第二章 第四节 粘土矿物自生与转化

2、高岭石
高岭石族粘土矿物包括高岭石，地开石和珍珠陶土3种矿物。高岭石 族矿物的晶体结构以高岭石为代表。高岭石由一层Si—O四面体和一层Al— （O—H）八面体组成。
3、蒙皂石 现代的用法趋向于建立1个蒙皂石族（Semetite）来代替过去的蒙脱
石族。 蒙皂石又分为蒙脱石（在八面体层中Mg代替Al）和贝得石（在四面
399、颗粒表面生长伊利石 （霍3井，2022.91m，南屯组，SEM
335、伊利石呈峰窝状贴附于颗粒表面 （贝16井，1330.69 m，兴安岭群上部，SEM）
375、颗粒表面共生次生石英与伊利石 （贝16井, 1332.40m,兴安岭群,SEM）
373、颗粒表面生长伊利石，并粒间搭桥 （贝16井, 1330.46m,兴安岭群,SEM）
2、识别标志
标准
可靠性
出现频率
成分
1）纯度高
O
C
2）单矿物集合体
X
R
3）与邻近页岩显著不同
+
U
4）环状色带
O
R
形貌
5）晶体轮廓
+
C
6）精巧突出物
+
C
7）未变形
O
C
8）假象交代
+
R
构造
9）低温多型
+
？
10）高结晶度
O
U
结构
11）粒径分布断档（缺乏粉砂级）
X
C
12）大粒径
O
C
分布
13）在孔隙接触处缺乏孔隙衬层
蒙皂石的脱水作用可分为三个阶段：
第一阶段。埋深为1000～1500m，粘土脱去孔隙水与过量的 层间水（多于两层的），含水量减至30％（其中20％～25％为层 间水，5％～10％为残留孔隙水），脱水作用主要由压实作用 引起；
第二阶段。埋深大于1500m，地温为60～100℃，主要是热 力作用脱去残留层间水，转化为混合粘土。这一阶段失去的水 量为被压实体积的10％～15％，是原生孔隙水排出后最主要的 一次脱水作用；
硅氧四面体由一个硅和四个氧组成。硅位于四面体的中心，氧位于 四面体的角顶，每个四面体以底部二个角顶的氧原子与相邻四面体所共用、 在二维平面内构成具有六角网格的硅氧四面体层，每个四面体顶端剩下一 个带自由电荷的活性氧，并位于四团体层的同一侧。
铝氧八面体主要是由铝与氧和氢氧离子的八面体配位构成的，即 铝位于八面体中心．氧或氢氧离子位于八团体角顶(上下各三个)，当它们 连接成片时，便形成了八团体层。
1600～2700m I＋C＋K＋S/I 2700～3000 C＋I＋K 3000～3500 I＋C＋S/I
砂级岩石中的粘土矿物
埋深（m）
粘土矿物组合
600～820
S＋K＋I＋C
820～950
K＋I＋S/I＋S
950～1080
因而，人们相信，粘土矿物的脱水为石油初次运移提供了足 够的载体。
压实过程中蒙皂石的转化与生、排烃之间的关系（Powers，1967）
1-脱水变化；2-烃类生成和可能排出阶段；3-蒙皂石；4-混合粘土； 5-伊利石
3、伊利石和绿泥石 伊利石和绿泥石在酸性孔隙水内，两者均不稳定，甚至可
以消失或转化成高岭石
孔隙衬层
孔隙衬层或 孔隙充填 孔隙衬层或 孔隙充填 孔隙衬层
孔隙衬层
孔隙衬层
2-10
2-10 4-150 ， 通 常 4-20 8-40
0.1-10
2-12
2-12
特殊特征
锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？） 锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？） 锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？）
颗粒之间搭 桥 颗粒之间搭 桥 颗粒之间搭 桥
H2O，Na+，Ca2+
蒙皂石
火山玻璃
＋H2O；—Na+，Ca2+，K+
海绿石
伊利石
＋Fe2+，Fe3+；—K+，AI2O3
1、高岭石
A 表生或风化作用阶段 高岭石是在酸性介质的水与长石及其它硅酸盐矿物反应而成 或者由蒙脱石退化成高岭石
B 在成岩作用过程中 高岭石的存在与否主要与地球化学环境（pH和离子浓度）有关 随着pH值的增大，高岭石的稳定性减小 如有K离子存在，即转化成伊利石； 如有Ca2＋，Na2＋和Mg2＋存在，即转化成蒙皂石。
