含海泡石层系泥质灰岩中自生黏土矿物的类型、组成与成岩演化过程--以川东地区中二叠统茅口组茅一段为例

通过野外露头剖面实测和岩心观察,结合薄片鉴定、氩离子抛光、X射线衍射、扫描电镜、能谱分析和激光剥蚀元素面扫描等方法,对四川盆地东部地区中二叠统茅口组一段(简称茅一段)含海泡石层系泥质灰岩中自生黏土矿物类型、产状及其组成进行了分析,明确黏土矿物的成岩演化序列,建立黏土矿物沉积-成岩演化模式。研究表明,川东地区茅一段在富Si^(4+)、Mg^(2+)的凉水文石海中沉淀自生海泡石矿物,形成含海泡石层系;在埋藏成岩过程中,自生黏土矿物会经历两条可能的演化序列:①早成岩A期到中成岩A_(1)期,在普遍缺乏Al^(3+)的浅埋藏环境中,海泡石维持稳定状态;中成岩A_(2)期,自生海泡石开始演化为斯蒂文石;中成岩B_(1)期演化为无序滑石;中成岩B_(2)期至晚成岩期,最终演化为滑石,形成了茅一段主要的自生黏土矿物成岩演化序列“海泡石—斯蒂文石—无序滑石—滑石”。②早成岩A期,风暴和上升洋流携带的Al^(3+)参与成岩过程,微量海泡石向蒙脱石演化,部分蒙脱石继续演化为绿泥石;早成岩B期至中成岩A_(1)期,部分蒙脱石演化为伊/蒙混层;中成岩A_(2)期至中成岩B_(2)期,伊/蒙混层向伊利石发生演化,至晚成岩期全部转化为伊利石,由此形成茅一段次级自生黏土矿物成岩演化序列“海泡石—蒙脱石—绿泥石/伊利石”。含海泡石层系泥质灰岩中自生黏土矿物的类型与演化具有两方面的油气地质意义:①海泡石吸附和聚集大量有机质,有效提升茅一段烃源岩的品质和生烃潜力。②海泡石向滑石演化过程中形成大量有机质孔和黏土收缩孔(缝),同时释放富Mg^(2+)成岩转化流体,使凹陷内或凹陷边缘区的灰岩发生白云石化,在中二叠统形成自生自储和(旁)下生(侧)上储型的源储配置新模式,提高了油气成藏效率。

黏土矿物-微生物相互作用机理以及在环境领域中的应用

黏土矿物与微生物在自然环境中广泛共存。二者之间的相互作用影响着环境中的能量流动与元素循环。黏土矿物能够给微生物提供物理或化学保护,提高微生物对外界胁迫和干扰的抵抗能力。黏土矿物同时还能给微生物提供营养元素,促进其新陈代谢过程。黏土矿物中的结构铁是微生物铁氧化还原循环的重要电子供/受体。在氧化还原的环境中,多种铁还原/铁氧化细菌可以通过还原氧化黏土矿物中的结构Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ),进而获得能量进行生长。在氧化还原过程中,微生物也可以通过溶解、转化、沉淀等作用改变黏土矿物的晶格结构及物相,或是产生新的次生矿物。黏土矿物-微生物相互作用在碳、氮、硅、磷等重要生命元素的地球化学循环中扮演着重要角色。黏土矿物可以通过吸附有机碳,降低有机碳的生物可利用性,减缓其矿化速率。在氧化还原波动的环境中,黏土矿物还可以通过活化分子氧,产生强氧化性自由基氧化降解有机质,提高其生物可利用性。黏土矿物还会吸附生物胞外酶,影响胞外酶降解有机质的效率。微生物通过耦合黏土矿物中铁氧化与硝酸盐还原,铁还原与氨氧化等过程影响氮循环。黏土矿物对磷的吸附以及风化过程中硅的释放影响着微生物的代谢活性。黏土矿物-微生物相互作用在重金属固化稳定、有机污染物降解、杀死病原菌等方面也有广泛的应用。

