沉积岩石学:7 泥质岩

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1、1 沉积岩石学沉积岩石学第七章 泥质岩2第一节 概述 第二节 物理性质与用途泥质岩的物质成分第三节第七章、泥质岩第四节 泥质岩的结构、构造与颜色泥质岩的分类及主要岩石类型第五节第六节 泥质岩的成岩后生变化 3第七章、泥质岩第一节、概述 一、概念 粘土岩类又叫泥质岩或泥岩,主要由粘土矿物及粒径小于0.0039mm的细碎屑(含量50)组成的沉积岩。疏松或未固结成岩者称为粘土。包括单矿物质的高岭石、蒙脱石、伊利石粘土岩,也有复矿质的泥岩、页岩等。二、粘土矿物的成因(1)机械方式:来自母岩风化的产物,以悬浮方式搬运,以机械方式来自母岩风化的产物,以悬浮方式搬运,以机械方式沉积而成,占大多数。沉积而成,

2、占大多数。(2)化学方式:由汇水盆地中由汇水盆地中SiO2SiO2和和Al2O3Al2O3胶体的凝聚作用形成的自生胶体的凝聚作用形成的自生粘土矿物,火山碎屑物质蚀变形成的粘土矿物,在粘土岩中所占比例较粘土矿物,火山碎屑物质蚀变形成的粘土矿物,在粘土岩中所占比例较少少 按成因机理,将粘土岩归为细碎屑岩。4三、研究意义第七章、泥质岩第一节、概述5第一节 概述 第二节 物理性质与用途泥质岩的物质成分第三节第七章、泥质岩第四节 泥质岩的结构、构造与颜色泥质岩的分类及主要岩石类型第五节第六节 泥质岩的成岩后生变化 61)可塑性;粉碎加水后造型,撤外力后形态不变2)耐火性;粘土矿物在高温下不熔融,Al2O

3、3-Fe,Ti,SiO23)烧结性;粘土矿物在低于耐火度的低温下局部熔化,质点间相互粘结成坚硬的瓷质石块。4)粘结性;粘土矿物能与瘠性材料(掺入砂质)粘合,塑造出良好的泥胚,干燥后能形成坚实生呸。5)干缩性;粘土矿物风干或加热烧干后,由于质点表面结合水分水分的蒸发,而产生体积收缩的现象6)吸附性;粘土质点能从周围介质中吸收各种体态、液态及有机质色素的能力。7)吸水性;粘土矿物吸水,体积发生膨胀。第七章、泥质岩第二节、泥质岩的物理性质与用途7景德镇窑青花花果纹黄彩瓷盘(明弘治年间)钧窑三足瓷洗(北宋)新石器时代桶形彩绘陶罐(内蒙古出土)紫砂茶叶罐(清乾隆年间)青花瓷餐具第七章、泥质岩第二节、泥质

4、岩的物理性质与用途8第一节 概述 第二节 物理性质与用途泥质岩的物质成分第三节第七章、泥质岩第四节 泥质岩的结构、构造与颜色泥质岩的分类及主要岩石类型第五节第六节 泥质岩的成岩后生变化 9第七章、泥质岩第三节、泥质岩的物质成分 泥质岩的物质成分以粘土矿物为主,次为陆源碎屑物质、化学沉淀的非粘土矿物及有机质。(一)、粘土矿物一)、粘土矿物(二)、非粘土矿物(二)、非粘土矿物(三)、有机质(三)、有机质陆源碎屑物质陆源碎屑物质化学沉淀自生矿物化学沉淀自生矿物二、化学成分:一、矿物成分:10结晶质包括:伊利石、蒙脱石、绿泥石、高岭石等伊利石、蒙脱石、绿泥石、高岭石等第七章、泥质岩(一)、粘土矿物 关

5、于粘土矿物的含义至今没有统一的意见。目前多数人认为,粘土矿物是细分散的含水的层状结晶质硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。非晶质包括:水铝英石,硅胶铁石等水铝英石,硅胶铁石等 泥质岩中分布最广的是伊利石,其次为蒙脱石、绿泥石、高岭石和各种混层粘土矿物。一、泥质岩矿物成分:第三节、泥质岩的物质成分11第七章、泥质岩粘土矿物分析仪器:差热分析仪、差热分析仪、X X射线衍射仪、显微镜、电子显微镜射线衍射仪、显微镜、电子显微镜第三节、泥质岩的物质成分121、粘土矿物晶体结构第七章、泥质岩基本结构层:硅氧四面体层和铝氧八面体层。粘土矿物由两种基本结构层组成。四面体层中四面体层中SiSi4+4+可被可被

6、AlAl3+3+取代而取代而成铝成铝-氧四面体;八氧四面体;八面体层中面体层中AlAl3+3+可被可被MgMg2+2+或或FeFe3+3+取代。取代。第三节、泥质岩的物质成分13 当八面体层中心由三价的阳离子(Al3+、Fe3+)充填时,则所有的八面体的中心,只有三分之二被充填,必定有一个空位置,称二八面体型结构(水铝矿层Al-OH)。当八面体层中心由二价的阳离子占据时,则所有的八面体的中心全部被充填,称三八面体型结构(水镁石层Mg-OH)。第七章、泥质岩第三节、泥质岩的物质成分14第七章、泥质岩四面体和八面体基本结构层在空间上彼此以一定规律结合就形成了“结构单元层”。结构单元层间常有层间水、

