1、長江大學(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%）的沉積巖。粘土疏松或未固結(jié)成巖的粘土

2、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。長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze U

3、niversity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。自然伽馬測井（U4，Th4，K）長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University3. 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，撤外力形不變長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University5. 耐火性Al2O3Fe，TiO2，SiO26. 燒結(jié)

4、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。長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University7. 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。對于工業(yè)原料來說，是一種不利的性質(zhì)。長江大學(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

5、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)

6、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)的陽離子占據(jù)時(shí)，則所有的八面體的中心全部被充填，稱三八面體型結(jié)構(gòu)（水鎂石層Mg-OH）。長江大學(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

7、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。長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)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

8、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。長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University2. 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(xué)式為 Al4Si4O10 （ OH ） 8或Al2O32SO22H2O長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University自生高嶺石充填孔隙長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience,

9、 Yangtze University自生高嶺石集合體充填孔隙長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University長江大學(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）Al4Si4O10OH84H2O變埃洛石Al4Si4O10OH8埃洛石的晶體結(jié)構(gòu)（沿a軸投影）長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University（3）蒙脫石族蒙脫石、拜來石、綠脫石、皂石等蒙脫石（Al2， Mg3）Si4O10（OH）2nH

10、2O長江大學(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海綠石長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University砂巖中粒表和孔隙充填的伊利石，呈葉片-絲縷狀。長江大學(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鱗綠泥石長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yang

11、tze 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。中國產(chǎn)地有江西樂平、湖南瀏陽等。長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University（二）非粘土礦物（Non-Clay minerals）1. 陸源碎屑礦物石英、長石、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。長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience,

12、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)。長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of 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，str

13、uctures and colors of clayrocks（一）粘土巖的結(jié)構(gòu)（Textures of clayrocks）1. 按顆粒的相對含量劃分粘土結(jié)構(gòu)含粉砂（砂）粘土結(jié)構(gòu)粉砂（砂）質(zhì)粘土結(jié)構(gòu)按照粘土質(zhì)點(diǎn)和粉砂（砂）相對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)90759050751025105025長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University2. 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.

14、殘余結(jié)構(gòu)長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University（二）粘土巖的構(gòu)造（Structures 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)造長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze UniversityRipple marks長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze UniversityMud Cracks長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience

15、, Yangtze UniversityMud Cracks長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of 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，

16、孔隙度為1015%。埋深4000m，孔隙度為510%（？）。埋深6000m，孔隙度為33.5%。長江大學(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 。長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of

17、 Geoscience, Yangtze University1. 高嶺石的轉(zhuǎn)化高嶺石類的粘土礦物在埋藏成巖過程中的轉(zhuǎn)化趨勢是轉(zhuǎn)變?yōu)槊擅撌⒁晾蚓G泥石。長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University2. 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。長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University3. 伊利石和綠泥石的轉(zhuǎn)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

18、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(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。長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University4. 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。在埋藏成巖過程中，混層粘土礦物顯示為進(jìn)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(zhuǎn)化為退變作用過程。長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze University（三）粘土礦物的脫水作用（Dehydration of clay s

19、ediments）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量的層間水，含水量減至30%（2025%為層間水，510%為殘留孔

20、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ｉL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(zhuǎn)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(shí)作用進(jìn)行和油氣生成的過程。蒙脫石脫水生排烴混層 伊利石粘土長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院School of Geoscience, Yangtze Universi

21、ty（四）粘土沉積物沉積后作用與油氣生成的關(guān)系Relationship between postsedimentary changes ofclay 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。它們在埋藏成巖過程中隨埋深和地溫的增加一起發(fā)生演化。長江大學(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鏈烷烴，這個(gè)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。長江大學(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)化過程中，由于脫水形成的酸性環(huán)境進(jìn)一