泥岩埋藏成岩过程中绿泥石的演化途径及意义

高校地质学报

GeologicalJournalofChinaUniversities泥岩埋藏成岩过程中绿泥石的演化途径及意义

杜佳宗1，蔡进功1*，谢忠怀2，王学军2

2.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，东营257000

摘要：粘土矿物是泥质沉积岩重要的组成部分。在温度、压力、阳离子及水/岩比值等多种因素的共同作用下，埋藏成岩过程常常伴随着不同粘土矿物间的相互转化：蒙脱石、伊利石、高岭石和磁绿泥石等矿物均可发生绿泥石化。但各种矿物发生绿泥石化条件及反应机制不同，形成的绿泥石在化学成分及构型方面也有很大差异，通过X-射线衍射(XRD)、电子探针(EMPA)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)等测试手段可识别出不同类型的绿泥石，区分不同转化序列并分析其转化机制。不同转化序列形成的绿泥石，不仅受温度的控制，还受阳离子类型和浓度的控制，在利用绿泥石作为地温计时需慎重；不同转化序列绿泥石化过程中都有水的参与，并伴有氢离子释放或消耗，这将会对有机质生烃产生影响。因此，关注泥岩埋藏成岩过程中绿泥石演化途径的差异，对拓宽绿泥石化的地质应用领域，特别是粘土矿物—有机质的协同作用具有重要的意义。

关键词：绿泥石化；转化序列；转化机制；绿泥石地温计；有机质生烃中图分类号：P588.22文献标识码：A文章编号：1006-7493（2018）03-0371-09

1.同济大学海洋地质国家重点实验室，上海200092；

ChloritizationSequencesinMudstoneduringDiagenesisandIts

GeologicalSignificance

DUJiazong1,CAIJingong1*,XIEZhonghuai2,WANGXuejun2

1.StateKeyLaboratoryofMarineGeology，TongjiUniversity，Shanghai200092，China;2.ExplorationandDevelopmentInstituteofShengliOilfield，SINOPEC，Dongying257000，China

Abstract:Claymineralsareimportantcomponentsofargillaceoussedimentaryrocks.Duringthemiddleandlatestagesofdiagenesis,a

varietyofmineralssuchassmectite,illite,kaolinite,andberthierinearepronetobeingconvertedtochloriteduetothecombinationoftemperature,pressure,cation,water/rockratioandotherfactors,resultinginincreasedchloritecontent.However,becausethechloritizationconditionsandreactionmechanismsofeachmineralaredifferent,chemicalcompositionandconfigurationofchloritevarygreatly.Therefore,wecanuseXRD,EMPAandHRTEMtoidentifydifferenttypesofchlorite,andfurthertodistinguishdifferentconversionsequencesandanalyzetheirconversionmechanisms.Recognizingthemultipleconversionsequencesofchloritizationcanhelpstudytheinfluenceofconversionsequenceonthechemicalcompositionofchloriteandfurtherimprovetheapplicationofchloritegeothermometer.Inaddition,insomeoftheconversionsequences,thechloritizationprocessconsumeswaterandreleaseshydrogen,whileothersconsumehydrogen.Andhydrocarbongenerationisaprocessofdeoxidationandhydrogenation.Therefore,theidentificationofdifferentconversionsequencescanprovideabasisforthestudyoftheinfluenceofmineralevolutiononthehydrocarbongeneration.Keywords:chloritization；chloritizationsequences；chloritizationmechanism；chloritegeothermometer；hydrocarbongenerationCorrespondingauthor:CAIJingong,Professor;E-mail:jgcai@tongji.edu.cn

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收稿日期：2017-09-07；修回日期：2017-11-29

基金项目：国家自然科学基金项目（41672115）；国家油气重大专项项目（2016ZX05006001-003）联合资助作者简介：杜佳宗，男，1992年生，硕士研究生，主要从事粘土沉积学研究；E-mail:1532977@tongji.edu.cn