黏土矿物材料在煤矿注浆领域的研究进展与前景展望

我国煤炭资源的开采将进入深部开采阶段,传统的无机和有机注浆材料难以应对深部开采高应力、高地温、高岩溶水压的工程条件。黏土矿物具有特殊的层状结构及高膨胀性、良好的热稳定性、高火山灰活性等理化特征,已被广泛用于煤矿注浆材料领域。近年来,国内外学者开发了纯黏土注浆材料、水泥-黏土复合注浆材料以及有机物-黏土复合注浆材料,并阐明了各类材料的用途及黏土矿物作为外加填料的强化机理。本文基于对黏土矿物结构、特性、表征及应用的阐述,综合近年来国内外科研人员对煤矿含黏土注浆材料的研究,归纳了含黏土注浆材料的开发现状,探讨了黏土矿物用于煤矿注浆的必要条件和共性特征,指出了当前煤矿含黏土注浆材料研究中存在的问题,并对今后含黏土注浆材料的开发提出了展望。

若干黏土矿物的基础和应用研究

黏土矿物储量丰富且具有独特的微观结构和物理化学性质,其资源开发和高值化利用具有重要意义。然而,黏土矿物基础理论,特别是成分、结构及性能之间关系缺乏深入探究,在新型功能材料方面的应用受到一定的限制。本文将作者团队近几年来针对若干黏土矿物基础和应用两方面的研究成果进行了归纳总结。基础研究方面主要介绍了高岭石层堆垛有序-无序与结晶度、蒙脱石层间阳离子的能量及占位、坡缕石原矿的物相定量分析以及坡缕石八面体阳离子占位等。基于上述理论研究,进一步探讨了黏土矿物在固态电解质、发光材料、相变储能材料、膜材料以及环境材料的制备和应用,提出了现行研究存在的问题并展望了未来发展方向,以期对黏土矿物及矿物材料的研究提供一定的参考。

大别山岳西主簿风化壳型稀土矿床黏土矿物特征分析

近年来安徽省围绕大别山中生代侵入岩风化壳型矿床开展了大量地质工作,发现了主簿、石关等一批风化壳型钾长石-稀土、稀土矿床,但矿床中稀土矿浸取率普遍偏低。本文通过主簿矿床成矿母岩、风化壳及黏土矿物特征的分析,探讨风化壳中黏土矿物特征对稀土元素富集的控制作用。

勐野井钾盐矿床中自生黏土矿物特征及其意义

云南思茅盆地勐野井钾盐矿床中含有不同类型的碎屑物:与钾盐脉共存的灰绿色泥砾(“绿钾”)、与钾盐脉共存的棕红色泥砾(“红钾”)和浅黄色泥岩。本文对不同类型碎屑物中黏土矿物进行了X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析。通过SEM和TEM观察到黏土颗粒为薄片状六边形,晶型较好,自形程度较高,认为其为自生成因。XRD结果表明,“红钾”中黏土矿物主要由绿泥石和伊利石组成;“绿钾”和浅黄色泥岩除了伊利石和绿泥石外,还含有“似累托石”型黏土矿物。“红钾”中伊利石结晶度指数(°Δ2θ)介于0.327~0.452之间,而“绿钾”和浅黄色泥岩则介于0.221~0.283之间,表明“绿钾”和浅黄色泥岩中伊利石结晶程度要比“红钾”中伊利石高。“绿钾”和“红钾”物质来源和所经历的地质过程相同,因此,不同类型碎屑物中的黏土矿物组合和伊利石的结晶度差异表明自生伊利石的形成并非只受到温度和压力影响。其他研究表明“绿钾”还原性更强,pH值更低并且细菌活动更活跃,很可能促进了自生伊利石的形成。

