vi hợp thể vô cơ- hữu cơ

Từ những điều nói trên ta thấy thành phần vật chất của đất có ảnh hưởng quyết định đến độ lớn của các hạt đất, tính chất cơ lý của khổi đất và cũng là những yếu

tố phản ảnh nguyên nhân sinh thành và điều kiện toàn tại của đất

2 Thành phần hóa học của pha rắn trong đất

Thành phần hóa học của pha rắn thường được biểu thị bằng hàm lượng phần trăm các loại oxit như: SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MgO, CaO, Na2O…

Thành phần hóa học của pha rắn thay đổi tùy theo thành phần khoáng vật, thành phần hạt của đất Nói chung hàm lượng hạt càng lớn thì hàm lượng oxit silic càng cao Trong các loại cát màu vàng và sạch, lượng SiO2 có thể lên tới 80 – 99% thành phần khoáng vật thường là thạch anh và opan, chanxedon Trong các loại cát bồi tích sông hàm lượng silic, oxit thường thấp hơn do lẫn nhiều khoáng vật sét, mica và các tạp chất khác Màu sắc của cát thay đổi, thường là màu vàng do màng sắt oxit bám dính ngoài mặt hạt, màu đen do lẫn các tạp chất bẩn, mục hữu cơ (cát vùng đầm lầy, cát vùng Hải Hưng…) Hàm lượng tạp chất ngày càng cao, chất lượng xây dựng của cát càng giảm

Thành phần hóa học của đất loại sét đa dạng hơn, phụ thuộc vào nguyên nhân sinh thành và điều kiện tồn tại của đất nhưng chủ yếu vẫn là SiO2 từ 20 – 25,

75 – 85%, Al2O3từ 5 – 10% đến 40 – 45% Hạt càng nhỏ hàm lượng SiO2 càng giảm còn Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO… càng tăng (N.A Kasinovxki, V.M Fridland) Ngoài ra còn có Al2O3, Na2O, SO3, CaCO3… (Bảng 1 – 2)

BẢNG 1 – 2 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA CÁC NHÓM HẠT Ở MỘT MẪU

ĐẤT LOẠI SÉT

Nhóm hạt

mm

Hàm lượng % của các thành phần SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O P2O5

Hàm lượng oxit sắt trong đất ảnh hưởng rất lớn đến màu sắc của đất, đặc biệt màu sắc của các sản phẩm nung (Bảng 1 – 3)

BẢNG 1 – 3 HÀM LƯỢNG Fe2O3 VÀ MÀU SẮC CÁC SẢN PHẨM NUNG Hàm lượng

Fe2O3 %

Màu của

sản phẩm

nung

Trắng Trắng

đục

Vàng nhạt

Vàng Hồng

nhạt

hồng

Vì vậy trong sản xuất gốm sứ yêu cầu về Fe2O3 rất khắt khe

Do thành phần khoáng vật của đất đa dạng lại chứa nhiều tạp chất nên thành phần hóa học của pha rắn thay đổi trong một phạm vi khá rộng Thành phần hóa học của pha rắn ít khi phản ánh được các kiểu thành phần khoáng vật của đất, và cũng

không cho ta một khái niệm về tính chất cơ lý của khối đất, việc xác định lại càng khó khăn, tốn kém nên trong nghiên cứu địa chất công trình thường không xác

định thành phần hóa học của pha rắn của đất mà chỉ nghiên cứu phục vụ mục đích chuyên môn như sản xuất đồ gốm sứ… (Bảng 1 – 4)

BẢNG 1 – 4 THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA MỘT VÀI LOẠI ĐẤT SÉT Ở

VIỆT NAM

Địa điểm Hàm lượng % các thành phần

SiO2 Al2O3

+ TiO2

Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O Mất

khi nung ở

9500C Dại Thanh 60,97 20,34 8,6 1,39 1,42 0,31 - - 5,95

Bổ Sao 67,0 19,80 7,66 0,88 0,90 - 2,45 0,93

-======================================================== tài liệu tham khảo: giáo trình cơ học đất, giáo trình đất xây dựng