第九講 粘土巖

1、沉積學(xué)第九講 粘土巖粘土巖的一般特征 粒度：0.0063mm0.0039mm粉砂 粒度：0.0039粘土 組成：母巖風(fēng)化（懸移質(zhì)）物理成因粘土礦物 化學(xué)成因（膠體凝聚，蝕變）的粘土礦物較少。粘土巖的物質(zhì)成分 粘土巖的礦物成分以粘土礦物為主，次為陸源碎屑礦物、化學(xué)沉淀的非粘土礦物及有機(jī)質(zhì)。其化學(xué)成分以SiO2、Al2O3、H2O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 粘土礦物是一種含水的硅酸鹽或鋁硅酸鹽， 可分為非晶質(zhì)和結(jié)晶質(zhì)兩類。 結(jié)晶質(zhì)粘土礦物又分為層狀和鏈層狀兩種結(jié)構(gòu)類型。粘土礦物晶質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元層類型層間物族種層狀的簡單層狀的1:1 Si4O10(O

2、H)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 S4O10(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(O H)2氫氧化物綠泥石各種綠泥石、單熱石等混層狀的有序混層水云母蒙脫石組合、綠泥石蒙脫石組合等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層狀的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)的伊毛縞石、水鋁英石等（二）非粘土礦物 非粘土礦物包括陸源碎屑礦物和化學(xué)沉淀的自生礦物。 陸源碎屑礦物中有石英、長石、云母、各種副礦物。其中最主

3、要的還是石英，呈單晶出現(xiàn)，圓度差，邊緣較模糊，多分布于不純的粘土巖中。化學(xué)沉淀的自生礦物 粘土巖中化學(xué)沉淀的自生礦物主要有鐵、錳、鋁的氧化物和氫氧化物（如赤鐵礦、褐鐵礦、水針鐵礦、水鋁石）、含水氧化硅（如蛋白 石）、碳酸鹽（如方解石、白云石、菱鐵礦）、硫酸鹽（如石膏、硬石膏）、磷酸鹽（如磷灰石）、氯化物（如石鹽等）。 在粘土形成過程中生成的，其含量一般不超過5%，是粘土巖形成環(huán)境及成巖后生變化的重要標(biāo)志。（三）有機(jī)質(zhì) 有機(jī)質(zhì)的豐度以巖石中剩余有機(jī)碳含量、氨基酸的總量以及氨基酸總量/剩余有機(jī)碳的比值作衡量標(biāo)準(zhǔn)。 剩余有機(jī)碳、氨基酸含量高、氨基酸/剩余有機(jī)碳比值低，則有機(jī)質(zhì)豐度高，此類粘土巖即為良

4、好的生油巖。 有些粘土巖含有大量的分散炭質(zhì)，是成煤的原始有機(jī)物質(zhì)。粘土巖的化學(xué)成分 粘土巖的化學(xué)成分主要為SiO2、Al2O3及H2O，在一般粘土巖中，三者總量可達(dá)80% 以上；其次為Fe2O3、FeO、MgO、CaO、Na2O、K2O等。 不同粘土巖，化學(xué)成分變化較大，這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。如高嶺石粘土巖富含Al2O3， 水云母粘土巖富含K2O，海泡石粘土巖富含MgO，陸源混入物含量較多的粉砂質(zhì)粘土巖SiO2含量高。 粘土礦物常具有吸附各種離子的特征，常吸附的陰離子有PO43、SO42、CI、NO ,陽離子有3Ca2+、Mg2+、Na+、K+、H+及Cu2

