细粒沉积学研究动态及探讨

杨 辉，朱代强，刘祥刚，何 桥

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳550081）

由“细粒物质”（粒径＜63 μm）构成了细粒沉积岩，其组分多样，包括碳酸盐、石英、长石、黏土及有机质等[1]。关于细粒沉积的研究首先从泥岩开始。早在1747 年，Hoosen 提出了泥岩的概念。John Farey 在1811 年最早定义了页岩（shale）一词[2]。但直到1853 年，岩石学之父Sorby 才首次利用薄片来研究泥岩的微观特征。他在1908 年指出，细粒泥岩看似简单，实则非常复杂。1932 年，Krumbein 依据岩石粒度特征，定义了细粒沉积的概念。细粒沉积学（fine-grained sedimentology）最早由Gorsline 在1984 年提出，他认为细粒沉积学的研究内容应从大尺度的地层格架、岩石学研究转向精细地层、矿物属性及成因研究。

细粒沉积学的研究有助于人类了解古气候，理解沉积物从物源到最远端的沉积过程。不仅如此，细粒沉积岩中还蕴藏着大量的非常规油气资源[3-5]。国内外目前关于细粒沉积学的研究主要包括矿物学、岩石学、沉积环境及沉积作用等方面[1,6-7]。

1 细粒沉积物质构成及其沉积特征

细粒沉积的物质组成可以分为无机组分与有机质两大部分，二者的沉积特征与相互关系复杂，涉及的种类与范围广泛。该文选取最主要的无机组分石英、黏土矿物及碳酸盐作介绍，有机质部分介绍其赋存特征与富集机理，最后探讨二者间相互关系。

1.1 无机组分沉积特征

不同地区细粒沉积岩的组分差别巨大，四川盆地五峰组—龙马溪组页岩富含石英及黏土矿物；东营凹陷沙四上—沙三下亚段页岩、泌阳凹陷核桃园组页岩等碳酸盐矿物更为富集[1,8-9]。

石英是细粒沉积岩最主要和重要的矿物之一。一方面是因为石英丰度高，在中国海相页岩中，石英含量约18.4%～70.6%，均值37.3%，在中国陆相页岩中，石英含量多为20%～30%，均值23.79%[10]；另一方面，石英影响页岩可压裂性，其含量与可压裂性呈正比，这直接影响页岩油气的开发效益。石英的成因类型丰富。传统认为石英为陆源成因，由物源提供，经风化作用，于湖盆或海洋中沉积。这一过程中，伴随有侵蚀、风化、搬运等沉积作用过程，多与黏土、长石等矿物协同。陆源石英颗粒常具有棱角，或呈不规则状，在镜下易于识别。随着非常规页岩油气的勘探研究表明，在中国四川盆地奥陶系五峰组—志留系龙马溪组、美国东部泥盆系页岩、Barnett 页岩、Woodford 页岩和Marcellus 页岩中存在生物成因的石英，这主要是利用地球化学元素图解（Al-Fe-Mn 等）以及镜下鉴定等方法进行确定。目前对生物石英多处于定性研究，分析其形态、阴极发光及光谱特征等。生物石英多为隐晶，粒径细小，阴极发光为弱发光-不发光，波长在620 nm 附近出现峰值[11]。此外，在成岩过程中，黏土矿物伊利石化产生二氧化硅，以微晶石英形式存在于黏土基质中，颗粒大小多为几个微米。

细粒沉积岩中的黏土矿物包括伊利石、伊蒙混层、高岭石等，在不同地区，黏土矿物类型与含量不同。东营凹陷沙四上—沙三下亚段页岩黏土矿物以伊利石为主，均值达85.45%。伊蒙混层均值为17.22%。四川盆地五峰组—龙马溪组同样有以伊利石为主的页岩，如川南地区黏土矿物中伊利石均值为67.8%；绿泥石均值21.2%；伊蒙混层均值11%。但在川东南地区黏土矿物则以伊蒙混层为主，均值达54.4%；伊利石均值为39.4%；绿泥石均值仅6%；零星分布高岭石。黏土矿物的变化与物源供给、成岩演化等均有关系。

