细粒沉积岩岩石分类及命名方案探讨

彭军 ，曾垚 ，杨一茗 ，于乐丹 ，许天宇

（1. 西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500；2. 西南石油大学天然气地质四川省重点实验室，成都 610500）

0 引言

细粒沉积岩是由粒径小于 62.5 μm的黏土级和粉砂级碎屑颗粒组成的含量大于 50%的沉积岩，约占全球沉积岩的70%[1-4]。中国细粒沉积岩十分发育，油气资源量巨大，具有广阔的勘探前景[5]。近年来，随着非常规油气勘探开发的快速发展，利用细粒沉积学理论及研究技术方法指导非常规油气勘探取得了显著成效，在渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地的细粒沉积地层中获得了可观的非常规油气探明储量，非常规油气产量逐年攀升。随之而来的是对细粒沉积岩的研究也越来越受到重视，但由于细粒沉积岩存在矿物成分和结构复杂、沉积构造类型多样、沉积规律复杂、非均质性强、粒径小、观察难度大[1]、粒级和成分等相关概念不清、细粒沉积岩和混积岩划分界限不明确等问题，造成了岩石定名方案的不统一，目前已有的岩石类型划分方案还不能准确地反映其岩石学特征，严重制约了对细粒沉积岩的沉积环境、沉积规律及储集层特征的认识[2]，并在一定程度上阻碍了非常规油气的勘探进展。基于此，本文在前人研究成果基础上，以沉积岩石学理论为指导，以细粒沉积岩为研究对象，对细粒沉积岩的相关概念重新进行梳理和界定，在此基础上，从岩石学特征出发，探讨细粒沉积岩分类和命名的新方案。

1 细粒沉积岩分类及定名方案现状

细粒沉积岩目前没有统一、明确的分类及定名方案，这既有客观原因，也有主观因素。客观原因是细粒沉积岩的物质成分及其产出状态、纹层等沉积构造类型丰富、岩石类型及其垂向叠置关系复杂多样[6]，如物质成分常见黏土矿物、长英质矿物、碳酸盐矿物、有机质、黄铁矿、石膏等；沉积构造可以观察到块状、条带状、纹层状、页状等；纹层类型可见平直纹层、波状纹层、连续纹层、断续纹层等。其次还因为细粒沉积岩的颗粒粒度都很细小，常规的野外露头和岩心观察以及普通的显微薄片鉴定都很难准确确定其物质成分、含量和岩石结构类型[7]，往往需要借助非常规的实验测试分析技术手段进行判定。主观因素就是截至到目前细粒沉积岩的定义在学界还没有统一，不同学者都是基于自己对细粒沉积岩的理解来开展相关研究，因此会得出不同的认识和结论。

1.1 分类及定名要素

细粒沉积岩岩石分类及定名的主要依据包括矿物成分、粒度、含量、沉积构造、纹层形态、有机质、颜色、特殊矿物成分等。

矿物成分是陆源输入、沉积作用及成岩作用等共同影响的结果，在这个过程中会受到物理、化学及生物作用的影响，是造成岩石类型多样性的根本因素[8-9]；粒度是沉积岩中碎屑颗粒最主要的结构特征，更是划分岩石类型非常重要的参数，沉积岩的粒度可以反映物源远近、水动力条件、水体深度等沉积环境要素[10]；沉积构造是细粒沉积物中最常见的一种宏观特征，沉积构造的形成与沉积物的搬运方式、沉积速率、沉积方式和水动力条件密切相关[11]。颜色是细粒沉积岩最醒目的标志，它主要反映岩石内矿物的成分、沉积环境以及物源区特征。

