长试管静置沉降实验结果对湖盆细粒沉积纹层成因的启示*

李胜利 李顺利 付 超

中国地质大学(北京)能源学院，海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083

细粒沉积物/岩的结构、构造及沉积环境是人们十分关注的研究问题。对于细粒沉积物/岩结构的研究常常采用薄片分析等方法，一般多利用偏光显微镜下获取资料及数据开展研究(Picard，1971；Gonçalves，2002；Schieber，2011)，目前已经明确的“细粒”含义为：具有良好的分选性、泥或粉砂质含量大于50%的沉积物。随着深水与非常规油气勘探的发展，人们开始逐步开展深海区域的泥/页岩研究(贾承造等，2014；邹才能等，2015)，而且结合沉积背景已经建立了细粒沉积的沉积序列(杨田等，2015；李向东和郇雅棋，2017)。随着沉积物理模拟和沉积数值模拟技术的不断成熟，大量研究不再局限于微观结构，而是将泥/页岩作为地质信息的载体，将其与沉积环境结合起来，亦已明确湖平面变化、盆地底形、沉积物源以及构造作用都会对细粒沉积的分布产生影响(Gonçalves，2002；Georgeetal.，2007；Wilson and Schieber，2017；Lietal.，2020；Fuetal.，2022)。国内对于细粒沉积的研究起因于致密油气和深水矿产的发现(吴时国等，2009；邹才能等，2015；赵贤正等，2017)，前人已经对细粒沉积物的搬运方式和聚集样式(姜在兴等，2013；杨仁超等，2017)有了较深入的探讨，但在细粒沉积结构与沉积构造形成方面还有待更多更深入的研究。

静置沉降实验是沉积学最基本的实验观察方法之一，对深刻理解细粒沉积过程与沉积结构有着重要的作用。有关静置沉降实验，大家最为熟知的是Stokes(斯托克斯)沉降实验(等温，水深1 m)(Kumaretal.，2014)，并得出了Stokes沉降公式，即

其中ω为沉降速率，d为颗粒直径，r为颗粒半径，g为重力加速度，μ为动力黏度，Δσ为颗粒与流体之间的密度差。根据Stokes沉降公式，在等温、水深1 m条件下，可以计算出粒径60 μm(粉砂)单颗粒沉降速率约为4 μm(泥级颗粒的最大粒径)颗粒的250倍；同时，由于黏土颗粒的沉降速率仅为细砂颗粒沉降速率的 1/1000 倍或更小，因此它将在悬浮状态下停留1000倍或更长时间，泥级颗粒横向移动距离是细砂或粉砂级颗粒的1000倍或更多(Wenetal.，2005；赵贤正等，2017)。由于细粒沉积(尤其是泥/页岩)在横向分布更为稳定，且能反映相对静水条件，使泥/页岩层常成为横向地层对比标志层。

然而，自然界中的细粒沉积(尤其是泥/页岩)并不仅仅是用单颗粒沉降沉积模式描述。大量观察分析与沉积模拟研究表明，泥/页岩也绝不是都在低能(水动力)条件下形成的，甚至有些细粒物质沉积时的水动力条件较强(Schieber，2011)。这其中重力(Gravitation)、絮凝(Flocculation)及球粒化(Pelletization)作用是细粒(粒径小于15 μm)沉积物沉降的3种主要机制(Potteretal.，1980，2005)，它们对合理解释泥/页岩尤其是富有机质泥/页岩沉积过程起到了重要作用。但不同沉积背景与环境(尤其是水体环境)下，不同有机质含量的泥/页岩沉积沉降特征差异还值得深入分析。沉积地质学之父索比(Sorby)正是通过静置实验观察，最早对细粒沉积的沉降规律进行了研究，并首先发现了絮凝作用(Flocculation)对泥质沉积粒序(Grading)与内部结构(Texture)的影响(Schieberetal.，2007；Schieber，2011)。

细粒沉积岩的成层性与可剥离性也是细粒沉积研究的重要内容。细粒沉积岩的成层性通常较好，常以层理或纹层形式表现出来，当具有页理时黏土岩称之为页岩(朱筱敏，2020)；尤其是富有机质泥/页岩纹层结构十分明显，其中以湖盆中的油页岩最为典型，而油页岩在淡水湖盆、微咸水及咸水湖盆中均可发育，那么油页岩形成除与相关安静水体有关之外，与水体盐度和泥/页岩沉积有何必然联系还需要进行深入与合理的解释。然而，细粒沉积物沉积过程是高度复杂的体系，研究表明可能需要多达32种参数或变量才能进行比较满意的物理化学表征(Berlamontetal.，1993；Schieber，2011)。作者着眼于富有机质泥质沉积物与黏土矿物在不同盐度水体条件下的静置沉降过程，通过长试管沉积实验观察，对比现代湖盆碳质泥沉积物与黏土矿物的沉降速率，进而探讨细粒沉积纹层的形成过程，从而为解释淡水、微咸水及咸水条件富有机质泥/页岩纹层(尤其是油页岩)的形成机制研究提供新的思路。

