第九讲 粘土岩

1、沉积学第九讲 粘土岩粘土岩的一般特征 粒度：0.0063mm0.0039mm粉砂 粒度：0.0039粘土 组成：母岩风化（悬移质）物理成因粘土矿物 化学成因（胶体凝聚，蚀变）的粘土矿物较少。粘土岩的物质成分 粘土岩的矿物成分以粘土矿物为主，次为陆源碎屑矿物、化学沉淀的非粘土矿物及有机质。其化学成分以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， 可分为非晶质和结晶质两类。 结晶质粘土矿物又分为层状和链层状两种结构类型。粘土矿物晶质的结构单元层类型层间物族种层状的简单层状的1:1 Si4O10(O

2、H)8有或无水分子高岭石高岭石、地开石、珍珠陶土等埃洛石埃洛石（多水高岭石）、变埃洛石等2:1 S4O10(OH)2阳离子或水化阳离子蒙脱石蒙脱石、拜来石、绿脱石、皂石水云母水云母（伊利石）、海绿石2:1:1 Si4O10(O H)2氢氧化物绿泥石各种绿泥石、单热石等混层状的有序混层水云母蒙脱石组合、绿泥石蒙脱石组合等无序混层水云母蒙脱石组合、水云母绿泥石组合水云母蒙脱石绿泥石组合等链层状的2:1水化阳离子海泡石海泡石、坡缕石（凹凸棒石）半晶质和非晶质的伊毛缟石、水铝英石等（二）非粘土矿物 非粘土矿物包括陆源碎屑矿物和化学沉淀的自生矿物。 陆源碎屑矿物中有石英、长石、云母、各种副矿物。其中最主

3、要的还是石英，呈单晶出现，圆度差，边缘较模糊，多分布于不纯的粘土岩中。化学沉淀的自生矿物 粘土岩中化学沉淀的自生矿物主要有铁、锰、铝的氧化物和氢氧化物（如赤铁矿、褐铁矿、水针铁矿、水铝石）、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）。 在粘土形成过程中生成的，其含量一般不超过5%，是粘土岩形成环境及成岩后生变化的重要标志。（三）有机质 有机质的丰度以岩石中剩余有机碳含量、氨基酸的总量以及氨基酸总量/剩余有机碳的比值作衡量标准。 剩余有机碳、氨基酸含量高、氨基酸/剩余有机碳比值低，则有机质丰度高，此类粘土岩即为良

4、好的生油岩。 有些粘土岩含有大量的分散炭质，是成煤的原始有机物质。粘土岩的化学成分 粘土岩的化学成分主要为SiO2、Al2O3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，化学成分变化较大，这主要取决于它的矿物成分、混入物、吸附的阳离子类型及含量。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。 粘土矿物常具有吸附各种离子的特征，常吸附的阴离子有PO43、SO42、CI、NO ,阳离子有3Ca2+、Mg2+、Na+、K+、H+及Cu2

5、+、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。 粘土岩的化学成分与沉积环境有一定关系。淡水粘土中高岭石含量较高，故K2O、MgO含量低于海相或泻湖相粘土；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。粘土岩的物理性质非渗透性 粘土岩颗粒细小，颗粒之间仅能形成微毛细管孔隙， 其直径0.2m。在这种孔隙中因流体与介质分子之间的巨大引力，在常温常压条件下，液体在其中不 能流动，即使在地层温度和压力条件下，也只能引 起流体呈分子或分子团状态扩散。 这种非渗透性，使粘土岩成为石油及天然气在地下保存的良好盖层。据统计，

6、世界上334个大油气田中，以粘土岩作为盖层者占65%。我国大庆及渤海湾地区各油田都是以粘土岩作为油气的盖层。粘土岩的物理性质吸附性 粘土矿物具有从周围介质中吸附各种离子、放射性元素及有机色素的能力。 由粘土矿物分子间力相互作用而产生的吸附称物理吸附，它与粘土的分散性有关。 由粘土颗粒与介质的离子交换而产生的吸附称离子交换吸附，它与粘土矿物的晶体结构有关。 蒙脱石，海泡石吸附性最强。 粘土矿物吸附放射性物质，沉积岩放射性强度随粘土矿物含量增高而增高，可用自然伽马测井来研究和划分井下地层剖面。粘土岩的物理性质吸水膨胀性 粘土矿物具有极强的吸水能力，它是粘土矿物水化 作用的表现。粘土矿物的水化作用可