*通讯作者：蔡进功，男，1961年生，教授，博士生导师；E-mail:jgcai@tongji.edu.cn

372高校地质学报24卷3期

1引言

粘土矿物是泥岩的重要组成部分，常见的粘

土矿物为蒙脱石、伊利石、绿泥石和高岭石，都属于层状硅酸盐矿物，由硅氧四面体和铝氧八面体基本单元层组成，依据排列的不同可以划分为1:1型（高岭石）、2:1型（蒙脱石和伊利石）和2:1:1型（绿泥石），其中根据绿泥石八面体阳离子配位特征，可划分出三八面体和二八面体绿泥石亚族；而根据八面体阳离子类型和含量特征，可划分为镁绿泥石、铁绿泥石和铝绿泥石（ZaneandWeiss,1998）。绿泥石分布广泛，可以出现在风化条件或在表层沉积物中，如南海表层沉积物（李国刚,1990;李学杰等,2008;邱中炎等,2008）；也可出现在浅埋藏成岩环境中，如我国西部的含油气盆地（张立飞等,1992;谢渊等,2010）；还可出现深埋藏成岩环境中，如我国东部的含油气盆地（张民志和,1998;刘立安,2011）。在埋藏成岩过程中各种矿物都有可能发生绿泥石化，如蒙脱石绿泥石化、伊利石绿泥石化以及高岭石绿泥石化等，即绿泥石的转化有多条序列（ChoandFawcett,1986;Byeongetal.,2001;Merrimanetal.,2002;Wordenetal.,2003;Beaufortetal.,2015;Pelayoetal.,2016），展现了绿泥石演化途径的多样性和复杂性。绿泥石的形成机制可分为固态转化（Changetal.,1986;ChoandFawcett,

1986;

Bettison

and

Shiffman,

1988;

Bettison-Vargaetal.,1991;Bevinsetal.,1991;Beaufortetal.,2015）和溶解重结晶转化（Inoueetal.,1984;InoueandUtada,1991;ShauandPeacor,1992;Beaufortetal.,1997;SchmidtandRobinson,1997;Murakamietal.,1999;Beaufortetal.,2015），并且受温度（Changetal.,1986;Wordenetal.,2003;Beaufortetal.,2015;WalkerandWheeler,2016）、压力（Moradetal.,2010）以及水岩比（SchiffmanandStaudigel,1995;Beaufortetal.,2015）、阳离子类型和浓度（BrigattiandPoppi,1984;Shauetal.,1990;Shabani,2009;WalkerandWheeler,2016;Lietal.,2017）、成岩环境的pH（BourdelleandCathelineau,2015）等多种因素的控制，因此，不同转化序列形成不同种类的绿泥石，并且在矿物构型和化学成分等方面都具有差异（Inoueetal.,

1984;Changetal.,1986;Shauetal.,1990;HillierandVelde,1991;Hillieretal.,1993;Plissart,2009;Byeong-Kooketal.,2001;Blondetal.,2015），这使得通过XRD、EPMA和HRTEM等分析手段还原绿泥石的转化序列成为可能。不同转化序列形成的绿泥石，除了与温度相关外，还与阳离子类型和浓度等密切相关；而且绿泥石化过程中都有水的参与，或释放氢离子，或消耗氢离子（Bettison-VargaandMacKinnon,1997;Beaufortetal.,2015），并伴随着有机质生烃量的变化（ZhuandJin,2003;Zhangetal.,2014），揭示了成岩过程中粘土矿物与有机质的协同演化，这对埋藏成岩过程中绿泥石化的地质应用及有机-无机协同作用意义重大。为此，本文在充分调研前人研究成果的基础上，通过分析不同转化序列下绿泥石的矿物特征、转化机制及识别方法，深化认识绿泥石矿物演化过程，探讨泥岩埋藏成岩过程中绿泥石化的地质应用前景。

