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(lèi)和沉積后變化

本章重點(diǎn)１、粘土巖的概念２、粘土巖的類(lèi)型及特征３、粘土巖的成巖作用類(lèi)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(chǔ)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(xì)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(xì)小，主要是因?yàn)檎惩恋V物的粒徑細(xì)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(jī)械方式：來(lái)自母巖風(fēng)化的產(chǎn)物，以懸浮方式搬運(yùn)，以機(jī)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(jī)理，將粘土巖歸為細(xì)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(chǔ)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(jì)意義:富集稀有元素和稀土元素，形成工業(yè)礦床黑色頁(yè)巖和碳質(zhì)頁(yè)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(jī)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(lèi)。結(jié)晶質(zhì)粘土礦物具有層狀和鏈層狀兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，以層狀結(jié)構(gòu)粘土礦物最常見(jiàn)。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(lèi)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(lèi)型層間物族種層狀簡(jiǎn)單層狀1:1[Si4O10](OH)8有或無(wú)水分子高嶺石高嶺石、地開(kāi)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(yáng)離子或水化陽(yáng)離子蒙脫石蒙脫石、拜來(lái)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(wú)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(yáng)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(lèi)簡(jiǎn)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(chóng)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(xì)鱗片狀，電子顯微鏡下呈細(xì)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(xì)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(xì)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(jiàn)。高嶺石單個(gè)晶體：六邊鱗片狀。集合體：蠕蟲(chóng)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(jiàn)于蒙脫石和水云母族礦物。蒙脫石（膠嶺石、微晶高嶺石）細(xì)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(dá)二級(jí)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(gè)八面體層構(gòu)成。常見(jiàn)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(jiàn)）４、混層粘土礦物兩種或兩種以上不同類(lèi)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(wú)序（不規(guī)則）混層伊—蒙無(wú)序混層、綠—蒙無(wú)序混層、伊—蒙—綠無(wú)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(chóng)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(zhǎng)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(dá)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(yáng)離子類(lèi)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(jī)物質(zhì)有機(jī)質(zhì)：可做地化指標(biāo)，保存要低Eh值的還原環(huán)境。生油巖：富含有機(jī)質(zhì)（腐泥型）粘土巖。油頁(yè)巖：腐植型粘土巖結(jié)構(gòu)類(lèi)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(duì)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(jiàn)，僅見(jiàn)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(jiàn)，在偏光顯微鏡下難以識(shí)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(chóng)狀結(jié)構(gòu)。3、鮞粒及豆粒結(jié)構(gòu)粘土礦物在沉積過(guò)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(xì)紋層厚度小于1cm者稱為頁(yè)狀層理或頁(yè)理，頁(yè)理發(fā)育——頁(yè)巖，頁(yè)理不發(fā)育——泥巖。水平細(xì)紋層的厚度小于1mm者稱為紋理，也是較常見(jiàn)的粘土巖構(gòu)造。各種層面構(gòu)造（干裂、雨痕、蟲(chóng)跡等）生物擾動(dòng)構(gòu)造、生物遺跡同生變形構(gòu)造（水底滑動(dòng)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(jiàn)到的微觀構(gòu)造。(l)顯微鱗片構(gòu)造：由極細(xì)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(xì)小的鱗片狀、纖維狀粘土礦物錯(cuò)綜交織雜亂排列而成。在正交光下，纖體交錯(cuò)消光。(3)顯微定向構(gòu)造∶為極細(xì)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(shí)消光。三、粘土巖的顏色粘土巖顏色與粘土巖所含的有機(jī)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(jià)氧化鐵(赤鐵礦、褐鐵礦)所致，是強(qiáng)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(jī)質(zhì)和分散狀低價(jià)鐵的疏化物(如黃鐵礦)所致，為還原或強(qiáng)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(jī)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(qiáng)還原環(huán)境——富含有機(jī)質(zhì)和分散狀低價(jià)鐵的疏化物(如黃鐵礦)所致。２、紅色、紫紅色強(qiáng)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(lèi)和沉積后變化一、粘土巖的分類(lèi)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(qiáng)固結(jié)（重結(jié)晶礦物>50%）無(wú)頁(yè)理有頁(yè)理結(jié)構(gòu)（粉砂或砂含量）<10%粘土泥巖頁(yè)巖泥板巖10%-25%含粉砂（砂）粘土含粉砂（砂）泥巖含粉砂（砂）頁(yè)巖25%-50%粉砂（砂）質(zhì)粘土粉砂（砂）質(zhì)泥巖粉砂（砂）質(zhì)頁(yè)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(yè)巖蒙脫石蒙脫石粘土（膨潤(rùn)土）蒙脫石泥巖蒙脫石頁(yè)巖伊利石伊利石粘土伊利石泥巖伊利石頁(yè)巖海泡石海泡石粘土海泡石泥巖海泡石頁(yè)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(yè)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(yè)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(yè)巖混入物成分鈣質(zhì)—鈣質(zhì)泥巖鈣質(zhì)頁(yè)巖鐵質(zhì)鐵質(zhì)泥巖鐵質(zhì)頁(yè)巖硅質(zhì)硅質(zhì)泥巖硅質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)泥巖、暗（黑）色泥巖碳質(zhì)頁(yè)巖、黑色頁(yè)巖、油頁(yè)巖粘土巖的綜合分類(lèi)

第四節(jié)粘土巖的分類(lèi)和沉積后變化二、粘土沉積物的沉積后變化（一）、壓實(shí)作用粘土物質(zhì)沉積后處于軟泥狀態(tài)，原始孔隙度高達(dá)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(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，原始粘土沉積物孔隙度大大降低，體積縮小，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(guò)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(shí)變化(據(jù)Fuchtbauer,1978)(一)、壓實(shí)作用粘土沉積物在被壓實(shí)的過(guò)程中，隨著埋深增加，若處在一個(gè)較封閉的系統(tǒng)中，上覆沉積負(fù)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(dòng)的“欠壓實(shí)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(yáng)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(lèi)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(lèi)粘土礦物在埋藏成巖過(guò)程中的轉(zhuǎn)化趨勢(shì)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(guò)程中，高岒石（消失溫度80-140℃,通常90-110℃)將向同族礦物地開(kāi)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(huì)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(shí)，蒙脫石轉(zhuǎn)變?yōu)槊擅撌晾鞂诱惩粒ㄉ疃?200-3500m)，進(jìn)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(jìn)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(guò)程中重結(jié)晶作用強(qiáng)度的指示劑。孔隙水呈酸性，伊利石和綠泥石均不穩(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