粘土矿物的成因初步研究

徐叶净，左文哲

(河北联合大学，河北唐山 063009)

0 引言

粘土矿物是地球表面和近地表带分布最广的矿物，大量纯的粘土矿物聚集形成有工业价值的矿床。粘土矿物是细粒的含水硅酸盐或铝硅酸盐，地表母岩在表生环境下经过风化形成的、颗粒小于2 um、具有层状结构的含水硅酸盐矿物，具有颗粒微细、结构无序、成分多变、类质替换等特性，对地质作用和沉积环境的变化非常敏感。在海洋浅水区约占沉积物总量的25%～30%，深水区达60%～98%。粘土矿物的成因有多种多样，但形成方式主要有3种:(1)与风化作用有关。风化原岩的种类和介质条件如水、气候、地貌、植被和时间等因素决定了矿物种和保存与否。(2)热液和温泉水作用于围岩，可以形成粘土矿物的蚀变富集带。(3)由沉积作用、成岩作用生成粘土矿物。

1 粘土矿物的风化作用成因

风化作用是岩石中原生矿物的风化能力，不同亚类的岩石因矿物成分的差异在风化过程中相应形成的粘土矿物也有一定的差别，如图1所示。

图1 原岩中矿物风化形成粘土矿物的一般顺序

1.1 物理风化作用

物理风化作用造成地表各种母岩的破碎和分解，而对矿物的结构没有影响，因而母岩中各种矿物成分仍保持在风化产物之中，一般称这些矿物为继承矿物。这些物理风化的产物可以在未受结构变化的情况下被风和水流等介质搬运到数百至数千公里以外。我国黄土高原巨厚的黄土物质一般认为是由风从沙漠地带搬运而来，它们基本上保持了源区风化产物的特点。只是某些古土壤层中，粘土矿物发生不同程度的结构变化，有过渡性粘上矿物和少量自生粘土矿物出现，这种变化是风化产物沉积下来之后在新的环境下发生的。河水亦可以搬运大量未受化学风化的物质。如中国黄河搬运的大量泥砂物质主要来自对黄土高原上黄土层的侵蚀，，其中粘上矿物组分也主要是物理风化的产物。所以，海洋中的沉积物也含有相当多量的物理风化产物。

粘土矿物在气候环境变化研究中应用的基本条件应是研究区盆地地壳稳定，没有明显剧烈的地质构造运动。构成气候的两个基本要素是温度和湿度。在潮湿温暖的气候条件下，淋滤作用较强，母岩风化时，一些碱金属、碱土金属元素容易被淋滤流失，先形成蒙脱石，进一步形成高岭石。而干冷气候条件下，淋滤作用较弱，不利于碱土金属元素发生淋滤作用，有利于形成伊利石、蒙脱石(陆源碎屑成因)、伊利石/蒙脱石混层类粘土矿物和绿泥石。最常见的粘土矿物是片状的伊利石、绿泥石、蒙脱石和高岭石以及纤维状的坡缕石、海泡石，如图2所示。

图2 最常见的几种粘土矿物

伊利石和绿泥石是在气温低、淋滤作用不强的弱碱性介质环境中形成的，它们反映的是干冷的气候条件。蒙脱石大部分形成在弱碱性介质环境中，在温带半湿润区沉积物中含量比较高。蒙脱石的出现主要反映形成时的水分状况，可以不依赖于特定的气候条件。在半干旱地区随着季节性降雨的作用，新生作用使蒙脱石具有较高的结晶度，能够指示暂时的干旱环境，而形成于湿润－温暖气候条件下的蒙脱石的结晶度较低，因而蒙脱石的含量可以作为区域降雨量的代用指标。高岭石形成在酸性介质环境中，为风化程度很高的矿物，主要出现在低纬度温暖潮湿的区域，反映湿热气候，高岭石在湿热的风化条件下可转化成铝土矿。坡缕石和海泡石形成于强碱性介质环境，与高度可溶Mg2+的活性有关，它们是干旱、半干旱环境的良好指示剂。

其他的粘土矿物，如蛭石在干湿交替气候下形成，因为排水性不好阻止了湿润时期从母岩和土壤中淋滤出的硅、碱、碱土元素的迁移。自生二八面体蛭石在温暖、潮湿气候下由花岗岩风化形成。Taylor(1996)认为蛭石向有序伊利石/蒙脱石的转变代表潮湿和干燥的气候循环。另外，纤维状坡缕石、海泡石形成于干旱、半干旱的气候条件下，并与高度可溶Mg的活性有关。因此，古土壤中坡缕石是干旱或半干旱环境的良好指示剂。

