郭英海 趙迪斐，3 陳世悅

1 中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116 2 中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州 221008 3 中國礦業(yè)大學(xué)人工智能研究院，江蘇徐州 221008 4 中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266555

細粒沉積物是以粒度細小為關(guān)鍵特征的一類特殊沉積物，其構(gòu)成了沉積巖的主體。隨著以泥頁巖、致密粉砂巖等為代表的非常規(guī)儲層研究的興起，細粒沉積物特殊的沉積方式、發(fā)育機理、力學(xué)與結(jié)構(gòu)特征、特殊表征測試方法等，成為沉積學(xué)、油氣地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點與難點(Aplin and Macquaker，2011；姜在興等，2013；賈承造等，2014；鄒才能等，2015a；朱筱敏等，2016；朱如凱等，2017)。細粒沉積物的發(fā)育特征、含氣與滲透特征、勘探與工業(yè)開發(fā)方式等引起了學(xué)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注，尤其是富有機質(zhì)或含油氣細粒沉積物(朱筱敏等，2016)。隨著油氣勘探不斷向深水細粒沉積相區(qū)推進，細粒沉積巖作為“源儲一體”的連續(xù)型油氣藏，被證實蘊含著巨大勘探潛力，極大地促進了非常規(guī)油氣領(lǐng)域的快速發(fā)展，在世界范圍內(nèi)對能源供需格局產(chǎn)生了重要影響(Macquaker and Adams，2003；Jarvieetal.，2007；Nelson，2009；姜在興等，2013；賈承造等，2014)。對微納米尺度油氣儲集空間的認識，極大地促進了非常規(guī)油氣的勘探與開發(fā)，使對含油氣細粒沉積物的認識從蓋層/烴源巖或無法開發(fā)的含油氣巖系轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢运毫训忍厥忾_發(fā)工藝進行商業(yè)化開發(fā)的儲層(Loucksetal.，2009，2012；Passeyetal.，2010)。在自然屬性上，細粒沉積物組分復(fù)雜，微觀非均質(zhì)性強，孔隙性、滲透性較差，儲集空間集中在納米尺度，故對細粒沉積物的自然屬性分類、識別和預(yù)測對含油氣細粒沉積的勘探開發(fā)意義重大，其可以作為優(yōu)質(zhì)儲層識別、有利區(qū)預(yù)測、儲層精細評價、開采層位優(yōu)選、資源精確評價與開發(fā)技術(shù)的科學(xué)依據(jù)(Wangetal.，2009；Loucksetal.，2012；Leietal.，2015)。

目前，對細粒沉積的研究涉及到物源、沉積環(huán)境與古地理、沉積過程、巖石表征、結(jié)構(gòu)物性等方面，隨著對特殊類型含油氣細粒沉積研究的不斷深入與細化，形成了一個跨地質(zhì)學(xué)、油氣工程學(xué)、計算機與數(shù)據(jù)科學(xué)、材料學(xué)與儀器科學(xué)的龐大知識體系。在小尺度上，微納米精細量化表征與孔滲、演化模擬成為研究熱點；在大尺度上，如何實現(xiàn)細粒沉積物控制影響因素的刻畫、表征，明確該因素對沉積過程以及沉積物本身特征的控制機理與影響機制，成為細粒沉積物研究的重要方向(龐軍剛等，2014；梁超，2015；朱筱敏等，2016；趙賢正等，2017；陳世悅等，2017；劉可禹與劉暢，2019)。在《古地理學(xué)報》組織“中國巖相古地理十年進展”系統(tǒng)文獻報道的背景下，筆者嘗試總結(jié)細粒沉積物尤其是含油氣細粒沉積物的定義、分類與特征，理清相關(guān)知識文獻結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化，探討細粒沉積物及古地理恢復(fù)的研究方法與進展。

1 細粒沉積物的定義、分類與特征

“細粒沉積”(fine-grained sediments)一詞是由Krumbein(1932)在粒度分析中首次提出的，隨后多種不同的先進分析技術(shù)被應(yīng)用于細粒沉積物特征的研究(Wright，1957)。20世紀(jì)50年代后，出現(xiàn)了許多以烴源巖特征為研究目標(biāo)的細粒沉積研究成果(Picard，1971；Potteretal.，1980)；之后，進入以現(xiàn)代沉積為重點的細粒沉積研究階段，主要關(guān)注細粒物質(zhì)搬運機制、形成環(huán)境等問題(Krancketal.，1996；Macquakeretal.，2010a；Schieber，2011；Ghadeer and Macquaker，2011；Allison，2012)。

表 1 細粒沉積物的主要巖石學(xué)類型及特征Table1 Petrological types and characteristics of fine-grained sediments

依據(jù)沉積環(huán)境與沉積方式、沉積物組分及含量等特征，可對細粒沉積物進行分類。如依據(jù)粒度與沉積結(jié)構(gòu)將細粒沉積物劃分泥巖、頁巖、油頁巖、黏土巖、泥灰?guī)r、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等巖石類型(表 1)，或依據(jù)沉積環(huán)境劃分為海相、陸相或過渡相細粒沉積物(賈承造等，2014)。在泥質(zhì)或粉砂質(zhì)沉積物中，礦物組分的差異和有機質(zhì)的含量常被用于劃分細粒沉積物的巖相與類型，雖然其控制影響了由細粒沉積物構(gòu)成的烴源巖或儲層的生氣潛力、含氣性能以及力學(xué)性質(zhì)，但依據(jù)礦物組分等對細粒沉積物進行劃分時可能存在不同類型細粒沉積物微觀組分相似的問題，因此沉積方式、成因、巖石結(jié)構(gòu)與粒度也是細粒沉積物分類必須考慮的因素(Blott and Pye，2012；姜在興等，2013；梁超，2015；蒲秀剛等，2016；周立宏等，2016)。

