溫佳楠　劉小平

摘 要：結(jié)合前人對水槽實驗的研究等，探索出細(xì)粒物質(zhì)的搬運(yùn)模式，主要包括絮凝作用與濁流搬運(yùn)，并由此明確細(xì)粒沉積巖中各組分的來源及沉積過程；根據(jù)紋層細(xì)粒巖的特點(diǎn)，研究細(xì)粒沉積巖的形成環(huán)境；總結(jié)巖石沉積的古氣候條件，建立細(xì)粒物質(zhì)的研究規(guī)范。在未來的研究中，注重學(xué)科方法交叉研究，古生物學(xué)和地球化學(xué)相結(jié)合，兼顧理論突破與方法創(chuàng)新，充分利用各種實驗手段，對細(xì)粒沉積巖進(jìn)行系統(tǒng)的、科學(xué)的分類，建立細(xì)粒沉積巖分類體系，完善針對性的研究方法，重建古沉積環(huán)境以及較為合理的沉積模式，更好為頁巖油氣的勘探開發(fā)服務(wù)，探索細(xì)粒沉積巖的工業(yè)價值。

關(guān)鍵詞：細(xì)粒沉積物；搬運(yùn)機(jī)制；形成環(huán)境；紋層狀細(xì)粒巖

中圖分類號：P618.13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2017）06-0116-04

Research Progress of Fine Grain Transport Mechanism

and Forming Environment

Wen Jianan 1，2 Liu Xiaoping1，2

（1.College of Earth Sciences，China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249；2.State Key Laboratory of Oil and Gas Resources and Exploration，China University of Petroleum，Beijing 102249）

Abstract： This paper explored the transport mode of fine particles， including flocculation and turbid transport， and thus clarified the source and the deposition process of the components in the fine-grained sedimentary rocks. According to the characteristics of fine grained rocks， this paper studied the formation environment of fine-grained sedimentary rocks， summarized the paleoclimatic conditions of rock deposition and established the research specification of fine-grained matter. In the future research， we should pay attention to the cross-study of the method， the combination of paleontology and geochemistry. The method is innovative and makes full use of various experimental methods to systematically and scientifically classify the fine-grained sedimentary rocks， establish the classification system of fine-grained sedimentary rocks， perfect the research methods， reconstruct the ancient sedimentary environment and the more reasonable sedimentary model， shale oil and gas exploration and development services， to explore the industrial value of fine-grained sedimentary rocks.

Keywords： fine-grained sediments；transport mechanism；formation environment；lamellar fine-grained rocks

1 細(xì)粒沉積物的概念

在沉積巖中，細(xì)粒沉積巖占據(jù)極其重要的地位。早在1908年，“巖石學(xué)之父”Sorby已經(jīng)對細(xì)粒沉積巖做出了評論：“可能許多人認(rèn)為細(xì)粒泥質(zhì)的沉積和固結(jié)過程極為簡單且并不關(guān)心其結(jié)果，然而仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)其實是一個非常復(fù)雜的問題。”雖然不斷有學(xué)者對細(xì)粒沉積巖展開研究，但直至1932年，“細(xì)粒沉積”這個概念才真正被Krumbein根據(jù)粒度分析首次提出[1]。由于研究力度小、觀察難度大等條件的限制，細(xì)粒物質(zhì)的沉積、成巖作用是沉積學(xué)界乃至地質(zhì)學(xué)界研究的薄弱領(lǐng)域。經(jīng)過多年的努力，細(xì)粒沉積巖的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。但目前，細(xì)粒沉積巖的研究中仍有很多不足之處，還有待學(xué)者們進(jìn)一步深入探討。

細(xì)粒沉積研究方面還存在細(xì)粒沉積巖的相關(guān)概念比較模糊，術(shù)語使用不準(zhǔn)確等問題，有些學(xué)者甚至籠統(tǒng)地將所有細(xì)粒巖均稱為頁巖，缺乏科學(xué)性。目前，被普遍接受和廣泛應(yīng)用的細(xì)粒沉積巖的概念是Krumbein于1932年提出的[2]，主要指粒徑小于0.1mm的顆粒含量大于50%的沉積巖，主要由黏土礦物和粉砂等陸源碎屑顆粒組成，也包含少量盆地內(nèi)生的碳酸鹽、生物硅質(zhì)、磷酸鹽等顆粒，占全球各主要沉積巖的75%以上。

國外細(xì)粒沉積的研究始于泥巖的研究。1747年，Hoosen首次提出泥巖的概念。之后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以定量地識別黏土礦物類型與顆粒形態(tài)。由細(xì)粒沉積物組成的沉積巖稱為細(xì)粒沉積巖或泥狀巖，其中，頁理發(fā)育的稱為頁巖，頁理不發(fā)育的稱為泥質(zhì)巖。黏土巖主要指由黏土組成的細(xì)粒沉積巖。

