重庆地区主要紫色母岩中部分层状硅酸盐矿物差异性的研究

罗志远　邓睿　程永毅等

摘要 [目的] 为了探讨重庆地区紫色土母岩的矿物组成特性和差异性。[方法] 对重庆地区主要紫色母岩进行了XRD分析。[结果] 重庆地区主要紫色母岩的层状硅酸盐矿物组成种类相对一致，除沙溪庙组母岩中未检出绿泥石外，其余各母岩中层状硅酸盐矿物都为蛭石、绿泥石、伊利石、高岭石和云母；在不同种类紫色母岩中，各层状硅酸盐矿物相对含量存在0.05水平显著差异；各紫色母岩中，伊利石结晶度不存在显著差异。[结论] 紫色母岩中的层状硅酸盐矿物的种类、相对含量以及伊利石结晶度随地理位置改变未发生明显的变化。

关键词 紫色母岩；XRD；层状硅酸盐矿物；结晶度

中图分类号 S153 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）08-02386-04

Differences of Phyllosilicate Minerals in Mainly Purple Rocks in Chongqing Area

LUO Zhiyuan， YANG Jianhong et al

（College of Resources and Environment， Southwest University， Chongqing 400716）

Abstract [Objective] The research aimed to investigate the mineral composition characteristics and differences of the purple rock in Chongqing area. [Method] XRD analysis was used to study he purple rock in Chongqing area. [Result] Species composition of phyllosilicate minerals of main purple parent rock in Chongqing was relatively consistent. Except chlorite in Shaximiao rock wasnt detected， the species of the phyllosilicate minerals were vermiculite， chlorite， illite， kaolinite and mica in the rest of the rock. In different types of purple rock， there were significant differences in relative content of each phyllosilicate minerals. There was no significant difference in illite crystallinity of each purple rocks. [Conclusion] The type and relative content of phyllosilicate minerals and illite crystallinity in purple rocks didnt change significantly with the location.

Key words Purple parent rock； XRD； Phyllosilicate minerals； Crystallinity

紫色土因其“新成土”特征，土壤中的黏土礦物特别是层状硅酸盐黏土矿物主要来至于成土母岩。在物理风化主导下，不同紫色母岩所发育的土壤中层状硅酸盐黏土矿物种类都将因承袭母岩的矿物特性而在组成和含量有所不同，而这些组成与含量的差异将直接影响土壤无机胶体的构成和性质，进而影响土壤理化性能、肥力特征及土壤的发育演化进程。研究表明，沉积岩在沉积成岩环境上存在明显的差异性，不同古地质时间及古地理环境中层状硅酸盐矿物的种类及形成特点显著不同[1-2]；除了沉积物中矿物构成外，沉积成岩过程中的气候、环境条件也将由于对沉积物中层状硅酸盐矿物转化产生影响，导致同一地质时期不同区域形成的沉积岩中层状硅酸盐矿物的差异，例如干冷的气候条件有利于绿泥石和伊利石的形成，相比之下，湿热的气候环境下则更有利于高岭石的形成[3]。重庆地区分布着从三叠系到白垩系所有紫色地层（以侏罗系地层分布最广）。由这些地层的紫色母岩风化形成的土壤占全重庆农业土壤总面积60%以上。笔者以重庆地区中生代侏罗系紫色母岩为研究对象，以紫色地层中层状硅酸盐矿物的构成和特性为切入点，采用X衍射（XRD）研究法研究主要紫色母岩地层和区域之间层状硅酸盐黏土矿物的物相组成、相对含量和结晶度差异，以达到了解和掌握紫色土壤层状硅酸盐类无机胶体特性的目的。

1 材料与方法

1.1 样品采集

采集重庆地区不同区域侏罗系紫色地层典型岩层新鲜断面的紫色岩石样品，包括侏罗系蓬莱镇组（J3p）棕紫色泥岩、遂宁组（J3sn）红棕紫色泥岩、沙溪庙组（J2s）灰棕紫色泥岩、自流井组（J1-2z）暗紫色泥岩。基本情况见表1。

