风化太古代岩石中蒙脱石的形成

时间：2026年2月1日

来源：Journal of South American Earth Sciences

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绿泥石矿物学特征及成因研究：基于巴西Sabino山区的绿泥石与围岩化学分析，X射线衍射和热重分析表明该绿泥石为铬蒙脱石，其形成源于水热活动驱动的化学风化，高CIA指数证实强烈化学风化作用，Fe、Ti、Cr元素在围岩与绿泥石中的相似性暗示原生矿物起源。

J.H. de Araujo | M.F. Ginani | F.A.B. de França | L.C. de Souza

巴西米纳斯吉拉斯州茹伊斯迪福拉市ICE-UFJF物理系

摘要

对位于巴西RN州圣佩德罗杜波滕吉市附近的萨比诺山风化剖面中出露的绿色粘土及其围岩样本进行了X射线衍射、热重分析（TGA）和化学分析。结果表明，萨比诺山的绿色粘土可归类为铬蒙脱石。粘土的成因归因于热液作用引起的风化作用，这一结论得到了样品高化学改变化指数（CIA）的证实。粘土的化学成分与围岩具有相关性。围岩中的Fe、Ti和Cr元素可能指示了萨比诺山粘土的原始成因。

引言

北里奥格兰德州的部分地区由太古宙（Dantas等人，2004年）和元古宙（Dantas等人，2013年）时期的片麻岩-混合岩基底变质岩构成。该基底之上覆盖着新元古宙时期的塞里多群沉积物。该地区在巴西造山运动（5.5亿至6亿年前）期间经历了构造热过程，其特征是强烈的风化和热液活动。这些过程形成了粘土体及相应的风化系统。原始或残余粘土的形成受岩石的物理化学性质、地形及矿物来源的影响。风化程度可通过岩石发生的化学变化来衡量。

风化是最重要的地貌过程，对地貌和土壤的形成与变化起着关键作用。硅酸盐矿物的化学风化会消耗大量H₂O和CO₂，因此在碳循环和气候模型构建中具有重要意义（Suchet和Probst，1993年）。了解气候与风化产物之间的关系对于评估过去的气候变化至关重要（Huh，2003年）。风化的速度和类型受多种因素控制，如矿物学特征、气候条件、温度、压力和微生物活动（Deepthy和Balakrishnan，2005年）。

二八面体蒙脱石可通过火山灰的水解作用或风化作用形成（Reynolds和Hower，1970年）。任何风化过程都包括三个阶段：原始矿物的溶解、化学元素的迁移以及次生矿物的沉淀。每个阶段都受局部物理化学条件的控制，其中风化速率最为缓慢（Meunier，2005年）。风化带中可风化矿物所形成的离子环境对粘土矿物的生成具有重要影响。根据Grim（1947年）的研究，在碱性阳离子丰富的离子环境中，当淋溶条件不足时，会生成蒙脱石；而在钾等碱金属阳离子存在的情况下，则会生成伊利石。在极端淋溶条件下，高岭石的形成更为常见。这一规律同样适用于含有碱金属和碱土金属阳离子的酸性火成岩。

粘土矿物是具有层状结构的含水硅酸盐，其层状结构由硅和氧的四面体单元以及铝和氧的八面体单元及羟基组成。其他离子（如Mg、Fe、Cr、Ni等）替代四面体层中的硅或八面体层中的铝，是粘土分类的重要依据，这也决定了粘土的类型。

蒙脱石类粘土以绿泥石（Al₂Si₄O₁₀(OH)₂）为基本单元命名，其化学成分因地质成因和形成环境的不同而有所差异。蒙脱石是一种以镁为主要替代元素的二八面体矿物；而以铁为主要替代元素的矿物则称为非特罗尼特。弗尔科恩斯科石（Volkonskoite）的八面体层中以三价铬为主要阳离子（Foord等人，1987年）。

这些阳离子的替代过程称为同晶替代。替代过程中会产生多余的负电荷，当替代后的离子带电量小于被替代离子时，多余电荷会通过吸附碱金属和/或碱土金属（如钾、钠、钙等）阳离子来平衡。中和电荷所需的阳离子吸附量称为阳离子交换容量（CEC），该值与粘土的替代程度和表面积（SA）相关。层与层之间的间距（即层间距离）是识别粘土矿物的关键特征（Ross和Hendricks，1945年）。

历经数千年甚至数百万年风化的剖面可能经历了多种气候条件。粘土矿物的特征分析对于重建古气候至关重要，因为这些矿物的形成和转化直接受到当时气候和环境条件的影响（Weaver，1989年）。

本研究分析了位于巴西RN州圣佩德罗杜波滕吉市萨比诺山风化剖面中的绿色粘土及其围岩样本。这些样本是在修建州级公路过程中从风化层中提取的。通过岩相学、晶体学和化学分析确定了其性质和成因。对这些粘土的特征研究对于评估过去的气候变化以及研究此前未被关注的太古宙基底风化岩的成因具有重大意义。

地质背景

南美洲东部地质构造块主要由太古宙（22亿至34亿年前）和元古宙时期的酸性至基性变质岩和变质火成岩组成（Hollanda等人，2011年）。这些岩石普遍经历了多相褶皱和深部片理作用，并伴有高温（550至650°C）的变质作用，常伴随混合岩化/部分熔融现象。该岩层基底经历了地壳抬升，随后发生逆变质、剥露和风化过程。

样品

在萨比诺山的不同风化层高度采集了五份粘土样本：顶部为赭色粘土，下方为黑色粘土（GNSM），中间为绿色粘土（GNSM），还有一块石英岩样本。图2展示了该露头的整体情况。样品经过破碎并筛分至0.500毫米细网以去除杂质。绿色粘土样品通过传统沉淀法分离出石英等杂质。

结果与讨论

所有样本的元素分析结果见表1。可见粘土矿物中常见的元素，且Si/Al比值约为4（GCSM），这是粘土的特征之一。铁的大量存在以及与铬、钛和镁等元素的共存表明了明显的同晶替代现象。

围岩样本（HSSM q, o, y 和 b）的化学成分与绿色粘土相似，但存在一定波动。

结论

萨比诺山绿色粘土的X射线衍射图显示其属于二八面体蒙脱石结构。粘土的化学成分表明其属于铬蒙脱石。其成因归因于热液作用引起的风化，这一结论得到了高化学改变化指数的支持。围岩中的Fe、Ti和Cr元素可能指示了萨比诺山粘土的原始成因。

作者贡献声明

José Humberto Araujo：负责撰写、审稿与编辑、软件使用、数据分析及概念框架构建。 Marconi Floripe Ginani：负责撰写初稿、方法设计、实验研究及概念构建。 Francisco Assuero Bezerra de França：负责数据可视化、实验研究、数据分析及概念构建。 Laecio Cunha de Souza：负责撰写初稿、结果验证、软件应用、方法设计、实验研究及数据分析。