2绿泥石矿物学特征

绿泥石为2:1:1型层状硅酸盐矿物，层间为一

个八面体片，不具有膨胀性，层间距约为14Å。根据八面体性质，可以分为三八面体绿泥石亚族和二八面体绿泥石亚族。根据化学成分有多种分类方法，如Foster（1962）依据Si-Fe2+/R2+进行分类，共划分出了斜绿泥石、鲕绿泥石等八种类型，且适用于沉积岩、变质岩和热液蚀变岩中多种成因的绿泥石；而Zane和Weiss（1998）依据八面体阳离子Fe-Mg-Al三端员含量变化，提出了成岩绿泥石的分类方法，将成岩绿泥石划分为镁绿泥石（XMg+XFe>XAl+XVacancy且XMg/(XMg+XFe)>0.5）、铁绿泥石（XMg+XFe>XAl+XVacancy且XMg/(XMg+XFe)<0.5）和铝绿泥石（XMg+XFe（国际粘土研究协会）3期杜佳宗等：泥岩埋藏成岩过程中绿泥石的演化途径及意义

373d001值稍小（<14.2Å）以及较强的d003反射（Blondetal.,2015）。除了化学成分和结构上的差别，在成岩过程中不同种类绿泥石由不同的矿物转化而来，如高岭石转化形成二八面体型的铝绿泥石；蒙脱石和磁绿泥石分别转化形成三八面体型的镁绿泥石和铁绿泥石（Byeong-Kooketal.,2001；Beaufortetal.,2015）。

绿泥石表面的电荷可分为结构电荷（永久电荷）和表面电荷（可变电荷），前者一般源于粘土矿物晶格中的离子替代，如四面体中的Si4+被Al3+、Fe3+所替代,八面体中的Al3+被Mg2+、Fe2+所替代,使矿物晶层带负电荷（BourdelleandCathelineau,2015;Ogorodovaetal.,2017）；后者是由裸露在构造层侧缘断口上的部分Si4+、Al3+和羟基中的H+未被共享而产生的电荷不平衡（田建锋等,2008），由此形成的净电荷可以是正电荷，也可以是负电荷，取决于环境的pH，如碱性条件下侧面断口带负电，酸性条件下带正电（Caumonetal.,2010）。矿物的比表面积是表征矿物表面反应能力和吸附容量的重要参数，绿泥石比表面积可达15m2/g，且只有外表面（朱晓军和蔡进功，2012）。

3绿泥石化序列与转化机制

在成岩体系中，绿泥石化的发生受多种因素

的影响，可归纳为物理和化学因素。物理因素主要有温度和压力等，而温度被认为是最重要的控制因素，并强调不同属种的绿泥石与温度有密切的响应关系，如柯绿泥石在70℃下形成（Changetal.,1986;WalkerandWheeler,2016），至100~120℃时则转化为镁绿泥石（Wordenetal.,2003;Beaufortetal.,2015）；但铁绿泥石适应的温度为40~120℃（表1）。压力的作用体现在对矿物结构的影响上，表现为压力的增加使矿物吸附水、层间水和结构水依次脱去，脱水过程伴随着矿物的

表1不同转化序列条件及机制差异(据Beaufortetal.,2015修改)

Table1Conditionsandmechanismsofdifferent

conversionsequences

转化序列阳离子转化机制开始温度化学不均一性蒙脱石—绿泥石富镁溶解重结晶固态转化100℃适中强磁绿泥石—绿泥石富铁

固态转化

高岭石—绿泥石

40~60强富铝、镁溶解重结晶

<200℃℃弱

转化，即蒙脱石绿泥石化（Moradetal.,2010）。

化学因素主要有水岩比、阳离子类型和浓度、成岩环境的pH等（Shauetal.,1990;SchiffmanandStaudigel,1995;Bettison-VargaandMacKinnon,1997;Robinsonetal.,2002;Beaufortetal.,2015），强调水/岩比的差异会引起绿泥石化转化机制的差异（SchiffmanandStaudigel,1995），如低水/岩比且封闭的环境中绿泥石由固态转化机制形成，高水/岩比条件下则由溶解重结晶机制而形成（Beaufortetal.,2015）。阳离子类型和浓度的差异也会影响粘土矿物的转化，如在富K+环境中蒙脱石易发生伊利石化（Lietal.,2017），在富Fe2+、Mg2+环境中则易发生绿泥石化；进一步的研究发现当Fe2+/(Fe2++Mg2+)<0.5时，绿泥石化难以发生，只有少量蒙脱石可转化为柯绿泥石（BrigattiandPoppi,1984;WalkerandWheeler,2016），而随着Fe2+含量的增加，蒙脱石会大量转化为绿泥石（Shauetal.,1990;Shabani,2009）。

