细粒岩搬运机制及形成环境研究进展

温佳楠　刘小平

摘 要：结合前人对水槽实验的研究等，探索出细粒物质的搬运模式，主要包括絮凝作用与浊流搬运，并由此明确细粒沉积岩中各组分的来源及沉积过程；根据纹层细粒岩的特点，研究细粒沉积岩的形成环境；总结岩石沉积的古气候条件，建立细粒物质的研究规范。在未来的研究中，注重学科方法交叉研究，古生物学和地球化学相结合，兼顾理论突破与方法创新，充分利用各种实验手段，对细粒沉积岩进行系统的、科学的分类，建立细粒沉积岩分类体系，完善针对性的研究方法，重建古沉积环境以及较为合理的沉积模式，更好为页岩油气的勘探开发服务，探索细粒沉积岩的工业价值。

关键词：细粒沉积物；搬运机制；形成环境；纹层状细粒岩

中图分类号：P618.13 文献标识码：A 文章编号：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 細粒沉积物的概念

在沉积岩中，细粒沉积岩占据极其重要的地位。早在1908年，“岩石学之父”Sorby已经对细粒沉积岩做出了评论：“可能许多人认为细粒泥质的沉积和固结过程极为简单且并不关心其结果，然而仔细研究发现其实是一个非常复杂的问题。”虽然不断有学者对细粒沉积岩展开研究，但直至1932年，“细粒沉积”这个概念才真正被Krumbein根据粒度分析首次提出[1]。由于研究力度小、观察难度大等条件的限制，细粒物质的沉积、成岩作用是沉积学界乃至地质学界研究的薄弱领域。经过多年的努力，细粒沉积岩的研究已经取得了很大的进步。但目前，细粒沉积岩的研究中仍有很多不足之处，还有待学者们进一步深入探讨。

细粒沉积研究方面还存在细粒沉积岩的相关概念比较模糊，术语使用不准确等问题，有些学者甚至笼统地将所有细粒岩均称为页岩，缺乏科学性。目前，被普遍接受和广泛应用的细粒沉积岩的概念是Krumbein于1932年提出的[2]，主要指粒径小于0.1mm的颗粒含量大于50%的沉积岩，主要由黏土矿物和粉砂等陆源碎屑颗粒组成，也包含少量盆地内生的碳酸盐、生物硅质、磷酸盐等颗粒，占全球各主要沉积岩的75%以上。

国外细粒沉积的研究始于泥岩的研究。1747年，Hoosen首次提出泥岩的概念。之后，随着科学技术的发展，已经可以定量地识别黏土矿物类型与颗粒形态。由细粒沉积物组成的沉积岩称为细粒沉积岩或泥状岩，其中，页理发育的称为页岩，页理不发育的称为泥质岩。黏土岩主要指由黏土组成的细粒沉积岩。

基于对细粒沉积学发展趋势的分析，指出完善针对性的研究方法、重建古沉积环境、建立细粒沉积岩分类体系与成因模式是目前学科研究的前沿。国外学者对细粒沉积岩岩石学特征、成因模式与分布模式等已展开了相关研究。

Picard首次较为系统地提出了细粒沉积岩的分类方法，并指出“细粒沉积学”主要研究泥质岩类组构、成因与分布的特征。而“细粒”的意义主要在于分选良好，粉砂或泥质含量必须大于50%。

近年来，中国学者也对细粒沉积岩进行了研究，研究多集中于黏土矿物成分、结构等岩石矿物学与有机质生烃分析评价等方面，主要开展了海相细粒沉积岩、湖泊成因、湖泊相类型与烃源岩分布特征关系等方面的基础研究。

2 细粒沉积物搬运机制

细粒沉积物颗粒小，沉积速度缓慢。通过对现代泥岩的研究可知，泥岩中大多数小于0.01mm的颗粒以絮凝物形式沉积，大于0.01mm的颗粒则主要以单独颗粒形式沉降。絮凝过程有助于在海洋环境中长距离输送大量泥质沉积物。Schieber等[3]将粒径几微米左右的黏土用作实验观察其絮凝现象，实验表明，黏土絮凝后颗粒达到砂级的大小，较大的絮凝颗粒甚至可达1mm。

通过对细粒沉积物的研究，研究学者们达成了以下共识：①细粒物质总是沉积于水流微弱的安静环境；②高含水（可高达90%）的细粒物质受到强水流的作用时，没有剪应力，受到流水作用时会再悬浮，而不会侵蚀；③深水细粒物质都是悬浮沉积；④细粒沉积岩中的石英是陆源碎屑成因。