7、吸附阳离子。不同的结构单元层按一定规律组合叠置就形成了不同的粘土矿物。第三节、泥质岩的物质成分15第七章、泥质岩另一类为蒙脱石型,属三层型的结构单位层(2:1型),由两层四面体夹一层八面体组成,伊利石和绿泥石也属三层型。粘土矿物的结构单位层有两种类型:一类为高岭石型,属双层型的结构单位层(1:1型),由一个八面体层连接一个四面体层组成。第三节、泥质岩的物质成分16第七章、泥质岩第三节、泥质岩的物质成分17 高高岭岭石石族族矿矿物物的的晶晶体体结结构构基基本本相相同同,系系由由一一层层SiSi-O-O四四面面体体层层和和一一层层Al-OAl-O八八面面体体层层组组成成。高高岭岭石石、地地开开石石

8、、珍珍珠珠陶陶土土三三者者之之间间的的区区别别是是各各结构单位层之间平移的角度不同。结构单位层之间平移的角度不同。高岭石晶体很小,约为0.01-0.001mm,经重结晶后可增大,一般在1mm以下。高岭石常为白色,有时呈淡褐、黄、浅红或淡青色。集合体呈鳞片状、土状或致密状。硬度1左右,比重2.58-2.60。薄片中无色至淡黄色,正低突起,结晶粗大者往往形成蠕虫状和手风琴状集晶。在长石和副长石表面,常常呈白色土状物,有时含Fe2O3而带褐色,干涉色一级灰白。1)高岭石族第七章、泥质岩2、常见粘土矿物的特征第三节、泥质岩的物质成分18第七章、泥质岩 是典型的11型粘土矿物,是由“硅-氧四面体片”和“

9、铝-氢氧八面体片”两种“基本结构层”按11的比例结合组成“结构单元层”;基本无类质同象替代。偏光显微镜下正低突起,一级灰干涉色高岭石第三节、泥质岩的物质成分19第七章、泥质岩 结晶好的高岭石在扫描电镜下呈全自形的六角板状晶体,并常具有一定厚度。单个晶体有的在1m左右。在结晶条件比较好的情况下,晶体可达5m以上,晶体轮廓鲜明,晶面平整光滑。高岭石还具有几种典型的聚合体形态,即单晶按一定形状规则堆叠。一种为蠕虫状,单晶体(001)面沿Z轴方向堆叠并同时发生弯曲,形似一条弯曲的蠕虫。另一种聚合体呈书页状,形似一本本立放在书架上的书。第三节、泥质岩的物质成分20第七章、泥质岩第三节、泥质岩的物质成分2

10、1 高岭石主要由岩浆岩、变质岩中的长石、似长石和其它铝硅酸盐矿物,在风化作用下,或在含碳酸盐和硫酸热液的作用下形成的。硅酸盐矿物中一部分SiO2分解出来,呈胶体溶液被带走,残留下来的在表生环境合成高岭石和其它粘土矿物。形成残积型高岭石需要温湿或湿热的气候和微起状的地形条件。缺乏碱金属和碱土金属的酸性介质环境(pH6.5)是高岭石富集的有利条件。第七章、泥质岩第三节、泥质岩的物质成分22第七章、泥质岩2)埃洛石(多水高岭石)族 埃洛石族包括二种矿物,即埃洛石和变埃洛石。前者又名多水高岭石、四水高岭石或叙永石,化学式Al2O32SiO24H2O;后者又名变多水高岭石、二水高岭石或变叙永石,化学式为

11、Al2O32SiO22H2O。埃洛石的晶体结构与高岭石相似,但堆积方式不同。高岭石属有序结构,而埃洛石属无序结构。层间分子键连结力微弱,水分子可进入,形成层间水。埃洛石常呈致密块状或土状集合体产出,白色或略带某种色调。土状者无光泽,瓷状块体可显蜡状光泽,比重2.1-2.6,硬度1-2.6,遇酸较易溶解。薄片中无色,结晶极细,镜下根本不能分辨晶粒界限。干涉色极低,似乎是均质光性。埃洛石在扫描电镜下的典型形态为管状,有时为长管状,有时为短管状;另一种形态为圆球状。第三节、泥质岩的物质成分23第七章、泥质岩埃洛石第三节、泥质岩的物质成分24埃洛石(多水高岭石、叙永石)第七章、泥质岩第三节、泥质岩的物

12、质成分25第七章、泥质岩3)蒙脱石族 蒙蒙脱脱石石族族矿矿物物的的晶晶体体结结构构属属2 2:1 1型型层层状状硅硅酸酸盐盐,四四面面体体层层中中的的SiSi+4+4可可以以被被AlAl+3+3置置换换,八八面面体体层层中中的的AlAl+3+3可可以以被被FeFe+2+2、MgMg+2+2、NiNi、LiLi、CrCr等等阳阳离离子子置置换换。蒙蒙脱脱石石族族矿矿物物由由于于具具有有广广泛泛的的离离子子转转换换性性能能,其其成成分分变变化化较较大大,形形成成一一系系列列的的蒙蒙脱脱石石族族矿矿物物。常常见见的的有有蒙蒙脱脱石石、拜拜来来石石、绿高岭石、皂石等,其中以蒙脱石、拜来石最常见。绿高岭

