苏北盆地高邮—金湖凹陷古近系阜宁组细粒沉积岩纹层特征与成因*

李 维 朱筱敏 段宏亮 李鹤永 刘世丽

1 中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249 2 中国石化江苏油田分公司勘探开发研究院，江苏扬州 225009

随着非常规油气勘探的兴起，近年来人们逐渐认识到湖泊中看似均一的“泥岩”应当被重新定义为细粒沉积岩，即粒径小于0.0625imm的颗粒含量大于50%的沉积岩，其成分包括长石、石英、黏土矿物、碳酸盐及有机质等(姜在兴等，2013)。国内有关湖相细粒沉积岩的报道多集中在渤海湾盆地(王勇等，2015；张顺等，2016)和鄂尔多斯盆地(袁选俊等，2015)，在岩相划分(陈世悦等，2016；张顺等，2017)、沉积微相与空间分布(张顺等，2014a；吴靖等，2016；陈世悦等，2017；鄢继华等，2017)、储集层及含油气特征(朱光有等，2005；鄢继华等，2017)等方面取得了大量成果。诸多成果表明湖相细粒沉积岩普遍发育有不同纹层组成的水平层理，看似均一的水平层理细粒沉积岩在空间和时间尺度上都存在着不同数量级的差异性(Aplin and Macquaker，2011)，这些差异会影响非常规储集层质量(姜在兴等，2013；陈世悦等，2016)。水平层理的发育与沉积过程和沉积环境密切相关，是值得深入研究的重要内容。

以苏北盆地高邮—金湖凹陷古近系阜宁组二段水平层理发育的细粒沉积岩为研究对象，基于29口井的高精度厘米级岩心观察描述以及172块细粒沉积岩样品的X射线衍射全岩分析，从整体上把握了研究区水平层理细粒沉积岩的纹层基本特征并开展分类；在此基础上通过81个普通薄片观察，对比了各类水平层理细粒沉积岩中的纹层具体特征；此外，在172块细粒沉积岩全岩分析样品中，有58块样品同时开展了X射线衍射黏土及微量元素测试，用于古盐度定量分析(附表1)。有132块样品开展了TOC测试，并对其中6块典型样品进行了扫描电镜观察，用于明确不同纹层组合中的有机质含量及分布。基于上述资料研究认为：苏北盆地高邮—金湖凹陷阜宁组二段细粒沉积岩岩性复杂且碳酸盐含量整体较高，发育有不同颜色纹层叠置，并根据纹层厚度将水平层理分为薄层状构造和厚层状构造，探讨了纹层的成因机制及保存条件。

a—苏北盆地构造区划，其中凹陷区古近系齐全，凸起区古近系戴南组缺失；b—苏北盆地地层简表；c—高邮—金湖凹陷亚段沉积体系亚段均为半深湖—深湖亚相)图 1 高邮和金湖凹陷位置及古近系阜宁组二段沉积背景Fig.1 Location and sedimentary background of the Member 2 of Paleogene Funing Formation of Gaoyou and Jinhu sags

1 地质概况

2 纹层基本特征及细粒沉积岩分类

本次对研究区共29口井(图 1-c)进行了高精度厘米级岩心观察描述和薄片观察，以及相关地球化学分析。考虑到水平层理细粒沉积岩的复杂性由纹层的物质组成和纹层的组合样式叠加产生(鄢继华等，2015)，从岩性与沉积构造2大方面把握阜二段水平层理纹层的基本特征，再结合镜下观察探讨各类细粒沉积岩中的不同纹层特征。

图 2 苏北盆地高邮—金湖凹陷阜二段水平层理细粒沉积岩岩性分类Fig.2 Types of fine-grained sedimentary rocks with horizontal bedding in the Member 2 of Funing Formation in Gaoyou and Jinhu sags，Subei Basin