5、+、Pb2+、Zn2+、B3+、Au+、Ag+、Hg2+、As3+、Tn4+、U4+等。它們是使粘土巖化學(xué)成分多變的原因之一。 粘土巖的化學(xué)成分與沉積環(huán)境有一定關(guān)系。淡水粘土中高嶺石含量較高，故K2O、MgO含量低于海相或?yàn)a湖相粘土；硼和某些放射性元素的含量在海相和非海相粘土中差異較大。粘土巖的物理性質(zhì)非滲透性 粘土巖顆粒細(xì)小，顆粒之間僅能形成微毛細(xì)管孔隙， 其直徑0.2m。在這種孔隙中因流體與介質(zhì)分子之間的巨大引力，在常溫常壓條件下，液體在其中不 能流動，即使在地層溫度和壓力條件下，也只能引 起流體呈分子或分子團(tuán)狀態(tài)擴(kuò)散。 這種非滲透性，使粘土巖成為石油及天然氣在地下保存的良好蓋層。據(jù)統(tǒng)計，

6、世界上334個大油氣田中，以粘土巖作為蓋層者占65%。我國大慶及渤海灣地區(qū)各油田都是以粘土巖作為油氣的蓋層。粘土巖的物理性質(zhì)吸附性 粘土礦物具有從周圍介質(zhì)中吸附各種離子、放射性元素及有機(jī)色素的能力。 由粘土礦物分子間力相互作用而產(chǎn)生的吸附稱物理吸附，它與粘土的分散性有關(guān)。 由粘土顆粒與介質(zhì)的離子交換而產(chǎn)生的吸附稱離子交換吸附，它與粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。 蒙脫石，海泡石吸附性最強(qiáng)。 粘土礦物吸附放射性物質(zhì)，沉積巖放射性強(qiáng)度隨粘土礦物含量增高而增高，可用自然伽馬測井來研究和劃分井下地層剖面。粘土巖的物理性質(zhì)吸水膨脹性 粘土礦物具有極強(qiáng)的吸水能力，它是粘土礦物水化 作用的表現(xiàn)。粘土礦物的水化作用可

7、分為兩個階段。第一階段是粘土吸附的交換性陽離子的水化，第二 階段是粘土礦物晶體層面的水化。 在粘土礦物中，以蒙脫石的水化能力最強(qiáng)，水化后體積膨脹可超過50%。粘土巖的結(jié)構(gòu)粒度 粘土結(jié)構(gòu)又稱為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，幾乎全由粘土質(zhì)點(diǎn)組成， 砂或粉砂10%，以手觸摸有油膩感，用小刀切刮 時，切面光滑，常呈現(xiàn)魚鱗狀或貝殼狀斷口。 含粉砂粘土結(jié)構(gòu)（粉砂25-10%）和粉砂質(zhì)粘土結(jié)構(gòu)（粉砂50-25）。這兩種結(jié)構(gòu)的巖石用手觸摸具粗糙感、刀切面不平整，斷口粗糙。 含砂粘土結(jié)構(gòu)（砂25-10% ）及砂質(zhì)粘土結(jié)構(gòu)（粉砂50-25）。這兩種結(jié)構(gòu)的巖石用手觸摸具有明顯的顆粒感覺，肉眼可見砂粒，斷口呈參差狀。粘土礦物的結(jié)構(gòu)結(jié)晶程

8、度 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。 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)。 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)。當(dāng)粘土礦物強(qiáng)烈重結(jié)晶時，可變?yōu)?粗大晶體。如高嶺石重結(jié)晶可形成長20mm、直徑 達(dá)23mm的蠕蟲狀，稱蠕蟲狀結(jié)構(gòu)。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2mm者稱豆粒。這兩種結(jié)構(gòu)多見于膠體成因的鋁土質(zhì)和水鋁石質(zhì)粘土巖中。內(nèi)碎屑結(jié)構(gòu) 同生成因的粘土質(zhì)碎屑經(jīng)再沉積并被粘土物