7、分为两个阶段。第一阶段是粘土吸附的交换性阳离子的水化，第二 阶段是粘土矿物晶体层面的水化。 在粘土矿物中，以蒙脱石的水化能力最强，水化后体积膨胀可超过50%。粘土岩的结构粒度 粘土结构又称为泥质结构，几乎全由粘土质点组成， 砂或粉砂10%，以手触摸有油腻感，用小刀切刮 时，切面光滑，常呈现鱼鳞状或贝壳状断口。 含粉砂粘土结构（粉砂25-10%）和粉砂质粘土结构（粉砂50-25）。这两种结构的岩石用手触摸具粗糙感、刀切面不平整，断口粗糙。 含砂粘土结构（砂25-10% ）及砂质粘土结构（粉砂50-25）。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。粘土矿物的结构结晶程

8、度 非晶质结构：很少见，仅见于水铝英石质的粘土岩中。 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。 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23mm的蠕虫状，称蠕虫状结构。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2mm者称豆粒。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。内碎屑结构 同生成因的粘土质碎屑经再沉积并被粘土物

9、质胶结而成。残余结构 按原岩结构不同，可分为残余火山碎屑结构，残 余斑状结构等。它们多为粘土岩经热液蚀变而成。粘土岩的构造 粘土岩中常见的层理有水平层理和块状层理、层面干裂、雨痕、虫迹、结核、晶体印痕及水底滑动构造和液化构造等。 页理：水平细层的厚度1cm，且沿层理方向易剥裂成页片的构造称为页状层理或页理。它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。具有页理的粘土岩又称为页岩。 纹理：水平细层的厚度50%无页理有页理结构（粉砂或砂 含量10%粘土泥岩页岩泥板岩1025%含粉砂（砂）粘土含粉砂（砂）泥岩含粉砂（砂）页岩2550%粉砂（砂）质粘土粉砂（砂）质粘土岩粉砂（砂）质岩粘土矿物成

10、分高岭石高岭石粘土（高岭土）高岭石泥岩高岭石页岩蒙脱石蒙脱石粘土（膨润土）蒙脱石泥岩蒙脱石页岩伊利石伊利石粘土伊利石泥岩伊利石页岩海泡石海泡石粘土海泡石泥岩海泡石页岩高岭石、蒙脱石高岭石蒙脱石粘土高岭石蒙脱石泥岩高岭石蒙脱石页岩高岭石，伊利石高岭石伊利石粘土高岭石 伊利石泥岩高岭石伊利石页岩蒙脱石，伊利石蒙脱石伊利石粘土蒙脱石伊利石泥岩蒙脱石伊利石页岩混入物成分钙质钙质泥岩钙质页岩泥板岩铁质铁质泥岩铁质页岩硅质硅质泥岩硅质页岩有机质碳质泥岩暗（黑）色泥岩碳质页岩黑色页岩油页岩高岭石粘土岩 高岭石粘土岩的主要矿物成分为高岭石或多水高岭石，化学成 分特征是Al2O3含量高，常达30%以上，仅次于S

11、iO2的含量。 风化残积型：主要产于富铝硅酸盐矿物（如钾长石）的酸性和中酸性岩浆岩、变质岩及部分沉积岩的风化带中，并需要湿热的气候、平缓的地形及酸性介质环境。具备上述条件才能使母岩中的碱和碱土金属离子不断地被淋滤和转移。使高岭石原地富集。我国江西景德镇及湖南界牌的优质高岭石粘土岩就属此类。 沉积型：这类粘土岩的形成有两种方式，一种是母岩风化带中分解游离出来的SiO2和Al2O3以胶体状态被搬运至沉积盆地， 这两种不同名电荷胶体的相互作用生成高岭石；另一种是母岩分化带中的残余高岭石被搬运至沉积盆地，并以机械沉积方式堆积，多形成于湖泊、沼泽、河漫滩、牛轭湖等大陆环境及滨岸海洋环境，常赋存于煤系地层

