潮汐韵律岩研究进展及对须家河组沉积相的启示

赵霞飞 赵拓宇 张闻林

1.成都理工大学 2.中国石油工程建设有限公司西南分公司 3.中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院

0 引言

四川盆地上三叠统须家河组沉积环境历来被认为是陆相河流沉积[1]，罗启厚通过研究判断为湖相水进三角洲沉积[2]，依据是沉积层序和普通的河流相层序不尽相同。2005年侯方浩、蒋裕强等分析发现四川盆地须家河组沉积特征和河流相相差甚大，判断为滩坝相沉积体系[3-4]，在须家河组沉积研究界激起了涟漪。2008年赵霞飞等通过研究认为，四川盆地须家河组无论是岩性特征还是沉积构造，都和国外研究的典型的潮汐作用极为相同，由此提出四川盆地须家河组属于潮汐沉积作用[5]，并在后续研究中得出属于类似现代河口湾沉积[6-7]。虽然有人质疑，但是在四川盆地沉积学界并没有引起波澜，人们依然认可传统的解释[1,8-11]。并作为勘探开发的理论依据[12-16]。个别研究人员认可砂岩的滩坝特征[17]。赵霞飞通过在国外研究潮汐作用的现代沉积的经验[18]，同时对国内的鄂尔多斯盆地的晚三叠世的延长组进行研究，认定不仅是四川盆地须家河组，甚至包括晚三叠世的延长组等其实均为潮控三角洲和潮控河口湾沉积（赵霞飞等，2012）[5-7,19]，也就是说都属于海相范畴。证据是多方面的，包括地质特征、地球化学标志，甚至包括古生物标志[20]。其中最典型、最显著的标志之一是“双黏土层”[5-7]。自Visser的论文（1980）发表以来，全球很多地方都发现了反应每天二次潮汐活动的沉积剖面，得出各种古天文周期[21]。其名称也逐渐变为潮汐律岩（tidal rhythmite）。由此可见，国内对于国外的现代潮汐沉积研究进展不尽了解是制约四川盆地须家河组沉积环境解释的一大瓶颈，对近年来国外对于该方向的研究进展的介绍，显得更为迫切和重要，希望对我国沉积学尤其是类似于四川盆地须家河组及长庆油田的延长组的研究有所启示。

1 须家河组（T3x）岩心常见特征

四川盆地须家河组以常见潮控、浪控沉积构造为特征，而未见标志着陆上暴露的标志（如钙结层、根系）。以四川盆地为例，列出井下常见的实例（图1）。

图1 四川安岳地区须家河组岩心中常见沉积特征图

图1中：

a为深灰色泥岩，含少量薄的（mm级）粉砂透镜体。低能环境下的泥坪，反映粉砂供给不足。

b为岳9井岩心：下部主要为深灰色泥岩，夹粉砂透镜体，上部以粉砂岩为主。沉积构造：透镜体、反向交错纹层、 掘穴生物钻孔垂直层理（逃逸迹）。

c为岳10井 T3x2为潮下水道沉积细砂岩中精致的双黏土层。

d为岳102井 2 155.81～2 155.88 m 灰白色粗砂体中，有漂浮植物碎屑（碳化）。下部块状反映沉积时砂通量过大，是水——砂不平衡产物。上部植屑呈波状形态，提示波浪的影响。

e为灰白色石英中粗砂岩，大多为平行层理（上平底），上平底是河口湾最高能量处-UFR砂坪的特征。

f为岳8井 2 250.65～2 250.89 m，砂岩向上变粗（沙坝）， 下部见两个丛系的前积方向相反，为潮汐流影响所致。

g为岳8井 2 243.55～2 243.70 m 泥质碎屑大小悬殊，且皆显塑性变形，分布于砂体，为风暴沉积，海岸系统常见。

h为岳8井 2 122.79～2 123.12 m，双黏土层。潮下水道微相（Visser，1980）。

i为岳102井 2 149.35～2 150.02 m灰白色中粗砂岩，大多为平行层理（上平底），中部有板状交错层（Sp）。上平底是河口湾最高能量处——UFR砂坪的特征。

