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第七章粘土岩（泥质岩）第七章粘土岩（泥质岩）1
第一节概述粘土岩是沉积岩中分布最广的一类岩石，约占沉积岩总体积的55％。构成粘土岩的最主要矿物为粘土矿物，多系母岩风化产物，以悬浮方式被搬运到水盆地中沉积形成；部分粘土矿物由胶体SiO2及Al2O3形成的自生矿物和火山灰蚀变产生，这一部分出现的比例很小。所以，这类岩石主要由机械作用形成，也是化学、生物化学作用。所以粘土岩应归属陆源碎屑沉积岩。粘土岩是主要的生油岩和良好的盖层，同时亦具有其它广泛的工业使用价值。
第一节概述2一、基本概念粘土岩——以粘土矿物为主（含量>50%）的沉积岩。粘土——疏松或未固结成岩的粘土矿物沉积物，粒径<0.005mm（0.0039或0.01mm）。泥质岩——主要是由粘土矿物及粒径<0.0039mm（＞8ф）的细碎屑（>50%）组成的沉积岩。一、基本概念3二、泥质岩的主要物理特性及其在工业上的用途粘土岩具有一些特殊的物理性质，如可塑性、耐火性、烧结性、吸附性，使之在工农业方面有广泛的用途，如化工上某些粘土作为填料、催化剂等。制橡胶、分子筛、提炼油等。农业上作为肥料、改良土壤、制做饲料等。另一方面，在黑色页岩及碳质页岩中发现了一些含稀有元素矿床。此外，泥岩还可成为生油母岩，也是重要的油气藏的盖层岩石。因此，研究泥质岩具有重要的实际意义。二、泥质岩的主要物理特性及其在工业上的用途粘土岩具有一些特殊41.非渗透性：石油及天然气在地下保存的良好盖层2.吸附性：粘土矿物具有从周围介质中吸附各种气态、液态的离子、放射性元素及有机色素的能力。蒙脱石的吸附性最强。3.吸水膨胀性：有些粘土具有极强的吸水能力，蒙脱石吸水膨胀8～10倍、粘土岩的主要物理特性。4.可塑性：水调和后造形，撤外力形不变5.耐火性：易熔粘土、难熔粘土、耐火粘土Al2O3——Fe3+，TiO2，SiO21.非渗透性：石油及天然气在地下保存的良好盖层56.烧结性：粘土矿物在低于耐火度的低温下局部熔化，因而使质点相互粘结成坚硬的瓷质石块。粘土熔融范围（从局部熔化至全部熔化成流体的温度范围）越大，工业价值越高。7.粘结性（结合性能）：指粘土能与瘠性材料（掺入砂质）粘合，塑造出良好的泥坯，干燥后坚实生坯的性能。其决定了粘土的性能。8.干缩性：指粘土沉积物风干或加热烧干后，由于质点表面结合水分的蒸发，而产生的体积收缩的现象。干缩性与矿物成分有关。对于作为工业原料的用途来说，是一种不利的性质。6.烧结性：粘土矿物在低于耐火度的低温下局部熔化，因而使质点6第二节泥质岩的物质成分
泥质岩的物质成分比较复杂，主要是粘土矿物，其次是陆源碎屑矿物和自生的非粘土矿物以及有机质。化学成分以SiO2、Al2O3、H2O为主，次为Fe、Mg、Ca、Na、K的氧化物及一些微量元素。一、粘土矿物粘土矿物是一种含水的硅酸盐或铝硅酸盐矿物，可分为非晶质和结晶质两类。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。第二节泥质岩的物质成分7（一）粘土矿物的晶体结构粘土矿物的结构由两种基本结构层组成，即硅氧四面体层和铝氧八面体层或镁氧八面体层。1、四面体：是由一个“Si”与四个“O”紧密堆积所构成的四面体（SiO4）。硅氧四面体单位硅氧层2、四面体层：是每一个硅氧四面均以三个角顶分别与相邻的硅氧四面体相连接，组成在二维空间内呈六角网连结及无限延展的层（Si4O10）。每一个硅氧四面体有三个角顶上的氧都是与相邻的硅氧四面体共有，它的电荷已达到平衡，（如有Al代替Si时例外），只剩下一个未被公用的O2-（有时被OH-所取代）才有自由负电荷存在，能与其它的阳离子相结合。由于（SiO4）所组成的层状结构有一定的排列形态，具有自由电荷均位于层的同一侧。（一）粘土矿物的晶体结构硅氧四面体单位硅氧层2、四面体层：是83、八面体：是由一个Al3+（或Mg2+）与六个氧（或OH-）紧密堆积所构成的八面体。4、八面体层：是上述八面体分别与相邻的八面体在二维空间内连接，无限延展而构成的层。在自然界中，四面体层不能独立存在构成矿物，而八面体层可以独立构成矿物。铝（镁）八面体单位水镁石层3、八面体：是由一个Al3+（或Mg2+）与六个氧（或OH-95、结构层是由四面体层与八面体层按不同的规律连结起来，所构成的晶体结构单元层。由一个四面体片与一个八面体片所组成的单位结构层称为1︰1结构层或双层型结构；如果由两个四面体片中间夹一个八面体片称为2︰1结构层或三层型结构。5、结构层10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。四面体层中不出现Si4+和Al3+的交代，八面体层中Al未被Mg2+和Fe3+交代，结构式为：Al2[Si2O5](OH)4。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11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。蒙脱石型：属三层型的结构单位层（2:1型），由两层四面体夹一12水云母型：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水云母型：属三层型的结构单位层（2:1型），由两层四面体夹一13
绿泥石型（2：1：1型）：由2：1型结构单元层再重叠和连接一个似水镁石八面体层而构成，所叠置的八面体层可视为2：1型结构单元的层间物，故也可归为2：1型或三层型，常见于绿泥石族矿物。
绿泥石型（2：1：1型）：由2：1型结构单元层再重14若两种以上粘土矿物结构单位层作有规律的互层叠置，则称有序混层；否则称为无序混层，如伊-蒙混层、绿-蒙混层、伊-绿混层等。除了以上四种常见的粘土矿物外，还有不少的混层粘土，它是由两种以上的粘土矿物的结构单位层在c轴方向交互叠置构成的。沉积岩石学第7章泥岩(孟庆泉)课件15每个硅氧六方环网孔的范围内，最多只能容纳三个配位八面体，因此当三个八面体位置均被二价阳离子占据时，便称为三八面体型结构（水镁石层Mg-OH）；若全由三价阳离子填充时，必有一个位置是空缺，故称为二八面体型结构（水铝矿层Al-OH）；