在整个地史时期，由于古气候不断地交替变化，粘土矿物的组合特征也随之发生相应的改变，粘土矿物的变化与古气候的变化有着客观的关系。实际研究表明温度和湿度的差异使地球表面形成不同的气候带，各气候带内风化作用的类型和程度明显不同，相应地形成了不同的风化复合体和土壤类型。

1.2 化学风化作用

化学风化作用主要受自然界水活动的控制，特别是水中CO2和来自有机质分解的有机酸时，可大大加速化学风化作用的进行。

绿泥石是土壤中的常见矿物，虽然含量较云母类矿物为低，但由于它在成土作用早期阶段易风化形成土壤粘土矿物而备受重视。现有的研究表明，绿泥石在化学风化过程中会释放出大量的铁和镁离子，而铁是磁性矿物形成所必需的元素。因此，黄土剖面中绿泥石所发生的化学风化作用是铁质矿物演化的重要环节，为成土自生磁性矿物的发育提供了物质基础，黄土和古土壤中的绿泥石的化学风化、磁性矿物与土壤磁化率的相关关系的研究，是理解磁化率成因的关键。

化学风化作用有如下的基本反应:母岩+少离子水→风化复合物+富离子水，原矿物+侵蚀溶掖→次生矿物十淋滤溶液

按照侵蚀溶液的组成，化学风化作用包括四种不同的类型:(1)酸解作用:发育于有机的和酸性环境，易形成有机一矿物复合体;(2)盐化作用:以蒸发的含盐(Na，K)环境为特征;(3)碱化作用:具有相应的碱性条件和水中含有Ca和Mg;(4)水解作用:是最发育和常见的作用，岩石遭受少离子水的侵蚀，具有中等pH值的条件。

2 粘土矿物的蚀变作用成因

热液自生粘土矿物(同生沉积的原生粘土矿物和同生期后形成的次生粘土矿物)、尤其是含铁粘土矿物的特性(矿物类型、化学组成、晶体结构等)与海底热液系统的构造、火山活动和成矿过程密切相关。热液自生粘土矿物主要是蒙皂石族矿物，其次是绿泥石族矿物和一些不规则的混层粘土矿物(绿/蒙混层、伊/蒙混层等)，高岭石、伊利石族矿物相对较少。它们主要来自基岩蚀变，其次来自热液流体与海水化学反应沉淀、硫化物矿体蚀变、沉积物蚀变。

大洋地壳从结构上可分为三层，层Ⅰ为沉积层，层Ⅱ以玄武岩为主，层Ⅲ包括辉长岩和超基性岩等。洋底的岩石大多属于层Ⅱ的范畴，为深部岩浆溢出后在洋底冷凝而成，以高铁镁、低硅碱为特征。多数热液交代作用发生于玄武岩被大洋沉积物埋藏之前。热液蚀变过程和程度受温度、压力、溶液成分、基底岩性和形态、渗透率(孔隙率)、沉积盖层、反应时间等因素控制。在基岩类型相同的情况下，由于沉积环境差异，在不同蚀变阶段的风化产物也有所不同。比如，结晶玄武岩的低温交代作用在氧化条件下趋于形成Fe－Mg蒙皂石(MgO＜6%)、富K绿磷石、Mg绿脱石、碳酸盐和Fe－Mg氧化物，在还原环境下有利于形成富Mg蒙皂石(MgO＞20%)和铁硫酸盐;高温交代作用中热效应的增加依次与沸石相(绿泥石－蒙脱石－蛭石次规则混层矿物、滑石、皂石、方沸石、片沸石、钠沸石、钙沸石岩)、绿片岩相(绿泥石、绿帘石、钠长石、阳起石、榍石、滑石、绿脱石、石英、蛇纹石)和角闪岩相(阳起石、普通角闪石、斜长石、透闪石、橄榄石、氧化铁、绿帘石、石英、绿泥石、榍石)矿物组合相对应。其中，绿片岩相是从海底采获玄武岩中最常见的变质类型，基性岩蚀变以绿泥石为主，超基性岩蚀变以滑石(可能有蛇纹石)为主。而且，在还原环境中，变质玄武岩中含有以绿泥石为主的富镁矿物;在氧化环境中，含有以绿帘石为主的富钙矿物。弧后盆地等岛弧环境下的长英质岩系(流纹岩、珍珠岩、英安凝灰岩等)和海水的交换反应形成蒙脱石及富K热液;蒙脱石与富K的热液反应形成伊利石;依据不同的水岩比、pH值和温度，伊利石、石英(或硅酸盐)和富K的热液又能形成钾长石。因此，对比蚀变岩石、粘土、海水的矿物、化学和同位素组成，可以判断基岩类型及其复杂的多期蚀变过程(如水－岩反应、流体混合等)。