1.2 分类及定名方案的应用

细粒沉积岩分类及定名一般是借鉴碎屑岩的常规定名方法，即依据岩石颗粒的粒度特征，采用三级命名法原则对岩石进行分类和命名，在此基础上再考虑成分和成因等要素。

国内外学者多以细粒沉积岩中含量最多的几种矿物成分作为端元进行岩石类型的划分[1,4,7,12-20]（见表1）。

表1 国内外细粒沉积岩岩石分类及定名方案

国外对于细粒沉积岩的研究主要集中于海相富硅质的细粒沉积岩。Loucks[12]对美国FortWorth盆地进行了海相页岩的矿物岩石学特征分析，基于矿物成分、结构、生物特征、矿物粒度以及岩石颜色等进行命名并建立了岩相划分方案。Lazar[15]以砂、粗泥和细泥作为 3端元，将细粒沉积岩分为砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、粗粒泥岩（即粉砂岩）、中粒泥岩（即泥岩）以及细粒泥岩（即黏土岩）等6种类型（见图1）。

图1 细粒沉积岩命名方案（据文献[15]修改）

结合中国南方海相页岩和东部湖相细粒沉积岩的矿物成分特征，目前多以黏土矿物、碎屑矿物及碳酸盐矿物为3端元，以含量50%为界将细粒沉积岩划分为泥岩或黏土岩、粉砂岩、碳酸盐岩和各自含量均小于50%的混合细粒沉积岩4类[1,8,21]。该分类方案使用广泛，并且适用性较强，但笔者认为该方案若将3端元均统一为粒级或者矿物成分会更加明确和科学，也可以降低细粒沉积岩岩石分类及命名的复杂性。目前已有学者在定名时将3端元进行了矿物成分的统一，将粒级“粉砂”替换为与黏土矿物和碳酸盐矿物并列的“长英质矿物”组分[4-5,22]。由于不同区域细粒沉积岩沉积环境的差异性特征，有学者结合区域情况在岩石分类及定名中加入有机质含量、沉积构造、特殊矿物等[6,22-23]。

1.3 存在的问题

国内外学者对细粒沉积岩岩石分类、岩石定名及岩相的研究已经取得了丰硕的研究成果，这极大地丰富了人们对细粒沉积岩的认识，并推动着非常规油气勘探与开发的不断发展。但是，其中也有很多需要思考和完善的地方，主要包括以下几个方面。①细粒沉积岩与混积岩概念混淆。混积岩是指陆源碎屑与碳酸盐等矿物颗粒经交替间互式或均匀混合式沉积作用形成，具有多物质成分特征的岩石[24-25]。混积岩和细粒沉积岩主要有两点不同：一是混积岩没有粒度的限制；二是混积岩更强调的是混合沉积作用，若混积岩中粒径小于62.5 μm的物质成分总体积分数超过50%，则属于细粒沉积岩的范畴，可称为混合细粒沉积岩，即细粒混积岩。②在以 3端元划分岩石类型或对岩石进行定名时，往往将矿物成分与粒级并列作为划分依据，又或者将TOC与矿物成分并列，这不仅造成了岩石定名和分类的难以统一，也不利于对细粒沉积岩岩石学特征、沉积与成因规律的研究。③泥和黏土概念混淆。泥是粒级的概念，而黏土则表示黏土矿物。需要注意的是，泥级大小的岩屑是极为罕见的，因此在纯泥岩中几乎没有岩屑。④根据岩石的矿物成分特征，应将黏土矿物含量大于 50%的泥质岩称为黏土质岩，即黏土岩。从矿物成分以及构造特征的角度而言，黏土岩属于泥质岩中的一种特殊类型。黏土质岩的说法同硅质岩、钙质岩一样，这里的“质”与岩石三级命名法中的“质”含义完全不同，前者指某类矿物成分含量大于50%的岩石，后者则代表岩石中某种矿物成分或结构组分的含量为 25%～50%，这是两个不同的应用体系术语，因此在使用中要注意区分。

2 细粒沉积岩岩石分类及定名依据

粒级是细粒沉积岩的属性参数，而物质成分则是研究细粒沉积岩特征的根本要素。因此本文从粒级和物质成分 2个要素出发对细粒沉积岩岩石分类及定名方案进行探讨。

2.1 粒级

关于细粒沉积岩岩石颗粒的粒度分级，目前中国主要应用的有2种划分方案和分级标准。一个是Udden-Wentworth的2的几何级数制[26]，在国际上应用非常广泛。另一个则是十进制粒级划分方案[26]，由于该方案便于记忆，应用简单，且符合油气储集层研究的基本要求，因此中国石油行业较多采用该方案（见表2）。