2.1 岩性成分特征

阜宁组二段水平层理细粒沉积岩整体呈深灰色，但细化到纹层尺度，颜色则变得复杂，包括深灰色、灰色、灰白色、土黄色等。纹层的颜色与其岩性成分密切相关。根据国内常用的岩性分类图版(姜在兴等，2013)，阜二段水平层理细粒沉积岩主要包括碳酸盐岩、黏土岩和混合型细粒沉积岩，粉砂岩少见(图 2)。对比发现，不同颜色纹层的宏观组合样式与其整体岩性成分特征对应良好： 以浅色纹层为主或具明暗双色纹层的细粒沉积岩(图 3-a，3-d)碳酸盐含量基本大于50%，但也有极少数样品为粉砂岩(图 4-a)；由2种以上颜色纹层组成的细粒沉积岩(图 4-d；图 5-c)各组分端元占比通常不超过50%，属于混合型细粒沉积岩；以深灰色纹层为主的细粒沉积岩(图 3-e；图 5-d)基本为黏土岩，且岩心通常破碎。

2.2 水平层理纹层厚度

阜宁组二段细粒沉积岩的宏观沉积构造包括水平层理和块状层理，也可见过渡层理、交错层理及变形层理等。水平层理是研究区最常见的层理构造，平行叠置的纹层是其基本特征。有学者根据纹层厚度大小将水平层理进一步细分为页状层理和纹理(张顺等，2014b；陈世悦等，2016)。岩心观察发现研究区细粒沉积岩水平层理单纹层厚度多为1～2imm，很少超过5imm，并且纹层的厚度与其形态特征关系密切，可一定程度地反映水动力条件差异。故根据纹层单层厚度将水平层理分为薄纹层状构造(纹层厚度小于1imm)和厚纹层状构造(纹层厚度大于1imm)2类。

单纹层厚度在1imm及以下的水平层理，其纹层在宏观尺度下基本平直，指示了相对安静的沉积水体。需要说明的是，本次在薄纹层状构造中也发现了罕见的小型交错层理(图 4-a，4-b)以及微型冲刷面(图 4-e，4-f)。上述特征表明阜二段具薄纹层状构造的细粒沉积岩并非都是在完全静水条件下悬浮沉积的。薄纹层状细粒沉积岩的黏土矿物含量整体较高，均值约38%；碳酸盐含量约29%(图 2)。

单纹层厚度在1imm以上的水平层理，其纹层在宏观尺度下整体平直，但局部常略呈波状，甚至偶见小型交错层理(图 5-c)，反映沉积水体整体稳定，但存在短暂动荡。厚纹层状细粒沉积岩的碳酸盐含量整体较高，均值约40%；黏土矿物含量约26%(图 2)。

2.3 细粒沉积岩分类

需要说明的是，在细粒沉积岩的分类研究中，TOC通常是非常重要的指标。有学者将有机质作为一类组分端元(姜在兴等，2013)，或在 图 2 分类基础上根据TOC指标开展进一步细分(张顺等，2014)。本次对比发现，研究区阜二段水平层理细粒沉积岩的TOC均值与其纹层厚度关系密切： 薄纹层状细粒沉积岩TOC均值普遍较高(大于2%)，而厚纹层状细粒沉积岩TOC均值明显偏低(约1%)。故在岩石分类时未单独考虑TOC指标。

3 薄纹层状构造中的纹层

3.1 碳酸盐岩中的纹层

镜下观察发现研究区细粒沉积岩中的碳酸盐组分多为化学成因，但亦有生物成因。由于指示的沉积环境不同，薄纹层状碳酸盐岩可进一步分为泥晶碳酸盐岩和生物介壳富集的碳酸盐岩2类。

