梁俊紅，孫寶亮

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110819)

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泥質(zhì)巖成巖作用中的黏土礦物研究

梁俊紅，孫寶亮

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110819)

文章通過(guò)對(duì)泥質(zhì)巖的黏土質(zhì)礦物組分、成巖作用中黏土質(zhì)礦物變化綜合研究，認(rèn)為泥質(zhì)巖中存在大量黏土礦物，且泥質(zhì)沉積物由松散到固結(jié)成巖實(shí)質(zhì)上是黏土礦物組成的變化。泥質(zhì)巖中主要黏土礦物包括高嶺石、蒙皂石、綠泥石、伊利石以及其組成的混層型礦物伊利石/蒙皂石、綠泥石/蒙皂石，其成巖過(guò)程可劃分為成巖早期的壓實(shí)階段、成巖晚期的黏土礦物轉(zhuǎn)化階段。壓實(shí)階段的泥質(zhì)沉積物中黏土礦物具有物源的繼承性、沉積水體古環(huán)境指示意義；受壓實(shí)作用孔隙水、層間水被排出，原生絮凝團(tuán)被壓破，使片狀質(zhì)點(diǎn)趨于平行排列，黏土礦物與孔隙水發(fā)生反應(yīng)，亦形成少量的新生作用礦物，因而黏土礦物具繼承源和新生作用源特性。成巖晚期階段發(fā)生層間水釋放及層間陽(yáng)離子交換，從而使得礦物晶體結(jié)構(gòu)與成分發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為一元黏土礦物向二元混層型轉(zhuǎn)化，最后再到一元型黏土礦物的轉(zhuǎn)化，最終形成轉(zhuǎn)變?cè)答ね恋V物。

成巖作用；黏土礦物；壓實(shí)階段；成巖晚期；泥質(zhì)巖

0 引言

泥巖、黏土是已被人們廣泛使用的地質(zhì)術(shù)語(yǔ)，但是關(guān)于它們技術(shù)性的定義以及合理的應(yīng)用卻一直以來(lái)很混淆。造成這一結(jié)果至少有如下兩個(gè)原因，一方面是“黏土”一詞在沉積巖石學(xué)、沉積學(xué)中往往被予以粒級(jí)和礦物術(shù)語(yǔ)的含義；另一方面，兩者常富含粉砂級(jí)(2-4—2-8mm)顆粒，因而具有跨黏土級(jí)—粉砂級(jí)粒級(jí)界限特征。黏土是指具有特殊片狀的含水硅酸鹽礦物，且遇水呈塑性特征，相應(yīng)沉積固結(jié)成巖產(chǎn)物被稱(chēng)為黏土巖。由含量大于50%細(xì)顆粒(<2-8mm)碎屑所組成的未固結(jié)泥質(zhì)沉積物和固結(jié)的巖石分別被稱(chēng)為泥和泥巖，也常有人將兩者統(tǒng)稱(chēng)為泥質(zhì)巖[1-4]。

在理論性研究，以及巖石學(xué)、沉積學(xué)和實(shí)踐性的工程技術(shù)應(yīng)用中，這些術(shù)語(yǔ)的嚴(yán)密定義還是有必要厘清的。就物質(zhì)來(lái)源而言，泥質(zhì)巖物質(zhì)成分復(fù)雜，主要包括泥級(jí)和粉砂級(jí)的陸源泥質(zhì)成分、碳酸質(zhì)微晶和泥晶以及深海泥和腐殖泥等。泥質(zhì)巖礦物組分中最重要的是黏土礦物，平均含量約占60%，其次為陸源碎屑礦物石英、長(zhǎng)石約占35%，以及少量自生非黏土礦物。從沉積學(xué)上講，泥質(zhì)巖組成細(xì)碎屑以集合體、絮凝(集)粒和糞球粒，而不是以單個(gè)礦物顆粒，遠(yuǎn)距離搬運(yùn)，從而形成廣域展布的側(cè)向連續(xù)性[5]。較高含量細(xì)粒黏土礦物決定了泥質(zhì)沉積物由松散到后期固結(jié)成巖作用，因而泥質(zhì)巖成巖過(guò)程實(shí)質(zhì)上是黏土礦物組成的轉(zhuǎn)變過(guò)程。對(duì)泥質(zhì)巖中的黏土礦物的組成礦物相轉(zhuǎn)換的深入研究，有利于加深對(duì)該類(lèi)巖石成巖作用劃分和為工程技術(shù)應(yīng)用提供微觀(guān)性理論證據(jù)。

