第八章 粘土巖

第八章粘土巖第一節(jié)概述第二節(jié)粘土巖的物質(zhì)成分第三節(jié)粘土巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、顏色第四節(jié)粘土巖的分類和沉積后變化

本章重點１、粘土巖的概念２、粘土巖的類型及特征３、粘土巖的成巖作用類型第一節(jié)概述粘土

粘土巖粘土礦物粘土巖的作用：重要的生油巖，良好的蓋層，還可作為油氣的儲集層。

第一節(jié)概述１、定義粘土巖是指以粘土礦物為主(含量>50%)的沉積巖（狹義）。疏松或末固結(jié)成巖者稱為粘土。粘土巖是主要由粒徑<0.01mm的細碎屑物質(zhì)（>50%）組成的沉積巖（廣義）。粘土巖的粒度組分都很細小，主要是因為粘土礦物的粒徑細小。粘土礦物的粒徑一般<0.005mm或0.0039mm，甚至小于0.00１mm。所以，就粒度組分而言，<0.005mm或<0.0039mm的組分含量>50%的碎屑巖就是粘土巖。

２、粘土礦物成因：(1)機械方式：來自母巖風(fēng)化的產(chǎn)物，以懸浮方式搬運，以機械方式沉積而成，占大多數(shù)。(2)化學(xué)方式：由匯水盆地中SiO2和Al2O3膠體的凝聚作用形成的自生粘土礦物，火山碎屑物質(zhì)蝕變形成的粘土礦物，在粘土巖中所占比例較少。據(jù)成因機理，將粘土巖歸為細碎屑巖。3、研究意義(1)分布最廣，約占沉積巖總體積的55～60%。(2)石油地質(zhì)意義:重要的生油巖，良好的蓋層，還可作為油氣的儲集層?？煞治龀练e巖成因、沉積環(huán)境分析，吸附的微量元素可判斷古環(huán)境和古氣候。(3)工業(yè)用途：可塑性、耐火性、燒結(jié)性、吸水膨脹性、吸附性等。(4)經(jīng)濟意義:富集稀有元素和稀土元素，形成工業(yè)礦床黑色頁巖和碳質(zhì)頁巖中鎳、鉬、釩、鉛、鉑、鈰、釔等。第二節(jié)粘土巖的物質(zhì)成分粘土巖的物質(zhì)成分有：粘土礦物陸源碎屑物質(zhì)化學(xué)沉淀的非粘土物質(zhì)有機質(zhì)化學(xué)成分：以SiO2，Al2O3和H20為主，次為Fe、Mg、Ca、Na、K的氧化物及一些微量元素。一、粘土礦物粘土礦物是含水的硅酸鹽或鋁硅酸鹽礦物，分非晶質(zhì)和結(jié)晶質(zhì)兩類。結(jié)晶質(zhì)粘土礦物具有層狀和鏈層狀兩種結(jié)構(gòu)類型，以層狀結(jié)構(gòu)粘土礦物最常見。層狀結(jié)構(gòu)的粘土礦物由兩種基本結(jié)構(gòu)層組成：硅氧四面體層、鋁/鎂氧八面體層，在鋁氧八面體中，Mg2+、Fe3+等可置換Al3+。一、粘土礦物粘土礦物是一種含水的硅酸鹽或鋁硅酸鹽。粘土礦物

Si-O四面體及al(Mg)-(O,OH)八面體結(jié)構(gòu)示意圖高嶺石1:1型蒙脫石2:1型伊利石2:1型綠泥石2:1:1型一、粘土礦物四面體和八面體基本結(jié)構(gòu)層在空間上彼此以一定規(guī)律結(jié)合就形成“結(jié)構(gòu)單元層”，據(jù)結(jié)構(gòu)單元層中各基本結(jié)構(gòu)層相互結(jié)合的比例及疊置方式：分三種類型(1)1：1型；(2)2：1型；(3)2：1：1型晶質(zhì)結(jié)構(gòu)單元層類型層間物族種層狀簡單層狀1:1[Si4O10](OH)8有或無水分子高嶺石高嶺石、地開石、珍珠陶土等埃洛石埃洛石（多水高嶺石）、變埃洛石等2:1[Si4O10](OH)2陽離子或水化陽離子蒙脫石蒙脫石、拜來石、綠脫石、皂石水云母水云母（伊利石）、海綠石2:1:1[Si4O10](OH)2氫氧化物綠泥石各種綠泥石

