楊 輝,朱代強(qiáng),劉祥剛,何 橋
(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽(yáng)550081)
由“細(xì)粒物質(zhì)”(粒徑<63 μm)構(gòu)成了細(xì)粒沉積巖,其組分多樣,包括碳酸鹽、石英、長(zhǎng)石、黏土及有機(jī)質(zhì)等[1]。關(guān)于細(xì)粒沉積的研究首先從泥巖開始。早在1747 年,Hoosen 提出了泥巖的概念。John Farey 在1811 年最早定義了頁(yè)巖(shale)一詞[2]。但直到1853 年,巖石學(xué)之父Sorby 才首次利用薄片來(lái)研究泥巖的微觀特征。他在1908 年指出,細(xì)粒泥巖看似簡(jiǎn)單,實(shí)則非常復(fù)雜。1932 年,Krumbein 依據(jù)巖石粒度特征,定義了細(xì)粒沉積的概念。細(xì)粒沉積學(xué)(fine-grained sedimentology)最早由Gorsline 在1984 年提出,他認(rèn)為細(xì)粒沉積學(xué)的研究?jī)?nèi)容應(yīng)從大尺度的地層格架、巖石學(xué)研究轉(zhuǎn)向精細(xì)地層、礦物屬性及成因研究。
細(xì)粒沉積學(xué)的研究有助于人類了解古氣候,理解沉積物從物源到最遠(yuǎn)端的沉積過(guò)程。不僅如此,細(xì)粒沉積巖中還蘊(yùn)藏著大量的非常規(guī)油氣資源[3-5]。國(guó)內(nèi)外目前關(guān)于細(xì)粒沉積學(xué)的研究主要包括礦物學(xué)、巖石學(xué)、沉積環(huán)境及沉積作用等方面[1,6-7]。
細(xì)粒沉積的物質(zhì)組成可以分為無(wú)機(jī)組分與有機(jī)質(zhì)兩大部分,二者的沉積特征與相互關(guān)系復(fù)雜,涉及的種類與范圍廣泛。該文選取最主要的無(wú)機(jī)組分石英、黏土礦物及碳酸鹽作介紹,有機(jī)質(zhì)部分介紹其賦存特征與富集機(jī)理,最后探討二者間相互關(guān)系。
不同地區(qū)細(xì)粒沉積巖的組分差別巨大,四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖富含石英及黏土礦物;東營(yíng)凹陷沙四上—沙三下亞段頁(yè)巖、泌陽(yáng)凹陷核桃園組頁(yè)巖等碳酸鹽礦物更為富集[1,8-9]。
石英是細(xì)粒沉積巖最主要和重要的礦物之一。一方面是因?yàn)槭⒇S度高,在中國(guó)海相頁(yè)巖中,石英含量約18.4%~70.6%,均值37.3%,在中國(guó)陸相頁(yè)巖中,石英含量多為20%~30%,均值23.79%[10];另一方面,石英影響頁(yè)巖可壓裂性,其含量與可壓裂性呈正比,這直接影響頁(yè)巖油氣的開發(fā)效益。石英的成因類型豐富。傳統(tǒng)認(rèn)為石英為陸源成因,由物源提供,經(jīng)風(fēng)化作用,于湖盆或海洋中沉積。這一過(guò)程中,伴隨有侵蝕、風(fēng)化、搬運(yùn)等沉積作用過(guò)程,多與黏土、長(zhǎng)石等礦物協(xié)同。陸源石英顆粒常具有棱角,或呈不規(guī)則狀,在鏡下易于識(shí)別。隨著非常規(guī)頁(yè)巖油氣的勘探研究表明,在中國(guó)四川盆地奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組、美國(guó)東部泥盆系頁(yè)巖、Barnett 頁(yè)巖、Woodford 頁(yè)巖和Marcellus 頁(yè)巖中存在生物成因的石英,這主要是利用地球化學(xué)元素圖解(Al-Fe-Mn 等)以及鏡下鑒定等方法進(jìn)行確定。目前對(duì)生物石英多處于定性研究,分析其形態(tài)、陰極發(fā)光及光譜特征等。生物石英多為隱晶,粒徑細(xì)小,陰極發(fā)光為弱發(fā)光-不發(fā)光,波長(zhǎng)在620 nm 附近出現(xiàn)峰值[11]。此外,在成巖過(guò)程中,黏土礦物伊利石化產(chǎn)生二氧化硅,以微晶石英形式存在于黏土基質(zhì)中,顆粒大小多為幾個(gè)微米。