1 泥質(zhì)巖的黏土質(zhì)礦物組分

在泥質(zhì)巖中，黏土粒級(jí)主要由黏土(60%)，石英或燧石(30%)，長(zhǎng)石(4%)，碳酸鹽巖以及少量重礦物、有機(jī)質(zhì)、褐鐵礦和黃鐵礦組成。一般來(lái)說(shuō)，粉砂質(zhì)含量越高，泥巖中長(zhǎng)石、燧石和重礦物含量也越高，黏土礦物、有機(jī)質(zhì)和黃鐵礦含量越低。泥質(zhì)巖中最常見(jiàn)黏土礦物為層狀高嶺石、蒙皂石、伊利石、綠泥石、蛭石、沸石硅酸鹽礦物以及伊利石/蒙皂石、綠泥石/蒙皂石混層型。混層型黏土礦物一般分為二元和三元有序和無(wú)序礦物。混層黏土礦物中，常見(jiàn)蒙脫石、綠泥石、伊利石和蛭石，常見(jiàn)混合層型有伊利石/蒙皂石(I/S)和綠泥石/蒙皂石(C/S)[6-7]。兩種或兩種以上的層狀硅酸鹽礦物常以?shī)A層、混層或間層方式形成混合層礦物。這些黏土礦物層沿c軸或垂直于(001)方向疊加起來(lái)，層內(nèi)部結(jié)合相當(dāng)牢固，而層與層之間的結(jié)合相對(duì)較弱，所以形成每一層近似一個(gè)沿c軸方向的一維分子，而沿a、b軸平面內(nèi)為二維晶體。黏土礦物、粉砂質(zhì)石英、有機(jī)質(zhì)等組成的泥質(zhì)巖，常發(fā)育頁(yè)理、紋理和水平沉積層理，且因細(xì)小的、鱗片狀的層狀黏土礦物水平定向排列而具有易剝裂性，黏土巖沿層理方向易剝裂成頁(yè)片的特性。沉積紋理發(fā)育泥質(zhì)巖的顯微薄片分析揭示巖石具粒序遞變的風(fēng)暴沉積層偶，單個(gè)層偶粗粒部分由粉砂質(zhì)石英顆粒組成，細(xì)粒部分由黏土質(zhì)礦物和黑色有機(jī)質(zhì)組成。

圖1 風(fēng)化作用、成壤作用與緯度—海拔—時(shí)間軌跡表征Fig.1 Weathering and pedogenesis VS latitude-altitude-time trajectory

從地質(zhì)時(shí)間演化而言，受到成巖作用、泥盆紀(jì)—石炭紀(jì)陸相植物的大量出現(xiàn)以及中生代全球范圍強(qiáng)烈的火山作用等因素的影響，不同地質(zhì)歷史時(shí)期形成的泥質(zhì)巖中的黏土礦物呈現(xiàn)不同組合特性[8-9]。在前寒武系—早古生界泥質(zhì)巖中，黏土礦物主要以伊利石和綠泥石為主；晚古生界開(kāi)始，黏土礦物蒙皂石呈現(xiàn)明顯增多的趨勢(shì)；晚三疊世黏土礦物主要由脹縮性含水層狀鋁硅酸鹽礦物蒙皂石、伊利石/蒙皂石和綠泥石/蒙皂石混層型黏土礦物組成。形成較老的泥質(zhì)巖中，伊利石含量較少，且無(wú)混層型黏土礦物。在下古生界—中古生界沉積地層中，黏土礦物主要來(lái)源于成巖作用過(guò)程，脹縮性黏土含量小于全黏土礦物的1/10。依黏土礦物的組成，地球表層土壤可大致分為四大類(lèi)：冰川土(伊利石、綠泥石)，溫帶土(蛭石)，熱帶土(高嶺土、Fe氫氧化物)，干旱土和半干旱土(鋁-鐵-蒙皂石、海泡石、坡縷石)。從空間分布特征上看，對(duì)于地球上某一既定位置，風(fēng)化作用和成壤作用是隨時(shí)間而變化的，這些變化可通過(guò)緯度—海拔—時(shí)間軌跡而表征出來(lái)(圖1)[10]，即研究區(qū)某一地質(zhì)歷史時(shí)期，黏土礦物形成條件隨地表海拔、高差決定的區(qū)域氣候而變化，這些變化又依賴(lài)于其地質(zhì)歷史時(shí)期古緯度。地表細(xì)粒黏土礦物作為泥質(zhì)巖沉積的直接物源決定了其最初的沉積礦物組合。在高緯度、高海拔的冰川土區(qū)，風(fēng)化作用以機(jī)械性物理風(fēng)化作用為主，形成的冰川土主要黏土礦物為伊利石和綠泥石。從河流的上游至下游的溫帶氣候土、熱帶氣候氧化土以及干旱區(qū)域形成干旱土，其相應(yīng)沉積中黏土礦物分別對(duì)應(yīng)蛭石、高嶺土和蒙皂石。河口區(qū)水下三角洲沉積的黏土礦物較為復(fù)雜，由伊利石、綠泥石、蛭石、蒙皂石和高嶺土組成。中國(guó)華北地臺(tái)奧陶紀(jì)—石炭紀(jì)存在巨大的沉積間斷，缺失泥盆紀(jì)—志留紀(jì)地層，該區(qū)長(zhǎng)期處于陸相風(fēng)化作用，表殼鋁硅酸鹽遭受全面徹底風(fēng)化，形成一個(gè)以高嶺土質(zhì)為主的陸相覆蓋層。石炭紀(jì)氣候、植被發(fā)生突變，在地表大量的徑流作用下，經(jīng)沖刷搬運(yùn)，在負(fù)地形區(qū)發(fā)生高嶺石質(zhì)黏土沉積。受季節(jié)性周期或較大的氣候周期作用影響，從而形成多層泥質(zhì)巖沉積層，層數(shù)最多達(dá)7—8層，層位含鋁富集時(shí)形成鋁土礦[11]。

