王偉慶，劉惠民，劉雅利，方正偉，于杰杰

（1.中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點實驗室，山東東營 257015；2.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015；3.山東省非常規(guī)油氣勘探開發(fā)重點實驗室（籌），山東東營 257015；4.中國石化勝利油田分公司，山東東營 257001）

紋層又名細(xì)層，通常以限制性的厚度和范圍，連續(xù)和周期性的疊加方式為特征，是構(gòu)成頁理的基本結(jié)構(gòu)單元，也是頁巖層系是否具備儲集性并形成油氣工業(yè)聚集規(guī)模的物質(zhì)基礎(chǔ)。紋層一般形成于水體分層或生物階段性勃發(fā)等內(nèi)生性因素變化過程中，在地質(zhì)記錄中發(fā)育廣泛，從古羅馬時期渡槽中結(jié)核的碳酸鹽紋層［1］，到35 億年前淺海環(huán)境中疊層石的層狀碳酸鹽構(gòu)造［2］；從印度洋海底的甲烷滲漏區(qū)［3］，到意大利南部山區(qū)的洞穴堆積物［4］，紋層發(fā)育顯示出復(fù)雜的環(huán)境多樣性。國外學(xué)者研究主要側(cè)重于生物活動對碳酸鹽沉積的影響，以及紋層作為周期性沉積產(chǎn)物在地質(zhì)年代學(xué)中的作用［5］；中國學(xué)者傾向于將紋層納入到巖相中討論［6-10］，強(qiáng)調(diào)沉積環(huán)境對巖相的控制作用，也有部分學(xué)者把湖泊紋層年代學(xué)作為研究重點［11-13］。目前對于紋層內(nèi)部微觀變化特征的識別與分析較少，缺乏沉積屬性的特征比對和實證資料，某種程度上制約了頁巖成因和形成環(huán)境判識等方面的深入研究。

近年來，勝利油田在頁巖油勘探方面開展了大量基礎(chǔ)分析測試與實踐，湖相頁巖沉積區(qū)先后鉆探了多口探井，獲得了古近系巨厚細(xì)粒沉積物系統(tǒng)取心資料。筆者基于牛頁1、樊頁1井等取心井巖石特征的系統(tǒng)觀察，利用巖石薄片、掃描電鏡、X 射線衍射和顯微熒光等分析方法，針對厚度為0.05～1 mm碳酸鹽紋層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其生物-化學(xué)-物理過程進(jìn)行分析，通過解釋碳酸鹽紋層的成因，為沉積相分析和甜點預(yù)測等相關(guān)研究和生產(chǎn)實踐提供依據(jù)。

1 紋層內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1 形貌特征

巖心觀察顯示古近系頁巖紋層通常以平直狀或波狀產(chǎn)出，厚度變化不均。碳酸鹽紋層與黏土紋層、有機(jī)質(zhì)紋層、粉砂紋層形成互層，根據(jù)晶粒大小劃分為泥晶碳酸鹽紋層（＜0.01 mm）和亮晶碳酸鹽紋層（＞0.01 mm）2 類，其中泥晶碳酸鹽紋層發(fā)育普遍且集中分布，構(gòu)成厚度超過2 m 連續(xù)分布的紋層組，被成層性差的黏土和粉砂沉積物間隔。亮晶碳酸鹽紋層分布相對局限，對應(yīng)的紋層組厚度一般小于0.5 m。

