粘土礦物在古環(huán)境重建中的研究現(xiàn)狀與展望

冉亞洲 盧柯

（1.大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069；2.中化地質(zhì)礦山總局陜西地質(zhì)勘查院，陜西西安 710065）

1 研究概述

粘土礦物主要為含水的鋁和鐵硅酸鹽礦物，層狀結(jié)構(gòu)，粒徑＜1μm，構(gòu)成半深海、深海相以及陸相沉積物的重要組成部分。由于獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)、小顆粒，微弱環(huán)境變化都會(huì)記錄在粘土礦物結(jié)構(gòu)和礦物組合中，使之成為古氣候信息的十分重要的載體，提供了影響整體氣候的綜合記錄（Singeret al.，1984）。隨著粘土礦物理論研究的進(jìn)步和測(cè)試技術(shù)的創(chuàng)新，在古氣候、鹽度恢復(fù)，追蹤物源區(qū)和劃分對(duì)比地層、構(gòu)造演化等古環(huán)境重建方面粘土礦物的作用越來(lái)越顯著，主要用于黃土、湖泊、海洋古環(huán)境的恢復(fù)。

我國(guó)對(duì)粘土礦物的研究在地層劃分與對(duì)比、細(xì)劃成巖階段、標(biāo)定古地溫、油氣成藏與演化等諸多方面得到廣泛應(yīng)用（張乃嫻等，1990;任磊夫，1992;趙杏媛等，1994，1995）。

2 研究方法

2.1 X射線衍射（XRD）分析

粘土礦物分析中經(jīng)常用到XRD 方法，可以通過(guò)X 衍射譜對(duì)粘土礦物的組成進(jìn)行半定量-定量分析，還可以獲得粘土礦物復(fù)雜的間層作用、結(jié)晶度（張乃嫻等，1990;陳忠等，2000）。該分析方法簡(jiǎn)便、實(shí)用，并且能夠獲得有關(guān)粘土礦物的關(guān)鍵信息。利用X-射線衍射儀進(jìn)行礦物定量的方法有內(nèi)標(biāo)法、外標(biāo)法、基體沖洗法（K 值法）、絕熱法（RIR）、增量法、無(wú)標(biāo)定量法和化學(xué)物相計(jì)算法等（藍(lán)先洪等，1990;張乃嫻等，1990）。馬禮敦等（2004）研究發(fā)現(xiàn)粉末衍射全譜擬合法（Rietveld 法）既可精修晶體結(jié)構(gòu)，還可對(duì)重疊的衍射峰進(jìn)行分解。Rietveld 法的實(shí)質(zhì)是模擬計(jì)算物相的衍射普與實(shí)際觀測(cè)譜之間的最小二乘法擬合過(guò)程，即通過(guò)已知的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)與非結(jié)構(gòu)參數(shù)、峰形函數(shù)、峰寬和擇優(yōu)取向因子等，模擬計(jì)算物相的衍射強(qiáng)度與實(shí)測(cè)強(qiáng)度的對(duì)比擬合過(guò)程。X 射線的Rietveld 法有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）Rietveld 法對(duì)整個(gè)圖譜中所有衍射峰進(jìn)行擬合，引入校正模型能對(duì)這些影響強(qiáng)度和衍射峰位的不利因素進(jìn)行有效校正；（2）采用特定峰型函數(shù)開(kāi)展衍射峰重疊和寬化等復(fù)雜情況下的定量分析；（3）同時(shí)獲得晶體結(jié)構(gòu)、樣品組成等參數(shù)；（4）通過(guò)對(duì)背景的多項(xiàng)式擬合，更準(zhǔn)確地確定峰強(qiáng)度。