頁巖氣研究成為熱點后，頁巖與頁巖儲層的定義和概念一度存在爭議，爭議焦點主要包括非常規(guī)油氣與常規(guī)油氣的本質(zhì)區(qū)別、層理結(jié)構(gòu)是否能作為頁巖氣勘探目標(biāo)層系定名依據(jù)、富有機質(zhì)頁巖層系中的粉砂質(zhì)沉積是否作為“頁巖”的一部分、頁巖與其他細粒沉積如何進行區(qū)分及界定等，這導(dǎo)致非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)與傳統(tǒng)巖石學(xué)、工程與生產(chǎn)實用性之間產(chǎn)生了概念與應(yīng)用上的分歧(鄒才能等，2015a；李建忠等，2015)?！绊搸r”(shale)一詞常被用來籠統(tǒng)地表示各類由細粒物質(zhì)組成的巖石，無法反映巖石的真實組構(gòu)，給研究和交流造成了不便。

對細粒沉積物、頁巖、頁巖儲層、致密儲層等概念進行限定，有利于減小資源評價的難度，尤其是面對巖性過渡時天然氣類型判定的問題，如頁巖氣與致密氣(Speight，2013)。三端元投點法常被應(yīng)用于細粒沉積物的劃分(陳世悅等，2015；鄢繼華等，2015)(圖 1)。

圖 1 細粒沉積巖的巖性分類三角圖(據(jù)鄢繼華等，2015)Fig.1 Triangles of lithological classification of fine-grained sedimentary rocks(after Yan et al.，2015)

表 2 代表性含油氣細粒沉積類型及特征Table2 Sedimentary types and characteristics of main oil and gas bearing fine grains

除研究較為廣泛的含油氣細粒沉積物之外，近年來特殊細粒沉積物也逐漸受到重視： 煤系細粒沉積物可以形成于海相、陸相或過渡相等多種沉積環(huán)境(表 2)，并在煤的沉積與成巖過程中形成包括煤層氣—頁巖氣—致密氣在內(nèi)的多層含油氣系統(tǒng)(沈玉林等，2012；秦勇等，2016，2018)；而油頁巖則屬于有機質(zhì)含量更高的含油氣細粒沉積物，具有富油、生油、含油的特性，可以以干餾等手段進行開發(fā)。需要注意的是，細粒沉積物沉積動力條件敏感，常是多種細粒沉積物的組合，但細粒沉積地層屬性的整體判定仍然依據(jù)的是主要沉積環(huán)境及沉積條件。近年來，對含油氣細粒沉積物的研究，深化、改變了“含油氣系統(tǒng)”的基本理論框架，帶來了細粒沉積體系(Liuetal.，2018)、非常規(guī)油氣賦存富集機理、微納米儲集空間、微尺度油氣運移、沉積過程與成巖演化等一系列新的研究熱點問題，也產(chǎn)生了對細粒沉積物類型界定方法、高精度研究手段等相關(guān)研究的急切需求。

1.1 泥頁巖、頁巖層系與頁巖儲集層

在沉積巖石學(xué)中，頁巖曾指代具有頁理或?qū)永順?gòu)造、易破裂的“紋層狀黏土巖”，黏土—粉砂級粒徑與易剝蝕是其主要辨識特征(Blatt and Tracy，1982)。但巖石學(xué)研究表明，頁理結(jié)構(gòu)并不存在于地層條件中，頁巖“頁理”的形成是原始力學(xué)薄弱面在應(yīng)力及風(fēng)化作用下改造的結(jié)果(Weaver，1989)，因此，頁巖層系實際指代由泥級顆粒構(gòu)成的(Tourtelot，1960)、發(fā)育大量沉積成因力學(xué)薄弱面的沉積巖層系，這樣的定義有利于黏土—粉砂級沉積層系的油氣勘探開發(fā)(Rezaee，2015)。頁巖的經(jīng)典分類一般基于有機質(zhì)及其中黏土礦物、碳酸鹽巖礦物以及硅質(zhì)礦物含量的比例，具有油氣意義的頁巖一般至少具有0.5%以上的有機質(zhì)豐度；具有深色、細粒、富含有機質(zhì)特征的頁巖可以稱為黑色頁巖，并經(jīng)過地層演化形成傳統(tǒng)油氣理論中的烴源巖以及非常規(guī)油氣地質(zhì)理論體系中的非常規(guī)儲集層，在實際應(yīng)用中黑色頁巖還經(jīng)常用于指代富有機質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r等非頁巖巖性(Rezaee，2015)，是一個不同類型、成因巖石的集合名詞(Trabucho-Alexandreetal.，2012)。顯然，頁巖的名詞詞義在地質(zhì)研究過程中發(fā)生了變化，由最初的紋層狀黏土巖演化為一個集合名詞，即指代具有油氣賦存潛力、常含有機質(zhì)的泥頁巖地層或一套由不同細粒沉積物構(gòu)成的復(fù)雜地層，也可以被稱為“頁巖層系”。

頁巖儲集層則指代微納米孔隙發(fā)育、賦存有天然氣或頁巖油的、以富有機質(zhì)細粒泥頁巖為主要巖性的儲層類型。在描述儲集層時，頁巖并不僅指代巖性，而是指代頁巖發(fā)育層系的整體，可以包含有泥頁巖、粉砂巖、泥灰?guī)r乃至少量細—中砂巖、硅質(zhì)巖、鈣質(zhì)巖等其他巖性，發(fā)育模式含有包夾、間層或互層等多種形式(Speight，2013)。正是由于頁巖儲集層巖性的復(fù)雜性，頁巖儲層的含油氣特征有時也較為復(fù)雜，如美國巴肯頁巖儲層實際上由上、下2段頁巖與中部砂巖構(gòu)成，夾于頂?shù)装逯g的白云巖還同時構(gòu)成一套石油儲集層，層系內(nèi)天然裂隙不發(fā)育，巖性、物性變化顯著(Kumar，2013；Peischletal.，2016)。弗洛伊德頁巖(Floyd shale)是在地質(zhì)勘探與開發(fā)中對重點含頁巖氣層的專門命名，本身屬于海相黑色頁巖層系，巖性較為復(fù)雜，在不同的地區(qū)分別包含有Tuscumbia灰?guī)r、Hartselle砂巖等其他巖性，但由于勘探目標(biāo)層位主要是高有機質(zhì)含量的弗洛伊德下部頁巖，因此，在實際勘探與開發(fā)中，對作為頁巖氣勘探目標(biāo)的弗洛伊德下部頁巖進行了專門命名(Neal shale)，用以精準(zhǔn)表示作為烴源巖與頁巖氣儲層的目標(biāo)層段(Pashin，1994；Caton，2011)。中國四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖層系中，高有機質(zhì)含量、高孔隙度與高脆性的優(yōu)質(zhì)層段同樣發(fā)育在五峰組及龍馬溪組底部，在地質(zhì)勘探與工程開發(fā)時，針對復(fù)雜非均質(zhì)細粒沉積地層中的優(yōu)質(zhì)層段，可以參考這種方法進行專門命名，目前在實際勘探中常以龍馬溪組內(nèi)的筆石帶作為限制優(yōu)質(zhì)儲集層段的依據(jù)，命名為龍1段等(何陳誠等，2018；王超等，2018；趙迪斐等，2020a)。明確優(yōu)質(zhì)目標(biāo)層段并進行定義，有助于精準(zhǔn)勘探、預(yù)測以及工程設(shè)計(高全芳，2019)。