從牛頁1 井紋層形貌特征及沉積構(gòu)造（圖1）可以看出，紋層形態(tài)以平直為主，局部出現(xiàn)扭折、錯斷（3 416.94 m）及彎曲變形（3 419.74 m）；單個紋層具有較好的連續(xù)性，局部出現(xiàn)連續(xù)性較差的透鏡體（3 413.39 m）；收斂方式相對復(fù)雜，部分呈楔狀收斂和透鏡狀收斂，二者以空間上互補(bǔ)的組合形式出現(xiàn)（3 415.44 m），反映紋層組發(fā)育多受控于沉積環(huán)境和介質(zhì)條件。紋層組下部見典型的滑動變形構(gòu)造（3 419.34～3 419.45 m），滑動發(fā)生在距沉積層面20 cm 的碳酸鹽紋層中，變形程度最高的位置處于滑動層的底部或中部，反映半固結(jié)沉積物順層滑動的特點。紋層組頂部發(fā)育生物灘或內(nèi)碎屑為主要組分的碎屑流沉積，前者是淺湖-濱湖環(huán)境連續(xù)沉積的相變產(chǎn)物，后者對應(yīng)階地邊緣的塊體滑動和崩塌作用，記錄了侵蝕-再沉積的地質(zhì)過程。

圖1 牛頁1井紋層形貌特征及沉積構(gòu)造Fig. 1 Lamina morphology and sedimentary structures in Well Niuye1

沉積水動力較強(qiáng)的位置或自然環(huán)境中的化學(xué)邊界是紋層組發(fā)育的重要邊界，巖心觀察中見富砂質(zhì)沉積物的沖刷邊界（3 412.34 m）以及氧化-還原界面上的自然硫（3 410.64 m）。

利用X 射線三維顯微鏡（微米CT）對牛頁1 井3 425.23 m 處的一塊直徑和長度均為2.5 cm 的巖心柱進(jìn)行測試，巖心柱中的白色區(qū)域即碳酸鹽紋層集中發(fā)育區(qū)（圖2）。分析結(jié)果表明碳酸鹽紋層所占體積比為16.25%，紋層厚度為10～800 μm，98%的紋層厚度小于300 μm；紋層長度變化較大，部分紋層長度超過所測巖心長度，紋層寬度主要為10～600 μm，反映了微米—毫米級紋層集中發(fā)育的特征。

圖2 牛頁1井紋層微米CT掃描圖像及碳酸鹽紋層頻數(shù)分布Fig. 2 CT scans of laminae and frequency of carbonate laminae in Well Niuye1

1.2 礦物特征

1.2.1 礦物類型與產(chǎn)狀

碳酸鹽紋層中礦物成分多樣，含有方解石、白云石、菱鐵礦、菱鍶礦、黃鐵礦、自生石英、石鹽、硬石膏、石膏等多種礦物組分（圖3a—3f）。粒狀方解石和片狀伊利石是古近系頁巖紋層中的2種主要礦物組分，隨著伊利石類黏土礦物含量降低，紋層由黏土礦物環(huán)繞碳酸鹽等碎屑顆粒構(gòu)成的包含結(jié)構(gòu)，逐漸過渡為碳酸鹽礦物結(jié)晶形成的連晶結(jié)構(gòu)。前者碳酸鹽顆粒通常具有破損或一定程度的磨圓，記錄了機(jī)械搬運活動的影響，后者方解石、白云石等各種碳酸鹽礦物晶面上普遍具有黃鐵礦、石英等自生礦物印模（圖3g，3h），說明礦物結(jié)晶過程中存在多變的流體介質(zhì)環(huán)境。相鄰的粉砂紋層以石英、長石等陸源碎屑為主，含少量方解石、白云石碎屑和黏土礦物；黏土紋層和有機(jī)質(zhì)紋層富含黏土礦物和有機(jī)質(zhì)，還含有數(shù)量不等的黃鐵礦和碳酸鹽顆粒。

圖3中亮晶碳酸鹽揭示了紋層次生演化過程中強(qiáng)烈的變形和重結(jié)晶作用，其中亮晶方解石具有明顯的近距離經(jīng)溶解再重結(jié)晶的特征且與有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)［14］。一部分亮晶碳酸鹽紋層具有原生性質(zhì)，鏡下觀察見櫛殼狀生長的結(jié)晶形態(tài)，屬于典型的滲流帶碳酸鹽礦物結(jié)晶標(biāo)志，陳驥等在青海湖灘巖的研究中也證實了類似環(huán)境的碳酸鹽結(jié)構(gòu)［15］。