表 1 苏北盆地高邮—金湖凹陷阜二段古盐度特征及不同类型水平层理细粒沉积岩样品分布Table 1 Palaeosalinity characteristics and distribution of different types of sedimentary rock samples with horizontal bedding in the Member 2 of Funing Formation in Gaoyou and Jinhu sags，Subei Basin

a—Lin1井岩心，2600.95im，纹层连续、略呈波状；b—图a的普通薄片(单偏光)，黏土夹层状断续分布于碳酸盐层系之间，陆屑层状富集，见微型冲刷面，碳酸盐含量67.9%，长英质含量13.2%，黏土及其他矿物含量18.9%；c—Z7井岩心，1913.16im，纹层整体平直，见小型交错层理；d—图c的普通薄片(单偏光，染色)，陆屑层状富集、具正韵律，见生物介壳碎片定向排列，碳酸盐含量31.7%，长英质含量38.2%，黏土及其他矿物含量30.1%；e—W5井，938.9im，纹层平直连续，岩心破碎；f—图e的普通薄片(单偏光，染色)，黏土 矿物与泥晶碳酸盐组分垂向含量差异形成纹层，碳酸盐含量18.7%，长英质含量29%，黏土及其他矿物含量52.3%图 5 苏北盆地高邮—金湖凹陷阜二段厚纹层状构造典型纹层特征Fig.5 Typical thick-laminated features of sedimentary rocks with horizontal bedding in the Member 2 of Funing Formation in Gaoyou and Jinhu sags，Subei Basin

3.2 混合型细粒沉积岩中的纹层

3.3 黏土岩中的纹层

3.4 (泥质)粉砂岩中的纹层

4 厚纹层状构造中的纹层

4.1 碳酸盐岩中的纹层

4.2 混合型细粒沉积岩中的纹层

厚纹层状混合型细粒沉积岩在整个阜二段均有发育(表 1)，平面分布亦较为广泛，在高邮—金湖凹陷多口井中均有见到。该类岩石颜色整体偏黄，宏观可见较厚(1～5imm)的纹层，基本平直、局部略呈波状，可见小型交错层理(图 5-c)。镜下见纹层主要由黏土—粉砂级别的石英、长石颗粒及泥晶碳酸盐组成。部分样品可见少量定向排列的破碎生物介壳，其产状在不同纹层中存在差异(图 5-d)： 在以泥晶碳酸盐为主的纹层中，破碎的生物介壳水平排列，以悬浮沉积为主；而陆屑颗粒较多的纹层中可见产状倾斜的破碎生物介壳，指示了水流的侧向迁移。该类岩石有机碳含量偏低，TOC介于0.04%～1.72%之间，均值0.89%(27个样品)。

需要说明的是，在具有厚纹层状沉积构造的岩石中，碳酸盐岩与混合型细粒沉积岩是垂向快速过渡变化的。例如图 5-c中颜色最浅的纹层(测试点A)实测碳酸盐占比65.5%，长英质占比14.1%，黏土及其他矿物占比20.4%，属于碳酸盐岩；其下颜色较深的纹层(测试点B)碳酸盐占比31.7%，长英质占比38.2%，黏土及其他矿物占比30.1%，属于混合型细粒沉积岩。

4.3 黏土岩中的纹层

5 纹层成因探讨

不同性质的纹层记录了特定的沉积环境，成因探讨即是根据沉积记录反推纹层沉积环境的过程。研究区纹层的差异性主要体现在2个方面： 一是物质组成，二是结构特征(纹层厚度)。诸多研究表明，湖泊沉积物中记录的季节性气候变化比其他气候周期变化更明显(Zolitschkaetal.， 2015)，纹层也因此具有很强的季节性意义。这种季节性纹层的组合称为纹泥(varve)，最早用于描述冰湖沉积物(De Geer，2003)，如今已经扩展到其他具有“年”旋回的沉积环境(李凯等，2017)。该术语多见于年代学和古气候(李万春等，1999;刘强等，2004)研究，亦能指导分析纹层的形成过程。此外前文已描述，虽然水平层理整体形成于稳定的水体环境，但宏观可见的交错层理(图 4-a；图 5-c)与镜下可见的微型冲刷面(图 4-e，4-f；图 5-b)仍然指示了水动力条件的变化。因此纹层的成因探讨应当围绕其形成和保存2个方面展开。