1.2 矿物的X衍射分析

1.2.1 矿物扫描。样品经玛瑙研钵研磨过200目筛后备用。分别取1.00 g研磨过筛后的岩石样品，按T1、T2、T3（常温、320 ℃、550 ℃）梯度处理后，上机做衍射测定（XD3），得出各岩石样品的衍射图谱。

1.2.2 测定条件。Cu靶；石墨单色器；管压：36 kV；管流：20 mA；步宽：0.01°（2θ）；2θ：2°～62°或2°～32°；扫描速度：2 °/min；狭缝：1° -0.3° -1°。

1.2.3 半定量分析。矿物物相半定量分析采用K值法进行分析。

2 结果与分析

2.1 侏罗系各紫色地层中层状硅酸盐矿物组成及差异性

前期研究表明，对母岩样品进行一定的温度梯度处理。通过标准矿物的对比，结合其X射线衍射图谱变化规律，可以鉴定出岩石样品中的黏土矿物[4]。

2.1.1 蓬莱镇组棕紫色泥岩物象组成。

图1为蓬莱镇组棕紫色泥岩（J3p1、J3p2、J3p3）热梯度处理后获得的XRD衍射图谱。由图1可知，蓬莱镇组各岩石样品均出现1.42、1.00、0.71、0.50和0.45 nm衍射峰。经鉴定，1.42 nm衍射峰经过320 ℃处理后在0.05水平显著降低，经过550 ℃处理后衍射峰并未消失，表明样品中含有蛭石和绿泥石；1.00 nm衍射峰和0.50 nm衍射峰是云母的主峰和次强峰；0.71 nm衍射峰在550 ℃处理后峰消失，为高岭石特征峰；0.45 nm衍射峰为伊利石特征峰。蓬莱镇组棕紫色泥岩的层状硅酸盐矿物的组成为蛭石、绿泥石、云母、高岭石和伊利石。

图1 蓬莱镇组热梯度处理衍射图谱

2.1.2 遂宁组红棕紫色泥岩物象组成。

遂宁组红棕紫色泥岩（J3sn1、J3sn2、J3sn3）的XRD衍射图谱见图2。在不同地理分布的紫色泥岩同样均出现1.42、1.00、0.71、0.50和0.45 nm衍射峰，而且经热梯度处理后衍射峰变化和蓬莱镇组棕紫色泥岩一致。可以看出，遂宁组红棕紫色泥岩的层状硅酸盐矿物的组成为蛭石、绿泥石、云母、高岭石和伊利石。

图2 遂宁组热梯度处理衍射图谱

2.1.3 沙溪庙组灰棕紫色泥岩物象组成。

沙溪庙组灰棕紫色泥岩（J2s1、J2s2 、J2s3）的XRD衍射图谱见图3。在不同地理分布的紫色泥岩同样均出现1.42、1.00、0.71、0.50和0.45 nm衍射峰。经鉴定，1.42 nm衍射峰经过320 ℃处理后在0.05水平显著变低，550 ℃处理后衍射峰消失，表明样品中不含绿泥石。可以看出，沙溪庙组灰棕紫色泥岩的层状硅酸盐矿物的组成为蛭石、云母、高岭石和伊利石。

2.1.4 自流井组暗紫色泥岩物象组成。

自流井组暗紫色泥岩（J1-2z1、J1-2z2 、J1-2z3）的XRD衍射图谱见图4。在不同地理分布的紫色泥岩同样均出现1.42、1.00、0.71、0.50和0.45 nm衍射峰，而且经热梯度处理后衍射峰变化和蓬莱镇组棕紫色泥岩以及遂宁组红棕紫色泥岩一致。可以看出，自流井组暗紫色泥岩的层状硅酸盐矿物的组成为蛭石、绿泥石、云母、高岭石和伊利石。

