第八章 粘土巖

第八章粘土巖長江大學地球科學學院第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院景德鎮(zhèn)窯青花花果紋黃彩瓷盤（明弘治年間）鈞窯三足瓷洗（北宋）新石器時代桶形彩繪陶罐（內蒙古出土）

紫砂茶葉罐（清乾隆年間）青花瓷餐具第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院一、基本概念

粘土巖——以粘土礦物為主（含量>50%）的沉積巖。

粘土——疏松或未固結成巖的粘土礦物沉積物，粒徑<0.005mm（0.0039或0.01mm）。

泥質巖——主要是由粘土礦物及粒徑<0.0039mm的細碎屑（>50%）組成的沉積巖。第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院粘土巖的主要組分—粘土礦物大多數(shù)來自母巖風化的產(chǎn)物，并以懸浮方式搬運至水盆地，以機械沉積的方式而成。所以粘土巖應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%（也有人認為55%）。粘土巖是主要的生油巖和良好的蓋層，同時亦具有其它廣泛的工業(yè)使用價值。第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院

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中吸附各種離子、放射性元素及有機色素的能力。自然伽馬測井（U4＋，Th4＋，K＋）改善鉆井液性能（調節(jié)粘度）

3.吸水膨脹性：蒙脫石吸水膨脹8～10倍二、粘土巖的主要物理特性第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院

4.可塑性水調和后造形，撤外力形不變

5.耐火性Al2O3——Fe，TiO2，SiO2

6.燒結性粘土礦物在低于耐火度的低溫下局部熔化，因而使質點相互粘結成堅硬的瓷質石塊。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)價值越高。第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院7.粘結性（結合性能）

指粘土能與瘠性材料（摻入砂質）粘合，塑造出良好的泥壞，干燥后堅實的性能。

8.干縮性指粘土沉積物風干或加熱燒干后，由于質點表面結合水分的蒸發(fā)，而產(chǎn)生的體積收縮的現(xiàn)象。對于工業(yè)原料來說，是一種不利的性質。第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院礦物成分以粘土礦物為主，次為陸源碎屑礦物、化學沉積的非粘土礦物及有機質?；瘜W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。三、粘土巖的物質成分第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院

（一）粘土礦物（Clayminerals）粘土礦物是一種含水的硅酸鹽或鋁硅酸鹽，可分為非晶質和結晶質兩類。粘土礦物的結構由兩種基本結構層構成：硅氧四面體層和鋁氧八面體層或鐵氧八面體層。1.粘土礦物的結構第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院硅氧四面體由一個硅與四個氧組成

鋁氧八面體層主要由鋁與氧或氫氧離子的八面體配位構成的第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院粘土礦物的結構單位層有兩種類型：

蒙脫石型：屬三層型的結構單位層（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。

高嶺石型：屬雙層型的結構單位層（1:1型），由一個八面體層連接一個四面體層組成。第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院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構單位層在c軸方向交互疊置構成的。若兩種以上粘土礦物結構單位層作有規(guī)律的互層疊置，則稱有序混層；否則稱為無序混層，如伊-蒙混層、綠-蒙混層、伊-綠混層等。第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院2.粘土礦物的類型（1）高嶺石族高嶺石、地開石、珍珠陶土，其化學式為Al4[Si4O10]（OH）8或Al2O3·2SO2·2H2O第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院自生高嶺石充填孔隙第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院自生高嶺石集合體充填孔隙第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（2）埃洛石（多水高嶺石）族埃洛石（多水高嶺石）Al4[Si4O10][OH]8·4H2O變埃洛石Al4[Si4O10][OH]8

埃洛石的晶體結構（沿a軸投影）第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（3）蒙脫石族蒙脫石、拜來石、綠脫石、皂石等蒙脫石（Al2，Mg3）[Si4O10]（OH）2·nH2O第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（4）水云母族伊利石（水云母）K1Al2[（Al，Si）Si3O10]（OH）2·nH2O海綠石第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院砂巖中粒表和孔隙充填的伊利石，呈葉片-絲縷狀。第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（5）綠泥石族正綠泥石（Mg，F(xiàn)e）p[（Al，F(xiàn)e）pSi4-pO10]（OH）8鱗綠泥石第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院

（6）海泡石族海泡石（sepiolite）、坡縷石等層狀結構硅酸鹽礦物。成分為Mg4Si6O15（OH）2·6H2O。斜方晶系。世界最主要產(chǎn)地為土耳其的埃斯基謝希爾。中國產(chǎn)地有江西樂平、湖南瀏陽等。第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（二）非粘土礦物（Non-Clayminerals）1.陸源碎屑礦物石英、長石、云母、各種副礦物。2.化學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。第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（三）有機物質（Organicmaterials）

有些粘土巖中含有大量的炭質，是成煤的原始有機物質。粘土巖中常有數(shù)量不等的有機物質第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（四）粘土巖的化學成分

粘土巖的化學成分主要為SiO2、Al2O3、H2O，可達80%，其次為Fe2O3、FeO、MgO、CaO、Na2O、K2O等。第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（一）粘土巖的結構（Texturesofclayrocks）

1.按顆粒的相對含量劃分含粉砂（砂）粘土結構粘土結構粉砂（砂）質粘土結構四、粘土巖的結構、構造和顏色Textures，structuresandcolorsofclayrocks結構類型粘土及粉砂（砂）含量粘土，％粉砂（砂），％粘土結構>90<10含粉砂（砂）粘土結構75~9025~10粉砂（砂）質粘土結構50~7550~25按照粘土質點和粉砂（砂）相對含量劃分的粘土巖結構類型第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院2.按粘土礦物的結晶程度及晶體形態(tài)劃分隱晶質結構非晶質結構顯晶質結構3.鮞粒及豆粒結構5.殘余結構4.內碎屑結構第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（二）粘土巖的構造（Structuresofclayrocks）

