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砂岩中自生粘土矿物的研究现状、内容和方法作者：王爱丽赵永刚来源：《科技资讯》2012年第31期摘要：自生粘土矿物是砂岩中重要的填隙物，也是砂岩成岩阶段划分的重要指示矿物。
该类矿物在油气勘探开发过程中备受关注。
随着石油工业的大发展，砂岩中自生粘土矿物的研究，目前已取得了长足进展。
本文以高岭石、伊利石、绿泥石和蒙皂石等砂岩中常见自生粘土矿物为例，从研究现状、内容和方法三方面综述砂岩中的自生粘土矿物。
通过大量的文献调研认为：研究内容主要包括矿物学特征、赋存状态（产状）、发育机理及对储层物性的影响等方面；薄片鉴定、染色分析、热分析、X-射线衍射分析和扫描电镜相结合是研究砂岩中自生粘土矿物的常规手段，目前亟待发展特色研究方法。
关键词：自生粘土矿物产状物性砂岩中图分类号：P57 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（a）-0053-03自生粘土矿物通常晶形好、透明度高，是砂岩中较重要的填隙物，也是砂岩成岩阶段划分的重要指示矿物。
砂岩中自生粘土矿物的研究源于沉积岩石学，其研究水平在砂岩成岩作用和储层保护机理的研究中得到很大提高。
虽然自20世纪60年代起，人们就已经开始关注自生粘土矿物与砂岩储层质量的关系，但是有关砂岩中自生粘土矿物研究现状、研究内容和研究方法等方面的论述仅散见于沉积岩石学和储层地质学等教材和相关专业文献中，缺乏系统综述。
鉴于此，本文主要以高岭石、伊利石、绿泥石和蒙皂石等自生粘土矿物为例，对砂岩中常见自生粘土矿物的研究现状、内容和方法进行较全面的综述，期望该领域的研究水平不断攀升，科研硕果压满枝头。
1 研究现状20世纪20年代X射线技术诞生时，人们才知道粘土的本质[1]。
Hadding（1923）和Rinne （1924）提出了粘土均为结晶质的结论，美国的Ross（1925）和Shannon（1926）再次肯定了他们的结论。
Hendricks（1940）指出粘土矿物晶体构造中广泛存在着规则和不规则的变化。
⼟⼒学第⼀章参考答案第⼀章参考答案⼀、简答题1.【答】⼟粒的⼤⼩及其组成情况，通常以⼟中各个粒组的相对含量（各粒组占⼟粒总量的百分数）来表⽰，称为⼟的颗粒级配（粒度成分）。
根据颗分试验成果绘制的曲线（采⽤对数坐标表⽰，横坐标为粒径，纵坐标为⼩于（或⼤于）某粒径的⼟重（累计百分）含量）称为颗粒级配曲线，它的坡度可以⼤致判断⼟的均匀程度或级配是否良好。
2. 【答】3. 【答】⼟是连续、坚固的岩⽯在风化作⽤下形成的⼤⼩悬殊的颗粒，经过不同的搬运⽅式，在各种⾃然环境中⽣成的沉积物。
与⼀般建筑材料相⽐，⼟具有三个重要特点：散粒性、多相性、⾃然变异性。
4. 【答】⼟的结构是指由⼟粒单元⼤⼩、矿物成分、形状、相互排列及其关联关系，⼟中⽔的性质及孔隙特征等因素形成的综合特征。
基本类型⼀般分为单粒结构、蜂窝结（粒径0.075~0.005mm）、絮状结构（粒径<0.005mm）。
单粒结构：⼟的粒径较⼤，彼此之间⽆连结⼒或只有微弱的连结⼒，⼟粒呈棱⾓状、表⾯粗糙。
蜂窝结构：⼟的粒径较⼩、颗粒间的连接⼒强，吸引⼒⼤于其重⼒，⼟粒停留在最初的接触位置上不再下沉。
絮状结构：⼟粒较长时间在⽔中悬浮，单靠⾃⾝中重⼒不能下沉，⽽是由胶体颗粒结成棉絮状，以粒团的形式集体下沉。