通过对细粒沉积的水槽实验研究发现，在水流的作用下，黏土颗粒可以通过絮凝的方式沉淀，粒径最大约1 mm，与粗粒物质相似，可在海底运移并形成特有的波痕结构。同时，这些让黏土颗粒沉淀并且在底床形成波痕的水动力足够搬运砂[12]。絮凝波痕的产生取决于沉积物供给量和流体速度的变化。流速较高时，沉积物底床搬运剪切力较大，絮凝体缺乏足够的能量保持而被破坏，此时只有粉砂级单独颗粒沿底床搬运。随着流速降低，底部剪切力随之下降，絮凝体足以克服底部剪切力进而和粗粒沉积物一起沿底床搬运，形成了富粉砂和富絮凝体纹层。

碳酸盐矿物在页岩中分布广泛，以方解石、白云石为主。其沉积机制研究相对薄弱，这与碳酸盐矿物自身成因复杂有关。其形成可与物理机械作用、化学作用、生物作用及生化作用等有关。Jiang 等（2007）探讨了物源供给、古地貌、构造作用及古气候对碳酸盐的影响[13]，邱隆伟等（2010）针对泥灰岩开展了岩相学研究[14]，碳酸盐的沉积受生物作用或生化作用、化学作用影响显著。在细粒沉积岩中，生物成因的碳酸盐成分主要来自生活在透光带的浮游动物，以及生活在海底的底栖生物，包括生物的骨骼和遗壳等。浮游生物的有机残骸常常与黏土矿物通过生物化学作用结合成“海洋雪”沉到海底。碳酸盐亦可以在生烃前沉积-同生阶段胶结形成，或交代形成。

1.2 有机质的赋存与富集

目前对有机质的研究，多集中于其含量的纵横向及平面的变化等[15-16]。关于富有机质页岩层段中有机质赋存的研究相对较少。前人认为有机质的赋存状态受无机组分影响。存在分散有机质、矿物沥青基质、有机黏土复合体、有机质-灰泥质复合体等有机质赋存形式[17-18]。在四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中，前人识别出颗粒内部、黏土矿物吸附等有机质赋存形式[19]。这些研究可对盆地中有机质的成因、时空分布特征以及生烃机理分析提供帮助[20]，也利于油气甜点的评价预测分析。

前人研究发现，有两种模式可以用于解释有机质的富集[21]。第一种是生产力模式，即有机质富集的主控因素是初始生产力，第二种是保存模式，即有机质富集的主控因素是底层水的氧化还原条件。一些研究发现，底层水的氧化还原条件与有机质富集间的相关性较弱，而初始生产力与有机质间呈现更好的相关性，进而认为较高的初始生产力是有机质富集的关键因素。

进入海洋的有机质中，绝大多数（约90%）在与沉积物结合之前就被氧化或受细菌降解作用影响。这一过程受有机质供给、有机质类型、底层水缺氧、快速埋藏、自然硫化及细粒沉积几个方面的影响[22]。总结发现，有机质的富集主要受沉积环境（包括生物供给与沉积速率）及细粒沉积两方面的影响。

1.3 无机组分与有机质相互关系

无机组分与有机质间的相互关系复杂多变，这与二者成因有关。常规研究认为石英属于陆源成因，与有机质呈反比。在四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中发现石英与有机质间的相互关系呈阶段性变化。在底部富有机质层段中，TOC多大于2%，石英含量介于30%～70%，二者呈正比；在龙马溪组一段中上部贫有机质层段中，TOC多小于2%，石英含量介于15%～40%，二者间相关性不明显（如图1a 所示）。

图1 四川盆地JY1 井五峰组—龙马溪组石英、黏土矿物与有机质关系Fig. 1 The relationship between quartz and clay minerals with organic matter of JY1 well Wufeng-Longmaxi formation in Sichuan Basin

这主要受生物石英富集于底部的影响，其与有机质同属生物成因，因此呈正比。上部层段生物石英减少，陆源石英增多且水体变浅，有机质含量低且与石英的正比关系消失。

细粒沉积岩中有机质含量与黏土矿物的关系极为密切。黏土矿物对有机质有吸附作用，通过离子交换形成化学性质稳定的复合体，有利于有机质的保存。在页岩及现代沉积中，可见二者呈正比。而在中上扬子区古生界海相烃源岩中，显示出黏土矿物含量随TOC增加而降低[23]。在四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中亦可见相同趋势，这与黏土矿物陆源成因相关（如图1b 所示）。可见，黏土矿物与有机质在沉积与成岩过程中的关系是十分复杂的。

图2 东营凹陷沙四上亚段细粒沉积岩岩相类型划分Fig.2 Lithofacies classification of fine-grained sedimentary rocks of the upper fourth member of Shahejie formation in Dongying Depression

