万州区软弱夹层的成因与演化规律研究
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摘要：本文利用自然历史分析法来研究万州红层的成因机制和演化规律，从而准确地判断红层软弱夹层的蠕变特征。
1、概述
在万州区一带，出露的地层主要为侏罗系沙溪庙组和遂宁组。其岩性为一套紫红色砂岩、灰白色长石石英砂岩夹紫红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩等，厚度较大。其中沙溪庙组在万州区一带出露最广，按岩性的变化又可分为若干段，每段又可以分为若干小层。如上沙溪庙组第三段（J2S3）共分9个层位共31个小层，各小层岩性的相变较大，岩性为褐色、紫色、杂灰黄、灰绿色细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩等。在这一段地层中，夹有数层分布稳定、厚度较大的灰白色、灰绿色泥岩，蒙脱石含量高，遇水膨胀、软化，且剪切强度较低，为蒙脱石泥岩。此外，在厚度较大的紫红色泥岩中，蒙脱石含量亦很高，膨胀性亦很大。
2、膨润土的形成和演化的一般规律
就世界范围内，膨润土矿床的成矿有一定规律性，约71.4％分布于环太平洋造山带中，我国发现的膨润土矿主要分布在沿海诸省，成矿时代从晚古生代到新生代各时期均有发现，但重要的成矿时代是晚侏罗世―白垩纪和第三纪；大型的膨润土矿床主要形成于浅海相、湖泊相和沼泽相。
膨润土的成因可以分为火山岩型、火山岩―沉积型、沉积型、侵入岩型、风化型。火山岩型矿床实例有辽宁黑山、吉林九台、浙江仇山、河南信阳、山东涌泉庄等；火山岩―沉积岩型矿床实例有浙江平山、安徽新潭、内蒙高庙子等；沉积矿床实例如广西宁明、甘肃红泉、四川三台等；侵入岩型矿床如江苏平桥、湖南金沙洲等。
膨润土的主要矿物是蒙脱石。蒙脱石是在富盐基，特别是贫K+ 而富含Na+ 和Ca2+ 的碱性介质中形成的，其主要阳离子为Si、Al、Mg等。如果风化强度较大，钠和钙就从蒙脱石的层间位置上剥离。因此蒙脱石的形成必然是在弱化学风化的环境中，例如干旱的气候条件。在潮湿温暖的气候条件下，淋滤作用较强，母岩风化后，一些碱金属、碱土金属元素容易被淋滤流失，易于形成无层间阳离子的高岭石。而干冷气候条件下，淋滤作用较弱，不利于碱土金属元素发生淋滤作用，有利于形成伊利石、蒙脱石、伊利石/蒙脱石混层类粘土矿物和绿泥石。蒙脱石是火山岩、火山碎屑岩和火山灰蚀变的重要产物，火山灰物质在碱性介质中很容易变成蒙脱石，这已为许多研究者的资料所证明。沉积物的快速堆积不利于火山物质的充分淋滤及碱金属和碱土金属的彻底排除，有利于蒙脱石的形成。
任何岩石经过热液蚀变都能形成蒙皂石族矿物，它所需要的条件是低温碱性水热作用。国内此类型报道较少。但在热泉区却较常见，如云南腾冲热海岩石的水热蚀变的粘土化。
膨润土的物源与成因分析有很多方法，比如层位分析、特征矿物、微量元素示踪。例如，火山成因的膨润土常含有β石英、透长石、锆石、磷灰石等矿物，为火山物质快速冷却的残留矿物，其中透长石、锆石、磷灰石都可以用来精确定年。很多研究已经表明，火山碎屑成因泥岩的微量元素与正常沉积泥岩相比，具有低V、Ti、Sc、Cr、Co、Ni、高REE、Nb、Ta、Hf、Zr、U、Th，高Th/U比值（>4），明显的Eu负异常等明显的特点。与此同时，大部分和火山成因相联系的膨润土相邻层位都能找到凝灰岩、火山碎屑岩等火山物质。
膨润土的一般演化规律是：蒙皂石绿/蒙间层绿泥石、蒙皂石伊/蒙间层伊利石、高岭石伊利石，其转变的总体趋势是从无序结构向有序结构转化，从晶格不完善向完善转化，从膨胀晶层多向膨胀晶层减少、非膨胀晶层增加的方向转化。通过对粘土矿物转化的化学动力学分析指出，随埋深和地温的增加，粘土矿物中的蒙皂石不断析出层间水，并从介质中吸取钾、钠、镁等金属离子，致使晶体结构发生重排，转化为伊利石。因此，膨润土在埋藏成岩作用下容易转化为变斑脱岩或钾质斑脱岩。
3、万州软弱夹层的形成和演化规律
3.1物源与成因机制分析