5. 【答】⼟的宏观结构，常称之为⼟的构造。
是同⼀⼟层中的物质成分和颗粒⼤⼩等都相近的各部分之间的相互关系的特征。
其主要特征是层理性、裂隙性及⼤孔隙等宏观特征。
6. 【答】强结合⽔影响⼟的粘滞度、弹性和抗剪强度，弱结合⽔影响⼟的可塑性。
7. 【答】⽑细⽔是存在于地下⽔位以上，受到⽔与空⽓交界⾯处表⾯张⼒作⽤的⾃由⽔。
⼟中⾃由⽔从地下⽔位通过⼟的细⼩通道逐渐上升。
它不仅受重⼒作⽤⽽且还受到表⾯张⼒的⽀配。
⽑细⽔的上升对建筑物地下部分的防潮措施和地基特的浸湿及冻胀等有重要影响；在⼲旱地区，地下⽔中的可溶盐随⽑细⽔上升后不断蒸发，盐分积聚于靠近地表处⽽形成盐渍⼟。
土壤有机质的形成与变化机制研究土壤有机质是土壤中的一种重要物质，在土壤养分循环、水土保持和生物多样性保护等方面扮演着重要的角色。
有机质的含量和质量决定着土壤的肥力、保水能力、通透性和渗透性，因此，研究土壤有机质的形成与变化机制对于优化土壤质量、提高农业生产效益、保护环境、实现可持续发展具有重要的意义。
一、土壤有机质的形成机制1. 入土有机物质的贡献土壤有机质的形成与变化是一个复杂、动态的过程，其中，新生有机物质和残体有机物质的贡献十分重要。
新生有机物质主要来源于土壤微生物的代谢活动和植物的分泌物，如根系分泌的黏液、茎叶边角料和花粉等。
残体有机物质则主要来源于植物、动物和微生物的死体、皮毛、羽毛、排泄物等。
2. 生物地球化学过程的作用生物地球化学过程是土壤有机质形成的重要机制，它包括有机物质的分解、转化、吸附和释放等过程。
这些过程的发生与土壤原始矿物组分、土壤微生物、植物和环境因素有密切的关系。
例如，微生物通过分解新生和残体有机物质，释放出二氧化碳、水和能量，同时合成多种有机物，其中一部分可以被吸附在土壤胶体表面形成胶体有机质，一部分则进一步分解形成稳定的腐殖质。
3. 物化作用的影响土壤有机质的形成还受到物化作用的影响，如氧化还原反应、碱性和酸性的影响等。
土壤中有机质的颜色、结构、化学性质都可能受到这些因素的影响。
其中，氧化还原状态的改变是影响有机质分解、稳定和转化的最重要因素之一。
例如，水logged土壤中氧气供应不足，氧化反应减弱，有机质的分解减缓，从而使土壤中有机质的含量相对较高。
二、土壤有机质的变化机制1. 生化循环机制生化循环机制是土壤有机质变化的重要机制，它表现为新生的有机质与残体有机质通过分解、质量转移等方式进入到倾向于稳定的有机质形态，最终形成稳定的腐殖质。
其中，微生物对于有机物质的分解和转化起着决定性的作用，能合成多种酶解酶、氧化酶和脱氢酶等，通过代谢将有机物质进行分解和转化形成稳定的有机质。
粘土矿物的微观结构研究与岩土工程应用引言：粘土矿物是地质学上一类常见的矿物，对岩土工程具有重要的影响。
本文将探讨粘土矿物的微观结构研究以及其在岩土工程中的应用，希望能够为相关领域的研究者提供一些思路和理论支持。
第一部分：粘土矿物的微观结构研究1.1 粘土矿物的基本组成粘土矿物主要由硅酸盐矿物和氢氧化铝组成，其中硅酸盐矿物是整个微观结构的基础。
各种不同的粘土矿物都具有独特的物化特性，这与它们的微观结构有着密切的关系。
1.2 粘土矿物的晶体结构粘土矿物的晶体结构是了解其微观性质的基础。
以蒙脱石和高岭石为例，它们的晶体结构由硅酸四面体和氢氧化铝八面体交替组成，形成一层层的结构。
这种层状结构中的水分子以吸附形式存在，对其特殊性质起到重要作用。
1.3 粘土矿物的排列与堆积粘土矿物颗粒之间的排列与堆积方式也对其性能产生重要影响。