13、石、皂石等,其中以蒙脱石、拜来石最常见。蒙脱石(胶岭石、微晶高岭石)呈白色或灰白色,因含杂质而染成黄、桃红、灰绿等色。致密块状者呈腊状光泽,疏松状者光泽暗淡呈土状,硬度1-2,比重2-3。薄片中无色,含铁者带淡绿和粉红色,具多色性,负突起,晶形呈极细的鳞片状,镜下难以分辨轮廓界限,干涉色可达二级蓝绿。第三节、泥质岩的物质成分26第七章、泥质岩蒙脱石 蒙脱石是典型的21型粘土矿物。其结构单元层由2层四面体片(T)夹1层八面体片(O)构成,结构单元层间以四面体(T)的氧原子面相邻接,层间几乎全凭范德华力联结而无氢健力,联结力弱,允许大量阳离子、极性水分子和其它极性分子进入层间。第三节、泥质岩的物质

14、成分27第七章、泥质岩蒙脱石第三节、泥质岩的物质成分28第七章、泥质岩蒙脱石第三节、泥质岩的物质成分29第七章、泥质岩蒙脱石第三节、泥质岩的物质成分30第七章、泥质岩 扫描电镜下蒙脱石单晶形态为卷曲的波状薄片,表面常显得不平整,边缘参差不齐。聚合体状态有三种:(1)波状薄片杂乱堆积在一起;(2)薄片大致呈“J”字形排列;(3)薄片聚集呈棉絮状。蒙脱石主要产于中酸性火山岩及火山凝灰岩的风化壳,并大量富集于斑脱岩中。是在蒸发量超过降雨量,淋滤作用微不足道的碱性环境中,由铝硅酸盐矿物及火山玻璃分解形成。蒙脱石粘土含有碱和碱土金属,是风化不充分的产物。如碱和碱土金属从中淋失,碱性介质转变为酸性介质时,

15、蒙脱石就向高岭石转化。第三节、泥质岩的物质成分31第七章、泥质岩4)伊利石族伊利石又称水云母,晶体结构属2:1型层状硅酸盐矿物。在国际粘土协会的分类表中,把它归入云母族中。水云母这一名词在沉积岩中运用很久,系指水化作用较强的云母族矿物。伊利石成分是KAl2(Si,Al)4O10OH2nH2O,与白云母的区别是钾少而含水多。颜色为无色、白色和绿色,细小鳞片集合体。薄片中无色,有时带淡绿或淡黄褐色。折射率在一定幅度内变化,随H2O含量的增加而降低。晶形很特别,常呈具弯曲轮廓的片状。干涉色一般不超过二级中部,近于平行消光,光轴角常小于5。伊利石由于成因和产状不同,在形态上产生一些差异。在电子显微镜下

16、主要有两个类型:(1)边界圆滑的鳞片状,为碎屑沉积、粘土岩和风化壳中的伊利石典型形态;(2)带有尖角和直边的片状,热液蚀变岩石和古老地层中产生的伊利石多具此形态。第三节、泥质岩的物质成分32第七章、泥质岩伊利石 伊利石属于典型的21(TOT)型层状铝硅酸盐矿物,结构单元层由两个硅-氧四面体片夹一层铝-氢氧八面体片构成。偏光显微镜下正低突起,二级干涉色,一组极完全解理。第三节、泥质岩的物质成分33第七章、泥质岩水云母(伊利石):):边界圆滑的鳞片状,第三节、泥质岩的物质成分34第七章、泥质岩第三节、泥质岩的物质成分水云母(伊利石):):带有尖角和直边的片状,35第七章、泥质岩第三节、泥质岩的物质

17、成分36第七章、泥质岩 伊利石聚合体形态有以下几种:(1)杂乱堆积的聚合体;(2)(001)面沿Z轴略具定向排列;(3)薄片交叉堆叠形似峰窝状;边缘生长出极细的丝状物,称为毛发状;(4)丝缕状。伊利石是介于云母、高岭石及蒙脱石之间的中间矿物,有多种成因,如长石和云母风化分解,蒙脱石被钾交代,胶体沉淀再结晶,热液蚀变等。形成于气温较低,排水不畅的碱性环境中。水云母成分中富碱金属钾,如果气候湿热,化学风化彻底,水流通畅,K被流失带走,则可形成高岭石。第三节、泥质岩的物质成分37第七章、泥质岩5)绿泥石 绿泥石属于211型(TOT0型)层状铝硅酸盐矿物,其结构与21型的蒙脱石结构基本相似,不同点是在