323、孔隙中共生绿泥石与次生石英 （霍3井，2028.94m，布达特群，SEM）
324、颗粒表面共生绿泥石与次生石英 （霍3井，2028.94m，布达特群，SEM）
A绿泥石
三、自生粘土矿物的形成机理
表 3—8 砂岩成岩过程中粘土矿物的成岩反应（Pttijohn，1982）
形成的粘土矿物
先驱矿物
在碱性孔隙水中，伊利石和绿泥石依然可存在，但在成岩 作用过程中结晶度增加
伊利石的结晶度可以作为古地温的恢复标志。
泥质沉积物中粘土矿物的成岩转化，对于相邻砂岩的胶结 作用具有十分重要的影响。
蒙脱石在转变成伊利石过程中将要把硅、钙、钠、铁和 镁释放到孔隙溶液中。
孔隙溶液可以把这些溶液的离子从泥岩中运移到砂岩中去, 其中：
带出带入的组分
高岭石
长石
—K+，SiO2；＋H2O
高岭石
＋AI2O3，SiO2，H2O
伊利石
高岭石
＋K+，SiO2；—AI2O3，H2O
白云母
高岭石
＋K+；—H2O
伊利石
蒙皂石
＋K+；—SiO2，H2O，Na+，
Ca2+，Mg2+，Fe2+等
绿泥石
蒙皂石
＋ Mg2+ ， Fe2+ ； — SiO2 ，
第二章 成岩作用方式
第四节 粘土矿物自生与转化
一、主要粘土矿物的矿物学特征 二、如何区别自生粘土矿物与碎屑粘土矿物 三、自生粘土矿物的形成机理 四、砂岩/泥岩中粘土矿物组合－埋深变化比较
一、主要粘土矿物的矿物学特征
1、结构特征
层状结构的粘土矿物由两种基本结构层组成。一种为铝氧 四面体层、另一种为硅氧八面体层或镁氧八面体层
如果有Fe2＋和Mg2＋离子存在，蒙脱石则通过蒙脱石－绿泥 石混合层转化成绿泥石
如果孔隙水是酸性的，蒙脱石也可形成高岭石 实际上，在成岩作用过程中，蒙脱石向伊利石和绿泥石的转化 往往要经由混合阶段，即，伊蒙混合／和伊／绿混合，其形成有 两个主要途径： 一是钾和钠的途径，可能通过钠板石类型的规则（有序）混层形成 伊利石 另一个是镁的途径，可能通过柯绿泥石类型的规则混层而形成绿泥石
结构单元层 四面体和八面体基本结构层在空间上彼此以一定规律结合就形成了
结构单元层。
1：1型：由一层四面体层和—层八面体层叠置并连接在一 起构成，以 高岭石为代表
2：1型：由两层四面体层夹一层八面体层构成、常见于蒙脱石和水云母 族矿物，称蒙脱石层
2：1：1型： 由1个2：1型结构单元层再叠置和连接一个似水镁石八面 体层构成，常见于绿泥石族矿物
第三阶段。埋藏继续加深，地温继续升高，脱去最后一层 残余层间水，转变为伊利石。
粘土矿物的脱水作用与石油的初次运移关系十分密切。蒙脱 石脱水第一阶段虽有大量孔隙水排出，但有机质还没有转化成烃 类。
蒙皂石向伊利石转化过程中形成的热解阶段脱水虽然时间短， 但脱水量大，并且在该时期有机质开始成熟形成烃类。
+
C
14）分散的孔隙充填
X
C
15）裂隙充填
+
R
16）缺乏早期成岩结核
+
C
17）覆盖较早阶段形成的成岩组分
+
C
18）纹理横向突然终结
+
R
19）单个板片放射状排列
O
C
20）medial suture
O
R
21)在颗粒接触处附近的搭桥
+
C
X-不可靠；O-通常可靠；+-非常可靠；R-罕见；C-常见；U-ubiquitous；？-未知
体层中Al代替Si）两个亚组。 蒙脱石有两个四面体层夹1个八面体层组成。
3、伊利石 伊利石并不是一种具体矿物。这个术语表示一组具有云母
构造的粘土矿物，过去称之为水云母。
二、如何区别自生与碎屑粘土矿物
1、识别手段 A 扫描电镜 B 电子探针 C 偏光显微镜 D x射线衍射分析（结晶度，伊利石） E 透射电子显微镜
376、伊利石贴附颗粒与充填孔隙 （贝16井, 1333.60m,兴安岭群,SEM）
413、孔隙充填的自生高岭石与自生伊利石 （贝19井，1409.07m，大磨拐河组，SEM）
377、粒间孔隙中共生伊利石与高岭石 （贝16井, 1331.75m,兴安岭群,SEM）
286、绿泥石脉 （贝14井，1770.70m，布达特群，单偏光）
硅质以石英次生加大边的形式沉淀下来 铁和镁离子则与高岭石一起转变成绿泥石 方解石转变成铁白云石或菱铁矿 钠则与钠长石化有关。
这说明在成岩作用过程中，泥质沉积物向砂质沉积物中的物质 转移是可信的。