粘土矿物表面带有静电作用力，这使得颗粒间形成了一种独特的层状排列结构。
此外，颗粒之间的空隙结构也是研究对象之一。
第二部分：粘土矿物在岩土工程中的应用2.1 粘土矿物的吸附特性由于粘土矿物层状结构中的吸附水分子的存在，粘土矿物表面具有吸附能力。
这种吸附作用可以用于改良土壤的工程应用中。
比如，粘土矿物可以吸附有机物质和重金属离子，起到净化土壤的作用。
2.2 粘土矿物的胶结特性粘土矿物中的粘土胶粒可以吸附水分子并形成胶体物质。
在岩土工程中，粘土胶体物质能够通过胶结作用将土壤颗粒紧密连接起来，增强土壤的抗剪强度和稳定性。
2.3 粘土矿物的膨胀性与收缩性部分粘土矿物具有膨胀性与收缩性，这意味着它们在吸水和失水过程中会发生体积变化。
在岩土工程中，这种特性常用于调控土壤水分含量，控制土壤的干湿变形。
2.4 粘土矿物的渗透性与过滤性能由于粘土矿物颗粒紧密排列，其渗透性较差，通常表现为较低的水力导率。
这使得粘土矿物在填土工程中可以用于增加土壤层的防渗性能。
结论：粘土矿物微观结构的研究对于岩土工程具有重要意义。
粘土矿物分析Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT作为岩石组分的粘土矿物其含量、种类及其分布、产状等对地层伤害有着非常密切的关系。
由于粘土矿物颗粒细小（<0.01mm），比表面极大，并具有特殊的结构组成，因此它们对外来作业流体如注入水、压裂液、酸化液、压井液等的侵入极为敏感。
当与外来流体接触时，粘土矿物往往会发生膨胀、微粒运移、生成某种沉淀等从而堵塞储层油气流动的孔隙通道，造成储层渗流能力的下降，损害油气层。
因此了解粘土矿物的性质对油田开发十分重要。
通过X射线衍射分析和扫描电子显微镜技术可以确定岩石中粘土矿物的含量、分布及产状等。
选取了西泉5井的部分岩石样品进行了上述测定，测定结果见表1。
表1 西泉5井区三叠系储层粘土矿物含量统计表根据X衍射和扫描电镜分析，韭菜园子组砂层以蒙皂石（包括蒙脱石和皂石两个亚族）为主，63％～98％，平均％；其次为伊/蒙混层（20％～99％，平均％），绿泥石（1％～55％，平均％），另有高岭石（1％～12％，平均％）和伊利石（2％～16％，平均％）（见表1）。
对韭菜园子组敏感性的简单分析：（供参考）韭菜园子组伊/蒙混层和绿/蒙混层含量较多，伊/蒙混层和绿/蒙混层是遇水易膨胀的矿物，易发生粘土膨胀和分散造成地层伤害。
韭菜园子组绿泥石含量相对较高（平均％），绿泥石是酸敏性矿物，酸化时易造成氢氧化铁胶体沉淀（酸敏）。
另外伊利石和高岭石是速敏性矿物，易造成颗粒运移堵塞地层。
粘土矿物分析在储层潜在敏感性评价中的应用一、粘土矿物类型粘土矿物(clay minerals)是粘土和粘土岩中晶体一般小于2微米，主要是含水的铝、铁和镁的层状结构硅酸盐矿物。
有的在其成分中还有某些碱金属或碱土金属存在。
粘土矿物包括高岭石族矿物、蒙皂石、蛭石、粘土级云母、伊利石、海绿石、绿泥石和膨胀绿泥石以及有关的混层结构矿物，此外还包括具过渡性的层链状结构的坡缕石（凹凸棒石）和海泡石以及非晶质的水铝英石。
第一章有机质与粘土矿物的研究现状第一节问题的提出粘土矿物和有机质是泥质烃源岩的二大组成部分，一直是岩石矿物学家和有机地球化学家研究的重点。
在泥质烃源岩中有机质常以分散状、顺层富集状、局部富集状和生物残体等形式分布于粘土矿物中（苗建宇等，1999；张林晔等，2003），二者间相互共存，属统一的地质体，表明粘土矿物与有机质具有密不可分性。
