地层岩石骨架的化学属性

岩石的骨架是由岩石颗粒在一定温度和压力条件下，在胶结物质的作用下形成的，因此，骨架颗粒的化学属性与胶结物质的化学属性决定了骨架的化学属性；就骨架本身来说，砂岩骨架、灰岩骨架和页岩骨架有所差异。骨架矿物类型及化学组成、比表面积、骨架胶结物质与类型是地层骨架化学属性需要考虑的三个主要方面。

（1）碎屑岩。碎屑物质又可分为岩屑和矿物碎屑两类。岩屑成分复杂，各类岩石都有。矿物碎屑主要是石英、长石、云母和少量的重矿物。胶结物主要是化学沉积形成的矿物，它们充填在碎屑之间起胶结作用，主要有硅质矿物、硫酸盐矿物、碳酸盐矿物、磷酸盐矿物及硅酸盐矿物。碎屑岩的孔隙是地下水及油、气的储存环境，研究碎屑岩对寻找地下水及油气矿床有实际意义。碎屑岩的矿物成分以石英和长石为主，它们对储层物性的影响不同。一般来说，石英砂岩比长石砂岩储集物性好。碎屑岩沉积时所形成的粒间孔隙的大小、形态和发育程度主要受碎屑岩的结构（粒径、分选、磨圆和填集程度等）影响。

理想球体紧密排列的单元形式有两种：①立方体排列。堆积最疏松，孔隙度最大，其理论孔隙度为47．6%，孔径大，渗透率也大。②菱面体排列。排列最紧密，孔隙度小，其理论孔隙度为25．9%，孔径小，渗透率低。所以理论上的孔隙度介于46．7%～25．9%之间。这种理想情况在自然界是不存在的。自然界的实际情况比这种理想情况要复杂得多。

碎屑岩储层储集物性不仅与粒径有关，而且与岩石颗粒的分选程度也有很大的关系。一般来说，细粒碎屑磨圆度差，呈棱角状，颗粒支撑时比较松散，它比圆度好的较粗的砂质沉积可能有更大的孔隙度。然而，细粒沉积物中孔喉小，毛细管压力大，流体渗滤的阻力大，因此细粒沉积物的渗透率比粗粒的小。表示了分选系数一定时渗透率的对数值与粒度中值成线性关系，粒度愈大，渗透率愈高。在粒度相近的情况下，分选差的碎屑岩，因细小的碎屑充填了颗粒间孔隙和喉道，不仅降低了孔隙度，而且也降低了渗透率。表示了粒度中值一定时，渗透率的对数和分选系数（So）呈近似的线性关系，从分选好至中等时，渗透率下降很快；分选差时，渗透率下降就缓慢了。

（2）粉砂岩。主要由粉砂碎屑组成的沉积岩是粉砂岩。由粒径为0．0625～0．0039mm的粉砂的含量占50%以上。粉砂岩的碎屑组分一般比较简单，以石英为主，长石和岩屑少见，有时含较多的白云母。除粉砂以外其他由砂、黏土或化学沉淀物组成。粉砂岩中常具有薄的水平层理，沉积物含水时易受液化产生变形层理及其他滑动构造。粉砂岩按粒度分为粗粉砂岩（0．0625～0．0312mm）和细粉砂岩（0．0312～0．0039mm）；按混入物成分分为泥质粉砂岩、铁质粉砂岩、钙质粉砂岩等。

按碎屑成分划分为石英粉砂岩、长石粉砂岩、岩屑粉砂岩（少见）和它们间的过渡类型。根据胶结物成分划分为黏土质粉砂岩、铁质粉砂岩、钙质粉砂岩和白云质粉砂岩。黄土也是一种疏松的或半固结的粉砂质沉积物。粉砂岩的颜色多种多样，随混入物的成分不同而变。粉砂岩是在经过了长距离搬运、水动力条件比较安静、沉积速度缓慢的环境下形成的。在横向上和纵向上可渐变成砂岩或黏土岩，并构成韵律性层理。沉积环境多为潟湖、湖泊、沼泽、河漫滩、三角洲和海盆地。

