英格兰和北海盆地侏罗和白垩纪地层中火山岩质粘土岩.doc

英格兰和北海盆地侏罗及白垩纪地层中火山岩质粘土岩编译：王立群C.V.JEANS1 D.S.WRAY2 R.T.MERRIMAN3 M.J.FISHER41、 剑桥大学地球科学系；2、格林威治、彭布罗克、查塔姆海事地球科学学校；3、大英地球勘探；4、尼维斯联合有限公司。摘要：英格兰和北海的侏罗及白垩纪沉积岩中的自生粘土矿物和硅质胶结物的形成，与北海内部和其周围的准同生火山作用存在相互联系。包括新测试的REE（稀土元素）数据在内的证据表明在变化的成岩作用条件下，自生的粘土矿物分析中，发现火山灰的粘土化作用痕迹，火山灰极有可能是许多砂岩中早期硅质胶结物的物质来源。本文讨论了富蒙皂石、富海绿石、富磁绿泥石和富高岭石火山岩质粘土岩的沉积作用。分析出两种模式的粘土矿物相。模式A与非海相和海相环境中的火山灰粘土化作用相关。模式B是由火山岛周围的海相环境中聚集到砂岩或粉砂岩相带中的火山灰粘土化作用发展而来。模式B的发展变化受到热穹窿和火山作用相关的退/进循环的影响。包括海底的热液流体释放。本文讨论了北海地区侏罗纪和早白垩世沉积岩中明显缺乏火山成因粘土沉积物的原因。关键词：火山岩质粘土岩，侏罗纪，白垩纪，粘土化作用，北海。侏罗纪和白垩纪的地下火山中心与北海及其相邻地区的区域裂谷系统相关（图1a）。目前的地层记录表明在侏罗和白垩纪期间至少存在间歇性的火山作用，但是它对北海沉积层序的影响是不足的，而且大部分限制在中侏罗世的沉积层序中。相反，在我们对北海相邻地区的英格兰沿海的侏罗和下白垩沉积层序的研究中，缺少某些准同生时期的火山作用中心，表现出比北海地区更为连续和广泛的火山灰作用。本文认为在以下三个方面可分析这些特征。第一在处理火山岩质粘土岩的鉴定方面；第二是在英格兰和爱尔兰地区的各种侏罗纪和白垩纪沉积岩中，火山岩分布数据的证据，包括发表的数据，如这些沉积岩中分析的新REE数据；第三方面是在北海地区侏罗纪和下白垩纪沉积层序中，根据目前的预测，讨论火山灰物质是其主要成分的可能性，它在砂岩和泥岩的成岩作用中担当着重要的角色。研究方法：从广泛的侏罗纪、白垩纪沉积岩中，采集了大量的岩石和钙质岩脉样品进行了广泛的化学分析（尤其是REE分析）。这些样品的地质和地理数据表示在表1和图1b中。本文所讨论的各种地层单位表示在图2中。按常规过程由Icp-OES所做的大量分析，在Wray和Wood的成果报告中做了描述。REE分析以cody页岩样品为标准。铈和銪异常使用下列方法进行计算： Ceanom Ceanom= (0.8×La s/n) (0.2×Sm s/n) Eu s/n Euanom= (Sm s/n) Gd s/n)/2 此处，s/n=cody页岩样品的标准值。 重粘土碳酸盐岩样品（中上阿尔泌阶）的Fe2+含量使用色度法测定，粘土矿物分析应用以Jeans等人（1997）的常规分析方法为基础的XRD技术进行分析。粘土矿物鉴定一般达到组的级别。云母矿物（参考伊利石）用于确定云母粘土矿物组。蒙皂石被归类为蒙皂石和蒙皂石/云母混合层矿物组。海绿石被归类为绿色、富铁云母组和蒙皂石/云母混合层矿物组。磁绿泥石被归类为高岭-蛇纹石组中的绿色三八面体的富Fe2+矿物。高岭石被归类为高岭石-蛇纹石组中的二八面体矿物，该组矿物除了高岭石之外，还可以包括地开石和珍珠陶土。特殊的分离方法包括筛选、水中的差异沉淀（Stokes公式）、磁性及重力分析，这些方法由Jeans等人（1977,1997）发展。海绿石砂岩集合体的鉴定使用的是偏光显微镜鉴定方法。火山岩质粘土岩的认识 火山成因这个术语用于描述除了含有来自于风化壳的普通碎屑组分（在后面的叙述中称为标准碎屑）之外，还含有较高比例火山灰或它的成岩变化组分的沉积岩石。尽管也可以形成长石、沸石和硅质矿物，但是火山灰主要形成粘土岩，而且在其变化之前是不稳定的。没有与火山成因相关的次生矿物，也可能在沉积岩和土壤中参与生成了自生矿物相。但是火山灰转化过程其产物所需的物质，尤其是许多沉积盆地的活性Si和Al的来源严重地受到限制。火山灰向沉积盆地的输入，提供活性Si和Al的物质来源，并且进一步地促进和发展了铝、硅矿物的成岩变化。 在确定火山成因沉积岩的类型方面存在问题。火山灰的结构，例如玻璃质结构很难保留下来，而且火山成因的岩性包括粘土岩、粘土质粉砂岩、粘土质砂岩或泥质胶结砂岩，它们与非火山成因的这些岩石类型差别较小。