风化壳中不同种类黏土矿物对离子态稀土元素富集的贡献——以帽峰山风化剖面为例

在离子吸附型稀土矿床中,黏土矿物被认为是可交换离子态稀土元素的主要载体。高岭石和埃洛石是风化壳中富集稀土元素的主要黏土矿物,高岭石和埃洛石属同族矿物,结构相似,互为多型,由于常规方法无法准确区分高岭石和埃洛石的矿物组成和含量,从而无法准确区分各黏土矿物对稀土元素富集的贡献。本文以帽峰山风化剖面为研究对象,采用甲酰胺法处理风化壳样品,对风化壳中的高岭石和埃洛石进行半定量分析。并且,通过模拟吸附实验,查明了各类黏土矿物对稀土离子的吸附特征和吸附量,并结合等温吸附模型,揭示了黏土矿物对稀土离子的吸附机理。进一步通过理论计算,量化了各类黏土矿物对风化剖面不同深度稀土元素富集的贡献。结果表明,全风化层稀土元素富集的主要贡献矿物是高岭石,全风化层下部和表土层稀土元素富集的主要贡献矿物是埃洛石,半风化层稀土元素富集的贡献矿物同时包括高岭石、埃洛石和伊利石。本文半定量分析了风化壳中高岭石和埃洛石的矿物组成,量化了各类黏土矿物对风化壳各层稀土元素富集的贡献作用,厘清了各类黏土矿物对稀土离子的吸附机理,为进一步认识风化壳中稀土元素富集机制奠定理论基础。

青藏高原东北缘循化盆地中中新世—早上新世黏土矿物及其古气候意义

青藏高原东北缘古气候可能受控于全球变冷、青藏高原隆升及局地地形变化的影响。为解析气候演化过程及驱动因素,本文以青藏高原东北缘循化盆地西沟剖面作为研究对象,在已有古地磁年龄约束基础上,分析了中中新世—早上新世沉积物中黏土矿物的组成和微观形貌特征。结果表明,西沟剖面沉积物中黏土矿物主要由伊利石、蒙脱石、绿泥石和高岭石组成,其中伊利石含量最高,平均为59.3%;蒙脱石次之,平均为18.2%,绿泥石平均含量为12.3%,高岭石平均含量为10.2%。根据剖面中黏土矿物含量和比值的变化特征,结合循化盆地西沟剖面的沉积速率、孢粉记录、有机质碳同位素和沉积岩地球化学比值,并与深海氧同位素值(δ^(18)O)变化曲线对比,将循化盆地14.6~5.0 Ma气候环境演化划分为3个阶段:14.6~12.7 Ma,气候干冷期,与北半球冰盖扩展引发的全球性降温事件有关;12.7~8.0 Ma,气候相对温暖湿润期,可能与循化盆地周围山体隆升有关,即积石山在~12.7 Ma隆升至临界高度,成为西风带输送水汽的地形屏障,使得循化盆地内的降水增强;8.0~5.0 Ma,气候再次转向干冷期,该阶段气候的干旱化对应于青藏高原在8 Ma左右的快速隆升,高原进一步的隆升阻碍东亚季风西风带的暖湿气流向内陆的输送,从而引起区域干旱化。

不同类型黏土矿物吸附作用对镁同位素分馏的影响

明确表生过程中Mg同位素分馏行为是示踪全球Mg循环和大陆风化过程的基础。黏土矿物吸附–解吸附是影响Mg同位素分馏的重要机制,然而这一过程中Mg同位素的分馏行为存在较大争议,尤其是黏土矿物类型和其他阳离子的影响还未有效评估。本研究选择高岭石、伊利石和蒙脱石3种典型的黏土矿物,在解吸附矿物初始吸附的Mg元素之后,加入不同含量的MgCl_(2)溶液和含有其他阳离子的河水中进行吸附–解吸附实验,并测试吸附前、后溶液和吸附组分中的元素含量和Mg同位素组成。结果表明,在相同含量的MgCl_(2)溶液中,蒙脱石对Mg的吸附能力明显高于伊利石和高岭石,这是由于蒙脱石存在层间域吸附。当吸附达到饱和状态时,黏土矿物对Mg的吸附量将不受溶液中Mg含量影响。当有其他阳离子(Na^(+)、K^(+)、Ca^(2+)等)存在时,交换作用会明显降低蒙脱石对Mg的吸附能力,但对高岭石和伊利石影响不大,这是因为交换作用主要发生在层间域。此外,在吸附–解吸附过程中,Mg同位素的分馏不明显(Δ^(26)Mg≈0),主要是由于黏土矿物吸附过程中受平衡分馏影响。

