海绿石的成因与应用

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1、海绿石的成因与应用海绿石作为沉积学领域研究中的一种重要矿物，其成因至今尚无定论。通过 总结前人关于海绿石的形成机理、地质条件以及沉积模式，并结合现代洋底的海 绿石，综合归纳探讨可能的成因。此外，文章简述了海绿石的鉴定特征及其在地 学领域的几种应用。标签：海绿石；鉴定特征；地质条件；成因1 概述海绿石的历史发展至今已有近两百年的历史。1823年，Brongniart首先使用 Ta glauconite”一词大致给予命名，五年后，Keferstein正式给予该矿物命名为海 绿石。1882年，Dana细致的研究该矿物，并得出了海绿石的基本物理性质和显 微镜下的光学性质（王玉文， 1979）。海绿石是

2、一种生成于海洋环境中的含水的钾、铁、铝硅酸盐矿物，晶体属于 单斜晶系的层状结构硅酸盐矿物。在沉积学领域，它是一种重要的指相矿物，成 因复杂，对于探索研究以及在实际工作中的运用具有重大意义。通常认为形成于 水深在15m至大陆架之间，有机质丰富的温暖浅海区（徐宝政，1982）,也有学 者认为海绿石形成于水深100300米的浅海环境，并伴随着缓慢的沉积及蒙脱 石的存在。通常后者的观点被普遍接受和运用。通过研究海绿石可以推测古海洋 环境、确定地层层序、提供地层划分和对比的参考依据、确定不整合面及相应的 沉积间断，以及测定地层的绝对年龄（K-Ar法和Rb-Sr法）；此外，海绿石可以 用于评价生油条件，从

3、而在石油地质工作中指导勘探（王玉文， 1979）。除了地质领域的应用，海绿石作为一种极具潜力的资源，应用于其他许多领 域。例如农业方面，海绿石可用于提取钾原料；在工业方面，其可用于生產净水 剂以及隔热材料等。此外，海绿石具有一定的粘土矿物性质，可用于处理放射性 废物而应用于环保领域。2 海绿石的基本鉴定特征根据矿物光性鉴定手册，海绿石的K2O含量为3.7%-7.8%，常混有Mn、Li 等杂质，有时还含有机械混入物形式存在的磷酸钙物质。它的物理性质包括自形 晶少见，常呈细粒状或土状集合体。通常为圆粒状、肾状。常具放射状结构形成 纺锤虫壳或铁镁矿物的假象。解理001完全。颜色为不同色调的绿色，如孔

4、雀 绿、鲜绿、褐绿等。硬度 2-3，比重 2.2-2.9。海绿石的镜下鉴定是常用的重要手段，其光学性质为：在单偏光镜下呈浅绿 色，变化后可呈褐色，多色性表现为：Ng=褐黄-深橄榄绿-褐绿；Nm=褐黄-深橄 榄绿-蓝绿；Np=深蓝绿-浅黄绿-绿黄。吸收性公式为：Ng=NmNp，少数为 Ng=NmvNp。海绿石镜下具正中突起，在正交偏光镜下呈二级的干涉色，但往往 会受本身的颜色所影响。由于海绿石是由无数极细的晶粒组成，因此常为聚合偏 光。消光方面，海绿石多为近于平行消光，正延性。海绿石可次生变化为褐铁矿和针铁矿，鉴定特征以颜色、形态和聚合偏光等 为主要特征。它是沉积岩的特征矿物，分布于海相沉积岩中

5、，如砂岩、粘土、碳 酸盐岩石、磷块岩等，以及存在于 300-500m 深处的淤泥和砂中，构成绿砂、海 绿石砂岩、海绿石灰岩及泥灰岩，与其共生的矿物有碎屑石英和长石、胶磷矿、 伊利石及别的粘土矿物和方解石等。在沉积岩中发现的小球状物质，Burst（1958） 指出这种物质主要有四种类型：（1）有良好次序的单一层海绿石；（2）海绿石- 蒙脱石互层；（3）粘土物互层；（4）矿物的混合物，为伊利石和蒙脱石或伊利石 和绿泥石。海绿石有一个变种是值得注意的，即绿鳞石，成分类似海绿石，含较多的Fe2+、Mg,少量Fe3+和Al,属于单斜晶系，呈鳞片状、纤维状、土状或放射状。 薄片中具多色性， Ng=Nm 为

