陆相湖泊深水砂质碎屑流与浊流的微观沉积特征及区分方法——以鄂尔多斯盆地延长组长7段为例

李智勇 ，徐云泽 ，邓 静 ，李志明 ，张健伍 ，李悦怡

(1.中国石油勘探开发研究院 西北分院，兰州 730020；2.中国石油天然气集团公司 油藏描述重点实验室，兰州 730020；3.中国石油 长庆油田分公司，西安 710000)

砂质碎屑流沉积体是目前沉积学领域较热门的研究对象之一，是鄂尔多斯盆地十亿吨储量的重要载体，也是长庆油田上产6 000万吨的重要保证，但国内从其概念提出之初就充满了争议，其到底为砂质碎屑流还是高密度浊流一直是人们争论的焦点[1-2]。国外SHANMUGAM[3-6]在海相沉积中发现了典型的砂质碎屑流沉积，并认为其与浊流等其他重力流无论从形成机理还是宏观鉴别标志上都有区别。国内邹才能、李相博等[7-10]则提出鄂尔多斯盆地延长组沉积期，湖盆中心存在的大规模砂体为砂质碎屑流沉积，其中，后者提出砂质碎屑流为块体流沉积，由浅水区沉积砂体整体运移至深水区，并因此而保留了大量浅水沉积特征。然而，鄂尔多斯盆地不同于国外海相砂质碎屑流与浊流，单纯从宏观区别两者比较困难，特别是较厚层浊积岩A段与砂质碎屑流沉积主体在岩心观察上更是难以确切区分，这也是造成国内对其概念争议较大的主要原因。为了解决这一难题，避免过多人为因素的影响，笔者多次到有代表性的野外地质剖面，对典型、易区分的二者沉积体进行系统采样，并进行了大量的室内实验分析，以期为这两种宏观相似的沉积体提供确切的微观区分方法。

1 样品采集和实验方法

样品采自陕西旬邑、瑶曲两地三叠系延长组长7地层剖面，构造位置均属于鄂尔多斯盆地东南部(图1)。沉积相为半深湖区的重力流沉积，旬邑剖面相对于瑶曲剖面更接近湖盆中心位置，二者剖面露头中，浊流与砂质碎屑流均为伴生发育，以后者为主要沉积体。在取样过程中，浊流砂岩样品选取了具有典型鲍马序列的A段及B段，砂质碎屑流砂岩样品则选择厚层块状结构主体的上、中、下部位，共采集了21块砂岩样品。另外，针对砂质碎屑流和浊流伴生的泥岩，采集了多处灰色泥岩及对应同层位的灰黑色页岩样品共15块。所有样品均选取了新鲜面作为样品来源，并进行多种实验方法平行研究及同种实验的多次验证。

图1 鄂尔多斯盆地东南部三叠系延长组长71沉积相及采样点位置 据长庆油田。Fig.1 Sedimentary facies of Chang 71 in Yanchang Formation and sampling locations, southeastern Ordos Basin

本文涉及的实验方法主要包括薄片观察、粒度分析、环境扫描电镜及全岩矿物定量分析、荧光光谱元素分析等。在薄片观察基础上，挑选可将二者明显区分，并代表主体特征的岩石样品进行图像粒度分析，主要采用铸体薄片结合图像分析法进行粒度统计，图像分析系统采用奥林巴斯BX53显微镜结合CIAS-SCU-ZL5.0西图孔隙特征及粒度图像分析系统。在薄片观察和粒度分析基础上，对在两方面都有显著区别的样品进行环境扫描电镜分析。具体方法是将薄片进一步切割成1 cm3左右的立方体，并进行镀碳处理，以便对样品表面进行纳米级观察。环境扫描使用美国的FEI Quanta 450 FEG，最大放大倍数100万倍，工作电压为20 kV，电子束入射束流为4×10-10A。在以上三种实验所得结果上，对所有岩石样品进行全岩矿物定量分析，分析方法为X射线衍射法，采用仪器为荷兰帕纳科锐影，具体步骤为：取岩石样品6～10 g进行粗碎后(粒度小于1 mm3)，放入球磨仪将样品粒度粉碎至44 μm以下；然后采用背压式+平板样品台扫描方式进行扫描，扫描范围为5°～45°(2θ角)，扫描步长为0.02°/min，对矿物识别的最小下限为含量大于1%。最后，针对砂质碎屑流、浊流及伴生的泥岩进行荧光光谱元素分析，泥岩样品被研磨至200目后，以粉末压片法测定元素组成，所用仪器为日本理学公司的ZSX Prinmus Ⅱ，分析时视野光栏30 mm，工作电压为60 kV, 电流强度60 mA，主要检测常量元素及微量元素。