表2 粒级的划分及命名（据文献[26]修改）

如表2，前人通过水力学性质的研究，小于0.062 5 mm的颗粒由于黏土物质大量增加，颗粒细小，肉眼无法分辨，因此主张以0.062 5 mm作为砂和粉砂的界限。若使用十进制分级即第二种划分方案，则将砂与粉砂的界限设置为0.1 mm，是考虑到便于油气储集层的研究，因为好的油气储集层粒径多在细砂（颗粒直径 0.10～0.25 mm）以上；至于粉砂与泥的界限，2的几何级数制方案为0.003 9 mm，这种划分方案认为泥级矿物颗粒一般较细，大多数小于0.004 mm。十进制方案为0.005 mm，即把黏土矿物开始出现的粒径上限作为划分界限。

细粒沉积岩主要是从沉积物的粒径角度进行定义，将其细分为粉砂岩和泥质岩，细粒沉积岩的粒级对应在碎屑岩中包括粉砂级和泥级，对应碳酸盐岩中包括粉晶级和泥晶级（见表2）。因此粉晶级的碳酸盐岩等同于细粒沉积岩中的粉砂岩，泥晶级的碳酸盐岩等同于细粒沉积岩中的泥岩。

2.2 物质成分

细粒沉积岩具有典型的混积特征，物质成分主要包括碳酸盐矿物、黏土矿物、陆源碎屑矿物以及有机质、黄铁矿、石膏等[14,17,27-36]（见表3）。

表3 国内外典型区域细粒沉积岩的物质成分

细粒沉积岩中长英质矿物来源丰富，包括陆源输入、化学成因和生物成因等。美国Barnett海相页岩和四川盆地志留系龙马溪组海相页岩表现出富硅质的特征，主要是受硅质海绵和放射虫等造硅生物的影响[27,30]，硅质矿物含量可超过50%（见表3）。东营凹陷古近系沙河街组四段发育的湖相细粒沉积岩中常见石英等陆源输入的碎屑矿物[23]。一般认为生物成因石英的脆性大于陆源石英[37]，因此生物成因石英含量越高越有利于细粒沉积岩油气藏的勘探开发。

细粒沉积岩中常富含碳酸盐矿物，且碳酸盐矿物的形成与化学、微生物作用密切相关[38-41]。如美国墨西哥湾盆地上侏罗统Haynesville海相页岩碳酸盐矿物平均含量为 22.7%[28]，湘东南坳陷上二叠统龙潭组海相细粒沉积岩碳酸盐矿物含量可达 38%[31]，渤海湾盆地东营凹陷古近系沙河街组湖相细粒沉积岩中碳酸盐矿物平均含量超过50%[34]（见表3）。

海相细粒沉积岩中的黏土矿物含量与湖相深水细粒沉积岩相比较高，如加拿大西部沉积盆地泥盆系—密西西比系海相细粒沉积岩中黏土矿物的含量超过了45%[29]，而湖相细粒沉积岩中黏土矿物的平均含量多在20%左右（见表3），主要是与陆相盆地面积较小、距物源区较近有关[42]。

有机质是细粒沉积岩中一种常见的物质成分。如美国Fort Worth盆地Barnett海相页岩TOC值平均为4.5%[27]，塔里木盆地寒武系玉尔吐斯组海相细粒沉积岩TOC值可达 8.6%[32]，沧东凹陷古近系孔店组二段湖相细粒沉积岩TOC值平均为 3.4%[35]，松辽盆地白垩系青山口组一段陆相细粒沉积岩TOC平均值为3.2%[36]（见表3）。细粒沉积岩中泥级组分的有机质主要来源于溶解有机质和藻类等微生物[43]，往往以多种方式保存，常见生物体、生物残体和无定形等[44]。