18、绿泥石结构单元层中多了一层氢氧镁石(水镁石)八面体片。第三节、泥质岩的物质成分38第七章、泥质岩绿泥石第三节、泥质岩的物质成分39第七章、泥质岩第三节、泥质岩的物质成分40第七章、泥质岩绿泥石第三节、泥质岩的物质成分41第七章、泥质岩第三节、泥质岩的物质成分42第七章、泥质岩6)混层粘土矿物由两种以上的粘土矿物的结构单元层在C轴方向上交互迭置构成的。如:伊-蒙混层、绿-蒙混层、伊-绿混层第三节、泥质岩的物质成分43第七章、泥质岩第三节、泥质岩的物质成分次生孔隙中充填丝状伊利石片状伊利石44(二)非粘土矿物第七章、泥质岩1、陆源碎屑矿物:有石英、长石、云母、各种副矿物。其中最主要的还是石英,呈单

19、晶出现,圆度差,边缘较模糊,多分布于不纯的粘土岩中。2、化学沉淀的自生矿物:铁、锰、铝的氧化物和氢氧化物;含水氧化硅(如蛋白石);碳酸盐(如方解石、白云石、菱铁矿);硫酸盐(如石膏、硬石膏);磷酸盐(如磷灰石);氯化物(如石盐等;都是在粘土岩形成过程中生成的,是粘土岩形成环境及成岩后生变都是在粘土岩形成过程中生成的,是粘土岩形成环境及成岩后生变化的重要标志。化的重要标志。一、泥质岩矿物成分:第三节、泥质岩的物质成分45第七章、泥质岩(三)有机质 粘土岩中常含有数量不等的有机质,而有机质的丰度以岩石中剩余有机碳含量、氨基酸总量以及氨基酸总量与剩余有机碳含量的比值作为衡量标准。剩余有机碳含量、氨基

20、酸总量高,氨基酸总量与剩余有机碳含量比值低,则有机质丰度高,此类粘土岩即为良好的生油岩。富含有机质的粘土岩,常呈深灰、灰黑、黑色,多形成于安静低能还原环境,如深湖、海湾、深水盆地。这种环境对硫化铁的生成也是有利的,因此硫化铁矿物(如黄铁矿)常与富含有机质的暗色粘土岩共生。一、泥质岩矿物成分:第三节、泥质岩的物质成分46第七章、泥质岩二、泥质岩化学成分:粘土岩的化学成分主要为SiO2,A12O3及H2O,在一般粘土岩中,三者总量可达80以上;其次为Fe2O3,FeO,MgO,CaO、Na2O,K2O等。不同粘土岩,其化学成分变化较大,其原因在于它的矿物成分、混入物的类型及含量、吸附的各种离子类型

21、和含量及不同沉积环境原因。第三节、泥质岩的物质成分47第七章、泥质岩不同粘土岩化学成分变化较大的原因:1)、这主要取决于它的矿物成分、混入物的类型及含量。如高岭石粘土岩富含Al2O3,水云母粘土岩富含K2O,海泡石粘土岩富含MgO,陆源混入物含量较多的粉砂质粘土岩SiO2含量高2)、粘土矿物常具有吸附各种离子的特性:常吸附的阴离子有 PO43,SO42,Cl,NO3,阳离子有Ca2+,Mg2+,Na+,K+,H+及 Cu2+,Pb2+,Zn2+,B3+,Au+,Ag+,Hg2+,As3+,Tn4+,U4+等。它们是使粘土岩化学成分多变的原因之一。3)、粘土岩的化学成分与沉积环境有一定关系:有人

22、认为,淡水粘土中高岭石含量较高,故MgO,K2O含量低于海相或渴湖相粘土;硼和某些放射性元素的含量在海相和非海相粘土中差异较大。对这些观点至今仍在讨论和探索中第三节、泥质岩的物质成分48第一节 概述 第二节 物理性质与用途泥质岩的物质成分第三节第七章、泥质岩第四节 泥质岩的结构、构造与颜色泥质岩的分类及主要岩石类型第五节第六节 泥质岩的成岩后生变化 49第七章、泥质岩第四节、泥质岩的结构、构造与颜色一、粘土岩的结构 1、根据粘土质点、粉砂及砂的相对含量,将粘土岩的结构划分为以下几种类型(见下表)。50 具有泥状结构的泥质岩,以手触摸有滑感,用小刀切割,其切面很光滑。断口呈贝壳状。具有含粉砂泥状

23、结构和粉砂泥状结构的粘土岩,以手触摸有粗糙感,刀切面不平坦,断口粗糙。具含砂泥状结构和砂质泥状结构的粘土岩,手触摸有明显的颗粒感,肉眼可见砂粒,断口呈参差状。其它还可根据岩石结晶程度、矿物集合体形态及所含生物种类划分结构类型。第七章、泥质岩第四节、泥质岩的结构、构造与颜色51第七章、泥质岩第四节、泥质岩的结构、构造与颜色2、按粘土矿物结晶程度和晶体形态分为:1)非晶质结构:很少见,仅见于水铝英石质的粘土岩中。2)隐晶质结构:最为常见,在偏光显微镜下难以识别粘土矿物的晶形,电子显微镜下按晶形可分为超微片状、管状、纤维状、针状、束状、球粒状等各种结构。3)显晶质结构:粘土矿物因重结晶而使晶体变粗,