5.1 纹层的形成

多种物质组分，包括陆源沉积物(石英和长石颗粒、黏土矿物及有机质)、生物沉积物(生物格架/碎屑及生物生产的有机质)和内生沉积物(主要是碳酸盐)等的空间混合和垂向叠置，形成了高邮和金湖凹陷阜宁组二段水平层理细粒沉积岩中的各类纹层。在此过程中，一方面，水平层理的形成虽以悬浮沉积作用为主，但并不是连续缓慢堆积的过程，而是不同组分在一系列沉积事件中的记录(Zolitschkaetal.， 2015)，包括径流增加、藻华、碳酸盐组分的强烈沉淀(Stockheckeetal.， 2012)，等等；另一方面，纹层的形成与湖水分层现象有关(王冠民和钟建华，2004;陈世悦等，2017)，即湖水分层导致不同密度的物质组分先后沉积。因此在分析纹层的形成时，需要分别探讨不同物质组分在湖泊中出现与沉积的过程。

5.1.1 碳酸盐组分

较高的碳酸盐含量是苏北盆地乃至中国东部盆地古近系细粒沉积岩的普遍特征(陈世悦等，2016;张顺等，2016;鄢继华等，2017)。苏北盆地阜宁组二段水体咸化(傅强等，2007)，有利于湖泊水体分层和碳酸盐组分的大量出现；此外特定的沉积环境有利于介形虫等生物的繁盛，可生产大量碳酸盐生物格架。

1)干旱气候有利于碳酸盐生产并导致水体强分层，泥晶碳酸盐颗粒季节性富集。

本次基于研究区阜宁组二段共93个样品的X衍射全岩、X衍射黏土及微量元素测试数据，利用Couch法完成了古盐度定量分析，发现阜二段沉积时期研究区水体古盐度介于10.53‰～79.45‰之间，均值28.93‰。其中有26个样点古盐度介于25‰～35‰之间，属于咸水；24个样点大于35‰，属于超咸水。阜二段沉积时期研究区或曾遭受黄海海侵(傅强等，2007)，这可能有利于碳酸盐生产。但考虑到该时期金湖凹陷以西更加封闭的洪泽凹陷(图 1-c)已出现石膏沉积(傅强等，2007;刘玉瑞，2016)，认为研究区阜二段大量咸水—超咸水样品的出现应当与气候干旱有关，这也与中国东部古近纪阶段性的干旱气候(徐崇凯等，2018)相符。

研究区大量泥晶碳酸盐颗粒的出现具有很强的季节性意义。一方面，干旱气候下的古盐度升高在夏季尤为显著(Zolitschkaetal.， 2015)，且夏季水生生物繁盛也能诱发碳酸钙沉淀(朱光有等，2005)；另一方面，古盐度的增加使高盐度(密度)的水体下沉，低盐度水体上浮，进一步强化了水体分层。当水体分层时，高密度的碳酸盐颗粒优先沉淀，层状富集形成纹层，因而泥晶碳酸盐纹层具有季节性意义。

2)生物介壳季节性富集，夏季过高的水体盐度不利于生物繁盛。

阜宁组二段细粒沉积岩中的生物介壳通常零星出现且破碎(图 5-d)，完整生物介壳的大量富集仅在金湖凹陷闵桥地区被观察到(图 3-d)。闵桥地区阜二段沉积早期的火山喷发，一方面提供了大量营养物质，另一方面玄武岩形成的水下低隆减少了金湖凹陷西部河流注入对该区的影响。上述条件形成了营养丰富的清水环境，有利于介形虫生长，故而介壳化石在该区大量出现。

进一步分析发现，生物介壳的繁盛同样具有季节性意义。镜下可见介壳水平排列在黏土矿物含量较高的纹层中，而在泥晶碳酸盐富集的纹层中却未出现，二者组成层偶(图 3-d)，说明夏季过高的水体盐度不利于介形虫生长。泥晶碳酸盐颗粒和黏土—生物介壳的季节性沉积，最终产生了宏观上明暗相间的纹层。