因此火山成因岩石类型的特征分析要经过两个步骤，第一步根据由正常碎屑岩组分组成的相似沉积岩的结构，矿物特征和地球化学特征来区分上述火山成因的岩石类型；第二步要分析火山成因沉积岩形成所需的父火山物质来源的岩石类型。这两方面，熟悉同时代的正常碎屑沉积岩的特征和使用可比的矿物及地球化学参数进行分析是必要的。火山灰的赋存（岩性资料）玻璃质火山灰偶尔会完整地保存在早期的硅质或碳酸盐岩胶结物中（例如Jeans等，1977）。火山灰胶结的沉积物质，在薄片观察中，有时以原始火山灰颗粒的粘土假晶存在（Grim，1933，1935；Zimmerle，1982）或者在非粒屑沉积岩中，以粉砂和砂粒级的粘土晶体存在（Jeans等，1977，图7）。矿物组成 经历了变化的火山灰层一般是由两部分组成。其主要成分是经过改造的物质，一般情况下是粘土矿物，而次要的物质成分是由未经过改造的火山碎屑组成，它们通常在总的组成中占有较低的含量。经历了改造的物质趋向于单矿物，并随成岩环境的物理、化学特征而变化。相同成分的火山灰在非海相条件下，可以形成富高岭石粘土，而在海相条件下，可能形成富蒙皂石粘土（例如，Waage，1961；spears&kanarissotiriou,1979）。 仅在特殊环境下，确定火山成因能够使用化学指纹。许多化学物质（例如：主要元素，次要元素和痕量化学元素、REE）可被用于区分典型的主要碎屑成分而鉴定疑似的火山成因沉积物。根据颗粒粒径标准比较沉积岩的物质组成是一种重要的分析方法。沉积物之间的化学成分的差异，必须与矿物成分、岩性和成岩历史相关联，以便分析化学成分与后者之间的关系，一旦火山成因被确定，那么父火山灰类型的某些证据就可以从化学数据中获取。 从未经历变化的（或者是经历少量变化的）火山碎屑岩中，可以获得更为可靠的信息，但是这些信息也可以从其它岩石类型中获取而且也可能不是发生广泛的粘土化作用的火山灰的原始物质。在原始火山成因的易变成分可能在变化过程中不同程度地消失这方面还存在不明确的地方，因此对火山岩的分类进行修改，调整主要元素的比率（SiO2，Na2O+K2O%）是很重要的做法（TAS系统，Le Maitte，1989）。根据稳定元素进行分类通常更有意义。当仅主要元素分析可用时，TAS系统至少会在火山成因方面提供证据，在火山灰物质组成完全保留在粘土化物质中的情况下，使用TAS系统就变得更为有利。在我们研究英国沿海的侏罗纪和下白垩纪沉积岩时，在我们研究的岩石类型中，纯火山成因的岩石是非常少的，单一成因的物质没有被发现。在搬运和沉积过程中以及因生物扰动而加入的正常碎屑或生物碎屑物质以不同的含量普遍存在。 我们分析了中生代的碎屑成因，自生成因和火山成因的粘土集合体的大量REE样品数据，用于帮助分析这些成因类型的特征（表2）。每一种成因类型的许多样品，所表现出来的REE图都不能与标准的cody页岩相区别。某些样品可以展现出铈（Ce）和銪（Eu）异常，向我们传递了该地层条件下的某些信息。在这种条件下，铈/铈*（Ce/Ce*）和銪/銪*（Eu/Eu*）的正常比值为0.91.1被认为是标准的，而且在该范围之外的值，负值以及<0.9或者正值以及>1.1的范围则被认为是非标准的。 富氧海水中的负铈/铈*（Ce/Ce*）值的变化模型被完整地建立起来，它是相对于在溶解到河流中的REE进入到高富氧的海水中时，因Ce元素的化合价状态从2+到4+的变化产生的从溶液中Ce的差异性迁移而建立起来的。由这些富氧海水的平衡状态形成的某些矿物很可能含有这些负的异常。在次氧和缺氧条件下，铈的沉淀反应被相反，这表明在次氧或缺氧的孔隙水中沉淀形成的海相成因矿物会展现出一种很小的或非负的Ce异常，因氧化作用，从大洋海水中迁移出来的铈（Ce）很可能在海底就先形成锰结核，从而产生明显的正异常。相似的正异常可能在海底风化作用期间，与玄武岩质玻璃枕状熔岩的外缘的特征相关。 在硅酸盐熔融体或变质岩的差异熔融的微细结晶期间，负的銪（Eu）异常得到了发展。在早期形成的矿物，尤其是斜长石矿物的结晶过程中，因替换晶格中的钙离子而优先地在晶格中加入了銪离子，从而从残余的演化熔融物质中析出。正的Eu/Eu*比值的形成也与通过海底高温裂缝进入到海洋的热液流体有关。火成岩或火山岩的这种差异熔融因演化的不同相会引起可变的Eu/Eu*值混合。