細粒沉積巖研究的現(xiàn)狀與展望

細粒沉積巖研究的現(xiàn)狀與展望

“許多人認為，細粒沉積物的形成和固結(jié)過程非常簡單，不關(guān)心結(jié)果，但經(jīng)過仔細研究，發(fā)現(xiàn)事實是非常復(fù)雜的問題?！?。巖石學之父Sorby早在1908年便對細粒沉積巖作了上述評論。雖然一個世紀過去了,它卻還是那么富有哲理。通過多年的努力,細粒沉積物的研究已經(jīng)取得了長足的進步。然而,其沉積、成巖遠比其他巖石復(fù)雜,人類對它們的研究還有很長的路要走。細粒沉積巖分布廣泛,約占沉積巖的2/3,但由于粒度小、觀察難度大以及受超微觀實驗條件的限制,細粒物質(zhì)的沉積、成巖作用是沉積學界乃至于地質(zhì)學界研究薄弱領(lǐng)域。細粒物質(zhì)沉積成巖研究不僅具有重要的科學意義,同時,隨著頁巖油氣勘探開發(fā)如火如荼地展開,還存在重要的工業(yè)價值。在近幾年的研究工作中,筆者認為細粒物質(zhì)沉積學研究要解決如下問題:(1)細粒沉積巖相關(guān)概念模糊、術(shù)語使用不準確,如部分學者將細粒物質(zhì)狹隘地理解為黏土礦物,另外,“頁巖”一詞在使用上概念模糊,或籠統(tǒng)地將所有細粒巖稱為頁巖,這些均不具科學性;(2)細粒沉積巖的巖石類型復(fù)雜,缺乏系統(tǒng)、科學的分類;(3)細粒物質(zhì)沉積動力學過程復(fù)雜,目前還沒有較為合理的沉積模式;(4)深水細粒沉積巖對海(湖)平面響應(yīng)識別難度大,目前尚未形成層序地層劃分方法;(5)細粒沉積物在埋藏成巖中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的條件、過程及有機-無機相互作用機制尚不明確。筆者在國內(nèi)外相關(guān)文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上,結(jié)合自己的研究成果,對細粒巖沉積學研究的這幾個問題作一探討。1細粒沉積層的概念和分類1.1細粒沉積巖的分類細粒沉積物是指粒徑小于62μm的黏土級和粉砂級沉積物,其成分主要包含黏土礦物、粉砂、碳酸鹽、有機質(zhì)等。黏土指粒徑小于4μm的組分,粉砂是指粒徑介于4~62μm的物質(zhì);泥質(zhì)籠統(tǒng)地指黏土—粉砂級的混合物。由細粒沉積物組成的沉積巖稱為細粒沉積巖或泥狀巖,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。油頁巖是一種有機質(zhì)含量極高(TOC通常大于2%)的頁巖,可以通過干餾等手段從中提取原油。而黏土巖是指主要由黏土組成的細粒沉積巖。1.2巖石類型及劃分由細粒沉積物的定義可見,細粒物質(zhì)并不局限于黏土礦物,而是擁有復(fù)雜的物質(zhì)構(gòu)成。如中國南方古生界海相“頁巖”(此處暫且稱之頁巖)以石英、黏土礦物為主[圖1(a)、圖1(b)],而中國東部湖相“頁巖”細粒物質(zhì)以碳酸鹽、黏土礦物、粉砂及有機質(zhì)為主[圖1(c)、圖1(d)],甚至在多個盆地內(nèi)頁巖中,碳酸鹽礦物平均含量超過50%。細粒沉積巖的巖石類型也異常豐富,主要包含了硅質(zhì)碎屑巖中的粉砂巖和黏土巖,石灰?guī)r中的灰泥灰?guī)r和部分黏結(jié)巖,及其過渡類型。以細粒沉積巖的主要組分粉砂、黏土和碳酸鹽為三端元,以各自含量50%為界分為4大類(圖2)。前三大類巖石的詳細分類可參照傳統(tǒng)命名方式,結(jié)合沉積構(gòu)造和組分含量(10%,25%,50%)進行劃分。如黏土礦物含量為55%,碳酸鹽含量為28%,粉砂含量為12%,且為紋層狀,應(yīng)命名為頁狀含粉砂灰質(zhì)黏土巖。又如“粉砂質(zhì)頁巖”實際應(yīng)命名為頁狀粉砂質(zhì)黏土巖。