2 结果与讨论

2.1 岩石结构及成分

砂质碎屑流样品宏观为块状细砂岩(图2a)，无明显的层理构造，石英、长石等脆性矿物为棱角状—次棱角状，多为扁长形状；结构成熟度整体表现较低，点接触或点—线接触，反映其压实作用相对较弱，矿物颗粒大小混杂，碎屑颗粒无明显的定向排列现象(图2b-c黄色箭头所示)，石英与长石颗粒杂乱排列，显示其具有快速堆积的特征；云母呈分散状分布，无明显拉伸变形现象，填隙物主要为泥质和少量云质矿物。浊流样品主要采集与砂质碎屑流相近的鲍马序列A段部分(图2d)，其主要矿物颗粒为石英与长石，云母含量相对砂质碎屑流较多，颗粒也主要呈棱角状—次棱角状，点接触或点—线接触；粒度较砂质碎屑流小，但相对均一；石英与长石颗粒略呈定向排列(图2e-f黄色箭头所示)，填隙物主要为碳酸盐类矿物。

矿物成分分析表明，砂质碎屑流沉积主要为岩屑长石砂岩，是石英砂岩类与长石砂岩类、岩屑砂岩类的过渡类型，其成分成熟度较低，组成主要为石英与长石，其中石英含量较高，接近50%，长石类约占20%～25%，反映其母岩区以花岗岩类为主，具有强烈的构造隆升作用，这与盆地南部的秦岭运动相对应；另外，长石类不稳定矿物占比高，也说明其搬运距离较短，未受到充分的流体分异，沉积物快速堆积，这与砂体的平面展布特征相符。而浊流沉积则偏向长石岩屑砂岩，成分成熟度更低，岩屑含量在25%左右，反映源区经历了强烈的物理风化作用，并且未经过长距离的搬运和流体分异作用，与砂质碎屑流特征相似。此外，二者石英含量相差较大，砂质碎屑流沉积中石英含量(50%左右)总体高于浊流(30%左右)，在相同的地质条件下，反映其沉积搬运过程存在较大差异，从而导致前者成分成熟度高于后者(图3)。

图2 鄂尔多斯盆地瑶曲地区三叠系延长组长7段砂质碎屑流和浊流在偏光显微镜镜下的特征 a.瑶曲砂质碎屑流；b.瑶曲5号样砂质碎屑流中部矿物杂乱排列；c.瑶曲3号样砂质碎屑流底部矿物杂乱排列； d.瑶曲浊流鲍马序列；e.瑶曲11号样浊流底部矿物定向排列；f.瑶曲10号样浊流底部矿物定向排列Fig.2 Polarized microscale characteristics of sand debris flow and turbidity flow in Chang 7 of Yanchang Formation, Yaoqu area, Ordos Basin

