兖州矿区红层砂岩中自生绿泥石的产状和成因.pdf

中国矿业大学学报990 113 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第1期 第2 8 卷 Vo l . 2 8 No . 1 1999 兖州矿区红层砂岩中自生绿泥石的产状和成因* 韩宝平 冯启言 摘要 运用带有X射线能谱仪的扫描电子显微镜，详细研究了兖州矿区上侏罗统红层 砂岩中自生绿泥石的产状、成因及其水文地质意义. 根据其在砂岩孔隙中的分布特征及 其与颗粒骨架的关系，自生绿泥石的产状可分为网膜式，渡桥式和填隙式 玫瑰花状集 合体 3种；依据扫描电镜图片中矿物间的赋存关系并参考其化学成分、矿物成分和成 岩环境，自生绿泥石的成因被划分为高岭石蚀变形、钾长石蚀变形和酸性热液生成3 类. 关键词 自生绿泥石，红层，扫描电子显微镜，兖州矿区 中图分类号 P 6 41. 134 O c c u r r e n c e a n d G e n e s i s o f A u t h i g e n i c Ch l o r i t e i n La t e Ju r a s s i c Re d Be d Sa n d s t o n e i n Ya n z h o u Co a l M i n i n g A r e a H a n Ba o p i n g Fe n g Q i y a n Co l l e g e o f M i n e r a l Re s o u r c e a n d En v i r o n m e n t Sc i e n c e , CU M T , Xu z h o u 2 2 10 0 8 A b s t r a c t U s i n g s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e w i t h X-r a y e n e r g y -d i s p e r s i v e s p e c t r o m e t e r , t h e a u t h o r s s t u d i e d t h e o c c u r r e n c e a n d g e n e s i s o f a u t h i g e n i c c h l o r i t e i n La t e Ju r a s s i c r e d b e d s a n d s t o n e i n Ya n z h o u Co a l M i n i n g A r e a . A c c o r d i n g t o i t s o c c u r r e n c e f e a t u r e i n p o r e s o r f i s s u r e s a n d r e l a t i o n s h i p w i t h g r a i n , a u t h i g e n i c c h l o r i t e s c a n b e d i v i d e d i n t o t h e f o l l o w i n g t h r e e t y p e s n e t f i l m -l i k e g r a i n -c o a t i n g , b r i d g e -l i k e b e t w e e n p o r e o r f i s s u r e s a n d p o r e -f i l l i n g r o s e t t e -l i k e c l u s t e r s o f c r y s t a l p l a t e s . Ba s e d o n i t s o c c u r r e n c e f e a t r u e a n d r e l a t i o n s w i t h o t h e r m i n e r a l s , a n d t a k i n g i n t o a c c o u n t o f c h e m i c a l , m i n e r a l c o m p o s i t i o n a n d d i a g e n e t i c e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s o f r e d b e d , t h e a u t h i g e n i c c h l o r i t e c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e g e n e t i c t y p e s k a o l i n i t e c h l o r i z a t i o n t y p e , p o t a s s i u m f e l d s p a r c h l o r i t i z a t i o n t y p e a n d t h e t y p e f o r m e d b y a c i d i c t h e r m a l f l o w f r o m i n t r u s i v e r o c k . K e y w o r d s a u t h i g e n i c c h l o r i t e , r e d b e d , SEM , Ya n z h o u Co a l M i n i n g A r e a 1 兖州矿区红层简况 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 113. h t m （第 1／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 42 中国矿业大学学报990 113 在兖州矿区，上侏罗统蒙阴组 J3 为一套紫红色为主的泥岩，粉细砂岩、中粗砂岩 及砾岩沉积建造，俗称红层，它被覆盖于第四系之下，不整合于煤系地层之上，在兖 州向斜轴部最大残厚达7 94. 