纵观泥质烃源岩的粘土矿物成分主要为蒙脱石和伊利石，在不同地质历史时期油气储量的变化与蒙脱石的变化相一致（Weaver,1960；王行信，1990）；在含油气盆地中随着埋藏深度的增加，蒙脱石不断地向伊利石转化，这些特征表明蒙脱石与伊利石相比，具有更大的变化性和不稳定性，与油气的关系更为密切，是更值得重视的无机矿物。
有机地球化学理论认为干酪根是烃源岩中有机质的主体，可以细分为腐殖体、镜质体、壳质体和惰质体等（Durand, 1980; Tissot and Welte, 1984），表明有机质组成的多样性。
干酪根的获得是在实验室中利用各种酸对烃源岩进行处理(Durand, 1980)，除去无机矿物后得到的一些有机质，因而，破坏了自然状态下有机质与无机矿物间的相互关系；从干酪根的结构上来看，不论是Ⅰ型干酪根，还是Ⅲ型干酪根，其结构不稳定且多变（傅家谟和秦匡宗. 1995），表明它不是稳定的化合物，而是经各种处理后得到的有机质的混合物。
由此看来，干酪根虽属烃源岩中的有机质，但它脱离了与之共存的无机矿物，不能很好地反映有机质的赋存状态以及有机质与无机矿物间的相互关系，需要探索新的方法开展研究。
综合烃源岩、无机矿物和有机质的特征，认为开展烃源岩中无机矿物与有机质的相互关系研究很有必要，特选取泥质烃源岩中易变化的粘土矿物—蒙脱石与有机质的相互关系作为探索研究的重点。
在石油地质学领域存在有机质的早期成油理论和晚期成油理论之争（黄第藩等，2003）；到70年代树立了干酪根热降解的晚期生油理论的核心(Durand，1979,Tissot and Welte,1978)，并在此理论指导下不论在海相，还是在陆相的油气勘探中都取得了成果。
最近几年来，有机地球化学界取得了众多的研究成果，值得的关注的是低熟油的发现（黄第藩，2003），并认为可溶有机质对低熟油的形成做出了贡献，而这些可溶有机质并非来自干酪根（王铁冠，1995；张林晔等，1999，2005），因此，对可溶有机质的赋存状态值得关注。
对烃源岩中有机质的深入研究发现，除了存在共价键有机质外，还存在一些非共价键的有机质（Guo Shaohui, et al,2000），并且发现可溶有机质具有不同的结合态，如游离态和结合态有机质等（关平等，1998；宋一涛等，2005），展现了有机质在烃源岩中保存形式的多样性。
低熟油的成熟度指标Ro值比成熟油明显偏低（王铁冠等1995），压力的差异对烃源岩演化和有机质的生烃将产生影响（刘文汇，2000；郝芳等，2004），因而，打破了热力场一统成油理论的局面，应从更多的层面探讨有机质的生烃问题。
烃源岩中粘土矿物不仅与有机质共生，而且油气生成的高峰期与粘土矿物的排水高峰是一致的（王行信等，1990,1991,1996），粘土矿物中层间水的排出对油气的生成和排烃过程也起到重要的影响（Seewald,2003）。
这些现象向人们提出了问题，粘土矿物与有机质是以何种形式相互结合，可溶有机质如何保存于烃源岩中，可溶有机质的赋存状态如何，可溶有机质如何从粘土矿物中排出等，二者之间是否有必然联系和因果关系。
有机粘土化学研究表明，无机矿物和有机质都具有较强的化学活性，二者之间可以通过氢键、离子偶极力、阳离子交换和范得华力等键合方式结合成有机粘土复合体（Theng, 1979；熊毅等，1983；Yariv and Cross,2002）。