2 泥質(zhì)巖成巖作用中黏土質(zhì)礦物

松散泥質(zhì)沉積物到固結(jié)成巖過(guò)程本質(zhì)上為其主要組分黏土礦物成分的礦物相變過(guò)程。依據(jù)黏土礦物相組成，泥質(zhì)巖成巖作用可劃分為早期壓實(shí)階段和晚期黏土礦物轉(zhuǎn)化2個(gè)階段。

2.1 早期壓實(shí)作用下的組構(gòu)變化

圖2 泥質(zhì)沉積物在成巖作用期間的礦物化學(xué)成分等性質(zhì)與埋藏深度、壓力和溫度的關(guān)系Fig.2 Chemical composition etc. VS depth, pressure, temperature of aregillaceous sediment during diagenesis

地表的泥漿中黏土礦物以完全分散不凝聚、板-面接觸絮散、分散的絮凝以及以棱面接觸的絮凝狀存在，在凝聚的黏土礦物中常形成卡片房架狀結(jié)構(gòu)(Card house structure)。關(guān)于泥質(zhì)巖成巖早期的壓實(shí)階段，Martin(1965)對(duì)高嶺石的稀泥漿研究認(rèn)為，大約壓力小于100 kg/cm2時(shí)，多數(shù)黏土礦物都已出現(xiàn)重新定向。淡水中的黏土比海水中黏土有較好的顆粒方向。上覆沉積物載荷壓力作用下，體積及孔隙逐漸縮小，而孔隙水、層間水被擠出，原生絮凝團(tuán)被壓破，使片狀質(zhì)點(diǎn)趨于平行排列。多數(shù)研究者將決定頁(yè)巖組構(gòu)的優(yōu)選顆粒定向歸因于受蓋層壓力的影響下高孔隙率黏土微組構(gòu)的機(jī)械崩解[13-15]。紐約州西部的上志留統(tǒng)Rhinestreet泥質(zhì)頁(yè)巖樣品的掃描顯微分析為這一機(jī)制提供了更加詳實(shí)的證據(jù)[16]。泥質(zhì)頁(yè)巖樣品采自近成巖作用早期的碳酸鹽巖結(jié)核附近，靠近結(jié)核邊部壓力影內(nèi)的沉積可能屏蔽了大約60%壓實(shí)變形，從而形成開(kāi)放組構(gòu)的黏土礦物域，黏土礦物以典型板-板(edge-to-edge)或板-面(edge-to-face)的絮凝狀富水方式存在。遠(yuǎn)離結(jié)核屏蔽效應(yīng)的樣品呈現(xiàn)強(qiáng)烈定向組構(gòu)，形成易于剝裂的頁(yè)巖，巖石具低—極低孔隙比。Foaas等(1983)認(rèn)為Brail盆地中正常固結(jié)沉積物在50～60 m埋深時(shí)從任意定向的黏土晶疇(domain)向平行定向黏土晶疇轉(zhuǎn)化[17]。