常见的沉积构造包括粉砂透镜体（反映粉砂供给不足）；交错纹层、 掘穴生物钻孔垂直层理；反向交错层理；常见“小”字形风暴沉积和牛角碳（图1），以及滨线砾石滩沉积等等。常被误读为河道滞留沉积的标志。须家河组砂岩中丰富的云母片呈面状分布于薄粉砂层中的层面上，与潮汐沉积的零速度面呈极好的对应性[20]。

尽可能正确地解释每一块岩心和每个野外露头，乃是油气田储层沉积学研究的基础。其正确性来自对现代实例的研究和前人的模型。笔者试图在已发表的须家河组储层物性和分布特征的相关论文中寻找它们与沉积相的联系，但不成功。原因是对须家河组的沉积相认识有误。最近有作者指出，滞水期沉积的（双）黏土层和单向流河道沉积砂岩的垂向渗透率差别明显；河口湾潮成砂体和三角洲平原以上的河道砂体的纵、横向展布，差别非常大。这些都提示我们，对须家河组沉积环境，有必要重新认识。

2 双黏土层（mud-layer couplet）

Visser（1980）发表他研究荷兰西南部1个入潮口的全新世潮下水道充填沉积，可认出由各个退潮、涨潮和滞水事件形成的特征[21]。在逐次的退潮（主水流）中堆积的交错层之厚度，呈正弦曲线式变化，反映潮汐的小潮——大潮旋回。滞流期堆积的泥呈对出现，成为区别潮下和潮间环境（相）的唯一判据。

Visser上述研究之后，全球许多地方发现了双黏土层构造。Baired等人（1985）认定伊利诺依州东北部Francis溪页岩岩心中精美的双黏土层构造，可能属于河口湾沉积，这种情况下退潮流被河水流增强，因而强于涨潮潮汐流[22]。主导的退潮水流伴以较厚粉砂条带的堆积（图2）。有些情况下，在上涨（涨潮）的小潮中，可能没有泥沙堆积，因而前一个和后继一个潮汐滞水，将合并呈一个带（黏土）。De Boer等（1989）就观测到这种现象。当时大约在小潮时，沙子停止搬运，导致小潮偶层少于“理想的”数目[23]。Reineck and Wunderlich（1967）研究德国海岸，发现沉积物太薄以致不能分出大、小潮旋回[24]。

图2 伊利诺伊州东北部Francis Creek页岩中双黏土层的发育模式图（Kuecher GJ等，1990）

伊利诺伊州东北部Francis Creek页岩中双黏土层的发育模式，成对黏土条带被解释为潮汐滞水沉积，较厚粉砂——砂层分别解释为主潮汐流（退潮），较薄粉砂——砂层代表次要潮汐流（涨潮）（Kuecher GJ等1990）[25]。由沉积剖面可解释出涨潮、退潮曲线（图2）。

成对黏土条带及共生的砂——粉砂的厚度变化，清楚可见 [Kuecher GJ等（1990）][25]。进一步可以划分出近7天的潮汐曲线，并注明大潮与小潮位置（图 3）。

图3 现代潮汐沉积韵律图（Kuecher GJ等，1990）

根据现今海岸的实际情况，可表示出几种类型潮汐（图4）。现今海岸地点的潮汐曲线中（图4）（A）半日型，英[Immingham]；（B）全日、半日型混合潮汐，美国旧金山；（ C）混合的主要是全日型：菲律宾、马尔代夫；（D）全日型，北越Do-Son。（据Defant，1961）[26]。

图4 现代海岸潮汐曲线图（Defant，1961）

在北海有的地方，例如东舍德河（Oosterschelde），有泥质偶层的潮下沉积，是潮汐滞水中形成的，与潮汐流堆积的交错层砂共生[21]（Visser 1980）。这种砂大都以主潮汐流形成的单向交错的大底形出现。Boersma（1967）称单个砂层为“束”（bundle）。束的厚度具旋回性的变化[27]。在沉积层序中束的厚度循序渐进地加厚到一最大值（大潮），然后减薄到一极小值（小潮），在这个点开始下一个大潮一小潮旋回。两个相邻小潮之间的沉积由26～30个束组成，与今日Oosterschelde两个小潮之间的主水流数目符合良好。属于半日潮Semidiurnal（14天内每天两个潮汐）。

3 平衡潮汐理论

通常用平衡潮汐模式来解释潮汐。其根据是地球旋转于其中的两半球的反向潮胀（tidal bulges）的变化。这些潮胀相对于地球赤道的位置和大小，大体上是受月球相位和月球在其绕地球轨道中的倾斜度和轨道距离的变化所控制的。由于月球接近地球，所以70%的引潮力来自月球，其余30%由太阳引起。

