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页岩

  粒径小于0.0039毫米的细碎屑含量大于50%、并含有大量粘土矿物沉积岩。又称粘土岩,疏松的称为粘土,固结的称为页岩和泥岩。泥质岩是分布最广的一类沉积岩。地球表面大陆沉积物中的69%是页岩,在整个地质时期所产生的沉积物中,页岩占80%。因此,泥质岩的系统研究,对地壳物质成分的演化,追溯地壳表层的发展史,推论古沉积环境都是非常重要的。大多数泥质岩是母岩风化产物中的细碎屑,呈悬浮状态被搬运到水盆地中,以机械方式沉积而成。由铝硅酸盐矿物的分解产物在原地堆积或在水盆地中通过胶体凝聚作用而形成的泥质岩是比较少见的。因此,从形成机理来看,泥质岩应属于陆源碎屑岩。

  泥质岩的物理性质,如可塑性、耐火性、烧结性、吸附性、吸水性等被广泛应用于各种工业中。在黑色页岩、炭质页岩中,发现了含镍、钼、钒、铅、铂、钯、铈、钇等元素的矿床。

目录

矿物组成

  主要由粘土矿物组成,其次为碎屑矿物如石英长石和少量自生非粘土矿物,包括铁、锰、铝的氧化物和氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、硫化物、硅质矿物,以及一些磷酸盐等。此外,还含有不定量的有机质。泥质岩的平均矿物成分为:粘土矿物占58%,石英28%,长石6%,碳酸盐矿物5%,氧化铁矿物2%。粘土矿物主要包括高岭石族、蒙脱石族和伊利石族矿物。它们的晶体结构、化学成分、物理性质均不相同,其成因也各异。高岭石是在雨量充沛、排水良好和酸性水中形成的,为热带和亚热带的典型产物。蒙脱石通常由火山玻璃蚀变而来,常见于碱性土壤中。在埋藏成岩作用中,蒙脱石将转变成伊利石。伊利石是数量最多的粘土矿物,大部分来源于先成页岩,也是深埋页岩的主要组分,其中伊利石常与绿泥石共生。

化学成分

  泥质岩的化学成分主要取决于它的矿物成分和所吸附离子的成分和含量。泥质岩的化学成分以SiO2、Al2O3和H2O为主,其中又以SiO2为最多。页岩的平均化学成分含量(%)为:SiO2 58.10, Al2O3 15.40,Fe2O3 4.02, FeO 2.45, MgO 2.44, CaO 3.11,Na2O 1.30, K2O 3.24, CO2 2.63, C 0.80, H2O 5.00。

  泥质岩中SiO2含量主要取决于石英含量,大部分CaO和少量MgO取决于碳酸盐矿物的多少。Al2O3、Fe2O3、FeO、Na2O、K2O主要赋存于粘土矿物中,这些氧化物的含量变化取决于不同的粘土矿物。

  沉积环境对泥质岩的化学成分也有一定的影响。如美国宾夕法尼亚系海成粘土比非海成粘土含有更多的钙。

结构和构造

  泥质岩常见结构有:①泥质结构。主要由小于4微米的颗粒组成,因而岩石致密均一。当含粉砂和砂时,则形成各种过渡类型结构,如粉砂泥质结构、砂泥质结构等。②鲕粒和豆粒结构。粘土质点围绕核心凝聚而成,直径小于2毫米的称鲕粒,大于2毫米的称豆粒,常见于胶体成因的粘土岩中。③同生砾屑结构。粘土物质沉积后,尚未完全固结,受到流水冲刷形成砾屑,又被粘土物质胶结而成。粘土岩的构造分宏观构造和显微构造。宏观构造中最显著的是由于粘土矿物的定向排列而呈现出的剥裂性,在页岩中最常见。常见的显微构造有:由极细小的鳞片状粘土矿物杂乱分布而成的鳞片构造,多见于泥岩中;由纤维状粘土矿物错综交织而成的毡状构造和由片状粘土矿物定向排列而成的定向构造。常在静水环境中形成,也可以是压实作用的结果。