如二价和三价阳离子共存时，则属于上述二者之间的过渡类型。每个硅氧六方环网孔的范围内，最多只能容纳三个166、结构分类层状硅酸盐矿物可根据其层型（1︰1或2︰1），层间物质和其相互间的混合特征分为八个主要族，再根据八面体片（二八面体和三八面体）的化学组成和单个层内的几何性质还可进一步划分为亚族和种（表）。6、结构分类177、过渡结构粘土矿物的基本结构极为相似，在自然界中，随着物理化学环境的变化，粘土矿物甲可以变为乙，而在这种转化的过程中，存在一个过渡阶段，这个阶段的结构状态，我们称为转化过渡结构。这种过渡结构主要有：（1）2︰1向1︰1转化过渡结构，如伊利石向高岭石转化过渡结构。（2）2︰1与相邻的2︰1之间的转化过渡结构，如蒙脱石向伊利石转化过渡结构。（3）层链状结构向层状结构转化过渡结构，如海泡石向滑石转化过渡结构。这类过渡结构不管通过怎样的调整方式，甲矿物转化为乙矿物的过程都是在矿物“甲”中出现“乙”畴，随着“乙畴”的扩大和“甲”畴的缩小，直到全部转变为矿物“乙”。7、过渡结构18常见粘土矿物—蒙脱石、伊利石、绿泥石和高岭石。泥质岩的主要矿物为粘土矿物，粘土矿物颗粒细小（<4μm）,显微镜下可观察光学性质和结晶形态的不同,但准确鉴定需要X射线衍射仪、差热分析和电子显微镜等设备。（二）主要粘土矿物特征常见粘土矿物—蒙脱石、伊利石、绿泥石和高岭石。泥质岩的主要矿19高岭石族高岭石、地开石、珍珠陶土，其化学式为Al4[Si4O10](OH)8或Al2O3·2SiO2·2H2O。由一层Si-O四面体层和一层Al-(O-OH)八面体层组成。高岭石：白色，含杂质时呈黄、灰或玫瑰色；外观呈土状；比重2.61，硬度小于2.5；晶体细小，约为0.01-0.001mm高岭石族高岭石：白色，含杂质时呈黄、灰或玫瑰色；外观呈土状；20电子显微镜下高岭石呈六边鳞片状晶体，结晶较差的晶体边缘残缺不全或呈不规则状电子显微镜下高岭石呈六边鳞片状晶体，结晶较差的晶体边缘残缺不21高岭石薄片(蠕虫状)晶体常形成蠕虫状或手风琴状集晶高岭石薄片(蠕虫状)晶体常形成蠕虫状或手风琴状集晶22自生高岭石充填孔隙自生高岭石充填孔隙23自生高岭石集合体充填孔隙自生高岭石集合体充填孔隙24510-600度有一个显著的吸热谷，在此温度前几乎没有变化950-1000度有一个显著的放热峰，峰前可能有一微弱的吸热谷到1200-1300度还有一个微弱的放热峰高岭石的差热曲线510-600度有一个显著的吸热谷，在此温度前几乎没有变化高25其结构水主要在400-525度之间逸出，低温时失水很少高岭石的脱水失重曲线其结构水主要在400-525度之间逸出，低温时失水很少高岭石26埃洛石（多水高岭石）Al4[Si4O10][OH]8·4H2O
变埃洛石Al4[Si4O10][OH]8埃洛石的晶体结构（沿a轴投影）埃洛石（多水高岭石）族埃洛石（多水高岭石）Al4[Si4O10][OH]8·4H227埃洛石特征呈致密块状和土状集合体产出，以白色为主，略带某种色调，无光泽，当呈瓷状块体时显蜡状光泽。比重2.1-2.6，硬度1.0-2.6；遇硫酸易溶解。在电子显微镜下，埃洛石呈棒状、针状体，是由于组成埃洛石的结构单位层发生卷曲的结果。埃洛石特征呈致密块状和土状集合体产出，以白色为主，略带某种色28埃洛石的差热曲线在100-300℃范围内有一个明显的吸热谷，300℃以上与高岭石基本相似，510-600度有一个显著的吸热谷，950-1000度有一个显著的放热峰，到1200-1300度还有一个微弱的放热峰。埃洛石的差热曲线在100-300℃范围内有一个明显的吸热谷，29埃洛石的脱水曲线主要脱失阶段在400-500℃，但在400℃以下已有部分脱水，而且还有部分要到800℃之上才能脱尽。埃洛石的脱水曲线主要脱失阶段在400-500℃，但在400℃30蒙脱石类矿物的结构单位层内部具有广泛的离子置换性能，所以成分变化很大。最常见的有：蒙脱石、拜来石、绿脱石、皂石等蒙脱石(Al2，Mg3)[Si4O10](OH)2·nH2O蒙脱石呈白色或灰白色，因含杂质可染成黄、玫瑰红、桃红、灰绿等色。块状者具有蜡状光泽，土状者光泽暗淡，硬度1-2，比重2-3蒙脱石族蒙脱石族31蒙脱石在电子显微镜下呈不规则的绒状、细鳞片状，轮廓不清楚，拜来石呈绒毛状、云雾状，绿脱石呈鳞片状或棒状，皂石呈片状蒙脱石在电子显微镜下呈不规则的绒状、细鳞片状，轮廓不清楚，拜3290-250、550-750、800-900度三个吸热谷，出现原因分别为：层间吸附水脱失、结构水脱失、无水蒙脱石分解；900-1000度有一个不太明显的放热峰，其原因为形成尖晶石蒙脱石族矿物的差热曲线90-250、550-750、800-900度三个吸热谷，出33蒙脱石的脱水曲线第一阶段：100-350℃，大量层间水脱失；第二阶段：300-400℃开始，400-600℃变化剧烈，结构水脱失蒙脱石的脱水曲线第一阶段：100-350℃，大量层间水脱失；34伊利石（水云母）K1-x(H2O)x{Al2[AlSi3O10](OH)2-x(H2O)x，其结构与白云母相似，但含钾较少，含水较多。电子显微镜下呈不规则的鳞片状晶体，个别呈六边形，大小为1-3μm。水云母族伊利石（水云母）水云母族35砂岩中粒表和孔隙充填的伊利石，呈叶片-丝缕状。砂岩中粒表和孔隙充填的伊利石，呈叶片-丝缕状。36伊蒙混层不规则鳞片状伊蒙混层不规则鳞片状37因成分复杂，其曲线也不一致。100-170、500-650、850-900度三个吸热谷，在925-1020度有一个放热峰水云母的差热曲线因成分复杂，其曲线也不一致。水云母的差热曲线38主要在400度以上水云母的脱水曲线主要在400度以上水云母的脱水曲线39正绿泥石(Mg，Fe)p[(Al，Fe)pSi4-pO10](OH)8鳞绿泥石绿泥石族正绿泥石绿泥石族40绿泥石绿泥石41海泡石（sepiolite）、坡缕石等链层状结构硅酸盐矿物成分为Mg4Si6O15(OH)2·6H2O斜方晶系世界最主要产地为土耳其的埃斯基谢希尔中国产地有江西乐平、湖南浏阳等。海泡石族海泡石（sepiolite）、坡缕石等海泡石族42二、非粘土矿物（Non-Clayminerals），粘土岩中矿物成分除粘土矿物外的矿物1、细小陆源碎屑矿物：石英、长石、少量重矿物2、自生的非粘土矿物：碳酸盐、硫酸盐（硝、石膏）、铁、锰、铝（氧化物和氨化物）3、不定量的有机物：生物遗体—化石、腐殖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。这类粘土岩常呈深灰、灰黑、黑色，多形成于安静低能还原环境，如澙湖、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。
二、非粘土矿物（Non-Clayminerals），粘土岩43粘土岩的化学成分主要为SiO2、Al2O3、H2O，可达80%，其次为Fe2O3、FeO、MgO、CaO、Na2O、K2O等。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。化学成分的变化取决于它的矿物成分、混入物、吸附的离子成分及含量等因素。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+等。它们是使粘土岩化学成分多变的原因之一。化学成分与环境变化之间有一定关联：淡水环境下高岭石含量高，K2O、MgO的含量低；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。