泥質(zhì)巖沉積的初期壓實(shí)階段大致相當(dāng)于淺埋藏成巖或早期成巖階段，沉積的后期壓實(shí)階段相當(dāng)于深埋藏成巖或晚期后生成巖階段(圖2)[18]。早期壓實(shí)成巖階段的研究成果主要來(lái)自于對(duì)加利福尼亞?wèn)|部，東非裂谷帶以及地中海西班牙、土耳其、摩洛哥等地古沉積中黏土礦物的分析。Searles湖700 m巖芯研究成果反映，當(dāng)孔隙水的pH不超過(guò)8時(shí)，古湖泊碎屑沉積中有少量的斜發(fā)沸石結(jié)晶；當(dāng)孔隙水的pH=9—10時(shí)，達(dá)70%的沉積被再結(jié)晶成自生鐵伊利石、鎂蒙脫石、鉀長(zhǎng)石和方沸石組合。穩(wěn)定同位素證據(jù)表明鹽湖氧化條件下有利于成巖早期的鐵伊利石和鉀長(zhǎng)石的沉淀，開(kāi)放水系的還原條件有利于鎂蒙脫石結(jié)晶，這一黏土礦物共生關(guān)系被作為淺鹽湖和干鹽湖的沉積古環(huán)境礦物指示組合[19-20]。出現(xiàn)在歐洲二疊紀(jì)—三疊紀(jì)沉積地層中的大量鐵伊利石被證實(shí)為土壤成因[21]。大量的最新研究成果顯示，古湖泊沉積成巖早期具有鎂質(zhì)黏土特征，且其為早于沉積于湖泊底質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)物。海泡石和坡縷石被認(rèn)為是薩布哈、鹽湖、鈣質(zhì)結(jié)礫層等干旱氣候條件下形成的指示性黏土礦物[22]。

海相沉積的含鐵質(zhì)黏土礦物組合主要可劃分為四種礦物相：鉻云母(Verdine)，鮞粒狀鐵質(zhì)巖，海綠石和綠鱗石(Celadonite)。鉻云母黏土礦物被認(rèn)為來(lái)自最近的沉積，其形成于大量鐵質(zhì)供給的河口的熱帶，50～60 m較淺海水中，如此受限的形成地質(zhì)條件使其成為一個(gè)較好的環(huán)境指示性礦物。鉻云母被認(rèn)為是水-沉積物界面處的底層沉積孔隙水和裂隙弱封閉環(huán)境形成的新生作用礦物，其不必有前驅(qū)礦物的存在。鮞粒狀鐵質(zhì)巖是早期成巖階段的蝕變黏土礦物。海綠石黏土礦物具新生作用源性，形成于不同底質(zhì)的海水-沉積物界面處。同期性海綠石化被認(rèn)為形成于中、低緯度的開(kāi)闊陸架邊緣，水深60～1 000 m，多數(shù)情況下在60～550 m。形成海綠石化的先決條件是多孔底質(zhì)沉積物長(zhǎng)期滯留于沉積-海水界面，因此海綠石的出現(xiàn)可指示沉積地層曾存在有沉積間斷。綠鱗石結(jié)構(gòu)上二八面體1M云母結(jié)構(gòu)，與海綠石相似，但比海綠石具更高Si、Mg和K，其被認(rèn)為是水下基性巖的蝕變的指示性礦物[23-24]。

蒙皂石和鏈狀結(jié)構(gòu)的黏土礦物坡縷石是自生性的還是碎屑成因一直是大家爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。Deconinck等(1996)認(rèn)為白堊紀(jì)沉積中存在3種成因類(lèi)型的蒙皂石：①土壤源的Fe-Al蒙皂石；②重結(jié)晶形成的蒙皂石；③火山碎屑輸入物蝕變形成的切托型蒙皂石[25]。 Thiry等(1993)系統(tǒng)觀(guān)察認(rèn)為白堊紀(jì)時(shí)期歐洲不存在形成蒙皂石型風(fēng)化作用，濱岸的摩洛哥盆地中也缺失坡縷石，因而大西洋沉積中的這兩種黏土礦物是由自生成因的，蒙皂石由硅酸鹽重結(jié)晶形成，坡縷石由下沉的海水結(jié)晶而成[26]。Pletsch等(1996)在摩洛哥濱海盆地發(fā)現(xiàn)存在兩種坡縷石，其自生形成于阿拉特斯山，改造作用之后被搬運(yùn)到現(xiàn)在的濱海區(qū)。因而，他們認(rèn)為大西洋深海區(qū)的坡縷石是碎屑質(zhì)成因，碎屑黏土被西南方向的風(fēng)從近岸淺水盆地搬運(yùn)至海水中，所以他們確信坡縷石是一種淺水鹽湖環(huán)境和干旱氣候條件的指示性礦物[27]。