、單熱石等混層狀有序混層水云母-蒙脫石組合、綠泥石-蒙脫石組合無序混層水云母-蒙脫石組合、水云母-綠泥石組合水云母-蒙脫石-綠泥石組合等鏈狀2:1水化陽離子海泡石海泡石、坡縷石（凹凸棒石）半晶質(zhì)和非晶質(zhì)伊毛縞石、水鋁英石等粘土礦物分類簡表粘土礦物化學(xué)式結(jié)構(gòu)單元層形狀高嶺石Al4[Si4O10](OH)81：1六邊形鱗片狀晶體,重結(jié)晶后呈蠕蟲狀和手風(fēng)琴狀集晶蒙脫石(Al2,Mg3)[Si4O10](OH)2·nH2O2：1偏光顯微鏡下細鱗片狀，電子顯微鏡下呈細鱗片狀、鵝毛狀、絨狀伊利石K<1Al2[(Al,Si)Si3O10](OH)2·nH2O2：1顯微鏡下是彎曲的葉片狀輪廓，電子顯微鏡下呈細鱗片狀或帶有尖角和直邊的片狀綠泥石正綠泥石(Mg,Fe)p[(Al,Fe)pSi4-pO10][OH]8鱗綠泥石(Fe,Mg)n-p(Fe,Al)p[(Fe,Alp)Si4-pO10][OH]2(n-2)·XH2O2：1：1細鱗片狀集合體或葉片狀集合體主要粘土礦物的特征1、１：１型（高嶺石型）1：1型雙層結(jié)構(gòu)單元層由一層Si-O四面體和一層Al-(O-OH)八面體疊置組成。在高岒石族礦物中常見。高嶺石單個晶體：六邊鱗片狀。集合體：蠕蟲狀、手風(fēng)琴狀；

２、2：1型（蒙脫石型）

2：1型三層結(jié)構(gòu)單元兩層四面體夾一層八面體層常見于蒙脫石和水云母族礦物。蒙脫石（膠嶺石、微晶高嶺石）細鱗片狀、鵝毛狀、棉絮狀，輪廓不清楚。加水膨脹或呈漿糊狀伊利石（水云母）彎曲葉片狀，干涉色可達二級圓滑鱗片狀或帶尖角和直邊的片狀。

３、2：1：1型（綠泥石族）2：1：1型結(jié)構(gòu)單元層由2：1結(jié)構(gòu)單元層再疊置和連接一個八面體層構(gòu)成。常見于綠泥石族礦物。綠泥石綠色集合體針葉狀、玫瑰花狀

層狀結(jié)構(gòu)的粘土礦物鏈層狀結(jié)構(gòu)的粘土礦物（少見）４、混層粘土礦物兩種或兩種以上不同類型的粘土礦物結(jié)構(gòu)單元疊置而成有序（規(guī)則）混層伊—蒙有序混層、綠—蒙有序混層無序（不規(guī)則）混層伊—蒙無序混層、綠—蒙無序混層、伊—蒙—綠無序混層

夏2井，4347m，T1b，粒間片狀綠泥石與片狀c/s混層，放大倍數(shù)3000夏2井，4347m，T1b，溶蝕孔中針葉狀綠泥石，放大倍數(shù)4000夏2井，4347m，T1b，粒間六方板狀高嶺石，放大倍數(shù)2000夏2井，4348.61m，T1b，粒間葉片狀綠泥石與石英，放大倍數(shù)4000夏2井，4348.61m，T1b，粒表蠕蟲狀高嶺石，放大倍數(shù)3000夏2井，4348.61m，T1b，葉片狀綠泥石與絲狀C/S混層，放大倍數(shù)2500夏2井，4405.69m，T1b，粒間片狀C/S混層，放大倍數(shù)5790夏2井，4405.69m，T1b，粒間、粒表片狀伊利石，放大倍數(shù)3170沙1井，5452.34m，T1b，粒間針葉狀綠泥石，放大倍數(shù)4000沙1井，5452.34m，T1b，粒間針葉狀、絨球狀綠泥石，放大倍數(shù)3500沙1井，5452.34m，T1b，次生孔隙內(nèi)絲狀伊利石，放大倍數(shù)3000沙1井，5452.34m，T1b，粒間高嶺石與綠泥石，放大倍數(shù)3000沙1井，5454.55m，T1b，粒表綠泥石與粒間高嶺石，放大倍數(shù)3500二、非粘土礦物１、陸源碎屑礦物石英、長石、云母、少量的重礦物單晶圓度差邊緣模糊，不純粘土巖２、化學(xué)沉淀的自生礦物Fe、Mn、Al的氧化物和氫氧化物、碳酸鹽、氧化硅、硫酸鹽、磷酸鹽、氯化物、硫化物等。一般含量不到5%三、粘土巖的化學(xué)成分主要：SiO2、Al2O3和H2O，三者可達80%。次要：Fe2O3、FeO、MgO、CaO、NaO、K2O等。粘土巖的化學(xué)成分主要取決于它的礦物成分、混入物、吸附的陽離子類型及含量。粘土礦物常具有吸附各種離子的特性。粘土巖的化學(xué)成分與沉積環(huán)境有一定關(guān)系。