黄铁矿在细粒沉积岩中含量偏少，但环境指示意义较大。塔里木盆地寒武系玉尔吐斯组海相细粒沉积岩中黄铁矿平均含量为2.2%[32]，松辽盆地白垩系青山口组一段湖相细粒沉积岩中黄铁矿平均含量约为3.9%[36]（见表3）。研究表明，黄铁矿的形成与海洋深部环境息息相关，可以用来追溯物源、进行地层划分和对比、反映环境变化、判断沉积速率等[45-46]。

3 细粒沉积岩岩石分类及定名新方案

本次研究以渤海湾盆地东营凹陷沙河街组细粒沉积岩为研究对象，通过显微薄片鉴定、粒度分析、全岩矿物X衍射、黏土矿物X衍射等技术方法对主要岩石类型的颗粒粒级、物质成分等进行测定，提出 2套新的分类及定名方案。

3.1 分类及定名原则

①先根据粒度等级，从砾、砂、粉砂到泥，按照“泥级矿物含量+粉砂级矿物含量”大于50%的原则确定是否为细粒沉积岩。

②在此基础上，再依据泥和粉砂的相对含量划分为泥岩和粉砂岩两种类型。其余粒级合并为砾和砂两大级，然后按三级命名法原则进行命名。或者以矿物成分为标准划分出黏土岩、碳酸盐岩及细粒长英沉积岩，其余成分根据含量依旧采用三级命名法原则进行分类和定名。

③由于岩石中砾级矿物含量大于 30%时就定名为砾岩，不符合三级命名法定名原则，因此在该方案中不以砾级矿物作为主要端元，但在实际应用时还应考虑砾级矿物的含量。

④用三级命名法确定细粒沉积岩基本名称之后，其中含量小于10%的物质成分若具某种特殊的指示意义，如可指示岩石脆性的方沸石或可指示氧化还原环境的黄铁矿等，也可以根据具体情况加入岩石定名中。此外，定名时可增加沉积构造、颜色及微观结构等修饰词。

3.2 按粒级分类及定名

将砂级矿物、粉砂级矿物及泥级矿物作为扇形的3个端元，采用三级命名法原则对细粒沉积岩进行分类和定名。

3.2.1 按粒级分类及定名方案

先依据含量大于 50%的粒级来定岩石的主名，即基本名“××岩”。由于细粒沉积物的粒径小于62.5 μm，可以划分出泥岩和粉砂岩2种基本岩石类型。其次再根据剩余粒级的含量，将含量为 25%～50%的粒级以形容词“××质”的形式写在基本名之前；含量为 10%～25%的粒级作次要形容词，以“含××”的形式写在最前面；含量小于10%的粒级则不反映在岩石的名称中。

根据以上方案，先将粉砂级矿物的含量和泥级矿物的含量界定在 0～100%，由于细粒沉积岩中砂级矿物含量不超过 50%，所以将砂级矿物含量界定在 0～50%，以此确定粒级定名扇形图三端元的范围。最终划分出以粉砂级矿物为主的粉砂岩和以泥级矿物为主的泥岩2大类共计12种岩石类型（见图2）。

图2 细粒沉积岩岩石粒级分类及定名扇形图

3.2.2 方案应用说明

以东营凹陷沙河街组细粒沉积岩岩矿测试分析成果，举例说明该方案的应用。①泥级矿物含量大于60%，粉砂级矿物的含量大于30%，则将该岩石定名为粉砂质泥岩（Ⅳ）（见表4）。②粉砂级矿物含量大于 65%，泥级矿物含量为25%～35%，则将该岩石定名为泥质粉砂岩（Ⅲ）。③粉砂级矿物含量为62%，砂级矿物占26%，泥级矿物含量为12%，称为含泥砂质粉砂岩（Ⅺ）（见表4）。④泥级矿物含量为57%，粉砂级矿物为 26%，砂级矿物含量为6%，砾级矿物占11%，可称为含砾粉砂质泥岩。⑤如果在按粒级定名时需要强调矿物成分，则将该矿物名称放在其对应粒级之前作为修饰词。比如某泥岩中方解石泥级矿物含量大于 50%，石英粉砂级矿物的含量大于 28%，砂级矿物占 15%，则命名为含砂石英粉砂质方解石泥岩或者含砂石英粉砂质泥晶灰岩。⑥如果有两种泥级矿物同时出现，且需要强调矿物成分，则以含量大于50%的为主名，另外1种泥级矿物仍然按照“××质”或“含××”命名原则对岩石进行划分与命名。如泥级方解石含量为53%，高岭石等黏土矿物含量为28%，粉砂级石英含量为13%，按粒度命名为含粉砂泥岩（Ⅴ），若强调主成分，则可称做含粉砂泥质方解石泥岩或含粉砂泥质泥晶灰岩（见表4）。