24、偏光显微镜下按粘土矿物晶形可分为显微鳞片、粒状、纤维状等结构。4)粗晶结构:当粘土矿物强烈重结晶时,可变为粗大晶体。如高岭石重结晶可形成长20mm、直径达23mm的蠕虫状,称为蠕虫状结构。52第七章、泥质岩第四节、泥质岩的结构、构造与颜色3、按粘土矿物集合体的形状分为:1)鲕粒及豆粒结构粘土矿物在沉积过程中围绕核凝聚呈同心环状颗粒,直粘土矿物在沉积过程中围绕核凝聚呈同心环状颗粒,直径小于径小于2mm2mm者称为鲕粒,大于者称为鲕粒,大于2mm2mm者称为豆粒。这两种结构多者称为豆粒。这两种结构多见于胶体成因的铝土质和水铝石质粘土岩中。见于胶体成因的铝土质和水铝石质粘土岩中。2)内碎屑结构同生成

25、因的粘土质碎屑经再沉积并被粘土物质胶结而成。同生成因的粘土质碎屑经再沉积并被粘土物质胶结而成。3)残余结构按原岩结构不同,可分为残余火山碎屑结构、残余斑状按原岩结构不同,可分为残余火山碎屑结构、残余斑状结构等。它们多为粘土岩经热液蚀变而成。结构等。它们多为粘土岩经热液蚀变而成。53第七章、泥质岩第四节、泥质岩的结构、构造与颜色二、粘土岩的构造(宏观构造、微观构造)层理构造:水平层理、块状层理;同生变形构造:水底滑动构造、搅混构造层面构造:页理曝露构造:干裂、雨痕化学成因构造:晶体印痕生物成因构造:虫迹、结核、水平细层的厚度小于1cm者称为页状层理或页理;水平细层的厚度小于lmm者称为纹理,在粘

26、土岩中也较常见。1宏观构造54 纹理构造:纹理的厚度范围从0.05-1mm,大多数为0.1-0.5mm。纹理可由粒度、颜色、成分不同而显示,即粗细颗粒的交替,如粉砂和粘土;浅色层和深色层的交替,因有机质含量不均匀;碳酸钙和粘土粉砂不同成分的交替。纹理的成因可以是由于风暴或洪水带来的物质成分和粒度上的差异,或者可归之于在物质供给中受季节性控制。页理构造:页理是岩石沿平行层面方向易于裂开成薄片的性质。具有页理构造的粘土岩称为页岩。页理形成主要是在一定压力作用下,由于水云母、绢云母、绿泥石等片状矿物平行排列所致,但片状矿物必须达到相当数量才能显示页理。富含有机质的黑色页岩,通常格外易裂,常以呈“纸状

27、页岩”为特征。其原因是有机分子具有极性。有机分子在粘土矿物之间,其极端吸附于粘土鳞片之上,成定向排列,非极端吸引力微弱,由此破裂而形成似纸状的薄片。第七章、泥质岩第四节、泥质岩的结构、构造与颜色55第七章、泥质岩第四节、泥质岩的结构、构造与颜色 l)显微鳞片构造:由极细小的、排列方向不规则的粘土矿物组成,常见于泥岩中。2)显微毡状构造:由极细小的鳞片状、纤维状粘土矿物错综交织杂乱排列而成,在正交光下,纤体交错消光。3)显微定向构造:由极细小的鳞片状或纤维状粘土矿物沿层面定向排列而成,正交光下同时消光,常形成于无粗粒物质的缓慢沉积的较安静环境中。2显微构造56三、粘土岩的颜色第七章、泥质岩第四节

28、、泥质岩的结构、构造与颜色红色、紫红色是因粘土颗粒间或颗粒表面存在有分散状的高价氧化铁(赤铁矿、褐铁矿)薄膜,是强氧化条件下形成的。颜色的不同与含铁总量无关,而与Fe3+与Fe2+的比值有关。绿或灰绿色是因粘土岩中的绿泥石存在或因伊利石晶格中含有Fe2+所致,或因含海绿石所引起,是弱氧化一弱还原环境下形成的。灰色、灰黑、黑色大多是岩石中富含有机质和分散状低价铁的硫化物(如黄铁矿)所致,为还原或强还原环境中形成的。因此,灰、灰黑、黑色常是生油粘土岩的标志之一。57 泥质岩因含氧化铁色素或游离碳而呈现各种颜色。右图表示了粘土岩色素化合物与颜色之间的关系。粘土岩的氧化铁含量平均为6-7%,一般小于1

29、0%(富铁者除外)。泥质岩呈红色是因为含有细分散的氧化铁(一般是赤铁矿),含有三价铁的化合物还呈现褐色或黄色。含有二价铁的化合物呈现灰绿色。淡绿色是因为含绿色层状硅酸盐矿物,大多数呈暗灰色和黑色的粘土岩是因为含有机碳。当含细分散的黄铁矿、白铁矿时,也可使岩石染成黑色。第七章、泥质岩第四节、泥质岩的结构、构造与颜色58第一节 概述 第二节 物理性质与用途泥质岩的物质成分第三节第七章、泥质岩第四节 泥质岩的结构、构造与颜色泥质岩的分类及主要岩石类型第五节第六节 泥质岩的成岩后生变化 59第七章、泥质岩第五节、泥质岩的分类及主要岩石类型粘土岩的名称:*粘土 *泥岩 *页岩60第七章、泥质岩第五节、泥

