海綠石成因類型及其對沉積環(huán)境的指相分析

張?zhí)?+王辰昊

摘 要：海綠石不僅可以作為地層對比的標(biāo)志礦物，而且可以作為指相礦物反映沉積環(huán)境，它包含了豐富的地質(zhì)信息。通過對海綠石形成條件及成因類型劃分進(jìn)行再認(rèn)識，對其不同劃分類型與沉積環(huán)境關(guān)系進(jìn)行分析，認(rèn)為對海綠石成因類型劃分理論主要有兩種：溶液膠體沉積理論和海綠石化作用理論。在這兩種理論基礎(chǔ)上提出的淀膠沉積及粘土礦物交代理論等，均反映了海綠石化學(xué)成因類型的本質(zhì)，為以顆粒狀、團(tuán)粒狀、碎屑膠結(jié)物、孔隙充填等多種產(chǎn)出形態(tài)的海綠石從成因上提供依據(jù)。基于成因分析，根據(jù)海綠石搬運與否、產(chǎn)出形態(tài)以及成熟度類型的綜合分析，利用顯微鏡觀測，掃描電鏡、電子探針、X衍射分析、紅外光譜分析、拉曼光譜等方法對海綠石類型進(jìn)行輔助確定，認(rèn)為原地自生海綠石能作為指相礦物，反映沉積環(huán)境，原地次生、異地自生及異地次生海綠石均無法作為沉積環(huán)境的直接指相證據(jù)，但仍可以反映沉積古水流及沉積環(huán)境能量信息，為綜合確定沉積環(huán)境提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：海綠石 成因類型 沉積環(huán)境 指相分析

中圖分類號：P57 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（b）-0084-04

The Genetic Types of Glauconite and the Relationship Analysis of Facies and Sedimentary Environment

Zhang Tian Wang Chenhao

（Petroleum Exploration and Development Research Institute， Petro China Xinjiang Oilfield Company， Karamay Xinjiang， 834000， China）

Abstract： Glauconite can not only be regarded as index mineral of stratigraphic correlation， but also be used as diagnostic minerals of sedimentary environment， which contains abundant geological information. Through the recognition of the formation conditions and genetic types of glauconite， the relationship between the different sediments and the sedimentary environment is summarized， two main views of genetic types division of glauconite can be concluded： solution colloid deposition theory and glauconitization effect theory. Starch adhesive deposition theory and clay mineral metasomatic theory are based on these two theories， both of them can reflect the essence of glauconite chemical genetic type， which can provide evidence for the glauconite with various output forms of granular， crumb， clastic cement and pore filling. Based on the analysis of the causes， carrying， output forms， maturity type， using microscope， scanning electron microscope， electron probe， X diffraction analysis， infrared spectroscopy， Raman spectroscopy and other methods， the type of glauconite can be auxiliarily determined. The option is thought to be right that autochthonous glauconite can be used as facies mineral to reflect sedimentary environment. These kinds of glauconite cannot be directly used as the sedimentary environment evidence such as autochthonous secondary， allochthonous， allopatry， which can still reflect the information of paleocurrent and sedimentary information to provide the comprehensive basis of sedimentary environment.

Key Words： Glauconite； Genetic types； Sedimentary environment； Facies analysis

海綠石最早被定義為巖石中的綠色顆粒礦物，這一概念為德國博物學(xué)家Humboldt于1823年所提出[1]。海綠石能作為指相礦物對沉積環(huán)境、沉積速率進(jìn)行分析，還能用作巖石測年的樣本，不僅能作為標(biāo)志性礦物用于地層對比，而且能用于層序地層劃分、區(qū)域地層對比及構(gòu)造演化等多個方面[2]。通常認(rèn)為，海綠石為一種富鉀、富鐵、含水并具有二八面體層狀結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽礦物。海綠石一般在50～500 m間的大陸架上出現(xiàn)，在水深200～300 m左右的大陸坡和外大陸架上格外富集，常見于晚前寒武紀(jì)以后的地層中[3]。