5.1.2 陆源碎屑

陆源碎屑主要从金湖凹陷西部等地区随淡水注入湖盆(图 1-c)，也有部分陆屑通过风力搬运进入湖盆。此外底流搬运也是纹层中陆源碎屑的供给方式(图 4-a)，但在研究区相对少见。

1)周期性淡水注入控制陆源碎屑数量，水体分层使黏土矿物层状富集。

湖泊沉积物中的陆源碎屑数量主要受控于河流径流量，而研究区河流的径流量应当主要受控于季节性的降水量变化(张来明，2016)，陆源碎屑纹层的形成也因此具有季节性。在分层的湖泊中，河水多以平流或层间流的方式输入，并在一定条件下发生悬浮沉积(王冠民，2012)，因而阜二段陆源碎屑富集的纹层多具正韵律(图 4-e，4-f；图 5-d)，纹层底部长石、石英颗粒富集，而顶部黏土矿物富集。这是由于水体温度在4i℃时达到最大，夏季表层水体温度升高和冬季表层水体温度降低均有利于湖水分层。因此夏、冬季节粉砂级石英和长石颗粒更易沉淀，而黏土矿物更可能悬浮在表层水体中，直到春季和秋季随着水体分层的减弱才发生沉积。

2)风力搬运提供陆源碎屑颗粒。

除了河流作用，陆源碎屑也可能通过风力搬运进入湖泊，这在受河流注入影响较小的泥晶碳酸盐纹层中尤为明显(图 3-b，3-d)。阜二段碳酸盐纹层中常见零星分布的陆源碎屑(多为石英)颗粒，这类颗粒磨圆度较差且大小相近，很难用水流搬运模式去解释，更可能与风力搬运有关。有观点认为该类陆屑颗粒与季节性的风力变化有关(王冠民等，2007)。

5.1.3 有机质

1)藻类的季节性繁盛。

阜二段沉积时期，高邮—金湖凹陷轮藻、蓝绿藻(李道琪，1984)等生物的繁盛提供了大量有机质，藻类勃发应该与当时金湖凹陷闵桥地区持续的火山作用有关。除此之外，藻类繁盛还具有很强的季节性(王冠民和钟建华，2004)，例如春秋两季随着湖水分层的减弱，底层营养物质的上升有利于表层藻类的爆发。在扫描电镜背散射照片中，有机质与矿物颗粒具有截然不同的灰度，因而能被很好识别。图 6是在中国石化无锡地质所完成的大面积扫描电镜背散射成像照片(Maps)，由近千张连续的扫描电镜照片拼接而成，可在大范围内(本次观察范围1.5×1.9imm)观察岩石的物质组成和孔隙结构。图 6-a与图 3-a来自同一块薄纹层状—泥晶碳酸盐岩样品，背散射照片中的有机质已用蓝色渲染，该类有机质多被黏土矿物吸附(图 6-b)，以有机质—黏土复合体的形式存在(蔡进功等，2009)。有机质层状富集在碳酸盐纹层之间，反映了湖泊藻类的季节性繁盛。

2)汇水区有机质随周期性淡水注入湖盆。

淡水携带陆屑进入湖泊的同时，也带来了汇水区的有机质和营养物质，这在气候湿润时期尤为明显(Zolitschkaetal.， 2015；鄢继华等，2017)。图 6-c为混合型细粒沉积岩样品的Maps扫描电镜照片。可见有机质除了层状富集，还大量分布在陆源碎屑富集的纹层中，与陆源碎屑共生(图 6-d)，应当与淡水注入有关。

湖泊纹层中的不同物质组分，其产生(或注入湖泊)和沉积的过程均具表现出季节性特征，纹层也因此具有季节性意义。纹层中单一物质的成因分析相对简单，但实际情况中观察到的纹层往往由多种组分混合形成(图 4-e;图 5-d)，不同纹层之间的界限也可能并不清晰(图 4-c;图 5-f)。有学者认为这是气候和环境条件在单一季节时段内仍然不断变化的体现(Zolitschkaetal.， 2015)，也有学者将其解释为水体弱分层的响应(金忠慧，2017)。上述针对不同物质组分在纹层中形成过程的分析是偏理论化的，但高邮—金湖凹陷阜二段的普遍规律是： 薄纹层状构造中单一纹层的物质组成比厚纹层状构造更加简单，并且不同纹层之间的界限更加清晰(图 3，图 4，图 5)。与厚纹层状构造相比，薄纹层状构造应当形成于季节性气候变化更加显著、水体分层程度更强的沉积环境。