30、质岩的分类及主要岩石类型1、伊利石(水云母)粘土 主要由水云母(伊利石)组成,其次有高岭石、蒙脱石、绿泥石、混合型伊利石-蒙脱石矿物等。非粘土矿物有石英、长石、重矿物及有机质等。成分较为复杂,与其它类型的粘土相比,碎屑物质含量较多,质纯的水云母粘土少见。化学成分与岩浆岩化学成分相近,K2O含量较高,可达3-7%。颜色为黄、灰、绿、红褐等色,这是由于水云母粘土中常含有机质及不同价铁的化合物。岩石常呈粉砂泥状结构,水平或波状层理发育。风化后岩石碎块略呈丝状体。由于成分不纯,仅作为粗制陶瓷和砖瓦的原料。61第七章、泥质岩第五节、泥质岩的分类及主要岩石类型2、高岭石粘土 主要由高岭石组成,含量在90%

31、以上,其次是埃洛石和水云母。非粘土矿物有石英、长石、重矿物、黄铁矿、菱铁矿、有机质等。岩石一般色浅,为白色、淡黄色,外貌致密块状或土状,性脆,具贝壳状断口。特征的结构构造为胶状结构、定向结构,粘舌性强,可塑性大,遇水膨胀性不明显,耐温性好。这种粘土主要是造纸工业、橡胶工业、耐火工业和陶瓷工业的原料。62第七章、泥质岩第五节、泥质岩的分类及主要岩石类型3、蒙脱石粘土 又称为膨润土,主要由蒙脱石组成,其次为伊利石、绿泥石、混合型伊利石-蒙脱石等。常见的非粘土矿物有长石、石英、石膏、方解石及未分解完的火山凝灰物质等。岩石一般为白色或带粉红、淡黄、淡青绿等色调,致密状或土状,有滑感,吸附性特强(主要吸

32、附阳离子和有机质),浸入水中剧烈膨胀,体积可增大2-3倍。可塑性和粘结性较强。常用于石油化工、制糖、油脂等工业作脱色剂、漂白剂,铸造工业、陶瓷工业作粉结剂,地质勘探中作为优质泥浆原料。63第七章、泥质岩第五节、泥质岩的分类及主要岩石类型4、泥岩与页岩 泥泥岩岩和和页页岩岩的的类类型型很很多多,按按其其中中混混入入物物成成分分不不同同,主主要要有有以以下下几几种种:(1)普通泥岩和页岩 主要成分为粘土矿物和石英为主的粉砂。粘土含量变化在40-100%。在粘土含量高的页岩中,粘土质点非常细小,大部分小于0.002mm,显出平行于纹理的定向性。页岩中含有白云母、黑云母和绿泥石小片,也显出平行层理的一

33、致方位。粘土以伊利石为主,其次有高岭石和绿泥石的混合物。粉砂级碎屑主要是石英,多呈棱角状,通常重矿物贫乏。64(2)钙质泥岩和页岩 大部分页岩中的碳酸盐含量少,平均含6%的方解石。如果碳酸钙增加,岩石就变得少有裂开性,并在5%的稀盐酸中起泡,则称为钙质页岩(其中CaCO3不能超过25%)。当碳酸钙含量增加时,则过渡为泥灰岩。钙质页岩分布较广,常见于大陆和过渡带的红色岩系中,海洋和泻湖的钙质泥质岩系中也有存在。(3)铁质泥岩和页岩 铁质泥岩和页岩是所谓“红层”中占优势的岩石类型。含三价铁氧化物如赤铁矿、褐铁矿、针铁矿的粘土岩,为紫红、褐红、黄褐等色,也常称为红色泥岩和页岩。当粘土岩中含有二价铁的

34、硅酸盐和硫化物(如绿泥石、黄铁矿)时,岩石呈灰绿、灰色等,有原生也有次生成因的,铁质矿物增多可过渡为粘土铁质岩。第七章、泥质岩第五节、泥质岩的分类及主要岩石类型65(4)硅质页岩 硅质页岩有异常高的氧化硅含量。页岩平均含氧化硅58%,而硅质页岩可高达85%。岩石中非常少或不含低价铁或碳酸盐。硅质页岩较坚硬,耐风化和抗崩解,硅质大多数不是碎屑石英,而是非晶质的SiO2或火山灰。所以认为SiO2来源与火山活动喷发的火山灰有关,还与生物活动及化学沉淀的SiO2有关。(5)炭质页岩 岩石中含有大量炭化了的分散有机质,能染手,常含大量的植物化石。炭质页岩是沼泽环境的产物,常形成煤层的顶底板。第七章、泥质

