粘土矿物在古环境重建中的研究现状与展望

冉亚洲 卢柯

（1.大陆动力学国家重点实验室，西北大学地质学系，陕西西安 710069；2.中化地质矿山总局陕西地质勘查院，陕西西安 710065）

1 研究概述

粘土矿物主要为含水的铝和铁硅酸盐矿物，层状结构，粒径＜1μm，构成半深海、深海相以及陆相沉积物的重要组成部分。由于独特的晶体结构、小颗粒，微弱环境变化都会记录在粘土矿物结构和矿物组合中，使之成为古气候信息的十分重要的载体，提供了影响整体气候的综合记录（Singeret al.，1984）。随着粘土矿物理论研究的进步和测试技术的创新，在古气候、盐度恢复，追踪物源区和划分对比地层、构造演化等古环境重建方面粘土矿物的作用越来越显著，主要用于黄土、湖泊、海洋古环境的恢复。

我国对粘土矿物的研究在地层划分与对比、细划成岩阶段、标定古地温、油气成藏与演化等诸多方面得到广泛应用（张乃娴等，1990;任磊夫，1992;赵杏媛等，1994，1995）。

2 研究方法

2.1 X射线衍射（XRD）分析

粘土矿物分析中经常用到XRD 方法，可以通过X 衍射谱对粘土矿物的组成进行半定量-定量分析，还可以获得粘土矿物复杂的间层作用、结晶度（张乃娴等，1990;陈忠等，2000）。该分析方法简便、实用，并且能够获得有关粘土矿物的关键信息。利用X-射线衍射仪进行矿物定量的方法有内标法、外标法、基体冲洗法（K 值法）、绝热法（RIR）、增量法、无标定量法和化学物相计算法等（蓝先洪等，1990;张乃娴等，1990）。马礼敦等（2004）研究发现粉末衍射全谱拟合法（Rietveld 法）既可精修晶体结构，还可对重叠的衍射峰进行分解。Rietveld 法的实质是模拟计算物相的衍射普与实际观测谱之间的最小二乘法拟合过程，即通过已知的晶体结构参数与非结构参数、峰形函数、峰宽和择优取向因子等，模拟计算物相的衍射强度与实测强度的对比拟合过程。X 射线的Rietveld 法有以下优点：（1）Rietveld 法对整个图谱中所有衍射峰进行拟合，引入校正模型能对这些影响强度和衍射峰位的不利因素进行有效校正；（2）采用特定峰型函数开展衍射峰重叠和宽化等复杂情况下的定量分析；（3）同时获得晶体结构、样品组成等参数；（4）通过对背景的多项式拟合，更准确地确定峰强度。

2.2 扫描电子显微镜（SEM）/透射电子显微镜（TEM）/电子探针（EPM）/能谱（EDS）分析

微电子束分析技术如扫描电镜、透射电镜、电子探针、能谱分析在粘土矿物研究中的应用，很大程度上推动了粘土矿物的研究，通过粘土矿物微观特征和化学元素准确鉴定粘土矿物（任磊夫等，1992;赵杏媛等，1995）。扫描电镜和透射电镜均能对矿物表面结构形态进行研究，确定矿物形成条件。扫描电镜能够观察原始生长状态下的矿物成分及结构，亚微米级分辨矿物的组构。透射电镜通过其高分辨率、高放大倍数可以准确区分埃洛石、坡缕石等矿物，还可测量粘土矿物单颗粒晶体。透射电镜的最大不足在于高倍镜下分析结果是否具代表性，同时不易区分定向良好的板、片状粘土矿物。电子探针和能谱分析可测定矿物的化学成分。EPM（又称X射线波谱仪）主要用于粘土矿物化学成分分析，具有元素分析范围广、定位准确、灵敏度和定量精度高以及制样简单的特点。EDS 元素分析范围较广，不能测较超轻元素如Be4-Ne10，灵敏度不如EPM，但检测效率高、图谱直观、易进行定性、定量分析，对较粗样品测试比较理想。近些年，背散射电子图像的广泛使用，开辟了扫描电镜研究粘土矿物的新前景，透射电镜可识别各种矿物成分。扫描电镜的缺点是不能给出矿物内部层间信息，仅能获得化学成分和形态，想要准确鉴定粘土矿物，必须借助其他方法。另外，扫描电镜很难区分蒙脱石一类的间层矿物。

2.3 热分析和红外光谱（IR）分析

XRD 在无序矿物热研究中灵敏度很差，当三水铝石、针铁矿这类矿物含量低于1%时，可以辅以热分析方法来检测。由于一些粘土矿物本身的热不稳定性，热分析曲线解释起来比较困难。由于高岭石的温湿热谷比迪开石低100℃左右，可以通过差热分析来研究。红外光谱分析分析是一种广泛应用的快速粘土矿物鉴定方法（任磊夫等，1992;赵杏媛等，1995），而它最大优点是能提供矿物的结构和成分，尤其在区分高岭石物多型方面。红外光谱可以检测出蒙脱石晶格中伊利石的类质同象，而其他方法却检测不出来。同时，红外光谱分析分析可以鉴定非晶质物质。由于粘土矿物多是混合物，颗粒细小，成分复杂，用红外光谱法不需要单矿物分离，根据矿物的特征吸收峰的位置、形状和强度，便可获得矿物种属和含量。红外光谱分析具有用样少（0.2～1mg）、制样过程简单和不损坏矿物的优点，可用于鉴定矿物种属和确定矿物成分。缺点是不能鉴定微量组份以及矿物组份和相互关系，无法鉴定间层粘土矿物等。

2.4 其他方法

化学分析是粘土矿物研究中一种比较传统和成熟的方法，在XRD、热分析等先进仪器未研发之前，粘土矿物都是通过化学分析完成。近些年随着XRD、热分析、红外光谱、扫描电镜/透射电镜等分析技术的发展，尖端仪器分析鉴定粘土矿物完全可以取代化学分析。化学分析在计算矿物结构式和阳离子方面贡献突出（任磊夫等，1992;赵杏媛等，1995）。

3 局限性

自生粘土矿物和碎屑粘土矿物之间的区别是有问题的，特别是关于蒙脱石。由于地形、地貌、岩性和时间等气候外因素的干扰，气候参数与粘土矿物形成的关系变得复杂。沉积后成岩作用可能无法识别。在运输过程中，由于大小分选或不同絮凝作用而产生的分化可能与气候诱导的分化重叠。粘土矿物组合与特定来源地区的结合存在困难，因为传播途径受到运输媒介类型（如水、冰或风）的影响。通过跨学科的方法，将来自粘土矿物的古气候信息与来自微化石分析和氧同位素数据的信息相关联，可以克服许多这些限制（Singer A et al.，1984）。