a—He4井，2302.55im，扫描电镜背散射照片(取自图 3-a样品)，已根据灰度差异染色，有机质层状富集；b—图a的局部放大，有机质层状分布；c—D1井，1547.04im，扫描电镜背散射照片，已根据灰度差异染色，有机质星散状分布；d—图c的 局部放大，有机质分布在陆屑颗粒间图 6 苏北盆地高邮—金湖凹陷阜二段水平层理细粒沉积岩有机质分布Fig.6 Distribution of organic matter in sedimentary rocks with horizontal bedding in the Member 2 of Funing Formation in Gaoyou and Jinhu sags，Subei Basin

5.2 纹层的保存

生物扰动、入湖河水及波浪的影响均不利于纹层的保存，只有沉积后不发生侵蚀、再悬浮或再沉积作用，反映原始环境特征的纹层才能被保存下来。现今见到的纹层厚度越小，表明其保存下来的气候变化信息越丰富。水体深度越大或水体分层越明显，纹层越容易保存。

5.2.1 水体深度

水平层理发育在正常浪基面以下，其中薄纹层状构造的形成深度应当大于厚纹层状构造，其纹层特征的保存情况亦相对更好。薄纹层状构造中的纹层在宏观尺度和微观尺度下均基本平直，不同物质组分在垂向上区分明显(图 3，图 4)，纹层的季节性特征保存较好；厚纹层状构造在宏观尺度下可略呈波状或与小型交错层理伴生，镜下可见早期沉积的纹层被打乱、打断(图 5-b)，部分纹层记录遭到破坏，保存相对较差。事实上纹层形成后遭受改造的现象是普遍存在的，即便是在薄纹层状构造中亦可能出现交错层理(图 4-a)，镜下也能见到的微型冲刷面(图 4-e)，表明颗粒在整体悬浮沉积的过程中仍然伴随有侧向迁移、并改造先前沉积的纹层，但这并不影响薄纹层状构造中纹层特征保存良好的整体规律。

由此可见，纹层厚度的增加往往伴随纹层特征的破坏，而纹层厚度与水深密切相关，因此水体深度是研究区影响纹层保存状况的重要因素。

5.2.2 水体分层程度

6 结论

1)苏北盆地高邮—金湖凹陷阜宁组二段细粒沉积岩岩性复杂且碳酸盐含量整体较高，主要包括泥晶碳酸盐岩、生物介壳富集的碳酸盐岩、黏土岩和混合型细粒沉积岩，发育由不同颜色纹层叠置组成的水平层理。

2)根据纹层厚度将水平层理分为薄纹层状构造和厚纹层状构造2类。具薄纹层状构造的细粒沉积岩岩性复杂、TOC均值较高，其纹层在宏观尺度下整体平直，在微观尺度下界限分明，可发育微型冲刷面；具厚纹层状构造的细粒沉积岩碳酸盐含量整体较高、TOC均值相对偏低，其纹层在宏观尺度下局部可略呈波状、偶见小型交错层理，在微观尺度下各组分相对混杂。

3)苏北盆地高邮—金湖凹陷阜宁组二段细粒沉积岩纹层纪录了其形成和保存2个方面的信息。纹层的形成通常具有季节性意义，具体包括2个方面： 一是陆源碎屑、碳酸盐、有机质等不同组分进入湖盆或在湖泊内生产的过程受季节性气候控制，二是不同物质组分的沉积次序受季节性水体分层影响。纹层的保存与其形成后的水动力强度及水体分层情况有关，研究区较高的古盐度有利于水体强分层，大于正常浪基面的水体深度应是决定纹层保存情况的主要因素。