粘土礦物的成因初步研究

徐葉凈，左文哲

(河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山 063009)

0 引言

粘土礦物是地球表面和近地表帶分布最廣的礦物，大量純的粘土礦物聚集形成有工業(yè)價值的礦床。粘土礦物是細(xì)粒的含水硅酸鹽或鋁硅酸鹽，地表母巖在表生環(huán)境下經(jīng)過風(fēng)化形成的、顆粒小于2 um、具有層狀結(jié)構(gòu)的含水硅酸鹽礦物，具有顆粒微細(xì)、結(jié)構(gòu)無序、成分多變、類質(zhì)替換等特性，對地質(zhì)作用和沉積環(huán)境的變化非常敏感。在海洋淺水區(qū)約占沉積物總量的25%～30%，深水區(qū)達(dá)60%～98%。粘土礦物的成因有多種多樣，但形成方式主要有3種:(1)與風(fēng)化作用有關(guān)。風(fēng)化原巖的種類和介質(zhì)條件如水、氣候、地貌、植被和時間等因素決定了礦物種和保存與否。(2)熱液和溫泉水作用于圍巖，可以形成粘土礦物的蝕變富集帶。(3)由沉積作用、成巖作用生成粘土礦物。

1 粘土礦物的風(fēng)化作用成因

風(fēng)化作用是巖石中原生礦物的風(fēng)化能力，不同亞類的巖石因礦物成分的差異在風(fēng)化過程中相應(yīng)形成的粘土礦物也有一定的差別，如圖1所示。

圖1 原巖中礦物風(fēng)化形成粘土礦物的一般順序

1.1 物理風(fēng)化作用

物理風(fēng)化作用造成地表各種母巖的破碎和分解，而對礦物的結(jié)構(gòu)沒有影響，因而母巖中各種礦物成分仍保持在風(fēng)化產(chǎn)物之中，一般稱這些礦物為繼承礦物。這些物理風(fēng)化的產(chǎn)物可以在未受結(jié)構(gòu)變化的情況下被風(fēng)和水流等介質(zhì)搬運到數(shù)百至數(shù)千公里以外。我國黃土高原巨厚的黃土物質(zhì)一般認(rèn)為是由風(fēng)從沙漠地帶搬運而來，它們基本上保持了源區(qū)風(fēng)化產(chǎn)物的特點。只是某些古土壤層中，粘土礦物發(fā)生不同程度的結(jié)構(gòu)變化，有過渡性粘上礦物和少量自生粘土礦物出現(xiàn)，這種變化是風(fēng)化產(chǎn)物沉積下來之后在新的環(huán)境下發(fā)生的。河水亦可以搬運大量未受化學(xué)風(fēng)化的物質(zhì)。如中國黃河搬運的大量泥砂物質(zhì)主要來自對黃土高原上黃土層的侵蝕，，其中粘上礦物組分也主要是物理風(fēng)化的產(chǎn)物。所以，海洋中的沉積物也含有相當(dāng)多量的物理風(fēng)化產(chǎn)物。

粘土礦物在氣候環(huán)境變化研究中應(yīng)用的基本條件應(yīng)是研究區(qū)盆地地殼穩(wěn)定，沒有明顯劇烈的地質(zhì)構(gòu)造運動。構(gòu)成氣候的兩個基本要素是溫度和濕度。在潮濕溫暖的氣候條件下，淋濾作用較強，母巖風(fēng)化時，一些堿金屬、堿土金屬元素容易被淋濾流失，先形成蒙脫石，進(jìn)一步形成高嶺石。而干冷氣候條件下，淋濾作用較弱，不利于堿土金屬元素發(fā)生淋濾作用，有利于形成伊利石、蒙脫石(陸源碎屑成因)、伊利石/蒙脫石混層類粘土礦物和綠泥石。最常見的粘土礦物是片狀的伊利石、綠泥石、蒙脫石和高嶺石以及纖維狀的坡縷石、海泡石，如圖2所示。