厌氧环境下黏土矿物结构Fe(Ⅲ)还原对Cd(Ⅱ)固持特性的影响

黏土矿物结构Fe(Ⅲ)是土壤铁元素主要赋存形态之一,稻田淹水环境下矿物结构Fe(Ⅲ)易发生还原反应,改变矿物晶体微结构和表面化学性质,为研究这种变化对矿物固持Cd(Ⅱ)特性的影响,以合成含铁黏土矿物绿脱石为研究对象,通过化学还原,探讨了厌氧条件下绿脱石结构态Fe(Ⅲ)还原对Cd(Ⅱ)吸附性能的影响及作用机制。结果表明:合成绿脱石中总铁含量为31.3%,结构态Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)的含量占总铁的98.6%。还原处理后,矿物结构中Fe(Ⅱ)含量由还原前的3.9%显著提高至67.4%。XRD、SEM、BET和XPS分析表明,还原后绿脱石矿物层间距增大,分散程度更高,比表面积由151.6 m^(2)·g^(-1)增加至184.0 m^(2)·g^(-1),矿物表面的羟基基团数量增加。结构Fe(Ⅲ)还原降低了矿物对Cd(Ⅱ)的吸附和固持性能,Langmuir模型拟合还原后矿物对Cd(Ⅱ)的最大吸附量为23.5 mg·g-1,明显低于还原前矿物对Cd(Ⅱ)的吸附量(33.4 mg·g-1)。还原前后矿物对Cd(Ⅱ)的吸附性能均随着离子强度增大而降低,但还原矿物吸附Cd(Ⅱ)的降幅明显低于未还原矿物。黏土矿物结构Fe(Ⅲ)还原后吸附Cd(Ⅱ)的性能降低主要是由于还原过程中结构Fe(Ⅱ)迁移进入层间,抑制了吸附过程中Cd(Ⅱ)进入矿物层间。研究表明,厌氧环境中黏土矿物结构Fe(Ⅲ)显著降低了矿物对Cd(Ⅱ)的固持特性。

新安边地区长7段黏土矿物对致密油富集的影响

储层对致密油的富集至关重要,为研究新安边地区长7段致密砂岩储层黏土矿物对致密油富集的影响,利用铸体薄片、XRD、扫描电镜和分子模拟,开展长7段储层空间特征、黏土矿物特征及分布规律、黏土矿物层间域内微观结构及黏土矿物对致密油吸附性差异研究。结果表明,新安边地区主要发育灰色—灰白色长石砂岩和岩屑长石砂岩,以次生孔隙—溶蚀孔为主。高岭石、伊利石和绿泥石是研究区黏土矿物的重要成分,长71段主要发育高岭石,长72段主要发育绿泥石。长71段中的高岭石和伊利石以丝状或簇状充填于孔隙中,将大孔切割成小孔,对储层空间具有破坏作用;长72段中的绿泥石以丝状和块状充填在孔隙中,占据了原始孔隙空间,因其包裹矿物表面,具有减缓压实、次生变化等作用,对储层具有保护作用。在压力和孔径较低情况下,烷烃分子的吸附量和游离态表现为绿泥石>伊利石>高岭石。因此,高绿泥石含量储层对致密油的富集是有利的,这为陕北其他地区增储增产提供了理论依据。