3 粘土矿物的沉积作用和成岩作用成因

3.1 沉积作用形成的粘土矿物

海洋沉积物经历了漫长的沉积过程，在此期间沉积区的环境发生了各种各样程度不等的变化。这些变化的信息被沉积物的粒度成分、矿物组合特征、矿物及化学成分和生物成分记录下来，通过对这些记录的研究就能在一定精度范围内了解古气候、古环境的演变过程。

粘土矿物是海洋沉积物的重要组成部分，在浅海区约占沉积物总量的1/4～1/3，它们外观呈细粒鳞片状，对水动力条件有敏锐的反应。沉积物的粒度特征是恢复过去古气候、古环境状况的一个重要代用指标，湖泊及深海沉积物的研究结果表明，水流能量是控制沉积物粒度分布、组分含量的重要因素，粒度的粗细代表了水动力的强弱、湖泊输入水量的相对大小，在一定程度上可以反映湖区降水的变化，因而具有干湿变化的指示意义。同时，粘土矿物组合的变化与长期气候演变存在一定的关系，粘土周期性沉积响应与地球轨道驱动因子作用有关，陆源粘土通量既受大陆冰盖厚度和海平面变化以及环流强度的控制，同时又受源区物理、化学风化程度的影响。因此，粘土矿物组合及其变化不仅记录了搬运、再沉积和环境演化的重要信息，对研究海区的沉积物来源和特征以及对探讨陆源物入海后的运移沉淀规律和沉积过程有意义，而且还反映了源区气候冷、暖周期性旋回，为古环境再造、古季风变迁提供了有力的证据。

3.2 成岩作用形成的粘土矿物

成岩作用显著影响或根本制约了油气储层的特征和时空结构，作为无机和有机界的重要“桥梁”，粘土矿物及其演化在含油气盆地的孔隙演化与成熟过程中具有极为重要的意义。

粘土矿物在成岩作用过程中随着埋藏深度、温度和压力的增加，演化的总体趋势是从无序结构向有序结构转化，从晶格不完整向晶格完整转化，膨胀晶层多向膨胀晶层少、非膨胀晶层增加转化。在鉴别粘土矿物是否发生成岩转变时应注意以下几点:(1)温度和压力。粘土矿物的转变一般是从蒙脱石→蒙脱石/伊利石混层矿物→伊利石，实现这一转变的温度为100～140℃，压力约900～920 kg/cm2。研究点的地温和压力必须测量或者计算出来以确定是否具有成岩转变的条件。(2)成岩时间。各时代页岩中粘土矿物类型和分布研究表明，蒙皂石及其混层矿物和高岭石的丰度随着年代的变老而减少，而伊利石和绿泥石的丰度则相反;大多数古生代岩石缺失分散状蒙皂石，说明古老页岩中的原生蒙皂石和高岭石早已成岩变成伊利石和绿泥石。因此，对于时代较老的地层应给予特别的关注。(3)埋深。蒙脱石在成岩过程中的伊利石化需要至少1 500 m的埋深。

4 结语

粘土矿物是在一定的地质环境和气候条件下形成的，产生并广泛分布于地表带的沉积粘土矿物，其形成和转化与气候、特别是温度和湿度有十分密切的关系。不同的气候条件下，发育了不同类型和强度的风化作用，导致不同的风化复合体和土壤类型，相应地形成了特征不同的粘上矿物和组合。我们通过研究粘土矿物的结构特征和粘土矿物的组合特点、不同粘土矿物的含量比和粒度分布特征等，对了解和推测形成区和来源区的风化作用类型和气候环境特点提供理论依据。

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