海綠石包含了豐富的地質(zhì)信息，這是因為海綠石的形成沉積環(huán)境對水體離子環(huán)境及酸堿度條件要求苛刻，因此，國內(nèi)外學(xué)者為了充分挖掘海綠石礦物地質(zhì)信息采取了大量的研究方法。

對海綠石的研究共經(jīng)歷了3個階段，早在20世紀(jì)60年代初，海綠石最初被認(rèn)為為海相環(huán)境的特征指相礦物，如安徽宿縣夾溝海綠石[4]、貴州二疊紀(jì)大廠層海綠石[5]。在20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初，非海相環(huán)境的海綠石被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)主要代表為泰康海綠石、天津薊縣海綠石、撫仙湖海綠石[6]、貴州納雍地區(qū)龍?zhí)督M海綠石[7]、延長海綠石[8]。海綠石的元素組成也被廣泛關(guān)注，富鉀貧鐵的海綠石和貧鉀富鐵的海綠石均被發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)今，對海綠石的研究問題主要集中在兩個方面：一是什么類型的海綠石能作為指相礦物，二是什么類型海綠石的K-Ar測年是真實可靠的依據(jù)。作為指相礦物的結(jié)論被實例所修正，原地自生海綠石由于其未經(jīng)過外部的破壞，仍保留了沉積時的環(huán)境及沉積特征信息，能夠作為對原始沉積環(huán)境的指相礦物，但即使是原地自生海綠石，當(dāng)其成熟度未達(dá)到中或高成熟度條件時，利用K-Ar測年得出的結(jié)論仍存在不準(zhǔn)的可能，如南海北部陸架海綠石[9-10]。

1 海綠石類型及其劃分方法

1.1 海綠石類型

不同沉積環(huán)境下的海綠石被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，對海綠石原有的認(rèn)識逐漸完善。簡單從沉積相角度出發(fā)，海綠石被分為海相和非海相，已不能滿足現(xiàn)今對海綠石研究的需求。為此，國內(nèi)外學(xué)者對海綠石類型劃分方式進(jìn)行了探索。

目前還未有統(tǒng)一的界定標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外比較成熟并被接受的主要有3種劃分方式：按海綠石形成方式分，按位置是否搬運分，按海綠石成分成熟度分。

與其他礦物不同，海綠石具有形態(tài)變異性和物理化學(xué)變異性，利用形態(tài)上的差異，Cayeux于1916年建立了第一套海綠石的分類方法。按照變異性劃分為4種類型：初生的、稍發(fā)育的、發(fā)育的和高度發(fā)育的[3]。這一劃分方法即為后期對海綠石成熟度研究的初期萌芽。

對于海綠石的形成方式，被廣泛認(rèn)可的兩大成因解釋為海綠石的溶液成因和海綠石石化作用[11]。溶液成因與之后提出的“自生淀膠理論”類似，海綠石化作用則與顆粒綠化理論及假形置換理論對應(yīng)。前者成因理論主要用于解釋以膠結(jié)物狀形態(tài)產(chǎn)出的海綠石，尤其是在砂巖膠結(jié)物中發(fā)現(xiàn)的海綠石；后者成因理論主要用于解釋顆粒狀或者孔隙中產(chǎn)出的海綠石。溶液成因理論認(rèn)為，由于海水中存在以單硅酸特定膠狀形式的二氧化硅，在水體穩(wěn)定并處于弱還原的沉積環(huán)境時，由于成巖作用的影響，局部鐵、鋁、鉀等陽離子的富集，即可形成海綠石的有利地球化學(xué)環(huán)境。海綠石的化學(xué)元素成分與粘土礦物十分類似，當(dāng)蒙脫石或多水高嶺石發(fā)生強烈海綠石化作用。海相成因的海綠石鉀含量高于非海相成因的，而穩(wěn)定鐵的富集常常發(fā)生在海綠石化第一階段。

