bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học nông nghiệp I hà nội
-----------------------------------------
PGS.TS đào châu thu

Khoáng sét và sự liên quan của chúng
với một vài chỉ tiêu lý hoá học
trong một số loại đất Việt Nam Hà nội 6. 2003
ngoài nên các kết quả nghiên cứu còn ít và bị hạn chế. Với mong muốn đợc học tập, nghiên cứu
sâu thêm về lĩnh vực này, đồng thời đ
ợc tiếp tục đóng góp bổ sung thêm tài liệu cơ bản nghiên
cứu khoáng sét của các loại đất chính trên toàn đất nớc đã giải phóng, chúng tôi tiến hành đề tài
nghiên cứu: "Khoáng sét và sự liên quan của chúng với một vài chỉ tiêu lý, hoá học trong một số
loại đất Việt Nam".
Chúng tôi cũng hy vọng rằng những kết quả nghiên cứu này góp phần chứng minh thêm
khoáng sét thực sự cần thiết và là chỉ tiêu khoa học để đánh giá độ phì đất. Vấn đề cải tạo, cải thiện
thành phần khoáng sét trong đất là một trong những biện pháp kỹ thuật tích cực, có cơ sở khoa học để
nâng cao độ phì các loại đất nhiệt đới nớc ta nhằm tăng năng suất các loại cây trồng.
Chơng I
tổng quan vấn đề nghiên cứu khoáng sét

Trớc khi trình bày cụ thể phơng pháp và những kết quả nghiên cứu khoáng sét đất Việt
Nam, trong chơng này chúng tôi xin giới thiệu một số vấn đề cơ bản về khoáng sét và một vài t
liệu nghiên cứu khoáng sét trong đất, đặc biệt đất nhiệt đới từ trớc đến nay trên thế giới và ở
Việt Nam. Hiểu rõ những đặc điểm cơ bản của khoáng sét và tìm hiểu tình hình cũng nh những
kết quả nghiên cứu khoáng sét của những tác giả trong và ngoài nớc khác nhau là điều quan
trọng đầu tiên trong việc định hớng đề tài, xử lý, đánh giá và nhận xét kết quả nghiên cứu của
mình.
I. Khái niệm chung về khoáng sét và lịch sử nghiên cứu khoáng sét trong đất
Từ hàng ngàn đời nay cùng với lịch sử phát triển xã hội loài ngời, khoáng sét mà ngời
ta vẫn gọi chung là chất sét đã đợc phát hiện và sử dụng rộng rãi trong đời sống con ngời.
Những sản phẩm công nghệ và hàng hoá từ khoáng sét và sét phát triển không ngừng nh đồ
gốm, đồ sứ, gạch, đá nung..., ngày nay sét còn là nguyên liệu trong sản xuất xi măng, khoáng sét
là những chất đệm của công nghiệp giấy, pha chế màu, mực, tẩy dầu thô, dập thuốc... (Rosler và
Starkr 1967).

nhiệt cũng nh sự giảm trọng lợng do mất nớc dạng OH
-
trong mạng tinh thể khoáng và nớc
phân tử do tinh thể ngậm nớc (hydrat hoá) khi nung mẫu khoáng sét; Grim và Rowland (1942);
Hendrick (1938); Bates và Hidelbrand (1939); Barschad (1944, 1952) đều thống nhất rằng
khoáng sét có cấu trúc dạng tinh thể và bao gồm nhiều loại với các hiệu ứng thu và toả nhiệt khác
nhau trên đờng nhiệt sai DTA. Vì vậy trong một thời gian dài, trớc khi ứng dụng các phơng
pháp hiện đại khác thì đây là phơng pháp nghiên cứu khoáng sét đợc sử dụng rộng rãi hơn cả.
Tuy vậy, chỉ có sự ra đời của ngành kỹ thuật sử dụng tia Runtgen và kính hiển vi điện tử
thì mới thực sự giúp các nhà khoa học khám phá ra bản chất cấu trúc các loại khoáng sét. Năm
1923, A.Hadding đã thành công tiêu bản khoáng sét đầu tiên chụp bằng tia Runtgen và ông
khẳng định các khoáng sét chủ yếu có cấu trúc tinh thể đó là Kaolinit, Mica, Montmorillonit,
Nontronit; Bradfield ngời Mỹ (1923) cũng đã nhận xét rằng chỉ bằng phơng pháp tia Runtgen
mới có thể chụp cấu trúc tinh thể dạng phiến, lớp của khoáng sét silicat và ông cũng làm thí
nghiệm chứng minh rằng cấp hạt sét trong đất không chỉ là một hợp chất hoá học vô định hình
nh hỗn hợp nhân tạo hydroxyt nhôm và axit silisic. Từ năm 1930-1934 các thí nghiệm nghiên
cứu thành phần khoáng sét tự nhiên và trong đất bằng tia Runtgen đợc mở rộng và thu đợc
những kết quả khả quan. Năm 1930, L.Pauling đã tìm ra cấu trúc tinh thể dạng phiến của một số
loại khoáng sét khác nhau: Mica, Pyrophyllit, Talk, Kaolinit, Hydragillit, Brucit, và ông đã thể
hiện dới dạng sơ đồ cấu tạo các phiến của tinh thể khoáng sét. Cấu trúc hai loại khoáng sét
Dickit và Nakrit là do Cruner (1932) xác nhận; các khoáng sét nhóm Montmorillonit đợc xác
định cấu trúc bởi Hofmann, Endell và Wilm (1933). Từ các công trình nghiên cứu của mình,
Correns và cộng sự (1936-1939) cho rằng để nhận biết chính xác thành phần khoáng sét và cấu
trúc của chúng cần phải cải tiến các phơng pháp chụp tia Runtgen và phơng pháp quang học.
Thực tế cũng cho thấy rằng chỉ trong vài chục năm lại đây, phơng pháp tia Runtgen xác định
khoáng sét đã phát triển nhanh chóng và có hiệu quả. Các nhà khoáng sét học đã hoàn chỉnh
phơng pháp nghiên cứu cũng nh xây dựng đợc bảng hiệu ứng tia X chuẩn ứng với cấu trúc
tinh thể từng khoáng sét độc lập và hỗn hợp để ứng dụng nhanh chóng trong nghiên cứu cơ bản
và thực nghiệm (Wittig L.D 1942; Brocon G 1961; Sturr M 1978; Mac Evan 1948; Rusler và
Starke 1970 ...). Đến nay bằng phơng pháp tia Runtgen ngời ta không chỉ xác định đợc thành