2.2 掃描電子顯微鏡（SEM）/透射電子顯微鏡（TEM）/電子探針（EPM）/能譜（EDS）分析

微電子束分析技術(shù)如掃描電鏡、透射電鏡、電子探針、能譜分析在粘土礦物研究中的應(yīng)用，很大程度上推動(dòng)了粘土礦物的研究，通過(guò)粘土礦物微觀特征和化學(xué)元素準(zhǔn)確鑒定粘土礦物（任磊夫等，1992;趙杏媛等，1995）。掃描電鏡和透射電鏡均能對(duì)礦物表面結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行研究，確定礦物形成條件。掃描電鏡能夠觀察原始生長(zhǎng)狀態(tài)下的礦物成分及結(jié)構(gòu)，亞微米級(jí)分辨礦物的組構(gòu)。透射電鏡通過(guò)其高分辨率、高放大倍數(shù)可以準(zhǔn)確區(qū)分埃洛石、坡縷石等礦物，還可測(cè)量粘土礦物單顆粒晶體。透射電鏡的最大不足在于高倍鏡下分析結(jié)果是否具代表性，同時(shí)不易區(qū)分定向良好的板、片狀粘土礦物。電子探針和能譜分析可測(cè)定礦物的化學(xué)成分。EPM（又稱X射線波譜儀）主要用于粘土礦物化學(xué)成分分析，具有元素分析范圍廣、定位準(zhǔn)確、靈敏度和定量精度高以及制樣簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。EDS 元素分析范圍較廣，不能測(cè)較超輕元素如Be4-Ne10，靈敏度不如EPM，但檢測(cè)效率高、圖譜直觀、易進(jìn)行定性、定量分析，對(duì)較粗樣品測(cè)試比較理想。近些年，背散射電子圖像的廣泛使用，開(kāi)辟了掃描電鏡研究粘土礦物的新前景，透射電鏡可識(shí)別各種礦物成分。掃描電鏡的缺點(diǎn)是不能給出礦物內(nèi)部層間信息，僅能獲得化學(xué)成分和形態(tài)，想要準(zhǔn)確鑒定粘土礦物，必須借助其他方法。另外，掃描電鏡很難區(qū)分蒙脫石一類的間層礦物。

2.3 熱分析和紅外光譜（IR）分析

XRD 在無(wú)序礦物熱研究中靈敏度很差，當(dāng)三水鋁石、針鐵礦這類礦物含量低于1%時(shí)，可以輔以熱分析方法來(lái)檢測(cè)。由于一些粘土礦物本身的熱不穩(wěn)定性，熱分析曲線解釋起來(lái)比較困難。由于高嶺石的溫濕熱谷比迪開(kāi)石低100℃左右，可以通過(guò)差熱分析來(lái)研究。紅外光譜分析分析是一種廣泛應(yīng)用的快速粘土礦物鑒定方法（任磊夫等，1992;趙杏媛等，1995），而它最大優(yōu)點(diǎn)是能提供礦物的結(jié)構(gòu)和成分，尤其在區(qū)分高嶺石物多型方面。紅外光譜可以檢測(cè)出蒙脫石晶格中伊利石的類質(zhì)同象，而其他方法卻檢測(cè)不出來(lái)。同時(shí)，紅外光譜分析分析可以鑒定非晶質(zhì)物質(zhì)。由于粘土礦物多是混合物，顆粒細(xì)小，成分復(fù)雜，用紅外光譜法不需要單礦物分離，根據(jù)礦物的特征吸收峰的位置、形狀和強(qiáng)度，便可獲得礦物種屬和含量。紅外光譜分析具有用樣少（0.2～1mg）、制樣過(guò)程簡(jiǎn)單和不損壞礦物的優(yōu)點(diǎn)，可用于鑒定礦物種屬和確定礦物成分。缺點(diǎn)是不能鑒定微量組份以及礦物組份和相互關(guān)系，無(wú)法鑒定間層粘土礦物等。

2.4 其他方法

化學(xué)分析是粘土礦物研究中一種比較傳統(tǒng)和成熟的方法，在XRD、熱分析等先進(jìn)儀器未研發(fā)之前，粘土礦物都是通過(guò)化學(xué)分析完成。近些年隨著XRD、熱分析、紅外光譜、掃描電鏡/透射電鏡等分析技術(shù)的發(fā)展，尖端儀器分析鑒定粘土礦物完全可以取代化學(xué)分析?；瘜W(xué)分析在計(jì)算礦物結(jié)構(gòu)式和陽(yáng)離子方面貢獻(xiàn)突出（任磊夫等，1992;趙杏媛等，1995）。

3 局限性

自生粘土礦物和碎屑粘土礦物之間的區(qū)別是有問(wèn)題的，特別是關(guān)于蒙脫石。由于地形、地貌、巖性和時(shí)間等氣候外因素的干擾，氣候參數(shù)與粘土礦物形成的關(guān)系變得復(fù)雜。沉積后成巖作用可能無(wú)法識(shí)別。在運(yùn)輸過(guò)程中，由于大小分選或不同絮凝作用而產(chǎn)生的分化可能與氣候誘導(dǎo)的分化重疊。粘土礦物組合與特定來(lái)源地區(qū)的結(jié)合存在困難，因?yàn)閭鞑ネ緩绞艿竭\(yùn)輸媒介類型（如水、冰或風(fēng)）的影響。通過(guò)跨學(xué)科的方法，將來(lái)自粘土礦物的古氣候信息與來(lái)自微化石分析和氧同位素?cái)?shù)據(jù)的信息相關(guān)聯(lián)，可以克服許多這些限制（Singer A et al.，1984）。