综合来看，绿泥石在40~200℃的碱性环境下稳定存在（BourdelleandCathelineau,2015），且蒙脱石、高岭石、伊利石等矿物可在不同温度和阳离子等成岩环境下，通过固态转化机制或溶解重结晶机制形成绿泥石，造成了绿泥石矿物结构和化学成分等特征的显着差异。3.1蒙脱石-绿泥石序列

蒙脱石绿泥石化最为常见。蒙脱石为2:1型矿物，层间含有阳离子和水，包括两个亚族（二八面体型和三八面体型），其中三八面体蒙脱石（蒙皂石）易于转化为绿泥石（Byeongetal.,2001;Merrimanetal.,2002;Pelayoetal.,2016）。关于蒙脱石绿泥石化的转化机制，目前被认可的是固态转化机制（Changetal.,1986;BettisonandShiffman,1988;Bettison-Vargaetal.,1991;Bevinsetal.,1991）和溶解重结晶机制（Inoueetal.,1984;InoueandUtada,1991;ShauandPeacor,1992;Beaufortetal.,1997;SchmidtandRobinson,1997;Murakamietal.,1999）。

固态转化机制强调转化过程中矿物结构和化学成分是渐变的，绿泥石含量随着埋深或温度的增加呈线性增加，且蒙脱石2:1结构层仍有不同程度的保存，形成了蒙脱石→蒙脱石/绿泥石不规则混层→蒙脱石/绿泥石规则混层→绿泥石的演化序列（Changetal.,1986;BettisonandSchiffman,1988;

374高校地质学报24卷3期

Bettison-Vargaetal.,1991;Beaufortetal.,2015）。Robinson等（2002）认为在不同的pH环境下，存在两种固态转化模式。

第一种模式发生于中性或偏碱性环境中，蒙脱石层间域的阳离子发生交换，层间的Ca2+、Na+等离子排出，而环境流体或蒙脱石伊利石化释放的Fe2+、Mg2+等阳离子与水电解的OH-相结合（R2++2H2O=R(OH)2+2H+）形成类水镁石层，并以八面体片形式进入到蒙脱石层间，与原蒙脱石结构相结合形成2:1:1的绿泥石。这个过程会释放大量的H+

，造成体系pH值下降。此外，受层间八面体插

入的影响，相邻四面体中部分Si4+

被Al3+

取代，Si

4+

含量减少，Al3+含量增多（Robinsonetal.,2002），反应方程式为：

Ca0.20(Mg1.46Fe1.34Al0.20)(Si3.40Al0.60)O10(OH)2+6.16H2O+1.06Fe2+

+1.14Mg2+

+1.20A13+

=(Mg2.6Fe2.4Al1.0)(Si3.0Al1.0)

O10(OH)8+0.04H4SiO4+0.20Ca2+

+6.16H+

。

第二种模式发生于偏酸性环境中，即需要H+

的参与。转化过程中，一半蒙脱石结构层中的四面体片会溶解，仅保留下八面体片，该八面体片与未发生溶解的蒙脱石结构相组合从而形成绿泥石，即1mol蒙脱石可转化为0.5mol绿泥石。与第一种模式相比，（1）该模式消耗较多的H+，反应体系的pH会上升；（2）四面体片的溶解释放出大量的Si4+；（3）受四面体片溶解的影响，余下的八面体片中部分Fe2+、Mg2+被Al3+取代，Fe2+、Mg2+含量减少，Al