基于對細(xì)粒沉積學(xué)發(fā)展趨勢的分析，指出完善針對性的研究方法、重建古沉積環(huán)境、建立細(xì)粒沉積巖分類體系與成因模式是目前學(xué)科研究的前沿。國外學(xué)者對細(xì)粒沉積巖巖石學(xué)特征、成因模式與分布模式等已展開了相關(guān)研究。

Picard首次較為系統(tǒng)地提出了細(xì)粒沉積巖的分類方法，并指出“細(xì)粒沉積學(xué)”主要研究泥質(zhì)巖類組構(gòu)、成因與分布的特征。而“細(xì)?！钡囊饬x主要在于分選良好，粉砂或泥質(zhì)含量必須大于50%。

近年來，中國學(xué)者也對細(xì)粒沉積巖進(jìn)行了研究，研究多集中于黏土礦物成分、結(jié)構(gòu)等巖石礦物學(xué)與有機(jī)質(zhì)生烴分析評價等方面，主要開展了海相細(xì)粒沉積巖、湖泊成因、湖泊相類型與烴源巖分布特征關(guān)系等方面的基礎(chǔ)研究。

2 細(xì)粒沉積物搬運(yùn)機(jī)制

細(xì)粒沉積物顆粒小，沉積速度緩慢。通過對現(xiàn)代泥巖的研究可知，泥巖中大多數(shù)小于0.01mm的顆粒以絮凝物形式沉積，大于0.01mm的顆粒則主要以單獨(dú)顆粒形式沉降。絮凝過程有助于在海洋環(huán)境中長距離輸送大量泥質(zhì)沉積物。Schieber等[3]將粒徑幾微米左右的黏土用作實驗觀察其絮凝現(xiàn)象，實驗表明，黏土絮凝后顆粒達(dá)到砂級的大小，較大的絮凝顆粒甚至可達(dá)1mm。

通過對細(xì)粒沉積物的研究，研究學(xué)者們達(dá)成了以下共識：①細(xì)粒物質(zhì)總是沉積于水流微弱的安靜環(huán)境；②高含水（可高達(dá)90%）的細(xì)粒物質(zhì)受到強(qiáng)水流的作用時，沒有剪應(yīng)力，受到流水作用時會再懸浮，而不會侵蝕；③深水細(xì)粒物質(zhì)都是懸浮沉積；④細(xì)粒沉積巖中的石英是陸源碎屑成因。

由前述可知，“巖石學(xué)之父”Sorby早在100多年前就曾說過細(xì)粒物質(zhì)沉積成巖過程異常復(fù)雜，隨著研究的深入，這些共識已面臨巨大的挑戰(zhàn)。

2.1 絮凝作用

細(xì)粒沉積物粒度小，不符合牽引流沉積構(gòu)造的動力學(xué)特征。因此，研究學(xué)者采用水槽實驗進(jìn)行研究。水槽實驗表明，細(xì)粒顆粒經(jīng)絮凝作用形成的直徑大于10μm的絮狀物表現(xiàn)為與粗粒沉積碎片水力等效的方式，并作為高密度流或濁流的成分進(jìn)行搬運(yùn)。同時，在搬運(yùn)的過程中，會形成波痕、交錯層理等構(gòu)造，也會對下伏地層侵蝕而形成沖刷面。有時作為高密度流或濁流的成分在海底進(jìn)行搬運(yùn)，甚至還可以形成絮凝波痕（見圖1）。

黏土以絮凝方式進(jìn)行搬運(yùn)，其能否在巖石沉積記錄中保存或保存完好，這與成巖作用密切相關(guān)。在沉淀時，泥巖富含水（含水率可達(dá)90%），隨著成巖作用不斷深入，泥巖大量脫水，造成絮凝波痕迅速被壓扁。如水槽實驗中模擬的石膏在脫水過程中的變化，該變化即為其迅速被壓扁。與此同時，一個泥頁巖的絮凝波痕往往有幾十厘米長，使得在巖心中無法觀察到全貌。因此，在泥巖巖心觀察中認(rèn)為的部分平行紋層，往往是“假平行”，其在沉積過程中是不平行的。在巖石記錄中，紋層略微傾斜、底超及底部削截等往往都是絮凝波痕的標(biāo)志（見圖2）。黏土絮凝物搬運(yùn)方式提供了一種深水物質(zhì)搬運(yùn)的機(jī)制，對油氣的儲集起到一定作用。這種黏土礦物以絮凝方式搬運(yùn)的機(jī)制，無疑對泥巖沉積于低能環(huán)境的觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)。

2.2 濁流搬運(yùn)