（3）页岩。成分复杂，但都具有薄页状或薄片层状的节理，主要是由黏土沉积经压力和温度形成的岩石，但其中混杂有石英、长石的碎屑以及其他化学物质，根据其混入物的成分，可分为钙质页岩、铁质页岩、硅质页岩、碳质页岩、黑色页岩、油母页岩等，其中铁质页岩可能成为铁矿石，油母页岩可以提炼石油，黑色页岩可以作为石油的指示地层。

页岩形成于静水的环境中，泥沙经过长时间的沉积，所以经常存在于湖泊、河流三角洲地带，在海洋大陆架中也有页岩形成，页岩中也经常包含有古代动植物的化石。有时也有动物的足迹化石，甚至古代雨滴的痕迹都可能在页岩中保存下来。

页岩是黏土岩的一种。其由黏土物质硬化形成的微小颗粒易裂碎，很容易分裂成为明显的岩层。页岩成分复杂，除黏土矿物外，还含有许多碎屑矿物和自生矿物。页岩具页状或薄片状层理，用硬物击打易裂成碎片。从成岩角度看是由极细的黏土、泥质，经过紧压固结、脱水、重结晶后形成的，具有薄页状层理构造的黏土岩致密，硬度低，表面光泽暗淡。含有机质的页岩呈灰黑、黑色。页岩混杂有石英、长石的碎屑以及其他化学物质。含铁的呈褐红、棕红等色，还有黄色、绿色等多种颜色。页岩抗风化力弱，在地形上常形成低山低谷。页岩不透水，往往成为不透水层或隔水层。

页岩的硬度一般为普氏硬度系数1．5～3，结构比较致密的，其普氏硬度系数可以达到4～5，有的硬质页岩的硬度更高。页岩的颗粒组成与它的自然颗粒级和成岩原因有关，颗粒组成变化的波动幅度较大，从而影响页岩的其他性能。根据形成岩石时沉积情况的不同，页岩的塑性指数范围在5～23，有的页岩的塑性指数甚至超出了这一范围。页岩原料的干燥敏感性的高低，表现为多种多样的形式。通常用干燥敏感性系数来衡量，它的范围一般在0．4～1．6之间，对于有些塑性非常高的页岩来说，它的干燥敏感性系数可能更高。页岩的干燥线收缩率，根据其种类不同也有很大的变化，其变化范围在2．5%～10%。

不同的页岩，其化学成分指标也是不一样的，自然界存在的页岩，其化学成分含量变化也比较大。一般情况下，页岩的SiO2，含量在45%～80%之间波动，Al2O3含量在12%～25%之间波动，Fe2O3含量在2%～10%之间波动，CaO含量在0．2%～12%之间波动，MgO含量在0．1%～5%之间波动。

（4）泥岩。由黏土固化而成的沉积岩，其成分与构造和页岩相似但较不易碎。是一种层理或页理不明显的黏土岩。

泥质岩是粒径小于0．0039mm（即＜4μm）的黏土矿物组成的岩石。目前通用的分类中主要依据泥质岩的固结程度、结构、构造、矿物成分、化学及有机混入物和颜色等因素进行分类。包含未固结的泥、固结的无纹理无页理的泥岩、固结的有纹理有页理的页岩、强固结的泥板岩。泥岩又可分为含粉砂泥岩、粉砂质泥岩、钙质泥岩、硅质泥岩、铁质泥岩、碳质泥岩、锰质泥岩，黄色泥岩、灰色泥岩、红色泥岩、黑色泥岩、褐色泥岩，高岭石黏土岩、伊利石黏土岩、高岭石－伊利石黏土岩。

泥岩矿物成分复杂，主要由黏土矿物组成，其次为碎屑矿物、后生矿物（如绿帘石、绿泥石等）以及铁锰质和有机质。质地松软，固结程度较页岩弱，重结晶不明显。常见类型有：①钙质泥岩。含适量碳酸钙，常见于大陆红色岩系和海洋、潟湖相的沉积岩层。②铁质泥岩。含较多的铁矿物，如赤铁矿、褐铁矿、针铁矿等，多见于红色岩层。③硅质泥岩。SiO2含量较高，不含或极少含铁质和碳酸盐质物，常与铁质岩、硅质岩、锰质岩相伴生。泥岩具吸水、黏结、耐火等性能，可用于制砖瓦、制陶等工业。