圖2 最常見的幾種粘土礦物

伊利石和綠泥石是在氣溫低、淋濾作用不強的弱堿性介質(zhì)環(huán)境中形成的，它們反映的是干冷的氣候條件。蒙脫石大部分形成在弱堿性介質(zhì)環(huán)境中，在溫帶半濕潤區(qū)沉積物中含量比較高。蒙脫石的出現(xiàn)主要反映形成時的水分狀況，可以不依賴于特定的氣候條件。在半干旱地區(qū)隨著季節(jié)性降雨的作用，新生作用使蒙脫石具有較高的結(jié)晶度，能夠指示暫時的干旱環(huán)境，而形成于濕潤－溫暖氣候條件下的蒙脫石的結(jié)晶度較低，因而蒙脫石的含量可以作為區(qū)域降雨量的代用指標(biāo)。高嶺石形成在酸性介質(zhì)環(huán)境中，為風(fēng)化程度很高的礦物，主要出現(xiàn)在低緯度溫暖潮濕的區(qū)域，反映濕熱氣候，高嶺石在濕熱的風(fēng)化條件下可轉(zhuǎn)化成鋁土礦。坡縷石和海泡石形成于強堿性介質(zhì)環(huán)境，與高度可溶Mg2+的活性有關(guān)，它們是干旱、半干旱環(huán)境的良好指示劑。

其他的粘土礦物，如蛭石在干濕交替氣候下形成，因為排水性不好阻止了濕潤時期從母巖和土壤中淋濾出的硅、堿、堿土元素的遷移。自生二八面體蛭石在溫暖、潮濕氣候下由花崗巖風(fēng)化形成。Taylor(1996)認(rèn)為蛭石向有序伊利石/蒙脫石的轉(zhuǎn)變代表潮濕和干燥的氣候循環(huán)。另外，纖維狀坡縷石、海泡石形成于干旱、半干旱的氣候條件下，并與高度可溶Mg的活性有關(guān)。因此，古土壤中坡縷石是干旱或半干旱環(huán)境的良好指示劑。

在整個地史時期，由于古氣候不斷地交替變化，粘土礦物的組合特征也隨之發(fā)生相應(yīng)的改變，粘土礦物的變化與古氣候的變化有著客觀的關(guān)系。實際研究表明溫度和濕度的差異使地球表面形成不同的氣候帶，各氣候帶內(nèi)風(fēng)化作用的類型和程度明顯不同，相應(yīng)地形成了不同的風(fēng)化復(fù)合體和土壤類型。

1.2 化學(xué)風(fēng)化作用

化學(xué)風(fēng)化作用主要受自然界水活動的控制，特別是水中CO2和來自有機質(zhì)分解的有機酸時，可大大加速化學(xué)風(fēng)化作用的進(jìn)行。

綠泥石是土壤中的常見礦物，雖然含量較云母類礦物為低，但由于它在成土作用早期階段易風(fēng)化形成土壤粘土礦物而備受重視。現(xiàn)有的研究表明，綠泥石在化學(xué)風(fēng)化過程中會釋放出大量的鐵和鎂離子，而鐵是磁性礦物形成所必需的元素。因此，黃土剖面中綠泥石所發(fā)生的化學(xué)風(fēng)化作用是鐵質(zhì)礦物演化的重要環(huán)節(jié)，為成土自生磁性礦物的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，黃土和古土壤中的綠泥石的化學(xué)風(fēng)化、磁性礦物與土壤磁化率的相關(guān)關(guān)系的研究，是理解磁化率成因的關(guān)鍵。

化學(xué)風(fēng)化作用有如下的基本反應(yīng):母巖+少離子水→風(fēng)化復(fù)合物+富離子水，原礦物+侵蝕溶掖→次生礦物十淋濾溶液

按照侵蝕溶液的組成，化學(xué)風(fēng)化作用包括四種不同的類型:(1)酸解作用:發(fā)育于有機的和酸性環(huán)境，易形成有機一礦物復(fù)合體;(2)鹽化作用:以蒸發(fā)的含鹽(Na，K)環(huán)境為特征;(3)堿化作用:具有相應(yīng)的堿性條件和水中含有Ca和Mg;(4)水解作用:是最發(fā)育和常見的作用，巖石遭受少離子水的侵蝕，具有中等pH值的條件。