12、中。蒙脱石粘土岩 蒙脱石粘土岩主要由蒙脱石组成，次为绿脱石、伊利石、伊利 石蒙脱石混层矿物，还常有长石、石英、蛋白石、方解石及未完全分解的火山凝灰质，有时也含有机质。 风化残积型：主要出现于中酸性火山岩及火山碎屑岩的风化带中，是火山玻璃及铝硅酸盐矿物在碱性介质条件下发生分解而 成。河北宣化、浙江余杭的蒙脱石粘土岩（膨润土）即属此类。 沉积型：火山喷发形成的海相或湖相火山碎屑沉积岩或沉火山碎屑岩，在成岩过程中随着火山玻璃的水解而带出碱和碱土金属元素，造成介质的碱性环境，促使火山玻璃向蒙脱石转化， 从而形成沉积型蒙脱石粘土岩。这类岩石主要分布于内陆湖泊、 海湾以及深海的大洋中脊或岛弧附近。我国吐鲁

13、番的托克 逊地区所产出者为海相成因，浙江临安所产者为内陆湖泊相沉积。伊利石粘土岩 伊利石粘土岩又称水云母粘土岩，是粘土岩中分布最广的一类。 其矿物成分以伊利石为主，次为蒙脱石、蒙脱石伊利石混层粘土矿物，其他见有石英、长石、重矿物及有机质。与其他类型粘土岩相比，碎屑物质含量较多，质纯者少。其化学成分特点是K2O含量高，可达37%。多呈粉砂质粘土结构，常见水 平层理，镜下常见毡状和鳞片状构造，多呈黄、灰、红色，亦有呈暗色者，这与此类岩石成分复杂、常富含有机质及不同化合价铁的化合物有关。 伊利石粘土岩形成条件广泛，大陆及海洋环境均可形成。随时 代的变老，此类岩石相对比例增多。老地层中几乎全为伊利石粘

14、土岩。这主要与成岩过程中粘土矿物的转化有关。海泡石粘土岩 海泡石粘土岩以未固结或弱固结的海泡石粘土为常见。质纯的 海泡石粘土，其矿物成分以海泡石为主，次为凹凸棒石、蒙脱石等粘土矿物，以及石英、方解石、天青石等非粘土混入物。 海泡石粘土呈黄褐、深灰、灰白色，土块状，质软而轻，手触 摸有滑感，具粘结性和可塑性，具有较好的热稳定性和抗盐的 稳定性，在淡水与饱和盐水中水化膨胀性能不变。 海泡石粘土岩皆为沉积成因，可形成于干燥气候带的盐湖环境、 海洋环境，甚至可形成于深海。我国的江西乐平、湖南浏阳、湘潭、石门、陕西宁强等地均分布有具工业价值的此类粘土， 为浅海、泻湖、海湾环境的产物。泥岩或页岩 钙质泥岩

15、和页岩：岩石中碳酸钙含量为2550%， 分布广，常见于大陆和海陆过渡环境及浅海环境的红色岩系中。 铁质泥岩和页岩：岩石中因含铁质色素而呈现各种颜色。含三价铁的氧化物如赤铁矿、针铁矿者，呈紫红、黄褐色；含二价铁的硅酸盐和硫化物者，如绿泥石、黄铁矿，呈绿色、灰绿色。此类岩石与砂岩共生构成所谓“红层”，红色的主要原因是沉积物在陆相干旱、半干旱气候的氧化环境中被三价铁渲染所致。 硅质泥岩和页岩：硅质页岩和泥岩中SiO2含量可达85%以上，随着游离SiO2的增加，可过渡为硅质岩。岩石几乎不含铁质和碳酸盐物质，硅质常呈隐晶质 或细粒结构。在富含高岭石的硅质泥岩和页岩中， 常含有硅藻、海绵和放射虫化石。硅质