3+

含量增加（Bettison-Vargaand

MacKinnon,1997）。与第一种模式的相类似的是层间八面体的插入使得相邻四面体中Si4+减少，Al3+增多（Robinsonetal.,2002）。反应方程式为：2Ca0.2(Mg1.46Fel.34Al0.20)(Si3.40Al0.6)Ol0(OH)2+0.40A13++9.20H2O+0.8H+=(Mg2.6Fe2.4Al1.0)(Si3.0Al1.0)O10(OH)8+3.80H4SiO4+0.32Mg2++0.28Fe3++0.40Ca2+。

溶解重结晶机制中蒙脱石2:1结构层完全溶解，重新结晶形成绿泥石，且强调结构层的突变特点（Inoueetal.,1984;Shauetal.,1990;InoueandUtada,1991;ShauandPeacor,1992;Beaufortetal.,1997;SchmidtandRobinson,1997;Murakamietal.,1999）。在转化过程中蒙脱石含量出现两次突变(Inoueetal.,1984)，分别对应着柯绿泥石和绿泥石大量出现（Shauetal.,1990;Meunieretal.,1991;WalkerandWheeler,2016），这印证了该转化机制

分两步进行，即首先蒙脱石结构层完全溶解，与环境中的Fe2+、Mg2+、Si4+、Al3+和OH-等离子相结合，重结晶形成蒙脱石和绿泥石的规则混层，即柯绿泥石；然后柯绿泥石再溶解，重结晶形成绿泥石（Bettison-VargaandMacKinnon,1997），形成了蒙脱石→柯绿泥石→绿泥石的演化序列。转化所需的OH-来源于水(H2O→OH-+H+)，随着反应的进行，H+会逐渐富集，反应体系pH逐渐降低。3.2高岭石-绿泥石序列

高岭石为1:1型矿物，在酸性环境下稳定，但随着埋藏深度的增加、温度和压力的升高、成岩环境向弱碱性或碱性的转变以及Fe2+和Mg2+的存在，高岭石会向绿泥石转化（张永旺等，2015）。地层中高岭石减少的深度与绿泥石增加的深度相近（赵杏媛和陈洪起，1988），这也印证了高岭石—绿泥石序列的存在，其反应方程式如下：3.5Fe2++3.5Mg2++9H2O+3Al2Si2O5(OH)4→Fe3.5Mg3.5Al6.0Si6.0O20(OH)16+14H+。

高岭石

绿泥石

高岭石绿泥石化以溶解重结晶机制发生于碱性条件下，首先，高岭石转化为绿泥间蒙石，然后，再转化为二八面体型绿泥石，又称须藤石Beaufortetal.,2015），这是与其他转化序列相区分的重要特征。3.3伊利石-绿泥石序列

伊利石在富Fe2+、Mg2+环境中也可以发生绿泥石化，伊利石为2:1型矿物，层间主要为K+，以强离子键连接其结构层，不具有膨胀性。伊利石转化成绿泥石时，首要的是排出层间的K+，其次是H2O和Fe2+、Mg2+反应形成八面体进入到层间(田剑锋等,2008)。目前的研究仅认识到伊利石可以转化为绿泥石（Mahaney,1985;TolpeshtaandSokolova,2013），但对转化机理的研究甚少，转化方程式为：伊利石+1.Mg2++1.Fe2++8.24H2O=0.82绿泥石+0.6K++1.37H4SiO4+6.46H+。3.4磁绿泥石-绿泥石序列

磁绿泥石是三八面体型的富铝、铁的1:1型层状硅酸盐矿物，层间距为7Å，属于蛇纹石族。磁绿泥石与绿泥石的最大区别是四面体层和八面体层的排列（Xuetal.,1996），因此，磁绿泥石的四面体层反转即可转化为绿泥石，在高分辨率透射