9、質(zhì)膠結(jié)而成。殘余結(jié)構(gòu) 按原巖結(jié)構(gòu)不同，可分為殘余火山碎屑結(jié)構(gòu)，殘 余斑狀結(jié)構(gòu)等。它們多為粘土巖經(jīng)熱液蝕變而成。粘土巖的構(gòu)造 粘土巖中常見的層理有水平層理和塊狀層理、層面干裂、雨痕、蟲跡、結(jié)核、晶體印痕及水底滑動構(gòu)造和液化構(gòu)造等。 頁理：水平細(xì)層的厚度1cm，且沿層理方向易剝裂成頁片的構(gòu)造稱為頁狀層理或頁理。它是由于層狀粘土礦物水平定向排列而具有易剝裂性的結(jié)果。具有頁理的粘土巖又稱為頁巖。 紋理：水平細(xì)層的厚度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1025%含粉砂（砂）粘土含粉砂（砂）泥巖含粉砂（砂）頁巖2550%粉砂（砂）質(zhì)粘土粉砂（砂）質(zhì)粘土巖粉砂（砂）質(zhì)巖粘土礦物成

10、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)頁巖泥板巖鐵質(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(jī)質(zhì)碳質(zhì)泥巖暗（黑）色泥巖碳質(zhì)頁巖黑色頁巖油頁巖高嶺石粘土巖 高嶺石粘土巖的主要礦物成分為高嶺石或多水高嶺石，化學(xué)成 分特征是Al2O3含量高，常達(dá)30%以上，僅次于S

11、iO2的含量。 風(fēng)化殘積型：主要產(chǎn)于富鋁硅酸鹽礦物（如鉀長石）的酸性和中酸性巖漿巖、變質(zhì)巖及部分沉積巖的風(fēng)化帶中，并需要濕熱的氣候、平緩的地形及酸性介質(zhì)環(huán)境。具備上述條件才能使母巖中的堿和堿土金屬離子不斷地被淋濾和轉(zhuǎn)移。使高嶺石原地富集。我國江西景德鎮(zhèn)及湖南界牌的優(yōu)質(zhì)高嶺石粘土巖就屬此類。 沉積型：這類粘土巖的形成有兩種方式，一種是母巖風(fēng)化帶中分解游離出來的SiO2和Al2O3以膠體狀態(tài)被搬運(yùn)至沉積盆地， 這兩種不同名電荷膠體的相互作用生成高嶺石；另一種是母巖分化帶中的殘余高嶺石被搬運(yùn)至沉積盆地，并以機(jī)械沉積方式堆積，多形成于湖泊、沼澤、河漫灘、牛軛湖等大陸環(huán)境及濱岸海洋環(huán)境，常賦存于煤系地層

12、中。蒙脫石粘土巖 蒙脫石粘土巖主要由蒙脫石組成，次為綠脫石、伊利石、伊利 石蒙脫石混層礦物，還常有長石、石英、蛋白石、方解石及未完全分解的火山凝灰質(zhì)，有時也含有機(jī)質(zhì)。 風(fēng)化殘積型：主要出現(xiàn)于中酸性火山巖及火山碎屑巖的風(fēng)化帶中，是火山玻璃及鋁硅酸鹽礦物在堿性介質(zhì)條件下發(fā)生分解而 成。河北宣化、浙江余杭的蒙脫石粘土巖（膨潤土）即屬此類。 沉積型：火山噴發(fā)形成的海相或湖相火山碎屑沉積巖或沉火山碎屑巖，在成巖過程中隨著火山玻璃的水解而帶出堿和堿土金屬元素，造成介質(zhì)的堿性環(huán)境，促使火山玻璃向蒙脫石轉(zhuǎn)化， 從而形成沉積型蒙脫石粘土巖。這類巖石主要分布于內(nèi)陸湖泊、 海灣以及深海的大洋中脊或島弧附近。我國吐魯

13、番的托克 遜地區(qū)所產(chǎn)出者為海相成因，浙江臨安所產(chǎn)者為內(nèi)陸湖泊相沉積。伊利石粘土巖 伊利石粘土巖又稱水云母粘土巖，是粘土巖中分布最廣的一類。 其礦物成分以伊利石為主，次為蒙脫石、蒙脫石伊利石混層粘土礦物，其他見有石英、長石、重礦物及有機(jī)質(zhì)。與其他類型粘土巖相比，碎屑物質(zhì)含量較多，質(zhì)純者少。其化學(xué)成分特點(diǎn)是K2O含量高，可達(dá)37%。多呈粉砂質(zhì)粘土結(jié)構(gòu)，常見水 平層理，鏡下常見氈狀和鱗片狀構(gòu)造，多呈黃、灰、紅色，亦有呈暗色者，這與此類巖石成分復(fù)雜、常富含有機(jī)質(zhì)及不同化合價鐵的化合物有關(guān)。 伊利石粘土巖形成條件廣泛，大陸及海洋環(huán)境均可形成。隨時 代的變老，此類巖石相對比例增多。老地層中幾乎全為伊利石粘