2 粘土礦物的蝕變作用成因

熱液自生粘土礦物(同生沉積的原生粘土礦物和同生期后形成的次生粘土礦物)、尤其是含鐵粘土礦物的特性(礦物類型、化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)等)與海底熱液系統(tǒng)的構(gòu)造、火山活動和成礦過程密切相關(guān)。熱液自生粘土礦物主要是蒙皂石族礦物，其次是綠泥石族礦物和一些不規(guī)則的混層粘土礦物(綠/蒙混層、伊/蒙混層等)，高嶺石、伊利石族礦物相對較少。它們主要來自基巖蝕變，其次來自熱液流體與海水化學(xué)反應(yīng)沉淀、硫化物礦體蝕變、沉積物蝕變。

大洋地殼從結(jié)構(gòu)上可分為三層，層Ⅰ為沉積層，層Ⅱ以玄武巖為主，層Ⅲ包括輝長巖和超基性巖等。洋底的巖石大多屬于層Ⅱ的范疇，為深部巖漿溢出后在洋底冷凝而成，以高鐵鎂、低硅堿為特征。多數(shù)熱液交代作用發(fā)生于玄武巖被大洋沉積物埋藏之前。熱液蝕變過程和程度受溫度、壓力、溶液成分、基底巖性和形態(tài)、滲透率(孔隙率)、沉積蓋層、反應(yīng)時間等因素控制。在基巖類型相同的情況下，由于沉積環(huán)境差異，在不同蝕變階段的風(fēng)化產(chǎn)物也有所不同。比如，結(jié)晶玄武巖的低溫交代作用在氧化條件下趨于形成Fe－Mg蒙皂石(MgO＜6%)、富K綠磷石、Mg綠脫石、碳酸鹽和Fe－Mg氧化物，在還原環(huán)境下有利于形成富Mg蒙皂石(MgO＞20%)和鐵硫酸鹽;高溫交代作用中熱效應(yīng)的增加依次與沸石相(綠泥石－蒙脫石－蛭石次規(guī)則混層礦物、滑石、皂石、方沸石、片沸石、鈉沸石、鈣沸石巖)、綠片巖相(綠泥石、綠簾石、鈉長石、陽起石、榍石、滑石、綠脫石、石英、蛇紋石)和角閃巖相(陽起石、普通角閃石、斜長石、透閃石、橄欖石、氧化鐵、綠簾石、石英、綠泥石、榍石)礦物組合相對應(yīng)。其中，綠片巖相是從海底采獲玄武巖中最常見的變質(zhì)類型，基性巖蝕變以綠泥石為主，超基性巖蝕變以滑石(可能有蛇紋石)為主。而且，在還原環(huán)境中，變質(zhì)玄武巖中含有以綠泥石為主的富鎂礦物;在氧化環(huán)境中，含有以綠簾石為主的富鈣礦物?；『笈璧氐葝u弧環(huán)境下的長英質(zhì)巖系(流紋巖、珍珠巖、英安凝灰?guī)r等)和海水的交換反應(yīng)形成蒙脫石及富K熱液;蒙脫石與富K的熱液反應(yīng)形成伊利石;依據(jù)不同的水巖比、pH值和溫度，伊利石、石英(或硅酸鹽)和富K的熱液又能形成鉀長石。因此，對比蝕變巖石、粘土、海水的礦物、化學(xué)和同位素組成，可以判斷基巖類型及其復(fù)雜的多期蝕變過程(如水－巖反應(yīng)、流體混合等)。

3 粘土礦物的沉積作用和成巖作用成因

3.1 沉積作用形成的粘土礦物

海洋沉積物經(jīng)歷了漫長的沉積過程，在此期間沉積區(qū)的環(huán)境發(fā)生了各種各樣程度不等的變化。這些變化的信息被沉積物的粒度成分、礦物組合特征、礦物及化學(xué)成分和生物成分記錄下來，通過對這些記錄的研究就能在一定精度范圍內(nèi)了解古氣候、古環(huán)境的演變過程。