2.2 晚期成巖作用過(guò)程中黏土礦物的轉(zhuǎn)變

泥質(zhì)沉積物被后續(xù)沉積物覆蓋埋藏后就開(kāi)始逐漸進(jìn)行黏土礦物相的轉(zhuǎn)化。隨埋藏深度的加大，壓力增大，地溫增高，物理化學(xué)條件的變化，層間水的釋放及層間陽(yáng)離子的交換，從而使得礦物晶體結(jié)構(gòu)與成分發(fā)生變化。

高嶺石類(lèi)黏土礦物隨著埋藏成巖作用能夠發(fā)生新生變形或消失。表生成巖或風(fēng)化作用階段，酸性介質(zhì)水溶液與長(zhǎng)石及其它鋁硅酸鹽礦物反應(yīng)生成高嶺石，或由蒙脫石發(fā)生退化而成。深埋藏及溫度增高，高嶺石將會(huì)重結(jié)晶成迪開(kāi)石，并很少轉(zhuǎn)化為珍珠陶土。深部鉆孔資料表明，高嶺石消失的溫度深度為1 100～1 300 m、溫度80～190℃；也有報(bào)道500 m深時(shí)，就無(wú)高嶺石存在。高嶺石的穩(wěn)定性其實(shí)并不嚴(yán)格受溫度和壓力的控制，更重要的是與其所處地球化學(xué)環(huán)境密切相關(guān)。當(dāng)?shù)厍蚧瘜W(xué)環(huán)境的pH值增高、變?yōu)閴A性時(shí)，高嶺石的穩(wěn)定性減低，其將溶解或轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌囵ね恋V物。如果泥質(zhì)沉積中的孔隙水中K+存在，當(dāng)[K+]/[ H+]=106時(shí)其地溫大約為100 ℃，[K+]/[ H+]=103時(shí)其地溫可升高到200 ℃，此時(shí)高嶺石將會(huì)發(fā)生伊利石化作用，反應(yīng)方程式為：3Al2Si2O5(OH)4+K+→ 2KAlSi3O10(OH)2+3H2O+2H+?？紫端泻蠧a2+、Na+或Mg2+存在，則高嶺石向蒙脫石或綠泥石轉(zhuǎn)化，反應(yīng)方程式為：5CaMg(CO3)2+ Al2Si2O5(OH)4+SiO2+2H2O→Mg5Al2Si3O10(OH)8+5CaCO3+5CO2。如有Fe(OH)3存在時(shí)，則形成Fe-Mg綠泥石。