在巖心的觀察描述過程中，發(fā)現(xiàn)交錯層理、沖刷面等反映水動力較強(qiáng)的沉積構(gòu)造，這可能與細(xì)粒沉積過程的絮凝作用有關(guān)，也可能與其他突發(fā)性地質(zhì)事件有關(guān)，如濁流。濁流在遠(yuǎn)洋沉積中占有重要地位，其對于理解海（湖）相環(huán)境中泥質(zhì)沉積有著重要意義。學(xué)者研究了部分地區(qū)濁積泥巖和正常懸浮沉積泥巖的相對比重。研究發(fā)現(xiàn)，濁流成因的泥巖占有相當(dāng)比重，甚至超過正常懸浮沉積的泥巖。

濁流屬深水事件性快速沉積，沉積顆粒缺乏分選的過程，因此，大小不同的棱角—次棱角狀的細(xì)粒顆粒混雜堆積，物性差，沉積的泥巖中混有不同的組分。同時，顆粒間填隙物所占比重較大，礦物類型多樣。

通過鮑馬序列可知，濁積泥巖在相序上位于濁積砂巖之上、懸浮沉積的泥巖之下。濁流成因的泥巖是由濁流誘導(dǎo)產(chǎn)生的，但這并不意味著以濁流的流態(tài)沉積。隨著濁流能量的降低，細(xì)粒物質(zhì)不斷與水融合，形成大量的“懸浮云”，并以正常的懸浮方式沉積，Stow將其稱為“半濁積泥”。隨著離濁流的距離增大，“半濁積泥”逐漸增多，一次“半濁積泥”的沉積可能持續(xù)幾周到幾個月。事實上，“半濁積泥”在沉積物來源、沉積速率、沉積特征等方面與以濁流方式沉積的泥巖具有較大相似性，而與正常的遠(yuǎn)洋泥有較大區(qū)別。同時，目前尚未形成標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范以辨別區(qū)分“半濁積泥”與以濁流流態(tài)成因的泥巖。一般將“半濁積泥”與以濁流流態(tài)成因的泥巖均稱為濁積泥巖，那些自始自終都以懸浮方式搬運(yùn)和沉積的泥巖稱為懸浮泥巖。濁積泥巖的證據(jù)包括：①其在相序上位于濁積粉砂和紋層狀泥巖之間；②塊狀泥與紋層狀泥巖的接觸面往往是突變的；③塊狀泥巖內(nèi)部往往可以發(fā)現(xiàn)粉砂條帶（可能是Bouma序列的d段等）；④塊狀泥巖內(nèi)部可見垂直的生物逃逸跡等，表明其沉積速率較快。

濁積泥巖的研究對深水細(xì)粒物質(zhì)的搬運(yùn)機(jī)制及水動力學(xué)有著重要的科學(xué)意義。同時，濁積泥巖與懸浮泥巖的有機(jī)質(zhì)來源、生烴潛力、時空配置等方面存在差異性，這對泥頁巖的烴源巖特征、頁巖油氣儲集及烴類運(yùn)聚等均有著重要的研究價值。

3 細(xì)粒沉積物形成環(huán)境

紋層是細(xì)粒沉積巖的基本組成單位。研究紋層細(xì)粒沉積巖有助于對細(xì)粒沉積物的形成環(huán)境進(jìn)行研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)育深、淺色相間的水平紋層的泥頁巖有利于有機(jī)質(zhì)的富集，在特定沉積環(huán)境演化與氣候變遷條件下，由粉砂、碳酸鹽、有機(jī)質(zhì)等分別以紋層狀富集。不同礦物組成的紋層互相組合、交替旋回變換，形成湖相紋層狀細(xì)粒巖。多數(shù)紋層厚度在0.01～0.50mm，這些紋層在顏色、礦物組成、粒度、結(jié)構(gòu)和成因等方面均不相同。

湖相細(xì)粒沉積巖巖相多變、非均質(zhì)性強(qiáng)，大部分時期，水動力條件較弱，水體深，弱還原環(huán)境，水體分層可形成紋層狀構(gòu)造。當(dāng)水動力變化時，紋層發(fā)生彎曲和錯段，常見形成于深湖—半深湖相。強(qiáng)還原環(huán)境的深湖中心水動力為滯水-近靜水，水體分層較好，可形成連續(xù)清晰的紋層構(gòu)造。

Mary Ann Madej[4]等認(rèn)為，在高沉積物供給時，河床的抬高增加，河道更加流暢，水面傾斜增加，但沉積物的分選變差，細(xì)粒物質(zhì)退散至水槽中。有機(jī)質(zhì)碎屑的密度低于黏土物質(zhì)，但其沉淀較快，形成季節(jié)性紋層，從而形成典型的薄紋層狀頁巖（見圖3）。