表4 东营凹陷古近系沙河街组四段典型细粒沉积岩宏微观特征

⑦以碳酸盐矿物为主（含量大于50%），且粒径小于0.003 9 mm的岩石在粒级划分上属于细粒沉积岩中泥岩的范畴，如泥晶灰岩、泥晶云岩可称作灰泥岩/方解石泥岩、云泥岩/白云石泥岩。但考虑到目前实际应用以及普适性的问题，还是归入碳酸盐岩类，称作泥晶灰岩或泥晶白云岩等。

因此，可将泥岩限定为以泥级长英质矿物、黏土矿物为主的岩石，如石英泥岩、长石泥岩、黏土泥岩/黏土岩等。即当泥岩中黏土矿物含量大于 50%时，称为黏土岩；当方解石含量大于50%时，称为泥晶灰岩；当白云石含量大于 50%时，称为泥晶白云岩。石英泥岩和长石泥岩理论上肯定是应该存在的，但由于这两种矿物主要来源于风化作用形成的陆源碎屑，考虑其风化习性，很难能够以泥级颗粒的形式富集到 50%以上，因此在自然界中罕见。

⑧具页理状的泥质岩称作页岩。页岩和泥岩是依据沉积构造划分的，泥页岩的说法模糊了二者在沉积构造上的区别，应该进行区分。

3.3 按成分分类及定名

由于细粒沉积岩的概念已经对粒级做了限定，因此在划分类型和定名时应该更注重成分的差异，故在依据成分对细粒沉积岩分类和定名时，将粉砂级大小的碎屑矿物颗粒统称为长英质矿物更为合适。由此依据碳酸盐矿物、长英质碎屑矿物及黏土矿物 3类矿物的相对百分含量，采用三级命名法原则对细粒沉积岩进行分类和定名。

3.3.1 按成分分类及定名方案

以含量大于 50%的矿物成分定岩石的主名，即基本名“××岩”；含量为25%～50%的矿物成分以形容词“××质”的形式写在基本名之前；含量为 10%～25%的矿物成分作次要形容词，以“含××”的形式写在最前面；含量小于10%的矿物成分一般不参与定名。

细粒沉积岩的矿物成分复杂，若没有一种成分的含量大于 50%，而含量在 25%～50%的矿物成分又不止 1种，这时可以含量为 25%～50%的成分进行复合命名，用“××-××质混合细粒沉积岩”的形式表示，含量较多的写在后面。其他含量少的矿物成分仍然按三级命名法的原则处理。

若细粒沉积岩中不但没有含量大于 50%的矿物成分，而且含量为 25%～50%的成分也没有或者只有 1种，则可以将此岩石的全部矿物成分分别合并为长英质、黏土质、铁质、灰质和白云质几大类，然后再以“××质混合细粒沉积岩”或“含××-××混合细粒沉积岩”的形式表示。

根据上述原则，将黏土矿物含量大于50%的岩石称为黏土岩；方解石/白云石矿物含量大于50%的岩石称为灰岩/白云岩，即碳酸盐岩；长英质碎屑矿物含量超过50%的岩石称为细粒长英沉积岩；当这3种矿物含量均小于50%时称为“××质混合细粒沉积岩”。最终将细粒沉积岩划分成4大类共18种岩石类型（见图3）。其中，当细粒长英沉积岩的长石含量小于 10%时，则不参与定名，称为细粒石英沉积岩，同样，若石英含量低于10%，也不参与定名，称为细粒长石沉积岩。