（5）碎屑岩。碎屑岩是由于机械破碎的岩石残余物，经过搬运、沉积、压实、胶结，最后形成的新岩石。又称陆源碎屑岩。碎屑岩中碎屑含量达50%以上，除此之外，还含有基质与胶结物。基质和胶结物胶结了碎屑，形成碎屑结构。按碎屑颗粒大小，可分为砾岩、砂岩、粉砂岩等。

按物质来源可分为陆源碎屑岩和火山碎屑岩两类。火山碎屑岩按碎屑粒径又分为集块岩（＞64mm）、火山角砾岩（64～2mm）和凝灰岩（＜2mm）。陆源碎屑岩按碎屑的粒径，可分砾岩（角砾岩）、砂岩和粉砂岩。砾岩有棱角者称角砾岩，按砾石大小又可细分为巨砾岩（＞256mm）、粗砾岩（256～64mm）、中砾岩（64～4mm）、细砾岩（4～2mm）。砂岩按砂粒大小可细分为巨粒砂岩（2～1mm），粗粒砂岩（1～0．5mm）、中粒砂岩（0．5～0．25mm）、细粒砂岩（0．25～0．1mm）、微粒砂岩（0．1～0．0625mm）。粉砂岩按粒度可分为粗粉砂岩（0．0625～0．0312mm）、细粉砂岩（0．0312～0．0039mm）。碎屑岩主要由碎屑物质和胶结物质两部分组成。

（6）碳酸盐。碳酸盐可分为正盐M2CO3和酸式盐MHCO3（M为金属）两类。自然界存在的碳酸盐矿有方解石、文石（霰石）、菱镁矿、白云石、菱铁矿、菱锰矿、菱锌矿、白铅矿、碳酸锶矿和毒重石等。

碳酸盐是金属元素阳离子和碳酸根相化合而成的盐类。碳酸盐矿物的种数在95种左右，其中方解石、白云石等是在自然界分布极广的矿物，而且不少碳酸盐矿物是重要的非金属矿物原料，也是提取Fe、Mg、Mn、Cu等金属元素及放射性元素Th、U的重要矿物来源，具有重要的经济意义。在碳酸盐矿物中，主要的阴离子为，阳离子主要是Ca2＋、Mg2＋，其次是Na＋、Fe2＋以及Cu2＋、Zn2＋、Pb2＋、Mn2＋、Bi　3＋等。一些碳酸盐矿物具有完好的单晶体，也可呈块状、粒状、放射状和土状等集合体形态。碳酸盐矿物大多数为无色或白色，含铜者呈鲜绿或鲜蓝色，含锰者呈玫瑰红色，含稀土者或铁者呈褐色，含钴者呈淡红色，含铀者呈黄色。矿物硬度不大，一般在3左右。最大的是稀土碳酸盐矿物的硬度，但也不超过4．5，非金属光泽为主。碳酸盐矿物主要为外生成因，分布广泛，可形成大面积分布的海相沉积地层。内生成因的碳酸盐岩多数出现在岩浆热液阶段。

（7）硅质岩。即沉积岩中以二氧化硅为主要成分的岩石，也称燧石岩。其主要矿物成分是自生石英、玉髓和蛋白石。硅质岩分为生物硅质岩、化学硅质岩、凝灰硅质岩3类：

1）生物硅质岩。如由放射虫球状体堆积而成的放射虫硅质岩；主要由硅质海绵骨针堆积并由化学沉淀的SiO2胶结形成的海绵硅质岩；主要由硅藻组成，并由黏土质充填或混杂胶结而成的硅藻土。放射虫硅质岩又可分为两大类，一类是地槽型放射虫硅质岩，与深海洋壳型蛇绿岩、混杂岩共生，在中国西藏的三叠系—侏罗系、新疆的寒武系—奥陶系和内蒙的泥盆系中都有这类放射虫硅质岩分布；另一类是地台型放射虫硅质岩，与浅海碳酸盐岩和碎屑岩共生，出现在地台的裂陷带，在中国广东下二叠统的当冲组和江浙一带的鸡山组都有这类放射虫硅质岩分布。硅藻土在陆相湖泊中沉积较丰富，在中国的山东、吉林和云南等地，有多处第三纪沉积的硅藻土矿床。