8 6 m ，埋深31. 7 6 ～195. 40 m ［1］. 红层中含有孔隙裂隙水，成 为南屯和鲍店等煤矿的主要顶板充水水源. 我们的研究表明红层的富水性与孔隙的发 育及自生绿泥石充填程度直接相关. 2 红层中自生绿泥石的形态与产状 利用带有X-射线能谱仪 能够定点定面地分析其化学成分 的电子扫描显微镜，我 们详细研究了兖州矿区12 个钻孔岩芯中粘土矿物的特征. 红层砂岩中，颗粒以石英、长石为主，少量为岩屑团块；胶结物则以粘土矿物为 主，绿泥石、伊利石、高岭石、水云母、蒙脱石均有，但是最为常见者则是叶片状绿 泥石. 根据其特征和成因可把绿泥石分为陆源原生的和成岩过程中自生的两大类，前者 由于经过搬运，磨蚀等，一般晶形不好，而且受后期沉积压实作用影响，常有弯曲变 形，破裂等特点 照片1 . 自生绿泥石是在成岩过程中在砂粒间的孔隙中结晶形成的，因 此大多晶形完好，边缘规则清晰，多为5～10 μm 的叶片状、花瓣状，其集合体多为 蜂窝状 照片2 、花朵状和玫瑰花瓣状 照片7 ～9 . f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 113. h t m （第 2 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 42 中国矿业大学学报990 113 根据其形态并结合X射线能谱分析，蜂窝状绿泥石网膜多为成岩初中期的产物， 属于Ib型富铁绿泥石 图1 . 而花瓣状绿泥石则为成岩中晚期的产物，属Ⅱb型富镁绿泥石 图2 ［2 ，3］. 这与红层的宏观特征是吻合的，前者主要产于兖州向斜中，红层松散易 碎，甚至手捏即破，岩石成熟度低，强度小多属软岩；而后者主要产于济东煤田中， 红层胶结致密、坚硬，岩石成熟度高，多属中硬岩范围. 图1 照片2 中绿泥石能谱曲线 其中金为扫描制样时所喷金膜 Fi g . 1 ED X s p e c t r u m o f a u t h i g e n i c c h l o r i t e o f p h o t o 2 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 113. h t m （第 3／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 42 中国矿业大学学报990 113 图2 照片7 中绿泥石的能谱曲线 Fi g . 2 ED X s p e c t r u m o f a u t h i g e n i c c h l o r i t e o f p h o t o 7 根据自生绿泥石在砂岩孔隙中的分布特征及其与砂岩颗粒的相互关系，可将绿泥 石的产状分为3类. 1 网膜式 绿泥石在碎屑颗粒表面呈定向排列，并相互联接形成蜂窝状网膜 照片 2 ～4 ，而且在网膜边缘有类似人工毛线织物状加密强化现象 照片3 ，在中粗砂岩中多 见. 2 渡桥式 绿泥石自颗粒表面向孔隙中垂直生长，生长快者可到达孔隙的彼岸， 在孔隙中形成绿泥石渡桥 照片5，6 ，其间有空洞存在. 3 填隙式 以花朵状、花瓣状集合体充填于砂岩颗粒之间的孔隙中 照片7 ，8 或 微裂隙壁上 照片9 ，首先从孔隙壁上向外生长，位于孔隙中心者因生长空间大而晶形 发育最规则、最完整，个体亦大，在填隙式生长后期，由于空间限制故相互穿插生长 者增多而且受到孔隙壁的制约 照片7 ，中左上角 . 红层砂岩中的绿泥石许多情况下都与次生石英晶体共生 照片15～18 ，而且受渗流 影响石英晶体定向生长，这对揭示其成因具有重要意义. 3 自生绿泥石的成因 自生绿泥石的生成与颗粒骨架的成分、孔隙水化学成份、成岩时温度、压力等诸 因素有关. 根据2 0 0 余块岩样扫描电镜观察，结合化学成分、矿物成分分析结果，我们可 以讨论本区自生绿泥石的成因. 层位稳定全区可对比的红层典型层位的化学成分见文献 ［1］. 3. 1 高岭石蚀变成因 在红层的中上部层段中，高岭石蚀变现象明显 照片10 ，而常在同一块岩样中迭 片状绿泥石及网膜状绿泥石也十分发育 照片12 ，而后者常常保留了前者的聚合形 态，这就说明了其成因. 照片10 中，花环状、叠片状板片高岭石与周围网膜状绿泥呈渐 变过渡状态，更是表明了二者之间的成生联系，其化学反应式如下 4Fe 2 ＋2 M g2 ＋3A l 2Si2O5 O H 4 高岭石 ＋9H2O Fe 4M g4A l6Si6O2 0 O H 16 绿泥石 ＋14H f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 113. h t m （第 4／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 42 中国矿业大学学报990 113 3. 