楊 輝，朱代強，劉祥剛，何 橋

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽550081）

由“細粒物質(zhì)”（粒徑＜63 μm）構(gòu)成了細粒沉積巖，其組分多樣，包括碳酸鹽、石英、長石、黏土及有機質(zhì)等[1]。關(guān)于細粒沉積的研究首先從泥巖開始。早在1747 年，Hoosen 提出了泥巖的概念。John Farey 在1811 年最早定義了頁巖（shale）一詞[2]。但直到1853 年，巖石學之父Sorby 才首次利用薄片來研究泥巖的微觀特征。他在1908 年指出，細粒泥巖看似簡單，實則非常復雜。1932 年，Krumbein 依據(jù)巖石粒度特征，定義了細粒沉積的概念。細粒沉積學（fine-grained sedimentology）最早由Gorsline 在1984 年提出，他認為細粒沉積學的研究內(nèi)容應(yīng)從大尺度的地層格架、巖石學研究轉(zhuǎn)向精細地層、礦物屬性及成因研究。

細粒沉積學的研究有助于人類了解古氣候，理解沉積物從物源到最遠端的沉積過程。不僅如此，細粒沉積巖中還蘊藏著大量的非常規(guī)油氣資源[3-5]。國內(nèi)外目前關(guān)于細粒沉積學的研究主要包括礦物學、巖石學、沉積環(huán)境及沉積作用等方面[1,6-7]。

1 細粒沉積物質(zhì)構(gòu)成及其沉積特征

細粒沉積的物質(zhì)組成可以分為無機組分與有機質(zhì)兩大部分，二者的沉積特征與相互關(guān)系復雜，涉及的種類與范圍廣泛。該文選取最主要的無機組分石英、黏土礦物及碳酸鹽作介紹，有機質(zhì)部分介紹其賦存特征與富集機理，最后探討二者間相互關(guān)系。

1.1 無機組分沉積特征

不同地區(qū)細粒沉積巖的組分差別巨大，四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖富含石英及黏土礦物；東營凹陷沙四上—沙三下亞段頁巖、泌陽凹陷核桃園組頁巖等碳酸鹽礦物更為富集[1,8-9]。

石英是細粒沉積巖最主要和重要的礦物之一。一方面是因為石英豐度高，在中國海相頁巖中，石英含量約18.4%～70.6%，均值37.3%，在中國陸相頁巖中，石英含量多為20%～30%，均值23.79%[10]；另一方面，石英影響頁巖可壓裂性，其含量與可壓裂性呈正比，這直接影響頁巖油氣的開發(fā)效益。石英的成因類型豐富。傳統(tǒng)認為石英為陸源成因，由物源提供，經(jīng)風化作用，于湖盆或海洋中沉積。這一過程中，伴隨有侵蝕、風化、搬運等沉積作用過程，多與黏土、長石等礦物協(xié)同。陸源石英顆粒常具有棱角，或呈不規(guī)則狀，在鏡下易于識別。隨著非常規(guī)頁巖油氣的勘探研究表明，在中國四川盆地奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組、美國東部泥盆系頁巖、Barnett 頁巖、Woodford 頁巖和Marcellus 頁巖中存在生物成因的石英，這主要是利用地球化學元素圖解（Al-Fe-Mn 等）以及鏡下鑒定等方法進行確定。目前對生物石英多處于定性研究，分析其形態(tài)、陰極發(fā)光及光譜特征等。生物石英多為隱晶，粒徑細小，陰極發(fā)光為弱發(fā)光-不發(fā)光，波長在620 nm 附近出現(xiàn)峰值[11]。此外，在成巖過程中，黏土礦物伊利石化產(chǎn)生二氧化硅，以微晶石英形式存在于黏土基質(zhì)中，顆粒大小多為幾個微米。

細粒沉積巖中的黏土礦物包括伊利石、伊蒙混層、高嶺石等，在不同地區(qū)，黏土礦物類型與含量不同。東營凹陷沙四上—沙三下亞段頁巖黏土礦物以伊利石為主，均值達85.45%。伊蒙混層均值為17.22%。四川盆地五峰組—龍馬溪組同樣有以伊利石為主的頁巖，如川南地區(qū)黏土礦物中伊利石均值為67.8%；綠泥石均值21.2%；伊蒙混層均值11%。但在川東南地區(qū)黏土礦物則以伊蒙混層為主，均值達54.4%；伊利石均值為39.4%；綠泥石均值僅6%；零星分布高嶺石。黏土礦物的變化與物源供給、成巖演化等均有關(guān)系。