粘土岩的化学成分粘土岩的化学成分主要为SiO2、Al2O3、H2O，可达8044第三节泥质岩的结构、构造和颜色肉眼鉴定和描述的重要依据一、泥质岩的结构①据粘土与碎屑相对含量②据粘土矿物的结晶程度③据粘土矿物集合体的形态④生物泥状结构⑤残余结构第三节泥质岩的结构、构造和颜色①据粘土与碎屑相对含量45①据粘土与碎屑相对含量：Ⅰ、泥状结构粉砂<5%Ⅱ、含粉砂泥状结构粉砂=5-25%Ⅲ、粉砂泥状结构粉砂=25-50%Ⅳ、含砂泥状结构砂=5-25%Ⅴ、砂泥状结构砂=25-50%7575①据粘土与碎屑相对含量：757546泥状结构又称为粘土结构，几乎全由粘土质点组成，砂或粉砂级碎屑小于10％，以手触摸有滑腻感，用小刀切刮时，切面光滑，常呈现鱼鳞状或贝壳状断口。
含粉砂泥状结构和粉砂泥状结构也可分别称为含粉砂粘土结构和粉砂粘土结构。这两种结构的岩石用手触摸具有粗糙感，刀切面不平整，断口粗糙。
含砂泥状结构及砂泥状结构也可分别称为含砂粘土结构和砂粘土结构。这两种结构的岩石用手触摸具有明显的颗粒感觉，肉眼可见砂粒，断口呈参差状。泥状结构又称为粘土结构，几乎全由粘土质点组成47②据粘土矿物的结晶程度：Ⅰ、非晶质结构Ⅱ、隐晶质结构Ⅲ、显晶质结构—鳞片、粒状、纤维状Ⅳ、粗晶结构—蠕虫高岭石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，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。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2—3mm的蠕虫状，称为蠕虫状结构。②据粘土矿物的结晶程度：1）非晶质结构：很少见，仅见于水铝英48⑤残余结构：在与风化残余、热液蚀变成因有关的泥质岩中出现，它们多为粘土岩经热液蚀变而成。按原岩结构不同，可分为：Ⅰ、残余火山碎屑结构Ⅱ、残余斑状结构③据粘土矿物集合体的形态：Ⅰ、鲕粒及豆粒结构：粘土矿物在沉积过程中围绕核心凝聚呈同心环状颗粒，直径小于2mm者称为鲕粒，大于2mm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。Ⅱ、同生泥屑结构：同生成因的粘土质碎屑经再沉积并被粘土物质胶结而成。④生物泥状结构：
Ⅰ、植物屑泥状结构Ⅱ、骨屑泥状结构⑤残余结构：在与风化残余、热液蚀变成因有关的泥质岩中出现，它49显微构造显微毡状构造显微鳞片构造显微定向构造泥质岩的构造层理（水平层理、块状层理等）水底滑动构造宏观构造各种层面构造（干裂、雨痕、……）显微构造显微毡状构造显微鳞片构造显微定向构造泥质岩的构造层理50宏观构造Ⅰ、层理—水平层理，块状层理宏观构造51具有水平层理构造的粘土岩，其水平细层的厚度小于1cm者称为页状层理或页理，它具有粘土岩沿层理方向易剥裂成页片的性质，是由于层状粘土矿物水平定向排列而具有易剥裂性的结果；水平细层的厚度小于1mm者称为纹理，在粘土岩中也较常见。具有水平层理构造的粘土岩，其水平细层的厚度小52Ⅱ、页理—页岩具有粘土岩沿层理方向易剥裂成页片的性质Ⅱ、页理—页岩具有粘土岩沿层理方向易剥裂成页片的性质53Ⅲ、各种层面构造：干裂、雨痕、虫孔、结核Ⅲ、各种层面构造：干裂、雨痕、虫孔、结核54泥裂的形成过程泥裂的形成过程55Ⅰ、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。Ⅱ、毡状构造—纤维状交织分布由极细小的鳞片状、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。Ⅲ、定向构造—片状定向排列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。微观构造Ⅰ、鳞片构造微观构造56粘土岩常见的颜色有红、紫、褐黄、灰绿、灰黑、黑色等；颜色的差异与粘土矿物的成分、粘土岩含的有机碳、铁离子的氧化状态等因素有关；粘土岩的颜色能够反映沉积岩的生成环境。粘土岩的颜色（Colorsofclayrocks）粘土岩常见的颜色有红、紫、褐黄、灰绿、灰黑、黑色等；粘土岩的57粘土岩的红色、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—弱还原环境下形成的。粘土岩的灰色、灰黑色、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。因为这种环境有机质不易被氧化而得以保存，高价铁也易被还原而形成硫化铁。这种环境常出现于海湾、澙湖、滨外陆棚以及内陆湖泊的深湖、半深湖区。在这种环境中形成的富有机质的暗色粘土岩是良好的生油母岩。因此，灰、灰黑、黑色常是生油粘土岩的标志之一。粘土岩的红色、紫红色是因粘土颗粒间或颗粒表面58第五节泥质岩的分类与主要类型一、泥质岩分类目前粘土岩的分类尚无一个完善而又统一的方案，原因是粘土岩的成分和成因较复杂，组成粘土岩的颗粒又极细小，精确鉴定和含量统计都很困难，成岩作用中又极易变化。现有的分类，一般先按粘土岩在成岩作用中的变化，如按固结程度及沉积构造划分大类，再进一步按粘土岩的结构、矿物成分及混入成分细分。其综合分类见下表。第五节泥质岩的分类与主要类型一、泥质岩分类目前粘59泥质岩分类表在粘土岩矿物成分分类中，按粘土矿物的类型和含量亦可分为单矿物粘土岩和复矿物粘土岩。前者以一种粘土矿物为主，其含量大于50％，如高岭石粘土岩、蒙脱石粘土岩等。后者由两种或两种以上粘土矿物组成，可采用复合命名，如高岭石—蒙脱石粘土岩等。每类粘土岩又可按其固结程度分为粘土、泥岩和页岩，如高岭石粘土、高岭石泥岩、高岭石页岩等。泥板岩类因固结和重结作用较强，已是向变质岩过渡的类型，一般不再细分。
泥质岩分类表在粘土岩矿物成分分类中，按粘土矿物的类型60二、泥岩主要类型①伊利石粘土岩粘土矿物主要为伊利石，其次有蒙脱石、伊/蒙混层。具鳞片状、毡状构造。产于各种大陆、海洋的低能环境。地质时代愈老伊利石含量越高。②高岭石粘土岩粘土矿物主要为高岭石。形成方式有两种：Ⅰ、残积形成—潮湿、酸性介质中，硅酸盐风化残积。Ⅱ、沉积形成—沼泽、近海、泻湖中化学沉积形成，与煤系地层有关。二、泥岩主要类型①伊利石粘土岩61③蒙脱石粘土岩—斑脱岩粘土矿物主要为蒙脱石，吸水性强。形成方式：Ⅰ、残积型—火山喷发物质在碱性介质中水解形成Ⅱ、沉积型—湖泊、岛弧附近，与火山活动有关。④泥岩与页岩常见有：Ⅰ、钙质、铁质、硅质泥岩与页岩Ⅱ、碳质页岩与黑色页岩—前者为碳质引起，后者含有机质与FeS。Ⅲ、油页岩—干酪根超过10%的页岩③蒙脱石粘土岩—斑脱岩62斑脱岩薄片斑脱岩薄片63高岭土高岭土64泥岩黏土钙质泥岩泥岩黏土钙质泥岩65黑色泥岩硅质泥岩黑色泥岩硅质泥岩66泥质页岩泥质页岩67炭质页岩铁质页岩炭质页岩铁质页岩68油页岩黑色页岩油页岩黑色页岩69第六节泥质岩的成岩后生变化
泥质沉积物沉积之后，经成岩作用，无论在成分上、结构上及构造上均有极大变化，而且也涉及到许多矿床如石油的形成及运移。泥质岩中的成岩作用主要是通过下列作用和变化。一、压实作用
二、粘土矿物的变化三、粘土矿物的脱水作用第六节泥质岩的成岩后生变化一、压实作用70一、压实作用
