沉積地層中火山沉積巖夾層中粘土礦物成因和成巖作用特征

趙書躍，卓勝廣，牛 犇

（1.黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院齊齊哈爾分院，黑龍江 哈爾濱 150036；2.東北大學(xué)秦皇島分校，河北 秦皇島 066000；3.中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 研究背景

近年來，有許多文章[1-3]介紹綠泥石形成于硅質(zhì)碎屑巖中蒙脫石/伊利石轉(zhuǎn)化過程的晚期和火山沉積巖中蒙脫石/綠泥石轉(zhuǎn)化的晚期[4]。通過薄片鑒定、高分辨透射電鏡和X-射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)日本新瀉盆地的火山沉積巖中普遍存在著自生綠泥石[5]。這類綠泥石出現(xiàn)在杏仁體的核部，通常伴隨著一個細粒、纖維狀蒙脫石殼層。掃描電鏡圖像顯示杏仁體從邊緣向中心，礦物變化表現(xiàn)為由細晶纖維狀多晶核的蒙脫石到自生粗晶綠泥石。蒙脫石和濁沸石組合標(biāo)志著母巖成巖程度，這種礦物組合特征顯示未受成巖作用和超低級熱液變質(zhì)作用的蝕變。其杏仁體內(nèi)的綠泥石和蒙脫石共生組合說明綠泥石結(jié)晶處在早期成巖階段。

在蒙脫石綠泥石化過程中，蝕變的綠泥石/蒙脫石混合層的形成取決于原始蒙脫石的化學(xué)成分和溫度的增加。在新瀉盆地深部地層中，這種綠泥石化作用結(jié)果導(dǎo)致了片沸石、綠泥石、綠簾石和葡萄石共生礦物組合。在綠泥石地層中，有關(guān)熱液蝕變的綠泥石特征已有相關(guān)文章做過論述[5]。在早期成巖作用中的綠泥石被地層流體的化學(xué)成分和環(huán)境條件所控制，其特點可以根據(jù)杏仁體的礦物組合和礦物成分所決定。本文通過對采自新瀉盆地樣品的測試分析，探討在成巖作用和低溫?zé)嵋何g變作用中，由沉淀形成的綠泥石特征及其形成演化過程。

2 地質(zhì)背景和樣品試驗

2.1 地質(zhì)背景

樣品取自日本新瀉盆地新近系中新統(tǒng)(N1)頂部的七谷組，測試年齡為15～18.5Ma。由玄武巖、安山巖和流紋巖組成碎屑沉積巖薄層，是新瀉盆地的基底[6]。據(jù)新竹野鉆井的資料，其埋藏演化過程如圖1所示。鏡下結(jié)構(gòu)為?；淙蹘r、細晶或次斑狀細晶玄武巖、粗斑晶玄武巖，包括安山巖和流紋巖。在鐵鎂質(zhì)中性巖中，次生礦物組合可劃分為三層：①蒙脫石和濁沸石層(4 215～5 210m)；②綠泥間蛭石和方沸石層(5 210～6 250m)；③綠泥石和綠簾石層(＞6 250m)[5]。長英質(zhì)流紋巖和英安巖的粘土礦物轉(zhuǎn)化與鐵鎂質(zhì)巖石有所不同。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖與樣品位置、地質(zhì)年代與盆地演化模型

七谷組的玄武巖、安山巖和流紋巖中的杏仁體可分為單一礦物和多礦物兩種形式，礦物組合統(tǒng)計和特點見表1。本次研究的沉淀綠泥石樣品都是選自蒙脫石和濁沸石層中樣品，綠泥石和蒙脫石的杏仁體是在顯微鏡下鑒定分離。

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 杏仁構(gòu)造觀察

從薄片下的顯微圖象分析，依據(jù)礦物晶體形態(tài)、排列和成分特征，氣孔充填礦物可分為殼層結(jié)構(gòu)和非殼層結(jié)構(gòu)。在顯微圖像上礦物組合的互生關(guān)系顯示出晶體生成順序、結(jié)晶階段和生長方向(圖2)。在杏仁體的中心，析出的自生綠泥石形成一個粗晶體核，而殼層由蒙脫石和鈉云母組成(圖3)。

掃描電鏡和透射電鏡分析結(jié)果見圖4(圖4A、B、D為圖4C中箭頭所指位置放大圖)，顯示了杏仁體的不同部分。殼層的礦物排列為細纖維狀無定向性晶體結(jié)構(gòu)組合，中心部分由從外向里的定向生長粗晶組成。在杏仁體和基質(zhì)之間存在著一個雙蝕變帶。