目前，限制頁巖成因分類的主要原因是研究手段的匱乏。頁巖粒度細小、成分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)差異也在細微尺度下增強。近年來，巖石顯微研究的進展表明，頁巖并不一定反映靜水沉積條件(Potteretal.，2005)，雖然優(yōu)質(zhì)黑色頁巖的沉積常與相對靜水沉積有關(guān)，但頁巖地層的沉積環(huán)境、沉積條件、物質(zhì)來源非常復(fù)雜，宏觀均質(zhì)的頁巖往往具有復(fù)雜的微觀組構(gòu)，存在多個尺度上的非均質(zhì)性特征(Macquaker and Gawthorpe，1993；郭英海和趙迪斐，2015；趙迪斐等，2018)。細粒沉積物的沉積過程常存在物質(zhì)的混合和結(jié)構(gòu)的混合，屬于混積巖的范疇(陳世悅等，2017)。

1.2 細粒致密砂巖/灰?guī)r儲集層與煤系細粒沉積物

a—泥質(zhì)粉砂巖，山西組，Y-54井，2585.1im；b—泥質(zhì)粉砂巖，山西組，Y-54井，2536.85im；c—泥質(zhì)粉砂巖，山西組，Y106井， 2008.32im，單偏光；d—泥質(zhì)細砂巖，石盒子組，Y106井，1918.5im；e，f—致密泥灰?guī)r，五峰組觀音橋段，JY-1井，2411im圖 2 細粒致密儲集層的宏微觀特征Fig.2 Macro and micro characteristics of fine-grained tight reservoir

致密儲集層礦物組分的粒徑跨度較大，可以在粉砂巖—粗砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r—灰?guī)r等巖性中發(fā)育，低孔低滲、成巖作用影響強度大、微納米儲集空間、次生孔隙為主、非均質(zhì)性強是細粒致密儲集層的主要特征(曹喆，2014；馬劍等，2015；朱筱敏等，2018)。對致密儲集層的判定主要依據(jù)儲層孔滲特性(孔隙度小于10%，滲透率小于0.1×103￣￣μm2)。致密儲集層蘊含資源量較大、分布廣泛，但成巖—成藏機理復(fù)雜，對致密儲集層的勘探重點是尋找相對高孔隙度帶或裂縫帶等物性甜點(朱筱敏等，2018)。從致密機理來看，致密儲集層可以劃分為由于原始組分粒度細小而形成的低滲透性致密儲集層和受到儲集層成巖作用致密化影響而發(fā)育的致密儲集層2類，前者物性與含氣性受到填隙物或雜基性質(zhì)的顯著影響(Soeder and Randolph，1987)，軟巖屑等在細粒致密砂巖內(nèi)的分布顯著受到沉積構(gòu)造的控制(圖 2-a，2-b)，如在鄂爾多斯盆地的山西組—上石盒子組致密砂巖儲集層中，填隙物的類型與力學(xué)性質(zhì)顯著影響了部分致密儲集層的物性，由于骨架礦物顆粒間軟巖屑或自生黏土礦物等較強的塑性變形作用可以顯著封堵孔隙(圖 2-c，2-d)，形成了部分開發(fā)難度較大的細粒致密儲集層(李杪等，2013；趙會濤等，2014；王懷廠等，2015)。目前，在鄂爾多斯盆地等中國重要的致密儲集層分布地區(qū)，對致密儲集層的勘探已經(jīng)從在中粒—粗粒砂巖中進行開發(fā)或?qū)ふ覂?yōu)質(zhì)甜點，逐漸轉(zhuǎn)向在粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r中尋找可開發(fā)甜點、層位或進行針對這些儲集層的工程改造嘗試，川中地區(qū)大安寨段、西山地區(qū)太原組等地層中均發(fā)現(xiàn)了處于細粒層系中的致密泥灰?guī)r儲集層，其骨架—填隙物主要由碳酸鹽巖礦物—黏土礦物構(gòu)成(倪超等，2015；楊亦浩，2018)，如圖 2-e示四川盆地五峰組觀音橋段致密泥灰?guī)r的礦物組分與細粒致密砂巖的格架結(jié)構(gòu)類型，礦物間的連通性降低是由于黏土礦物的封堵作用(圖 2-f)。

儲集層成巖作用是塑造儲集層致密性質(zhì)的重要因素，壓實作用、膠結(jié)作用、礦物轉(zhuǎn)化與變性作用等破壞性成巖作用造成儲集空間的減少與滲透性的降低，而溶蝕作用、破裂作用、瀝青充填作用等則是形成高孔隙度帶或裂縫帶等物性甜點的主要建設(shè)性儲層成巖作用類型(潘榮等，2014；萬友利，2014；古娜，2015；趙岳，2018)。復(fù)雜的致密機理與巖石結(jié)構(gòu)使細粒致密儲集層的受控因素眾多，除礦物組分、粒度、分選、填隙物或雜基性質(zhì)等孔滲特性直接影響因素以外，控制這些性質(zhì)的物源、沉積過程、沉積環(huán)境、古地理特征等間接影響因素的刻畫也更為復(fù)雜(Makhloufietal.，2013；Wangetal.，2015；朱筱敏等，2018)。中國形成細粒致密沉積物的環(huán)境廣泛，往往發(fā)育于大型陸相坳陷盆地斜坡帶的穩(wěn)定構(gòu)造背景中(朱筱敏等，2018)。