我们认为Eu异常的存在可能是粘土矿物因火山岩的粘土化作用或热液参与下的沉淀作用形成。 没有REE图的少数几块样品一般类似于cody页岩的特征，表现出明显的LREE和HREE差异，特殊情况下与銪（Eu）和铈（Ce）异常存在某种联系。在大多数情况下，样品的火山成因类型是不确定的（根据其它线索），但异常的REE图则可识别出火山岩成因的迹象。 斑脱岩和钾斑脱岩一般情况下由它们的岩性特征或黑色泥岩层序中的白色特征来识别（Merriman & Roberts，1990）。但是，包含火山岩成因粘土矿物集合体的许多岩层，当它们的岩性由正常的硅酸盐碎屑或生物碎屑物质作为主要成分时，就不可能被轻易地识别出来。因此，从粘土矿物岩相关系中得到的常规地质认识就更有利于识别这些地层。正如后面所讨论的，这些常规的地质认识对火山成因的某些粘土矿物提供了确凿的证据。非火山成因粘土岩和粉砂岩 英国沿海主要的侏罗纪和白垩纪粘土岩地层的矿物学研究表明其中含有在地层剖面中变化不明显的碎屑粘土矿物集合体。集合体中主要包含云母矿物以及少量的高岭石、蛭石和蒙皂石。粘土晶体的形态一般是它形的，表现出绝无仅有的自生矿物生长的证据。这些碎屑粘土岩的主要化学成分变化极小，除非在成岩过程中存在自生矿物的可识别增量。 表3表示两块下白垩统非海相碎屑成因粘土岩的主要和次要元素的组成；样品Coo41（凡兰今阶）有富含高岭石和蒙皂石的粘土集合体，而样品Bp1776（巴雷姆阶/豪特里维阶）则富含蛭石和蒙皂石，而且还含有可鉴别数量的自生菱铁矿。在总硅碱图（TAS）（图3a）上，样品Coo41被标定在流纹岩区域，而菱铁矿含量导致Bp1776样品落在了TAS图的似长石的区域。当把这两块样品的数据标定在温彻斯特和弗洛伊德（1977）稳定元素图（图3b）上时，这两块样品点就紧密地标在了安山岩/英安岩流纹质英安岩的分界线附近。Coo41和Bp1776这两块样品都没有表现出任何火山成因的证据。侏罗纪和白垩纪碎屑粘土岩的REE图（图4）在与标准的Cody页岩相比较时，没有表现出系统的差异，来自于同一块样品不同粒级组分的REE图没有表现出明显的差异。火山岩成因粘土集合体与岩性 我们认为由火山灰的粘土化作用形成的各种粘土矿物集合体可以被划分为四个组以供描述，这四个组用集合体中的主要粘土矿物命名，分别为蒙皂石组、海绿石组、磁绿泥石组和高岭石组。这些内容在后面详细叙述。这些火山岩成因的粘土集合体的大多数样品是由现在的地质作用聚集起来的火山灰的粘土化作用形成的，被称做次生堆积。仅少量样品是由火山灰的直接空落形成的未扰动堆积物组成，这些被称为原生堆积。与这些火山成因粘土矿物集合体有关的岩性存在许多种类。从纯的火山成因粘土岩到含有小比例火山成因粘土岩胶结物的砂岩或石灰岩的旋回大量发育。火山成因的粘土也可能以砂或粉砂级集合体存在。这些物质由粘土矿物组成的原始火山灰颗粒、包在鲕核之外的粘土集合体或者包含粘土化火山灰或先于交代作用的火山灰的粪球粒有机物质的假性交代作用形成。 斑脱岩在本文中用于特定的意义，它仅与火山成因的富蒙皂石粘土堆积物有关。富蒙皂石堆积物它是原生堆积，它们的范围是从薄层的、富粘土层（斑脱岩），可能含有少量的残余火山碎屑，例如假形晶、棱角状的玻璃质和岩屑到细粒的泥灰和火山组分被生物碎屑方解石以及碳酸盐岩胶结物广泛取代所形成的斑状石灰岩。这些地层的硅酸盐矿物特征和化学特征与邻近的沉积岩不同。该富粘土地层因颜色、光滑的结构以及脱水和吸水性质而与其他地层有明显差别。其中的粘土矿物集合体是富蒙皂石的，一般与正常相关粘土矿物集合体有明显的区别。有某些样品分析得到的不溶于酸的（IN的醋酸）颗粒的粒径分布图表明火山灰颗粒以粘土晶粒集合体的形式存在。这些富蒙皂石原生堆积物一般发现于细粒的沉积岩中，它们可能存在较大的侧向分布范围。我们认为这是空落火山灰进入到低能沉积环境所致，颗粒的分选粒径较小。这些火山灰层在埋藏过程中因压实而减薄到地层的80%，它们极有可能在混合及火山碎屑组分的分布上受生物扰动的影响。来自于该地层样品的REE图（图5）与标准的克沃迪（cody）页岩极其相似，显示出明显的负Eu及Ce异常，在LREE中表现明显。来自于下白垩统海相粘土沉积岩组成的SPEETON组（Knox&Fletcher，1978；Knox,1991）的样品以及来自英格兰地区（Wray&Wood，1998）土伦科尼亚斯阶的白垩土（Welton和Burham组）的样品分析结果可能是最详细的。