6、翠绿色， Np 为无色或浅黄色。正中突起，最高干涉 色为二级,平行消光,正延性。属二轴晶负光性,有时干涉图近似于一轴晶。见 于基性岩的空洞中,有时可交代普通辉石形成假象。共生矿物有方解石、皂石、 绿泥石等,有时与海绿石不易区别,可用红外光谱分析鉴定。3 海绿石的成因在碎屑岩中,海绿石呈圆形或肾形等绿色小鳞片集合体等产出。海绿石既可 以呈小鳞片集合体充填在孔隙中,也可以构成碎屑石英的外膜或磷质结核的皮 壳,或充填在碎屑颗粒的裂隙中,亦可交代硅质和钙质生物壳,还可充填到有孔 虫的房室中等，海绿石的生长常伴随有磷质沉积物（Bentor, 1965）。姜在兴（2010） 认为海绿石形成于同生成岩阶段，

7、它是在Fe3+/Fe2+保持一定的比值，pH=7-8, Eh=0-100mV缓慢沉积的条件下产出的，一个直径2mm的海绿石约需1001000 年才能形成，并且处于5-25C之间较冷的水温条件。而目前比较流行的认知是： 海绿石由铁镁矿物海解作用生成，现代形成海绿石的海底水温为15 Co3.1 海绿石的形成机理Gilles （1983）在他的论文中提出，被人们广泛接受的Burst和Hower的海 绿石化作用模式要求一种退化的云母状的（2： 1 层状格子构造）原始粘土矿物。 但通过许多近代海绿石样品的详细分析表明，这样种情况十分少见。因此，对于 这个模式需要一定的修正。Gilles认为，原始物质都是

8、碳酸盐颗粒、泥质粪粒、 有孔虫介壳的充填物以及各种各样的矿物颗粒和岩石碎屑，而后它们逐渐变成一 般常见的绿色颗粒。同时，他认为海绿石化作用是通过底层孔隙中的自形雏晶自生加大并伴随着 蚀变和交代完成的。正是这种双重的演化造成了粒状底层、大型化石和硬土的“绿 色化”（来源于法语Verdissement）。自生矿物是富铁贫钾的海绿石蒙脱石，当新 的蒙脱石在残留孔隙中生长时，早期形成的蒙脱石由于钾的加入而受到改造，形 成了一些膨胀性递降的矿物并以一种不膨胀的海绿石云母作为端元组分。海绿石 矿物族这种矿物学上的变异性说明了为什么海绿石的物理性质和化学性质会有 很大的变化。一般可以划分出四种类型的海绿石，

9、即初生、稍发育、发育和高度 发育的海绿石。海绿石化作用最有利的条件为半封闭的环境，其主要受两方面控制：一是颗 粒的自然封闭程度，二是与海水的离子交换平衡。颗粒内部较之外围更易海绿石 化，而大颗粒相比小颗粒也更有利于海绿石化。从海绿石的形成角度分析，如果 堆积速率不高，则颗粒可以长期处于海洋环境的作用之中，可持续受到相应的元 素及碎屑物质的补给，达到高度发育与平衡。3.2 海绿石形成的地质条件海绿石的原始母质一般为云母类矿物，也可能为淤泥(富Fe),形成的地质 条件可以基于多种角度分析，主要包括温度、盐度、深度，以及氧化还原作用等 方面。3.2.1 温度Takahashi(1939)通过调查研究

10、发现，海绿石所分布的水温通常不低于15C, 而冷水环境中较少见。McRae (1972)通过研究，对水温下限15C表示认可， 认为温度上限大致为20C，而超过上限的温暖海水则可能生成绿泥石。3.2.2 盐度Takahashi (1939)认为海绿石的形成只需正常盐度的海洋环境即可。由于母 质经过水化，失去部分 Al、Si、Na 元素，成为硅酸盐凝胶，因此最后吸收了 Fe3+、 K+和Mg2+，便可形成海绿石。3.2.3 深度前人的研究认为海绿石不能作为指深矿物，因其形成的水深范围大，浅为数 米，深达千米。通常认为由于一定深度之上易受海浪影响，海绿石形成的水深应 大于 15 米，而在不同地区，受

11、表层海水水温影响，深度也不尽相同，例如热带 地区的海水表层温度普遍高于其他地区，因此海绿石多形成于 250m 以下 (Porrenga， 1968)。而在非热带地区，由于受阳光影响不强，表层水温降低， 海绿石可形成于 30m 的区域(Cloud，1955； Porrenga，1968)。而 McRae 于 1972 年提出，海绿石若发现深度超过400m，则其并非原地生成，而是搬运成因。3.2.4 氧化还原作用Emery 在 1969 的文章中提出，海绿石应形成于还原环境，因为其常与磷灰 石共生。此外，海水通常富Fe3+，而海绿石中的Fe2+说明其为还原反应的产物。 而氧化还原电位方面，McRa