細粒致密沉積物的發(fā)育環(huán)境包括湖泊、三角洲、河流等(圖 3)，而這些環(huán)境也往往發(fā)育有煤系地層，可以形成含煤細粒沉積層系(Fine-grained coal-bearing sediments)(Legun and Rust，1982；Heward，2010；Baietal.，2015)，因此煤系地層內(nèi)多類型非常規(guī)天然氣的協(xié)同勘探開發(fā)成為中國含油氣細粒沉積的重要創(chuàng)新方向之一(沈玉林等，2012；秦勇等，2016，2018)。對煤系地層內(nèi)頁巖儲集層、致密儲集層的表征以及對含氣系統(tǒng)、開發(fā)方式的研究進展表明，在明確含氣系統(tǒng)邊界的條件下進行分層或合成開采設(shè)計，可以大幅提高煤系地層的氣產(chǎn)能(傅雪海等，2013；張政等，2014；秦勇等，2016；申建等，2017)。

圖 3 山西太原西山地區(qū)頁-5鉆孔山西組煤—頁巖—致密砂巖層系(據(jù)趙迪斐等，2018)Fig.3 Coal-shale-tight sandstone reservoirs of the Shanxi Formation from Well xishanye-5 in Taiyuan， Shanxi Province(after Zhao et al.，2018)

圖 4 湖泊內(nèi)主要沉積作用和沉積物類型(沉積順序： 0-1-2-3)Fig.4 Main sedimentation process and bottom dynamics in lakes(sedimentary order: 0-1-2-3)

1.3 細粒沉積物的搬運、沉積與成巖作用

a—多期次長英質(zhì)紋層與黏土紋層相互疊置，G95井，3635.6im；b—多期次長英質(zhì)紋層與黏土紋層相互疊置，局部發(fā)育脈狀層理，G95井，3636.8im；c—薄層長英質(zhì)呈透鏡狀、條帶狀產(chǎn)出，GD12井，3823.25im；d—小型交錯層理，G108-8井，2982.75im，單偏光；e—長英質(zhì) 紋層與黏土紋層相互疊置，G108-8井，3211.05im，單偏光；f—定向排列的介形蟲化石層，GD12井，3792.15im，單偏光圖 5 滄州坳陷孔店組二段細粒沉積巖中底流作用特征Fig.5 Characteristics of bottom current in fine-grained mixed sedimentary rocks in the Member 2 of Kongdian Formation in Cangzhou Depression

湖相、海相等水體條件下的細粒沉積物(常以“頁巖層系”的形式賦存)搬運作用、沉積模式研究進展表明，細粒沉積巖形成機理復(fù)雜且沉積環(huán)境多變(圖 4)，在礦物組成、沉積構(gòu)造、混積樣式與垂向序列等方面具有多樣性，“頁巖層系”的物源輸入(母巖類型、供給強度等)、沉積時的古氣候(干濕程度、降雨量等)、水體表層環(huán)境和底層環(huán)境(溫度、鹽度、氧化還原條件、生物活動等)以及沉積過程(流體搬運、化學(xué)沉淀、懸浮沉降等)與成巖作用(壓實作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用等)等方面的差異，塑造了儲集層強烈的多尺度非均質(zhì)性(李祥輝等，2009；陳世悅等，2015；郭英海和趙迪斐，2015；張順等，2015；趙迪斐等，2019)。細粒沉積物的沉積水體常存在多種復(fù)雜的流體類型，如底流、碎屑流、濁流等，不同類型流體可以對碎屑物質(zhì)進行搬運、改造、剝蝕或再搬運，來自陸源的碎屑物質(zhì)與來自水體或其他來源的物質(zhì)組分經(jīng)由不同的水體動力條件，在沉積盆地的不同位置沉積下來，形成細粒沉積物層系，如陸相湖盆中的大規(guī)模砂體常與多種復(fù)雜動力流的發(fā)育有關(guān)。在不同的驅(qū)動力下，沉積物實際上存在懸浮沉積、底流、碎屑流、濁流等多種方式的疊合(龔嶠林等，2018)，如在半深湖—深湖環(huán)境，底流可以搬運陸源碎屑物質(zhì)(長英質(zhì)礦物與黏土礦物)與湖盆中的自生碳酸鹽礦物發(fā)生混合，以多期次、頻繁發(fā)育的長英質(zhì)條帶或紋層(圖 5-a，5-b，5-c)、脈狀層理、波狀層理等典型的牽引流構(gòu)造(圖 5-c，5-d)和化石定向等為主要特征；濁流可以在湖盆深水區(qū)形成大規(guī)模分布的濁積砂體，造成正粒序、沖刷—侵蝕現(xiàn)象、混雜堆積等現(xiàn)象；異重流可以將細粒物質(zhì)進行長距離搬運，特別是在相對深水區(qū)的沉積遠端，以持續(xù)沉積為主(Yangetal.，2015；楊仁超等，2015；欒國強等，2018)，成對出現(xiàn)的逆粒序—正粒序組合是其典型特征。多種流體作用綜合控制了沉積盆地中水體對細粒沉積物原始物質(zhì)組分的搬運，構(gòu)成小尺度組合關(guān)系復(fù)雜的細粒沉積層系(圖 5-e，5-f)，最終影響細粒沉積儲集層的品質(zhì)。沉積環(huán)境的其他要素也是影響細粒沉積的重要因素，包括古地理格局、古氣候條件、水體性質(zhì)(滯留程度、水體分層、氧化還原條件等)、事件性地質(zhì)作用以及生物作用等(郭英海等，2004；Lietal.，2017)。

圖 6 儲集空間表征技術(shù)有效測量范圍Fig.6 Measuring range of different reservoir space characterization technique