二连盆地脑木更地区黏土矿物特征及其与铀成矿关系研究

本文对二连盆地脑木更地区赛汉组矿层及围岩进行XRD黏土矿物成分分析,以探讨黏土矿物特征与铀成矿作用之间的关系。经电子探针成分分析,该区铀矿物为沥青铀矿,见黄铁矿与沥青铀矿共生。采用X射线粉晶衍射、扫描电镜、电子探针等分析手段,测定黏土矿物相对含量、微观形貌特征,结果显示研究区黏土矿物主要为蒙脱石、高岭石、伊利石,蒙脱石含量在三者中最高,其与高岭石含量呈较明显的负相关性,表明其主要由高岭石转化而来,偏碱性的孔隙流体造成黏土矿物的蚀变和转换。矿层及围岩中黏土矿物的种类及含量差异性不明显,表明黏土矿物与铀成矿及富集作用相关性不明显,在赛汉组砂岩型铀矿成矿过程中黏土矿物可以吸附铀,但不是铀成矿及富集的最主要因素。通过对赛汉组砂岩中黏土矿物含量及特征研究,该区存在两期流体作用,一期是高岭石反映的偏酸性环境,另一期是蒙脱石反映的碱性环境,揭示了由酸性→碱性流体的作用过程。黏土矿物可以作为铀成矿过程中后生流体示踪的重要标志。

工业区周边农田土壤重金属与黏土矿物的关系及其生态健康风险评价

【研究目的】为了解工业区周边农田土壤重金属污染状况,采集了100件表层土壤样品,分析测试Pb、Cr、As、Cd和Hg等5种重金属元素总量、赋存形态以及黏土矿物含量。【研究方法】采用单因子指数法、土壤矿物评价法以及健康风险评估模型等,对石家庄无极皮革厂,辛集皮革厂,邯郸武安冶金、钢铁,广平化工厂,以及邢台内丘化工厂周边的农田土壤重金属污染状况、稳定性以及健康水平进行评价。【研究结果】无极皮革厂土壤的Cr,内丘、广平化工厂的Hg和武安冶金、钢铁的Cd和Hg污染程度高;以残渣态为主的重金属与黏土矿物具有显著正相关关系;土壤黏土矿物对Cd、Hg固持量高,对Pb和As的固持量低。无极2个土壤样品超出了黏土矿物对Cr的容纳能力;人体健康风险评估显示,在口和皮肤双重摄入途径下,土壤会对儿童造成非致癌风险(1.02)。但是,以小麦为摄入介质的癌症风险指数超过了成人(5.16×10^(−4))和儿童(6.44×10^(−4))的耐受限度(1×10^(−4))。【结论】重金属与黏土矿物存在积极的相关性,对生态健康风险影响大,当地以小麦为主食的居民对小麦Cd应更加关注。

长江口和东海内陆架黏土矿物与黏土粒级碎屑矿物构成及物源指示意义

黏土矿物以及黏土粒级碎屑矿物颗粒细小、搬运距离远,是进行长江口及浙闽内陆架泥质区多物源示踪的良好指标。本研究利用改进的黏土矿物XRD(X射线衍射分析)预处理方法,制作了供多面XRD衍射分析的方形样品,实现了部分黏土矿物种的鉴定,结合黏土粒级中碎屑矿物鉴定,探讨了长江口及内陆架沉积物来源。研究表明:长江口及内陆架表层沉积物中的黏土矿物种属包括伊利石(含2M1、2M2两个多型)、高岭石、珍珠陶土、斜绿泥石以及弹性绿泥石,非黏土矿物主要有石英、钾长石、斜长石、白云石、铁白云石、方解石以及硬石膏。依据黏土矿物、黏土粒级碎屑矿物空间分布差异把长江口及东海内陆架划分为两个物源区:长江口及内陆架北部物源区、内陆架南部物源区,前者受废黄河物质影响,后者受浙闽中小河流物质影响。本研究表明来自苏北废黄河的沉积物不仅跨过了长江冲淡水进入长江水下三角洲,而且一直向南达到浙闽泥质区的北部。

鲁西汶东凹陷Qk203钻孔黏土矿物特征及其古环境

利用X射线衍射分析,对鲁西地区汶东凹陷Qk203孔沉积物中黏土矿物学特征及其古气候指示作用进行了深入研究。沉积物中黏土矿物主要为蒙脱石、高岭石和伊利石。AMS14C测年结果、岩性组合特征、黏土矿物相对含量变化和V(Ch+I)/V(Kao+S)比值,将汶东凹陷晚更新世以来古气候环境演化划分为5个阶段,先后经历了冷干-暖湿-干凉-暖湿-进一步暖湿周期性气候旋回。其中阶段Ⅰ(2.15~0m)时代为全新世,对应于深海氧同位素MIS1(冰后期);阶段Ⅴ~Ⅱ(33.00~2.15m)时代为晚更新世,对应于深海氧同位素MIS2(末次冰盛期),研究表明末次冰盛期以来的气候变化具有全球性,但在不同地区会有所差异,一定程度上响应于全球古气候和中国东部古气候的变化,同时表明全球性的气候变迁对我国第四纪气候的演变起到一定控制作用,而且我国独特的构造运动也在一定程度上影响着局部气候演化进程。