四、有機物質(zhì)有機質(zhì)：可做地化指標，保存要低Eh值的還原環(huán)境。生油巖：富含有機質(zhì)（腐泥型）粘土巖。油頁巖：腐植型粘土巖結(jié)構(gòu)類型粘土及粉砂（砂）含量粘土，%粉砂（砂）含量，%粘土結(jié)構(gòu)（泥質(zhì)結(jié)構(gòu)）>90<10含粉砂（砂）粘土結(jié)構(gòu)75-9025-10粉砂（砂）質(zhì)粘土結(jié)構(gòu)50-7550-25一、粘土巖的結(jié)構(gòu)1、按顆粒的相對含量劃分第三節(jié)粘土巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、顏色２、按粘土礦物的結(jié)晶程度和晶體形態(tài)劃分(1)非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)∶很少見，僅見于水鋁英石質(zhì)的粘土巖中。(2)隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)∶最為常見，在偏光顯微鏡下難以識別粘土礦物的晶形，電子顯微鏡下按晶形可分為超微片狀、管狀、纖維狀、針狀、束狀、球粒狀等各種結(jié)構(gòu)。(3)顯晶質(zhì)結(jié)構(gòu)∶粘土礦物因重結(jié)晶而使晶體變粗，偏光顯微鏡下按粘土礦物晶形可分為顯微鱗片、粒狀、纖維狀等結(jié)構(gòu)。如高嶺石重結(jié)晶可形成蠕蟲狀結(jié)構(gòu)。3、鮞粒及豆粒結(jié)構(gòu)粘土礦物在沉積過程中圍繞核心凝聚呈同心環(huán)狀顆粒，直徑<2rnm者稱鮞粒，>2mm者稱豆粒。4、內(nèi)碎屑結(jié)構(gòu)同沉積粘土質(zhì)碎屑經(jīng)再沉積并被粘土物質(zhì)膠結(jié)而成。5、殘余結(jié)構(gòu)可分為殘余火山碎屑結(jié)構(gòu)，殘余斑狀結(jié)構(gòu)等。二、粘土巖的構(gòu)造１、宏觀構(gòu)造各種層理（水平層理、塊狀層理）。水平細紋層厚度小于1cm者稱為頁狀層理或頁理，頁理發(fā)育——頁巖，頁理不發(fā)育——泥巖。水平細紋層的厚度小于1mm者稱為紋理，也是較常見的粘土巖構(gòu)造。各種層面構(gòu)造（干裂、雨痕、蟲跡等）生物擾動構(gòu)造、生物遺跡同生變形構(gòu)造（水底滑動構(gòu)造、攪混構(gòu)造等）2、顯微構(gòu)造顯微構(gòu)造是在顯微鏡下才能見到的微觀構(gòu)造。(l)顯微鱗片構(gòu)造：由極細小的、排列方向不規(guī)則的粘土礦物組成。(2)顯微氈狀構(gòu)造：由極細小的鱗片狀、纖維狀粘土礦物錯綜交織雜亂排列而成。在正交光下，纖體交錯消光。(3)顯微定向構(gòu)造∶為極細小的鱗片狀或纖維狀粘土礦物沿層面定向排列而成，正交光下同時消光。三、粘土巖的顏色粘土巖顏色與粘土巖所含的有機碳、鐵離子的氧化狀態(tài)等因素有關(guān)：1、紅色、紫紅色：分散狀的高價氧化鐵(赤鐵礦、褐鐵礦)所致，是強氧化條件下形成的。2、綠、灰綠色：離子或含海綠石所致，是弱氧化-弱還原環(huán)境下形成的。3、灰色、灰黑、黑色：富含有機質(zhì)和分散狀低價鐵的疏化物(如黃鐵礦)所致，為還原或強還原環(huán)境中形成的。