對于三端元組分含量相對均一(即沒有一種組分含量超過50%)的第IV類混合型細粒沉積巖,可將粉砂和黏土共同作為一個端元(硅質(zhì)碎屑端元)、碳酸鹽作為另外一個端元(碳酸鹽端元),以硅質(zhì)碎屑含量65%(碳酸鹽含量35%)為界,分為硅質(zhì)碎屑型混合細粒沉積巖(硅質(zhì)碎屑含量大于65%)和碳酸鹽型混合細粒沉積巖(碳酸鹽含量大于35%)。這類巖石在泌陽凹陷核桃園組三段(核三段)湖相頁巖中較為常見,如黏土礦物含量27.1%,粉砂含量36.7%,碳酸鹽含量36.2%,且為紋層狀,可命名為頁狀碳酸鹽型混合細粒沉積巖[圖3(a)];黏土礦物含量36.2%,粉砂含量35.2%,碳酸鹽含量28.6%,為紋層狀,應(yīng)命名為頁狀硅質(zhì)碎屑型混合細粒沉積巖[圖3(b)]。在上述分類基礎(chǔ)上,可結(jié)合研究區(qū)特點進行更詳細的劃分。如針對以碳酸鹽、黏土礦物和有機質(zhì)為主的中國中東部湖相含油氣細粒沉積巖,筆者提出以有機質(zhì)(TOC)、碳酸鹽及黏土礦物三端元劃分巖石類型(圖4)。鑒于有機質(zhì)在細粒物質(zhì)沉積動力學、成巖作用和儲層形成中的重要作用,建議首先以TOC2%和4%為界,劃分出低有機質(zhì)、中有機質(zhì)和高有機質(zhì)3大類;之后,根據(jù)碳酸鹽和黏土礦物50%為界,進一步劃分為6亞類:(1)高有機質(zhì)頁狀灰?guī)r;(2)高有機質(zhì)頁狀黏土巖;(3)中有機質(zhì)頁狀灰?guī)r;(4)中有機質(zhì)頁狀灰質(zhì)黏土巖;(5)低有機質(zhì)灰泥灰?guī)r;(6)低有機質(zhì)塊狀黏土巖。進一步劃分需考慮其他礦物成分和沉積構(gòu)造(圖5)。2顆粒物質(zhì)的沉積動力學和沉積模式2.1泥質(zhì)粒度及沉積相在多年的細粒物質(zhì)沉積學研究中達成了如下共識:(1)它們總是沉積于水流微弱的安靜環(huán)境;(2)受到水流作用時會再懸浮,而不會侵蝕,高含水(可高達90%)的泥巖受到強水流的作用時,沒有剪應(yīng)力;(3)泥巖中的石英是陸源碎屑成因;(4)深水泥巖都是懸浮沉積。然而,正如巖石學之父Sorby所言,細粒物質(zhì)沉積成巖過程異常復(fù)雜,隨著研究的深入,上述“共識”已面臨挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代泥質(zhì)粒度分析表明,大多數(shù)直徑小于10μm的顆粒以絮凝物形式沉積,直徑大于10μm的顆粒則主要以單獨顆粒形式沉降,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等通過水槽實驗證明絮狀物可以表現(xiàn)為與粗粒碎屑水力等效的方式,并作為高密度流或濁流的成分在海底進行搬運,并可形成交錯層理(圖6)。Schieber等指出,頁巖在早成巖過程中可以形成石英,并在陰極發(fā)光顯微鏡下得到了驗證。此外,研究表明,濁流在遠洋沉積中占有重要位置,其對于理解海(湖)中泥質(zhì)沉積有著重要意義。在東營凹陷湖相深水頁巖中存在交錯層理[圖7(a)、圖7(b)],并發(fā)現(xiàn)有濁積泥巖。濁積泥巖表現(xiàn)為塊狀、藍灰色、低有機碳含量[圖7(c)]。該濁積泥巖的證據(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。2.2生物或生物化學作用中國東部中生界、新生界湖相頁巖中碳酸鹽含量很高,其沉積過程一直是近年來的研究熱點,其來源及沉積過程主要包括機械、化學、生物及生物化學作用。在碳酸鹽機械作用方面,Jiang等探討了構(gòu)造、古地貌、物源及氣候?qū)Σ澈撑璧厥拱枷萆澈咏纸M三段中亞段下部碳酸鹽巖的影響。邱隆偉等對湖相泥灰?guī)r進行了詳細的分類,并探討了其成因。生物或生物化學作用在碳酸鹽沉積過程中扮演重要角色。