（3期杜佳宗等：泥岩埋藏成岩过程中绿泥石的演化途径及意义

375电镜下可以观察到磁绿泥石的7Å层逐渐被绿泥石的14Å层替代，是一个渐变的过程，因此，磁绿泥石向绿泥石转化属固态转化机制，并伴有Si4+和Al3+的释放（ChoandFawcett,1986）。

综合以上分析可以看出，绿泥石化存在多条转化序列，这些转化序列既有共同点也有差别。首先，绿泥石化过程中均有水的参与，水提供的OH-与金属阳离子结合形成八面体，并进到蒙脱石等矿物层间，这是绿泥石矿物转化过程中的特色；其次，不同序列下形成不同种类的绿泥石，如蒙脱石绿泥石化序列形成镁绿泥石，磁绿泥石绿泥石化序列形成铁绿泥石，两者都属于三八面体绿泥石；而高岭石绿泥石化序列形成铝绿泥石，属于二八面体绿泥石。正是构型和成分差异的存在，采用XRD、EPMA和HRTEM等检测手段可有效地区分不同转化序列形成的绿泥石。

4绿泥石研究方法

泥岩成岩过程中，多条绿泥石化序列的存

在，增加了其研究的难度。目前，除了利用XRD进行矿物鉴别和半定量分析外，多运用微区、微束分析技术，包括扫描电子显微术（SEM）、电子探针微分析（EMPA）和高分辨率透射电子显微术HRTEM），解译成岩过程中绿泥石演化的密码。4.1X-射线衍射分析

X-射线衍射分析不仅可以进行矿物种类鉴别，还可以进行半定量分析。选择自然片、乙二醇饱和片、550℃加热片，根据不同处理下XRD曲线上的d001峰位的变化，确定粘土矿物种类；根据XRD曲线上的衍射峰面积（蒙脱石、伊利石和高岭石采用d001峰，绿泥石采用d002峰），进行粘土矿物含量的半定量分析（Liuetal.,2010）。

对于不同的转化序列形成的绿泥石，也可在XRD曲线上有效地识别。柯绿泥石是蒙脱石绿泥石化溶解机制下的中间产物，可根据不同处理下XRD曲线上d001峰位的变化特征(自然片中位于30.46Å、乙二醇饱和后增加至32.70Å、550℃加热处理后降至23.5Å)进行识别（Bettison-Vargaetal.,1991;Hillieretal.,1993;阮青锋等,2008;Kralj,2016）。XRD曲线上的d060衍射峰特征也是重要的识别标志，如高岭石绿泥石化形成二八面体绿泥石，d060为1.49~1.51Å；而其他序列形成的三八面

体绿泥石，d060为1.51~1.54Å(Inoueetal.,1984;Changetal.,1986;Shauetal.,1990;Byeong-Kooketal.,2001;Blondetal.,2015)。4.2电子探针

绿泥石的化学成分记录了形成过程中的物理化学条件，可有效地区分出不同序列转化的绿泥石。目前，电子探针在国际上已普遍运用，能以优于1μm3的空间分辨率准确地测定绿泥石的化学成分，可获得多种元素含量值，因此根据其Fe-Mg-Al三端员含量等，确定绿泥石的转化序列。

绿泥石在埋藏成岩作用、变质作用和热液作用下都可以形成，但化学成分差异较大，如成岩绿泥石以较高的Si4+含量、较低的(Fe2++Mg2+)含量和较低的八面体配位数为特征(Curtisetal.,1985;HillierandVelde,1991;TrincalandLanari,2016)；在埋藏深度增加时成岩绿泥石的Al3+/Si4+比值、(Fe2++Mg2+)、八面体配位数、AlⅣ含量也趋于增加，而Si4+和AlⅥ含量则减少（潘燕宁等,2001;赵明等,2015），据此可与变质作用和热液作用形成的绿泥石相区别。