各種層面構造（干裂、雨痕、……）層理（水平層理、塊狀層理等）水底滑動構造宏觀構造顯微氈狀構造顯微鱗片構造顯微定向構造顯微構造第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院Ripplemarks第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院MudCracks第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院MudCracks第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（三）粘土巖的顏色（Colorsofclayrocks）

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碳、鐵離子的氧化狀態(tài)等因素有關。第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院固結程度結構（粉砂含量）粘土礦物成分混入物成分<5%?5?~25%25~50%未固結-弱固結泥(粘土)含粉砂泥(粘土)粉砂質泥(粘土)高嶺石粘土、蒙脫石粘土、伊利石粘土固結無紋層無頁理泥巖含粉砂泥巖粉砂質泥巖高嶺石粘土巖伊利石粘土巖蒙脫石粘土巖高嶺石-伊利石粘土巖鈣質泥巖鐵質泥巖硅質泥巖有紋層有頁理頁巖含粉砂頁巖粉砂質頁巖鈣質頁巖、碳質頁巖鐵質頁巖、黑色頁巖硅質頁巖、油頁巖強固結泥板巖五、粘土巖的分類（Classificationofclayrocks）

第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（一）壓實作用（Compaction）

粘土物質沉積后，處于軟泥狀態(tài)，其原始孔隙度達70~90%，孔隙中飽含自由水。粘土沉積物的沉積后變化——主要表現(xiàn)為壓實作用、粘土礦物的轉化作用和脫水作用。六、粘土沉積物的沉積后變化第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院埋深300~500m，孔隙水很容易排出，孔隙度急劇降低。埋深>500m，孔隙度降低顯著變緩。埋深2000m左右，孔隙度為10~15%。埋深4000m，孔隙度為5~10%。埋深6000m，孔隙度為3~3.5%。隨著埋藏深度的增加，在上覆水體和沉積物負荷的重壓下，粘土質點將重新排列、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，最后被壓固結成為粘土巖。第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（二）粘土礦物的轉化作用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)生轉化作用。（Inversionofclayminerals）不同地質時代中粘土礦物的分布第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院淺埋條件下，粘土礦物可出現(xiàn)高嶺石和蒙脫石；深埋條件下，這些礦物消失而轉化成伊利石和綠泥石。第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院

1.高嶺石的轉化高嶺石類的粘土礦物在埋藏成巖過程中的轉化趨勢是轉變?yōu)槊擅撌?、伊利石或綠泥石。第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院

2.蒙脫石的轉化隨埋深的增加，蒙脫石向伊利石轉化。蒙脫石向伊利石或綠泥石轉化的重要條件是孔隙水為堿性介質，如果孔隙水為酸性，蒙脫石則將向高嶺石轉化。第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院

3.伊利石和綠泥石的轉化伊利石和綠泥石在埋藏成巖過程中，若孔隙水保持堿性，二者可保持穩(wěn)定而不發(fā)生變化。若孔隙水為酸性，則二者均不穩(wěn)定，并且可以轉化為高嶺石。這種逆向轉化是一種退變作用，常出現(xiàn)于表生成巖環(huán)境。第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院

4.混層粘土礦物的轉化

混層礦物為大多數(shù)粘土礦物轉化的中間產(chǎn)物，常起著粘土礦物轉化的指示劑作用。在埋藏成巖過程中，混層粘土礦物顯示為進變作用過程。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化為退變作用過程。第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（三）粘土礦物的脫水作用

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。（Dehydrationofclaysediments）

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（結晶水）——以水分子形式在在于粘土礦物晶體結構單元層之間的水。

結構水（化合水）——以OH-的形式出現(xiàn)于粘土礦物晶體結構內部。第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院

第一階段，由壓實作用引起，埋深1000~1500m以內，所脫去的水為孔隙水和過量的層間水，含水量減至30%（20~25%為層間水，5~10%為殘留孔隙水）。根據(jù)伯斯特（1969）的研究，蒙脫石轉化過程中的脫水作用可劃分為三個階段：

第二階段，埋深>1500m，地溫60~130℃，主要是熱力作用殘留層間水而轉化為混層粘土礦物。

第三階段，埋深>2700m，地溫>130℃，脫去最后一層殘余層間水，最終轉變?yōu)榉腔鞂拥囊晾?。第四十七頁，共五十六頁，編輯?023年，星期五長江大學地球科學學院粘土礦物的脫水過程，既是粘土礦物孔隙水、吸附水和層間水含量逐漸減少的過程，也是粘土礦物向混層粘土礦物轉化，最后變?yōu)樵谏顚虞^為穩(wěn)定的非混層粘土礦物的過程，也是壓實作用進行和油氣生成的過程。蒙脫石伊利石脫水生排烴混層粘土第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院（四）粘土沉積物沉積后作用與油氣生成的關系粘土沉積物與有機質的關系極為密切。在沉積過程中，細粘土礦物最大限度地富集了有機質。Relationshipbetweenpostsedimentarychangesofclaysedimentsandoriginofpetroleum

據(jù)統(tǒng)計，與粘土礦物有關的有機質占沉積物中全部有機質的80~85%，而蒙脫石粘土沉積物是有機質最主要的寄存者。它們在埋藏成巖過程中隨埋深和地溫的增加一起發(fā)生演化。第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五長江大學地球科學學院在早期，由于粘土礦物的存在促進了脂肪酸的脫羧基作用而形成長鏈烷烴，這個過程大致在地溫<60℃、埋深<1500m、蒙脫石脫去大量孔隙水的第一階段。

蒙脫石和伊利石轉化與有機質向石油轉化有密切關系。粘土礦物是有機質向石油轉化的催化劑。第五十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五