平衡模式假设，地球是被一即时响应牵引力变化的，深度均匀的大洋覆盖的（MacMillan 1966）[28]。平衡模式可用来解释由潮汐韵律侦断出来的6个旋回中的5个，即：

半日旋回（Semi-diurnal，12.42 h）

朔望旋回（Synodic，29.53 d）

回归旋回（Tropical，27.32 d）

近点旋回（Anomalistic，27.55 d）

半年旋回（Semiannual，182.6 d）

第7个旋回称为“节点旋回”（Nodal cycle）——周期近18年的潮汐旋回。Miller and Erikson （1977）对这个在西弗吉尼亚下石炭统Pride 页岩中存在的旋回，作了很好的研究[29]。

由于篇幅所限，下面只举半日旋回、朔望旋回和回归旋回，加以说明。

3.1 半日旋回（Semidiurnal，12.42 h）

依平衡潮汐模式，月球和太阳引潮力的相互作用，在地球相对的两旁，产生大洋隆起（潮胀）（图5）。地球上的一点每天通过这些潮胀一次，产生两个潮汐（半日潮），它们是不相等的（日潮不等），即一个是主导的，高于另一个（次要的）。这反映在砂——粉砂纹层厚度上。由于月球的轨道面和地球赤道面是不平行的，这两个平面之间的角度差被称为月偏角。

图5最终（a）太阳和月球的重力引起地球相对两边的两个大洋潮胀。（b）地球旋转通过这些潮胀，每天产生两个潮汐，当潮胀并不在地球赤道上方的中心时，就产生日潮不等。（c）（d），美国Indiana州，Orange群宾夕法尼亚Mansfield组的厚、薄纹层（c）及其纹层层序的厚度测量值（d）[引自Kvale and Others（1998）[30]，转引自Kvale （2012）[31]]。

图5 半日平衡模式图[引自Kvale等（1998），转引自Kvale（2012）]

3.2 朔望旋回（Synodic，29.53 d）

当地球、月球和太阳接近排成一直线时（全月或新月时），高潮是比较高的，被称为朔望（“syzygy”）（图6）。反之，当日、月与地球形成直角时，（第一或第三象限期）出现较低潮汐，被称为上、下弦。全月或新月时的潮汐，被称为Spring tide（大潮）。上、下弦时的潮汐被称为neap tide （小潮）。朔望月（新月到新月，或全月到全月的现代周期为29.53天，包含两个小潮一个大潮旋回。

图6中（a）新月或全月时，出现大潮，而上弦或下弦月时出现小潮。朔望月（目前是29.53天），是月球绕地球轨道一圈，也就是从第一个新月到第二个新月所需时间，（b）预测的太平洋Kwajalein环礁的潮汐高度图一部分（NOAA，1990），表示月相变化的效果；（c）美国印第安纳洲Mansfield 页岩（Hindostan磨刀石层）的部分岩心，标记了小潮（N）和大潮（S）。（d）磨刀石层纹层厚度的测量值，标记了大潮（S）和小潮（N）。[据Kvale等(1998)[30]，转引自Kvale，(2012)[31]]

3.3 回归旋回（半日潮，27.33 d）

图6 朔望平衡模式图[引自Kvale（1998），转引自Kvale（2012）]

引潮力也取决于月偏角，这是指月球轨道相对于地球赤道平面的倾斜或角度（图7）。偏角变化的周期被称为回归月——月球走完一完整轨道，由其最大向北倾斜到其最大向南倾斜然后返回所需的时间长度。在平衡半日潮汐系统中，回归月的效果是导致日潮不等（diural inequality）。理想地说，月球在其最大倾斜时，日潮不等是最大的。而月球在赤道上方时，日潮不等降至零，潮汐数据产生“过零”（crossover）特征。回归月的现今长度是27.33天，比朔望月少两天。