新沉积的粘土矿物（多为片状）沉积物，呈絮凝团，孔隙度可达70％，孔隙中饱含着自由水。随着埋藏深度的增加，在上伏水体和沉积物的负荷压力下，通过质点重新排列（使片状质点趋于平行排列）、变形或破裂，孔隙水不断排出，原始粘土沉积物孔隙度大大降低，体积缩小，最后被压实固结成为粘土岩，所以它要比砂岩更易压实。
压实作用是泥质岩中最重要的成岩作用，压实作用在泥质岩中主要表现在两个方面即：孔隙减小、排出水和矿物定向排列，也就是说它不仅使泥质沉积物固结成岩，而且使岩石的成分、结构和物性都发生变化。一、压实作用71粘土沉积物在被压实的过程中，孔隙度的减小和埋深的增加并非直线关系。埋深在300—500m以内，粘土物质中所饱含的孔隙水很容易排出，故在这个深度范围内，孔隙度急剧降低；埋深大于500m时，孔隙度降低显著变慢。原因是大量孔隙水排出后，孔隙度再继续降低就要靠排出与粘土物质结合紧密的层间水和结构水来实现。随着深度的增加，层间水和结构水的排出将愈来愈困难。因此，当埋深在2000m时，孔隙度为10％—15％左右；埋深达4000m，孔隙度仍为5％—10％；至6000m时，孔隙度为3％—3.5％。粘土沉积物在被压实的过程中，孔隙度的减小和埋深的增加并非直线72这种变化往往是有一定规律，反映着成岩强度的变化。例如韦弗测定了美国各个地质时代泥岩中粘土矿物的分布，发现地质时代愈老，伊利石和绿泥石的含量增加，而高岭石和蒙脱石则相应地减少，这反映了泥质沉积物中粘土矿物在埋藏成岩作用中的主要变化趋势。二、粘土矿物的变化粘土矿物是一个多敏感性的矿物，它随着埋藏深度的加大、压力的加大、地温的增高和物理化学环境（Ph、离子浓度）的变化，使粘土矿物的层间水、结构水以及层间阳离子移出，都会使粘土矿物晶体结构与成分产生变化，即粘土矿物的转化。这种变化往往是有一定规律，反映着成岩强度的变化。例如韦弗测定73压实作用进行的同时，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。粘土矿物在粘土岩中的分布随地质时代的新老而异，地质时代的新老在一定程度上反映了埋深和成岩作用的强弱，因而也就反映了粘土矿物在埋藏和成岩过程中的变化趋势。在浅埋藏条件下，粘土矿物可出现高岭石和蒙脱石；而深埋藏条件下，这些矿物消失而转化成伊利石和绿泥石。
1．高岭石的转化2．蒙脱石的转化3．伊利石和绿泥石的转化4．混层粘土矿物的转化压实作用进行的同时，随着埋深的加大，压力和地温的增高，以及粘741．高岭石的转化
高岭石类的粘土矿物在埋藏成岩过程中的转化趋势是转变为蒙脱石、伊利石或绿泥石。这种转化，主要受埋藏深度（温度、压力）和介质的地球化学环境（pH值、离子浓度）的控制，而且还会出现一系列过渡产物。在埋藏成岩过程中，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80—140℃，通常为90—110℃，地开石形成所需要的温度为110—160℃。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。由于高岭石往往受转化温度范围和介质条件改变等因素的影响，常在这种转化之前即行消失。1．高岭石的转化75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，更重要的是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，高岭石保持稳定，若pH值增大，高岭石的稳定性减小，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。深部钻探资料表明，高岭石转化消失的深度区间762．蒙脱石的转化随埋藏深度的增加，蒙脱石向伊利石转化。实验研究也证明，温度在100—130℃，K+与H+比率接近正常海水时，蒙脱石失去层间水而向伊利石转化。但蒙脱石不能简单地通过离子交换转变成伊利石，原因是蒙脱石是一种典型的以水合阳离子及水分子作为层间物的3：1型粘土矿物，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，首先形成蒙脱石—伊利石混层矿物，进而转变为伊利石。蒙脱石在转化过程中，如果有Fe2+，Mg2+离子存在，则首先转化为蒙脱石—绿泥石混层，进而再转化为绿泥石。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。2．蒙脱石的转化77当K+与H+比率接近正常海水时，蒙脱石失去层间水而向伊利石转化，过程中要经历向蒙/伊混层的转化；在过程中，如果有Fe2+，Mg2+离子存在，蒙脱石则首先转化为蒙脱石—绿泥石混层，进而向绿泥石转化；如果孔隙水为酸性，蒙脱石则将向高岭石转化。
当K+与H+比率接近正常海水时，蒙脱石失去层间水而向伊利石转783．伊利石和绿泥石的转化
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。随着埋深的增加、地温的增高，两者结晶程度增加，因此，它们可以作为埋藏成岩过程中重结晶作用强度的指示剂。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。3．伊利石和绿泥石的转化794．混层粘土矿物的转化
混层矿物为大多数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。4．混层粘土矿物的转化80各类粘土矿物在埋藏成岩过程中的转化浅埋条件下，粘土矿物可出现高岭石和蒙脱石；深埋条件下，这些矿物消失而转化成伊利石和绿泥石。各类粘土矿物在埋藏成岩过程中的转化浅埋条件下，粘土矿物可出81三、粘土矿物的脱水作用
粘土矿物是含水层状硅酸盐矿物，粘土沉积物沉积后，水可占沉积物总体积的70％—80。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。三、粘土矿物的脱水作用粘土矿物是含水层状硅酸盐矿物，粘土沉82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。层间水的排出是由于静电引力解吸作用的结果，从层间排出的水分子，转移到孔隙中而成为自由水。现以蒙脱石为例，说明随埋深的增加粘土矿物转化过程中的脱水作用。粘土沉积物被埋藏后，在上覆沉积、负荷的重压下，首先排83