蒙皂石是以水合陽(yáng)離子及水分子作為層間物的2∶1型黏土礦物。其被埋藏時(shí)，在一定的溫度和壓力作用下，將會(huì)有一部分水從層間失去，造成層間塌陷，形成伊利石-蒙皂石混層礦物。在淺層/溫度(<20 km/70 ℃)深度區(qū)，壓實(shí)作用主要是機(jī)械的，其物理特性與泥質(zhì)巖的實(shí)驗(yàn)壓實(shí)作用測(cè)量結(jié)果相一致。更大深度下，測(cè)井速度、密度均高于實(shí)驗(yàn)壓實(shí)作用的結(jié)果，指示存在蒙脫石向伊利石/蒙皂石混層型的進(jìn)變質(zhì)化學(xué)的壓實(shí)作用，大量的Si釋放于孔隙水中。受黏土基質(zhì)的包圍，泥質(zhì)沉積中的碎屑粉砂級(jí)和泥粒級(jí)并無(wú)明顯出現(xiàn)次生加大作用，相反在黏土基質(zhì)中發(fā)生局部的Si質(zhì)沉淀作用，從而造成泥質(zhì)沉積巖剛性的顯著增強(qiáng)[28]。隨著埋藏深度的增加，蒙脫石逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化過(guò)程中，控制因素有埋藏深度、時(shí)間、地溫梯度及基本離子的活性等，且時(shí)間并不是重要因素，一般認(rèn)為伊利石/蒙脫石混層的溫度范圍為70～95℃，埋深1 000～2 500 m。如果層間溶液中有Fe2+、Mg2+存在，則蒙脫石向綠泥石/蒙脫石混層，再向綠泥石轉(zhuǎn)變。Hower(1976)指出在有Al3+參與的條件下，可能存在如下的兩個(gè)反應(yīng)步驟[29-30]：蒙脫石+ Al3++ K+→伊利石+ Si4++Na++Ca2+。該化學(xué)反應(yīng)包括：①化學(xué)組分是原始蒙皂石晶體的Si—O四面體層間的Na+、Ca2+離子與孔隙流體中的K+的置換；②蒙皂石黏土礦物晶體中Si—O四面體層中的Si被Al置換，引起層間的負(fù)電價(jià)過(guò)剩而發(fā)生層間脫水遷出層間的陽(yáng)離子。蒙皂石的伊利石化的轉(zhuǎn)化過(guò)程，仍保持了“TOT”的2∶1型層狀礦物基本結(jié)構(gòu)，僅發(fā)生了單元層內(nèi)化學(xué)成分的變化，即帶出Si4+、Na+、Ca2+，Al3+、K+帶入。Mevnirer(2004)對(duì)法國(guó)Aquitanine盆地下森諾曼階中的斑脫巖沉積1米內(nèi)的連續(xù)地球化學(xué)研究，認(rèn)為從蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化過(guò)程中，黏土混層礦物隨深度演化，離子的交換能力減低，向膨潤(rùn)土質(zhì)沉積層中心(Na+Ca)含量減少。然而大塊樣品的Mg、Al、Si、K和Fe的含量大致恒定，指示該系統(tǒng)內(nèi)是基本處于等地球化學(xué)的[31]。蒙皂石向伊利石的轉(zhuǎn)化過(guò)程可以通過(guò)兩種完全不同獲得K+的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，一種K+來(lái)源于泥質(zhì)巖中的鉀長(zhǎng)石，另外一種K+來(lái)源于孔隙流體[32]。反應(yīng)方程式為：

①Al2Si4O10[OH]2·nH2O(蒙皂石)+KAlSi3O8(鉀長(zhǎng)石)→KAl3Si3O10[OH]2(伊利石)+4SiO2(石英)+nH2O；

②2K++3Al2Si4O10[OH]2·nH2O(蒙皂石)→2KAl3Si3O10[OH]2(伊利石)+6SiO2(石英)+2H++3nH2O。

伊利石為具云母型構(gòu)造的黏土礦物，以1M、1MD、2M及3T存在，隨著壓力的增大，溫度或壓力的增加，伊利石出現(xiàn)1MD→1M→2M型的轉(zhuǎn)變。泥質(zhì)頁(yè)巖中分散的伊利石形成獨(dú)立于伊利石/蒙皂石(I/S)混層礦物的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，其僅僅發(fā)生于泥頁(yè)巖的重要成巖階段，與成巖演化時(shí)間長(zhǎng)短密切相關(guān)。砂巖成巖作用過(guò)程中往往出現(xiàn)快速、質(zhì)純伊利石形成。相比于砂巖，泥質(zhì)巖中純伊利石微晶的形成要慢，這說(shuō)明與泥質(zhì)頁(yè)巖成巖作用體系平衡流體中的K+具有相對(duì)低的活性。