通过人工合成试验证明不同类型的有机质可以进入粘土矿物的层间（Armstrong et al, 1964；Peretz Rodriquez,1977），层间距增大，并且稳定性较好，这都从理论上证明了粘土矿物与有机质间存在者密切的关系，这为开展烃源岩中粘土矿物与有机质相互作用奠定了理论基础。
综合表层沉积物中有机质与粘土矿物相互关系的研究成果，有机质生烃理论和有机粘土化学的研究进展，以及粘土矿物与有机质合成试验的成果，开展烃源岩中粘土矿物与有机质相互作用研究具有以下几方面的科学理论和应用实践意义1. 黏土矿物与有机质的结合方式对地壳中有机碳的调查表明（Weaver,1960），生物体中的有机碳仅占地壳中有机碳的极少部分，大部分的有机质以有机集合体的形式存在于沉积物和沉积岩中。
沉积物中仅有10%左右的有机质呈颗粒态与矿物共生（Keil and Hedges, 1993；Bergamaschi et al, 1997），其余绝大部分与粘土矿物相结合，广泛以有机粘土复合体的形式存在（熊毅,1983,王行信，1991）。
在上个世纪中后期，Weiler and Mills（1965）,Suess（1973）和Tanoue（1979）等人已经注意到海洋沉积物中比表面积较大的泥质细粒级有机碳含量高，二者具有较好的线性相关性。
Mayer（1994,1995,1999）对诸多大陆边缘海洋沉积物的研究结果进一步证实了这一观点。
在河口、潮间带、大陆架、斜坡等大陆边缘的不同环境中发现，表层和深部沉积物的有机碳百分含量均与沉积物表面积间存在良好的线性关系，有机碳百分含量和沉积物表面积的关系在0.5－1.0mgOCm-2范围内变化，碳酸盐岩和氢氧化物中所占比例很小，这些成果表明海洋沉积有机质与粘土矿物关系密切。
泥质沉积物和泥岩中有机质最为丰富，有80%以上的有机质与粘土矿物紧密结合，形成了有机粘土复合体。
土壤中绝大部分有机质是与粘土矿物相结合，组成有机粘土复合体，其中50%以上的有机质与土壤的粘土矿物复合（熊毅，1985）。
在一定范围内，粘土含量越多，有机碳含量越高。
有机碳含量（OC）与粘土比表面的比值(SFA)（0.2-1.2 mg-OC m-2），也均说明粘土矿物对有机质具富集作用（Mayer, 1994a, b, 1995; Hedges and Keil, 1995; Ransom et al, 1997; Mayer, et al, 2004）。
Ransom等（1997）运用透射电镜（TEM）对加利福尼亚北部大陆斜坡处的海洋沉积物及其上部水体中的海洋雪花进行了研究，发现少部分有机质呈油珠状分散在粘土矿物表面，而大部分有机质则主要以下三种形式存在：①不连续的泡状细胞物质；②厚的、局部不规则的斑点状细胞质与胞外物质缔合于薄层的黏粘土絮状物中；③细菌细胞及其有关的粘多糖类网状物。
这些有机质主要与粘土矿物关系紧密，还有极少数吸附在粘土粒级的其它矿物表面上。
上述研究表明粘土矿物与有机质的相互作用在现代沉积物和土壤中研究较多，但烃源岩中粘土矿物与有机质的相互关系研究较少，特别是无机矿物与有机质的结合关系研究更少，是值得关注的领域。
众所周知，粘土矿物具有其自身的特殊性，如蒙脱石的比表面积大、电荷多、层间易膨胀等。
粘土矿物和有机质都具有较强的化学活性，二者之间可以通过氢键、离子偶极力、静电作用和范得华力等方式结合成有机粘土复合体（Theng, 1979；熊毅等，1985；Yariv and Cross, 2002）。
