重慶地區主要紫色母巖中部分層狀硅酸鹽礦物差異性的研究

羅志遠　鄧睿　程永毅等

摘要 [目的] 為了探討重慶地區紫色土母巖的礦物組成特性和差異性。[方法] 對重慶地區主要紫色母巖進行了XRD分析。[結果] 重慶地區主要紫色母巖的層狀硅酸鹽礦物組成種類相對一致，除沙溪廟組母巖中未檢出綠泥石外，其余各母巖中層狀硅酸鹽礦物都為蛭石、綠泥石、伊利石、高嶺石和云母；在不同種類紫色母巖中，各層狀硅酸鹽礦物相對含量存在0.05水平顯著差異；各紫色母巖中，伊利石結晶度不存在顯著差異。[結論] 紫色母巖中的層狀硅酸鹽礦物的種類、相對含量以及伊利石結晶度隨地理位置改變未發生明顯的變化。

關鍵詞 紫色母巖；XRD；層狀硅酸鹽礦物；結晶度

中圖分類號 S153 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）08-02386-04

Differences of Phyllosilicate Minerals in Mainly Purple Rocks in Chongqing Area

LUO Zhiyuan， YANG Jianhong et al

（College of Resources and Environment， Southwest University， Chongqing 400716）

Abstract [Objective] The research aimed to investigate the mineral composition characteristics and differences of the purple rock in Chongqing area. [Method] XRD analysis was used to study he purple rock in Chongqing area. [Result] Species composition of phyllosilicate minerals of main purple parent rock in Chongqing was relatively consistent. Except chlorite in Shaximiao rock wasnt detected， the species of the phyllosilicate minerals were vermiculite， chlorite， illite， kaolinite and mica in the rest of the rock. In different types of purple rock， there were significant differences in relative content of each phyllosilicate minerals. There was no significant difference in illite crystallinity of each purple rocks. [Conclusion] The type and relative content of phyllosilicate minerals and illite crystallinity in purple rocks didnt change significantly with the location.

Key words Purple parent rock； XRD； Phyllosilicate minerals； Crystallinity

紫色土因其“新成土”特征，土壤中的黏土礦物特別是層狀硅酸鹽黏土礦物主要來至于成土母巖。在物理風化主導下，不同紫色母巖所發育的土壤中層狀硅酸鹽黏土礦物種類都將因承襲母巖的礦物特性而在組成和含量有所不同，而這些組成與含量的差異將直接影響土壤無機膠體的構成和性質，進而影響土壤理化性能、肥力特征及土壤的發育演化進程。研究表明，沉積巖在沉積成巖環境上存在明顯的差異性，不同古地質時間及古地理環境中層狀硅酸鹽礦物的種類及形成特點顯著不同[1-2]；除了沉積物中礦物構成外，沉積成巖過程中的氣候、環境條件也將由于對沉積物中層狀硅酸鹽礦物轉化產生影響，導致同一地質時期不同區域形成的沉積巖中層狀硅酸鹽礦物的差異，例如干冷的氣候條件有利于綠泥石和伊利石的形成，相比之下，濕熱的氣候環境下則更有利于高嶺石的形成[3]。重慶地區分布著從三疊系到白堊系所有紫色地層（以侏羅系地層分布最廣）。由這些地層的紫色母巖風化形成的土壤占全重慶農業土壤總面積60%以上。筆者以重慶地區中生代侏羅系紫色母巖為研究對象，以紫色地層中層狀硅酸鹽礦物的構成和特性為切入點，采用X衍射（XRD）研究法研究主要紫色母巖地層和區域之間層狀硅酸鹽黏土礦物的物相組成、相對含量和結晶度差異，以達到了解和掌握紫色土壤層狀硅酸鹽類無機膠體特性的目的。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采集重慶地區不同區域侏羅系紫色地層典型巖層新鮮斷面的紫色巖石樣品，包括侏羅系蓬萊鎮組（J3p）棕紫色泥巖、遂寧組（J3sn）紅棕紫色泥巖、沙溪廟組（J2s）灰棕紫色泥巖、自流井組（J1-2z）暗紫色泥巖。基本情況見表1。