成巖作用形成的綠泥石在泥質(zhì)沉積物成巖的早期或中期是很少見(jiàn)，造成這一結(jié)果的原因與成巖作用過(guò)程中有機(jī)質(zhì)羧酸的出現(xiàn)和CO2的形成有關(guān)[33]。羧酸來(lái)自于干酪根熱催化分解作用，有機(jī)酸羧酸經(jīng)熱力學(xué)的、細(xì)菌質(zhì)脫羧作用，形成CO2。泥質(zhì)沉積物的孔隙流體中羧酸、CO2的出現(xiàn)使得流體呈酸性。地球化學(xué)低pH值條件下，羧酸的螯合作用將金屬離子Fe3+、Al3+包合到螯合劑內(nèi)部，變成穩(wěn)定的，分子量更大的化合物，從而阻止金屬離子起作用。在酸性低pH值、80℃地溫條件下，綠泥石不能形成，因而該地球化學(xué)條件被用于判定是否處于泥質(zhì)巖成巖作用的早期階段。酸性條件下，溫度約80～100 ℃，綠泥石的不穩(wěn)定性也被用于高嶺石和綠泥石共存樣品中綠泥石的移除。綠泥石作為一種常見(jiàn)的低級(jí)變質(zhì)礦物，常出現(xiàn)于時(shí)代較老的沉積泥質(zhì)巖層以及埋藏深度較大的泥質(zhì)巖中。在富Mg2+、堿性環(huán)境下，Mg2+進(jìn)入蒙皂石水層中形成Mg(OH)3層，蒙皂石可以向蒙皂石/綠泥石(S/C)混層轉(zhuǎn)化。在接近低變質(zhì)帶的溫壓區(qū)間，原來(lái)不同的黏土礦物組合，幾乎都可以形成綠泥石、伊利石的共生組合，且綠泥石的形成速度較伊利石緩慢，在低級(jí)變質(zhì)帶狀況下，形成大量的綠泥石、伊利石轉(zhuǎn)變?yōu)榈图?jí)變質(zhì)礦物絹云母。泥質(zhì)巖的成巖作用過(guò)程中的綠泥石的形成可能通過(guò)多種的反應(yīng)完成：

①蒙皂石+Al3++K+-Si4+-H2O→蛭石，蛭石+Al3++K++Fe3+→伊利石或海綠石；蛭石+Fe(OH)3+Al(OH)3→綠泥石。

②3Al2Si2O5(OH)4+3.5Fe3++3.5Mg2++9H2O→Fe3.5Mg3.5Al6.0O20(OH)16+14H+。

③5CaMg(CO3)2+Al2Si2O5(OH)4+SiO2+2H2O→Mg5Al2Si3O10(OH)8+5CaCO3+5CO2；或白云石+鐵白云石+高嶺石+Fe2+→綠泥石+方解石+CO2。

④15CaMg(CO3)2+2KAl3Si3O10[OH]2+3SiO2+11H2O→3Mg5Al2Si3O10(OH)8+15Ca(CO3)+2K++2(OH)-+15CO2。

混層型黏土礦物作為一種黏土礦物轉(zhuǎn)化到另一種黏土礦物的中間產(chǎn)物，其出現(xiàn)于泥質(zhì)巖成巖的早、中期，因而混層黏土礦物起到了礦物相變化的指示劑作用。泥質(zhì)巖成巖中常出現(xiàn)蒙皂石與伊利石、綠泥石的混層型礦物。成巖作用早期的蒙皂石通過(guò)Na+，K+的吸附與脫水作用形成伊利石/蒙皂石(I/S)、伊利石/蛭石(I/V)不規(guī)則混層型黏土礦物，經(jīng)由鈉板石規(guī)則混層型黏土礦物，進(jìn)一步的成巖作用下最終形成簡(jiǎn)單有序的黏土礦物相伊利石。當(dāng)蒙皂石吸附Mg2+時(shí)，形成綠泥石/蒙皂石(C/S)或綠泥石/蛭石(C/V)不規(guī)則混層黏土礦物，規(guī)則混層型黏土礦物柯綠泥石，成巖作用的最終形成簡(jiǎn)單有序的綠泥石。

泥質(zhì)頁(yè)巖中蒙皂石轉(zhuǎn)化為伊利石劃分為兩個(gè)重要的階段，第一階段形成伊利石/蒙皂石(I/S)混層黏土礦物(R=0時(shí)，I/S值<50%)；第二階段形成伊利石/蒙皂石(I/S)混層礦物(R=1時(shí)，I/S值為50%～100%)[34]。第一階段的黏土礦物的轉(zhuǎn)化受控于泥質(zhì)頁(yè)巖中是否存在鉀長(zhǎng)石以及長(zhǎng)石溶解動(dòng)力學(xué)；第二階段混層黏土礦物的轉(zhuǎn)化發(fā)生于泥質(zhì)巖中鉀長(zhǎng)石的大部分或完全消失之后，這一現(xiàn)象說(shuō)明泥質(zhì)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖中另一個(gè)外部源K+源控制對(duì)這一轉(zhuǎn)化反應(yīng)。高嶺石并不參與這兩個(gè)轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