其中一块样品来自于Weald粘土层。德尔斯顿湾的Purbeek组中的各种泥灰岩和碎屑石灰岩（层号：91；样号：224、239）含有富蒙皂石的粘土矿物集合体并具有明显的富LREE特征（Fig.5）。我们暂时把这些地层解释为原生堆积物。次生堆积。中侏罗统和下白垩统浅海相环境出现的富蒙皂石斑脱岩得到了最广泛的研究并且对其认识也是最清楚的。单层厚度达到4米，具有透镜状的形态，侧向上延伸达到100米。其粘土矿物集合体主要由蒙皂石组成，含有分散状的云母矿物。Morgan等人（1979）在早白垩统，戈德斯通地区的样品中，发现部分蒙皂石转化为高岭石。它们明显区别于原生斑脱岩，这主要是在小的交错层理及侧向上连续分布的粘土堆积上，这种特征表明堆积物存在地表火山爆发物质再造而成的火山灰（Teams等，1982）。因破碎作用，富粘土沉积物可能被分解为砂粒级粘土集合体，并存在粘土化作用改造的棱角状的矿物形态。早成岩阶段存在原始沉积岩的玻屑结构。少量的砂及粉砂级火山碎屑（斑晶、凝灰质、浮石和岩屑）存在。少数纯的样品含有可测试出的富石英砂或生物碎屑物质。这些蒙皂石次生斑脱岩的纯样品中的主要化学成分以及经历了早成岩阶段的相对稳定的玻璃质成分的分析表明其主要物源来自于碱性粗面质火山灰。但是，在火山碎屑岩之间存在许多包括某些基性成分的熔岩类型。对Combe Hay地区巴通阶斑脱岩成岩作用的研究表明这种未经粘土化作用的玻璃质不一定是演化为粘土矿物的大量火山灰（Jeams等，1997）。总碱成分（K2O+Na2O）含量低，是否反映了其原始化学组成，或者在早成岩阶段堆积物固结之前损失了碱性成分。应用TAS图解下白垩统这些次生斑脱岩样品（Bur24，Sur44）的数据点标定在安山岩/英安岩区块，而在温彻斯特和弗洛伊德（1977）的稳定元素图解中它们落在粗面岩区域。多数样品的REE特征与0.2m分离组分的REE特征是相似的，展现出平缓的特征或者因存在负銪异常而导致的值较高的、变化平缓的LREE特征（图5）。这些样品没有表现出负的铈异常，表明其粘土化作用发生在次氧或缺氧环境下。来自于单层的长石斑晶集合体展现出相似的REE特征；但是存在富于变化的正銪异常值，表明他们的成因是不同火山灰，这些火山灰是不同喷发作用的产物。其他的火山碎屑表现出相同的REE特征，存在从较大的正值到负值的銪异常。富海绿石堆积在细粒的中侏罗统拉特兰组和克劳顿组地层中少量存在海绿石泥岩样品（样品T2110,19N）不存在砂质的海绿石矿物，这些样品临时解释为原生堆积。其REE特征富于变化（图6），样品T2110从根本上类似于cody页岩，而19N号样品表现出明显的富MREE特征。次生堆积这些地层是砂级的海绿石碎屑组成，通常含有细粒的粘土混合物。它们以岩层的形式存在，一般是12米厚，但是在例外的环境下，最厚达到5米。侧向上延伸达到10km。富海绿石堆积多发育在海相环境中而在其他环境中绝少发现。在这种环境下它们一般直接覆盖在侵蚀面上，或在向上变细的沉积旋回的底部。这表明它们形成于海相低水位期间以及海平面往复运动的早期阶段。我们解释这种成因关系是先于火山活动的区域性热隆起的结果，导致局部的侵蚀作用以及沉积作用的减弱和低水位特征。这些堆积是砂级的火山灰，常常混有生物碎屑物质和沉积颗粒，聚集在这些地层中而且因喜氧环境下的海绿石化作用而发生首次变化，在随后的成岩过程中，因更为普遍的次氧或缺氧条件下的粘土化作用而发生改变。这些堆积物的改造作用是非常普遍的。65%以上的海绿石颗粒可展现出火山成因类型的文象结构（Jeans等，1982），但是许多堆积物其比例较低，这些证据发现于微斑晶熔岩、微晶熔岩和流纹微细结构熔岩中。不显示火山成因证据的某些粒级组分，存在明显海绿石化的方解石生物碎屑，充填有微化石或沉积碎屑，而其他组分在形态上是乳状的、鲕粒状的。这些海绿石的大部分可能是从富含AL和Si的孔隙水中沉淀而来，AL、Si组分来源于细粒火山灰的溶解作用。某些碎屑颗粒是火山渣球，它们最初由细粒火山灰组成。为海绿石化的火山碎屑也可能是相似的，由1Md的云母组成，含有一些蒙皂石混合层和/或某些完整的蒙皂石矿物。含有细粒的粘土矿物混合物的海绿石颗粒中，粘土矿物成分表现出复杂的关系。