图7中（a）在轨月球绕地球模式，月偏角比现今的18°～28°有所夸大。回归月（现为27.32天）是月球由其极北偏角运动到其最南倾角，并回到极北偏角（在单一轨道中）所需的时间。（b）与图6-b同一现代潮汐的部分潮汐高度图，表明半日潮汐的日潮不等性。注意当月球经过地球赤道上方时，日潮不等变为零。（c）为图6-c中，所示岩心的照相，表示堆积时月球位于地球赤道上方（标以“C”）。注意箭头两旁纹层接近厚度相等。（d）图6-d的直方图，用箭头表明的堆积时月球通过赤道上方[据 Kvale等（1998）[30]，转引自 Kvale（2012）[31]]。

4 动力潮汐理论

平衡潮汐模式认为重力引起地球上的潮汐，因而非常有用。但这个模式并不能解释现实世界的潮汐。例如，世界并不是在两个潮胀间旋转；各个洋盆中，大洋潮汐像波浪一样围绕固定的无潮点旋转（图8）。

图8中为北海潮汐图，M2分潮的无潮循环等潮线表明高水位的时间，而等潮差线指示相等潮差[据Dalrymple （1992）[32]，转引自Kvale (2006，2012)[33,31]）。

平衡潮汐理论指出，全日潮应该只见于纬度极高的海洋，但现实并非如此。墨西哥湾，印度洋和西太平洋大面积地以全日潮为主。而且，平衡潮汐理论解释不了小潮——大潮旋回等。

动力潮汐模式是依据现实世界潮汐成分（分潮）之调谐分析概念而建立起来的。例如，月球和太阳各自在地球的海洋中生成自己的潮汐，因地球绕日和月球绕地都不是全圆形，所以生成潮汐的幅度，部分由地球接近太阳的程度，而更重要得多的是因接近月球的程度而波动。这些潮汐中的每一个，建设性地或破坏性地，周期性地彼此相互作用。与月一地距离或地一日距离变化伴生的潮汐，可以认为是能影响任何海岸的整个潮汐的组成部分。为了模拟这些分潮，海洋学家将它们抽象化为有其自身质量的“幽灵卫星”（日、月的或两者结合的质量）。每个幽灵“卫星”在一平面内运动，或相对于星星们是固定的，且每一个都产生自己的独特周期、幅度的潮汐（表1）。

图7 回归半日平衡模式图[引自Kvale（1998），转引自Kvale（2012）]

图8 北海M2分潮等潮差线图[引自Dalrymple（1992），转引自Kvale（2006，2012）]

例如，S2代表在地球一固定点上，被一具太阳质量在地球赤道的完全圆形轨道上运动的“卫星”生成的每天两次潮汐。O1代表地球一固定点上有具月球质量，在地球赤道上方运动的“卫星”产生的全日潮。表1中的分潮，下角码标出潮汐是全日潮diurnal （1），或半日潮semidiurnal（2）。

表1 7种最常见的分潮及其旋转速度表

由8个不同的分潮叠加而成的合成潮汐波，可见其振幅（潮差）大大增加（图9）。

图9 由8个不同的分潮叠加而成的合成潮汐波，可见其振幅（潮差）大大增加。水平单位为小时数[Kvale（2006）[33]依据 MacMillan（1966）[28]有修改。转引自Kvale(2012)[31]]

图9 分潮叠加的合成潮汐波图[Kvale（2006），依据Macmillan（1966）有修改，转引自Kvale（2012）]

5 结论

我们可以得出几点认识：

1）野外和岩心研究，证明四川盆地须家河组属于海岸系统成因，主要是潮控河口湾和潮控三角洲相。这一新的模式可以很好地说明储层特征，如须二段顶部的“UFR砂坪”以低伽马值为特征，是含泥最少，原生孔渗条件最好的储层。认真做好沉积学基础研究，按大自然本来的面目去认识客体，对于须家河组沉积环境重新认识，势在必行，而且越早越好。

2）潮汐韵律岩（双黏土层）是一个惊人的，有趣的地质现象。动力潮汐模式已被用来估算地史上地——月距离的变化，属于古天文学的范畴（Williams 1989；Kvale等1999）[34-35]；也有人提出它是了解潮汐对生物系统冲击的途径（Kvale，2006）[33]。

3）四川盆地和鄂尔多斯盆地晚三叠世潮汐韵律岩的发现，提醒人们重新认识有关地区的古地理。不但中国西部如此，中国东部中新生代地层，以往亦可能忽略了这一重要沉积构造。

4）地质学者应更加重视水力学、海洋学、天文学等基础知识，不能限于描述地球的局部细节，而不解释动力学过程。