三、粘土巖的顏色原生色能反映生成環(huán)境。主要影響因素為粘土礦物成分、有機質(zhì)和黃鐵礦的含量、鐵離子狀態(tài)。１、暗色（主要是灰色、灰黑色、黑色）強還原環(huán)境——富含有機質(zhì)和分散狀低價鐵的疏化物(如黃鐵礦)所致。２、紅色、紫紅色強氧化環(huán)境，粘土礦物顆粒間或顆粒表面存在分散狀的鐵的氧化物（赤鐵礦、褐鐵礦）薄膜３、淺綠色或灰綠色弱氧化——弱還原環(huán)境，伊利石的晶格中含有Fe2+，以及綠泥石、海綠石的存在第四節(jié)粘土巖的分類和沉積后變化一、粘土巖的分類1.單成分粘土巖伊利石粘土巖，分布最廣高嶺石粘土巖蒙脫石粘土巖2.復(fù)成分粘土巖高嶺石—蒙脫石粘土巖結(jié)構(gòu)及成分固結(jié)程度未-弱固結(jié)（未重結(jié)晶）固結(jié)（未-中等重結(jié)晶）強固結(jié)（重結(jié)晶礦物>50%）無頁理有頁理結(jié)構(gòu)（粉砂或砂含量）<10%粘土泥巖頁巖泥板巖10%-25%含粉砂（砂）粘土含粉砂（砂）泥巖含粉砂（砂）頁巖25%-50%粉砂（砂）質(zhì)粘土粉砂（砂）質(zhì)泥巖粉砂（砂）質(zhì)頁巖粘土礦物成分高嶺石高嶺石粘土（高嶺土）高嶺石泥巖高嶺石頁巖蒙脫石蒙脫石粘土（膨潤土）蒙脫石泥巖蒙脫石頁巖伊利石伊利石粘土伊利石泥巖伊利石頁巖海泡石海泡石粘土海泡石泥巖海泡石頁巖高嶺石、蒙脫石高嶺石-蒙脫石粘土高嶺石-蒙脫石泥巖高嶺石-蒙脫石頁巖高嶺石、伊利石高嶺石-伊利石粘土高嶺石-伊利石泥巖高嶺石-伊利石頁巖蒙脫石、伊利石蒙脫石-伊利石粘土蒙脫石-伊利石泥巖蒙脫石-伊利石頁巖混入物成分鈣質(zhì)—鈣質(zhì)泥巖鈣質(zhì)頁巖鐵質(zhì)鐵質(zhì)泥巖鐵質(zhì)頁巖硅質(zhì)硅質(zhì)泥巖硅質(zhì)頁巖有機質(zhì)碳質(zhì)泥巖、暗（黑）色泥巖碳質(zhì)頁巖、黑色頁巖、油頁巖粘土巖的綜合分類

第四節(jié)粘土巖的分類和沉積后變化二、粘土沉積物的沉積后變化（一）、壓實作用粘土物質(zhì)沉積后處于軟泥狀態(tài)，原始孔隙度高達７０％－９０％，孔隙中飽含自由水。隨著埋藏深度增加，在上覆水體和沉積物負荷的重壓下，粘土質(zhì)點將重新排列、變形或破裂，孔隙水不斷排出，原始粘土沉積物孔隙度大大降低，體積縮小，最后被壓實固結(jié)成為粘土巖。粘土沉積物在被壓實的過程中，孔隙度的減少和埋深的增加并非直線關(guān)系。