综上所述，在相同地质时期形成的紫色母岩，在重庆地区存在广泛的一致性，层状硅酸盐矿物种类基本上一致。然而，由于绿泥石受环境的影响极大，在沙溪庙组泥岩样品J2s1（合川）、J2s2（铜梁 ）、J2s3（长寿）中未检出绿泥石的存在，表明在沙溪庙组泥岩成岩过程中的沉积环境有着一定的变化。

图3 沙溪庙组热梯度处理衍射图谱

2.2 矿物相对含量差异性

目前，对于矿物相对含量计算有面积法、强度法、K值法等。对比各种计算法，K值法具有精度高、操作简便和计算过程快捷等优点而得到广泛应用[5-6]。该研究采用K值法进行矿物相对含量计算。

以层状硅酸盐矿物為主的黏土矿物是在地表风化作用中形成的，在沉积作用和埋藏过程中可发生转变。它的形成和转化受环境的影响极大[7]。层状硅酸盐矿物每种矿物的沉积都对沉积环境有着特异的要求。研究每种层状硅酸盐矿物在岩石中的含量变化可以反映在成岩过程中沉积环境的变化。

图4 自流井组热梯度处理衍射图谱

鉴于蛭石、绿泥石、蒙脱石的存在状态受外界因子（阳离子）的影响，导致结构的不稳定性。许多研究者将其不稳定状态统称为1.4 nm过渡矿物[8-9]。该研究将衍射峰在1.4 nm左右的矿物统称为1.4 nm过渡矿物。表2中，所检出的层状硅酸盐矿物包括1.4 nm过渡矿物、云母、高岭石、伊利石。

2.2.1 不同地理位置矿物含量差异性。

由表2可知，在几种供试母岩中，蓬莱镇组、遂宁组和沙溪庙组母岩中不同地理位置对云母相对含量的影响较小。但是，在自流井组模样中，不同地区云母相对含量的变化较大。该研究所用自流井组母岩分别采集自重庆西部地区永川、北碚和合川3个地方，依次由南到北分布，云母相对含量依次为永川（25.4%）、北碚（21.5%）、合川（12.4%），可以看出侏罗系自流井母岩中云母的相对含量由永川—北碚—合川依次呈现出递减的趋势，表明在重庆西部自流井母岩地区层状硅酸盐矿物沉积可能受纬度的影响。

在4种供试母岩中，1.4 nm过渡矿物、高岭石和伊利石的相对含量随采样地理位置的变化没有明显的变化。

不同地理位置的蓬莱镇组、遂宁组和沙溪庙组紫色母岩的层状硅酸盐矿物的相对总量的变化都相对较小，而自流井组母岩在不同地区间的层状硅酸盐矿物相对总量的变化较前3种母岩都大。在永川、北碚和合川3个地区层状硅酸盐矿物相对总量分别为51.6%、46.6%、37.3%，变化趋势与云母含量的变化趋势一致。由此可知，在永川、北碚和合川3个地区层状硅酸盐矿物相对总量的变化是由云母含量的变化导致的。

综上所述，重庆地区紫色母岩的各层状硅酸盐矿物的相对含量受地理位置的影响较小，同时说明每个地区的母岩在同种母岩中具有不同地理位置上广泛的代表性。

2.2.2 不同母岩矿物含量差异性。

由表2可知，侏罗系自流井组、侏罗系沙溪庙组、侏罗系遂宁组和侏罗系蓬莱镇组母岩中层状硅酸盐矿物平均总量分别为45.2%、53.47%、55.70%、58.33%，呈增加的趋势。这表明在中生代侏罗系地质时期随着地质时期的推移，由于外部环境的改变，原生矿物的风化作用有一个由弱至强的变化趋势。在另一个方面，在中生代侏罗系各母岩成岩过程中，沉积环境发生很大的变化，而且变化的方向是有利于层状硅酸盐矿物的累积的。