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1000—1500m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10％—25％为层间水，5％—10％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60—130℃，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—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10％—15％。第三阶段，埋深大于2700m，这一阶段因埋深继续增加和地温的继续升高，蒙脱石脱去最后三层残余层间水，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℃。根据伯斯特（1969）的研究，蒙脱石转化过程中的脱水84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。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85粘土沉积物与有机质的关系极为密切。在沉积过程中，细粘土矿物最大限度地富集了有机质。它们在埋藏成岩过程中随埋深和地温的增加一起发生演化。据统计，与粘土矿物有关的有机质占沉积物中全部有机质的80~85%，而蒙脱石粘土沉积物是有机质最主要的寄存者。粘土矿物是有机质向石油转化的催化剂。粘土沉积物沉积后作用与油气生成的关系粘土沉积物与有机质的关系极为密切。在沉积过程中，细粘土矿物最86蒙脱石和伊利石转化与有机质向石油转化的关系在早期，由于粘土矿物的存在促进了脂肪酸的脱羧基作用而形成长链烷烃，这个过程大致在地温<60℃、埋深<1500m、蒙脱石脱去大量孔隙水的第一阶段。此后，在蒙脱石向混层粘土转化过程中，由于脱水形成的酸性环境进一步促进了长链烷烃的裂解，形成石油烃，这是石油形成的主要阶段，埋深约1500~2700m、地温约60~130℃，相当于蒙脱石脱水的第二阶段。这一阶段脱水和石油生成同时进行，脱出的孔隙水和层间水向外排出，成为石油从生油母岩向储集层进行初次运移的良好载体；同时，脱水过程也是粘土沉积物体积收缩、孔隙相对增大的过程，为石油的初次运移提供了良好的通道。研究表明，在一个沉积盆地内，蒙/伊混层粘土矿物出现的深度和温度与有机质开始转化为石油的深度和温度是一致的。因此，可以把蒙脱石—伊利石混层粘土矿物的出现作为有机质向石油转化的标志。蒙脱石和伊利石转化与有机质向石油转化的关系87松辽盆地白垩系粘土矿物转化与有机质向石油转化的关系松辽盆地白垩系粘土矿物转化与有机质向石油转化的关系88第七节泥质岩的研究方法
（一）野外研究方法宏观特征：颜色、结构、构造、岩层厚度、接触关系、横向变化等。初步命名（二）室内研究方法1、薄片鉴定2、粒度分析3、差热分析4、加热脱水失重分析5、电子显微镜法6、X射线衍射分析7、其它方法（化学分析、有机质分析）第七节泥质岩的研究方法89思考题：
一、名词：泥岩、页岩、页理二、泥岩的成岩后生变化三、泥岩的研究方法思考题：90第七章粘土岩（泥质岩）第七章粘土岩（泥质岩）91
第一节概述粘土岩是沉积岩中分布最广的一类岩石，约占沉积岩总体积的55％。构成粘土岩的最主要矿物为粘土矿物，多系母岩风化产物，以悬浮方式被搬运到水盆地中沉积形成；部分粘土矿物由胶体SiO2及Al2O3形成的自生矿物和火山灰蚀变产生，这一部分出现的比例很小。所以，这类岩石主要由机械作用形成，也是化学、生物化学作用。所以粘土岩应归属陆源碎屑沉积岩。粘土岩是主要的生油岩和良好的盖层，同时亦具有其它广泛的工业使用价值。
第一节概述92一、基本概念粘土岩——以粘土矿物为主（含量>50%）的沉积岩。粘土——疏松或未固结成岩的粘土矿物沉积物，粒径<0.005mm（0.0039或0.01mm）。泥质岩——主要是由粘土矿物及粒径<0.0039mm（＞8ф）的细碎屑（>50%）组成的沉积岩。一、基本概念93二、泥质岩的主要物理特性及其在工业上的用途粘土岩具有一些特殊的物理性质，如可塑性、耐火性、烧结性、吸附性，使之在工农业方面有广泛的用途，如化工上某些粘土作为填料、催化剂等。制橡胶、分子筛、提炼油等。农业上作为肥料、改良土壤、制做饲料等。另一方面，在黑色页岩及碳质页岩中发现了一些含稀有元素矿床。此外，泥岩还可成为生油母岩，也是重要的油气藏的盖层岩石。因此，研究泥质岩具有重要的实际意义。二、泥质岩的主要物理特性及其在工业上的用途粘土岩具有一些特殊941.非渗透性：石油及天然气在地下保存的良好盖层2.吸附性：粘土矿物具有从周围介质中吸附各种气态、液态的离子、放射性元素及有机色素的能力。蒙脱石的吸附性最强。3.吸水膨胀性：有些粘土具有极强的吸水能力，蒙脱石吸水膨胀8～10倍、粘土岩的主要物理特性。4.可塑性：水调和后造形，撤外力形不变5.耐火性：易熔粘土、难熔粘土、耐火粘土Al2O3——Fe3+，TiO2，SiO21.非渗透性：石油及天然气在地下保存的良好盖层956.烧结性：粘土矿物在低于耐火度的低温下局部熔化，因而使质点相互粘结成坚硬的瓷质石块。粘土熔融范围（从局部熔化至全部熔化成流体的温度范围）越大，工业价值越高。7.粘结性（结合性能）：指粘土能与瘠性材料（掺入砂质）粘合，塑造出良好的泥坯，干燥后坚实生坯的性能。其决定了粘土的性能。8.干缩性：指粘土沉积物风干或加热烧干后，由于质点表面结合水分的蒸发，而产生的体积收缩的现象。干缩性与矿物成分有关。对于作为工业原料的用途来说，是一种不利的性质。6.烧结性：粘土矿物在低于耐火度的低温下局部熔化，因而使质点96第二节泥质岩的物质成分
泥质岩的物质成分比较复杂，主要是粘土矿物，其次是陆源碎屑矿物和自生的非粘土矿物以及有机质。化学成分以SiO2、Al2O3、H2O为主，次为Fe、Mg、Ca、Na、K的氧化物及一些微量元素。一、粘土矿物粘土矿物是一种含水的硅酸盐或铝硅酸盐矿物，可分为非晶质和结晶质两类。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。第二节泥质岩的物质成分97（一）粘土矿物的晶体结构粘土矿物的结构由两种基本结构层组成，即硅氧四面体层和铝氧八面体层或镁氧八面体层。1、四面体：是由一个“Si”与四个“O”紧密堆积所构成的四面体（SiO4）。硅氧四面体单位硅氧层2、四面体层：是每一个硅氧四面均以三个角顶分别与相邻的硅氧四面体相连接，组成在二维空间内呈六角网连结及无限延展的层（Si4O10）。每一个硅氧四面体有三个角顶上的氧都是与相邻的硅氧四面体共有，它的电荷已达到平衡，（如有Al代替Si时例外），只剩下一个未被公用的O2-（有时被OH-所取代）才有自由负电荷存在，能与其它的阳离子相结合。由于（SiO4）所组成的层状结构有一定的排列形态，具有自由电荷均位于层的同一侧。（一）粘土矿物的晶体结构硅氧四面体单位硅氧层2、四面体层：是983、八面体：是由一个Al3+（或Mg2+）与六个氧（或OH-）紧密堆积所构成的八面体。4、八面体层：是上述八面体分别与相邻的八面体在二维空间内连接，无限延展而构成的层。在自然界中，四面体层不能独立存在构成矿物，而八面体层可以独立构成矿物。铝（镁）八面体单位水镁石层3、八面体：是由一个Al3+（或Mg2+）与六个氧（或OH-995、结构层是由四面体层与八面体层按不同的规律连结起来，所构成的晶体结构单元层。由一个四面体片与一个八面体片所组成的单位结构层称为1︰1结构层或双层型结构；如果由两个四面体片中间夹一个八面体片称为2︰1结构层或三层型结构。5、结构层100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。四面体层中不出现Si4+和Al3+的交代，八面体层中Al未被Mg2+和Fe3+交代，结构式为：Al2[Si2O5](OH)4。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101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。蒙脱石型：属三层型的结构单位层（2:1型），由两层四面体夹一102水云母型：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水云母型：属三层型的结构单位层（2:1型），由两层四面体夹一103