1.2 礦物的X衍射分析

1.2.1 礦物掃描。樣品經瑪瑙研缽研磨過200目篩后備用。分別取1.00 g研磨過篩后的巖石樣品，按T1、T2、T3（常溫、320 ℃、550 ℃）梯度處理后，上機做衍射測定（XD3），得出各巖石樣品的衍射圖譜。

1.2.2 測定條件。Cu靶；石墨單色器；管壓：36 kV；管流：20 mA；步寬：0.01°（2θ）；2θ：2°～62°或2°～32°；掃描速度：2 °/min；狹縫：1° -0.3° -1°。

1.2.3 半定量分析。礦物物相半定量分析采用K值法進行分析。

2 結果與分析

2.1 侏羅系各紫色地層中層狀硅酸鹽礦物組成及差異性

前期研究表明，對母巖樣品進行一定的溫度梯度處理。通過標準礦物的對比，結合其X射線衍射圖譜變化規律，可以鑒定出巖石樣品中的黏土礦物[4]。

2.1.1 蓬萊鎮組棕紫色泥巖物象組成。

圖1為蓬萊鎮組棕紫色泥巖（J3p1、J3p2、J3p3）熱梯度處理后獲得的XRD衍射圖譜。由圖1可知，蓬萊鎮組各巖石樣品均出現1.42、1.00、0.71、0.50和0.45 nm衍射峰。經鑒定，1.42 nm衍射峰經過320 ℃處理后在0.05水平顯著降低，經過550 ℃處理后衍射峰并未消失，表明樣品中含有蛭石和綠泥石；1.00 nm衍射峰和0.50 nm衍射峰是云母的主峰和次強峰；0.71 nm衍射峰在550 ℃處理后峰消失，為高嶺石特征峰；0.45 nm衍射峰為伊利石特征峰。蓬萊鎮組棕紫色泥巖的層狀硅酸鹽礦物的組成為蛭石、綠泥石、云母、高嶺石和伊利石。

圖1 蓬萊鎮組熱梯度處理衍射圖譜

2.1.2 遂寧組紅棕紫色泥巖物象組成。

遂寧組紅棕紫色泥巖（J3sn1、J3sn2、J3sn3）的XRD衍射圖譜見圖2。在不同地理分布的紫色泥巖同樣均出現1.42、1.00、0.71、0.50和0.45 nm衍射峰，而且經熱梯度處理后衍射峰變化和蓬萊鎮組棕紫色泥巖一致。可以看出，遂寧組紅棕紫色泥巖的層狀硅酸鹽礦物的組成為蛭石、綠泥石、云母、高嶺石和伊利石。

圖2 遂寧組熱梯度處理衍射圖譜

2.1.3 沙溪廟組灰棕紫色泥巖物象組成。

沙溪廟組灰棕紫色泥巖（J2s1、J2s2 、J2s3）的XRD衍射圖譜見圖3。在不同地理分布的紫色泥巖同樣均出現1.42、1.00、0.71、0.50和0.45 nm衍射峰。經鑒定，1.42 nm衍射峰經過320 ℃處理后在0.05水平顯著變低，550 ℃處理后衍射峰消失，表明樣品中不含綠泥石。可以看出，沙溪廟組灰棕紫色泥巖的層狀硅酸鹽礦物的組成為蛭石、云母、高嶺石和伊利石。

2.1.4 自流井組暗紫色泥巖物象組成。

自流井組暗紫色泥巖（J1-2z1、J1-2z2 、J1-2z3）的XRD衍射圖譜見圖4。在不同地理分布的紫色泥巖同樣均出現1.42、1.00、0.71、0.50和0.45 nm衍射峰，而且經熱梯度處理后衍射峰變化和蓬萊鎮組棕紫色泥巖以及遂寧組紅棕紫色泥巖一致。可以看出，自流井組暗紫色泥巖的層狀硅酸鹽礦物的組成為蛭石、綠泥石、云母、高嶺石和伊利石。