2 钾长石蚀变成因 在红层中下段，钾长石蚀变明显，长石颗粒有时被溶蚀成蜂窝状 照片13，14，图 3 ，而在其附近的颗粒孔隙中常常沉淀了次生的石英和绿泥石晶体 照片16 ，17 ，18 ， 两者多数情况下为同期生长的，如照片16 ，18 中所示，绿泥石片嵌进了次生石英晶体 内；偶尔也有先后次序，如照片15中，次生石英晶体表面附生了绿泥石片. 其成因在于 在弱酸性孔隙流体作用下，钾长石受到了溶解，Si , A l , K 等成分进入孔隙流体中，从而 沉淀出了石英和绿泥石，化学反应式如下 K A l Si 3O8 钾长石 ＋0 . 4Fe 2 ＋0 . 3M g2 ＋1. 4H 2O 0 . 3 Fe 1. 4M g1. 2A l2 . 5 A l0 . 7Si3. 3 O10 O H 8 绿泥石 ＋ 2 Si O 2＋0 . 4H ＋K . 图3 照片13中被溶蚀颗粒的能谱曲线 钾长石 Fi g . 3 ED X s p e c t r u m o f K -f e l d s p a r o f p h o t o 13 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 113. h t m （第 5／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 42 中国矿业大学学报990 113 3. 3 酸性热液成因 在济东煤田一些地段火成岩侵入红层中，在侵入体以下10 ～30 m 红层段中，由于 受到烘烤产生热变质作用使粘土矿物结晶程度增高；另一方面含有铁、镁和硅酸的热 液沿裂隙下渗与孔隙水中的A l O H 3作用，可以形成玫瑰花瓣状绿泥石，照片9最为典 型. 该岩样取自济宁二号煤矿G P1-1孔，深度为2 15 m 的灰绿色中细砂岩中，该孔17 4. 0 ～2 0 1. 2 m 为火成岩侵入体，从文献［1］中可以看出其成分富Fe 和M g . 细砂岩裂隙壁上 绿泥石呈玫瑰花瓣状，结晶好，互相穿插生长，大小均匀，说明当时物质来源和结晶 条件均好，如该类酸性热液渗入砂粒间孔隙中则会形成照片7 中的填隙式玫瑰花瓣状绿 泥石，其化学反应式如下 2 A l O H 3 3H4Si O4 Fe 2 4M g2 Fe M g 4A l2Si3O10 O H 8 绿泥石 10 H . 致 谢 在现场取样时，兖州矿业集团公司各矿地测科的同志给予了很大帮助，中科院地 质所的张汝藩同志帮助拍摄了扫描电镜照片，在此一并致谢. *煤炭科学基金资助项目 92 地10 10 4 作者简介 韩宝平，男，1955年生，副教授，工学博士 作者单位中国矿业大学资源与环境科学学院 徐州 2 2 10 0 8 参考文献 1 冯启言，韩宝平. 鲁西南地区的红层岩溶及水文地质意义. 中国矿业大学学报， 1998 , 2 7 1 51～55 2 王行信，周书欣. 砂岩储层粘土矿物与油层保护. 北京地质出版社，1992 . 43～7 2 3 刘光华. 粘土矿物特征与沉积环境关系的初步探讨. 沉积学报，198 7 , 5 1 48 ～55 4 M o r a d s , A l d a h a n A A . D i a g e n t i c c h l o r i t z a t i o n o f f e l d s p a r s i n s a n d s t o n e s . Se d i m e n t a r y G e o l o g y , 198 7 , 51 155～16 4 5 H u m p h r e y s B, Sm i t y S A , St r o n g G E. A u t h i g e n i c c h l o r i t e i n l a t e t r i a s s i c s a n d s t o n e s f r o m t h e c e n t r a l g r a b e n , No t r h Se a . Cl a y M i n e r a l s , 198 9, 2 4 42 7 ～444 6 H u t c h e o n I. D i a g e n e s i s o f c r e t a c e o u s s a n d s t o n e s o f t h e k o o t e n a y f o r m a t i o n a t ELK Va l l e y a n d M t A l l a n . G e o c h i m . c o s m o c h i n . A c t a , 198 0 , 44 142 5～1435 7 T o m p l i n s R E. Sc a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y o f a r e g u l a r c h l o r i t e / s m e c t i t e c o r r e n s i t e f r o m a h y d r o c a r b o n r e s e r v o i r s a n d s t o n e , Cl a y s . Cl a y M i n e r . , 198 1, 2 9 2 33～2 35 收稿日1998 -0 6 -0 2 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 113. h t m （第 6 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 42