2 岩相特征

国内外学者基于各种实验技术，在研究细粒沉积岩的岩石学特征基础上，将成分、结构、沉积构造、颜色、古生物等作为指标进行岩相划分。20 世纪20年代以来，随着X 衍射、扫描电子显微镜等技术的进步，岩相学研究更加关注细粒沉积岩的微观特征与组分构成。

关于细粒沉积岩岩相的分类方法不甚统一，多采用传统的岩石定名，具体如下：①以主要的无机矿物（如石英、黏土矿物、碳酸盐）作为端元进行划分（如图2[10]所示）。不同地区的细粒沉积岩组成成分有所不同，岩相分布不同。②注重细粒沉积岩的结构特征，以粒度为指标进行分类。③注重细粒沉积岩的沉积构造/水动力特征，将纹层与成分相结合进行岩相划分[24]。在国内五峰组—龙马溪组页岩中识别出贫硅不平行纹层页岩、富硅平行纹层页岩等9 种岩相[2]；在东营凹陷古近系细粒沉积岩识别出纹层状泥质岩与非纹层状泥质岩两种类型，后续结合组分进行细化。④注重细粒沉积岩的物质来源，在东营凹陷沙三段深湖相中识别出内源性泥岩与外源性泥岩两大类别以及8 种端元岩相。⑤注重细粒沉积岩的非均质性，综合矿物、有机质、颜色、结构及古生物特征的分类[25]。

3 沉积环境与沉积速率分析

3.1 水深与氧化还原性

对于细粒沉积岩的沉积环境，国内外学者主要运用地球化学、矿物及古生物手段，发现其发育环境的多样。关于沉积环境中水深的研究，可以利用沉积特征、地球化学（Th/U，Fe/Co 等）等指标进行定性研究；利用古生物法进行定量分析[26]，如颗石丰度法、介形虫分异度、笔石带等，但古生物法恢复古水深对于古生物保存条件、识别准确度等要求较高，适用性较为受限；亦可利用测井恢复古水深；也存在地球化学与地区平均水深相结合的连续定量水深研究[27]。研究结果表明，东营凹陷沙四上—沙三下亚段细粒沉积岩发育水深为10～60 m，水体向上加深；四川盆地五峰组前期沉积于深水环境，观音桥段受全球冰期影响，水体下降50～100 m，甚至更多[28]，龙马溪组底部富有机质页岩沉积于深水环境，上部水体变浅。

判断沉积环境中水体氧化还原性的主要指标有Cu/Zn，(Cu+Mo)/Zn，Ni/Co，V/(V+Ni)，Mo/Fe，Th/Uh 和Pr/Ph（姥鲛烷/植烷）等。王淑芳等（2014）对四川盆地南部宁203 井志留系龙马溪组页岩沉积环境的元素地球化学研究结果表明，龙马溪组底部富有机质页岩沉积于缺氧环境，上部为氧化环境[29]。与生物生产率相比，还原性是影响有机质富集的更重要因素。早志留世的缺氧环境与全球海平面快速上升一致，对黑色页岩的形成亦具有明显控制作用。

3.2 沉积速率

沉积速率的变化影响细粒沉积岩中有机质的富集，二者间的关系复杂。低沉积速率下水体安静，利于有机质保存，高沉积速率对有机质的影响则需考虑氧化还原条件。氧化条件下，较高的沉积速率利于有机质的快速埋藏，缩短被分解时间，迁移氧化柱中的有机质进入还原环境，利于有机质保存。还原条件下，高沉积速率对有机质具有稀释作用。

目前，对于四川盆地五峰组—龙马溪组细粒沉积岩沉积速率的研究相对较多，且多依托笔石定年，结合地层厚度进行计算。龙马溪组沉积早期为深水相笔石页岩沉积建造，沉积速率为1.5～33.8 m/Ma，龙马溪组沉积中晚期为半深水-浅水相沉积建造，沉积速率为9.5～384.4 m/Ma。该区沉积速率与TOC间具有明显的负相关性，即沉积速率越高，TOC越低（如图3 所示）。这主要是因为该区在高沉积速率发育段，往往伴随着弱还原条件，甚至弱氧化-氧化条件，初始生产力低，这就造成尽管快速埋藏可以缩短有机质的降解时间，但原始供给不足、后期保存差，以及高沉积速率对有机质的稀释，最终二者表现出反比特征。