綜上所述，在相同地質時期形成的紫色母巖，在重慶地區存在廣泛的一致性，層狀硅酸鹽礦物種類基本上一致。然而，由于綠泥石受環境的影響極大，在沙溪廟組泥巖樣品J2s1（合川）、J2s2（銅梁 ）、J2s3（長壽）中未檢出綠泥石的存在，表明在沙溪廟組泥巖成巖過程中的沉積環境有著一定的變化。

圖3 沙溪廟組熱梯度處理衍射圖譜

2.2 礦物相對含量差異性

目前，對于礦物相對含量計算有面積法、強度法、K值法等。對比各種計算法，K值法具有精度高、操作簡便和計算過程快捷等優點而得到廣泛應用[5-6]。該研究采用K值法進行礦物相對含量計算。

以層狀硅酸鹽礦物為主的黏土礦物是在地表風化作用中形成的，在沉積作用和埋藏過程中可發生轉變。它的形成和轉化受環境的影響極大[7]。層狀硅酸鹽礦物每種礦物的沉積都對沉積環境有著特異的要求。研究每種層狀硅酸鹽礦物在巖石中的含量變化可以反映在成巖過程中沉積環境的變化。

圖4 自流井組熱梯度處理衍射圖譜

鑒于蛭石、綠泥石、蒙脫石的存在狀態受外界因子（陽離子）的影響，導致結構的不穩定性。許多研究者將其不穩定狀態統稱為1.4 nm過渡礦物[8-9]。該研究將衍射峰在1.4 nm左右的礦物統稱為1.4 nm過渡礦物。表2中，所檢出的層狀硅酸鹽礦物包括1.4 nm過渡礦物、云母、高嶺石、伊利石。

2.2.1 不同地理位置礦物含量差異性。

由表2可知，在幾種供試母巖中，蓬萊鎮組、遂寧組和沙溪廟組母巖中不同地理位置對云母相對含量的影響較小。但是，在自流井組模樣中，不同地區云母相對含量的變化較大。該研究所用自流井組母巖分別采集自重慶西部地區永川、北碚和合川3個地方，依次由南到北分布，云母相對含量依次為永川（25.4%）、北碚（21.5%）、合川（12.4%），可以看出侏羅系自流井母巖中云母的相對含量由永川—北碚—合川依次呈現出遞減的趨勢，表明在重慶西部自流井母巖地區層狀硅酸鹽礦物沉積可能受緯度的影響。

在4種供試母巖中，1.4 nm過渡礦物、高嶺石和伊利石的相對含量隨采樣地理位置的變化沒有明顯的變化。

不同地理位置的蓬萊鎮組、遂寧組和沙溪廟組紫色母巖的層狀硅酸鹽礦物的相對總量的變化都相對較小，而自流井組母巖在不同地區間的層狀硅酸鹽礦物相對總量的變化較前3種母巖都大。在永川、北碚和合川3個地區層狀硅酸鹽礦物相對總量分別為51.6%、46.6%、37.3%，變化趨勢與云母含量的變化趨勢一致。由此可知，在永川、北碚和合川3個地區層狀硅酸鹽礦物相對總量的變化是由云母含量的變化導致的。

綜上所述，重慶地區紫色母巖的各層狀硅酸鹽礦物的相對含量受地理位置的影響較小，同時說明每個地區的母巖在同種母巖中具有不同地理位置上廣泛的代表性。

2.2.2 不同母巖礦物含量差異性。

由表2可知，侏羅系自流井組、侏羅系沙溪廟組、侏羅系遂寧組和侏羅系蓬萊鎮組母巖中層狀硅酸鹽礦物平均總量分別為45.2%、53.47%、55.70%、58.33%，呈增加的趨勢。這表明在中生代侏羅系地質時期隨著地質時期的推移，由于外部環境的改變，原生礦物的風化作用有一個由弱至強的變化趨勢。在另一個方面，在中生代侏羅系各母巖成巖過程中，沉積環境發生很大的變化，而且變化的方向是有利于層狀硅酸鹽礦物的累積的。