2.2 粒度特征

沉积岩的粒度主要受搬运介质、方式、沉积环境等因素控制，反映了沉积时的水动力条件，这在现代沉积的研究中已经得到证实，但在应用粒度特征研究古代沉积时，应注意固结岩石的后生或表生成岩作用等影响。此次研究的样品，颗粒间接触不紧密，无明显的压碎、加大或溶蚀现象，受成岩作用影响较小。在分析过程中，测量石英的实体而非次生加大环，而对易碎颗粒如长石，在轮廓清楚情况下，取其视直径值，并且放大后详细观察小颗粒矿物，尽量避免实验方法造成的人为误差，最终得到较为可靠的粒度分析结果。

砂质碎屑流样品的概率累积曲线主要由跃移与悬移两部分总体组成(图4a-b)，其中跃移总体的粒度区间在1～2 Φ之间，粒度较粗，斜率60°，分选很好；跃移和悬移总体的截点较粗，接近于1.8 Φ，说明搬运介质的搬运能力较强；悬移质的含量较高，在 45%左右，粒度区间在1.8～5 Φ之间，跨度较大，粒度偏粗，斜率偏40°，分选较差，呈递变悬浮状态，这与三角洲前缘分流河道与浊流相都不相同，代表了一种具有更高搬运能力，但又以跳跃与悬浮作用并重的搬运方式，介于牵引流与浊流之间的类型[12-18]。

浊流样品的概率累积曲线主要为悬移单总体构成(图4c-d)，粒度区间较宽，在3～5 Φ之间，整体偏细，斜率为55°，相对较大，分选性差，说明搬运物质的粒度变化大，大小混杂，悬移质呈均匀悬浮状态，表现出动荡环境，水动力不稳定的特点。其原因是流速突然降低而快速堆积，未能形成很好的分异性，属典型的浊流沉积特征[19-29]。

2.3 黏土矿物特征

从黏土组成特征来看(表1)，砂质碎屑流沉积与浊流沉积均由伊蒙混层、伊利石及绿泥石组成，且二者特征相似，均无高岭石，含15%左右的绿泥石，伊蒙混层含量较高，约占黏土总量的70%，伊利石含量较低，约为10%，其伊蒙混层比(I/S，指在混层矿物中蒙脱石的比例)均在20%(表1)。高度相似的黏土矿物组成，表明二者具有相似的沉积及成岩环境。

鄂尔多斯盆地延长组长7段底部大量发育的凝灰岩代表当时火山活动频繁，提供了大量蒙皂石供给，极易形成蒙皂石/伊利石混层进而转化为伊蒙混层，随着埋深加大，压力与温度不断增加，进而向伊利石转化，而这一过程需要大量的K+存在。沉积岩中K+主要来自于钾长石、云母等富钾组分的溶解，延长组长7段以低渗透或超低渗透砂岩为主，渗滤性能差，导致溶解的K+容易在储层孔隙中富集，形成富钾的碱性环境，这也是样品中大量伊蒙混层存在的原因。

图3 鄂尔多斯盆地瑶曲和旬邑地区三叠系延长组长7段砂质碎屑流与浊流砂岩分类 图版据曾允孚等[11](1986)。Fig.3 Classification of sand debris flow and turbidite flow sandstones in Chang 7 of Yanchang Formation, Yaoqu and Xunyi areas, Ordos Basin

图4 鄂尔多斯盆地瑶曲地区三叠系延长组长7段砂质碎屑流与浊流沉积粒度分布参数统计Fig.4 Distribution parameters of sand debris flow and turbidity flow depositions in Chang 7 of Yanchang Formation, Yaoqu area, Ordos Basin

表1 鄂尔多斯盆地瑶曲地区三叠系延长组长7段砂质碎屑流与浊流黏土定量分析结果Table 1 Quantitative results of clay contents in sandy debris flow and turbid flow in Chang 7 of Yanchang Formation, Yaoqu area, Ordos Basin