粘土沉積物埋深壓實變化(據(jù)Fuchtbauer,1978)(一)、壓實作用粘土沉積物在被壓實的過程中，隨著埋深增加，若處在一個較封閉的系統(tǒng)中，上覆沉積負荷在粘土巖中產(chǎn)生超孔隙壓力，孔隙中的流體支撐了大部分以至全部上覆壓力，骨架顆粒承受的壓力大大降低，形成塑性可流動的“欠壓實泥巖”。－－刺穿、底辟。

（二）、粘土礦物的轉(zhuǎn)化作用隨著埋深加大，壓力和溫度增高，以及粘土礦物層間水的釋放和層間陽離子的移出，粘土礦物之間將發(fā)生轉(zhuǎn)化作用。淺埋條件下，出現(xiàn)高嶺石和蒙脫石，在深埋條件下，粘土礦物轉(zhuǎn)化成伊利石和綠泥石。（二）粘土礦物的轉(zhuǎn)化作用

⒈高嶺石的轉(zhuǎn)化

高嶺石類粘土礦物蒙脫石、伊利石和綠泥石

控制因素：埋藏深度、溫度、壓力、pH值、離子濃度高嶺石

（二）、粘土礦物的轉(zhuǎn)化作用１、高嶺石的轉(zhuǎn)化高嶺石類粘土礦物在埋藏成巖過程中的轉(zhuǎn)化趨勢是轉(zhuǎn)變?yōu)槊擅撌?、伊利石和綠泥石?？刂埔蛩兀郝癫厣疃龋囟?、壓力）、介質(zhì)的地球化學(xué)環(huán)境（pH值、離子濃度）。在埋藏過程中，高岒石（消失溫度80-140℃,通常90-110℃)將向同族礦物地開石(形成溫度110-160℃)、珍珠陶土轉(zhuǎn)化。深部鉆探資料表明，高嶺石轉(zhuǎn)化消失更重要的是與介質(zhì)的地球化學(xué)環(huán)境即pH值及離子濃度有關(guān)：在酸性介質(zhì)中，高嶺石保持穩(wěn)定，即使是溫度升高、壓力增大，也不會向蒙脫石、伊利石轉(zhuǎn)化。若pH值增大。從酸性介質(zhì)到堿性介質(zhì)，高嶺石的穩(wěn)定性減小，若有K+離子存在，則轉(zhuǎn)化為伊利石；若有Ca2+、Mg2+、Na+離子存在，則轉(zhuǎn)化為蒙脫石或綠泥石。一般情況下，隨著埋深和介質(zhì)pH值增加，溶液由酸性變?yōu)閴A性，層間溶液濃縮，離子濃度加大，高嶺石變得不穩(wěn)定而發(fā)生轉(zhuǎn)化。但是，深埋藏也可出現(xiàn)酸性介質(zhì)，因此高嶺石的穩(wěn)定性有一定的深度范圍。2.蒙脫石的轉(zhuǎn)化必須指出：

1）蒙脫石向伊利石或綠泥石轉(zhuǎn)化的重要條件是孔隙水為堿性介質(zhì)。2）如果孔隙水為酸性，蒙脫石則將向高嶺石轉(zhuǎn)化。2、蒙脫石的轉(zhuǎn)化溫度在100-130℃，K+和H+比例接近正常海水時，蒙脫石轉(zhuǎn)變?yōu)槊擅撌晾鞂诱惩粒ㄉ疃?200-3500m)，進一步轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾?。如果有Fe2+、Mg2+存在，蒙脫石轉(zhuǎn)變?yōu)槊擅撌G泥石混層粘土，進一步轉(zhuǎn)變?yōu)榫G泥石。蒙脫石向伊利石或綠泥石轉(zhuǎn)化的重要條件是孔隙水為堿性。如果孔隙水為酸性，蒙脫石則將向高嶺石轉(zhuǎn)化。３、伊利石和綠泥石的轉(zhuǎn)化孔隙水呈堿性，二者不發(fā)生轉(zhuǎn)化。隨著埋深的增加，地溫增高，二者結(jié)晶程度增加。因此，它們可以作為成巖過程中重結(jié)晶作用強度的指示劑?？紫端仕嵝裕晾途G泥石均不穩(wěn)定，可以轉(zhuǎn)化為高嶺石。伊利石和綠泥石的這種逆向轉(zhuǎn)化是一種退變作用，常出現(xiàn)于表生成巖環(huán)境。４、混層粘土礦物的轉(zhuǎn)化