粘土礦物是海洋沉積物的重要組成部分，在淺海區(qū)約占沉積物總量的1/4～1/3，它們外觀呈細(xì)粒鱗片狀，對水動力條件有敏銳的反應(yīng)。沉積物的粒度特征是恢復(fù)過去古氣候、古環(huán)境狀況的一個重要代用指標(biāo)，湖泊及深海沉積物的研究結(jié)果表明，水流能量是控制沉積物粒度分布、組分含量的重要因素，粒度的粗細(xì)代表了水動力的強弱、湖泊輸入水量的相對大小，在一定程度上可以反映湖區(qū)降水的變化，因而具有干濕變化的指示意義。同時，粘土礦物組合的變化與長期氣候演變存在一定的關(guān)系，粘土周期性沉積響應(yīng)與地球軌道驅(qū)動因子作用有關(guān)，陸源粘土通量既受大陸冰蓋厚度和海平面變化以及環(huán)流強度的控制，同時又受源區(qū)物理、化學(xué)風(fēng)化程度的影響。因此，粘土礦物組合及其變化不僅記錄了搬運、再沉積和環(huán)境演化的重要信息，對研究海區(qū)的沉積物來源和特征以及對探討陸源物入海后的運移沉淀規(guī)律和沉積過程有意義，而且還反映了源區(qū)氣候冷、暖周期性旋回，為古環(huán)境再造、古季風(fēng)變遷提供了有力的證據(jù)。

3.2 成巖作用形成的粘土礦物

成巖作用顯著影響或根本制約了油氣儲層的特征和時空結(jié)構(gòu)，作為無機和有機界的重要“橋梁”，粘土礦物及其演化在含油氣盆地的孔隙演化與成熟過程中具有極為重要的意義。

粘土礦物在成巖作用過程中隨著埋藏深度、溫度和壓力的增加，演化的總體趨勢是從無序結(jié)構(gòu)向有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，從晶格不完整向晶格完整轉(zhuǎn)化，膨脹晶層多向膨脹晶層少、非膨脹晶層增加轉(zhuǎn)化。在鑒別粘土礦物是否發(fā)生成巖轉(zhuǎn)變時應(yīng)注意以下幾點:(1)溫度和壓力。粘土礦物的轉(zhuǎn)變一般是從蒙脫石→蒙脫石/伊利石混層礦物→伊利石，實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的溫度為100～140℃，壓力約900～920 kg/cm2。研究點的地溫和壓力必須測量或者計算出來以確定是否具有成巖轉(zhuǎn)變的條件。(2)成巖時間。各時代頁巖中粘土礦物類型和分布研究表明，蒙皂石及其混層礦物和高嶺石的豐度隨著年代的變老而減少，而伊利石和綠泥石的豐度則相反;大多數(shù)古生代巖石缺失分散狀蒙皂石，說明古老頁巖中的原生蒙皂石和高嶺石早已成巖變成伊利石和綠泥石。因此，對于時代較老的地層應(yīng)給予特別的關(guān)注。(3)埋深。蒙脫石在成巖過程中的伊利石化需要至少1 500 m的埋深。

4 結(jié)語

粘土礦物是在一定的地質(zhì)環(huán)境和氣候條件下形成的，產(chǎn)生并廣泛分布于地表帶的沉積粘土礦物，其形成和轉(zhuǎn)化與氣候、特別是溫度和濕度有十分密切的關(guān)系。不同的氣候條件下，發(fā)育了不同類型和強度的風(fēng)化作用，導(dǎo)致不同的風(fēng)化復(fù)合體和土壤類型，相應(yīng)地形成了特征不同的粘上礦物和組合。我們通過研究粘土礦物的結(jié)構(gòu)特征和粘土礦物的組合特點、不同粘土礦物的含量比和粒度分布特征等，對了解和推測形成區(qū)和來源區(qū)的風(fēng)化作用類型和氣候環(huán)境特點提供理論依據(jù)。

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