研究表明，绿泥石的主要阳离子为Si、Al、Fe、Mg，形成环境为碱性，淋滤作用不强。在风化作用期间，其水镁石层内的二价铁容易氧化，所以绿泥石只能在化学风化作用受抑制的地区，像冰川或干旱的地表幸存下来[5]。而高岭石是在潮湿气候酸性介质中岩石被强烈淋滤的条件下形成的，其主要阳离子Si、Al是硅酸盐矿物在各种不同的自然地理环境中的分解产物，特别是长石、云母和辉石，因此气候温暖潮湿有利于高岭石的形成和保存[6]。样品中富绿泥石、无高岭石的特点，揭示了母源区剥蚀时的干冷环境，而砂质碎屑流沉积中绿泥石含量略高，表明其沉积期环境具有更少的大气淋滤作用，考虑到长7沉积期湖扩的沉积背景，表明秦岭造山带此时期的供屑能力较差。

I/S混层比随演化程度的增加而减少，整个过程为蒙脱石向伊利石转化的过程，也是Al、K加入、而Si损失的过程，其间要消耗大量的Al3+与K+，除蒙脱石自身转化外，不足的部分主要由储层中的钾长石与少量云母提供[30]。样品中I/S混层比达到20%，大量蒙脱石转化为伊利石，环境扫描电镜下见大量包括钾长石在内的长石溶解现象及伊蒙混层黏土(图5)，佐证了伊利石化过程；黄铁矿的存在也证明砂质碎屑流与浊流二者皆为深水还原环境。此外，根据I/S混层比，其对应的成岩阶段为中成岩A期。

2.4 元素特征

利用元素的富集规律及主要控制因素来分析古沉积环境，被国内外大量事实证明是卓有成效的方法。自然风化的产物在搬运、沉积及后期的成岩过程中，元素会迁移、分异和富集，通过“将今论古”的方法，分析元素组合、比值及数学模型计算结果，可进行古盐度、氧化还原环境、离岸距离、古气候推测等研究。

溶液中锶的迁移能力及其硫酸盐化合物的溶解度远大于钡[30]，当矿化度增加时，钡首先以硫酸钡的形式析出，当矿化度进一步加大时，锶再以硫酸锶析出沉淀，因此，Sr/Ba值与盐度呈明显的正相关性。大量研究表明，通常Sr/Ba值小于0.6为淡水湖泊，在0.6～1之间为半咸水湖泊，大于1为盐湖或海相。对比旬邑与瑶曲地区砂质碎屑流和浊流的伴生泥岩的元素特征，其Sr/Ba值均较低，旬邑样品总体Sr/Ba平均值为0.3，瑶曲样品略高，平均值在0.5左右，皆为典型的湖泊环境(图6a)。此外，2个地区的砂质碎屑流与浊流沉积中Sr/Ba平均值约为0.3(图6c)，也反映为淡水注入，且瑶曲浊流砂岩中该值要高于2个地区的砂质碎屑流砂岩，说明后者注入的速度要高于前者，导致对湖水的稀释作用影响更强。

在大型湖泊中，由于Mn的氧化物和硫化物稳定性要大于Fe，因此，二者分离现象比较明显，通常情况下，Fe2O3在三角洲及滨浅湖相对丰富，而MnO2则在湖盆中心富集。因而，Fe/Mn比值可以用来反映沉积物在湖盆中的搬运相对距离和水深。瑶曲泥岩中的Fe/Mn值整体高于旬邑泥岩(图6a)，说明后者搬运距离要大于前者，这与地质背景相吻合。同时，瑶曲样品中浊流伴生泥岩的Fe/Mn值与砂质碎屑流伴生泥岩的也不相同，结果表明前者搬运距离要远于后者。前人研究表明，Sr、Ca、Na、Mg等元素属喜干型元素，而Cu、Mn、Fe、Ba等属于喜湿型元素。大量数据统计得出：Sr/Cu值在1～10之间指示湿润气候，而大于10则指示干热气候。瑶曲整体Sr/Cu值低于旬邑(图6b)，说明二者所处时期的气候不同，虽然沉积背景表明二者同属湖扩期，但前者明显处于相对降雨量更丰富的时期。此外，对2个地区的砂质碎屑流沉积与浊流沉积对比分析后发现，前者重矿物Zr的含量整体远高于后者，表明其具有更强的碎屑搬运能力(图6c)。