海綠石搬運分類由Fischer于1990年提出，按照是否搬離原先生成地點分為原地海綠石和異地海綠石[12]，異地海綠石又進(jìn)一步被劃分為準(zhǔn)原地和碎屑海綠石[13]。在原地或異地沉積形成的海綠石中，均可以出現(xiàn)有溶液成因和海綠石化作用形成的海綠石，而海綠石產(chǎn)出形態(tài)卻有差異。原地沉積海綠石未經(jīng)過搬運改造，原始形態(tài)保留完好，常以團(tuán)粒形態(tài)產(chǎn)出，粒度偏粗，比重偏大。異地沉積海綠石則經(jīng)過搬運磨圓，粒度偏細(xì)，磨圓度較好，比重偏小，多以顆粒形態(tài)產(chǎn)出，少數(shù)可以成為團(tuán)粒形態(tài)。在區(qū)分出原地和異地的基礎(chǔ)上，需要對自生和次生海綠石類型進(jìn)行區(qū)別。次生海綠石，在形態(tài)上與自生海綠石有明顯差別，次生海綠石主要為交代或重結(jié)晶作用改造形成，常以色素侵染狀或交代假象狀形態(tài)產(chǎn)出，如美國大西洋沿岸海綠石，自生海綠石則沒有后期改造所造成的顆粒磨蝕痕跡，如黃海海綠石[14]。

按照變異性的劃分方式與Odin and Matter于1988年提出的兩端元分類法相類似，也需將海綠石按照演化或成熟度階段劃分為4個，不同的是，前者主要按照元素的變化來進(jìn)行劃分，后者主要考慮到在成熟度高時，K2O含量會呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系[15]。隨著成熟度的升高，海綠石顆粒依次變深，從黃綠色、淺綠色、翠綠色直至變?yōu)槟G色。

國內(nèi)學(xué)者在基于搬運與否、生成方式及產(chǎn)出形態(tài)3方面提出了三級分類原則[4]，但這一分類方式并未能解決不同成熟度類型的海綠石的劃分方式，因此，在綜合各學(xué)者的觀點后，對海綠石劃分應(yīng)按照綜合分類的原則進(jìn)行，在三級劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦物成熟度、顏色、產(chǎn)出形態(tài)進(jìn)行劃分，可以確定能夠為實際地質(zhì)信息服務(wù)的海綠石類型劃分，如表1所示。

1.2 海綠石成因類型劃分研究方法

為進(jìn)一步輔助判斷海綠石的類型，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行多次嘗試，主要研究方法有6種：顯微鏡觀測、掃描電鏡、電子探針、X衍射分析、紅外光譜分析、激光拉曼光譜。

利用顯微鏡下觀測方法，可以確定海綠石的顯微結(jié)構(gòu)及粒級特征，進(jìn)一步判定海綠石的形態(tài)特點。常見的有3種顯微結(jié)構(gòu)，最常見的為團(tuán)粒狀形態(tài)產(chǎn)出的海綠石，顯微鏡下呈現(xiàn)出雜亂特征，微晶排列不具有一定的方向性；其次為礦物碎屑中伴生的海綠石，鏡下呈定向片狀集合體，微晶晶型平行排列，具有波狀消光；最后為陸源碎屑中形態(tài)為鮞狀的海綠石，鏡下呈定向環(huán)狀微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，微晶晶型呈環(huán)狀平行排列[16]。通過微觀粒級觀測后，進(jìn)一步確定海綠石礦物顆粒粒級，當(dāng)海綠石顆粒粒徑明顯大于同生陸源碎屑顆粒時，海綠石發(fā)生異地搬運的概率小，利用比重進(jìn)行輔助分析，若偏大則進(jìn)一步說明海綠石原地自生的特性，反之，則可能為異地搬運沉積。

Borst和Keller（1969）曾第一次利用掃描電鏡來說明海綠石顆粒的表面結(jié)構(gòu)，遺憾的是沒有涉及它的礦物學(xué)特征。掃描電鏡主要是依據(jù)海綠石晶形大小或排列方式來分析沉積環(huán)境。當(dāng)晶形呈定向穩(wěn)定排列時，說明海綠石形成時水動力條件較弱，反之，則水動力條件較強。