圖3 碳酸鹽、黃鐵礦及蒸發(fā)巖類礦物產(chǎn)狀Fig. 3 Occurrences of carbonate，pyrite and evaporite minerals

1.2.2 礦物組構(gòu)特征

富鎂碳酸鹽發(fā)育是古近系碳酸鹽紋層的成分特征之一。圖4a中亮色區(qū)域為結(jié)晶方解石，暗色部分富含黏土礦物及泥晶級碳酸鹽碎屑。從圖4b 可以看出，結(jié)晶方解石中Mg 原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常低于5%，暗色區(qū)域中Mg 原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常大于12%。大粒徑的碳酸鹽聚合體（圖4c）中，Mg原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)由亮色區(qū)的4%～7%上升到22%～38%（圖4d）。分析可知，東營凹陷古近系咸化湖泊中存在大量比Ca2+更小的Fe2+，Mn2+，Mg2+等離子，其中被水分子包圍的Mg2+等水合鍵的強(qiáng)度比Ca2+高20%，高鹽度演化階段形成的文石和高鎂方解石向穩(wěn)定的方解石轉(zhuǎn)化需在淡水條件下進(jìn)行，而始新世中期頻繁的湖平面升降為紋層中方解石類碳酸鹽礦物的形成提供了基礎(chǔ)條件。圖4c 中結(jié)晶方解石顆粒中的富鎂質(zhì)殘余也驗證了這一特征。

圖4 官17-11井紋層及碳酸鹽紋層Ca，Mg和C原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig. 4 Variation in atomic mass fractions of Ca，Mg，and C between laminae and carbonate laminae in Well Guan17-11

東營凹陷沙四段上亞段—沙三段下亞段頁巖中白云石具有顯著的熒光特征（圖5a），證實有機(jī)質(zhì)參與了白云石的結(jié)晶進(jìn)程。草莓狀黃鐵礦是紋層中重要的礦物類型之一且晶粒大小變化較大，這是由于隨著含氧程度增加，草莓狀黃鐵礦的粒徑增大且分布范圍趨于加寬［16］。沙四段上亞段頁巖中大晶粒黃鐵礦發(fā)育在碳酸鹽紋層中，小晶粒黃鐵礦發(fā)育在黏土紋層中，符合湖泊中心區(qū)還原條件加強(qiáng)的趨勢。

碳酸鹽紋層與黃鐵礦層狀分布具有交替發(fā)育的現(xiàn)象（圖5b，5c），反映環(huán)境變化對碳酸鹽沉淀和黃鐵礦生成具有共同的制約作用。DUPRAZ等發(fā)現(xiàn)以藍(lán)藻為代表的典型光自養(yǎng)微生物群落負(fù)責(zé)二氧化碳的固定，新生有機(jī)碳是異養(yǎng)細(xì)菌發(fā)育的首選位置，異養(yǎng)群落包括硫酸鹽還原菌和甲烷細(xì)菌等厭氧菌［17］，合理地解釋了微生物介導(dǎo)的碳循環(huán)通過代謝轉(zhuǎn)化，控制光合作用與呼吸作用之間的平衡，形成這種被沉積界面限定的礦物共生現(xiàn)象。

利用掃描電鏡觀察部分紋層中發(fā)育非晶態(tài)CaSO4（圖5d），符合ADDADI 等識別的非晶態(tài)前驅(qū)體特征，前驅(qū)體條件合適時會相變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)的針狀、圓片狀硬石膏［18］。

圖5 白云石、方解石結(jié)晶特征及黃鐵礦發(fā)育特征Fig. 5 Crystal features of dolomite and calcite and pyrite development features

