浅析粘土矿物在古环境研究中的应用

摘 要：粘土矿物广泛分布于各种类型的沉积物和沉积岩中，主要有高岭石、伊利石、绿泥石和梦皂石四种矿物，其组合特征和含量的变化记录了源区气候环境变化的信息。粘土矿物对环境变化的反应比较敏感，因而可以根据粘土矿物的矿物成分、组合特征、矿物结晶度及矿物含量变化记录的粘土矿物形成过程中的古环境变化来恢复古环境演变。粘土矿物作为一种研究古环境变化的重要指标，在古环境的研究中发挥着重要的作用。

关键词：粘土矿物 古环境 代用指标

粘土矿物通常是指构成土壤和岩石细粒部分（

一、粘土矿物与生成环境

粘土矿物在形成过程中受水介质的pH值、EH值和盐度等因素的影响，产生了晶体结构、形态及类型各异的矿物[1]。不同的矿物在一定程度上反映了其形成时的条件与环境。

（一）粘土矿物的生成环境

高岭石是在温暖湿润的气候条件下，主要由长石在酸性介质作用下经过淋滤作用形成的[2-3]。高岭石族矿物属1:1型层状结构硅酸盐粘土矿物，特征衍射峰：d001=0.715nm，d002=0.356～0.358nm，d003=0.238nm。经550℃高温加热后d001峰将消失（图1、2），高岭石主要来源于陆地环境，因为海洋岩内原生水中K+/H+比率高，故不能形成高岭石[4]。但不是在任何一种陆地环境中都有丰富的高岭石，只有气候暖湿才有利于高岭石的形成和保存。

图1：高岭石X衍射谱图（自然片）

图2：高岭石X衍射谱图(550℃)

蒙皂石族属2:1型层状结构硅酸盐矿物，蒙皂石在未经化学或热处理的定向薄膜样品中，00l的反射峰在一定范围内，为1.2～1.5nm，蒙皂石有明显的膨胀性，经乙二醇饱和后，d001可膨胀至1.7nm左右（图3、4）。富盐基，特别是贫K+而富含Na+、Ca2+的碱性介质环境中有利于蒙皂石的形成。如风化强度增大，Na+和Ca2+就从蒙脱石的混层位置上剥离，因此蒙皂石的存在指示了寒冷的气候特征。另外，火山物质在碱性介质中很容易变成蒙脱石[5]。

图3：蒙皂石X衍射谱图（自然片）

图4：蒙皂石X衍射谱图（乙二醇饱和片）

伊利石属2:1型层状结构硅酸盐矿物。特征衍射峰：d001=1.0nm，d002=0.5nm，d003=0.333nm。在乙二醇饱和及加热后特征峰不变（图5）。伊利石形成于温暖或寒冷少雨的气候条件下，由长石、云母等铝硅酸盐矿物在风化脱K+的情况下形成[5]。如果其晶格混层K+继续淋失，就可以向蒙脱石演化。湿热气候条件下，化学风化彻底，碱金属（主要是K+）被带走，伊利石将进一步分解为高岭石。因此，气候干燥、淋滤作用弱对伊利石的形成和保存有利[6]。

图5：伊利石X衍射谱图

绿泥石形成于干燥的气候条件下，是在碱性条件下埋藏后经成岩作用形成，尤其是容易在富Mg2+的空隙水中沉淀出来[7]，其含量增加代表了逐渐变为干旱的气候条件[8]。因此，绿泥石一般在气候受到抑制的地区（如冰川或干旱区）保存下来，所以高纬度和极区以外，绿泥石的含量都很低[4]。绿泥石族属2:1:1型层状结构硅酸盐矿物。特征衍射峰：d001=1.42nm，d002=0.71nm，d003=0.47nm，d004=0.353nm。在550℃高温后d001峰将削弱为1.38nm（图6、7）。

图6：绿泥石X衍射谱图（自然片）

图7：绿泥石X衍射谱图（550℃）

（二）粘土矿物的地带性

粘土矿物对环境变化反映的敏感性，以及不同的粘土矿物的形成和保存需要不同的酸碱条件及气候条件，因此粘土矿物的分布具有了地带性的特点。

19世纪末，俄国著名学者道库恰耶夫在建立自然地带学说的同时，指出矿物也具有地带性，气候的影响明显地表现在矿物形成的特征上。俄国学者К.И.卢卡舍夫在《苏联境内风化壳的地带性地球化学类型》一书中也指出了地带性标志矿物大多为粘土矿物：泰加森林风化壳及土壤是由硅铝和富铁的粘土质风化产物构成，其标志矿物为水云母、高岭石及海泡石等；在草原地带的碳酸盐粘土质风化物及黄土状风化物中，方解石、白云石、石膏等为标志矿物；在荒漠带富含氯化物2硫酸盐的风化壳及土壤中，石盐、硝石、蒙脱石等为标志矿物；在热带和亚热带，由富铁和富硅铝的风化产物形成红壤、黄壤和砖红壤, 标志矿物为一水硬铝石，一水软铝石，高岭石等[2]。

我国一些学者对不同地带粘土矿物的研究分析亦表明了粘土矿物呈现地带性分布的规律。在亚热带地区，以高岭石为主，在砖红壤地带还有三水铝石，赤红壤地带有埃洛石，红壤地带有水云母[9]。在中纬度地带干旱半干旱的黑钙土、栗钙土中粘土矿物以伊利石和蒙脱石为主[10]。在高寒的干旱半干旱栗钙土中则以伊利石和绿泥石为主[11]。新疆的漠土中则以水云母和伊利石为主[12]。可见，以伊利石占优势的粘土矿物组合反映了干旱半干旱的草原环境。