四、砂岩/泥岩中粘土矿物组合－埋深变化比较
泥级岩石中的粘土矿物 埋深（m） 粘土矿物组合
800～1600 S＋I＋K±C
随着埋藏深度的增加，蒙脱石将转化成伊利石 Weaver（1959）早就提出，在埋深超过3048m处，蒙脱石变成蒙脱石— 伊利石混合粘土，同时随着埋深进一步增加，伊利石所占的比例增大。 Hower等（1976）在研究美国墨西哥湾地区渐新世—中新世页岩时， 发现该页岩的化学成分和矿物成分具有如下一些变化规律： （1）在2000～3000m的埋深范围内，蒙脱石——伊利石混合粘土中有不 足20％增加到80％，在此深度之下，伊利石层的含量保持不变。 （2）在上述埋深范围内，方解石含量从大约20％减少到零，钾长石含 量亦减少到零。 （3）页岩的总化学成分变化不大，但随方解石含量降低，CaO含量明显 减少。 （4）随埋深增加，绿泥石含量也有所增加。 （5）粒度<2μ 的部分（主要由伊利石－蒙脱石混合组成），K2O和Al2O3 大量增加，SiO2含量减少。
为什么蒙皂石能够转变成伊利石？ 晶体结构上式相似：二者都由两个四面体层和一个八面体层组成 层间充填差别：蒙皂石层间充填的是水分子
伊利石层间充填的是钾离子 蒙皂石转变成伊利石的首要条件是：在钾离子存在的条件下脱去水层， 其反应式如下：
A、钾长石＋蒙脱石→伊利石＋石英 B、K＋＋蒙脱石→伊利石＋绿泥石＋石英＋H＋
410、蒙皂石与高岭石 （霍6井，1647.02m，大磨拐河组，SEM）
371、粒间大孔隙，颗粒表面贴附蒙皂石 （贝16井, 1334.70m，兴安岭群,SEM）
394、粒间充填伊利石 （乌20井，2073.67m，南屯组，SEM）
395、伊利石贴附颗粒与充填孔隙 （乌20井，2077.09m，南屯组，SEM）
层间域： 在粘土矿物的晶体结构中，两个相邻的结构单元层之间的
空隙称为层间域。
层间域可以是空的，也可以有水分子或阳离子物质充填。 一个结构单元层加上和它祁邻的一个层间域组合向成的层状体 称为“单位构造层”，其厚度用d表示，不同粘土矿物因晶体结构 类型及层间物质不同，其d的数值亦不同，它们是粘土矿物鉴别 的重要数据。
根据钻孔资料，高岭石在一定的埋深条件下消失殆尽。 其消失的温度从80～190℃，深度从几百米到几千米。这说明 高岭石的稳定性并不严格地与温度和压力相关。
实际上，在深埋条件下地层水往往是碱性，所以不利于高岭石的 存在。因而，碱性介质环境是高岭石消失的根本原因。
2、蒙皂石
蒙脱石形成于淋滤作用有限并由镁离子供应的碱性条件下（Lewis,1984）
蒙皂石
372、孔壁贴附蒙皂石 （贝16井, 1343.48m,兴安岭群,SEM）
406、贴附碎屑颗粒表面的蒙皂石 （霍1井，1262.82m，大磨拐河组，SEM）
409、蒙皂石与自生石英 （霍1井，1259.06m，大磨拐河组，）
372、孔壁贴附蒙皂石 （贝16井, 1343.48m,兴安岭群,SEM）
需要的K来自泥质岩中存在的钾长石和云母的分解 反应析出的硅质以石英的形式沉淀下来，这一反应过程的 假设来自实验观察
例如Heling（1978）和Hower（1976）曾在2000～3700m的埋深范围内， 温度在45～90 oC之间发现，蒙脱石－伊利石混合中的伊利石的比例随埋深 增加而增加。在相同的深度/温度区间内，钾长石的百分含量减少到零，而细 粒石英或碎石的含量却增大约1倍
自生矿物 高岭石和迪 开石
绿泥石
伊利石 蒙皂石 混层蒙皂石/ 伊利石
表 3—7 常见自生粘土的特征（Wilson 和 Pittman，1976）
覆盖层的厚
单个鳞片的
与砂级碎屑 度或集合体
形貌源自文库
集合体样式 颗粒的关系
的长轴
（micron）
假六边形
书页状
孔隙充填
2-2500
一般 2-20
假六边形
蠕虫状
孔隙充填
10-2500 ， 一 般 20-200
假六边形
席状
孔隙充填
0.1-1
假六边形
卷曲的，边缘 圆化 边缘呈角状 或舌状 扇状纤维束
不规则状，具 真状突起
几乎是粒状 的，带有短粗 的针状突起
板状（二维卡 片房） 蜂巢状
玫瑰花状或 扇状 白菜头状
席状
皱纹席状或 蜂巢状 叠瓦状到参 差不齐的蜂 巢状
孔隙衬层