黑棉土（Black Cotton Soil或Regur）作为一种高膨胀性粘土岩广泛分布于东部非洲（肯尼亚、埃塞俄比亚、坦桑尼亚、南非等）及南亚次大陆（印度、孟加拉国、缅甸等）。这类粘土都有遇水膨胀，失水收缩等特性，例如：黑棉土具有极强遇水膨胀性、渗透性小（<7.5×10-6 cm/s）、极易吸湿，具有亲水衰减特性。这些性质虽然在物质吸附、分离及水处理等应用领域是其优点，但用于工程材料（路基、路堤、桥梁、水利、建材等）则是缺点，单纯使用黑棉土用于路堤材料容易因湿度的变化产生地基变形，造成建筑物开裂、边坡失稳等问题。

吉林大学苗世顶团队在参与“中交股份建设科技项目（编号：2015ZJ214704）”研究中发现了水化膨胀原因，并提出“钾碱地质聚合”措施，实现了黑棉土水化膨胀防治。通过研究，内罗毕南环线的现代型黑棉土是以蒙脱石为主要矿物，含有深层伊利石化混层粘土矿物，接触变质的透长石，以及少量的石英、沸石相等。蒙脱石以钙质为主，较古地层粘土岩Mg含量大大减少，Si-Al-O板层负电荷下降，随地质年代更新，其单元结构由三八面体向二八面体转变（见下表晶体化学式计算结果）。横向比较，东非地区的蒙脱石的八面体阳离子指数较西非地区要低，表明该区域黑棉土进化与西非在沉积岩演化过程中稍有差别，即东非罗毕地台历经火山-沉积岩型构造，处于一个半封闭的河湖沉积过程，而西非尼日利亚Chad湖区粘土是河口-海洋沉积特征。两者的沉积岩原岩类似，都是上新世之前的火山喷发产物——粗面岩-玄武岩及碎屑岩，这一喷发过程的地质史龄跨越寒武世及晚古生代，以基性岩为主。黑棉土沉积岩发育时间始于3.3-0.8 Ma，粘土矿床的成矿作用过程是沸石类矿物形成在先，蒙脱石在后的演化过程。“水化反应”在黑棉土粘土岩的形成过程中起到至关作用。沉积岩发育起始阶段是形成高硅沸石，随着偏酸性水的不断补给，促使成高硅沸石的不断分解，形成无定形的SiO2、Al2O3等，在一定的补水和排水条件，或蒸发量较大的情况下，密闭水体体系被打破，则使带出的游离的SiO2溶胶不断地排除，造就了蒙脱石的生成，形成了黑棉土沉积。团队还通过对前人有关的考古学、古生物的研究结果进行再分析，认为肯尼亚南部古地台在更新世的中期气候比现在要湿润，随着后期气候向半干旱演变，气候因素促进了黑棉土沉积岩的形成，得出黑棉土遵循火山玻璃→高硅沸石→蒙脱石的演变途径。本文对于深入了解东非地区粘土岩成矿机制、地质演化及黑棉土的开发与工程防治具有指导意义。相关研究成果近日发表于《矿冶》期刊2025年3期。

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黑棉土中蒙脱石单位晶包的化学式，包括Si（Al）-O四面体，Al（Mg、Fe、Ti）-O八面体，以及层间Na、K、Ca的数目，给出Si-Al-O层结构的电荷数

专家简介

苗世顶，教授，博士生导师，吉林大学“唐匡”教授。2007年博士毕业于中科院化学所。先后在比利时KU Leuven大学（2007-2008），德国TU Dresden做“洪堡”博士后（2009-2010）。2012-2013年在莱布尼兹固体物理所做访问学者。曾获欧洲第三届青年科学奖（2010），安徽省杰出青年基金（2014），中国交建科技进步奖（一等，2018），非金属矿科学技术奖（二等，2020）、中国公路学会科学技术奖（一等，2023）。

提出表面化学用于矿物结构调控方法，开发出性能优异的催化材料（Nano Lett. 2025, Adv. Energy Mater. 2025, 2020，Adv. Mater. 2017，Angew. Chem. Int. Ed 2006等80篇）；提出磷化物量子点合成的热力学准则，获得国际公认（ACS Nano, 2012，J. Am. Chem. Soc. 2010）；开发出地质聚合固化膨胀性黑棉土的方法，进入工程应用（承担中国路桥公司项目）；开发出超细玄武岩纤维，给出玄武岩矿石用于拉制连续纤维的品质鉴定方法（ZL 2021 1 1219851.1，2023SR1707382, V2.0）；近期在磷镁基高温胶凝材料试生产获得成功，用于汽车发动机部件（企业横向）。

主持国家自然基金项目5项、教育部2项、省级4项、横向8项，参与军工项目1项。授权发明专利近20项。任Front. Chem.、Sci. Rep期刊Broad editor，任《吉林建筑大学学报》副主编、《矿冶》编委，任中国岩石地球化学学会环境矿物专委会委员，中国硅酸盐协会矿物材料专委会委员，吉林省硅酸盐学会副理事长，编著教材《环境矿物材料》，化学工业出版社，2024。