值得注意的是，近年來泥巖形成于低能環(huán)境的觀點遭到質(zhì)疑。Schieber等(2007)通過泥巖的水槽實驗，提出了黏土礦物以絮凝方式搬運的機制；沉積在相對淺水區(qū)的泥質(zhì)沉積物存在侵蝕—再搬運成因的透鏡狀組構(gòu)，反映了洋流或者湖流的再搬運過程(Schieberetal.，2010)；Macquaker等(2010b)發(fā)現(xiàn)，大陸架上泥巖的巖石顯微結(jié)構(gòu)多表現(xiàn)出的三元正粒序結(jié)構(gòu)特征，指示了波浪增強沉積物重力流的成因。其烴源巖特征、泥頁巖油氣儲集及烴類運聚等意義有待深入探討。

在沉積環(huán)境與水體條件控制下，不同環(huán)境中形成不同類型的細粒沉積物，并經(jīng)由復(fù)雜成巖作用的改造和構(gòu)造作用的影響，最終形成細粒沉積儲層，壓實作用、礦物轉(zhuǎn)化作用、有機質(zhì)生烴演化、溶蝕作用、重結(jié)晶作用等儲層成巖作用塑造了儲層的微觀孔隙系統(tǒng)，屬于相對封閉的地化體系(Bj?rlykke and Jahren，2012；孔令明等，2015；趙迪斐等，2016)，微觀尺度的有機—無機協(xié)同成巖作用使得細粒沉積巖儲集空間形成、演化的規(guī)律性遠比常規(guī)儲層復(fù)雜(Peltonenetal.，2009；Taylor and Macquaker，2014)。沉積環(huán)境、儲層成巖作用以及構(gòu)造作用的綜合影響，塑造了細粒沉積物“納米儲層”低孔低滲、孔喉尺寸小、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜且非均質(zhì)性強的特點，也對應(yīng)地促進了多方法聯(lián)合表征、定性與定量相結(jié)合的方法技術(shù)體系(圖 6)，使細粒沉積物儲集空間的精細化表征得到大幅提升，有機質(zhì)熱成因孔隙、礦物溶蝕孔隙、晶間孔隙、微裂隙等多種不同成因—形貌的孔隙被識別出來，豐富了對細粒沉積物儲集空間發(fā)育機理、優(yōu)質(zhì)脆性發(fā)育機理等的認識(Curtisetal.，2012；李慶輝等，2012；Loucksetal.，2012；Mastalerz，2013；Lin，2016；趙迪斐等，2020b)。

2 基于文獻計量學(xué)的研究動態(tài)分析

2.1 細粒沉積物研究的結(jié)構(gòu)、熱點與知識圖譜

a—文獻整體結(jié)構(gòu)；b—關(guān)鍵詞熱點圖 7 細粒沉積物文獻計量學(xué)反映的文獻結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵詞熱點Fig.7 Major types and characteristics of fine-grained sediments Literature structure and keyword hotspots reflected by bibliometrics of fine-grained sediments

利用Web of Science檢索平臺，對細粒沉積的研究進展與知識結(jié)構(gòu)進行文獻計量學(xué)研究，檢索關(guān)鍵詞設(shè)置為“Fine-grained deposition”。通過檢索，獲取以“Fine-grained deposition”為關(guān)鍵詞的文獻共計3905篇，基于Citespace軟件對數(shù)據(jù)進行分析，構(gòu)成細粒沉積的文獻知識群(圖 7-a)。由圖 7-a可知，細粒沉積的文獻知識群為一個二元結(jié)構(gòu)，文獻具有數(shù)個較大的、集中的中心，以2個中心延展出一系列研究熱點關(guān)鍵詞。進一步分析各關(guān)鍵詞對應(yīng)的文獻數(shù)量(圖 7-b)，最大的文獻中心對應(yīng)關(guān)鍵詞為微觀結(jié)構(gòu)(microstructure)，與沉積物運移(sediment transport)共同構(gòu)成一個文獻中心，微觀結(jié)構(gòu)與形成機理是細粒沉積物研究的難點，細粒沉積物因其粒徑細小、微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜而具有極為復(fù)雜的巖石小尺度結(jié)構(gòu)以及微納米孔隙結(jié)構(gòu)，巖石本身以及孔隙的微觀結(jié)構(gòu)影響、制約油氣在儲層基質(zhì)內(nèi)的儲存、富集、運移機理。地球化學(xué)(geochemistry)、更新世(Pleistocene)、濁積巖(turbidites)等相對分散的熱點關(guān)鍵詞構(gòu)成第2個文獻中心，地球化學(xué)手段是研究細粒沉積物沉積環(huán)境、沉積條件的重要手段，在探究細粒沉積物有機質(zhì)富集機制、元素富集機制、地層成因與演化等方面具有不可替代的作用；更新世以來的沉積物則為細粒沉積物的形成過程提供了早期證據(jù)；細粒濁積體可以形成良好的油氣貯存地質(zhì)體(姜濤和解習(xí)農(nóng)，2003)，是細粒沉積物研究的重要熱點。因此，從細粒沉積物研究文獻的整體情況來看，細粒沉積研究主要關(guān)注微結(jié)構(gòu)、成因、具有油氣意義的特殊細粒沉積物等幾個方面。

共被引(Author Co-citation Analysis，ACA)是指2篇文獻共同被第3篇文獻引用，這2篇文獻也因而具有耦合關(guān)系，對研究方向或領(lǐng)域的全文獻共被引分析，可以形成靜態(tài)的文獻耦合結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(Small，1973；趙迪斐等，2020c)。細粒沉積物國際研究進展的共被引分析(圖 8)顯示，對細粒沉積物的研究主要包括3個共被引相關(guān)群體，分別為石炭紀(jì)沉積—沖刷作用—源到匯、細粒沉積年代學(xué)、沉積方式與特殊沉積物(如濁流沉積、河道沉積等)。

圖 8 細粒沉積物國際研究進展的共被引分析Fig.8 Co-citation analysis of international research progress in fine sediments

圖 9 頁巖地質(zhì)研究的主要關(guān)鍵詞節(jié)點與知識網(wǎng)絡(luò)Fig.9 Key word nodes and knowledge networks in shale geology research