1 实验样品采集与制备

1.1 富有机质泥质沉积物样品采集

在地质历史时期断陷湖盆近源沉积(如扇三角洲)中发育富有机质细粒沉积物，是断陷湖盆中的重要烃源岩，此类细粒沉积具有离物源区近、快速沉积的特点。本次研究以青海省乌兰县希里沟的扇三角洲为现代沉积物取样区。所取样品主要为扇三角洲前缘与前扇三角洲沉积，沉积物包括砾石、中—粗砂、粉—细砂及泥质沉积(表 1)，其中前扇三角洲沉积单层厚度多小于0.2 m。

表1 青海省希里沟扇三角洲前缘与前扇三角洲沉积物特征Table 1 Sediment characteristics of Xiligou fan delta front and predelta in Qinghai Province

希里沟现代扇三角洲的水道宽135～187 m，搬运距离5～12 km，扇体面积48.2 km2左右。希里沟湖南部沉积物供给山系平均海拔3484 m，物源体系面积141.01 km2，区域地质研究表明母岩为华力西期的火山岩—火山碎屑岩，以及印支期的花岗岩、闪长岩。希里沟扇三角洲在不到10 km的距离，沉积物粒度快速递变，从砾石过渡到泥质沉积物，与地质历史时期断陷湖盆陡坡(如渤海湾盆地沙河街组沉积时期)快速沉积特征比较类似。在希里沟扇三角洲进行了一系列采样(图1-a)，实际采集到2个泥岩样品，分别为贫有机质的扇三角洲前缘XLG11样品(图1-b)与富有机质的前扇三角洲XLG18样品(图1-c)。选取富有机质的XLG18做沉降实验，该取样点的顶部发育富有机质(碳质)泥沉积物，其下为泥质粉砂及砂级的沉积物(图1-c)。

图1 青海省乌兰县希里沟现代湖泊扇三角洲沉积物取样点与对应细粒沉积剖面Fig.1 Sampling points and corresponding fine-grained sedimentary profiles of fan delta sediments in Modern Xiligou Lake，Wulan County，Qinghai Province

1.2 沉降液体配比

本次长试管静置观察实验，考虑富含有机质与不含有机质这2种情况，采用2种样品(希里沟前扇三角洲现代泥质沉积物与购买的黏土矿物)同时观测，实验目的是对比有、无有机质条件下，细粒沉积物在不同盐度水体中的沉降速率。其中购买的黏土矿物成分为伊利石与蒙脱石；而现代泥质沉积物主要为碳质泥级沉积物。根据长试管容量与水体盐度，分淡水、微咸水及咸水3种情况，配制相应的沉降混合液(表 2)。

表2 沉积物6种混合液配比方案Table 2 Proportioning scheme of six types sediment mixture

2 静置实验流程设计与结果分析

2.1 静置实验流程设计

本次实验中的长试管为专门定制，制作2个带底座的圆筒状试管，其规格为长1 m，内径 9 cm，壁厚7 mm，外管壁加测量尺，以便观察时计量高度或厚度变化。按相应的沉积物沉降混合液配比要求(表 2)，把2类样品(富有机质泥、黏土矿物)在预先准备的水盆(或量筒)中进行充分混合(尽量混合均匀)，然后同时分别将混合液倒入2个长试管之中，缓慢加至95 cm，接下来根据水体盐度情况，开展3组沉降实验与观察。根据沉降过程的浓度变化，观测按15 min、20 min、30 min、60 min或90 min进行计数，统计各计数点的肉眼可见(沉积物的)高度，并进行投点分析可见高度随时间的变化，从而计算分析沉降速率。

配比沉降混合液时，水体性质按淡水湖、微咸水湖及咸水湖盐度分级标准(姜在兴，2010)，其中淡水中不加盐，微咸水按1%左右浓度(质量比)配比，咸水加盐到饱和。初始配比混合液总质量按2750 g左右配制，其中碳质泥加500 g，而伊利石与蒙脱石共计500 g(总质量)，其中伊利石430 g，蒙脱石70 g，伊/蒙比约为6︰1，与渤海地区表层黏土矿物组成中的伊/蒙比(何良彪，1984)大致相似。另外，在加液过程中，考虑2个试管内液面均要保持同一刻度线以利观察对比，在本次实验2个试管中液面保持在95 cm刻度线附近持平。因此实际微咸水的盐度3‰～5‰，咸水盐度大于10‰。