图5 鄂尔多斯盆地瑶曲地区三叠系延长组长7段砂质碎屑流与浊流样品环境扫描镜下特征 a.砂质碎屑流(瑶曲3号)，伊蒙混层；b.砂质碎屑流(瑶曲3号)，钾长石溶蚀；c.砂质碎屑流(瑶曲5号)，斜长石强溶蚀； d.砂质碎屑流(瑶曲3号)，黄铁矿；e.浊流(瑶曲11号)，黄铁矿；f.浊流(瑶曲10号)，绿泥石Fig.5 Environmental SEM pictures of debris flow and turbid flow samples in Chang 7 of Yanchang Formation, Yaoqu area, Ordos Basin

2.5 全岩矿物分析

全岩矿物分析结果代表着样品中不同矿物质的含量组成，其通过不同矿物晶体所反映出来的X射线衍射峰形谱图的不同，来进行矿物类型的判断与定量分析。通过对野外剖面不同微相类型的不同部位采样，进行全岩分析后得到砂质碎屑流沉积与浊流沉积矿物组成(图7)。从图7可以看出，砂质碎屑流沉积主体部位石英含量偏高(平均40%以上)，黏土含量偏低(平均17%以下)；典型浊流沉积主体部位(A、B段)石英含量相对偏低(平均36%以下)，黏土含量偏高(平均17%以上)。在砂质碎屑流沉积与相邻浊流沉积或泥岩接触的顶、底部位，黏土矿物含量相对于砂质碎屑流沉积主体部位略有增高，而席状砂样品虽然黏土含量与砂质碎屑流沉积主体部位同样偏低，但石英含量略低。所

图7 鄂尔多斯盆地瑶曲与旬邑剖面三叠系延长组长7段砂质碎屑流与浊流划分模板Fig.7 Quantitative division template of whole rock mineral analysis of sand debris flow and turbidity flow in Chang 7 of Yanchang Formation, Yaoqu and Xunyi areas, Ordos Basin

有样品的其他矿物含量则没有较大、有规律性的区别, 说明不同类型样品的成分差异主要表现在石英与黏土矿物，二者含量主要受搬运过程中的水动力影响较大，反映了浊流由于快速堆积的沉积过程，导致整体粒度小、泥质含量高的特征；而砂质碎屑流则由于其整体搬运、颗粒支撑的机制，主体部位表现为高石英、低黏土含量的高能水动力特征。

3 结论

(1)砂质碎屑流沉积与浊流沉积微观特征有较大区别，镜下观察与粒度分析表明，前者为浅水沉积环境特征，而后者则为典型的深水快速沉积产物，说明二者成因机理及搬运方式完全不同，推测由于砂质碎屑流砂质含量较高，与水介质达到一定比例后形成内部粘滞力，相对浊流而言，湖水对其顶托、改造作用更弱，以至其向深水沉积过程中保留了内部的一些浅水特征。

(2)元素分析表明研究区物源供给较弱，搬运距离短，砂质碎屑流对应的古气候比浊流更偏干冷，但前者碎屑含量明显高于后者，推测前者受季节性洪水影响，而后者受事件性沉积影响。

(3)砂质碎屑流沉积是鄂尔多斯盆地延长组多个层系中深水区的重要储层，除了通过野外观察沉积现象可以明确区分外，在岩心观察无法明确区分时，可通过薄片观察、粒度分析及元素分析等方法，结合全岩分析结果中的石英与黏土含量来进行定量区分。

(4)由于研究区位于盆地南部，整体物源供给较弱，其结论不足以代表整个盆地砂质碎屑流沉积与浊流沉积特征，因此，后续需要在盆地主物源区开展进一步研究工作。