2.2 頁巖研究的結(jié)構(gòu)、熱點與知識圖譜

頁巖的代表性類型與致密砂巖不同，致密砂巖等儲層發(fā)生的致密化作用可以使細粒、中粒、粗粒等多尺度粒徑儲層形成致密儲集層，即致密儲集層不一定屬于細粒沉積物。在非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)與利用興起后，對頁巖等特殊含油氣細粒沉積展開的地質(zhì)研究成為細粒沉積研究的新興熱點(鄒才能等，2015b)。對頁巖研究的國際文獻進行系統(tǒng)調(diào)研，共提取核心論文6695篇，對文獻進行關(guān)鍵詞分析(圖 9)，結(jié)果表明： 頁巖的研究知識網(wǎng)絡(luò)可以分為大小2個子網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)1以“演化”(evolution)構(gòu)成核心節(jié)點，主要關(guān)鍵詞包括地球化學(xué)(geochemistry)、沉積(sediment)、來源(origin)、盆地(basin)、運移(transport)、模型(model)、海相沉積(marine sediment)、有機質(zhì)(organic matter)等；網(wǎng)絡(luò)2則以“沉積物”(deposition)為核心節(jié)點，主要關(guān)鍵詞包括形貌(morphology)、微觀結(jié)構(gòu)(microstructure)、力學(xué)性質(zhì)(mechanical property)等。由此可見，對頁巖的研究主要包含沉積與演化、沉積物與結(jié)構(gòu)這兩大主題，前者是對頁巖沉積物形成過程與形成機理的研究，后者則是對頁巖本身結(jié)構(gòu)特性的研究。

圖 10 基于時間切片的頁巖地質(zhì)研究的主要關(guān)鍵詞節(jié)點與知識網(wǎng)絡(luò)Fig.10 Key word nodes and knowledge networks in shale geology research using time-slice

基于時間切片，拆分頁巖地質(zhì)領(lǐng)域內(nèi)的主要知識節(jié)點并追蹤其發(fā)展演化。頁巖相關(guān)地質(zhì)研究的時間切片(圖 10)顯示，頁巖研究在2010—2012年間存在一個較大的轉(zhuǎn)折，研究熱點與方向出現(xiàn)差異，因此，頁巖研究可以據(jù)此劃分為2個階段： 在2008年，頁巖研究方向較為雜亂，主要包括頁巖本身、烴源巖、有機質(zhì)、滲透性等多個研究角度，至2011年間衍生出熱成熟度、模型、系統(tǒng)等多個新知識節(jié)點；但在2012年左右，頁巖研究出現(xiàn)了1個顯著的新節(jié)點——頁巖氣(shale gas)，其在頁巖相關(guān)研究知識貢獻量年度占比可以達到90%以上，其他重要節(jié)點則包括多孔介質(zhì)(porous media)、液化(liquefaction，如頁巖油氣液化等)、瀝青(bitumen)、孔隙結(jié)構(gòu)(pore structure)等，并最終形成納米孔(nanopore)、力學(xué)與壓裂、氣體吸附與賦存運移、儲層表征等主要發(fā)展方向與最新熱點。從頁巖相關(guān)研究的內(nèi)容和節(jié)點來看，對頁巖的認知顯著存在有烴源巖或蓋層向頁巖油氣儲集層的變化。

進一步對頁巖相關(guān)文獻進行知識網(wǎng)絡(luò)聚類分析(圖 11)的結(jié)果表明，從宏觀聚類的角度，頁巖相關(guān)文獻可以劃分為以頁巖表征(孔隙結(jié)構(gòu)、含氣性等)為代表的主知識網(wǎng)絡(luò)和以頁巖氣賦存、滲流、運移及微觀模擬等構(gòu)成的延伸知識網(wǎng)絡(luò)。

2.3 從成分、結(jié)構(gòu)、物性到構(gòu)造-沉積-古地理研究

圖 11 頁巖研究的知識網(wǎng)絡(luò)聚類分析Fig.11 Knowledge network clustering analysis of shale research

從細粒沉積物與頁巖的研究熱點來看，結(jié)構(gòu)、物性及影響機理等主要研究方向都與服務(wù)含油氣細粒沉積物的地質(zhì)勘探、評價以及形成非常規(guī)油氣地質(zhì)理論緊密結(jié)合。細粒沉積物的含油氣性能與生烴潛力等，是油氣地質(zhì)勘探與選區(qū)評價的主要依據(jù)。在細粒沉積物的烴源巖評價以及儲層評價中，沉積物的礦物構(gòu)成、有機質(zhì)含量、孔隙結(jié)構(gòu)、孔滲物性、巖石厚度與空間展布等，是用于評價優(yōu)選的主要指標(biāo)(李玉喜等，2012；涂乙等，2014)。細粒沉積物儲集空間與力學(xué)性質(zhì)都受到了物質(zhì)分異與方向性的影響，如頁巖地層在平行或垂直層理方向具有顯著不同的物性、力學(xué)性質(zhì)，結(jié)構(gòu)的各向異性與物質(zhì)成分特征的差異使頁巖儲層普遍具有強烈的小尺度非均質(zhì)性(郭英海和趙迪斐，2015)；除靜態(tài)表征孔隙發(fā)育程度、宏觀滲透性等參數(shù)外，微觀孔隙的連通性、含氣有效性等也成為儲層表征的重要依據(jù)。因此，對細粒沉積物的儲層表征相對常規(guī)儲層更為復(fù)雜，需要綜合成分、結(jié)構(gòu)、物性乃至不能直接測試觀察的間接自然屬性，如評價孔隙時的分形特征、非均質(zhì)性特征等，也形成了一系列針對細粒沉積物進行觀測、表征、評價的技術(shù)方法(Chenetal.，2011；Freemanetal.，2011；Fengetal.，2014；趙迪斐等，2018；Zhaoetal.，2019a)。對細粒沉積物含油氣性能的評價涉及巖石成分、結(jié)構(gòu)、物性等直接影響因素，也在更大尺度上受到沉積環(huán)境—儲層成巖作用—構(gòu)造改造作用等間接影響因素的控制，且間接因素通過影響直接因素而控制巖石的宏微觀發(fā)育特征。值得注意的是，沉積環(huán)境的演化可以導(dǎo)致細粒沉積物層系內(nèi)含油氣性質(zhì)與儲層性質(zhì)的改變，如四川盆地龍馬溪組頁巖沉積時水體環(huán)境向上變淺，并在龍馬溪組頂部—新灘組等層位過渡為海陸過渡環(huán)境，形成細粒致密砂巖，在渝東南地區(qū)龔地1井等新灘組層位見良好的氣顯示，對應(yīng)含氣性質(zhì)由頁巖氣過渡為致密氣(林拓等，2017；趙迪斐等，2018)。構(gòu)造-沉積-古地理特征綜合控制細粒沉積物的物質(zhì)組分與空間分布，因此，可以用于指導(dǎo)儲層評價與優(yōu)選(牟傳龍等，2016；王秀平等，2018)。細粒沉積物特殊的開發(fā)方式使儲層力學(xué)脆性成為重要評價指標(biāo)，優(yōu)質(zhì)脆性有利于壓裂時形成網(wǎng)絡(luò)裂隙，可以大幅提高賦存氣體的釋放量與排出效率，對力學(xué)脆性的評價也同樣形成了結(jié)合多個直接控制因素與間接影響因素的綜合評價方法(Chandleretal.，2013；王鵬等，2013；趙迪斐等，2016；周順林等，2017；賴富強等，2019； Zhaoetal.，2019b)。