通過對細粒沉積的水槽實驗研究發(fā)現(xiàn)，在水流的作用下，黏土顆?？梢酝ㄟ^絮凝的方式沉淀，粒徑最大約1 mm，與粗粒物質(zhì)相似，可在海底運移并形成特有的波痕結(jié)構(gòu)。同時，這些讓黏土顆粒沉淀并且在底床形成波痕的水動力足夠搬運砂[12]。絮凝波痕的產(chǎn)生取決于沉積物供給量和流體速度的變化。流速較高時，沉積物底床搬運剪切力較大，絮凝體缺乏足夠的能量保持而被破壞，此時只有粉砂級單獨顆粒沿底床搬運。隨著流速降低，底部剪切力隨之下降，絮凝體足以克服底部剪切力進而和粗粒沉積物一起沿底床搬運，形成了富粉砂和富絮凝體紋層。

碳酸鹽礦物在頁巖中分布廣泛，以方解石、白云石為主。其沉積機制研究相對薄弱，這與碳酸鹽礦物自身成因復雜有關(guān)。其形成可與物理機械作用、化學作用、生物作用及生化作用等有關(guān)。Jiang 等（2007）探討了物源供給、古地貌、構(gòu)造作用及古氣候?qū)μ妓猁}的影響[13]，邱隆偉等（2010）針對泥灰?guī)r開展了巖相學研究[14]，碳酸鹽的沉積受生物作用或生化作用、化學作用影響顯著。在細粒沉積巖中，生物成因的碳酸鹽成分主要來自生活在透光帶的浮游動物，以及生活在海底的底棲生物，包括生物的骨骼和遺殼等。浮游生物的有機殘骸常常與黏土礦物通過生物化學作用結(jié)合成“海洋雪”沉到海底。碳酸鹽亦可以在生烴前沉積-同生階段膠結(jié)形成，或交代形成。

1.2 有機質(zhì)的賦存與富集

目前對有機質(zhì)的研究，多集中于其含量的縱橫向及平面的變化等[15-16]。關(guān)于富有機質(zhì)頁巖層段中有機質(zhì)賦存的研究相對較少。前人認為有機質(zhì)的賦存狀態(tài)受無機組分影響。存在分散有機質(zhì)、礦物瀝青基質(zhì)、有機黏土復合體、有機質(zhì)-灰泥質(zhì)復合體等有機質(zhì)賦存形式[17-18]。在四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖中，前人識別出顆粒內(nèi)部、黏土礦物吸附等有機質(zhì)賦存形式[19]。這些研究可對盆地中有機質(zhì)的成因、時空分布特征以及生烴機理分析提供幫助[20]，也利于油氣甜點的評價預測分析。

前人研究發(fā)現(xiàn)，有兩種模式可以用于解釋有機質(zhì)的富集[21]。第一種是生產(chǎn)力模式，即有機質(zhì)富集的主控因素是初始生產(chǎn)力，第二種是保存模式，即有機質(zhì)富集的主控因素是底層水的氧化還原條件。一些研究發(fā)現(xiàn)，底層水的氧化還原條件與有機質(zhì)富集間的相關(guān)性較弱，而初始生產(chǎn)力與有機質(zhì)間呈現(xiàn)更好的相關(guān)性，進而認為較高的初始生產(chǎn)力是有機質(zhì)富集的關(guān)鍵因素。

進入海洋的有機質(zhì)中，絕大多數(shù)（約90%）在與沉積物結(jié)合之前就被氧化或受細菌降解作用影響。這一過程受有機質(zhì)供給、有機質(zhì)類型、底層水缺氧、快速埋藏、自然硫化及細粒沉積幾個方面的影響[22]?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，有機質(zhì)的富集主要受沉積環(huán)境（包括生物供給與沉積速率）及細粒沉積兩方面的影響。