主要岩石类型

  泥质岩的主要岩类有下列几种:①高岭石粘土(岩),又称高岭土,因首先发现于中国江西景德镇附近的高岭村而得名。主要由高岭石组成,质纯者其含量可达90%以上,其次是埃洛石和伊利石,混入物有石英长石云母黄铁矿菱铁矿和有机质等。其化学成分主要是SiO2、Al2O3和H2O。岩石多呈白、灰等色,含杂质时色变深。致密块状或疏松土状,有腻滑感,可塑性低,粘结性小,耐火度高,可达1770~1790℃,具良好的绝缘性和化学稳定性。主要作造纸涂料、填料、橡胶、塑料、油漆填料和陶瓷原料。用高岭土制合成沸石,可用于气体和液体的吸附、干燥、分离净化,以及石油的催化、裂化等。高岭石粘土(岩)可分为风化残积型和沉积型。前者主要发育在酸性及中酸性侵入岩的风化壳中,在温暖潮湿的气候条件下,由铝硅酸盐矿物分解而成。著名产地有江西景德镇、湖南衡阳等地。后者是由SiO2和Al2O3胶体在酸性介质中凝聚而成,也可以是风化残积型高岭土(岩)的侵蚀破坏产物,以机械方式沉积而成。中国晚古生代和部分中生代含煤岩系中沉积型高岭土(岩)的储量远大于风化残积型高岭土(岩)。著名产地有河北唐山、山东淄博等地。中国许多煤田中发现有一种高岭石泥岩,呈煤层夹矸产出,几乎由纯高岭石组成,是一种优质高岭土矿床,厚度不大,但层位稳定,分布范围广泛,可作地层和煤层对比标志。在高岭石泥岩中,发现了高温石英、透长石以及自形锆石、磷灰石和褐色黑云母等特殊重矿物,结合它的地质产状,使人们相信,火山灰降落,后经蚀变是高岭石泥岩的形成机理。②蒙脱石粘土(岩),主要由蒙脱石组成,常含少量白云母、绿泥石、碳酸盐矿物、石膏、有机质以及未分解的火山凝灰物质等。岩石常呈白、粉红、淡绿、浅黄等色。吸水性、可塑性和粘结性强,但耐火度弱。按其工艺性能和用途,又分为膨润土(又称斑脱岩)和漂白土。膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的粘土,具有极强的吸水性,吸水后,体积可膨胀10~30倍,还具有很强的阳离子交换性能。按化学成分可分为钠基膨润土和钙基膨润土。膨润土在石油化工、制糖、油脂工业中用作脱色剂,铸造工业中作粘结剂,钻探中作泥浆材料。漂白土是一种胶质粘土,成分与膨润土相似,但钙多、钠少,吸附性能强,在精炼石油产品及精制矿物油和植物油时,作为脱色剂或漂白剂。中国主要产地有吉林舒兰,浙江余杭、临安,江苏江宁,新疆托克逊等地。蒙脱石粘土(岩)是凝灰岩或玻璃质喷出岩,在碱性介质(pH=7~8.5)中,在海水或地下水的作用下的分解产物,堆积于原地或沉积于湖泊、海湾以及深海中而成。③伊利石粘土(岩),是以伊利石为主的分布最广的一类粘土(岩),但经常含有其他粘土矿物,以及石英、长石、云母等碎屑和有机质。岩石常呈灰、黄褐等色,水平层理发育。由于常含较多杂质,一般仅作粗陶瓷制品及制砖瓦原料。伊利石粘土(岩)在大陆及海洋环境中均可生成。地层时代越老,其相对含量也越大,这与成岩作用有关。④泥岩和页岩。泥岩是块状的不具纹理或页理的泥质岩,页岩是具纹理或页理的泥质岩(见彩图)。这两种岩石成分以伊利石为主,此外常含其他粘土矿物和一些碎屑矿物及某些自生矿物。按混入物的化学成分,又可划为:含CaCO3 (<25%)的,称为钙质泥岩和钙质页岩。含铁离子时,岩石呈红、紫红、灰绿等色,称为铁质泥岩和铁质页岩。富含SiO2(含量可达85%以上)的,称为硅质泥岩和硅质页岩。含大量碳化有机质的,称为碳质泥岩和碳质页岩。含较多有机质和细分散的硫化铁而显黑色的,称为黑色泥岩和黑色页岩。黑色页岩中常有各种金属元素,有时达工业品位。黑色页岩中铱和碳的异常含量,以及它在某些地质时期(如前寒武纪、早古生代、石炭纪等)在世界范围内的广泛分布,引起地质学家的极大注意。认为黑色页岩是在不寻常的缺氧事件下形成的。含一定数量干酪根(>10%)的页岩,称为油页岩,可从中提取若干有用气体和焦油。

成岩作用

  泥质岩在成岩阶段主要发生压实作用和矿物成分的转变。软泥中富含水,其水分多达总体积的70~90%。在上覆地层的压实作用下,排出大部分的水。因此,在深度1公里左右,泥质沉积物仅含30%的水,此时已形成泥质岩。随着埋深加大,发生不同程度的脱水作用,最后泥质岩中只剩下百分之几的水。矿物成分的转变主要是由于埋深增加而温度逐渐升高。蒙脱石在地温 75~95℃时开始变成混层粘土(如蒙脱石-伊利石),地温增至150℃以上时,逐渐转化为伊利石和绿泥石。高岭石在100℃以上时,当孔隙溶液中[K+]/[H+]比值升高时,转变成伊利石。当过渡到初始变质(温度为200~300℃,压力为1×108~2×108帕)时,可出现叶蜡石和浊沸石。随着初始变质程度的加强和继之而来的低级变质作用,最后,伊利石被绢云母和绿泥石代替。因此,研究粘土矿物在成岩作用中的转变,可以提供重要的地热信息,指示石油的生成、保存和煤级的变化。

  参考书目

  F.J.Pettijohn, Sedimentary Rocks, 3rd ed., Horper and Row Publishers, New York, 1975.

  P. E. Potter,J. B. Maynard, W. A. Pryor, Sedi-mentology of Shale Study Guide and Reference Source,Springer-Verlag, New York, 1980.

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