2.2 实验结果分析

图2 细粒沉积物的长试管静置沉降观察结果Fig.2 Observation results of static settlement of fine-grained sediments in the large test tubes

表3 长试管实验沉积物在1 h的沉降情况观察统计Table 3 Observation and statistics of sediment settlement in one hour of large-tube setlling experiment

通过3组静置实验表明：(1)淡水条件下，富有机质泥的沉降速率明显高于黏土矿物的沉降速率；(2)在微咸水与咸水条件下，黏土矿物沉降速率明显比富有机质泥要高；(3)富有机质泥在淡水条件下的沉降速率也明显比微咸水与咸水条件下要高；(4)黏土矿物在淡水条件下的沉降速率明显比微咸水与咸水条件下的要低很多；(5)在微咸水与咸水条件下，富有机质泥沉降速率相差不大，且咸水条件下沉降速率略高(可能与观测误差有关，也可能存在电凝作用导致沉降速率略高)；同样，黏土矿物的沉降速率也相差不大，咸水条件下速率略低(可能与观测误差有关，也可能与高盐度导致浮力作用增强有关)。

图3 长试管细粒沉积物的沉降观察实验过程示意图Fig.3 Schematic diagram of settlementation observation experiment process of fine-grained sediment in the large test tubes

造成上述沉降规律及沉降速率异同的原因，主要是由于在不同水介质条件下，絮凝作用类型的差异与浮力作用的影响。具体来说，富有机质泥在淡水介质中，能够快速沉降主要源于有机质的絮凝作用(Schieberetal.，2007；Schieber，2011)，使富有机质沉降颗粒形成较大团块并克服浮力而快速沉降(图3-a)；而在微咸水与咸水条件下，由于黏土矿物中吸附的大量阴离子与水中的阳离子结合，形成黏土矿物的物理絮凝(Schieberetal.，2007；Schieber，2011；郭超，2018)(也可称之为电凝或盐絮凝)，使黏土矿物形成团块并克服浮力而快速沉降(图3-b)。而在微咸水与咸水条件下，富有机质泥与黏土矿物各自之间的沉降速率相差不大，说明它们在这2种盐度条件下，絮凝团块的重力与浮力相差并不大。

3 对细粒沉积纹层成因的启示

注：图片来自中国近海盆地的岩心与显微镜下照片图4 细粒沉积岩成层性与风化可剥离特征的分类(据Potter et al.，1980；有修改)Fig.4 Classification of stratification and parting characteristics of fine-grained sedimentary rocks (modified from Potter et al.，1980)

从本次静置实验可以发现，有机质、黏土矿物及水体盐度共同控制细粒沉积物的沉降速率。另外，已有研究表明：即便没有生物作用，颗粒越细(尤其是泥级)的沉积物越容易发生絮凝沉降，而砂级颗粒则容易产生单颗粒沉降(Potteretal.，1980；Schieber，2011；郭超，2018)。一旦这些条件发生变化，就容易形成类似或不同的纹层，尤其是有机质丰度与盐度变化时，更容易形成不同成分的纹层，因此，油页岩通常表现出典型的纹层或页理结构。

淡水湖盆中，若局部盐度变化形成微咸水环境，则有利于黏土矿物的快速沉降，富有机质泥质沉积物在物理絮凝与生物絮凝的共同作用下，可以明显增加沉积速率，甚至可以形成层状富有机质泥/页岩；而在总体淡水背景下，局部咸化过程中，盐度容易波动，有利于形成纹层状(页理状)结构，这可能是淡水微咸化后易形成油页岩的一个原因，典型如北部湾盆地始新统流沙港组二段油页岩、渤海湾盆地始新统沙河街组三段油页岩的形成与淡水湖泊局部咸化或微咸化有关(罗佳强和沈忠民，2005；徐新德等，2013)。

微咸—咸水湖盆中，由于黏土矿物的物理絮凝作用更明显，若有机质含量不高时，会快速沉积，易形成厚层与块状黑色泥岩，因此生烃潜力不高，典型如美国死亡谷(Death Valley)高盐度的Badwater盆地中的黑色块状泥岩(Robertsetal.，1994)。但微咸水—咸水湖盆中的浮力作用也更强，富有机质絮凝团块易受浮力作用影响，会比正常絮凝团块的沉降速率小，因此更有利于细粒沉积纹层结构的形成，在富有机质条件下，容易形成微咸水—咸水环境下的油页岩，典型如渤海湾盆始新统沙河街组沙四段与沙一段油页岩(罗佳强和沈忠民，2005；Heet al.，2017)、柴达木盆地英雄岭下干柴沟组油页岩(熊鹰等，2018)、准噶尔盆地芦草沟组油页岩(冯烁等，2015)。因此，油页岩的形成除需要相对安静水体环境外，还与有机质丰度、黏土矿物含量、絮凝过程及水体盐度变化的综合响应有关，而并非单独与水体盐度相关。

