粘土巖-泥質(zhì)巖

1、長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 第五節(jié) 粘土巖（泥質(zhì)巖） Clayrocks（mudstones） 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 鈞窯三足瓷洗 （北宋） 景德鎮(zhèn)窯青花花 果紋黃彩瓷盤 （明弘治年間） 新石器時(shí)代桶形彩繪 陶罐（內(nèi)蒙古出土） 紫砂茶葉罐（清 乾隆年間） 青花瓷餐具 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 一、基本概念 粘 土 巖 以 粘 土 礦 物 為 主 （ 含 量 50

2、%）的沉積巖。 粘土疏松或未固結(jié)成巖的粘土礦物沉 積物，粒徑0.005mm（0.0039或 0.01mm）。 泥 質(zhì) 巖 主 要 是 由 粘 土 礦 物 及 粒 徑 50%）組成的沉積巖。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 粘土巖的主要組分粘土礦物大多數(shù)來(lái)自 母巖風(fēng)化的產(chǎn)物，并以懸浮方式搬運(yùn)至水盆 地，以機(jī)械沉積的方式而成。所以粘土巖應(yīng)歸 屬陸源碎屑沉積巖。 粘土巖是沉積巖中分布最廣的一類巖石， 約占沉積巖總量的60%（也有人認(rèn)為55%）。 粘土巖是主要的生油巖和良好的蓋層，同 時(shí)亦具有其它廣泛的工業(yè)使用價(jià)值。 長(zhǎng)江大學(xué)地球

3、科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 二、粘土巖的主要物理特性 1. 非滲透性 石油及天然氣在地下保存的良好蓋層 2. 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。 自然伽馬測(cè)井（U4，Th4，K） 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 3. 吸水膨脹性 蒙脫石吸水膨脹810倍 改善鉆井液性能（調(diào)節(jié)粘度） 利用中子伽馬測(cè)井解釋巖性 “水敏”堵塞孔隙喉道 4. 可塑性 水調(diào)和后造形，撤外力形不變 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geos

4、cience, Yangtze University 5. 耐火性 Al2O3Fe，TiO2，SiO2 6. 燒結(jié)性 粘土礦物在低于耐火度的低溫下局部熔 化，因而使質(zhì)點(diǎn)相互粘結(jié)成堅(jiān)硬的瓷質(zhì)石塊。 粘土熔融（從局部熔化至全部熔化成流體 的溫度范圍）范圍越大，工業(yè)價(jià)值越高。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 7. 粘結(jié)性（結(jié)合性能） 指粘土能與瘠性材料（摻入砂質(zhì)）粘合， 塑造出良好的泥壞，干燥后堅(jiān)實(shí)的性能。 8. 干縮性 指粘土沉積物風(fēng)干或加熱燒干后，由于質(zhì) 點(diǎn)表面結(jié)合水分的蒸發(fā)，而產(chǎn)生的體積收縮的 現(xiàn)象。 對(duì)于工業(yè)原料來(lái)說(shuō)，是

5、一種不利的性質(zhì)。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 三、粘土巖的物質(zhì)成分 礦物成分以粘土礦物為主，次為陸源碎屑 礦物、化學(xué)沉積的非粘土礦物及有機(jī)質(zhì)。 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。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University （一）粘土礦物（Clay minerals） 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。 1. 粘土礦物的結(jié)構(gòu) 粘土礦物的結(jié)構(gòu)由兩種基

6、本結(jié)構(gòu)層構(gòu)成： 硅氧四面體層和鋁氧八面體層或鐵氧八面體 層。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 硅氧四面體由一個(gè)硅與四個(gè)氧組成。 鋁氧八面體層主要由鋁與氧或氫氧離子的 八面體配位構(gòu)成的。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 當(dāng)八面體層中心由三價(jià)的陽(yáng)離子（Al3+ 、 Fe3+ ）充填時(shí)，則所有的八面體的中心，只有 三分之二被充填，必定有一個(gè)空位置，稱二八 面體型結(jié)構(gòu)（水鋁礦層Al-OH）。 當(dāng)八面體層中心由二價(jià)的陽(yáng)離子占據(jù)時(shí)， 則所有的八面體的中心全部被充填

7、，稱三八面 體型結(jié)構(gòu)（水鎂石層Mg-OH）。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 粘土礦物的結(jié)構(gòu)單位層有兩種類型： 高嶺石型：屬雙層型的結(jié)構(gòu)單位層（1:1型 ），由一個(gè)八面體層連接一個(gè)四面體層組成。 蒙脫石型：屬三層型的結(jié)構(gòu)單位層（2:1型 ），由兩層四面體夾一層八面體組成，伊利石 和綠泥石也屬三層型。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)