12、e (1972)通过研究认为，海绿石最适合于Eh=0左 右的环境生成。3.3 海绿石形成模式苏联科学家卡扎科夫（1982）通过研究发现海绿石的成形方式，该专家认为 有机物与铁单质进行络合反应形成悬浮物和铁络合物，接着河水将其从冲蚀区带 至海岸相带（0-25 公里范围内），并发生沉积作用，由于有机物的浓度较低，再 加上络合及水解两个反应间的相互竞争，导致可溶络合物的比例降低，使得铁以 氢氧化物的离子形式进行沉淀，进而形成的海绿石具有铁化物的某些特性（莫耀 支，1984）。相对于铁来说，有机物与铝的络合反应不够强烈，所产生的物质以可溶铝的 水合络合物、胶状氢氧化铝以及微小悬浮物的形式进入海盆地中。

13、根据自身的性 质特点与相关的水文动力学原理，他们通常流到遥远的沉积盆地区并与泥质岩共 同沉淀。由于可溶铝转化为悬浮物要比悬浮铝的沉淀速度要慢得多，因此这些可 溶铝具有较快的移动速度。海绿石中含有的钾元素，主要从海水中获取。海绿石在形成过程中，当处在 凝胶状或是未完全结晶化时，由于它周围的沉积物频繁的进行沉积与冲洗交换过 程，致使其与海水接触的机会大大增多，最终造成海绿石的内部结构有部分被钾 元素填充。海水溶液中可能含有SiO2,因为可溶性二氧化硅与水形成的单硅酸溶液以 及胶状态的二氧化硅很容易渗透到海盆地中。科学证实，凡是能够与硅酸根形成 硅酸盐的阳离子都能造成非晶质 SiO2 的溶解度的下降

14、,一旦达到过饱和状态, 就会从溶液中析出。对非晶质 SiO2 的溶解度起到抑制作用的所有阳离子中,铝 的抑制作用最强,故溶解度降低的程度越大。不在海盆地的区域中,铝化合物形 成的同时能够析出硅酸物质显然是理所当然的现象。因此,海绿石结构中一旦存 在海水阳离子，就能起到SiO2沉降作用。由此可以推出，在海洋沉积的作用下， 特别是成岩作用下,外加合适的化学环境,就能发生金属阳离子与有机物或是水 络合反应，产生大量的金属络合物和水合络合物。正是因为这些阳离子络合物的 存在，才有了海绿石的产生。从上述可清楚的看出海绿石溶液的形成过程，是一种化学反应的结果，而且 它也足以解释海绿石形成方式。然而，在某些

15、特殊情况下，也不排除铝硅酸盐尤 其是铁镁硅酸盐（如辉石、绿泥石、黑云母等）形成海绿石的可能性。根据海绿 石的形成原理可以推测出铁蒙脱石与多水高岭石类型的原始物质因其内部含有 铝硅酸盐骨架能够在任何海洋盆地的沉积物中存在。但是，要想形成真正的海綠 石，就必须有外力推动蒙脱石与多水高岭石的强烈的海绿石化效应，所以必须具 备铁的析出与它的沉降作用保持平衡这一条件。作为海绿石，怎样判断它是属于 铁质与钾质还是铝质与硅质的属性，最关键的一点是看沉积物沉降与成岩过程进 行时的介质所处的化学环境以及溶液中相关元素的浓度。3.4 现代海洋中海绿石的成因Logvinenko （1984）认为现代海洋沉积物中的海

16、绿石主要来源于古老岩石， 其并非自生矿物，而属于他生。这种海绿石主要为含有海绿石的岩石和沉积物受 海浪侵蚀作用的产物。因此，现代海洋中的海绿石的分布大多数与水温和水深等 条件无关，而与含有海绿石的岩石或沉积物的分布相关。此外，自生海绿石也可 见于现代沉积，但是并不常见。因此，自生海绿石的分布情况尚无确定结果，其 主要为间隙水溶液和粘土矿物蚀变的综合结果。4 海绿石的应用海绿石作为沉积学领域的研究中的一种重要矿物，其应用广泛，且不仅限于 研究领域，也涉及到工业和农业领域，作为矿产资源加以开发和利用。以下对其 在地质方面的主要应用作简要介绍。4.1 海绿石的分布意义赵全基等人（1992）通过对我国陆架海绿石的分布调查发现，自生海绿石的 成熟度与沉积物形成的时间早晚相一致。海绿石的成熟度越低，颜色越趋于单色， 反之，海绿石的成熟度越高，颜色越趋于杂色。该发现与海侵海退的过程也是符 合的，在海侵之前形成的海绿石为黑褐色，海侵之