（三）粘土矿物的结晶度

矿物结晶度是矿物晶体内部结构有序程度的反映。矿物的这种有序性―无序性的变化是与其形成时的地质条件、气候环境条件直接相关的。因此，研究粘土矿物的结晶度有重要的地质学和环境学意义[2]。

伊利石结晶度可以反映源区矿物环境水解能力，因此，高温和大的降水量被认为导致矿物的强水解作用，以致结晶度差；反之，在低温和干燥的气候条件下，矿物的结晶度被保存下来。从而低的结晶度值指示低温和干燥的气候条件，而高的结晶度值指示它们形成于低纬度、高降雨量（潮湿）和高温的气候条件[13]。

Cham ley在北大西洋海相沉积的粘土矿物研究中指出， 在侏罗纪后期～早第三期晚期，大量的结晶良好的蒙脱石的沉积意味着这一期间为暖热的气候，同时有相当强烈而短暂的温季及比较长的干季的交替[13]。

L atouche在对北大西洋始新世～渐新世中期沉积地层研究后提出，结晶差的蒙皂石的大量沉积是大陆暖热气候的结果。而同时代另一区域结晶度高的蒙皂石的沉积指示了一种水解作用强烈的气候[14]。

（四）粘土矿物的组合特征

有关粘土矿物组合与气候演化关系的研究已较为普遍。Singer在研究了全球不同气候带各种沉积类型中的粘土矿物组合后指出，地表土壤、风化剖面和沉积物中的粘土矿物组合与气候条件及风化强度有密切的联系，在不同气候条件下，其组合类型不同，因而粘土矿物组合特征是解释古气候的主要指标[2]。

加拿大学者B laise对加拿大温哥华岛晚第四纪沉积物中粘土矿物组合进行分析后，总结出了冰期和间冰期气候条件下的粘土矿物组合特征。在冰期，以富铁绿泥石、伊利石及火山岩形成的蒙脱石为主；在间冰期以蛭石、高岭石、埃洛石和不规则混层矿物为主[15]。

我国学者师育新等研究不同气候带黄土的粘土矿物组合特征得出：兰州黄土的粘土矿物组合为伊利石―绿泥石―高岭石―蒙皂石型，而位于亚热带湿润地区的下蜀黄土粘土矿物组合与兰州黄土具有明显差异，以伊利石和蛭石为主[16]。范德江等研究长江、黄河沉积物粘土矿物指出：长江、黄河沉积物中粘土矿物组合都为伊利石-绿泥石-高岭石-蒙皂石，但长江沉积物中伊利石含量高于黄河，蒙皂石含量低于黄河；长江沉积物中伊利石/蒙皂石比值都在8以上，黄河沉积物该比值都在6以下[17]。

二、粘土矿物在古环境研究中的应用

近年来，随着对全球变化研究的重视，以粘土矿物为手段来恢复古气候的方法受到世界各国许多学者的关注和采纳，并将其运用于从冰川极地到热带雨林，从高原风化产物到湖泊、海洋沉积物，从寒武纪到第四纪如此广泛时空分布的气候重建研究[18]。

唐松等研究南海渐新世的粘土矿物指出：在反映气候环境方面，根据粘土矿物组合特征及其含量变化可以认为，在 32.8～31Ma各粘土矿物含量的分配特征代表了相对比较暖湿的气候条件，自15.5Ma来南海处于总体降温的过程，并显示3Ma存在较大规模的降温事件，与底栖有孔虫氧同位素资料反映的气候信息具很好的对比性[19]。

史兴民等结合粘土矿物在剖面垂向上的变化特征可将玛纳斯河流域蘑菇湖全新世气候变化分为 I～Ⅳ个阶段：在第 1阶段，即6.2～9.1ka BP，这一时期的高岭石含量较高，伊利石加蒙皂石含量相对较低，反映了此时气候较温暖湿润；第Ⅱ阶段为3.6～6.2kaBP，这一时期高岭石含量虽有波动，但变化幅度不大，含量相对较低，而伊利石和蒙皂石的含量相对较高，因此这一阶段的气候特点是干冷，但中间有一个明显温湿波动；第Ⅲ阶段是1.8～3.6kaBP，高岭石含量达到最高值，而伊利石和蒙皂石的含量出现一个波谷，因此这一阶段气候的特点是温暖湿润，而且比今天要温暖湿润的多；第Ⅳ阶段为1.8ka BP以来，即剖面的最上部，高岭石含量降低，伊利石和蒙皂石的含量达到最大，气候又重新变得干冷，相当于晚全新世的降温期[20]。

李玲等利用X射线衍射方法分析了中新世以来长江下游河湖相沉积物、黄土高原红黏土和黄土一古土壤的黏土矿物组成。结果表明：中新世以来长江下游、黄土高原沉积物的黏土矿物组成都为伊利石+绿泥石+高岭石+蒙脱石；各地质时期长江下游和黄土高原不同剖面沉积物由不同的黏土矿物组成；各连续沉积剖面黏土矿物均存在伊利石含量逐渐增加的变化趋势，反映中新世以来这两个地区气候逐渐变冷[21]。

三、结论

粘土矿物以其分布广泛性的优势为世界各地的学者研究古环境提供了便利的条件，并且粘土矿物的研究结果和其他环境代用指标的研究结果有很好的对应关系。同时，粘土矿物在海洋沉积物、湖泊沉积物、不同地带黄土等沉积物研究中取得了很好的研究成果。粘土矿物特殊的生成气候条件、地带性、组合特征、含量的变化和结晶度的变化，是研究古环境（特别是缺少古环境研究常用的代用指标的地区的古环境）非常重要的代用指标，应该在未来的古环境重建中有着重要的价值和非常广阔的应用前景。

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（作者单位：华东师范大学资源和环境科学学院地理系 上海）