白云石還具有與黃鐵礦共生結(jié)晶現(xiàn)象（圖5e）。VASCONCELOS 等在巴西lagoa vemelha 潟湖中發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代白云石［19］，并建立白云石形成與硫酸鹽細(xì)菌活動的動力學(xué)模型，這與東營凹陷沙四段上亞段—沙三段下亞段富含黃鐵礦，硫酸鹽還原菌活躍的微生物發(fā)育特征以及白云石-黃鐵礦共生現(xiàn)象類似，可以推測硫酸鹽還原菌介導(dǎo)的白云石沉淀是白云石形成的關(guān)鍵因素。圖5f 揭示了部分紋層中碳酸鹽礦物特有的結(jié)晶特征，即部分微米級碳酸鹽顆粒來自于納米級碳酸鹽微粒的黏結(jié)，這些納米級顆粒具有不規(guī)則的外形且在進(jìn)一步的結(jié)晶過程中聚合生長，形成不規(guī)則顆粒形態(tài)。

2 成因分析

2.1 沉積屬性

碳酸鹽紋層通常被作為碳酸鹽巖的一個結(jié)構(gòu)單元［20-21］，而不作為一種具有獨立意義的沉積單元來研究。東營凹陷沙四段上亞段頁巖形貌特征表明，碳酸鹽紋層與黏土紋層、粉砂紋層和有機(jī)質(zhì)紋層等以不同形式組合，經(jīng)歷了多期侵蝕-再沉積旋回沉積活動，具有相對獨立的沉積屬性。

單個紋層內(nèi)部存在似球粒是紋層發(fā)育的一個重要結(jié)構(gòu)特征（圖6a，6b）。似球粒一般指小于0.2 mm 的無結(jié)構(gòu)次圓狀內(nèi)碎屑顆粒，來源于泥和顆粒的改造作用，多被認(rèn)為是經(jīng)侵蝕和再沉積的內(nèi)碎屑。似球粒與微晶基質(zhì)有相似的微晶組分，優(yōu)先出現(xiàn)在透鏡體、紋層或?qū)觾?nèi)，摩洛哥High Atlas 早侏羅世臺地內(nèi)部紋層狀球粒泥晶灰?guī)r，巴伐利亞晚侏羅世至早白堊世緩坡沉積中，內(nèi)緩坡潮間淺灘、外緩坡似紅藻泥?；?guī)r中具有類似的結(jié)構(gòu)特征［21］。部分紋層內(nèi)部碳酸鹽顆粒存在泥晶—顯微晶—微晶的變化序列（圖6c），與硅質(zhì)碎屑巖粒序?qū)泳哂行蚊采系目杀刃浴?/p>

圖6 碳酸鹽紋層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與沉積特征Fig. 6 Inner texture and sedimentary features of carbonate laminae

多個碳酸鹽紋層構(gòu)成的紋層組之間常見垂向加積、交錯紋層和滑動變形等復(fù)雜的沉積到同生沉積變形微構(gòu)造。圖6d 記錄了原始沉積界面的角度變化和侵蝕特征，A 段是早期的水平紋層；B 段為侵蝕殘余；C 段中原始沉積界面傾斜，新生紋層上超早期紋層組；D段沉積界面角度進(jìn)一步調(diào)整，紋層組繼續(xù)發(fā)育。圖6e 中A 段是翼部出現(xiàn)斷裂的褶皺形態(tài)，顯示水平方向擠壓應(yīng)力的作用；B 段由2 組近于翻轉(zhuǎn)的水平褶皺構(gòu)造構(gòu)成，反映擠壓活動進(jìn)一步增強(qiáng)；C段未見明顯變形，層面頂部受到了侵蝕削截；D段為水平翻轉(zhuǎn)變形層理；E 段則是較薄的黏土紋層沉積后另一段水平紋層組的開始。圖6f 中自下而上發(fā)育不同規(guī)模的前積紋層并在頂部出現(xiàn)類似于經(jīng)典三角洲層序中的頂積紋層，顯示了微觀構(gòu)造與宏觀構(gòu)造良好的相似性。王勇等認(rèn)為鉆井取心中的交錯層理、沖刷面等屬于風(fēng)暴引起的濁流和黏土絮沉成因［22］，張順等識別了紋層三元結(jié)構(gòu)并指出受溫躍層和物源供給變化控制［23］，都強(qiáng)調(diào)了湖水沉積動力對紋層控制作用。SCHIEBER 等用粒徑小于0.02 mm 的鈣蒙脫石等黏性顆粒，基于不同流速和鹽度的流體介質(zhì)，模擬了黏性紋層形成過程和內(nèi)部結(jié)構(gòu)［24］，其中的交錯紋層也為上述紋層提供了對比的實驗依據(jù)。