細(xì)粒沉積巖中的黏土礦物包括伊利石、伊蒙混層、高嶺石等,在不同地區(qū),黏土礦物類型與含量不同。東營(yíng)凹陷沙四上—沙三下亞段頁(yè)巖黏土礦物以伊利石為主,均值達(dá)85.45%。伊蒙混層均值為17.22%。四川盆地五峰組—龍馬溪組同樣有以伊利石為主的頁(yè)巖,如川南地區(qū)黏土礦物中伊利石均值為67.8%;綠泥石均值21.2%;伊蒙混層均值11%。但在川東南地區(qū)黏土礦物則以伊蒙混層為主,均值達(dá)54.4%;伊利石均值為39.4%;綠泥石均值僅6%;零星分布高嶺石。黏土礦物的變化與物源供給、成巖演化等均有關(guān)系。
通過(guò)對(duì)細(xì)粒沉積的水槽實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在水流的作用下,黏土顆??梢酝ㄟ^(guò)絮凝的方式沉淀,粒徑最大約1 mm,與粗粒物質(zhì)相似,可在海底運(yùn)移并形成特有的波痕結(jié)構(gòu)。同時(shí),這些讓黏土顆粒沉淀并且在底床形成波痕的水動(dòng)力足夠搬運(yùn)砂[12]。絮凝波痕的產(chǎn)生取決于沉積物供給量和流體速度的變化。流速較高時(shí),沉積物底床搬運(yùn)剪切力較大,絮凝體缺乏足夠的能量保持而被破壞,此時(shí)只有粉砂級(jí)單獨(dú)顆粒沿底床搬運(yùn)。隨著流速降低,底部剪切力隨之下降,絮凝體足以克服底部剪切力進(jìn)而和粗粒沉積物一起沿底床搬運(yùn),形成了富粉砂和富絮凝體紋層。
碳酸鹽礦物在頁(yè)巖中分布廣泛,以方解石、白云石為主。其沉積機(jī)制研究相對(duì)薄弱,這與碳酸鹽礦物自身成因復(fù)雜有關(guān)。其形成可與物理機(jī)械作用、化學(xué)作用、生物作用及生化作用等有關(guān)。Jiang 等(2007)探討了物源供給、古地貌、構(gòu)造作用及古氣候?qū)μ妓猁}的影響[13],邱隆偉等(2010)針對(duì)泥灰?guī)r開展了巖相學(xué)研究[14],碳酸鹽的沉積受生物作用或生化作用、化學(xué)作用影響顯著。在細(xì)粒沉積巖中,生物成因的碳酸鹽成分主要來(lái)自生活在透光帶的浮游動(dòng)物,以及生活在海底的底棲生物,包括生物的骨骼和遺殼等。浮游生物的有機(jī)殘骸常常與黏土礦物通過(guò)生物化學(xué)作用結(jié)合成“海洋雪”沉到海底。碳酸鹽亦可以在生烴前沉積-同生階段膠結(jié)形成,或交代形成。
目前對(duì)有機(jī)質(zhì)的研究,多集中于其含量的縱橫向及平面的變化等[15-16]。關(guān)于富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段中有機(jī)質(zhì)賦存的研究相對(duì)較少。前人認(rèn)為有機(jī)質(zhì)的賦存狀態(tài)受無(wú)機(jī)組分影響。存在分散有機(jī)質(zhì)、礦物瀝青基質(zhì)、有機(jī)黏土復(fù)合體、有機(jī)質(zhì)-灰泥質(zhì)復(fù)合體等有機(jī)質(zhì)賦存形式[17-18]。在四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中,前人識(shí)別出顆粒內(nèi)部、黏土礦物吸附等有機(jī)質(zhì)賦存形式[19]。這些研究可對(duì)盆地中有機(jī)質(zhì)的成因、時(shí)空分布特征以及生烴機(jī)理分析提供幫助[20],也利于油氣甜點(diǎn)的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)分析。