图5 断陷湖盆细粒沉积岩分布模式Fig.5 Distribution pattern of fine-grained sedimentary rocks in faulted lacustrine basin

另外，在湖盆的不同区域，受沉积作用影响，细粒沉积构造类型有差异，如在断陷湖盆中(图5)，多级同生断裂有利于形成浊流或异重流，这也是造成细粒沉积物快速沉积的另一个重要因素(徐长贵等，2008；Liuetal.，2016)，因此在陡坡带容易形成块状泥岩，而缓坡与相对深水区域，易形成纹层状泥/页岩或油页岩。

4 问题探讨

1)长试管。文中的静置实验所设计的装置长度为1 m，它是一种圆筒状的像试管一样的装置，但要比普通试管长很多，故称之“长试管”。而本次实验长试管设计的长度为1 m主要考虑2个因素：一是借鉴了Stokes沉降实验(Kumaretal.，2014)，便于对比分析1 m水深时的沉降速率；二是考虑到1 m长度比较容易刻度，也方便进行观察与计量。长试管壁厚要有一定厚度，主要是考虑减少碰撞导致破裂，而内径是用来计算容积的，太小或太大的内径，都会使观察不够方便，本次按6 L左右容积反算试管内径为9 cm。长试管的内径设计要考虑容积与观察的便利性，当然作者设计的内径并不一定是最科学的，不同的研究者可根据具体情况自行设计。

2)细粒沉积是否含有机质问题。本次静置沉降实验考虑的是富含有机质的细粒沉积与不含有机质细粒沉积的2种情况。购买的黏土是纯黏土，主要成分是伊利石与蒙脱石，并主要考虑伊利石影响为主，主要对比实际资料为渤海湾盆地(渤海湾盆地始新统沙河街组通常埋深较大，导致伊利石比蒙脱石更发育)；而野外取样的泥质沉积物样品主要为碳质泥沉积物(富含碳质泥级沉积物)。需要说明的是，实验观察结果中，富有机质泥随盐度增加，似乎沉降速率也略有增加；而黏土矿物的沉降速率在减少。这一方面可能是由于肉眼观察的确存在一定误差，主要是浓度的精确判断方面存在误差；另一方面也可能的确存在絮凝、电凝及浮力相互影响的复杂情况，值得今后实验中注意。

4)有待深入研究之处。关于细粒沉积构造的形成机制，目前已有一些学者开展了动水条件的实验，如环管(或跑道式)动水流动实验(Schieber，2011)。作者的研究目前还未涉及动水条件的观察实验，主要是因为实验设备还不到位，这也是今后有待深入研究的方面。此外，作者实验中的观察浓度是根据肉眼可见的清晰度进行定性判断，没有利用实验手段进行定量判定，这也是今后有待改进之处。

5 结论

1)长试管静置实验表明：富有机质泥在淡水中的沉降速率明显高于其在微咸水与咸水中的沉降速率；黏土矿物在微咸水与咸水中的沉降速率明显高于在淡水中的沉降速率。也就是说，在淡水条件下，富有机质泥的沉降速率也明显比黏土矿物要高；而在微咸水与咸水条件下，黏土矿物的沉降速率明显比富有机质泥要高。

2)细粒沉积物的沉降规律及沉降速率的差异主要是由于在不同水介质条件下，絮凝作用类型的差异与浮力作用的影响。有机质、黏土矿物及水体盐度共同控制细粒沉积物的沉降速率。一旦相关条件发生变化时，就容易形成类似或不同的纹层，尤其是有机质丰度与盐度变化时，更容易形成不同成分的纹层，因此，油页岩通常表现出典型的纹层或页理结构。

3)淡水湖盆的局部咸化有利于形成纹层状(页理状)构造，这可能是淡水微咸化后易形成油页岩的一个原因。而微咸—咸水湖盆中，在富有机质条件下，也容易形成油页岩。因此，油页岩的形成除需要相对安静水体环境外，还与有机质丰度、黏土矿物含量、絮凝过程及水体盐度变化的综合响应有关，而并非单独与水体盐度相关。

4)在湖盆的不同区域，受沉积作用影响，细粒沉积构造类型有差异，在湖盆陡坡带容易形成块状泥岩，而缓坡与相对深水区域，易形成纹层状泥/页岩或油页岩。