北京第四纪地质导论：斋堂剖面黏土矿物X射线衍射特征

第二节　黏土矿物特征

一、样品制备

在野外观察的基础上，对北京西山地区采集的47个标本样品，均按常规方法提取了粒径小于2_μm的黏粒，并进行了去除游离铁、有机质等的处理，以供各种分析研究使用。

二、黏土矿物组合及其他特征

对黏土矿物的分析鉴定，主要采用X射线衍射方法，对黏粒原样的定向片、经镁离子交换甘油水溶液处理和加热500℃处理后制成的部分样品定向片，分别摄取了X射线衍射图谱，并结合透射电镜和扫描电镜的显微形貌观察进行综合分析。结果表明北京西山地区第四纪沉积物中主要的黏土矿物为云母类和绿泥石矿物，其次有高岭石、蒙脱石、坡缕石、海泡石、滑石、混层黏土矿物和水铝英石等（见表5.1）。虽然研究区第四纪沉积物中主要黏土矿物的类型和分布特点相似，但由于不同类型沉积物的形成环境有所不同，导致黏土矿物的结构特点、含量和分布及黏土矿物组合情况等有一定程度的差异，下面对各类黏土矿物作简要叙述。

（一）云母类黏土矿物

云母类黏土矿物主要是伊利石和少量碎屑云母。碎屑云母来自母岩的风化，而伊利石既可来源于母岩的风化，也可由云母发生水化形成。此类黏土矿物成分较复杂，在沉积物和土壤中有广泛的分布。云母的晶体结构与滑石或叶蜡石类似，但其四面体中约有1/4的Si被Al所置换，产生的负电荷被层间K所平衡。由于地质环境的差异和变化，层间K可部分地被Ca、Na、Rb、Cs、Ba和H₂O等所替换，引起矿物晶格发生变化，甚至可转化形成其他黏土矿物。研究区第四纪沉积物中普遍含有伊利石和少量碎屑云母。

图5.4　斋堂剖面黏土矿物X射线衍射图（Ⅰ）

根据X射线的衍射特征，研究区沉积物中的伊利石属于1Ma和2Ma多型结构类型，为二八面体结构亚群。伊利石的X射线反射峰，特别是（001）反射峰的形态因采集地点和层位的不同而有所差异，其相对含量也有变化。斋堂砖厂剖面中伊利石含量约为30%～60%之间，在马兰黄土中比离石黄土中含量略有增高，可达50%～60%，而离石黄土中的伊利石有不同程度的退化现象。前桑峪剖面中（主要为马兰黄土）伊利石含量约为40%～60%之间，从Y-05样品向下，即深度3.0m以下，伊利石的退化现象较为明显，其（001）反射由对称形逐渐变为不对称形。其中Y-09样品最为突出，其（001）反射底部向低角度一侧有较大的扩展（图5.4）。许多学者称此种伊利石为“开放伊利石”（Lucas，1963）。同时，从Y-05层向下，开始有混层矿物和高岭石出现，这表明云母风化时某些晶层开始脱钾，水分子进入，离子交换的通路被打开，因加强了邻层钾的联结力导致形成混层矿物。在周口店中国猿人洞第9、10和11层堆积物中，黏土矿物也以伊利石为主，其晶层结构也表现出一定程度的退化现象，这些层中均含有少量的高岭石、绿泥石等。此外，位于黄土台永定河第三级阶地离石黄土下部的伊利石（Ht-02），东灵山西沟（A-01）坡积物中的伊利石也具明显的退化现象。而南口第二阶地的黄土状土和斋堂大墩台唐县面等马兰黄土中的伊利石，其（001）反射峰均有较好的对称性，表明结晶度较高。

碎屑云母属于2m多型结构，保留有较完整的六角片体的晶形，但一些云母片中有明显的溶蚀现象，风化的云母片边缘翘起成为楔形开口，这里是离子出入最活跃的场所。

图5.5　前桑峪剖面黏土矿物X射线衍射图（Ⅱ）

（二）绿泥石(www.xing528.com)