前人研究發(fā)現(xiàn),有兩種模式可以用于解釋有機(jī)質(zhì)的富集[21]。第一種是生產(chǎn)力模式,即有機(jī)質(zhì)富集的主控因素是初始生產(chǎn)力,第二種是保存模式,即有機(jī)質(zhì)富集的主控因素是底層水的氧化還原條件。一些研究發(fā)現(xiàn),底層水的氧化還原條件與有機(jī)質(zhì)富集間的相關(guān)性較弱,而初始生產(chǎn)力與有機(jī)質(zhì)間呈現(xiàn)更好的相關(guān)性,進(jìn)而認(rèn)為較高的初始生產(chǎn)力是有機(jī)質(zhì)富集的關(guān)鍵因素。
進(jìn)入海洋的有機(jī)質(zhì)中,絕大多數(shù)(約90%)在與沉積物結(jié)合之前就被氧化或受細(xì)菌降解作用影響。這一過(guò)程受有機(jī)質(zhì)供給、有機(jī)質(zhì)類型、底層水缺氧、快速埋藏、自然硫化及細(xì)粒沉積幾個(gè)方面的影響[22]??偨Y(jié)發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì)的富集主要受沉積環(huán)境(包括生物供給與沉積速率)及細(xì)粒沉積兩方面的影響。
無(wú)機(jī)組分與有機(jī)質(zhì)間的相互關(guān)系復(fù)雜多變,這與二者成因有關(guān)。常規(guī)研究認(rèn)為石英屬于陸源成因,與有機(jī)質(zhì)呈反比。在四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)石英與有機(jī)質(zhì)間的相互關(guān)系呈階段性變化。在底部富有機(jī)質(zhì)層段中,TOC多大于2%,石英含量介于30%~70%,二者呈正比;在龍馬溪組一段中上部貧有機(jī)質(zhì)層段中,TOC多小于2%,石英含量介于15%~40%,二者間相關(guān)性不明顯(如圖1a 所示)。
圖1 四川盆地JY1 井五峰組—龍馬溪組石英、黏土礦物與有機(jī)質(zhì)關(guān)系Fig. 1 The relationship between quartz and clay minerals with organic matter of JY1 well Wufeng-Longmaxi formation in Sichuan Basin
這主要受生物石英富集于底部的影響,其與有機(jī)質(zhì)同屬生物成因,因此呈正比。上部層段生物石英減少,陸源石英增多且水體變淺,有機(jī)質(zhì)含量低且與石英的正比關(guān)系消失。
細(xì)粒沉積巖中有機(jī)質(zhì)含量與黏土礦物的關(guān)系極為密切。黏土礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)有吸附作用,通過(guò)離子交換形成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的復(fù)合體,有利于有機(jī)質(zhì)的保存。在頁(yè)巖及現(xiàn)代沉積中,可見二者呈正比。而在中上揚(yáng)子區(qū)古生界海相烴源巖中,顯示出黏土礦物含量隨TOC增加而降低[23]。在四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中亦可見相同趨勢(shì),這與黏土礦物陸源成因相關(guān)(如圖1b 所示)。可見,黏土礦物與有機(jī)質(zhì)在沉積與成巖過(guò)程中的關(guān)系是十分復(fù)雜的。
圖2 東營(yíng)凹陷沙四上亞段細(xì)粒沉積巖巖相類型劃分Fig.2 Lithofacies classification of fine-grained sedimentary rocks of the upper fourth member of Shahejie formation in Dongying Depression