碳酸鹽生物或生物化學作用對于碳酸鹽建隆、生物滅絕事件、古環(huán)境恢復(fù)、古氣候恢復(fù)及油氣成藏有著重要意義。其主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)生物(植物、藻類及細菌類生物)通過光合作用利用水體中CO2和HCO3-中的C,使水溶液的pH值提高從而引起碳酸鹽的沉積;(2)生物或生物群(藍藻、綠藻)通過分泌黏液,捕獲或黏結(jié)碳酸鹽顆粒物質(zhì)形成碳酸鹽巖;(3)由食甲烷古菌(ANME)和硫酸鹽還原細菌(SRB)共存體形成的甲烷厭氧氧化(AOM)可以產(chǎn)生大量碳酸鹽,這在黑海底部微生物礁研究中得到了證實;(4)形成生物鈣質(zhì)骨架。2.3水體深度與沉積相的關(guān)系湖相細粒物質(zhì)沉積動力學的研究相對薄弱,各種組分的物質(zhì)來源、形成機制及沉積過程尚不明確?；诮鼛啄甑难芯砍晒?筆者認為,湖相細粒物質(zhì)的發(fā)育受控于湖盆碳酸鹽補償深度“CCD”(carbonatecompensatedepth)(圖8),即水體中碳酸鹽補給速率與溶解速率相等的深度面。顯然,陸相湖泊水體物理化學條件(如鹽度、溫度、壓力、pH值等)與海洋差異較大,筆者只是試圖借助海洋“碳酸鹽補償深度”的概念來理解湖盆中碳酸鹽沉積過程,即碳酸鹽的沉淀取決于碳酸鹽的產(chǎn)率和溶解速率之間的關(guān)系,實際上是受水體深度控制?；诖?以東營凹陷沙河街組四段上亞段(沙四上亞段、Es4s)—沙河街組三段下亞段(沙三下亞段、Es3x)湖相細粒巖為例,來探討東營凹陷湖相細粒沉積巖的成因模式。有機質(zhì)及礦物含量的不同可以反映出水體深度的變化。濱湖區(qū)在受到較強蒸發(fā)作用時,可發(fā)育膏質(zhì)黏土巖。在淺湖區(qū),其巖性有機質(zhì)含量低,碳酸鹽含量較高,以發(fā)育低有機質(zhì)灰泥灰?guī)r為主。在半深湖—深湖環(huán)境,碳酸鹽含量明顯減小,甚至沒有碳酸鹽沉積,而有機質(zhì)含量逐漸增大。在溶躍面之上,碳酸鹽呈過飽和狀態(tài),主要形成灰?guī)r沉積;在溶躍面與CCD之間,碳酸鹽部分溶解且有機質(zhì)含量高,主要為中有機質(zhì)灰質(zhì)黏土巖、中有機質(zhì)灰?guī)r和高有機質(zhì)灰?guī)r;而CCD以下,則幾乎沒有碳酸鹽沉積,有機質(zhì)含量最高,主要為高有機質(zhì)黏土巖(圖8)。3層序控層機理層序的發(fā)育主要受構(gòu)造沉降、海(湖)平面升降、沉積物供給及氣候4個參數(shù)的影響,不同的層序格架內(nèi)具有不同的響應(yīng)特征。對于正常的砂、泥巖地層,可通過巖、電、震等方面的變化來探究。而對于細粒沉積物,由于其自然屬性及“看似均質(zhì)”的特征,使其對海(湖)平面的響應(yīng)及層序劃分成為了一個難題。一些學者曾嘗試性地將巖性及其組合法、礦物成分法、地球化學法、小波分析法、古生物法、天文地層法、分子地層法等多種方法應(yīng)用于細粒沉積物的層序劃分中。Creaney等曾將TOC與層序劃分相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)TOC的最大含量往往與最大海泛面有關(guān)。劉招君等研究認為油頁巖層或生物富集層底界面、TOC、生烴潛量等多種指標的突變處為準層序界面。Straeten認為沉積物粒度、TOC、元素及其含量比值、生物擾動強度等指標揭示了不同層序單元及其沉積環(huán)境的變化(氧化、貧氧、厭氧環(huán)境)。筆者以“成因控層”原理為指導(dǎo),由層序主控因素的變化規(guī)律建立了東營凹陷沙四上亞段及沙三下亞段湖相深水細粒巖層序地層格架。東營凹陷在沙四上亞段至沙三下亞段沉積期,因湖中心構(gòu)造相對穩(wěn)定,可將構(gòu)造視為不變因素而忽略其影響。