在某种情况下，混合物的矿物组成类似于海绿石砂粒，但在其他方面却有明显的差别。海绿石颗粒所表现的REE特征（图6）是富于变化的。所属样品存在海相氧化环境中的、明显的均衡负铈异常特征，变化平缓。少数样品的LREE值增强，表现出一种火山成因样式的印象。Jeans等（1982）对大部分这种堆积物的详细岩相资料进行了研究，其地层界限是非常明显的。这些地层缺少下、中侏罗统的沉积，而最先出现在上侏罗系的蒂托阶，在下白垩统以及上白垩统（阿尔泌及赛诺曼阶）下部大量出现。最早的样品来自于portlemd sand组。哈维尔钻孔处的portlemd sand段的两块样品（BD25116和5134）的分析表明它们是由包含在海绿石粘土矿物混合物中的大量圆形海绿石颗粒组成。这些颗粒中有25%表现出微斑晶及基本熔岩的残余火成岩结构，少量的新鲜熔岩颗粒（包含冷凝边）以及新鲜的微斜长石和斜长石颗粒也存在。富磁绿泥石堆积原生堆积：尽管Thurrel等人（1970）认为霍舍姆地区的维尔德粘土层中的鲕绿泥石粘土岩可能是原生堆积，但是到目前为止这种原生成因的矿物还没有被确认。次生堆积：磁绿泥石是分布于英格兰侏罗系沉积岩中的自生粘土矿物。它是富含Fe2+的三八面体高岭石蛇纹石族矿物，发育于早、中侏罗世的鲕粒、胶结物或细粒粘土岩中。以前曾被定义为鲕绿泥石。鲕绿泥石磁绿泥石（可能在成岩阶段或浅变质阶段发生变化的）系列是富含Fe2+的三八面体绿泥石。这些矿物的高Fe2+成分意味着他们形成于次氧环境或缺氧条件。在完全的海洋条件下，磁绿泥石形成（沉淀）于沉积期后阶段的次氧带中，但并不普遍，为孔隙水的硫酸盐结晶析出较低的非海相环境，在次氧或缺氧条件下都可期待这种磁绿泥石的形成。这些磁绿泥石组成的富铁地层形成于缺乏沉积物的陆棚区域，而且是近海相环境的浅水域中。在下白垩统沉积岩中，磁绿泥石的发育不普遍，被保存在非海相或似海相环境的某些地层中。与目前相比，最初的沉积物中磁绿泥石含量更为丰富，在许多铁矿中，例如弗洛特厄姆铁矿等，大量的磁绿泥石鲕粒在准同生期被氧化为铁的含氧氢氧化物，例如针铁矿和褐铁矿，先于前述矿物的混合物进入沉积岩。侏罗纪和白垩纪中相对丰富的磁绿泥石的明确解释还没有提出。尽管Fe推断其来自于深部的风化红土，但是这种古土壤在研究区附近的侏罗、白垩纪沉积层中还未被发现。因为同时代的细粒沉积物中通常含有大量的以FeS2形式存在的Fe资源，而且湿润气候条件下易于迁移，所以泰勒（1949）所说的需要其它特定的铁物质有些言过其实。与之相比，对磁绿泥石的沉淀来说是必要的活性硅和铝的来源问题反而没有受到重视。在现阶段，磁绿泥石和鲕绿泥石的矿物集合体形成于热带浅陆棚的某些环境中，它们与受到过强烈风化作用的古河道有关。但是对英格兰的侏罗、白垩纪样品的分析结果，Si和Al的成土来源不可能是受强烈作用的古土壤，而很可能与随北海断裂发生的准同生期玄武质火山作用相关。该裂谷的发育持续到目前，属于伴生绿色富铁粘土矿物组合（绿脱石、海绿石、绿鳞石）的低温热液系统。磁绿泥石和鲕绿泥石在这些堆积物内较为缺乏，但是红海的热液成因堆积物中已经发现了鲕绿泥石。由这些矿物形成的地层，优先受到含低阳离子浓度的低PH值水的热液系统的作用。富铁粘土的热液堆积物在北海或其临近地区没有发现。已明确鉴定的火山灰地层在英格兰的侏罗、白垩纪地层中很少发现。鲕绿泥石和含火山灰的褐铁矿鲕粒组合以及其异常的REE图由Sturesson（1992,1995）和Sturesson等（1999）根据瑞典、爱沙尼亚及俄罗斯的Ordovkian沉积岩的研究所揭示。鲕粒中的Fe、Al和Si的来源关系到火山玻璃的溶解，并认为火山玻璃中Fe2+含量（比较Fe3+）促进了富Fe2+硅酸盐的发育。有可能在铁矿床及周围的沉积岩中发现火山成因的证据。泰勒对北安普顿砂质铁矿地层的经典研究是该课题探寻的完美开端。该地层是中侏罗世浅水沉积的一部分，形成于北海附近陆棚区的半咸水至咸水环境。这些沉积物质是在北海火山作用最活跃的阶段堆积的。发育于北安普顿砂质铁矿地层的岩性类型构成两个不完整的旋回，组成下部碳酸盐岩、中部磁绿泥石碳酸盐岩、上部磁绿泥石高岭石岩相带。每个旋回都表现为从海相化石带到非海相化石带的变化，而且与极分散分布的岩屑鲕粒不同，磁绿泥石来源于碳酸盐相地层，是中部相带的主要组成部分，虽然局部为胶结物，但是仍主要以鲕粒的形式存在。