表1 杏仁體中單一和多種礦物組合分布

圖2 玄武巖、安山巖、流紋巖中杏仁體種類和裂隙充填

通過高分辨透射電鏡對杏仁體不同部位蒙脫石和綠泥石進行結(jié)構(gòu)鑒定，在杏仁體中心部分，其高分辨透射電鏡的放大圖像顯示綠泥石14.1間距晶體結(jié)構(gòu)層和衍射結(jié)構(gòu)圖像(圖5A)，并包含少量蒙脫石層。在杏仁體的殼層部分，圖像顯示蒙脫石10晶體結(jié)構(gòu)層和衍射結(jié)構(gòu)圖像(圖5B)。晶體結(jié)構(gòu)層隨晶體形態(tài)彎曲。

圖3 單偏光下單一礦物杏仁體的玄武巖圖像

圖4 掃描電鏡和透射電鏡圖像

圖5 高分辨透射電鏡(HRTEM)圖像

2.2.2 蒙脫石和綠泥石的晶體結(jié)構(gòu)

杏仁體內(nèi)層狀硅酸鹽的X-射線衍射譜線(圖6)，圖中包括自認定向分析曲線；乙二醇處理定向分析曲線；加熱處理分析曲線；與全巖樣品＜2μ m部分礦物定向分析曲線對比圖。掃描電鏡圖像(圖7)顯示綠泥石與蒙脫石和濁沸石共存。加熱300℃樣品的X-射線衍射譜線顯示出綠泥石的14.1、7.1、4.6和3.6A峰值特征；定向的乙二醇(EG)處理的樣品中，蒙脫石的16峰遮蓋了綠泥石的14.1A峰，但是綠泥石的7.1A和3.6A峰明顯存在；在全巖礦物樣品中(＜2μm)綠泥石的峰值不明顯。

圖6 杏仁體內(nèi)層狀硅酸鹽X-射線衍射圖譜

2.3 化學(xué)成分和環(huán)境

圖7 含綠泥石杏仁體掃描電鏡圖像

在透射電鏡觀察的同時，利用X-射線能譜檢測儀(EDS)對綠泥石和蒙脫石進行成分測定。點分析數(shù)據(jù)如表2所示(分析點為圖4C中a、b、c、d小圓環(huán)標(biāo)定范圍)，AMF三角圖投點見圖8，分析結(jié)果說明，綠泥石和蒙脫石出現(xiàn)在杏仁體的不同部位。殼層的蒙脫石形成在一個富SiO2貧Al2O3成分條件，雖然蒙脫石的FeO*含量較低，但磁鐵礦作為共生礦物的存在，說明蒙脫石形成環(huán)境是一個富氧和低二價鐵環(huán)境。在綠泥石沉淀和晶體化階段，Al2O3和FeO*明顯增加，SiO2、Na2O、CaO和K2O相對減少。綠泥石和蒙脫石的結(jié)構(gòu)分子式均屬于三八面體結(jié)構(gòu)，但鋁在綠泥石的八氧面體層逐漸增加。

表2通過高分辨投射電鏡能譜(EDS)成分點分析，獲得杏仁體殼部蒙脫石成分和核部綠泥石成分，在此基礎(chǔ)上得出蒙脫石和綠泥石分子結(jié)構(gòu)式系數(shù)表。

表2 礦物化學(xué)成分分析(EDS)及礦物結(jié)構(gòu)式系數(shù)計算結(jié)果

3 討論

圖8 殼層蒙脫石與核部綠泥石成分Al2O3、MgO和FeO的AMF變化趨勢圖

蒙脫石和綠泥石的杏仁體頻繁出現(xiàn)在?；鋷r和細晶玄武巖中，這類巖石的結(jié)晶和蝕變環(huán)境在低級別成巖階段受限，發(fā)生在巖漿侵入、冷卻到早期成巖作用過程。蒙脫石和濁沸石的共生組合證明了成巖作用和熱液變質(zhì)作用是處在低溫狀態(tài)。在杏仁體的殼層中蒙脫石是非常細的纖維狀晶體。通常巖漿迅速冷卻形成火山玻璃，細粒多核晶體形成于一個較窄的結(jié)晶快速冷卻過程[7]。Sanagawa[8]討論過在低度過飽和靜態(tài)溶液中，相同的觀察過程為螺旋生長過程，事實上強調(diào)了晶體生長形成一個稀釋溶液膜，在交代作用前熱液溶解原始巖石成分，但是這里結(jié)晶的蒙脫石沒有足夠的時間和溫度。細纖維狀的粒度相同和生長排列方向顯示晶體結(jié)晶初期的晶牙生成過程是顆粒相對平衡和相互作用的。據(jù)經(jīng)驗認識[9-12]該溶液的化學(xué)成分濃度飽和并超過臨界過飽和濃度。七谷組的?；鋷r和細晶玄武巖的特征說明杏仁體的蒙脫石形成在一個相對窄的時間和溫度范圍，從巖漿的固化到早期成巖作用階段，并伴隨著高濃度成分。