+4
nằm giữa và 4 ion O
-2
bao quanh; mỗi phiến gipxit gồm 1 ion
Al
+3
hoặc ion Mg
++
(ở cầu Bruxit) và 6 ion O
-2
hoặc 6 nhóm OH
-
bao quanh.
Tinh thể các khoáng sét đợc tạo thành bởi sự kết hợp của mỗi phiến gipxit với 1 hoặc 2
phiến oxytsilic theo thứ tự bởi cầu nối oxy, thành các dạng khác nhau. Tỷ lệ các phiến khác nhau
tạo tinh thể khoáng sét đã quyết định tính chất đa dạng của các loại khoáng sét, là cơ sở quan
trọng cho việc ứng dụng các phơng pháp tia X và kính hiển vi điện tử trong nghiên cứu khoáng
sét và cũng là cơ sở phân nhóm khoáng nh sau (Jasmund 1955; Rusler 1970; Scheffer và
Schachtschabel 1970; Engelhard 1952):
- Khoáng 2 lớp: là sự kết hợp của 1 phiến gipxit và 1 phiến oxytsilic (thuộc loại hình 1:1)
đại diện là khoáng Kaolinit.
- Khoáng 3 lớp: gồm 1 phiến gipxit ở giữa và 2 phiến oxytsilic ở hai bên (thuộc loại hình
2:1) đại diện là các khoáng Montmorillonit, Illit, Vecmiculit.
- Khoáng 4 lớp: gồm 2 phiến gipxit (trong đó là 1 cầu Brucit Mg
++
) và 2 phiến oxytsilic
(thuộc loại hình 2:2), đại diện là Chlorit.
- Khoáng sét hỗn hợp: cấu tạo bởi các lớp phiến của khoáng sét độc lập khác nhau, sắp xếp theo
cấu trúc đảo hoặc cấu trúc tuần tự. Trong đất phổ biến là các loại: Illit - Montmorillonit; Kaolinit -
Chlorit; Vecmiculit - Chlorit...

10
]
-5
+ Al
+3
Tuy nhiên không phải loại khoáng sét nào cũng có sự tích điện âm do khả năng thay thế
đồng hình. Jasmund (1955) cũng nh Mackenzie (1959), Somasiri và Huang (1974), Rusler và
Starke (1967) đều cho rằng hiện tợng thay thế đồng hình chỉ xảy ra ở các khoáng sét 3 lớp. Ví
dụ ở khoáng sét Illit sự thay thế đồng hình xảy ra cả ở phiến oxytsilic và gipxit nên Illit có điện
tích âm khá cao, có thể trao đổi cation giữa các phiến cho đến trung hoà điện. Robert và cộng sự
(1974) thì thấy ở khoáng Vecmiculit một khoáng sét 3 lớp tạo thành từ Biotit giàu Mg có sự tích
điện âm cao chủ yếu do sự thay thế ở phiến oxytsilic. Với khoáng sét Montmorillonit, Somasiri
và Huang (1974); Sawhney và Norrish (1971) nhận thấy sự thay thế đồng hình xảy ra rất rõ ở
phiến gipxit song lại rất nhỏ ở phiến oxytsilic. Đối với khoáng sét 2 lớp mà điển hình là khoáng
Kaolinit, một loại khoáng phổ biến trong các loại đất vùng nhiệt đới ẩm thì các nhà khoáng sét
thống nhất là không có hiện tợng thay thế đồng hình (Schachtschabel 1940; Hendricks S.B
1945; Jusmund 1955). Vì vậy số lợng điện tích dơng và điện tích âm trong các lớp silicat bằng
nhau, không có sự thừa điện tích và sự trao đổi ion giữa các phiến. Khả năng trao đổi ion của
Kaolinit là do một phần mặt phẳng bên tinh thể khoáng không trung hoà điện. Hendricks S.B
1945 đã giải thích Kaolinit có dung tích hấp thu cation = 5ldl/100g sét là do sự thừa điện âm của
bề mặt bên khoáng tạo nên. Theo quan điểm của Scholfield (1953) thì sự tích điện của ion oxy ở
rìa tinh thể Kaolinit sẽ bị trung hoà điện bởi H
+
của môi trờng. Những oxy này chỉ có thể tích
điện âm ở pH rất cao, còn nấu trong dung dịch trung tính hoặc kiềm yếu nó sẽ lập tức tạo thành
OH
-
để tạo nên một sự tích điện dơng ở rìa tinh thể khoáng. Scholfield còn làm thí nghiệm để
chứng minh rằng để tạo cho Kaolinit có sự tích điện âm theo can đơng thay thế đồng hình, muốn
đạt đợc 2ldl/100g keo thì trong 400 Si