这种鲕粒通常较为复杂而且在结构上有变化，表现出磁绿泥石沉淀的历史、氧化过程和菱铁矿的交代作用。层状的和分选良好的砂粒沉积物表明该铁矿层形成于富氧的高能沉积环境，该环境不适合磁绿泥石的沉淀但适合它的氧化。因在上覆水柱活动性的泵浦效应作用下，亚氧和缺氧条件下的作用仅出现在高能水域/沉积界面之下，或许在该界面之下一定距离。因此，该相带的特征没有表现出磁绿泥石矿物沉淀被限制在水介质/沉积物介质之下的岩性记录的标志。斯普洛克斯顿铁矿床的岩性鉴定结果发现所有种类的鲕粒（岩屑）其外部衬有一层厚度类似于形成鲕粒的相同矿物外壳的连续绿泥石衬膜。在主铁矿床地层堆积期间的进一步演化中，新形成的磁绿泥石外壳多次地再造了鲕粒并补充了来自于亚氧环境和缺氧环境形成的磁绿泥石胶结物，而且将这种环境转换为富氧的沉积环境。因此这种作用会使北安普顿的砂岩铁矿即刻转变为岩屑并重新堆积在原始位置上。与北安普顿砂岩铁矿地层相反，Winter Gill铁矿中的圆形、异轴和同轴鲕粒表示磁绿泥石沉淀的可能存在，或者直接位于水/鲕粒接触面之上。但是Knox（1970）认为鲕粒的生长源于岩屑成因的绿泥石粘土粒子。我们的认识是：（1）、在鲕粒发育过程中，亚氧环境或者缺氧环境在底水中普遍存在；（2）、鲕粒的生长源于细粒火山灰的捕获以及包围内核的生物膜形成的非晶质Fe-Al-Si凝胶被捕获；（3）、磁绿泥石沉淀出现在鲕粒的内部。北安普顿砂质铁矿地层中的主铁矿层（磁绿泥石碳酸盐）内，鲕粒和磁绿泥石胶结物的发育很可能来自溶液的沉淀作用。我们认为磁绿泥石的物源，尤其是活性Al、Si和Fe的一部分来自于基性火山岩、火山渣的溶解作用，而且还有热液成因的绿粘土的参与，这些物质经历了再造并随沉积物一起堆积起来。虽然没有发现该作用的残留物质，但是有间接证据提供了该作用存在的有限支持：1）、矿床中的石英颗粒，具棱角状。认为其来自于因火山作用而破碎的主岩。2）、碎屑长石含量异常高。3）、REE图（图6）与中侏罗碎屑岩样品（图4）有相当明显的差异。表现出富MREE特征、小的正Ce（铈）异常和负的Eu（銪）异常。銪异常表明它们源于经历轻微变化的熔岩，这里（熔岩）被发现一些元素的活跃组分进入了斜长石成分中。磁绿泥石高岭石相提供了该堆积物为火山成因的直接证据，棱角分明的碎屑石英和相对高的长石含量再一次证明其形成于特殊条件。岩相特征显示这些颗粒（磁绿泥石鲕粒、棱角状石英颗粒、褐铁矿鲕粒）在磁绿泥石泥岩中呈分散状分布。这种结构与火山成因颗粒被粘土化之后的灰质沉积岩中发育的结构极为相似而不同于分散在粘土基质中的稳定碎屑颗粒，相似的结构也出现在生物扰动构造中。富高岭石堆积原生堆积：一个实例来自于英格兰的侏罗、白垩纪地层。Knox（1991，图2）认为它是在Speeton粘土层底部（D6C层）出现的斑脱岩-4。在REE图上可见LREE值为平缓的增量，但铈和銪值出现异常。次生堆积：这一类成分不同于其它，富高岭石地层通常小于23米厚，局限于非海相地层。我们分析了中侏罗世Cloughton组的一块样品和下白垩统Wealden层序的两块样品。中侏罗统样品可能属于北安普顿砂岩铁矿床Rutland组和Cloughton组的浅灰色粉砂岩，与红色粘土存在密切关系。在矿物特征上，根据特殊的高岭石含量和粘土相对含量的分布（图8），其中发现有未知的火山碎屑，但是成分中有棱角状和侵蚀的石英颗粒，表明它们来自于磁绿泥石地层。在Cloughton组地层中的样品发现来自于北安普顿砂岩铁矿床的次生斑脱岩。在结构上（图9），高岭石在分散状碎屑石英颗粒中以细粒基质的形式存在，说明火山成因砂质中的火山灰发生粘土化作用。火山成因的粘土矿物相模式在侏罗纪的滨岸环境和下白垩统沉积物中存在两种粘土矿物相模式，下白垩统的沉积物被揭示为火山成因（图10）。模式A首先出现（早侏罗世）而且以富绿泥石（有时为绿泥石或褐铁矿所替代）、高岭石和蒙皂石为特征，蒙皂石与岩相的关系不密切，其物质组成却随沉积物（堆积）的物理化学条件和成岩作用的变化而改变。该模式不连续地出现在整个侏罗纪和下白垩统，但是在北海地区，与最大火山活动期近于同时的中侏罗世发育较全。火山成因对这套与次生火山成因粘土有关的正常沉积物的贡献并不明显。Kantorowicz（1984）在中侏罗世的非海相Ravenscar群中发现丰富的高岭石胶结物，我们解释它为火山成因的Yorkshire砂岩。