绿泥石型（2：1：1型）：由2：1型结构单元层再重叠和连接一个似水镁石八面体层而构成，所叠置的八面体层可视为2：1型结构单元的层间物，故也可归为2：1型或三层型，常见于绿泥石族矿物。
绿泥石型（2：1：1型）：由2：1型结构单元层再重104若两种以上粘土矿物结构单位层作有规律的互层叠置，则称有序混层；否则称为无序混层，如伊-蒙混层、绿-蒙混层、伊-绿混层等。除了以上四种常见的粘土矿物外，还有不少的混层粘土，它是由两种以上的粘土矿物的结构单位层在c轴方向交互叠置构成的。沉积岩石学第7章泥岩(孟庆泉)课件105每个硅氧六方环网孔的范围内，最多只能容纳三个配位八面体，因此当三个八面体位置均被二价阳离子占据时，便称为三八面体型结构（水镁石层Mg-OH）；若全由三价阳离子填充时，必有一个位置是空缺，故称为二八面体型结构（水铝矿层Al-OH）；
如二价和三价阳离子共存时，则属于上述二者之间的过渡类型。每个硅氧六方环网孔的范围内，最多只能容纳三个1066、结构分类层状硅酸盐矿物可根据其层型（1︰1或2︰1），层间物质和其相互间的混合特征分为八个主要族，再根据八面体片（二八面体和三八面体）的化学组成和单个层内的几何性质还可进一步划分为亚族和种（表）。6、结构分类1077、过渡结构粘土矿物的基本结构极为相似，在自然界中，随着物理化学环境的变化，粘土矿物甲可以变为乙，而在这种转化的过程中，存在一个过渡阶段，这个阶段的结构状态，我们称为转化过渡结构。这种过渡结构主要有：（1）2︰1向1︰1转化过渡结构，如伊利石向高岭石转化过渡结构。（2）2︰1与相邻的2︰1之间的转化过渡结构，如蒙脱石向伊利石转化过渡结构。（3）层链状结构向层状结构转化过渡结构，如海泡石向滑石转化过渡结构。这类过渡结构不管通过怎样的调整方式，甲矿物转化为乙矿物的过程都是在矿物“甲”中出现“乙”畴，随着“乙畴”的扩大和“甲”畴的缩小，直到全部转变为矿物“乙”。7、过渡结构108常见粘土矿物—蒙脱石、伊利石、绿泥石和高岭石。泥质岩的主要矿物为粘土矿物，粘土矿物颗粒细小（<4μm）,显微镜下可观察光学性质和结晶形态的不同,但准确鉴定需要X射线衍射仪、差热分析和电子显微镜等设备。（二）主要粘土矿物特征常见粘土矿物—蒙脱石、伊利石、绿泥石和高岭石。泥质岩的主要矿109高岭石族高岭石、地开石、珍珠陶土，其化学式为Al4[Si4O10](OH)8或Al2O3·2SiO2·2H2O。由一层Si-O四面体层和一层Al-(O-OH)八面体层组成。高岭石：白色，含杂质时呈黄、灰或玫瑰色；外观呈土状；比重2.61，硬度小于2.5；晶体细小，约为0.01-0.001mm高岭石族高岭石：白色，含杂质时呈黄、灰或玫瑰色；外观呈土状；110电子显微镜下高岭石呈六边鳞片状晶体，结晶较差的晶体边缘残缺不全或呈不规则状电子显微镜下高岭石呈六边鳞片状晶体，结晶较差的晶体边缘残缺不111高岭石薄片(蠕虫状)晶体常形成蠕虫状或手风琴状集晶高岭石薄片(蠕虫状)晶体常形成蠕虫状或手风琴状集晶112自生高岭石充填孔隙自生高岭石充填孔隙113自生高岭石集合体充填孔隙自生高岭石集合体充填孔隙114510-600度有一个显著的吸热谷，在此温度前几乎没有变化950-1000度有一个显著的放热峰，峰前可能有一微弱的吸热谷到1200-1300度还有一个微弱的放热峰高岭石的差热曲线510-600度有一个显著的吸热谷，在此温度前几乎没有变化高115其结构水主要在400-525度之间逸出，低温时失水很少高岭石的脱水失重曲线其结构水主要在400-525度之间逸出，低温时失水很少高岭石116埃洛石（多水高岭石）Al4[Si4O10][OH]8·4H2O
变埃洛石Al4[Si4O10][OH]8埃洛石的晶体结构（沿a轴投影）埃洛石（多水高岭石）族埃洛石（多水高岭石）Al4[Si4O10][OH]8·4H2117埃洛石特征呈致密块状和土状集合体产出，以白色为主，略带某种色调，无光泽，当呈瓷状块体时显蜡状光泽。比重2.1-2.6，硬度1.0-2.6；遇硫酸易溶解。在电子显微镜下，埃洛石呈棒状、针状体，是由于组成埃洛石的结构单位层发生卷曲的结果。埃洛石特征呈致密块状和土状集合体产出，以白色为主，略带某种色118埃洛石的差热曲线在100-300℃范围内有一个明显的吸热谷，300℃以上与高岭石基本相似，510-600度有一个显著的吸热谷，950-1000度有一个显著的放热峰，到1200-1300度还有一个微弱的放热峰。埃洛石的差热曲线在100-300℃范围内有一个明显的吸热谷，119埃洛石的脱水曲线主要脱失阶段在400-500℃，但在400℃以下已有部分脱水，而且还有部分要到800℃之上才能脱尽。埃洛石的脱水曲线主要脱失阶段在400-500℃，但在400℃120蒙脱石类矿物的结构单位层内部具有广泛的离子置换性能，所以成分变化很大。最常见的有：蒙脱石、拜来石、绿脱石、皂石等蒙脱石(Al2，Mg3)[Si4O10](OH)2·nH2O蒙脱石呈白色或灰白色，因含杂质可染成黄、玫瑰红、桃红、灰绿等色。块状者具有蜡状光泽，土状者光泽暗淡，硬度1-2，比重2-3蒙脱石族蒙脱石族121蒙脱石在电子显微镜下呈不规则的绒状、细鳞片状，轮廓不清楚，拜来石呈绒毛状、云雾状，绿脱石呈鳞片状或棒状，皂石呈片状蒙脱石在电子显微镜下呈不规则的绒状、细鳞片状，轮廓不清楚，拜12290-250、550-750、800-900度三个吸热谷，出现原因分别为：层间吸附水脱失、结构水脱失、无水蒙脱石分解；900-1000度有一个不太明显的放热峰，其原因为形成尖晶石蒙脱石族矿物的差热曲线90-250、550-750、800-900度三个吸热谷，出123蒙脱石的脱水曲线第一阶段：100-350℃，大量层间水脱失；第二阶段：300-400℃开始，400-600℃变化剧烈，结构水脱失蒙脱石的脱水曲线第一阶段：100-350℃，大量层间水脱失；124伊利石（水云母）K1-x(H2O)x{Al2[AlSi3O10](OH)2-x(H2O)x，其结构与白云母相似，但含钾较少，含水较多。电子显微镜下呈不规则的鳞片状晶体，个别呈六边形，大小为1-3μm。