1956; Maignen 1963; Roaler 1967; Pagel 1981 ...) nhìn chung chúng không có sự biến đổi khá rõ
về hiện tợng thay thế đồng hình ở các phiến tinh thể cũng nh sự tích điện của khoáng. Các tác
giả đều cho rằng khi ở dạng khoáng hỗn hợp sự tích điện của tinh thể yếu đi do đó khả năng trao
đổi ion của khoáng sét hỗn hợp giảm hơn khi chúng ở dạng đơn (nguyên chất). Chang và Lee
1958 ; Svherman 1962; Jackson 1968 còn đa ra giả thuyết rằng nhiều loại khoáng sét hỗn hợp
nh Kaolinit - Chlorit ; Vecmiculit - Chlorit thứ sinh gắn liền với các giai đoạn phát triển của các
loại đất, nhất là đất của các sản phẩm bồi tụ, trầm tích.
H.1: Sơ đồ cấu trúc tinh thể các khoáng sét chính (Theo Scheffer và Schachtschabel - 1970)
Nh vậy, có thể nói sự tích điện của các khoáng sét là một trong những tính chất quan
trọng nhất của chúng và đã đợc các nhà khoáng sét học và thổ nhỡng trên thế giới nghiên cứu
đi đến các nhận xét khẳng định khá thống nhất. Tính chất này là giả thiết cơ bản cho mối liên hệ
hấp phụ trao đổi ion của khoáng sét với dung dịch đất (Starke 1970; Pagel 1981). Sự tích điện âm
do hiện tợng thay thế đồng hình chỉ xảy ra ở các khoáng sét 3 lớp và thực tế không phụ thuộc
vào những điều kiện ảnh hởng ở bên ngoài (Sawhney và Norrisch 1971). Những cation trên bề
mặt tích điện của tinh thể khoáng sét có thể trao đổi hoàn toàn, trong khi đó thì các cation giữa
phiến lớp chỉ có thể trao đổi khi nớc và cation khác đợc thấm vào các phiến lớp này, có nghĩa
là khi các khoáng sét đợc giãn ra. Vì vậy, sự trao đổi ion ở Illit phụ thuộc vào độ giãn nở của
phiến tinh thể. Sawhney và Norrisch 1971 cũng nh Summer và cộng sự 1965 còn chứng minh

+ H
+
Sự phân tách [H
+
] phụ thuộc chủ yếu vào pH, cụ thể là ở sơ đồ a), [H
+
] chỉ đợc tách ra để
khoáng sét tích điện âm khi pH = 7; ở sơ đồ b) khi pH = 5 và ở sơ đồ c) khi pH = 8. Vì vậy các
tác giả còn gọi đây là tự tích điện âm biến động của khoáng sét (tích điện âm theo pH) để phân
biệt với sự tích điện âm ổn định do hiện tợng thay thế đồng hình. Ngợc lại, trong môi trờng
chua hoặc khi pH giảm xuống thì Harder (1978) lại thấy rằng nhóm AlOH của khoáng sét (một
phần do lớp phủ mỏng Hydroxyt Fe và Al qua tinh thể khoáng) có sự thu nhận thêm [H
+
] hoặc
tách [OH] để tạo nên sự tích điện dơng của khoáng:
a) [ khoáng sét ] AlOH + H
+
[ khoáng sét ] AlOH
2
+
b) [ khoáng sét ] AlOH [ khoáng sét ] Al
+
+ OH
-
Sự tích điện này đợc xác định bởi dung tích hấp thu anion và phụ thuộc vào pH và nồng
độ muối của dung dịch.
Một tính chất đặc biệt quan trọng nữa của khoáng sét đợc các nhà khoa học quan tâm
nhiều là lực liên kết giữa các phiến trong tinh tầng khoáng cũng nh khả năng hydrat hoá (ngậm
nớc) của mỗi loại khoáng sét. Đặc tính này liên quan tới khả năng hấp phụ ion và nớc cũng
nh đến tính trơng, co, đàn hồi, dính, dẻo của các khoáng sét. Ngay từ những ngày đầu khám