16、泥岩和页岩 主要分布于海洋环境。 炭质页岩：含大量的炭化有机质，含碳量约3 15%，灰黑色、能染手，常含有大量植物化石，常出现于煤系地层，为煤层的顶底板或夹层。形成于湖泊、沼泽环境。粘土岩的研究意义 粘土岩是沉积岩中分布最广的一类，约占沉积岩总量的60%。 粘土岩重要的烃源岩，我国许多大型油气田 的生油岩多是粘土岩，而且它的渗透性极差， 可作为油气储集的良好盖层。 粘土矿物组合特征受源岩类型和气候环境变化的影响。尤其是在较大的空间和较长的时间尺度上，粘土矿物的种类与气候有紧密的相关性。X射线衍射法（XRD）分析粘土矿物 原样品经醋酸处理去除碳酸盐矿物，双氧水处理去除有机物以后，用离心法进行黏土

17、矿物分离，获得粒级小于2 um的黏土矿物； 采用自然沉降法制取定向样品，并进行X射线衍射(XRD)分析； 自然定向样品在60的乙二醇饱和蒸汽中恒温48 h， 制成乙二醇饱和样品，并进行XRD分析；阳极转靶X射线衍射仪 型号规格：D/max 2500VL/PC 国别厂家：日本理学公司主要技术指标：1、最大功率：18kw（60kV,300mA）2、测 角总精度：0.023、光路系统：聚焦/平行两套光路系统4、 铜靶，石墨单色器，闪烁计数管 5、高温装置，计算机处理系统和Jade应用软件。 南京师范大学 测试中心 半定量计算依据每种黏土矿物特征X射线衍射峰的面积分别乘 以Biscaye (1965)

18、给出的权重系数。粘土岩的沉积后作用 压实作用 粘土矿物的转化作用 粘土矿物的脱水作用压实作用 粘土物质沉积后，处于软泥状态，其原始孔隙度高达70 90%，孔隙中饱含自由水。随埋藏深度的增加，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，使得粘土沉积物的隙度大大降低，最后被压实固结成为粘土岩。 粘土沉积物在被压实的过程中，随深度增加，孔隙度降低速率显著变慢。 压实作用使片状质点趋于平行排列而形成定向构造。 粘土岩的压实作用常受到孔隙溶液中电解质浓度的影响。 粘土沉积物在压实过程中，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

19、性的可流动的所谓“欠压实泥岩”。粘土矿物的转化作用高岭石 高岭石多数在酸性水的作用下由长石以及其它铝硅酸盐矿物分 解而形成，酸性孔隙水是高岭石稳定存在的必要条件。 如果孔隙水始终保持其酸性特征，则随埋深的增加和地层压力的加大，高岭石将向结构有序度较高的同族矿物地开石转化，或有的情况下转化为珍珠陶土。 粘土矿物微粒间的孔隙水是碱性的，这使得高岭石常不稳定。 这时孔隙水中如有K+存在，则向伊利石转化，如孔隙水中有Ca2+、Na+或离子Mg2+存在，则可以转化成蒙脱石或绿泥石。 高岭石的存在和转化也和地层温度以及埋深有一定的关系，如 一般认为高岭石消失的最大温度区间为80140C，通常为90110C，相应的埋深区间为几百米到几千米。粘土矿物的转化作用蒙脱石 蒙脱石主要由火山灰及凝灰岩分解而成，碱性介质中形成。 在被埋藏后，随温度和压力的增加，层间水将逐渐被释放出来，造成层间塌陷，形成伊利石-蒙脱石混层（80110C） ，进而逐渐向伊利石转化（ 130180C ）。 除温度外，层间溶液的化学成分也起着至关重要的作用，因为如果溶液中有足够的K+离子存在，就可以在一定程度上降低转化的温度；而如果层间溶液中有Fe2+、Mg2+的存在，蒙脱石则可能形成蒙脱石- 绿泥石混层矿物，并最终转变为绿泥石。粘土矿物的转化作用 混