1.3 無機組分與有機質(zhì)相互關(guān)系

無機組分與有機質(zhì)間的相互關(guān)系復雜多變，這與二者成因有關(guān)。常規(guī)研究認為石英屬于陸源成因，與有機質(zhì)呈反比。在四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖中發(fā)現(xiàn)石英與有機質(zhì)間的相互關(guān)系呈階段性變化。在底部富有機質(zhì)層段中，TOC多大于2%，石英含量介于30%～70%，二者呈正比；在龍馬溪組一段中上部貧有機質(zhì)層段中，TOC多小于2%，石英含量介于15%～40%，二者間相關(guān)性不明顯（如圖1a 所示）。

圖1 四川盆地JY1 井五峰組—龍馬溪組石英、黏土礦物與有機質(zhì)關(guān)系Fig. 1 The relationship between quartz and clay minerals with organic matter of JY1 well Wufeng-Longmaxi formation in Sichuan Basin

這主要受生物石英富集于底部的影響，其與有機質(zhì)同屬生物成因，因此呈正比。上部層段生物石英減少，陸源石英增多且水體變淺，有機質(zhì)含量低且與石英的正比關(guān)系消失。

細粒沉積巖中有機質(zhì)含量與黏土礦物的關(guān)系極為密切。黏土礦物對有機質(zhì)有吸附作用，通過離子交換形成化學性質(zhì)穩(wěn)定的復合體，有利于有機質(zhì)的保存。在頁巖及現(xiàn)代沉積中，可見二者呈正比。而在中上揚子區(qū)古生界海相烴源巖中，顯示出黏土礦物含量隨TOC增加而降低[23]。在四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖中亦可見相同趨勢，這與黏土礦物陸源成因相關(guān)（如圖1b 所示）?？梢?，黏土礦物與有機質(zhì)在沉積與成巖過程中的關(guān)系是十分復雜的。

圖2 東營凹陷沙四上亞段細粒沉積巖巖相類型劃分Fig.2 Lithofacies classification of fine-grained sedimentary rocks of the upper fourth member of Shahejie formation in Dongying Depression

2 巖相特征

國內(nèi)外學者基于各種實驗技術(shù)，在研究細粒沉積巖的巖石學特征基礎(chǔ)上，將成分、結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造、顏色、古生物等作為指標進行巖相劃分。20 世紀20年代以來，隨著X 衍射、掃描電子顯微鏡等技術(shù)的進步，巖相學研究更加關(guān)注細粒沉積巖的微觀特征與組分構(gòu)成。

關(guān)于細粒沉積巖巖相的分類方法不甚統(tǒng)一，多采用傳統(tǒng)的巖石定名，具體如下：①以主要的無機礦物（如石英、黏土礦物、碳酸鹽）作為端元進行劃分（如圖2[10]所示）。不同地區(qū)的細粒沉積巖組成成分有所不同，巖相分布不同。②注重細粒沉積巖的結(jié)構(gòu)特征，以粒度為指標進行分類。③注重細粒沉積巖的沉積構(gòu)造/水動力特征，將紋層與成分相結(jié)合進行巖相劃分[24]。在國內(nèi)五峰組—龍馬溪組頁巖中識別出貧硅不平行紋層頁巖、富硅平行紋層頁巖等9 種巖相[2]；在東營凹陷古近系細粒沉積巖識別出紋層狀泥質(zhì)巖與非紋層狀泥質(zhì)巖兩種類型，后續(xù)結(jié)合組分進行細化。④注重細粒沉積巖的物質(zhì)來源，在東營凹陷沙三段深湖相中識別出內(nèi)源性泥巖與外源性泥巖兩大類別以及8 種端元巖相。⑤注重細粒沉積巖的非均質(zhì)性，綜合礦物、有機質(zhì)、顏色、結(jié)構(gòu)及古生物特征的分類[25]。