由前述可知，“岩石学之父”Sorby早在100多年前就曾说过细粒物质沉积成岩过程异常复杂，随着研究的深入，这些共识已面临巨大的挑战。

2.1 絮凝作用

细粒沉积物粒度小，不符合牵引流沉积构造的动力学特征。因此，研究学者采用水槽实验进行研究。水槽实验表明，细粒颗粒经絮凝作用形成的直径大于10μm的絮状物表现为与粗粒沉积碎片水力等效的方式，并作为高密度流或浊流的成分进行搬运。同时，在搬运的过程中，会形成波痕、交错层理等构造，也会对下伏地层侵蚀而形成冲刷面。有时作为高密度流或浊流的成分在海底进行搬运，甚至还可以形成絮凝波痕（见图1）。

黏土以絮凝方式进行搬运，其能否在岩石沉积记录中保存或保存完好，这与成岩作用密切相关。在沉淀时，泥岩富含水（含水率可达90%），随着成岩作用不断深入，泥岩大量脱水，造成絮凝波痕迅速被压扁。如水槽实验中模拟的石膏在脱水过程中的变化，该变化即为其迅速被压扁。与此同时，一个泥页岩的絮凝波痕往往有几十厘米长，使得在岩心中无法观察到全貌。因此，在泥岩岩心观察中认为的部分平行纹层，往往是“假平行”，其在沉积过程中是不平行的。在岩石记录中，纹层略微倾斜、底超及底部削截等往往都是絮凝波痕的标志（见图2）。黏土絮凝物搬运方式提供了一种深水物质搬运的机制，对油气的储集起到一定作用。这种黏土矿物以絮凝方式搬运的机制，无疑对泥岩沉积于低能环境的观点提出了挑战。

2.2 浊流搬运

在岩心的观察描述过程中，发现交错层理、冲刷面等反映水动力较强的沉积构造，这可能与细粒沉积过程的絮凝作用有关，也可能与其他突发性地质事件有关，如浊流。浊流在远洋沉积中占有重要地位，其对于理解海（湖）相环境中泥质沉积有着重要意义。学者研究了部分地区浊积泥岩和正常悬浮沉积泥岩的相对比重。研究发现，浊流成因的泥岩占有相当比重，甚至超过正常悬浮沉积的泥岩。

浊流属深水事件性快速沉积，沉积颗粒缺乏分选的过程，因此，大小不同的棱角—次棱角状的细粒颗粒混雜堆积，物性差，沉积的泥岩中混有不同的组分。同时，颗粒间填隙物所占比重较大，矿物类型多样。

通过鲍马序列可知，浊积泥岩在相序上位于浊积砂岩之上、悬浮沉积的泥岩之下。浊流成因的泥岩是由浊流诱导产生的，但这并不意味着以浊流的流态沉积。随着浊流能量的降低，细粒物质不断与水融合，形成大量的“悬浮云”，并以正常的悬浮方式沉积，Stow将其称为“半浊积泥”。随着离浊流的距离增大，“半浊积泥”逐渐增多，一次“半浊积泥”的沉积可能持续几周到几个月。事实上，“半浊积泥”在沉积物来源、沉积速率、沉积特征等方面与以浊流方式沉积的泥岩具有较大相似性，而与正常的远洋泥有较大区别。同时，目前尚未形成标准的规范以辨别区分“半浊积泥”与以浊流流态成因的泥岩。一般将“半浊积泥”与以浊流流态成因的泥岩均称为浊积泥岩，那些自始自终都以悬浮方式搬运和沉积的泥岩称为悬浮泥岩。浊积泥岩的证据包括：①其在相序上位于浊积粉砂和纹层状泥岩之间；②块状泥与纹层状泥岩的接触面往往是突变的；③块状泥岩内部往往可以发现粉砂条带（可能是Bouma序列的d段等）；④块状泥岩内部可见垂直的生物逃逸迹等，表明其沉积速率较快。

浊积泥岩的研究对深水细粒物质的搬运机制及水动力学有着重要的科学意义。同时，浊积泥岩与悬浮泥岩的有机质来源、生烃潜力、时空配置等方面存在差异性，这对泥页岩的烃源岩特征、页岩油气储集及烃类运聚等均有着重要的研究价值。