14、土巖。這主要與成巖過程中粘土礦物的轉(zhuǎn)化有關(guān)。海泡石粘土巖 海泡石粘土巖以未固結(jié)或弱固結(jié)的海泡石粘土為常見。質(zhì)純的 海泡石粘土，其礦物成分以海泡石為主，次為凹凸棒石、蒙脫石等粘土礦物，以及石英、方解石、天青石等非粘土混入物。 海泡石粘土呈黃褐、深灰、灰白色，土塊狀，質(zhì)軟而輕，手觸 摸有滑感，具粘結(jié)性和可塑性，具有較好的熱穩(wěn)定性和抗鹽的 穩(wěn)定性，在淡水與飽和鹽水中水化膨脹性能不變。 海泡石粘土巖皆為沉積成因，可形成于干燥氣候帶的鹽湖環(huán)境、 海洋環(huán)境，甚至可形成于深海。我國的江西樂平、湖南瀏陽、湘潭、石門、陜西寧強(qiáng)等地均分布有具工業(yè)價值的此類粘土， 為淺海、瀉湖、海灣環(huán)境的產(chǎn)物。泥巖或頁巖 鈣質(zhì)泥巖

15、和頁巖：巖石中碳酸鈣含量為2550%， 分布廣，常見于大陸和海陸過渡環(huán)境及淺海環(huán)境的紅色巖系中。 鐵質(zhì)泥巖和頁巖：巖石中因含鐵質(zhì)色素而呈現(xiàn)各種顏色。含三價鐵的氧化物如赤鐵礦、針鐵礦者，呈紫紅、黃褐色；含二價鐵的硅酸鹽和硫化物者，如綠泥石、黃鐵礦，呈綠色、灰綠色。此類巖石與砂巖共生構(gòu)成所謂“紅層”，紅色的主要原因是沉積物在陸相干旱、半干旱氣候的氧化環(huán)境中被三價鐵渲染所致。 硅質(zhì)泥巖和頁巖：硅質(zhì)頁巖和泥巖中SiO2含量可達(dá)85%以上，隨著游離SiO2的增加，可過渡為硅質(zhì)巖。巖石幾乎不含鐵質(zhì)和碳酸鹽物質(zhì)，硅質(zhì)常呈隱晶質(zhì) 或細(xì)粒結(jié)構(gòu)。在富含高嶺石的硅質(zhì)泥巖和頁巖中， 常含有硅藻、海綿和放射蟲化石。硅質(zhì)

16、泥巖和頁巖 主要分布于海洋環(huán)境。 炭質(zhì)頁巖：含大量的炭化有機(jī)質(zhì)，含碳量約3 15%，灰黑色、能染手，常含有大量植物化石，常出現(xiàn)于煤系地層，為煤層的頂?shù)装寤驃A層。形成于湖泊、沼澤環(huán)境。粘土巖的研究意義 粘土巖是沉積巖中分布最廣的一類，約占沉積巖總量的60%。 粘土巖重要的烴源巖，我國許多大型油氣田 的生油巖多是粘土巖，而且它的滲透性極差， 可作為油氣儲集的良好蓋層。 粘土礦物組合特征受源巖類型和氣候環(huán)境變化的影響。尤其是在較大的空間和較長的時間尺度上，粘土礦物的種類與氣候有緊密的相關(guān)性。X射線衍射法（XRD）分析粘土礦物 原樣品經(jīng)醋酸處理去除碳酸鹽礦物，雙氧水處理去除有機(jī)物以后，用離心法進(jìn)行黏土