3 細粒沉積物古地理重建方法與進展

含油氣細粒沉積物開發(fā)尤其需要注意資源的經(jīng)濟性，各類主要評價方法對細粒沉積物有利區(qū)的評價預(yù)測，都離不開細粒沉積物的古地理還原(馮增昭，2005，2016；賈承造等，2014)。沉積控相、相控儲層，對頁巖油氣地質(zhì)評價至關(guān)重要的有機質(zhì)、礦物組分、沉積構(gòu)造等特征，均受控于細粒沉積物沉積時的古環(huán)境特征。因此，通過沉積相研究與古環(huán)境重建，可以明確具有特定特征細粒沉積物的自然分布規(guī)律，進而作為指導(dǎo)含油氣細粒沉積物勘探開發(fā)與評價預(yù)測的依據(jù)與指南(郭英海等，2004；Guoetal.，2004；牟傳龍等，2016；施振生等，2018；王秀平等，2018)。古地理研究通過重建沉積時期地理環(huán)境面貌，如古海洋、古陸、古氣候、古生物面貌、古水體條件以及古自然地理帶的分布與格局，進而獲知影響細粒沉積物沉積方式的主要因素。半深湖—深湖細粒沉積物的巖相古地理取得了進展，通過巖相類型的科學(xué)劃分和宏觀、微觀基本特征研究，提取關(guān)于沉積微環(huán)境的地質(zhì)信息和環(huán)境參數(shù)，合理匹配古地理環(huán)境中的古湖盆底形、水動力差異等重要因素(張順等，2014)，取得了良好效果。

含油氣細粒沉積物一般具有復(fù)雜的地質(zhì)條件與勘探開發(fā)環(huán)境，對其展開有利區(qū)預(yù)測或甜點評價亟待精度提高。古地理圖是反映古地理特征的主要媒介，可以劃分為巖相古地理圖、生物古地理圖、構(gòu)造古地理圖、定性古地理圖、定量古地理圖、“固定論”古地理圖、“活動論”古地理圖等復(fù)雜類型，巖相古地理圖通常以時間地層單位內(nèi)占統(tǒng)治的、平均的或特殊的巖相類型來表示古地理環(huán)境的變化規(guī)律，在標(biāo)志層(index bed)等的限定下可以表征地質(zhì)時間里的“瞬時”特征，可以反映沉積古地理特征及巖石礦產(chǎn)資源分布特征，對油氣以及層控沉積礦產(chǎn)具有良好的指示意義(馮增昭，2016)。平衡剖面法、相比法、等時面優(yōu)勢相帶成圖法、層序—巖相法、單因素分析綜合作圖法、古地磁學(xué)三維古地形再造法等是進行巖相古地理恢復(fù)的主要方法，各方法各有優(yōu)劣： 平剖面法基于第一手資料，但工作量大、量化程度低；相比法主要適用于厚度較大、地層穩(wěn)定的沉積物古地理恢復(fù)；等時面優(yōu)勢相帶成圖法瞬時性強，但針對礦層時難以確保等時面存在；層序—巖相法等時性好，但指導(dǎo)勘探意義仍需深化研究；單因素分析綜合作圖法量化程度與可信度均較好，應(yīng)用范圍較廣；古地磁學(xué)三維古地形再造法等可以實現(xiàn)三維古地理恢復(fù)，具有空間恢復(fù)的優(yōu)勢(馮增昭，2004；康學(xué)武，2013)。目前，在細粒沉積的古地理恢復(fù)方法中，馮增昭(2004)對古地理恢復(fù)做出了基礎(chǔ)性的、卓著的貢獻，其所倡導(dǎo)的單因素分析多因素綜合作圖法是應(yīng)用效果好、應(yīng)用范圍廣泛的重要恢復(fù)方法，該方法基于第一手地質(zhì)資料，可以實現(xiàn)厚度、巖石類型、結(jié)構(gòu)組分、古生物與生態(tài)組合等單因素的多因素綜合分析，對于油、氣、沉積礦產(chǎn)勘探具有極好的指導(dǎo)意義。隨著研究資料的不斷豐富和數(shù)據(jù)處理、挖掘技術(shù)的不斷進步，以基于數(shù)據(jù)庫和GIS繪制高精度古地理圖等方法成為數(shù)字化古地理研究的最新方法。在地質(zhì)大數(shù)據(jù)時代逐漸來臨的背景下，海量地質(zhì)數(shù)據(jù)處理及高精度古地理圖件成為古地理恢復(fù)的新要求，其具有數(shù)據(jù)計算能力強、精度高、定量分析結(jié)果可疊加等獨特優(yōu)點，可以有效結(jié)合不同類型的地質(zhì)數(shù)據(jù)，將位置、巖性、古生物等信息有機結(jié)合還原古地理條件(李少華等，2008；孫莎莎等，2018)。在GIS等制圖平臺上，計算機成圖技術(shù)還可以與其他傳統(tǒng)古地理恢復(fù)方法結(jié)合，提高古地理成圖的準(zhǔn)確性。