此外，细粒沉积岩与页岩油气关系密切，而页岩油气富集高产的重要控制因素就是有机碳的含量[47-48]。因此在定名时，必须将有机碳含量作为非常重要的参数。前人研究认为，从油气成藏的角度出发，TOC值大于0.5%时细粒沉积岩具有较好的油气地质意义[49-50]，TOC值大于2.0%时具备工业可采能力[51]。因此本文将TOC值以0.5%和2.0%为界，划分出贫有机质、含有机质和富有机质3类，并采用裴蒂庄4组分分类体系中的并列三角图解[26]，将TOC参与定名（见图3）。

图3 细粒沉积岩岩石成分定名三角图

3.3.2 方案应用说明

同样以东营凹陷沙河街组细粒沉积岩为例说明该方案的应用。

①粉晶方解石含量为60%，白云石含量为2%，黏土矿物含量为26%，TOC值大于2%，则将该岩石定名为富有机质黏土质碳酸盐岩（ⅩⅤ），若强调粒级，则定为富有机质黏土质粉晶灰岩（见表5）。

表5 东营凹陷古近系沙河街组四段典型细粒沉积岩物质成分分布特征

②泥晶方解石含量为53%，白云石含量为3%，黏土矿物含量为27%，石英含量为7%，长石含量为5%，TOC值小于0.5%。将该岩石定名为贫有机质含粉砂黏土质碳酸盐岩或贫有机质含粉砂黏土质泥晶灰岩（见表 5）。

③高岭石含量为30%，伊利石含量为24%，方解石含量为25%，石英含量为9%，长石含量为3%，TOC值为0.5%～2.0%。则将岩石定名为含有机质含长英灰质黏土岩（见表5）。

④白云石含量 35%，方解石含量为 11%，黏土矿物含量为23%，石英含量为19%，斜长石含量为5%，TOC值小于 0.5%。将该岩石定名为贫有机质白云质混合细粒沉积岩（ⅩⅧ）（见表5）。

⑤石英含量为53%，长石含量为3%，高岭石含量为18%，伊利石含量为14%，方解石含量为12%，则将岩石定名为含方解石黏土质细粒石英沉积岩。

⑥石英含量为 35%，长石含量为18%，方解石含量为 32%，黏土矿物含量为 15%，则将岩石定名为含黏土灰质细粒长英沉积岩。

4 结论

划分细粒沉积岩岩石类型和对岩石进行定名时，应对各端元进行统一。如泥和粉砂等为颗粒粒级，黏土则为矿物成分类型，避免将粒级、矿物成分和TOC等并列作为划分依据。

沿用沉积岩石学分类定名的三级命名法原则确定细粒沉积岩基本名称，具有特殊指示意义的含量小于10%的矿物可参与定名，视研究需要增加沉积构造、颜色及微观结构等修饰词放在基本名称之前。

依据粒度采用 3端元扇形图解划分细粒沉积岩岩石类型，以砂级矿物、粉砂级矿物及泥级矿物作为 3个端元，将粉砂级矿物的含量和泥级矿物的含量界定在0～100%，将砂级矿物的含量界定在0～50%，由此确定 3端元的范围，共划分为“粉砂岩”和“泥岩”两个大类共计12种岩石类型。

依据物质成分采用 4组分分类体系的并列三角图解划分细粒沉积岩岩石类型，首先以碳酸盐矿物、长英质碎屑矿物及黏土矿物作为 3端元基本组分，将细粒沉积岩划分为碳酸盐岩、细粒长英沉积岩、黏土岩及混合细粒沉积岩4个大类共计18种岩石类型，其次选取TOC作为第4个组分，以含量0.5%、2.0%为界划分出贫有机质、含有机质和富有机质 3种类型，再分别对上述岩石类型进行具体细分。