8、院 School of Geoscience, Yangtze University 除了以上四種常見的粘土礦物外，還有不 少的混層粘土，它是由兩種以上的粘土礦物的 結(jié)構(gòu)單位層在c軸方向交互疊置構(gòu)成的。 若兩種以上粘土礦物結(jié)構(gòu)單位層作有規(guī)律 的互層疊置，則稱有序混層；否則稱為無(wú)序混 層，如伊-蒙混層、綠-蒙混層、伊-綠混層等。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 2. 粘土礦物的類型 （1）高嶺石族 高嶺石、地開石、 珍珠陶

9、土，其化學(xué)式 為 Al4Si4O10 （ OH ） 8 或Al2O32SO22H2O 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 自生高嶺石充填孔隙 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 自生高嶺石集合體充填孔隙 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University （2）埃洛石（多水高嶺石）族 埃洛石（多水高嶺石）

10、Al4Si4O10OH84H2O 變埃洛石 Al4Si4O10OH8 埃洛石的晶體結(jié)構(gòu) （沿a軸投影） 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University （3）蒙脫石族 蒙脫石、拜來(lái)石、綠脫石、皂石等 蒙脫石（Al2， Mg3）Si4O10（OH）2nH2O 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University （4）水云母族 伊利石（水云母） K1Al2（Al，Si）Si3O10（OH）2nH2O 海綠石 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze U

11、niversity 砂巖中粒表和孔隙充填的伊利石，呈葉片-絲縷狀。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University （5）綠泥石族 正綠泥石（Mg，F(xiàn)e）p（Al，F(xiàn)e）pSi4-pO10（OH）8 鱗綠泥石 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University （6）海泡石族 海泡石（sepiolite）、坡縷石等 層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物。 成分為Mg4Si6O15（OH）26H2O。 斜方晶系。 世界最主要產(chǎn)地為土耳其的埃斯基謝希 爾。中國(guó)產(chǎn)地有江西樂平、湖南瀏陽(yáng)等。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院

12、 School of Geoscience, Yangtze University （二）非粘土礦物（Non-Clay minerals） 1. 陸源碎屑礦物 石英、長(zhǎng)石、云母、各種副礦物。 2. 化學(xué)沉積的自生礦物 主要有Fe、Mn、Al的氧化物和氫氧化物、 含水氧化硅、碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、氯化 物。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University （三）有機(jī)物質(zhì) （Organic materials） 粘土巖中常有數(shù)量不等的有機(jī)物質(zhì)。 有些粘土巖中含有大量的炭質(zhì)，是成煤的 原始有機(jī)物質(zhì)。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of

13、Geoscience, Yangtze University （四）粘土巖的化學(xué)成分 粘 土 巖 的 化 學(xué) 成 分 主 要 為SiO2 、Al2O3 、 H2O ，可達(dá)80% ，其次為Fe2O3、FeO、MgO、 CaO、Na2O、K2O等。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 四、粘土巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和顏色 Textures，structures and colors of clayrocks （一）粘土巖的結(jié)構(gòu)（Textures of clayrocks） 1. 按顆粒的相對(duì)含量劃分 粘土結(jié)構(gòu) 含粉砂（砂）粘土結(jié)構(gòu) 粉砂（

14、砂）質(zhì)粘土結(jié)構(gòu) 按照粘土質(zhì)點(diǎn)和粉砂（砂）相對(duì)含量劃分的粘土巖結(jié)構(gòu)類型 結(jié)構(gòu)類型 粘土及粉砂（砂）含量 粘土， 粉砂（砂）， 粘土結(jié)構(gòu) 含粉砂（砂）粘土結(jié)構(gòu) 粉砂（砂）質(zhì)粘土結(jié)構(gòu) 90 7590 5075 10 2510 5025 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 2. 按粘土礦物的結(jié)晶程度及晶體形態(tài)劃分 非晶質(zhì)結(jié)構(gòu) 隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu) 顯晶質(zhì)結(jié)構(gòu) 3. 鮞粒及豆粒結(jié)構(gòu) 4. 內(nèi)碎屑結(jié)構(gòu) 5. 殘余結(jié)構(gòu) 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University （二）粘土巖的構(gòu)造（Stru

15、ctures of clayrocks） 層理（水平層理、塊狀層理等） 宏觀構(gòu)造 顯微構(gòu)造 各種層面構(gòu)造（干裂、雨痕、） 水底滑動(dòng)構(gòu)造 顯微鱗片構(gòu)造 顯微氈狀構(gòu)造 顯微定向構(gòu)造 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University Ripple marks 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University Mud Cracks 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University Mud Cracks 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of

16、 Geoscience, Yangtze University （三）粘土巖的顏色（Colors of clayrocks） 粘土巖常見的顏色有紅、紫、褐黃、灰 綠、灰黑、黑色等，顏色的差異與粘土巖含的 有機(jī)碳、鐵離子的氧化狀態(tài)等因素有關(guān)。 土巖 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 五、粘土巖的分類（Classification of clayrocks） 粘土巖綜合分類 固結(jié)程度 結(jié) 構(gòu) （粉砂含量） 500m，孔隙度降低顯著變緩。 埋深2000m左右，孔隙度為1015%。 埋深4000m，孔隙度為510%（？）。 埋深60