绿泥石也是研究区第四纪沉积物中较为普遍且相对含量较高的黏土矿物。这些绿泥石多为富铁变种。绿泥石的晶体结构与云母类似，也是2∶1型结构，但层间不是钾离子，而是带正电荷的氢氧化物片，A l置换2∶1晶层的Si和氢氧化物片的Mg，使两种结构单元带有相反的电荷，而且使四面片扩大，氢氧化物片缩小，以适应晶片的结合。这里的绿泥石多是来自母质的碎屑矿物。在不同的采集地点和不同的层位中，其含量分布有明显的差异。如斋堂砖厂剖面中，绿泥石含量约为30%～50%，层位从老到新绿泥石含量有减少的趋势，但前桑峪剖面中，各层位中绿泥石含量变化不大，均在30%～50%之间。在周口店猿人洞第9～11层中，绿泥石相对含量大大小于前述两剖面。云水洞洞穴底部和上方山海拔450m处的残积红土中，绿泥石的含量极少。由于绿泥石对化学风化作用比较敏感，随着风化和成壤程度的加强，母质中原有的绿泥石将会消失，因而沉积物中绿泥石相对含量的高低，也从一个侧面反映气候环境变化的趋势，因而是有意义的。

（三）高岭石

高岭石在研究区第四纪沉积物中分布较少，仅在南口第二阶地的古土壤（N—04）、达峪沟和前桑峪剖面的马兰期黄土状堆积（D—01，D—02；Y—06，Y—08，Y—09）以及周口店猿人洞第9～11层（ZK—01至ZK—04）堆积物中，均发现有少量高岭石矿物。

高岭石是最稳定的层状硅酸盐矿物。长石、云母和其他黏土矿物在酸性介质和化学风化条件下最终都可形成高岭石。土壤和沉积物中的高岭石可以是来自母质的继承矿物，也可以是由于化学风化作用下由其他黏土矿物转化、三水铝石的硅化或水铝英石的结晶而形成的自生矿物。周口店猿人洞第9～11层堆积物中的高岭石均结晶较差，属于无序高岭石，此类高岭石的四面体和八面体都可能有同形置换，主要是Al置换Si和Fe置换Al，晶层堆垛无规律，空位无固定方位，颗粒细而薄。南口的古土壤层和达峪沟黄土状堆积中的高岭石，形态近于球状或六角片状。已知高岭石一般是在湿热的气候和偏酸性的介质条件下形成的，而其矿物形态和有序度的不同也反映了当时气候环境的差异。

（四）坡缕石

坡缕石和海泡石是两种纤维状的镁质黏土矿物，具有角闪石型的带状结构。它们是干旱或半干旱气候条件下常见的黏土矿物，对其成因的研究已有许多报道（Singer A Galan E，1984）。一般认为，导致坡缕石形成的条件是有较高的pH值和适当的Mg、Si和Al的离子浓度，常在海相或非海相微咸水环境下形成。

本研究区的斋堂剖面古土壤层和前桑峪剖面的Y-01，Y-04，Y-07和Y-10层位中，均含有少量的坡缕石矿物，其d（001）≌10.，晶体形态为板条状集合体。张乃娴等（1989）在研究洛川黄土剖面时，于古土壤层中曾发现有海泡石矿物，本研究区中它比坡缕石更为少见，仅在前桑峪剖面的灰色砾质土中发现少量此种矿物，关于它的成因，尚需进一步深入研究，但它的存在也可表明所处层位经历了干旱或半干旱草原气候环境。

（五）混层黏土矿物

构成大多数黏土矿物的层状硅酸盐在晶体结构上有相似性，而且容易相互转化。所以，在适宜的气候条件下，2种或3种不同的晶层常可形成规则型或不规则型混层矿物。在土壤和沉积物中，混层黏土矿物分布十分普遍，但含量较少。研究区第四纪沉积物中的混层矿物主要是蒙脱石—绿泥石不规则混层矿物，在斋堂砖厂的古土壤层（Z-05）、前桑峪剖面的冰楔充填物和云水洞的洞底沉积物中均有混层黏土矿物出现。混层结构的形成主要涉及层间和氢氧化物的得失，有时也涉及成分和电荷的改变，这些变化是地质环境和气候条件发生变化的反映。一般来说，温和和干热的气候环境有利于混层矿物的形成。

（六）水铝英石

水铝英石是一种非晶质的水化硅酸盐，属于非晶质黏土矿物类，它形成于碱性介质条件下，铝的配位数有4和6两种。本研究区前桑峪剖面的Y-04和Y-05层位中，发现有少量的水铝英石，呈球形，颗粒极为细小。