这些胶结物形成较早，与长石溶解无关且没有明显的源矿物。Bradshaw（1975）解释英国东部内陆的中侏罗世海相、泻湖相的富蒙皂石地层来自于火山灰的粘土化作用，该作者同时认为标准碎屑粘土集合体中的蒙皂石/伊利石混合层来自于中侏罗纯斑脱岩的成岩变化。这些中侏罗海相、泻湖相沉积物的未公开资料可分析出自生粘土矿物集合体（蒙皂石、海绿石、高岭石）的垂相变化，我们认为这种变化与在盐度、Eh和Ph不同的条件下，化学组成变化的火山灰的粘土化作用不同。第二种粘土矿物岩相模式（B）局限于海相沉积物，在表现形式上为旋回性沉积，其组成是砂岩地层在垂向上和平面上逐渐过渡为粉砂质泥岩和含大量自生蒙皂石、云母粘土矿物集合体的泥岩，再过渡为碎屑粘土集合体为主的泥岩。代表火山成因和/或火山碎屑成因证据的砂质级别的海绿石一般赋存在砂岩地层单元中。其中也存在少量的细粒自生粘土矿物海绿石云母和蒙皂石。在某些样品中，例如灰质或含灰砂岩最初以硅质针状体的形式存在，含有丰富的自生硅质（非晶质的硅、蛋白石和石英），还有少量的沸石（片沸石斜发沸石）和长石。粉砂质的泥岩和纯泥岩中的自生粘土集合体以小的、拉长状的自形晶体或碎屑颗粒之外的自形衬膜形式存在。在这种旋回的砂质部分有时在其中富含蒙皂石和海绿石。该沉积模式中最已知的样品采集自南英格兰地区的阿普第和阿尔泌阶沉积物，此处的Hythe砂岩层和上部的绿色砂岩层分别与其它地区的粘土和重粘土层可以对比，图11中表示南英格兰上侏罗统沉积物的样品分析图谱。组成上述旋回的碎屑/火山混合成因的泥岩、粘土集合体的REE图（图4）与碎屑成因的REE图有些差别。例如Glyn71.37样品（火山碎屑成因）和Glyn116.97样品（碎屑成因）是相似的，同样地CE2样品（火山碎屑成因）和EC12样品（碎屑成因）也在REE图中表现特征相似。我们对该旋回的解释如下：中部砂质地层单元是平行于平缓岛屿火山灰丘构成的海岸，是在其附近形成的较浅海沉积相。该相沉积物的远端在侧向上进入细粒泥质沉积物，火山灰中的较粗组分被带到海中，聚集在先前于海底滚动搬运或埋藏溶解时发生海绿石化的砂岩相带中。海绿石化作用对提供形成自生硅质胶结物的活性Si和Al起到了作用。火山灰中的最高组分是细粒的，而且与向海方向变细的粉砂岩相共生，进一步向海方向逐渐过渡到远端泥岩相，其中含有极细粒火山灰与正常粘土碎屑级火山灰与孔隙水反应形成自生的蒙皂石和纤维状或衬膜形式的伊利石。这些自生粘土主要发育在砂岩相和远岸碎屑泥岩相之间的细粒沉积岩范围内。岩性旋回与相带的迁移有关，而且在这里与火山灰的存在也产生成因联系。热穹窿可能响应岩相的变化和形成火山灰的火山作用。在发育该旋回的某个剖面，我们发现有四套地层，它们位于上侏罗系（上牛津粘土层、corallian群、Ampthill粘土层）、侏罗/白垩纪分界线的上下（上Kimmeridge粘土层、波特兰及Purbeck组）、Aptian和上阿尔泌阶赛诺曼阶。该旋回的最新地层发育在南英格兰的上阿尔泌阶和下赛诺曼阶中。某些位置，该沉积物含有厚层的富海绿石堆积。该旋回在东英格兰邻近地区的同时代沉积物中不发育。这里，海绿石含量少，而且旋回在此处表现为一个红色白垩层构成的凝缩层。该红色白垩土的酸性不溶残渣含有特别高的氧化铁含量，但明显与陆相成因无关（Jeans，1973）。图12表示Folkstone地区该旋回沉积物中生物碎屑灰岩的二价铁含量，其变化有较大的范围（5004500ppm）、，与同时代红色白垩土层的极低二价铁含量不同（<100400ppm）。我们认为这与热穹窿、火山活动、富含溶解铁的热液注入白垩海有关。在东英格兰的高氧化浅海沉积环境中，这种溶解的铁离子沉淀为氢氧化铁，而在南英格兰的欠氧化深海盆地中，氢氧化铁进入到灰岩骨架中，有利于有机质的保存。北海地区侏罗纪早白垩纪火山成因沉积岩 我们认为火山灰是英格兰侏罗、白垩纪沉积岩的重要组成部分，而且它的粘土化作用对于形成大量粘土集合体来说具有重要意义。火山灰的物质来源不明确。沿岸不存在准同生期的火山中心，但是在北海盆地的近海位置（目前）存在终止于晚阿尔泌期的火山作用（放射性同位素年龄为100Ma）。在中侏罗纪北海火山活跃期，形成大量的、近岸区的火山成因粘土堆积。中侏罗和Aptian早Albian阶的近岸次生火山成因粘土属于早期的物源，可能来自北海盆地。