35、岩第五节、泥质岩的分类及主要岩石类型66(6)黑色页岩 岩石中含有较多有机质和细分散状黄铁矿,不染手。对于黑色页岩的成因,曾有过许多争论。它形成于厌氧的条件下,但这样的条件究竟是如何达到的却并不很清楚。常在富含H2S的较闭塞的海湾、湖泊的较深水地区生成。(7)油页岩 是一种含一定数量干酪根(10%)的页岩。颜色多样,有淡黄、黄褐、暗棕、黑色等,风化后颜色变浅。页理发育,比普通页岩轻,具弹性,用小刀刮之往往形成刨花状的薄片,烧之有沥青味。油页岩主要是在闭塞海湾或湖沼环境下,由低等植物(如藻类)及浮游生物遗体沉积后,在隔绝空气的还原条件下形成的,常与生油岩系或含煤岩系共生。第七章、泥质岩第五节、泥

36、质岩的分类及主要岩石类型67第一节 概述 第二节 物理性质与用途泥质岩的物质成分第三节第七章、泥质岩第四节 泥质岩的结构、构造与颜色泥质岩的分类及主要岩石类型第五节第六节 泥质岩的成岩后生变化 68一、压实作用 粘土物质在上覆水体和沉积物负荷的重压下,粘土质点将重新排列、变形或破裂,孔隙水不断排出,原始粘土沉积物孔隙度(泥质泥质沉积物的原始孔隙度为沉积物的原始孔隙度为70-90%)大大降低,体积缩小,最后被压实固结成为粘土岩。泥岩中孔隙度的降低主要不是通过孔隙的充填作用,而是通过孔隙水的排出。第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化69当埋深在当埋深在300300500m500m以内,以内,

37、孔隙度急剧降低;孔隙度急剧降低;埋深大于埋深大于500m500m时,时,孔隙度降低显著变慢。随着深度的增加,孔隙度降低显著变慢。随着深度的增加,层间水和结构水的排出将愈来愈困难。层间水和结构水的排出将愈来愈困难。当埋深在当埋深在2000m2000m时,时,孔隙度为孔隙度为10101515左右;左右;埋深达埋深达4000m4000m,孔隙度仍为孔隙度仍为5 51010;埋深至埋深至 6000m6000m时,时,孔隙度为孔隙度为 3 33.53.5。第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化压实作用过程中的孔隙度变化 在压实过程中,孔隙度的减小和埋深的增加并非直线关系。70第七章、泥质岩第六节、泥

38、质岩的成岩后生变化71第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化粘土沉积物在压实过程中,随着埋深的加大,若处在一个较封闭的系统中,上覆沉积负荷在粘土岩中产生超孔隙压力,孔隙中的流体支撑了大部分以至全部上覆压力,骨架颗粒承受的压力则大大地降低,形成塑性的可流动的“欠压实泥岩”。当上覆沉积负荷出现压力不均衡时,欠压实泥岩则向压力低的方向流动,在上覆层压力较小或具有裂隙的部位形成泥岩的刺穿或底辟。72第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化二、粘土矿物的转化作用 随着埋深的加大,压力和地温的增高,以及粘土矿物层间水的释放和层间阳离子的移出,粘土矿物之间将发生转化作用。73第七章、泥质岩第六节、泥质

39、岩的成岩后生变化1、高岭石的转化(与介质的地球化学环境即PH值及离子浓度有关)在酸性介质中,随着埋深的增加、温度升高、压力增大,高岭石即向结构有序度较高的同族矿物地开石转化。一般认为高岭石消失的最大温度区间为80140,通常为90110,地开石形成所需要的温度为110160。从理论上讲,高岭石随埋深和地温增加可向同族矿物的珍珠陶土转化74第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化随着埋深和介质PH值增加,溶液由酸性变为碱性,层间溶液浓缩,离子浓度加大,高岭石变得不稳定而发生转化。若有K+离子存在,则转化为伊利石;若有 Ca2+,Mg2+,Na+离子存在,则转化为蒙脱石或绿泥石。75第七章、泥质

40、岩第六节、泥质岩的成岩后生变化高岭石粘土少量伊利石化蚀变76第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化高岭石粘土少量绿泥石化蚀变77第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化埋藏深度与pH值的增大并无绝对的正比关系,深埋藏也仍然可以出现酸性介质,因此高岭石的稳定性有一定的深度范围。深部钻探资料表明,高岭石转化消失的深度区间可从数百米至数千米,温度区间也较大。这说明高岭石的稳定性并非严格地受温度和压力的控制。78第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化随埋藏深度的增加,蒙脱石向伊利石或绿泥石转化。实验研究也证明,在碱性介质中,温度在100130,K+与H+比率接近正常海水时,蒙脱石失去层间水而

41、逐步向伊利石转化;如果有Fe2+,Mg2+离子存在,则逐步转化为绿泥石。2、蒙脱石的转化79第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化但蒙脱石不能简单地通过离子交换转变成伊利石,随着埋深的增加、温度的升高、压力的加大,蒙脱石将有一部分层间水脱出,造成了某些层间塌陷,导致了晶格的重新排列和碱性阳离子的吸附,首先形成混层矿物,进而转变为伊利石或绿泥石。一般认为蒙脱石向蒙脱石一伊利石混层矿物转化的深度范围应在12003500m之间。必须指出,蒙脱石向伊利石或绿泥石转化的重要条件是孔隙水为碱性介质,如果孔隙水为酸性,蒙脱石则将向高岭石转化。80第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化混层矿物为大多数