國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于各種實(shí)驗(yàn)技術(shù),在研究細(xì)粒沉積巖的巖石學(xué)特征基礎(chǔ)上,將成分、結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造、顏色、古生物等作為指標(biāo)進(jìn)行巖相劃分。20 世紀(jì)20年代以來(lái),隨著X 衍射、掃描電子顯微鏡等技術(shù)的進(jìn)步,巖相學(xué)研究更加關(guān)注細(xì)粒沉積巖的微觀特征與組分構(gòu)成。
關(guān)于細(xì)粒沉積巖巖相的分類方法不甚統(tǒng)一,多采用傳統(tǒng)的巖石定名,具體如下:①以主要的無(wú)機(jī)礦物(如石英、黏土礦物、碳酸鹽)作為端元進(jìn)行劃分(如圖2[10]所示)。不同地區(qū)的細(xì)粒沉積巖組成成分有所不同,巖相分布不同。②注重細(xì)粒沉積巖的結(jié)構(gòu)特征,以粒度為指標(biāo)進(jìn)行分類。③注重細(xì)粒沉積巖的沉積構(gòu)造/水動(dòng)力特征,將紋層與成分相結(jié)合進(jìn)行巖相劃分[24]。在國(guó)內(nèi)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中識(shí)別出貧硅不平行紋層頁(yè)巖、富硅平行紋層頁(yè)巖等9 種巖相[2];在東營(yíng)凹陷古近系細(xì)粒沉積巖識(shí)別出紋層狀泥質(zhì)巖與非紋層狀泥質(zhì)巖兩種類型,后續(xù)結(jié)合組分進(jìn)行細(xì)化。④注重細(xì)粒沉積巖的物質(zhì)來(lái)源,在東營(yíng)凹陷沙三段深湖相中識(shí)別出內(nèi)源性泥巖與外源性泥巖兩大類別以及8 種端元巖相。⑤注重細(xì)粒沉積巖的非均質(zhì)性,綜合礦物、有機(jī)質(zhì)、顏色、結(jié)構(gòu)及古生物特征的分類[25]。
對(duì)于細(xì)粒沉積巖的沉積環(huán)境,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要運(yùn)用地球化學(xué)、礦物及古生物手段,發(fā)現(xiàn)其發(fā)育環(huán)境的多樣。關(guān)于沉積環(huán)境中水深的研究,可以利用沉積特征、地球化學(xué)(Th/U,F(xiàn)e/Co 等)等指標(biāo)進(jìn)行定性研究;利用古生物法進(jìn)行定量分析[26],如顆石豐度法、介形蟲分異度、筆石帶等,但古生物法恢復(fù)古水深對(duì)于古生物保存條件、識(shí)別準(zhǔn)確度等要求較高,適用性較為受限;亦可利用測(cè)井恢復(fù)古水深;也存在地球化學(xué)與地區(qū)平均水深相結(jié)合的連續(xù)定量水深研究[27]。研究結(jié)果表明,東營(yíng)凹陷沙四上—沙三下亞段細(xì)粒沉積巖發(fā)育水深為10~60 m,水體向上加深;四川盆地五峰組前期沉積于深水環(huán)境,觀音橋段受全球冰期影響,水體下降50~100 m,甚至更多[28],龍馬溪組底部富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖沉積于深水環(huán)境,上部水體變淺。
判斷沉積環(huán)境中水體氧化還原性的主要指標(biāo)有Cu/Zn,(Cu+Mo)/Zn,Ni/Co,V/(V+Ni),Mo/Fe,Th/Uh 和Pr/Ph(姥鮫烷/植烷)等。王淑芳等(2014)對(duì)四川盆地南部寧203 井志留系龍馬溪組頁(yè)巖沉積環(huán)境的元素地球化學(xué)研究結(jié)果表明,龍馬溪組底部富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖沉積于缺氧環(huán)境,上部為氧化環(huán)境[29]。與生物生產(chǎn)率相比,還原性是影響有機(jī)質(zhì)富集的更重要因素。早志留世的缺氧環(huán)境與全球海平面快速上升一致,對(duì)黑色頁(yè)巖的形成亦具有明顯控制作用。