17、00m，孔隙度為33.5%。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University （二）粘土礦物的轉(zhuǎn)化作用 （Inversion of clay minerals） 隨著埋藏深度的 增加、壓力和溫度的 增加，粘土礦物之間 將發(fā)生轉(zhuǎn)化作用。 不同地質(zhì)時(shí)代中粘土礦物的分布 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 淺埋條件下，粘土礦物可出現(xiàn)高嶺石和蒙 脫石；深埋條件下，這些礦物消失而轉(zhuǎn)化成伊 利石和綠泥石 。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangt

18、ze University 1. 高嶺石的轉(zhuǎn)化 高嶺石類的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?、伊利石或綠泥石。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 2. 蒙脫石的轉(zhuǎn)化 隨埋深的增加，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化。 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)，如果孔隙水為酸性，蒙 脫石則將向高嶺石轉(zhuǎn)化。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 3. 伊利石和綠泥石的轉(zhuǎn)化 伊利石和綠泥石在埋藏成巖過(guò)程中，若孔 隙水保持堿性，二者可保持穩(wěn)定而不發(fā)生變

19、 化。若孔隙水為酸性，則二者均不穩(wěn)定，并且 可以轉(zhuǎn)化為高嶺石。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。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 4. 混層粘土礦物的轉(zhuǎn)化 混層礦物為大多數(shù)粘土礦物轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn) 物，常起著粘土礦物轉(zhuǎn)化的指示劑作用。 在埋藏成巖過(guò)程中，混層粘土礦物顯示為 進(jìn)變作用過(guò)程。 在表生成巖環(huán)境中，若有混層粘土礦物， 表示粘土礦物逆向轉(zhuǎn)化為退變作用過(guò)程。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University （三）粘土礦物的脫水作用 （Dehydrat

20、ion of clay sediments） 孔隙水（粒間水、自由水） 存在于粘 土沉積物顆粒間的孔隙中，可以自由流動(dòng)。 吸附水（薄膜水） 由粘土顆粒表面的 吸附作用而形成在顆粒表的水化薄膜。 層間水（結(jié)晶水） 以水分子形式在在 于粘土礦物晶體結(jié)構(gòu)單元層之間的水。 結(jié)構(gòu)水（化合水）以O(shè)H-的形式出現(xiàn)于 粘土礦物晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 根據(jù)伯斯特（1969）的研究，蒙脫石轉(zhuǎn)化過(guò)程中 的脫水作用可劃分為三個(gè)階段： 第一階段：由壓實(shí)作用引起，埋深10001500m以 內(nèi)，所脫去的水為孔隙水和過(guò)量的層間水，

21、含水量減 至30%（2025%為層間水，510%為殘留孔隙水）。 第二階段：埋深1500m，地溫60130，主要是 熱力作用殘留層間水而轉(zhuǎn)化為混層粘土礦物。 第三階段：埋深2700m，地溫 130，脫去最后 一層殘余層間水，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔鞂拥囊晾?長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 粘土礦物的脫水過(guò)程，既是粘土礦物孔隙水、吸 附水和層間水含量逐漸減少的過(guò)程，也是粘土礦物向 混層粘土礦物轉(zhuǎn)化，最后變?yōu)樵谏顚虞^為穩(wěn)定的非混 層粘土礦物的過(guò)程，也是壓實(shí)作用進(jìn)行和油氣生成的 過(guò)程。 蒙脫石 脫水 生排烴 混層 伊利石 粘土 長(zhǎng)江大

22、學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University （四）粘土沉積物沉積后作用與油氣生成的關(guān)系 Relationship between postsedimentary changes of clay sediments and origin of petroleum 粘土沉積物與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系極為密切。在沉積過(guò)程 中，細(xì)粘土礦物最大限度地富集了有機(jī)質(zhì)。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，與粘土礦物有關(guān)的有機(jī)質(zhì)占沉積物中全部 有機(jī)質(zhì)的8085%，而蒙脫石粘土沉積物是有機(jī)質(zhì)最主 要的寄存者。 它們?cè)诼癫爻蓭r過(guò)程中隨埋深和地溫的增加一起發(fā) 生演化。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 蒙脫石和伊利石轉(zhuǎn)化與有機(jī)質(zhì)向石油轉(zhuǎn)化 有密切關(guān)系。 粘土礦物是有機(jī)質(zhì)向石油轉(zhuǎn)化的催化劑。 在早期，由于粘土礦物的存在促進(jìn)了脂肪 酸的脫羧基作用而形成長(zhǎng)鏈烷烴，這個(gè)過(guò)程大 致在地溫60、埋深1500m 、蒙脫石脫去大 量孔隙水的第一階段。 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 School of Geoscience, Yangtze University 此后，在蒙脫石向混層粘土轉(zhuǎn)化過(guò)程中，由 于脫水形成的酸性環(huán)境進(jìn)一步