水云母族伊利石（水云母）水云母族125砂岩中粒表和孔隙充填的伊利石，呈叶片-丝缕状。砂岩中粒表和孔隙充填的伊利石，呈叶片-丝缕状。126伊蒙混层不规则鳞片状伊蒙混层不规则鳞片状127因成分复杂，其曲线也不一致。100-170、500-650、850-900度三个吸热谷，在925-1020度有一个放热峰水云母的差热曲线因成分复杂，其曲线也不一致。水云母的差热曲线128主要在400度以上水云母的脱水曲线主要在400度以上水云母的脱水曲线129正绿泥石(Mg，Fe)p[(Al，Fe)pSi4-pO10](OH)8鳞绿泥石绿泥石族正绿泥石绿泥石族130绿泥石绿泥石131海泡石（sepiolite）、坡缕石等链层状结构硅酸盐矿物成分为Mg4Si6O15(OH)2·6H2O斜方晶系世界最主要产地为土耳其的埃斯基谢希尔中国产地有江西乐平、湖南浏阳等。海泡石族海泡石（sepiolite）、坡缕石等海泡石族132二、非粘土矿物（Non-Clayminerals），粘土岩中矿物成分除粘土矿物外的矿物1、细小陆源碎屑矿物：石英、长石、少量重矿物2、自生的非粘土矿物：碳酸盐、硫酸盐（硝、石膏）、铁、锰、铝（氧化物和氨化物）3、不定量的有机物：生物遗体—化石、腐殖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。这类粘土岩常呈深灰、灰黑、黑色，多形成于安静低能还原环境，如澙湖、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。
二、非粘土矿物（Non-Clayminerals），粘土岩133粘土岩的化学成分主要为SiO2、Al2O3、H2O，可达80%，其次为Fe2O3、FeO、MgO、CaO、Na2O、K2O等。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。化学成分的变化取决于它的矿物成分、混入物、吸附的离子成分及含量等因素。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+等。它们是使粘土岩化学成分多变的原因之一。化学成分与环境变化之间有一定关联：淡水环境下高岭石含量高，K2O、MgO的含量低；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。
粘土岩的化学成分粘土岩的化学成分主要为SiO2、Al2O3、H2O，可达80134第三节泥质岩的结构、构造和颜色肉眼鉴定和描述的重要依据一、泥质岩的结构①据粘土与碎屑相对含量②据粘土矿物的结晶程度③据粘土矿物集合体的形态④生物泥状结构⑤残余结构第三节泥质岩的结构、构造和颜色①据粘土与碎屑相对含量135①据粘土与碎屑相对含量：Ⅰ、泥状结构粉砂<5%Ⅱ、含粉砂泥状结构粉砂=5-25%Ⅲ、粉砂泥状结构粉砂=25-50%Ⅳ、含砂泥状结构砂=5-25%Ⅴ、砂泥状结构砂=25-50%7575①据粘土与碎屑相对含量：7575136泥状结构又称为粘土结构，几乎全由粘土质点组成，砂或粉砂级碎屑小于10％，以手触摸有滑腻感，用小刀切刮时，切面光滑，常呈现鱼鳞状或贝壳状断口。
含粉砂泥状结构和粉砂泥状结构也可分别称为含粉砂粘土结构和粉砂粘土结构。这两种结构的岩石用手触摸具有粗糙感，刀切面不平整，断口粗糙。
含砂泥状结构及砂泥状结构也可分别称为含砂粘土结构和砂粘土结构。这两种结构的岩石用手触摸具有明显的颗粒感觉，肉眼可见砂粒，断口呈参差状。泥状结构又称为粘土结构，几乎全由粘土质点组成137②据粘土矿物的结晶程度：Ⅰ、非晶质结构Ⅱ、隐晶质结构Ⅲ、显晶质结构—鳞片、粒状、纤维状Ⅳ、粗晶结构—蠕虫高岭石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，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。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2—3mm的蠕虫状，称为蠕虫状结构。②据粘土矿物的结晶程度：1）非晶质结构：很少见，仅见于水铝英138⑤残余结构：在与风化残余、热液蚀变成因有关的泥质岩中出现，它们多为粘土岩经热液蚀变而成。按原岩结构不同，可分为：Ⅰ、残余火山碎屑结构Ⅱ、残余斑状结构③据粘土矿物集合体的形态：Ⅰ、鲕粒及豆粒结构：粘土矿物在沉积过程中围绕核心凝聚呈同心环状颗粒，直径小于2mm者称为鲕粒，大于2mm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。Ⅱ、同生泥屑结构：同生成因的粘土质碎屑经再沉积并被粘土物质胶结而成。④生物泥状结构：
Ⅰ、植物屑泥状结构Ⅱ、骨屑泥状结构⑤残余结构：在与风化残余、热液蚀变成因有关的泥质岩中出现，它139显微构造显微毡状构造显微鳞片构造显微定向构造泥质岩的构造层理（水平层理、块状层理等）水底滑动构造宏观构造各种层面构造（干裂、雨痕、……）显微构造显微毡状构造显微鳞片构造显微定向构造泥质岩的构造层理140宏观构造Ⅰ、层理—水平层理，块状层理宏观构造141具有水平层理构造的粘土岩，其水平细层的厚度小于1cm者称为页状层理或页理，它具有粘土岩沿层理方向易剥裂成页片的性质，是由于层状粘土矿物水平定向排列而具有易剥裂性的结果；水平细层的厚度小于1mm者称为纹理，在粘土岩中也较常见。具有水平层理构造的粘土岩，其水平细层的厚度小142Ⅱ、页理—页岩具有粘土岩沿层理方向易剥裂成页片的性质Ⅱ、页理—页岩具有粘土岩沿层理方向易剥裂成页片的性质143Ⅲ、各种层面构造：干裂、雨痕、虫孔、结核Ⅲ、各种层面构造：干裂、雨痕、虫孔、结核144泥裂的形成过程泥裂的形成过程145Ⅰ、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。Ⅱ、毡状构造—纤维状交织分布由极细小的鳞片状、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。Ⅲ、定向构造—片状定向排列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。微观构造Ⅰ、鳞片构造微观构造146粘土岩常见的颜色有红、紫、褐黄、灰绿、灰黑、黑色等；颜色的差异与粘土矿物的成分、粘土岩含的有机碳、铁离子的氧化状态等因素有关；粘土岩的颜色能够反映沉积岩的生成环境。粘土岩的颜色（Colorsofclayrocks）粘土岩常见的颜色有红、紫、褐黄、灰绿、灰黑、黑色等；粘土岩的147粘土岩的红色、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—弱还原环境下形成的。粘土岩的灰色、灰黑色、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。因为这种环境有机质不易被氧化而得以保存，高价铁也易被还原而形成硫化铁。