沉積速率的變化影響細(xì)粒沉積巖中有機(jī)質(zhì)的富集,二者間的關(guān)系復(fù)雜。低沉積速率下水體安靜,利于有機(jī)質(zhì)保存,高沉積速率對(duì)有機(jī)質(zhì)的影響則需考慮氧化還原條件。氧化條件下,較高的沉積速率利于有機(jī)質(zhì)的快速埋藏,縮短被分解時(shí)間,遷移氧化柱中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)入還原環(huán)境,利于有機(jī)質(zhì)保存。還原條件下,高沉積速率對(duì)有機(jī)質(zhì)具有稀釋作用。
目前,對(duì)于四川盆地五峰組—龍馬溪組細(xì)粒沉積巖沉積速率的研究相對(duì)較多,且多依托筆石定年,結(jié)合地層厚度進(jìn)行計(jì)算。龍馬溪組沉積早期為深水相筆石頁(yè)巖沉積建造,沉積速率為1.5~33.8 m/Ma,龍馬溪組沉積中晚期為半深水-淺水相沉積建造,沉積速率為9.5~384.4 m/Ma。該區(qū)沉積速率與TOC間具有明顯的負(fù)相關(guān)性,即沉積速率越高,TOC越低(如圖3 所示)。這主要是因?yàn)樵搮^(qū)在高沉積速率發(fā)育段,往往伴隨著弱還原條件,甚至弱氧化-氧化條件,初始生產(chǎn)力低,這就造成盡管快速埋藏可以縮短有機(jī)質(zhì)的降解時(shí)間,但原始供給不足、后期保存差,以及高沉積速率對(duì)有機(jī)質(zhì)的稀釋,最終二者表現(xiàn)出反比特征。
圖3 四川盆地JY1 井五峰組—龍馬溪組沉積速率與有機(jī)質(zhì)關(guān)系Fig. 3 The relationship between sedimentary rate and organic matter of JY1 well Wufeng-Longmaxi formation in Sichuan Basin
細(xì)粒沉積巖的發(fā)育環(huán)境不同,沉積條件與動(dòng)力機(jī)制不同,沉積成因模式則不同。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),引起細(xì)粒沉積物搬運(yùn)、沉積的主要?jiǎng)恿Χ鄻?,包括上升流、風(fēng)暴、等深流等物理作用,以及膠體絮凝等化學(xué)作用和生物擾動(dòng)等生物作用;搬運(yùn)、沉積的對(duì)象也是豐富的,包括陸源碎屑、自生物質(zhì)、生物物質(zhì)、火山活動(dòng)產(chǎn)物等。沉積作用一個(gè)或多個(gè)疊加在一起形成一套細(xì)粒沉積地層。不同的沉積作用下發(fā)育多樣的沉積構(gòu)造,如多樣的紋層、層理、塊狀構(gòu)造等??梢?,細(xì)粒沉積是一個(gè)極其復(fù)雜的產(chǎn)物。
諸多沉積條件,包括古氣候(溫度、濕度等)、古物源、古構(gòu)造(地貌)、古水體性質(zhì)(水深、水動(dòng)力、還原性及水體分層等)、突發(fā)事件(濁流、海侵、火山活動(dòng)等)均影響細(xì)粒沉積的發(fā)育,這其中還包括含氧量的變化。在陸相環(huán)境中,沉積條件的影響更為明顯、頻繁,表現(xiàn)在巖相、層序地層結(jié)構(gòu)、展布與演化等諸多方面。因此,對(duì)其沉積條件的刻畫,能從機(jī)理上分析細(xì)粒沉積的發(fā)育。因沉積條件之間復(fù)雜的相互關(guān)系,研究其中一方面沉積條件時(shí),要結(jié)合其他沉積條件,這也是目前研究所缺乏的。