沉積構(gòu)造還可見壓扁紋層、波狀紋層和透鏡狀紋層等多種與層理相對應(yīng)的紋層構(gòu)造（圖6a—6c，6h）。透鏡狀紋層平行層面分布，局部密集且被黏土和粉砂基質(zhì)分隔（圖6g，6h）。透鏡體通常有統(tǒng)一的多色性和消光位，具有席狀共軸生長的特征。單個透鏡體分布受到層面的限制，發(fā)育受到沉積活動的控制。部分透鏡體具有扭曲形貌和斷裂特征，顯示同沉積期的滑動變形甚至遭受同沉積黏土的破壞變形和充填，與MACQUAKER 等提出的波浪增強(qiáng)的沉積物重力流及其侵蝕活動相對應(yīng)，記錄了高頻侵蝕和再沉積活動［25］。此外，在東營凹陷斜坡區(qū)發(fā)育的泥晶碳酸鹽順有機(jī)質(zhì)紋層滑動，形成包卷紋層構(gòu)造（圖6i）。

單層白云石晶粒富集成層是東營凹陷沙四段上亞段一類特殊的紋層發(fā)育現(xiàn)象（圖3e）。FUSSMANN 等對Neusiedl 湖碳酸鹽研究認(rèn)為，地表水輸入和溫度變化導(dǎo)致湖泊表層水pH 值的波動并誘發(fā)白云石沉淀［26］。MEISTER 等建議用這種季節(jié)性依賴的形成機(jī)制來解釋三疊紀(jì)蒸發(fā)潮坪環(huán)境中白云石的形成［27］。以上研究解釋了白云石富集沉淀產(chǎn)狀的來源，SCHIEBER 等所提及的線粒層同樣與這種白云石紋層具有幾何相似性。

2.2 生物屬性

構(gòu)成紋層的基礎(chǔ)組分如方解石、白云石等礦物與生物活動密切相關(guān)，同時紋層內(nèi)部及周邊發(fā)育一系列與生物活動直接相關(guān)的現(xiàn)象。頁巖碳酸鹽紋層中常見魚類、腹足類、介形類、藻類和孢粉等古生物化石［27］。掃描電鏡下可見部分礦物表面發(fā)育花瓣狀、錐狀、絲發(fā)狀、蠕蟲狀、囊泡狀等具有生物形態(tài)的顆粒胞衣結(jié)構(gòu)（圖7a—7d），反映藍(lán)細(xì)菌等微生物活動在各類礦物組分沉淀和聚合沉積過程中的作用。從成因上看，無論是碳酸鹽礦物異相晶核還是由原核生物完成的層狀建造［28］，以及VISSCHER等討論的EPS（胞外聚合物）降解后硫酸鹽還原和Ca2+釋放各種異養(yǎng)細(xì)菌對碳酸鈣沉淀的控制作用［29］都印證了生物活動對碳酸鹽紋層發(fā)育的重要影響。

圖7 碳酸鹽紋層內(nèi)部鈣化的微生物結(jié)構(gòu)構(gòu)造Fig. 7 Microbial fabrics of calcification in carbonate laminae

湖泊疊層石和核形石是東營凹陷沙四段上亞段—沙三段下亞段沉積時期典型的生物成因紋層建造。疊層石主要出現(xiàn)在礁-坪微相，具有特征的窗格狀孔隙，微生物席生長并捕捉碎屑顆粒形成的定向?qū)訝顦?gòu)造，以及部分特征的生物結(jié)構(gòu)等（圖8a，8d）。核形石指示濱淺湖或水道環(huán)境的沉積活動，其同心紋層是細(xì)小的沉積物附著藻坪黏液質(zhì)的表面上，在藻類或細(xì)菌新陳代謝和光合作用中交換的二氧化碳作用下形成的碳酸鈣沉淀（圖8b，8c）。