粘土矿物与有机质相互作用十分广泛，作用机理复杂，可分为物理吸附和化学吸附。
物理吸附是指分子间引力产生的吸附，粘土矿物因板状或片状结晶习性而具有较大的总比表面积，出露于表面的大量分子所形成的合力使得表面能很高（赵杏媛等，1990），因此，物理吸附能力较强。
粘土矿物的化学吸附活性主要是由构造层的离子替代或水解作用而导致剩余净电荷，进而在一定条件下通过化学键对活化的有机质进行吸附，具体结合方式有（Theng, 1979；熊毅等，1985；何宏平，2001）：①有机阴离子替代OH基团；②通过与暴露的羟基上的氧形成氢键；③与多价态金属阳离子形成配位键，如Al3+或Fe3+；④吸附于早期聚合在黏土边缘的羟基上。
上述不同类型的吸附主要取决于有机质的性质、粘土矿物表面交换离子的类型、反应体系中水的含量、溶液的PH值以及粘土矿物的特征等。
对于有机阴离子的吸附来说，则主要受质子化阴离子的浓度控制。
Mayer（1994）和Keil等（1995）对现代泥质沉积物和土壤样品的表面积和有机碳含量的大量研究，发现矿物表面多数由<10 nm的微孔隙组成，90%以上的总有机质以吸附的方式存在且主要吸附于微孔隙中，并计算出矿物表面积每平方米的有机质吸附量为0.86 mg。
基于上述结果，Mayer提出了“单层被覆”假设，即有机质以单分子层（或单层当量）的形式均匀地覆盖于矿物表面或填充在矿物颗粒间的微孔隙中，并用海水溶解有机质的吸附过程加以解释。
Satterberg等(2003)模拟了海洋环境中浮游植物与粘土矿物的吸附过程,发现蒙脱石吸附能力较强，而高岭石较弱，绿泥石介于其中，而且同一矿物对不同有机质的吸附能力也有差异。
Yaron-Marcovich等（2004）通过蒙脱石吸附苯甲基三甲胺的模拟实验发现，PH值对吸附量有重要影响，低的PH值对应高的吸附量，在2.74附近时吸附量达到最大且难以分解。
人工合成试验证明,不同类型的有机质可以进入粘土矿物的层间（Armstrong et al, 1964；Peretz Rodriquez et al, 1977），并且稳定性较好。
Kennedy等(2002)的研究结果显示蒙脱石层间有机碳的吸附量可大于15 %，证实粘土矿物结构内部的层间域是提供吸附有机碳的重要场所。
上述研究表明粘土矿物的物理、化学吸附能力主要取决于矿物的类型、结构和有机质的组成、性质等，同时也与介质的物理化学条件有关。
那么，在烃源岩中蒙脱石保存有机质主要是在层间，还是表面吸附，对此研究较少。
总的来看，在烃源岩研究领域对有机质与粘土矿物的相互关系研究较为薄弱。
从地质学的角度上，应将地质体中的有机质与粘土矿物看作一个统一的整体来认识，探讨系统中有机质的保存、有机质与无机矿物间的相互作用关系和系统成岩演化过程、方向和生、排烃机制等一系列重要科学问题。
2黏土矿物层间水的变化粘土矿物的层间水变化是一个古老的研究课题，已经取得了众多研究成果，但从有机质与粘土矿物相互作用的角度，特别是粘土矿物结合有机质以后，层间水的变化更值得关注。
蒙脱石在粘土矿物中含水量最多，一般含有四个以上的水分子层，如按体积计算可占整个矿物的50%，按重量计算可占整个矿物的22%（格里姆，1960）。
按水的存在状态可分为吸附水、层间水和结构水等，吸附水是矿物表面的水，失去后并不引起矿物本身的变化，而层间水和结构水是矿物本身的一部分，失去后将会引起矿物的变化。