綠泥石在杏仁體的核心結(jié)晶，根據(jù)晶體結(jié)晶方向，綠泥石的沉淀和結(jié)晶晚于蒙脫石。蒙脫石結(jié)晶后，地層流體的化學(xué)成分變化控制著綠泥石結(jié)晶。礦物組合和化學(xué)成分分析表明，與蒙脫石階段相比，SiO2濃度較低，F(xiàn)eO和Al2O3較高。粗晶說明綠泥石形成在一個低組分濃度環(huán)境下且時間較長，這種環(huán)境有利于綠泥石的生長。

在一個杏仁體中，可視為一個非常小的空間，從巖漿凝固到早期成巖作用，對于共存的蒙脫石和綠泥石沒有條件區(qū)別，綠泥石的沉淀和結(jié)晶在核部時，蒙脫石是處在穩(wěn)定狀態(tài)。在七谷組的玄武巖中，蒙脫石和綠泥石成分上的明顯區(qū)別，表明在充填杏仁體之后蒙脫石未被蝕變。Kurnosov[13]和Wearer[3]曾對海相玄武巖，從火山沉積物的冷卻到成巖作用溫度增加過程提出了粘土礦物形成序列 (圖9)。提出玄武巖的粘土礦物從高溫沉積冷卻過程經(jīng)過海底風(fēng)化到再度升溫進入成巖作用，粘土礦物生成轉(zhuǎn)化過程系列。新瀉盆地內(nèi)七谷組火山巖杏仁體內(nèi)蒙脫石和綠泥石共生組合現(xiàn)象表明：蒙脫石是低溫冷卻過程形成和后期沉淀析出綠泥石組合產(chǎn)物。

圖9 粘土成礦模式

火山巖沉積巖細小杏仁體內(nèi)的自生礦物殼層結(jié)構(gòu)形成與熱熔巖急速降溫冷卻和長期成巖作用演化過程模式可分為：①軟熔巖氣孔壓力高溫?zé)崞胶怆A段；②快速冷卻固化汽泡空間形成高負壓，周圍流體進入氣泡在壁形成殼層玻璃層，通過后期晶化形成纖維狀蒙脫石外殼層；③進入成巖作用階段地層流體SiO2組分降低，Al2O3和FeO明顯增加綠泥石沉淀形成杏仁體的核部粗晶體結(jié)構(gòu)，具有明顯的生長方向(圖10)。巖漿熔巖冷卻固硬化后氣孔內(nèi)的負壓使得熔巖中未固結(jié)流體吸進氣泡空間，快速固化形成玻璃質(zhì)或顯微結(jié)晶礦物，形成一個殼層結(jié)構(gòu)。

圖10 火山沉積巖溫度、壓力環(huán)境變化形成層殼和內(nèi)核結(jié)構(gòu)示意圖

后期成巖作用形成玻璃體蒙脫石化殼層。中心部分結(jié)晶粗大的綠泥石核是后期成巖作用過程地層熱液沉淀形成在氣泡中心空間。

4 結(jié)論

杏仁體內(nèi)的蒙脫石和綠泥石的共生組合在相同的地質(zhì)時期，經(jīng)歷著相同的成巖作用和低溫變質(zhì)作用過程。綠泥石結(jié)晶在蒙脫石生成之后，蒙脫石結(jié)晶于早期階段，并在綠泥石沉淀結(jié)晶時得以保存，處于一個相對穩(wěn)定狀態(tài)。綠泥石的形成取決于成分的變化，在流體的濃度上SiO2相對地減少、FeO和Al2O3相對增加。

蒙脫石和綠泥石共生組合的杏仁體形成于?；鋷r和熔巖中。杏仁體的蒙脫石晶體形態(tài)具有細晶和多晶雛特征，其形成于一個相對迅速冷卻和相對窄的，從巖漿凝固到早期成巖作用階段過程。在新近系中新統(tǒng)頂部的七谷組的玄武巖中，蒙脫石和綠泥石的共生關(guān)系是穩(wěn)定平衡狀態(tài)。