2.3 沉積與生物活動的相關(guān)性

紋層組中交錯紋層、透鏡狀紋層等典型的沉積構(gòu)造證實沉積活動是紋層組或部分單個紋層形成的主導(dǎo)因素。紋層內(nèi)部豐富的生物、沉積結(jié)構(gòu)失去秩序并發(fā)生碎片化的特征以及眾多的生物成礦活動等現(xiàn)象，用通常的沉積動力機(jī)制很難解釋。紋層中各種微生物化石殘余揭示了生物活動如微生物代謝或者黏液吸附捕獲等是紋層形成的重要因素。

從沉積與生物活動的相關(guān)性看：①碎屑物源的波動性供給影響受藻類等生物活動控制的碳酸鹽生長，活躍期發(fā)育黏土紋層和粉砂紋層，間歇期發(fā)育碳酸鹽紋層，整體上形成了紋層是沉積物主要類型的特征；同時由于沉積物供給的缺乏，欠補(bǔ)償區(qū)高出基準(zhǔn)面的大部分區(qū)域較長時間處于侵蝕狀態(tài)，導(dǎo)致濱岸碳酸鹽和先存碎屑的再次搬運，一定程度上破壞了原始沉積物結(jié)構(gòu)的保存。②洪泛期除黏土紋層和粉砂紋層之外，還出現(xiàn)由細(xì)砂級沉積物構(gòu)成的水道或濁流沉積物，沖刷剝離邊緣的碳酸鹽紋層，生物活動及對應(yīng)的沉積記錄保存較少。③間歇性碎屑供給為有機(jī)質(zhì)富集提供了必要的營養(yǎng)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。生物帶的發(fā)育及欠補(bǔ)償環(huán)境有機(jī)質(zhì)富集形成的湖泊高生產(chǎn)力與間歇性碎屑供給密切相關(guān)。微生物席形成在先存沉積物層面上，多數(shù)具有絲狀形態(tài)的特點，絲狀體可作為沉積顆粒黏結(jié)作用和外部鈣化作用的場所。造席生物群落的建造期和消減期通常相間分布，自養(yǎng)和異養(yǎng)細(xì)菌向上垂直移動避免被沉積物埋藏，沉積響應(yīng)為泥晶碳酸鹽紋層與富黃鐵礦黏土紋層的互層。

3 結(jié)論

碳酸鹽紋層形成于沉積控制與生物控制的聯(lián)合作用。生物控制主要指細(xì)菌等微生物席通過對物理化學(xué)環(huán)境的調(diào)節(jié)導(dǎo)致碳酸鹽沉淀，以及對其他沉積物的黏結(jié)和捕獲。沉積作用無論是短周期的沉積事件，還是較長周期的沉積活動，主要是限定了微生物席所依附的沉積層面，控制了更高一級結(jié)構(gòu)要素。微生物群落、沉積物供給、古氣候、氧化還原條件等不同層次的要素耦合在一起，構(gòu)成了控制紋層發(fā)育的基礎(chǔ)地質(zhì)條件。紋層形貌總體上保持簡單的平直形態(tài)并出現(xiàn)復(fù)雜的塑性變形，同沉積期沉積物埋藏條件控制了紋層的沉積期后幾何形態(tài)。紋層側(cè)向具有良好的連續(xù)性，可形成產(chǎn)狀穩(wěn)定的席狀薄層，記錄安靜水體的沉積介質(zhì)狀態(tài)，也可以出現(xiàn)撕裂狀或透鏡狀等形態(tài)各異的碎片化形態(tài)，記錄風(fēng)暴沉積等強(qiáng)烈擾動的水介質(zhì)環(huán)境。