上部绿岩、下部白垩和Gault沉积岩体以及它们与上部粘土矿物相模式图的关系都说明火山灰的物源属于西或南西向。Hibernian绿岩中的富海绿石沉积物（样品IR47、IR49）来自于水下玄武岩质岩浆喷发，位于分割爱尔兰、苏格兰的北部河流。在广泛分布的土伦科尼亚斯阶斑脱岩中的火山灰来自于裂谷早期北大西洋的陆地火山作用。如果北海火山岩是侏罗和白垩沉积岩（英国）的火山灰物源，那么为什么会存在主要贡献于北海地区准同生沉积岩的这种有限证据呢？在某种程度上，这必须考虑大范围内典型样品的采样问题，采集的火山成因沉积岩样品包括中侏罗纪的Pentland组、扇15、16、21和22以及中央地堑的扇29地区。Woodhall和Knox进一步地给出了侏罗、白垩纪北海火山成因沉积岩的详细内容。Hansen和Lindgreen根据井-2/7-3和中央裂谷的W1资源详细论述了上侏罗、下白垩统的火山成因粘土岩。侏罗白垩纪时期，北海的沉积环境也明显地影响到火山碎屑物质的保存。沉积物受断层控制，因此剥蚀面广阔而且存在早期沉积物的再造，与准同生期物质发生混合。该环境缺少正常碎屑物质缺乏的稳定陆棚区，此处的火山灰以相对纯的典型方式富集，其类型是富粘土次生火山堆积物。在北海盆地，临近火山口的位置可预期火山碎屑岩的存在，而向远端火山碎屑物质含量降低，其组分是与正常碎屑物质的混合物，因此难以鉴定它们的确且类型。随着埋藏成岩条件的改变，最初的粘土化作用产生的矿物发生变化，由此产生在结构判别上的新问题。 中、上侏罗统储集砂岩与间互的泥岩的详细岩相研究对火山成因组分做出了定性的评价，但其作用有限。Malm等人（1979）对Statfjord油田早成岩阶段的碳酸盐胶结物中保存的玄武岩组分的火山岩分类进行了描述。海相、非海相成因的Brent群砂岩可能含有伊利石、高岭石、绿泥石和长石，它们是与主沉积岩之内的碎屑长石的溶解作用无关的早成岩阶段形成的胶结物。这些胶结物可能来源于沉积岩中火山灰早期溶解作用形成的Al、Si，Brent群砂岩的晚成岩阶段总是存在大量的高岭石和伊利石胶结物的沉淀作用。它们与碎屑硅质颗粒的溶解作用相关，因此火山成因的贡献不能区分出来。 在滨岸，大部分的火山成因粘土与次生堆积或海相富蒙皂石粉砂岩和粘土有关。据我们所知，北海地区未发现次生火山粘土堆积物，但是可能在像丹麦扇中的菲英岛这样的稳定地块中出现。Greenwood等人（1994）认为Brae地区（北海）中侏罗世Hugin组的泥岩含有富含自生伊利石、缺乏高岭石或含少量高岭石的粘土集合体，该类型的集合体极有可能是富蒙皂石、贫高岭石的火山成因粘土矿物相经历埋藏成岩作用的结果，例如牛津粘土和Gault粘土，大量的蒙皂石转化，其转化过程（蒙皂石->蒙皂石/伊利石->伊利石）明显地影响原始粘土集合体的K/Ar特征，造成<0.5微米组分的测定年龄（83Ma）明显小于沉积年龄（159164Ma）。仅经历浅埋藏的这种火山成因粘土矿物相的滨岸样品中未发现这种特征。对侏罗纪粉砂岩和泥岩地层中的区域性粘土矿物的进一步系统研究将可能对聚集的细粒火山灰经粘土化作用后，可定义相带的相似粘土集合体进一步认识。这些富火山灰相带是活性Al、Si的主要物源，以供粘土矿物的沉淀和成岩各阶段硅质胶结物的形成，其具体作用是火山灰的分解以及蒙皂石的演化。在这两个阶段将存在溶解的Al、Si以高饱和孔隙水的形式迁移和在适当位置的沉淀。如果离子是在区域的孔隙水压力系统中迁移，那么沉淀作用会发生在临近的沉积层中或更远距离。表明这种火山成因富粘土相带不仅会提高粘土胶结物的评价水平，而且也会对已知的胶结物类型做更准确的理解。结论 地质、矿物和地球化学数据表明火山成因粘土和粘土矿物集合体来自原地的火山灰粘土化作用，是英格兰侏罗、白垩纪的重要组分。这些火山成因粘土矿物的主要矿物成分是富蒙皂石、海绿石、高岭石组合，或者是可由颜色、结构、矿物特征鉴定的磁绿泥石。火山成因的相对含量数据来自于准确的鉴定及较粗略的判断。 准确的鉴定数据来自于保存有少量火山碎屑的或局部成岩条件保留原始火山灰结构的粗粉砂岩到砂级组分的、相对稀少的地层中。但是多数情况下，原始火山灰主要是非常细粒的、缺少稳定火山碎屑并在不破坏原始火山灰结构的早成岩阶段经历粘土化作用。 现代的绿色富铁粘土矿物组合，例如绿脱石、绿磷石和海绿石形成于海相玄武岩质火山作用生成的低温热液系统中。这表明此处描述