2）化学硅质岩。由沉积的或交代碳酸盐或其他矿物的SiO2为主要成分的岩石，质地坚硬，一般称为燧石岩。含氧化铁杂质的称铁质碧玉岩，常呈红色、绿色或黄色；含有机炭的称炭质碧玉岩，常呈黑色；燧石岩和碧玉岩在元古宙的地层中经常出现。

3）凝灰硅质岩。由脱玻化玻屑为主要造岩成分的蛋白石岩，又称瓷土岩。其中蛋白石呈超显微状球体集聚状，孔隙多，质地较轻，含少量黏土成分，是火山灰沉积在湖、海中改造而成的一种特殊的硅质岩。凝灰硅质岩或瓷土岩常出现在中生代以后的地层中，例如在黑龙江、嫩江一带有其分布。

硅质岩的用途随其成分和结构特征不同而异。如洁白纯净的硅质岩可做为玻璃原料；含硅藻丰富的硅藻土可用做滤清材料或隔音材料；颜色光泽美丽的碧玉岩可做宝石或雕刻工艺品的原料；瓷土岩可做轻体建筑的原料等。

（8）盐岩。无色透明或白色，含杂质时则可染成灰、黄、红、黑等色。新鲜面呈玻璃光泽，潮解后表面呈油脂光泽。具完全的立方体解理。摩氏硬度2．5，比重2．17。易溶于水，味咸。晶形呈立方体，在立方体晶面上常有阶梯状凹陷，晶体聚集在一起成块状、粒状、钟乳状或盐华状。海水中溶解有大约3%的氯化钠，人们有目的地使海水蒸发来获取石盐。但是在整个地质过程中，海水由于自然原因而蒸发，石盐作为一种沉积岩覆盖着地球表面的广大地区。它是最丰富的蒸发岩，按海水中沉淀的顺序，是在石膏和硬石膏的后面，因此，常常在石盐之下找到石膏和硬石膏。有些地方石盐不纯，和石盐互层还有其他沉淀矿物：方解石和钾盐以及砂子和黏土。今天大约有1／3的石盐是由海水在人工盐池（又叫盐田）中蒸发提取的。海水引入盐池后，由太阳加热蒸发直到盐沉淀为止。虽然最常见的石盐是层状的矿床，若找到很好的立方体结晶，并有立方体解理，这种晶体的习性和具有咸味的特点，使这个矿物很容易鉴定。

石盐是典型的化学沉积成因的矿物，在干燥炎热气候条件下常沉积于各个地质年代的盐湖和海滨浅水泻湖中，与钾盐、光卤石、杂卤石、石膏、硬石膏、芒硝等共生或伴生，广泛分布于世界各地。

石盐包括人们日常食用的食盐和由石盐组成的岩石，后者称为盐岩。盐岩常用以表示由石盐组成的岩石。因为它们都是由盐水在封闭的盆地中蒸发而形成盐矿床，因此也被称为卤化物矿物。石盐矿层一般厚几米到300多米，而在干旱地区则以盐霜的形式出现，在盐泉附近以蒸发产物出现，在火山地区以升华物产出。

石盐的晶体结构是AX型化合物的典型结构之一。阴离子位于立方晶胞的角顶和面中心，成立方最紧密堆积，阳离子则充填全部八面体空隙。

我国青海、四川、湖北、江西、江苏都有大规模石盐矿床，以柴达木盆地最有名。盐岩，化学成分为NaCl，晶体都属等轴晶系六八面体晶类的卤化物。单晶体呈立方体，在立方体晶面上常有阶梯状凹陷，集合体常呈粒状或块状。纯净的石盐无色透明，含杂质时呈浅灰、黄、红、黑等色，玻璃光泽。摩氏硬度2～2．5，比重2．1～2．2，易溶于水，味咸。熔点804℃，焰色反应黄色。石盐是典型的化学沉积成因的矿物。在盐湖或泻湖中与钾石盐和石膏共生。石盐可作为食品调料和防腐剂，是重要的化工原料。