对比不同地质时期层状硅酸盐矿物含量，1.40 nm过渡矿物含量由大到小的顺序为遂宁组>蓬莱镇组>沙溪庙组>自流井组；云母含量由大到小的顺序为沙溪庙组>蓬莱镇组>遂宁组>自流井组；高岭石和伊利石含量由大到小的顺序为蓬莱镇组、遂宁组、自流井组、沙溪庙组。由图5可知，1.40 nm过渡矿物在各地质时期的含量在0.05水平上的差异均不显著，表明1.40 nm过渡矿物的沉积受地质时期变化的影响较小。云母在各地质时期含量只有沙溪庙组与自流井组之间在0.05水平上差异显著。对比高岭石在不同地质时期的含量，蓬莱镇组和遂宁组之间无显著差异，其余各地质时期在0.05水平上差异显著，说明隨着地质时期的变化高岭石的沉积环境发生显著变化。对比伊利石含量在各地质时期的变化，蓬莱镇组和遂宁组之间差异不显著，沙溪庙组和自流井组之间的差异也不显著，其余各组之间都存在0.05水平显著差异，表明伊利石沉积受地质时期影响，并且随着地质时期的推移伊利石含量有增加的趋势。

由于沉积时期的不同，层状硅酸盐矿物沉积环境发生较大的变化，导致各供试紫色母岩中层状硅酸盐矿物相对含量差异较大。

图5 层状硅酸盐矿物在各母岩中的差异性

2.3 伊利石结晶度研究

矿物在沉积过程中受到显著的沉积环境的影响。研究表明，成岩过程中形成矿物的结晶度和矿物沉积环境之间有0.05水平显著相关性[4]。很多研究者选用伊利石结晶度来反映沉积环境[10-11]。

目前，对于矿物结晶度的计算公式主要有以下方法。利用易变矿物的住衍射峰形态的Weaver指数，即两者间的高度差表示（指数越大，结晶度越高），或者利用其最佳衍射峰的半高宽（FWHM），即Kübler指数，指数越低，峰型越趋于尖锐，表明该物相的结晶度越高。由于Küblerr指数基于结晶学理论，简便，易用，误差源少，被广泛应用[12]。 利用矿物最佳衍射峰的Kübler指数即半高宽（FWHM），判断其结晶度（表3）。

伊利石结晶度可以作为环境水解能力的指征。较高的温度和大的降水量会导致伊利石的强水解作用，结晶度较差。该研究所选用伊利石1.00 nm峰的半高宽均值由高到低顺序为侏罗系遂宁组（52.5）、侏罗系蓬莱镇组（50.1）、侏罗系沙溪庙组（47.5）、侏罗系自流井组（47.4），同时它们之间不存在显著性差异。同时，伊利石结晶度变异系数为6.53%～19.7%，都处于较低的范围，表明在紫色母岩各个地质时期随着地理位置的变化，环境水解能力并没有发生较大的变化。

3 结论

（1）重庆地区主要紫色母岩的层状硅酸盐矿物组成种类相对一致。除侏罗系沙溪庙组母岩中未检出绿泥石外，其余各母岩中层状硅酸盐矿物都为蛭石、绿泥石、伊利石、高岭石和云母。同时，同一种母质在不同地理位置的岩石样品的层状硅酸盐矿物种类没有变化。

（2）紫色母岩中的层状硅酸盐矿物各组分的相对百分含量随地理位置未发生明显的变化，只有自流井组母岩在云母含量可能有随纬度增加而减少的趋势。

（3）在不同种类母岩中，除1.4 nm过渡矿物相对含量没有显著差异外，云母、高岭石和伊利石相对含量都存在0.05水平显著差异。而且，在层状硅酸盐矿物相对总量上还存在随沉积地质时间的推移而增加的趋势。

（4）不同紫色母岩的伊利石结晶度之间没有显著性差异。而且，随着地理位置的变化，紫色母岩伊利石结晶度也