万州区软弱夹层主要由膨润土组成。膨润土主要矿物成分为蒙脱石、伊利石、绿泥石，其它矿物有石英、长石和少量的方解石。膨润土一般都呈稳定层状产出，与上下层位界线清晰，横向上较为连续，且单层较厚（0.2m-1m），为连续沉积产物，基本可以排除风化残积成因。此外，根据区域地质状况和研究区地层分析，热液蚀变也没有可能发生。
本区侏罗系主要为红色砂泥岩系沉积。据区域地质志和薄片观察，砂岩的结构成熟度很低，为近物源快速沉积，显示沉积发生在干旱炎热气候下的浅湖和河流环境，为强氧化环境，蒸发作用强，水介质盐度高，有利于蒙脱石的形成。MeMutry认为，蒙脱石的形成温度是30℃-50℃，这与本区泥岩的形成环境相符。砂泥岩系的沉积趋于形成较为封闭的环境，有利于保持较高浓度的碱金属和其他阳离子，有利于蒙脱石的形成。火山碎屑、火山玻璃和火山灰在有水的埋藏条件下极易斑脱岩化，形成大量的蒙脱石。
在关塘口沙龙路泥岩相同层位的沙河路附近亦发现类似的灰绿－灰白色粘土层，并且在起下伏紫红色泥岩中发现含有玻璃质碎屑物和矿物碎屑的绿色团块，初步判断为火山喷发形成的角砾岩。这是万州区中侏罗统有火山活动的重要证据。
据前苏联学者研究蒙脱石矿产成因后提出，火山喷发的火山灰、火山尘埃的有效作用范围在600 km以内。而在川陕交界附近的郎木寺一带已经发现中晚诸罗统的火山碎屑岩，其距离万州大约400km。
以蒙脱石含量较高的LS3-3-1和LS5-6-2样品为例分析。据Wintsch等人研究，在风化、转移、成岩过程中Al和Ti一般是非活动元素，Al2O3/TiO2比值基本不变，可以作为有效的物源指示剂。
3.2膨润土演化规律
以火山成因蒙脱石为初始成分的演化模式已经研究得较为成熟。在地下水的持续化学风化作用下，蒙脱石转变为伊利石、绿泥石、蛭石，最终变为两层结构、无层间阳离子的高岭石。图1显示的是本区泥岩大致的演化方向。其中，15A、14A和10A分别为蒙脱石、绿泥石和伊利石的X衍射特征峰，它们相对强度的变化，大致可以反映出三种矿物相对含量的变化。
从图1可以看出，蒙脱石呈直线性地向伊利石转化，而绿泥石的含量变化不大。蒙脱石向伊利石转变需要一定的能量和阳离子，尤其是K+，简化方程式为：
di-smectite ＋ Al3+ ＋ K+ illite ＋ Si4+ ＋ （Mg2+ ，Fe2+ ，Na+，Ca2+）
其中，di表示蒙脱石为二八面体。三八面体的蒙脱石一般转化为蛭石。K+主要来自云母和钾长石的风化分解，而Al3+可以来自各种硅酸盐矿物和蒙脱石本身。
许多研究表明，地下水可以在很大程度上影响和制约膨润土的演化。取流经LS5-6泥岩层的地下水分析其成分，结果如下表1所示。从上表中可以看出，流经泥岩的地下水呈弱碱性，主控离子为浓度最高的HCO3-。金属阳离子中，Ca2+、Na+离子浓度较高，Mg2+、K+、Al3+离子浓度较低。除Al为不活动元素之外，其它金属阳离子浓度都与其在泥岩中的含量有关。Shuzui（2001）研究了日本第三纪火山岩中的蒙脱石与高岭石的稳定区域，发现当地下水中HCO3-1浓度超过40mg/L时，蒙脱石是稳定的，完全不转化为高岭石；而万州区地下水的HCO3-浓度高达130mg/L左右，因此不可能有高岭石的生成。对于蒙脱石向伊利石转化已经提出多种解释模型，但都与原岩、温度、时间和流体中的K+浓度密切相关。从所取水样分析结果看， K+浓度较低，这可能是造成泥岩中伊利石含量不高的原因。这同时说明，蒙脱石的伊利石化比较缓慢。从万州区X射线粉晶衍射图来分析，各个层位的膨润土和泥岩都没有出现明显的伊/蒙混层矿物（特征峰为10.56A），这可能是伊利石化中止的结果，也可能表明某种特殊的伊利石化过程，因此还值得进一步研究。
表1地下水主要离子浓度表（mg/L）
4、结论
地下水主要为降水渗透形成，且其化学性质一般为弱酸性。因此从长远来看，粘土矿物仍是从蒙脱石向伊利石演化，并随着淋滤作用的加强，最终可能演化为稳定的高岭石。
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