42、粘土矿物转化的中间产物,常起着粘土矿物转化的指示剂作用。在埋藏成岩过程中,混层粘土矿物减少或消失显示为进变作用过程。这种作用的实质就是层间溶液中某些阳离子组合和晶格的重新排列,首先形成不规则(无序)混层,进而转化为规则(有序)混层。蒙脱石转化为伊利石或绿泥石都要经过不规则混层和规则混层这两个阶段。在表生成岩环境中,若出现有混层粘土矿物,表示粘土矿物逆向转化为退变作用过程。3、混层粘土矿物的转化81第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化4、伊利石和绿泥石的转化u 伊利石和绿泥石在埋藏成岩过程中,若孔隙水保持碱性,两者可保持稳定而不发生转化。随着理深的增加、地温的增高,两者结晶程度增加,因此可

43、以作为埋藏成岩过程中重结晶作用强度的指示剂。u 若孔隙水呈酸性,伊利石和绿泥石均不稳定,并且可以转化为高岭石。伊利石和绿泥石的这种逆向转化是一种退变作用,常出现于表生成岩环境。82第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化粘土矿物在粘土岩中粘土矿物在粘土岩中的分布随地质时代的新老的分布随地质时代的新老而异。而异。地质时代越老,高地质时代越老,高岭石和蒙脱石含量减少,岭石和蒙脱石含量减少,伊利石和绿泥石含量增加。伊利石和绿泥石含量增加。地质时代的新老在一定程地质时代的新老在一定程度上反映了埋深和成岩作度上反映了埋深和成岩作用的强弱,因而也就反映用的强弱,因而也就反映了粘土矿物在埋藏和成岩了粘土矿

44、物在埋藏和成岩过程中的变化趋势。过程中的变化趋势。83第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化在在浅埋藏浅埋藏条件下,粘土条件下,粘土矿物为高岭石矿物为高岭石和蒙脱石;和蒙脱石;在在深埋藏深埋藏条件下,这些条件下,这些矿物消失而转矿物消失而转化成伊利石和化成伊利石和绿泥石。绿泥石。84第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化三、粘土矿物的脱水作用 粘土沉积物中通常存在有以下四种水:1)孔隙水:存在于粘土沉积物颗粒间的孔隙中,可以自由流动,又称为粒间水或自由水;2)吸附水:由粘土颗粒表面的吸附作用而形成在颗粒表面的水化薄膜,又称为薄膜水;3)层间水:以水分子形式存在于粘土矿物晶体结构单元层之

45、间的水,也称为结晶水;4)结构水:以OH的形式出现于粘土矿物晶体结构内部,也称为化合水。85第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化粘土沉积物沉积后,水可占沉积物总体积的 7080,其中以孔隙水占绝对优势。粘土沉积物被埋藏后,在上覆沉积负荷的重压下,首先排出孔隙水。随着埋深的加大,可以排出吸附水、层间水以至结构水。孔隙水和吸附水的排出,对粘土矿物的晶体结构并无影响;而层间水和结构水的排出,却会使晶体结构发生变化,转化为混层粘土,进而转化为在深层稳定的非混层粘土矿物,如伊利石、绿泥石等。下面以蒙脱石为例,说明随埋深的增加粘土矿物转化过程中的脱水作用。86第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变

46、化根据伯斯特(1969)的研究,蒙脱石转化过程中的脱水作用可划分为下述三个阶段。第一阶段:脱水作用主要由压实作用引起,埋藏深度为10001500m以内,所脱去的为孔隙水和过量的层间水(多于两层的),粘土中的含水量减至 30,其中2025为层间水,510为残留孔隙水。这是粘土矿物脱水速度最快的阶段。第二阶段:是原生孔隙水脱出后最主要的一次脱水作用,其埋藏深度大于1500m,地温60130,主要是热力作用脱去残留层间水而转化为混层粘土矿物,并且随埋深加大,蒙脱石一伊利石混层中,蒙脱石层的比例逐渐减少。这一阶段所失去的水量为被压实体积的1015。87第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化 第三阶

47、段:埋深大于2700m,这一阶段因埋深继续增加和地温的继续升高,蒙脱石脱去最后一层残余层间水,最终转变为非混层的伊利石。这一阶段的地温常大于130,甚至大于170。综上所述,粘土矿物的脱水过程,既是粘土矿物孔隙水、吸附水和层间水含量逐渐减少的过程,也是粘土矿物向混层粘土矿物转化,最后又变为在深层较为稳定的非混层粘土矿物的过程,也是压实作用进行和油气生成的过程。另外,在粘土矿物脱水转化过程中,随埋深的增加,其阳离子交换总量、钠与钾的比值不断减小,而钾和交换总量的比值明显增加 88第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化压实过程中蒙脱石的变化与烃类生成和排出之间关系89第七章、泥质岩第六节、泥质岩的成岩后生变化90本章要点:本章要点:1、泥质岩的概念2、泥质岩的类型和特征3、泥质岩的成岩作用类型

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