恢復(fù)沉積盆地面貌與古地理特征，是中國油氣沉積學(xué)面臨的重要挑戰(zhàn)(朱筱敏等，2016)。在經(jīng)過多年發(fā)展成型的主要古地理恢復(fù)方法的基礎(chǔ)上，計算機處理、數(shù)據(jù)量化、大數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)的進一步成熟，也將促進細粒沉積物古地理恢復(fù)精確度與合理性的不斷提高，建立地層數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用大數(shù)據(jù)古地理恢復(fù)方法可以集成古生物、巖性、古地磁、年代數(shù)據(jù)、沉積構(gòu)造以及厚度等地層特征，大幅增加古地理面貌的可信度與真實性。通過大數(shù)據(jù)與計算機輔助技術(shù)進行古地理恢復(fù)的一個主要問題是恢復(fù)過程與計算結(jié)果是否符合地質(zhì)經(jīng)驗，在數(shù)據(jù)較為缺乏、控制程度不足的區(qū)域以及區(qū)域邊緣，計算機與軟件輔助成圖方法中通過克里金插值法等計算獲得的古地理重建結(jié)果往往與人工經(jīng)驗差異顯著，雖然數(shù)據(jù)量的豐富可以增加重建結(jié)果的可信度，但由于這些區(qū)域往往是深埋或構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，地質(zhì)資料稀缺，因此將人為經(jīng)驗引入計算機輔助制圖是解決此問題的關(guān)鍵，專家知識系統(tǒng)等人工智能方法將是解決此問題的可行方法，改進古地理重建過程中的插值方法等關(guān)鍵運算方法，也是提高古地理恢復(fù)精度與合理程度的重要途徑。

古地理可以作為頁巖等細粒沉積物地質(zhì)勘察的指南(王秀平等，2018)。目前，通過古地理特征預(yù)測油氣甜點區(qū)或有利區(qū)的應(yīng)用顯示，古地理特征作為古沉積環(huán)境與沉積過程的主要影響因素，可以較好地指示優(yōu)質(zhì)細粒沉積物的空間分布(錢勁等，2013；張海全等，2013；邱小松等，2014；田碩夫和楊瑞東，2016；王秀平等，2018)。

4 結(jié)論與展望

1)細粒沉積物微觀礦物組分處于黏土—粉砂尺度，在不同沉積環(huán)境與沉積條件下可以形成泥巖、頁巖、粉砂巖等多種不同巖性類型，但非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)等新興地學(xué)學(xué)科興起后，帶來了細粒沉積物類型界定、定義、含油氣系統(tǒng)變革以及儲層評價表征等方面的革新，也引申出煤系細粒沉積、細粒致密儲層等新的關(guān)注增長點以及細粒沉積物搬運、沉積與成巖過程等新的研究難點。

2)基于文獻計量學(xué)對細粒沉積物的知識結(jié)構(gòu)、熱點與圖譜展開研究，表明細粒沉積研究關(guān)注微觀結(jié)構(gòu)、成因以及具有油氣意義的特殊細粒沉積物等方向，頁巖等特殊細粒沉積物是近年來細粒沉積研究的關(guān)鍵進展，細粒沉積物的研究熱點與服務(wù)含油氣細粒沉積物的地質(zhì)勘探、評價以及形成非常規(guī)油氣地質(zhì)理論緊密結(jié)合，對頁巖的研究過程可以分為以頁巖表征為代表的主知識網(wǎng)絡(luò)和以頁巖氣賦存、運移等構(gòu)成的延伸知識網(wǎng)絡(luò)。

3)細粒沉積物的古地理還原對細粒沉積物有利區(qū)的評價預(yù)測至關(guān)重要，沉積相研究與古環(huán)境重建可以明確具有特定特征的細粒沉積物的自然分布規(guī)律，進而作為指導(dǎo)含油氣細粒沉積物勘探開發(fā)與評價預(yù)測的依據(jù)與指南。細粒沉積物古地理恢復(fù)方法豐富，適用性存在差異，但量化、多因素綜合、數(shù)據(jù)集成與深度挖掘、人工智能化將是細粒沉積古地理恢復(fù)方法的研究進展方向。

近10年來，中國在細粒沉積模式、微納米油氣儲層地質(zhì)以及“人工油氣藏”的勘探開發(fā)方面的進展，已經(jīng)形成非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)及細粒沉積學(xué)的理論體系框架，并仍有廣闊的發(fā)展空間。細粒沉積物的研究將向“更宏觀”與“更微觀”2個主要方向發(fā)展。在“更宏觀”上，大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘與計算機制圖技術(shù)的進步以及對細粒沉積地層理論與測試數(shù)據(jù)的不斷積累，逐步建立起地學(xué)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫成為可能，目前，GBDB作為代表性數(shù)據(jù)庫已經(jīng)嘗試對全球范圍內(nèi)的報道文獻數(shù)據(jù)進行了收集與整合，全球化對比、大數(shù)據(jù)精細重建、計算機輔助方法改進、人工智能介入等，都是可能產(chǎn)生重要突破的知識節(jié)點。在“更微觀”上，從細粒沉積物的控制影響因素出發(fā)，到對細粒沉積物本身的精細表征，其精細程度、全面程度、量化程度將得到不斷提升，優(yōu)質(zhì)含油氣細粒沉積物的形成過程與發(fā)育機理也將繼續(xù)成為研究熱點?？傮w來說，近年來細粒沉積物在表征、成因、評價、預(yù)測等方面都取得了豐富進展，宏微觀研究方法與技術(shù)體系不斷完善，前沿關(guān)注熱點不斷演變，機理研究、量化研究、創(chuàng)新方法研究不斷推進對細粒沉積物的認識深度。含油氣細粒沉積的持續(xù)開發(fā)、細粒沉積物的復(fù)雜成因與結(jié)構(gòu)特性，將使針對細粒沉積物的研究繼續(xù)成為沉積學(xué)與古地理學(xué)、油氣地質(zhì)學(xué)、納米地球科學(xué)等領(lǐng)域的熱點與難點，并繼續(xù)催生領(lǐng)域內(nèi)宏微觀不同尺度的技術(shù)進步。