图3 四川盆地JY1 井五峰组—龙马溪组沉积速率与有机质关系Fig. 3 The relationship between sedimentary rate and organic matter of JY1 well Wufeng-Longmaxi formation in Sichuan Basin

4 沉积动力与沉积条件研究

细粒沉积岩的发育环境不同，沉积条件与动力机制不同，沉积成因模式则不同。通过研究发现，引起细粒沉积物搬运、沉积的主要动力多样，包括上升流、风暴、等深流等物理作用，以及胶体絮凝等化学作用和生物扰动等生物作用；搬运、沉积的对象也是丰富的，包括陆源碎屑、自生物质、生物物质、火山活动产物等。沉积作用一个或多个叠加在一起形成一套细粒沉积地层。不同的沉积作用下发育多样的沉积构造，如多样的纹层、层理、块状构造等。可见，细粒沉积是一个极其复杂的产物。

诸多沉积条件，包括古气候（温度、湿度等）、古物源、古构造（地貌）、古水体性质（水深、水动力、还原性及水体分层等）、突发事件（浊流、海侵、火山活动等）均影响细粒沉积的发育，这其中还包括含氧量的变化。在陆相环境中，沉积条件的影响更为明显、频繁，表现在岩相、层序地层结构、展布与演化等诸多方面。因此，对其沉积条件的刻画，能从机理上分析细粒沉积的发育。因沉积条件之间复杂的相互关系，研究其中一方面沉积条件时，要结合其他沉积条件，这也是目前研究所缺乏的。

5 沉积相分析

国内外在细粒沉积的沉积相识别、平面展布与演化方面，研究手段主要包括基质组构、沉积构造、砂质含量、古生物、特殊矿物、地化参数等[30]，研究精度为沉积亚相-微相级别。目前海相产气的页岩主要发育于陆棚相，以及斜坡与深水盆地等，如四川盆地五峰组—龙马溪组页岩、下寒武统页岩、Barnett 页岩、Marcellus 页岩、Haynesville 页岩等;陆相产油的页岩主要发育于半深湖及深湖相，如东营凹陷沙四上亚段页岩、泌阳凹陷核桃园组页岩。

对于亚相及微相的划分，针对四川盆地五峰组—龙马溪组，刘树根等（2013）划分出深水陆棚与浅水陆棚两大类[31]。张美玲等（2015）识别出深水硅泥质陆棚微相、深水泥质陆棚微相、深水砂泥质陆棚微相、深水混积陆棚微相[32]。王玉满（2015）则细分出深水陆棚、半深水陆棚、浅水陆棚及陆棚边缘4种亚相，以及更为精细的钙质深水陆棚、泥质深水陆棚等8 种沉积微相[33]。

6 探讨与结论

上述可见，细粒沉积岩的组分与成因类型多样，如石英成因包括陆源、生物成因和成岩自生等。而对于细粒沉积岩的岩相分类，国内外学者根据颜色、组分、构造发育情况等进行划分，但对各组分的不同成因对细粒沉积岩分类的影响却鲜有考虑，符合组分成因机制的岩相分类体系还未建立。可对细粒沉积岩中不同成因（陆源、生物、化学等）的组分进行定量识别，进行统一划分。在页岩油气的勘探开发中，细粒沉积岩具有源-储一体的特点，其岩相差异会导致生烃、储集性能及含气性的变化，因此，岩相的识别划分影响泥页岩产能评价。目前适用于页岩气评价的岩相分类体系还需深化研究。

沉积学研究不能只看表象，应注重动力学分析。对于宏观非均质性不明显的细粒沉积岩，更应加强沉积动力分析。然而目前对其沉积作用研究还是相对较弱。可开展沉积特征精细（微纳尺度）描述、实验模拟动态研究以及现代沉积对比分析等，明确不同沉积作用过程与沉积现象之间的关系，加强沉积作用认识，这对于认识其沉积成因机理、分布演化以及页岩油气的富集规律具有重要的科学和实践意义。

对于细粒沉积的研究，学科交叉研究显得尤为重要，如沉积学与地球化学、古生物学等相结合。简单泛泛的指标分析难以解释沉积环境的细微变化对细粒沉积的影响；古生物的属种、沉积特征等对认识细粒沉积的研究起到成因解释、标尺等重要作用。因此，不同学科中优势的作用相结合能促进细粒沉积的快速发展；同时，细粒沉积研究的进步亦能对其他学科的发展起到促进作用。