17、礦物分離，獲得粒級小于2 um的黏土礦物； 采用自然沉降法制取定向樣品，并進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析； 自然定向樣品在60的乙二醇飽和蒸汽中恒溫48 h， 制成乙二醇飽和樣品，并進(jìn)行XRD分析；陽極轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀 型號規(guī)格：D/max 2500VL/PC 國別廠家：日本理學(xué)公司主要技術(shù)指標(biāo)：1、最大功率：18kw（60kV,300mA）2、測 角總精度：0.023、光路系統(tǒng)：聚焦/平行兩套光路系統(tǒng)4、 銅靶，石墨單色器，閃爍計數(shù)管 5、高溫裝置，計算機(jī)處理系統(tǒng)和Jade應(yīng)用軟件。 南京師范大學(xué) 測試中心 半定量計算依據(jù)每種黏土礦物特征X射線衍射峰的面積分別乘 以Biscaye (1965)

18、給出的權(quán)重系數(shù)。粘土巖的沉積后作用 壓實(shí)作用 粘土礦物的轉(zhuǎn)化作用 粘土礦物的脫水作用壓實(shí)作用 粘土物質(zhì)沉積后，處于軟泥狀態(tài)，其原始孔隙度高達(dá)70 90%，孔隙中飽含自由水。隨埋藏深度的增加，在上覆水體和沉積物負(fù)荷的重壓下，粘土質(zhì)點(diǎn)將重新排列、變形或破裂，孔隙水不斷排出，使得粘土沉積物的隙度大大降低，最后被壓實(shí)固結(jié)成為粘土巖。 粘土沉積物在被壓實(shí)的過程中，隨深度增加，孔隙度降低速率顯著變慢。 壓實(shí)作用使片狀質(zhì)點(diǎn)趨于平行排列而形成定向構(gòu)造。 粘土巖的壓實(shí)作用常受到孔隙溶液中電解質(zhì)濃度的影響。 粘土沉積物在壓實(shí)過程中，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則大大地降低，形成塑

19、性的可流動的所謂“欠壓實(shí)泥巖”。粘土礦物的轉(zhuǎn)化作用高嶺石 高嶺石多數(shù)在酸性水的作用下由長石以及其它鋁硅酸鹽礦物分 解而形成，酸性孔隙水是高嶺石穩(wěn)定存在的必要條件。 如果孔隙水始終保持其酸性特征，則隨埋深的增加和地層壓力的加大，高嶺石將向結(jié)構(gòu)有序度較高的同族礦物地開石轉(zhuǎn)化，或有的情況下轉(zhuǎn)化為珍珠陶土。 粘土礦物微粒間的孔隙水是堿性的，這使得高嶺石常不穩(wěn)定。 這時孔隙水中如有K+存在，則向伊利石轉(zhuǎn)化，如孔隙水中有Ca2+、Na+或離子Mg2+存在，則可以轉(zhuǎn)化成蒙脫石或綠泥石。 高嶺石的存在和轉(zhuǎn)化也和地層溫度以及埋深有一定的關(guān)系，如 一般認(rèn)為高嶺石消失的最大溫度區(qū)間為80140C，通常為90110C，相應(yīng)的埋深區(qū)間為幾百米到幾千米。粘土礦物的轉(zhuǎn)化作用蒙脫石 蒙脫石主要由火山灰及凝灰?guī)r分解而成，堿性介質(zhì)中形成。 在被埋藏后，隨溫度和壓力的增加，層間水將逐漸被釋放出來，造成層間塌陷，形成伊利石-蒙脫石混層（80110C） ，進(jìn)而逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化（ 130180C ）。 除溫度外，層間溶液的化學(xué)成分也起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)槿绻芤褐杏凶銐虻腒+離子存在，就可以在一定程度上降低轉(zhuǎn)化的溫度；而如果層間溶液中有Fe2+、Mg2+的存在，蒙脫石則可能形成蒙脫石- 綠泥石混層礦物，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)榫G泥石。粘土礦物的轉(zhuǎn)化作用 混