在對沉積物巖性進行組分分析后發(fā)現(xiàn),有機質(zhì)、方解石、黏土礦物和粉砂是其主要的巖性組分。而這三者含量的變化在一定程度上可指代其余3種層序主控因素(氣候、相對湖平面及物源輸入)的變化(圖9)。當氣候暖濕時,藻類相對繁盛,致使有機質(zhì)含量增加,因而有機質(zhì)含量的變化可在一定程度上反映氣候的變化;細粒物質(zhì)沉積區(qū),受陸源輸入影響較小,當湖平面降低時,碳酸鹽巖的沉積會相對增多,故碳酸鹽含量的變化可反映湖平面的相對變化;黏土礦物及粉砂含量的變化則揭示了陸源輸入增多或減少。由此可利用上述3種成分的組合變化來指代層序主控因素的變化及其間的相互作用,結(jié)合巖性組合,劃分出了層序格架(圖5),為深水細粒沉積層序地層分析提供了解決方案。4利石的礦物成分及有機作用機制細粒物質(zhì)的化學性質(zhì)不穩(wěn)定,在埋藏成巖過程中,黏土礦物、生物硅、有機質(zhì)及碳酸鹽等細粒物質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)化作用。溫度超過70℃時,黏土礦物成分的轉(zhuǎn)化成為頁巖物質(zhì)變化的重要驅(qū)動因素。70~100℃時,蒙脫石或伊/蒙混層轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾蚋咭晾囊?蒙混層。伊利石化產(chǎn)生的二氧化硅,以微晶石英形式存在于黏土基質(zhì)中。在硅質(zhì)生物富集的頁巖中,生物硅在埋藏成巖過程中的轉(zhuǎn)化作用較為常見,它們由蛋白石-A向蛋白石-CT,繼而向石英轉(zhuǎn)化。有機質(zhì)與地下環(huán)境介質(zhì)發(fā)生生物、化學及物理作用,且隨著介質(zhì)條件的變化發(fā)生相應(yīng)的演化。此外,細粒物質(zhì)埋藏成巖過程中,有機-無機相互作用機制尚不明確。初步研究表明,碳酸鹽礦物在成巖過程中發(fā)生晶體形態(tài)的變化,有機質(zhì)含量(TOC)及其熱演化對于碳酸鹽礦物晶體大小和形態(tài)有著重要影響,通過對東營凹陷、沾化凹陷、泌陽凹陷及束鹿凹陷巖心測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明,TOC>2%時,有機質(zhì)演化產(chǎn)生的有機酸足夠使泥晶方解石發(fā)生重結(jié)晶作用,轉(zhuǎn)變?yōu)榱?TOC>4%時,再進一步結(jié)晶呈柱狀晶體(圖10)。5細粒物質(zhì)沉積學未來細粒巖沉積學研究應(yīng)當針對當前存在問題,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,重視學科交叉研究,特別是古生物學和地球化學與沉積學的結(jié)合,使得細粒巖沉積學這一薄弱領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注,并取得突破性進展。主要包括以下幾個方面:(1)細粒沉積物沉積動力學過程。結(jié)合水槽實驗、微觀實驗觀察及微生物分析等手段,進一步明確細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作用在頁巖形成中的重要作用,并探索細粒物質(zhì)沉積動力學模式。(2)細粒沉積巖巖石學分類。細粒沉積巖巖石類型復(fù)雜,現(xiàn)存稱謂過于籠統(tǒng),亟需建立科學規(guī)范的巖石學命名及分類方案。除了傳統(tǒng)的巖心及薄片觀察,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,詳細刻畫不同巖石類型特征。(3)深水細粒物質(zhì)層序地層學。在生物地層學、分子地層學等深水細粒物質(zhì)層序成因方面亟需