國(guó)內(nèi)外在細(xì)粒沉積的沉積相識(shí)別、平面展布與演化方面,研究手段主要包括基質(zhì)組構(gòu)、沉積構(gòu)造、砂質(zhì)含量、古生物、特殊礦物、地化參數(shù)等[30],研究精度為沉積亞相-微相級(jí)別。目前海相產(chǎn)氣的頁(yè)巖主要發(fā)育于陸棚相,以及斜坡與深水盆地等,如四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖、下寒武統(tǒng)頁(yè)巖、Barnett 頁(yè)巖、Marcellus 頁(yè)巖、Haynesville 頁(yè)巖等;陸相產(chǎn)油的頁(yè)巖主要發(fā)育于半深湖及深湖相,如東營(yíng)凹陷沙四上亞段頁(yè)巖、泌陽(yáng)凹陷核桃園組頁(yè)巖。
對(duì)于亞相及微相的劃分,針對(duì)四川盆地五峰組—龍馬溪組,劉樹根等(2013)劃分出深水陸棚與淺水陸棚兩大類[31]。張美玲等(2015)識(shí)別出深水硅泥質(zhì)陸棚微相、深水泥質(zhì)陸棚微相、深水砂泥質(zhì)陸棚微相、深水混積陸棚微相[32]。王玉滿(2015)則細(xì)分出深水陸棚、半深水陸棚、淺水陸棚及陸棚邊緣4種亞相,以及更為精細(xì)的鈣質(zhì)深水陸棚、泥質(zhì)深水陸棚等8 種沉積微相[33]。
上述可見,細(xì)粒沉積巖的組分與成因類型多樣,如石英成因包括陸源、生物成因和成巖自生等。而對(duì)于細(xì)粒沉積巖的巖相分類,國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)顏色、組分、構(gòu)造發(fā)育情況等進(jìn)行劃分,但對(duì)各組分的不同成因?qū)?xì)粒沉積巖分類的影響卻鮮有考慮,符合組分成因機(jī)制的巖相分類體系還未建立??蓪?duì)細(xì)粒沉積巖中不同成因(陸源、生物、化學(xué)等)的組分進(jìn)行定量識(shí)別,進(jìn)行統(tǒng)一劃分。在頁(yè)巖油氣的勘探開發(fā)中,細(xì)粒沉積巖具有源-儲(chǔ)一體的特點(diǎn),其巖相差異會(huì)導(dǎo)致生烴、儲(chǔ)集性能及含氣性的變化,因此,巖相的識(shí)別劃分影響泥頁(yè)巖產(chǎn)能評(píng)價(jià)。目前適用于頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)的巖相分類體系還需深化研究。
沉積學(xué)研究不能只看表象,應(yīng)注重動(dòng)力學(xué)分析。對(duì)于宏觀非均質(zhì)性不明顯的細(xì)粒沉積巖,更應(yīng)加強(qiáng)沉積動(dòng)力分析。然而目前對(duì)其沉積作用研究還是相對(duì)較弱??砷_展沉積特征精細(xì)(微納尺度)描述、實(shí)驗(yàn)?zāi)M動(dòng)態(tài)研究以及現(xiàn)代沉積對(duì)比分析等,明確不同沉積作用過(guò)程與沉積現(xiàn)象之間的關(guān)系,加強(qiáng)沉積作用認(rèn)識(shí),這對(duì)于認(rèn)識(shí)其沉積成因機(jī)理、分布演化以及頁(yè)巖油氣的富集規(guī)律具有重要的科學(xué)和實(shí)踐意義。
對(duì)于細(xì)粒沉積的研究,學(xué)科交叉研究顯得尤為重要,如沉積學(xué)與地球化學(xué)、古生物學(xué)等相結(jié)合。簡(jiǎn)單泛泛的指標(biāo)分析難以解釋沉積環(huán)境的細(xì)微變化對(duì)細(xì)粒沉積的影響;古生物的屬種、沉積特征等對(duì)認(rèn)識(shí)細(xì)粒沉積的研究起到成因解釋、標(biāo)尺等重要作用。因此,不同學(xué)科中優(yōu)勢(shì)的作用相結(jié)合能促進(jìn)細(xì)粒沉積的快速發(fā)展;同時(shí),細(xì)粒沉積研究的進(jìn)步亦能對(duì)其他學(xué)科的發(fā)展起到促進(jìn)作用。