3 沉積環(huán)境與沉積速率分析

3.1 水深與氧化還原性

對于細粒沉積巖的沉積環(huán)境，國內(nèi)外學者主要運用地球化學、礦物及古生物手段，發(fā)現(xiàn)其發(fā)育環(huán)境的多樣。關(guān)于沉積環(huán)境中水深的研究，可以利用沉積特征、地球化學（Th/U，F(xiàn)e/Co 等）等指標進行定性研究；利用古生物法進行定量分析[26]，如顆石豐度法、介形蟲分異度、筆石帶等，但古生物法恢復古水深對于古生物保存條件、識別準確度等要求較高，適用性較為受限；亦可利用測井恢復古水深；也存在地球化學與地區(qū)平均水深相結(jié)合的連續(xù)定量水深研究[27]。研究結(jié)果表明，東營凹陷沙四上—沙三下亞段細粒沉積巖發(fā)育水深為10～60 m，水體向上加深；四川盆地五峰組前期沉積于深水環(huán)境，觀音橋段受全球冰期影響，水體下降50～100 m，甚至更多[28]，龍馬溪組底部富有機質(zhì)頁巖沉積于深水環(huán)境，上部水體變淺。

判斷沉積環(huán)境中水體氧化還原性的主要指標有Cu/Zn，(Cu+Mo)/Zn，Ni/Co，V/(V+Ni)，Mo/Fe，Th/Uh 和Pr/Ph（姥鮫烷/植烷）等。王淑芳等（2014）對四川盆地南部寧203 井志留系龍馬溪組頁巖沉積環(huán)境的元素地球化學研究結(jié)果表明，龍馬溪組底部富有機質(zhì)頁巖沉積于缺氧環(huán)境，上部為氧化環(huán)境[29]。與生物生產(chǎn)率相比，還原性是影響有機質(zhì)富集的更重要因素。早志留世的缺氧環(huán)境與全球海平面快速上升一致，對黑色頁巖的形成亦具有明顯控制作用。

3.2 沉積速率

沉積速率的變化影響細粒沉積巖中有機質(zhì)的富集，二者間的關(guān)系復雜。低沉積速率下水體安靜，利于有機質(zhì)保存，高沉積速率對有機質(zhì)的影響則需考慮氧化還原條件。氧化條件下，較高的沉積速率利于有機質(zhì)的快速埋藏，縮短被分解時間，遷移氧化柱中的有機質(zhì)進入還原環(huán)境，利于有機質(zhì)保存。還原條件下，高沉積速率對有機質(zhì)具有稀釋作用。

目前，對于四川盆地五峰組—龍馬溪組細粒沉積巖沉積速率的研究相對較多，且多依托筆石定年，結(jié)合地層厚度進行計算。龍馬溪組沉積早期為深水相筆石頁巖沉積建造，沉積速率為1.5～33.8 m/Ma，龍馬溪組沉積中晚期為半深水-淺水相沉積建造，沉積速率為9.5～384.4 m/Ma。該區(qū)沉積速率與TOC間具有明顯的負相關(guān)性，即沉積速率越高，TOC越低（如圖3 所示）。這主要是因為該區(qū)在高沉積速率發(fā)育段，往往伴隨著弱還原條件，甚至弱氧化-氧化條件，初始生產(chǎn)力低，這就造成盡管快速埋藏可以縮短有機質(zhì)的降解時間，但原始供給不足、后期保存差，以及高沉積速率對有機質(zhì)的稀釋，最終二者表現(xiàn)出反比特征。

圖3 四川盆地JY1 井五峰組—龍馬溪組沉積速率與有機質(zhì)關(guān)系Fig. 3 The relationship between sedimentary rate and organic matter of JY1 well Wufeng-Longmaxi formation in Sichuan Basin

4 沉積動力與沉積條件研究

細粒沉積巖的發(fā)育環(huán)境不同，沉積條件與動力機制不同，沉積成因模式則不同。通過研究發(fā)現(xiàn)，引起細粒沉積物搬運、沉積的主要動力多樣，包括上升流、風暴、等深流等物理作用，以及膠體絮凝等化學作用和生物擾動等生物作用；搬運、沉積的對象也是豐富的，包括陸源碎屑、自生物質(zhì)、生物物質(zhì)、火山活動產(chǎn)物等。沉積作用一個或多個疊加在一起形成一套細粒沉積地層。不同的沉積作用下發(fā)育多樣的沉積構(gòu)造，如多樣的紋層、層理、塊狀構(gòu)造等?？梢姡毩３练e是一個極其復雜的產(chǎn)物。