湖相細(xì)粒巖礦物成分復(fù)雜，非均質(zhì)性較強(qiáng)。柳波在研究馬朗凹陷二疊系蘆草溝組的紋層細(xì)粒時，發(fā)現(xiàn)紋層細(xì)粒巖主要受控于以下幾個方面：①封閉的鹽湖沉積體系；②古湖泊的分層結(jié)構(gòu)，紋層的形成與湖水分層密切相關(guān)；③湖底的熱水活動，湖底熱水活動會顯著改變水體溫度、氧化-還原性及化學(xué)成分等沉積條件，從而影響水體中生物的生長速度和有機(jī)質(zhì)的保存。

藻類勃發(fā)是湖泊中紋層狀有機(jī)質(zhì)高度富集的普遍成因。通過研究可以發(fā)現(xiàn)以下幾方面內(nèi)容。①有機(jī)質(zhì)主要來源于藻類。有機(jī)質(zhì)紋層在顯微鏡下多呈無定形體，為不規(guī)則的微粒、凝塊或絮團(tuán)，在背散射電鏡下呈紋層狀和條帶狀。生物標(biāo)志物分析表明，大多數(shù)無定形體是浮游植物形成的，為浮游藻類生物降解作用的結(jié)果。②烴源巖中細(xì)粒方解石紋層是生物誘發(fā)的碳酸鹽沉積。湖泊中，藻類的大量繁殖使得水體的光合作用加強(qiáng)。③有機(jī)質(zhì)富集成層、單種分布，且與其他紋層組成韻律性沉積（見圖4）。藻類勃發(fā)具有季節(jié)性和周期性，并常常直接形成紋層沉積。

細(xì)粒沉積水槽模擬實驗揭示了紋層狀頁巖主要是由流體搬運(yùn)形成的，而并非是傳統(tǒng)認(rèn)識的由緩慢沉降形成的。

4 存在問題與展望

未來細(xì)粒沉積巖學(xué)研究應(yīng)針對當(dāng)前存在的問題，探索理論突破與方法創(chuàng)新，充分利用現(xiàn)有的各種實驗手段，重視學(xué)科交叉研究，特別是古生物學(xué)和地球化學(xué)與沉積學(xué)的結(jié)合，使細(xì)粒巖沉積學(xué)這一薄弱領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，并取得突破性進(jìn)展。主要包括以下幾個方面。

①細(xì)粒沉積巖巖石學(xué)分類。細(xì)粒沉積巖巖石類型復(fù)雜，現(xiàn)存的稱謂過于籠統(tǒng)，還需建立科學(xué)規(guī)范的巖石學(xué)命名及分類方案。除了傳統(tǒng)的巖心及薄片觀察外，還應(yīng)結(jié)合掃描電鏡、場發(fā)射電鏡、微生物測試分析等高精度觀察技術(shù)和實驗分析，詳細(xì)刻畫不同巖石類型特征。

②細(xì)粒沉積物沉積動力學(xué)過程。細(xì)粒沉積巖是研究最少的沉積巖，且研究難度大。細(xì)粒沉積巖的沉積環(huán)境廣闊、穩(wěn)定，變化不明顯，不易識別。結(jié)合水槽模擬實驗、微觀實驗觀察及微生物分析等手段，進(jìn)一步明確細(xì)粒沉積巖中各組分的物質(zhì)來源、沉積過程及相互作用，特別是生物作用及生物化學(xué)作用在頁巖形成中的重要作用，并探索細(xì)粒物質(zhì)沉積動力學(xué)模式。

③細(xì)粒沉積巖沉積環(huán)境。利用生物化石類型及其組合特征，以及黏土礦物及地球化學(xué)元素含量特征等特點(diǎn)，可以了解地史時期古氣候變化和重建盆地古氣候環(huán)境條件。通過沉積巖中化學(xué)元素呈現(xiàn)出的分散和富集規(guī)律，一定程度上反映沉積環(huán)境的變化。

④細(xì)粒物質(zhì)沉積學(xué)與油氣勘探。隨著頁巖油氣勘探開發(fā)的不斷深入，細(xì)粒物質(zhì)沉積學(xué)的研究還具有重要的工業(yè)價值。在理論研究的基礎(chǔ)上，探索其對頁巖油氣等儲層形成機(jī)理和有利目標(biāo)預(yù)測的意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3]Schieber J，Southard JB，Thaisen K. Accretion of mudstone bedsfrom migrating floccule ripples[J].Science，2007（5857）：1760-1763.

[4] Mary Ann Madej. Channel respondse to sediment wave propagation and movement，redwood Creek，california，USA[J].Earth Surface Processes and Landforms，1996（21）：911-927.