對比不同地質時期層狀硅酸鹽礦物含量，1.40 nm過渡礦物含量由大到小的順序為遂寧組>蓬萊鎮組>沙溪廟組>自流井組；云母含量由大到小的順序為沙溪廟組>蓬萊鎮組>遂寧組>自流井組；高嶺石和伊利石含量由大到小的順序為蓬萊鎮組、遂寧組、自流井組、沙溪廟組。由圖5可知，1.40 nm過渡礦物在各地質時期的含量在0.05水平上的差異均不顯著，表明1.40 nm過渡礦物的沉積受地質時期變化的影響較小。云母在各地質時期含量只有沙溪廟組與自流井組之間在0.05水平上差異顯著。對比高嶺石在不同地質時期的含量，蓬萊鎮組和遂寧組之間無顯著差異，其余各地質時期在0.05水平上差異顯著，說明隨著地質時期的變化高嶺石的沉積環境發生顯著變化。對比伊利石含量在各地質時期的變化，蓬萊鎮組和遂寧組之間差異不顯著，沙溪廟組和自流井組之間的差異也不顯著，其余各組之間都存在0.05水平顯著差異，表明伊利石沉積受地質時期影響，并且隨著地質時期的推移伊利石含量有增加的趨勢。

由于沉積時期的不同，層狀硅酸鹽礦物沉積環境發生較大的變化，導致各供試紫色母巖中層狀硅酸鹽礦物相對含量差異較大。

圖5 層狀硅酸鹽礦物在各母巖中的差異性

2.3 伊利石結晶度研究

礦物在沉積過程中受到顯著的沉積環境的影響。研究表明，成巖過程中形成礦物的結晶度和礦物沉積環境之間有0.05水平顯著相關性[4]。很多研究者選用伊利石結晶度來反映沉積環境[10-11]。

目前，對于礦物結晶度的計算公式主要有以下方法。利用易變礦物的住衍射峰形態的Weaver指數，即兩者間的高度差表示（指數越大，結晶度越高），或者利用其最佳衍射峰的半高寬（FWHM），即Kübler指數，指數越低，峰型越趨于尖銳，表明該物相的結晶度越高。由于Küblerr指數基于結晶學理論，簡便，易用，誤差源少，被廣泛應用[12]。 利用礦物最佳衍射峰的Kübler指數即半高寬（FWHM），判斷其結晶度（表3）。

伊利石結晶度可以作為環境水解能力的指征。較高的溫度和大的降水量會導致伊利石的強水解作用，結晶度較差。該研究所選用伊利石1.00 nm峰的半高寬均值由高到低順序為侏羅系遂寧組（52.5）、侏羅系蓬萊鎮組（50.1）、侏羅系沙溪廟組（47.5）、侏羅系自流井組（47.4），同時它們之間不存在顯著性差異。同時，伊利石結晶度變異系數為6.53%～19.7%，都處于較低的范圍，表明在紫色母巖各個地質時期隨著地理位置的變化，環境水解能力并沒有發生較大的變化。

3 結論

（1）重慶地區主要紫色母巖的層狀硅酸鹽礦物組成種類相對一致。除侏羅系沙溪廟組母巖中未檢出綠泥石外，其余各母巖中層狀硅酸鹽礦物都為蛭石、綠泥石、伊利石、高嶺石和云母。同時，同一種母質在不同地理位置的巖石樣品的層狀硅酸鹽礦物種類沒有變化。

（2）紫色母巖中的層狀硅酸鹽礦物各組分的相對百分含量隨地理位置未發生明顯的變化，只有自流井組母巖在云母含量可能有隨緯度增加而減少的趨勢。

（3）在不同種類母巖中，除1.4 nm過渡礦物相對含量沒有顯著差異外，云母、高嶺石和伊利石相對含量都存在0.05水平顯著差異。而且，在層狀硅酸鹽礦物相對總量上還存在隨沉積地質時間的推移而增加的趨勢。

（4）不同紫色母巖的伊利石結晶度之間沒有顯著性差異。而且，隨著地理位置的變化，紫色母巖伊利石結晶度也