諸多沉積條件，包括古氣候（溫度、濕度等）、古物源、古構(gòu)造（地貌）、古水體性質(zhì)（水深、水動力、還原性及水體分層等）、突發(fā)事件（濁流、海侵、火山活動等）均影響細粒沉積的發(fā)育，這其中還包括含氧量的變化。在陸相環(huán)境中，沉積條件的影響更為明顯、頻繁，表現(xiàn)在巖相、層序地層結(jié)構(gòu)、展布與演化等諸多方面。因此，對其沉積條件的刻畫，能從機理上分析細粒沉積的發(fā)育。因沉積條件之間復雜的相互關(guān)系，研究其中一方面沉積條件時，要結(jié)合其他沉積條件，這也是目前研究所缺乏的。

5 沉積相分析

國內(nèi)外在細粒沉積的沉積相識別、平面展布與演化方面，研究手段主要包括基質(zhì)組構(gòu)、沉積構(gòu)造、砂質(zhì)含量、古生物、特殊礦物、地化參數(shù)等[30]，研究精度為沉積亞相-微相級別。目前海相產(chǎn)氣的頁巖主要發(fā)育于陸棚相，以及斜坡與深水盆地等，如四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖、下寒武統(tǒng)頁巖、Barnett 頁巖、Marcellus 頁巖、Haynesville 頁巖等;陸相產(chǎn)油的頁巖主要發(fā)育于半深湖及深湖相，如東營凹陷沙四上亞段頁巖、泌陽凹陷核桃園組頁巖。

對于亞相及微相的劃分，針對四川盆地五峰組—龍馬溪組，劉樹根等（2013）劃分出深水陸棚與淺水陸棚兩大類[31]。張美玲等（2015）識別出深水硅泥質(zhì)陸棚微相、深水泥質(zhì)陸棚微相、深水砂泥質(zhì)陸棚微相、深水混積陸棚微相[32]。王玉滿（2015）則細分出深水陸棚、半深水陸棚、淺水陸棚及陸棚邊緣4種亞相，以及更為精細的鈣質(zhì)深水陸棚、泥質(zhì)深水陸棚等8 種沉積微相[33]。

6 探討與結(jié)論

上述可見，細粒沉積巖的組分與成因類型多樣，如石英成因包括陸源、生物成因和成巖自生等。而對于細粒沉積巖的巖相分類，國內(nèi)外學者根據(jù)顏色、組分、構(gòu)造發(fā)育情況等進行劃分，但對各組分的不同成因?qū)毩３练e巖分類的影響卻鮮有考慮，符合組分成因機制的巖相分類體系還未建立。可對細粒沉積巖中不同成因（陸源、生物、化學等）的組分進行定量識別，進行統(tǒng)一劃分。在頁巖油氣的勘探開發(fā)中，細粒沉積巖具有源-儲一體的特點，其巖相差異會導致生烴、儲集性能及含氣性的變化，因此，巖相的識別劃分影響泥頁巖產(chǎn)能評價。目前適用于頁巖氣評價的巖相分類體系還需深化研究。

沉積學研究不能只看表象，應(yīng)注重動力學分析。對于宏觀非均質(zhì)性不明顯的細粒沉積巖，更應(yīng)加強沉積動力分析。然而目前對其沉積作用研究還是相對較弱?？砷_展沉積特征精細（微納尺度）描述、實驗模擬動態(tài)研究以及現(xiàn)代沉積對比分析等，明確不同沉積作用過程與沉積現(xiàn)象之間的關(guān)系，加強沉積作用認識，這對于認識其沉積成因機理、分布演化以及頁巖油氣的富集規(guī)律具有重要的科學和實踐意義。

對于細粒沉積的研究，學科交叉研究顯得尤為重要，如沉積學與地球化學、古生物學等相結(jié)合。簡單泛泛的指標分析難以解釋沉積環(huán)境的細微變化對細粒沉積的影響；古生物的屬種、沉積特征等對認識細粒沉積的研究起到成因解釋、標尺等重要作用。因此，不同學科中優(yōu)勢的作用相結(jié)合能促進細粒沉積的快速發(fā)展；同時，細粒沉積研究的進步亦能對其他學科的發(fā)展起到促進作用。