不同转化序列绿泥石八面体阳离子也存在差异，高岭石转化的绿泥石富含Al3+，蒙脱石转化的富含Mg2+，磁绿泥石转化的富含Fe2+，通过电子探针测定三种阳离子的含量变化，可识别出不同转化序列的绿泥石（ZaneandWeiss,1998）。此外，绿泥石构型与八面体阳离子组成关系密切，将电子探针测得的元素组成结果投到R2+-Si4+（WiewioraandWeiss,1990）图中，不仅可呈现各种元素含量的变化，还直观的反映了八面体配位数的变化HillierandVelde,1991;Hillieretal.,1993;Plissart,2009），再结合XRD分析结果，能够更加准确的识别不同转化序列的绿泥石。4.3高分辨率透射电镜

高分辨率透射电镜(HRTEM)技术在粘土矿物研究中被广泛运用，包括物相鉴定、转化以及单元层的有序无序堆垛等。前人开展了对绿泥石与云母（InoueandKogure,2016）、伊利石（Hongetal.,2015;Campoetal.,2016）和磁绿泥石（Muetal.,2015）等混层矿物的研究，根据HRTEM下粘土矿物结构层明暗相间的条纹的变化，结合XRD测试的结果，确定明、暗条纹所代表的结构层，测量矿物层间距及分析结构层组成，判断出矿物

（（376高校地质学报24卷3期

的种类。此外，由于不同粘土矿物结构不同，在绿泥石的转化过程中结构层的排列方式会发生变化，如结构层的插入或翻转，在HRTEM下能获得绿泥石转化的中间状态，进而可了解绿泥石化的模式（Bettison-Vargaetal.,1997）。

但HRTEM也存在一定的局限性，由于粘土矿物晶体结构中含有吸附水、层间水及结构水，在HRTEM电子束长时间照射下会发生脱水现象，晶体外部形态和内部结构会发生改变，如蒙脱石失去层间水后层间距变为10~12Å，且连续性变差，晶层错位现象明显（Xinetal.,2006），因此，在利用HRTEM图像分析矿物转化时需要引起注意。

5绿泥石多演化途径的意义

5.1绿泥石地温计

埋藏成岩绿泥石形成于中低温压条件下，化

学成分变化复杂，类质同象置换现象频繁（萍等,2010）。大量的研究表明，绿泥石化学成分中一些离子随着埋藏成岩深度的增加呈现规律的变化：Si4+的含量随深度增大而逐渐减少，AlⅣ和Fe2+的含量则逐渐增加（潘燕宁等,2001;赵明等,2015）。传统的观点认为绿泥石化学成分的变化受温度作用的控制（McDowellandElders,1980;Inoueetal.,2009），与它经历的最高古地温密切相关，且具有不可逆性，因而，绿泥石化学成分的变化可作为地质温度计来恢复古地温。Cathelineauetal.1988）研究提出了AlⅣ含量与地层温度之间的正相关关系，建立了绿泥石地质温度计：T(℃)=-61.929+31.9772AlⅣ。许多学者考虑Fe2+，Mg2+的变化，建立了地温与AlⅣ、Fe2+、Mg2+含量变化的关系式（Jowett,1991;El-Sharkawy,2000;BourdelleandCathelineau,2015;Ciesielczuk,2012）。如今绿泥石地温计已被较多的应用于盆地演化研究，如盆地古地温梯度研究（赵明等，2007）和沉积盆地的地热史研究（潘燕宁,2001）等。

绿泥石是在温度、压力、pH及离子类型和浓度等共同作用下形成的成岩矿物，除了热作用外，绿泥石化学成分还受其他多种因素影响，如pH、Fe2+/(Fe2++Mg2+)会影响绿泥石成分(Jahrenetal.,19;Vidaletal.,2016;TrincalandLanari,2016)，古盐度也会引起绿泥石Al3+、AlⅣ和Al3+/Si4+的增高（赵明等,2015）等，因此，简单的将热作