这种环境常出现于海湾、澙湖、滨外陆棚以及内陆湖泊的深湖、半深湖区。在这种环境中形成的富有机质的暗色粘土岩是良好的生油母岩。因此，灰、灰黑、黑色常是生油粘土岩的标志之一。粘土岩的红色、紫红色是因粘土颗粒间或颗粒表面148第五节泥质岩的分类与主要类型一、泥质岩分类目前粘土岩的分类尚无一个完善而又统一的方案，原因是粘土岩的成分和成因较复杂，组成粘土岩的颗粒又极细小，精确鉴定和含量统计都很困难，成岩作用中又极易变化。现有的分类，一般先按粘土岩在成岩作用中的变化，如按固结程度及沉积构造划分大类，再进一步按粘土岩的结构、矿物成分及混入成分细分。其综合分类见下表。第五节泥质岩的分类与主要类型一、泥质岩分类目前粘149泥质岩分类表在粘土岩矿物成分分类中，按粘土矿物的类型和含量亦可分为单矿物粘土岩和复矿物粘土岩。前者以一种粘土矿物为主，其含量大于50％，如高岭石粘土岩、蒙脱石粘土岩等。后者由两种或两种以上粘土矿物组成，可采用复合命名，如高岭石—蒙脱石粘土岩等。每类粘土岩又可按其固结程度分为粘土、泥岩和页岩，如高岭石粘土、高岭石泥岩、高岭石页岩等。泥板岩类因固结和重结作用较强，已是向变质岩过渡的类型，一般不再细分。
泥质岩分类表在粘土岩矿物成分分类中，按粘土矿物的类型150二、泥岩主要类型①伊利石粘土岩粘土矿物主要为伊利石，其次有蒙脱石、伊/蒙混层。具鳞片状、毡状构造。产于各种大陆、海洋的低能环境。地质时代愈老伊利石含量越高。②高岭石粘土岩粘土矿物主要为高岭石。形成方式有两种：Ⅰ、残积形成—潮湿、酸性介质中，硅酸盐风化残积。Ⅱ、沉积形成—沼泽、近海、泻湖中化学沉积形成，与煤系地层有关。二、泥岩主要类型①伊利石粘土岩151③蒙脱石粘土岩—斑脱岩粘土矿物主要为蒙脱石，吸水性强。形成方式：Ⅰ、残积型—火山喷发物质在碱性介质中水解形成Ⅱ、沉积型—湖泊、岛弧附近，与火山活动有关。④泥岩与页岩常见有：Ⅰ、钙质、铁质、硅质泥岩与页岩Ⅱ、碳质页岩与黑色页岩—前者为碳质引起，后者含有机质与FeS。Ⅲ、油页岩—干酪根超过10%的页岩③蒙脱石粘土岩—斑脱岩152斑脱岩薄片斑脱岩薄片153高岭土高岭土154泥岩黏土钙质泥岩泥岩黏土钙质泥岩155黑色泥岩硅质泥岩黑色泥岩硅质泥岩156泥质页岩泥质页岩157炭质页岩铁质页岩炭质页岩铁质页岩158油页岩黑色页岩油页岩黑色页岩159第六节泥质岩的成岩后生变化
泥质沉积物沉积之后，经成岩作用，无论在成分上、结构上及构造上均有极大变化，而且也涉及到许多矿床如石油的形成及运移。泥质岩中的成岩作用主要是通过下列作用和变化。一、压实作用
二、粘土矿物的变化三、粘土矿物的脱水作用第六节泥质岩的成岩后生变化一、压实作用160一、压实作用
新沉积的粘土矿物（多为片状）沉积物，呈絮凝团，孔隙度可达70％，孔隙中饱含着自由水。随着埋藏深度的增加，在上伏水体和沉积物的负荷压力下，通过质点重新排列（使片状质点趋于平行排列）、变形或破裂，孔隙水不断排出，原始粘土沉积物孔隙度大大降低，体积缩小，最后被压实固结成为粘土岩，所以它要比砂岩更易压实。
压实作用是泥质岩中最重要的成岩作用，压实作用在泥质岩中主要表现在两个方面即：孔隙减小、排出水和矿物定向排列，也就是说它不仅使泥质沉积物固结成岩，而且使岩石的成分、结构和物性都发生变化。一、压实作用161粘土沉积物在被压实的过程中，孔隙度的减小和埋深的增加并非直线关系。埋深在300—500m以内，粘土物质中所饱含的孔隙水很容易排出，故在这个深度范围内，孔隙度急剧降低；埋深大于500m时，孔隙度降低显著变慢。原因是大量孔隙水排出后，孔隙度再继续降低就要靠排出与粘土物质结合紧密的层间水和结构水来实现。随着深度的增加，层间水和结构水的排出将愈来愈困难。因此，当埋深在2000m时，孔隙度为10％—15％左右；埋深达4000m，孔隙度仍为5％—10％；至6000m时，孔隙度为3％—3.5％。粘土沉积物在被压实的过程中，孔隙度的减小和埋深的增加并非直线162这种变化往往是有一定规律，反映着成岩强度的变化。例如韦弗测定了美国各个地质时代泥岩中粘土矿物的分布，发现地质时代愈老，伊利石和绿泥石的含量增加，而高岭石和蒙脱石则相应地减少，这反映了泥质沉积物中粘土矿物在埋藏成岩作用中的主要变化趋势。二、粘土矿物的变化粘土矿物是一个多敏感性的矿物，它随着埋藏深度的加大、压力的加大、地温的增高和物理化学环境（Ph、离子浓度）的变化，使粘土矿物的层间水、结构水以及层间阳离子移出，都会使粘土矿物晶体结构与成分产生变化，即粘土矿物的转化。这种变化往往是有一定规律，反映着成岩强度的变化。例如韦弗测定163压实作用进行的同时，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。粘土矿物在粘土岩中的分布随地质时代的新老而异，地质时代的新老在一定程度上反映了埋深和成岩作用的强弱，因而也就反映了粘土矿物在埋藏和成岩过程中的变化趋势。在浅埋藏条件下，粘土矿物可出现高岭石和蒙脱石；而深埋藏条件下，这些矿物消失而转化成伊利石和绿泥石。
1．高岭石的转化2．蒙脱石的转化3．伊利石和绿泥石的转化4．混层粘土矿物的转化压实作用进行的同时，随着埋深的加大，压力和地温的增高，以及粘1641．高岭石的转化
高岭石类的粘土矿物在埋藏成岩过程中的转化趋势是转变为蒙脱石、伊利石或绿泥石。这种转化，主要受埋藏深度（温度、压力）和介质的地球化学环境（pH值、离子浓度）的控制，而且还会出现一系列过渡产物。在埋藏成岩过程中，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80—140℃，通常为90—110℃，地开石形成所需要的温度为110—160℃。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。由于高岭石往往受转化温度范围和介质条件改变等因素的影响，常在这种转化之前即行消失。1．高岭石的转化165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，更重要的是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，高岭石保持稳定，若pH值增大，高岭石的稳定性减小，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。深部钻探资料表明，高岭石转化消失的深度区间1662．蒙脱石的转化随埋藏深度的增加，蒙脱石向伊利石转化。实验研究也证明，温度在100—130℃，K+与H+比率接近正常海水时，蒙脱石失去层间水而向伊利石转化。但蒙脱石不能简单地通过离子交换转变成伊利石，原因是蒙脱石是一种典型的以水合阳离子及水分子作为层间物的3：1型粘土矿物，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，首先形成蒙脱石—伊利石混层矿物，进而
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