以黏土矿物材料为吸附剂去除废水中抗生素的研究进展

综述了水中抗生素污染物的来源及影响、天然黏土矿物吸附去除抗生素的研究进展以及改性或复合黏土材料吸附剂的应用现状。重点总结了黏土基材料作为吸附剂去除水中不同种类抗生素污染物的吸附效果,展望了黏土基材料作为吸附剂去除抗生素的未来趋势,对未来实际应用中的研究方向提出了建议。

北黄海南部海域表层沉积物粒度和黏土矿物特征及其物源指示

通过分析北黄海南部海域138个站位的表层沉积物粒度和黏土矿物组成及其分布特征,探讨了不同区域沉积物来源及其控制因素。研究结果显示,研究区海域表层沉积物平均粒径为1.47Φ~6.56Φ,主要沉积物类型为砂质粉砂、粉砂和粉砂质砂。Pejrup三角图解显示,区内沉积动力整体较强,特别是成山头近岸的深水区。黏土矿物组成主要是伊利石(61.08%)和蒙脱石(19.78%),其次是绿泥石(10.92%)和高岭石(8.22%)。物源分析表明,北黄海南部海域表层沉积物主要来自黄河携带的陆源碎屑物质,对是否存在鸭绿江物源存疑。山东半岛沿岸流和冬季北上的黄海暖流为区内主要水动力来源,二者决定了沉积物的运移趋势,主导了研究区沉积物的空间分布。

黏土矿物钝化土壤重金属效果研究进展

农田土壤遭受重金属复合污染的问题不容忽视,亟须深入的理论研究和行之有效的修复技术。黏土矿物在钝化农田土壤重金属的研究中展现了良好的钝化效果和应用前景。通过搜集近年来黏土矿物在修复重金属污染农田土壤方面的相关文献,介绍蒙脱石等常用黏土矿物的结构特性,综述了黏土矿物对重金属的钝化机制,综合分析了黏土矿物对重金属的钝化效果,探讨了黏土矿物吸附能力、黏土矿物施加量和土壤pH、土壤水分对钝化效果的影响。提出黏土矿物钝化重金属的稳定性以及持久性、黏土矿物改性以及黏土矿物与其他材料复配是未来研究的重点,以期对未来黏土矿物钝化修复农田土壤重金属的理论研究和生产实践提供参考。

《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》(SY/T 5163—2018)标准中若干问题探讨

在执行标准《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》(SY/T 5163-2018)的过程中,经常遇到云母和伊利石误判、铵云母误判、坡缕石没有规定定量方法等问题,都会给矿物定性和定量检测造成很大的误差。本文对上述问题进行了概述,同时,对K值选择、非晶质定量、提黏土粒径要求等其他问题进行探讨。

不同黏土矿物吸附CH_(4)和CO_(2)的分子模拟研究

为了对比甲烷和二氧化碳在页岩储层中的吸附情况,利用Materials Studio模拟软件通过蒙特卡洛和分子动力学模拟方法,计算甲烷和二氧化碳在伊利石、蒙脱石、15.5A含水蒙脱石和18.5A含水蒙脱石狭缝中的吸附情况。结果表明:黏土矿物对甲烷和二氧化碳的吸附为物理吸附;蒙脱石的吸附性较伊利石更强,但在含水蒙脱石中水分子的存在会降低其吸附性;黏土矿物对二氧化碳的吸附性比甲烷强且其吸附体系更加稳定,因此在页岩储层中可以利用二氧化碳来驱替甲烷,从而提高页岩气的开采率并且实现二氧化碳的地质埋存。