電子探針可對礦物元素進(jìn)行定量分析，對海綠石中鐵和鉀元素含量變化檢測有重要作用，富鐵貧鉀一般為初期發(fā)育海綠石，后期隨著成熟度演化程度增強，海綠石表現(xiàn)出貧鐵富鉀的特征[17]。

X衍射分析主要是依據(jù)礦物的譜線特征來進(jìn)行識別，主要可以識別出礦物中的粘土礦物含量范圍百分比，尤其是伊利石、蒙皂石及高嶺石主要礦物成分，以此來確定海綠石中各種成分的比重。當(dāng)高嶺石含量越高時，礦物經(jīng)過風(fēng)化作用改造越強烈，反之，則越弱。利用X衍射，可以確定膨脹性指標(biāo)范圍，即確定伊蒙混層的百分含量，以此判斷膨脹層的特點[15]。

紅外光譜分析也可對膨脹層信息進(jìn)行反應(yīng)，膨脹層百分含量越小，最大吸收區(qū)域譜線越寬，反之則越小，當(dāng)海綠石成熟度越高，膨脹層百分含量越小[18]。

激光拉曼光譜分析適用于樣本點極少的情況，通過對海綠石激光拉曼光譜的特征峰波數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以有效鑒定不同海綠石的晶體結(jié)構(gòu)[8]。

2 指相分析

國內(nèi)外多個例子，均證實海綠石對沉積環(huán)境的指相意義，是針對原地自生海綠石提出的。原地自生海綠石反映其沉積時處于緩慢、低能、弱還原環(huán)境，為指相分析的礦物。異地自生海綠石形成環(huán)境多處于高能，弱氧化環(huán)境，由于搬運作用改造，可以以多種顆粒形式廣泛出現(xiàn)在不同中深地帶的沉積水體中，雖也可反映水體環(huán)境，但卻并不能作為指相礦物，如在海相環(huán)境中形成的海綠石，也可能產(chǎn)出于高能環(huán)境，如臺地邊緣礁相沉積[19]。在非海相中，也能出現(xiàn)能夠反映沉積環(huán)境的原地自生海綠石，如藏西南札達(dá)白堊紀(jì)Albian期海綠石。海綠石對沉積環(huán)境的分析需要針對不同的研究區(qū)塊，進(jìn)行綜合分析確定。在對什么等多個地區(qū)進(jìn)行分析統(tǒng)計，如表2所示，可以確認(rèn)：（1）海綠石在海相和非海相均可出現(xiàn)，指相海綠石更多指的是原地自生海綠石；（2）利用非標(biāo)準(zhǔn)海綠石進(jìn)行沉積環(huán)境分析，需要綜合考量。

3 結(jié)語

對海綠石的類型確定后能針對性地開展研究工作。在初期研究階段，可以針對海綠石是否搬運進(jìn)行確認(rèn)，可從粒度、顆粒粒徑方面著手；為深化研究，對海綠石的成因類型需加以確認(rèn)，在不同的海綠石基礎(chǔ)上對演化階段進(jìn)行研究，可以更加準(zhǔn)確地通過海綠石進(jìn)行測年分析。

海綠石的指相意義是針對原生自生海綠石而言的，異生海綠石雖不能作為特定的指相礦物，但也可以反映沉積環(huán)境的能量信息。國內(nèi)外學(xué)者對海綠石的研究，目前仍然處于求索階段，不同類型的海綠石被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步說明形成海綠石的條件雖然苛刻，但在地質(zhì)歷史時期，只要有利于海綠石形成的條件，海綠石都能形成，針對不同的沉積環(huán)境和沉積背景，需要進(jìn)行對應(yīng)的分析才更能準(zhǔn)確地分析該沉積時期的地質(zhì)條件。

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