3 细粒沉积物形成环境

纹层是细粒沉积岩的基本组成单位。研究纹层细粒沉积岩有助于对细粒沉积物的形成环境进行研究。通过研究发现，发育深、浅色相间的水平纹层的泥页岩有利于有机质的富集，在特定沉积环境演化与气候变迁条件下，由粉砂、碳酸盐、有机质等分别以纹层状富集。不同矿物组成的纹层互相组合、交替旋回变换，形成湖相纹层状细粒岩。多数纹层厚度在0.01～0.50mm，这些纹层在颜色、矿物组成、粒度、结构和成因等方面均不相同。

湖相细粒沉积岩岩相多变、非均质性强，大部分时期，水动力条件较弱，水体深，弱还原环境，水体分层可形成纹层状构造。当水动力变化时，纹层发生弯曲和错段，常见形成于深湖—半深湖相。强还原环境的深湖中心水动力为滞水-近静水，水体分层较好，可形成连续清晰的纹层构造。

Mary Ann Madej[4]等认为，在高沉积物供给时，河床的抬高增加，河道更加流畅，水面倾斜增加，但沉积物的分选变差，细粒物质退散至水槽中。有机质碎屑的密度低于黏土物质，但其沉淀较快，形成季节性纹层，从而形成典型的薄纹层状页岩（见图3）。

湖相细粒岩矿物成分复杂，非均质性较强。柳波在研究马朗凹陷二叠系芦草沟组的纹层细粒时，发现纹层细粒岩主要受控于以下几个方面：①封闭的盐湖沉积体系；②古湖泊的分层结构，纹层的形成与湖水分层密切相关；③湖底的热水活动，湖底热水活动会显著改变水体温度、氧化-还原性及化学成分等沉积条件，从而影响水体中生物的生长速度和有机质的保存。

藻类勃发是湖泊中纹层状有机质高度富集的普遍成因。通过研究可以发现以下几方面内容。①有机质主要来源于藻类。有机质纹层在显微镜下多呈无定形体，为不规则的微粒、凝块或絮团，在背散射电镜下呈纹层状和条带状。生物标志物分析表明，大多数无定形体是浮游植物形成的，为浮游藻类生物降解作用的结果。②烃源岩中细粒方解石纹层是生物诱发的碳酸盐沉积。湖泊中，藻类的大量繁殖使得水体的光合作用加强。③有机质富集成层、单种分布，且与其他纹层组成韵律性沉积（见图4）。藻类勃发具有季节性和周期性，并常常直接形成纹层沉积。

细粒沉积水槽模拟实验揭示了纹层状页岩主要是由流体搬运形成的，而并非是传统认识的由缓慢沉降形成的。

4 存在问题与展望

未来细粒沉积岩学研究应针对当前存在的问题，探索理论突破与方法创新，充分利用现有的各种实验手段，重视学科交叉研究，特别是古生物学和地球化学与沉积学的结合，使细粒岩沉积学这一薄弱领域得到广泛关注，并取得突破性进展。主要包括以下几个方面。

①细粒沉积岩岩石学分类。细粒沉积岩岩石类型复杂，现存的称谓过于笼统，还需建立科学规范的岩石学命名及分类方案。除了传统的岩心及薄片观察外，还应结合扫描电镜、场发射电镜、微生物测试分析等高精度观察技术和实验分析，详细刻画不同岩石类型特征。

②细粒沉积物沉积动力学过程。细粒沉积岩是研究最少的沉积岩，且研究难度大。细粒沉积岩的沉积环境广阔、稳定，变化不明显，不易识别。结合水槽模拟实验、微观实验观察及微生物分析等手段，进一步明确细粒沉积岩中各组分的物质来源、沉积过程及相互作用，特别是生物作用及生物化学作用在页岩形成中的重要作用，并探索细粒物质沉积动力学模式。

③细粒沉积岩沉积环境。利用生物化石类型及其组合特征，以及黏土矿物及地球化学元素含量特征等特點，可以了解地史时期古气候变化和重建盆地古气候环境条件。通过沉积岩中化学元素呈现出的分散和富集规律，一定程度上反映沉积环境的变化。

④细粒物质沉积学与油气勘探。随着页岩油气勘探开发的不断深入，细粒物质沉积学的研究还具有重要的工业价值。在理论研究的基础上，探索其对页岩油气等储层形成机理和有利目标预测的意义。

参考文献：

[1]姜在兴，梁超，吴靖，等.含油气细粒沉积岩研究的几个问题[J].石油学报，2013（6）：1031-1039.

[2]Krumbein WC.The dispersion of fine-grained sediments for mechanical analysis[J].Journal of Sedimentary Research，1932（3）：140-149.

[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.