上述黏土礦物轉(zhuǎn)化規(guī)律說(shuō)明，隨著埋藏深度的增加(壓力增加)，溫度的升高，泥巖中黏土礦物存在質(zhì)變→量變→質(zhì)變演化規(guī)律。物理化學(xué)條件的連續(xù)遞變，泥質(zhì)沉積中的黏土礦物開(kāi)始發(fā)生量的遞變，主要表現(xiàn)為由簡(jiǎn)單有序的黏土礦物向不規(guī)則的混層型的質(zhì)變過(guò)程，隨后的不規(guī)則向規(guī)則，無(wú)序向有序的混層黏土礦物量變過(guò)程，泥巖成巖作用的晚期表現(xiàn)為混層型黏土礦物向簡(jiǎn)單有序單一黏土礦物的質(zhì)變過(guò)程。

3 結(jié)語(yǔ)

泥巖的成巖作用實(shí)質(zhì)上是黏土礦物發(fā)生轉(zhuǎn)化的過(guò)程。

(1)早期的淺埋藏成巖期間，泥質(zhì)沉積物繼承了原始黏土沉積組合，僅僅發(fā)生孔隙水、層間水的排出，孔隙度減少，因而此時(shí)黏土礦物組成具有強(qiáng)烈的物源指示意義。

(2)早期成巖的壓實(shí)階段黏土礦物由完全分散的或絮凝狀富水的板-板、板-面接觸存在方式，向強(qiáng)烈定向組構(gòu)變化；沉積沉積物深埋藏成巖或晚期后生成巖階段，發(fā)生層間水、結(jié)構(gòu)水的排出和交換，黏土礦物發(fā)生礦物相間的轉(zhuǎn)化。

(3)泥質(zhì)巖初始沉積中的伊利石、綠泥石隨著成巖作用的演化，其晶體結(jié)晶有序度增加，即泥質(zhì)巖成巖階段黏土礦物的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物組合成為泥巖沉積成巖晚期向低級(jí)變質(zhì)階段演進(jìn)標(biāo)度。泥質(zhì)巖成巖作用早期形成繼承性和新生性黏土礦物，成巖作用晚期形成大量轉(zhuǎn)變?cè)吹酿ね恋V物；泥質(zhì)巖晚期成巖階段主要發(fā)生高嶺石消失，形成伊利石和綠泥石轉(zhuǎn)化，或是無(wú)序高嶺石經(jīng)有序高嶺石向迪開(kāi)石轉(zhuǎn)化，蒙皂石向伊利石/蒙皂石、綠泥石/蒙皂石混層型轉(zhuǎn)化。隨著埋藏深度以及溫度的增加，最后形成伊利石、綠泥石，直至低變質(zhì)帶伊利石和綠泥石又分別形成云母和絹云母。

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Research on clay minerals during diagenesis of argillaceous rock

LIANG Junhong, SUN Baoiang

(SchoolofResources&CivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China)

According to the research on clayey mineral composition of argillaceous rock and change of clayey minerals in diagenesis stage a large number of clay minerals occur in argillaceous rock and consolidation of loose sediment is essentially changes of clay minerals. The clay minerals are mainly kaolinite, smectite, chorite and their mixed-layering mineras (illite/smectite, chlorite/smectite). The diagenesis could be divided into early compaction and late transformation of clay minerals. During compaction the clay mineral could be of the source provenance and implication of paleo-environment of the sediment-precipitated water body or new generation provenance. The pore and interlayer water are expelled, primary flocculate mass is broken and the flaky particle tend to be parallel. A few new minerals are formed from reaction of the pore water and the original clay minerals thus the clay mineral is characterized by the source provenance and new generation provenance. During transformation the interlayer water released and interlayer cations exchanged leading to change of clay crystal structure and composition. The unitary clay mineral becomes dual mixed layer clay mineral.

Clay mineral; compaction; late diagenesis; argillaceous rock

2015-12-17； 改回日期： 2016-04-06； 責(zé)任編輯： 王傳泰

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(編號(hào)：N100401005)資助。

梁俊紅(1972—)，男，博士，主要從事沉積學(xué)、地層學(xué)研究工作。通信地址：遼寧省沈陽(yáng)市和平區(qū)文化路三巷11號(hào)，東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院；郵政編碼：110819；E-mail：liangjunhong@mail.neu.edu.cn

10.6053/j.issn.1001-1412.2016.04.010

P588.22

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