用视为绿泥石化学成分变化的决定性因素的考虑欠妥。同时，绿泥石转化存在多个转化序列（ChoandFawcett,1986;Byeongetal.,2001;Merrimanetal.,2002;Wordenetal.,2003;Beaufortetal.,2015;Pelayoetal.,2016），而不同转化序列下形成的绿泥石化学组成也有很大的差异，如蒙脱石转化形成的绿泥石Mg2+含量高，高岭石转化形成的绿泥石Al3+含量高，由此可见，绿泥石转化序列的差异也会对绿泥石的化学成分产生很大影响。因此，在利用绿泥石地温计恢复古温度时，如果地层中存在多条演化途径，应考虑各个演化途径对绿泥石成分的影响，或进行校正，或剔除不同的转化途径对绿泥石地温计应用造成的影响。除此之外，不同转化序列开始的温度不一致，如蒙脱石、高岭石在埋深较浅、温度较低时即可转化为绿泥石，而伊利石需要较高的埋深及温度才开始转化，因此在应用温度计时需要关注不同转化序列开始温度的差异。

5.2不同转化序列对有机质生烃的影响

在埋深大于3500m时泥岩中的蒙脱石、伊利石和高岭石等矿物的绿泥石化进程会加快，成岩绿泥石大量出现（徐同台等,2003）。同时，随着埋深的加大，有机质的生烃量也发生变化（朱光有和金强,2003;Zhangetal.,2014），因此，探讨深层烃源岩的绿泥石成岩演化特征，有助于深化深层有机质生烃过程的认识。

绿泥石的转化序列中水一直扮演着重要的角色，由H2O提供OH-可以与阳离子结合形成八面体片，进而改变原矿物的结构而形成绿泥石，如蒙脱石绿泥石化的过程，伴随着H2O中OH-的大量消耗，H+则不断富集，这对有机质生烃过程提供了丰富的氢源，因而，对有机质生烃起到促进作用。王先彬等（2005）研究表明，有机质生烃过程中氢源的加入，不仅提高了有机质的产烃率，也可抑制有机质的石墨化进程。在190℃以及加入氢气条件下，岩石与正十八烯的模拟实验可获得C1-C4组分的烃混合物，而在未加入氢气的条件下，则不能形成如此大量的烃类（妥进才,2002）；同样，在烃源岩热模拟实验中，加入水的条件下所获的的烃量远远高于未加入水的条件下所获得的烃量（Lewanetal.,1997），因此，水被认为是有机质成烃演化的重要氢源（妥进才和王先

（3期杜佳宗等：泥岩埋藏成岩过程中绿泥石的演化途径及意义

377彬，2009）。不同绿泥石的转化序列对氢离子的贡献是不同的，识别出绿泥石化序列的差异，对认识粘土矿物与有机质协同演化意义重大。

6研究展望

（1）绿泥石可划分为多种类型，根据构型可

分为二八面体型和三八面体型，根据八面体阳离子差异可以划分为镁绿泥石、铁绿泥石和铝绿泥石，利用XRD、EPMA和HRTEM等分析手段可以进行很好的识别。

（2）在埋藏成岩体系中，不同种类的绿泥石形成于不同的转化序列，包括蒙脱石-绿泥石序列、伊利石-绿泥石序列、高岭石-绿泥石序列和磁绿泥石-绿泥石序列，不同转化序列下绿泥石化的转化机制有所差异，如固态转化和溶解重结晶转化等，展现了埋藏成岩演化过程绿泥石形成的多样性和复杂性。

（3）绿泥石转化序列和转化机制的差异会影响其成分，而传统绿泥石地温计建立在绿泥石成分受热作用控制的基础之上，在不同转化序列绿泥石共存的条件下应用绿泥石地温计时应慎重。

（4）绿泥石的转化过程中都有水的参与，或释放氢离子，或消耗氢离子，而氢离子是有机质生烃所必须的，因此，不同绿泥石转化序列对氢离子的贡献会有差异，进而对有机质生烃产生的影响也不同。正确认识绿泥石演化的多样性及多条转化序列的差异，对深层有机质生烃的认识是极其重要的。

致谢：在论文撰写过程中，得到了课题组师兄弟的帮助；论文审稿过程中，得到了审稿专家的中肯建议和细心指导。在此一并致以衷心的感谢!

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