基于巖相表征的細粒沉積物沉積機制和研究展望

聶銀蘭，謝慶賓，朱筱敏，張美洲

（中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249）

0 引言

本文所述細粒沉積巖是由直徑小于62.5 μm，且質量分數超過50%的顆粒組成的沉積巖，主要成分包括陸源碎屑和黏土礦物，還有一些自生礦物（碳酸鹽、生物硅質、有機質等顆粒）［1］。隨著油氣資源需求量的增加及常規(guī)油氣勘探開發(fā)難度的增大，非常規(guī)油氣的研究逐漸占據重要位置，特別是富含有機質的細粒沉積巖，既是頁巖油氣的烴源巖，又是儲層，目前已經成為研究的熱點。盡管我國目前仍處于油氣儲量及產量穩(wěn)定增長的階段，但在油氣消費需求與日俱增的情況下，進一步加快我國油氣可持續(xù)發(fā)展、積極尋找新的接替能源勢在必行。

我國具有巨大的頁巖油氣開發(fā)潛力。陸相頁巖主要發(fā)育在松遼盆地白堊系、渤海灣盆地古近系、鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)、準噶爾盆地上二疊統(tǒng)和中下侏羅統(tǒng)、吐哈盆地中下侏羅統(tǒng)和四川盆地上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)；海相頁巖主要發(fā)育在華北下古生界、南方下寒武統(tǒng)和上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)、塔里木盆地寒武系—奧陶系。

目前，細粒沉積巖的研究越來越受到地質學者及勘探家們的重視，分析細粒沉積巖的巖相劃分、沉積環(huán)境和沉積機制，建立不同構造演化階段形成的細粒沉積模式，均有助于整體了解細粒沉積巖的形成過程、優(yōu)質儲層的特征和分布，為細粒沉積巖的研究和非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)提供地質理論依據。

1 巖相分類

巖相是在一定沉積環(huán)境中形成的巖石類型及其組合［2-4］，是古沉積環(huán)境與沉積機制共同作用的結果。任何能反映沉積環(huán)境因素的巖石學及古生物學標志，均可作為巖相的劃分依據和標志［5］。不同類型的沉積盆地具有不同的沉積環(huán)境和沉積過程，巖相劃分便于探討沉積環(huán)境及其成因，有助于細粒沉積巖的儲層評價。

巖相劃分主要依據礦物成分、沉積構造和有機質豐度。礦物成分是構成巖相的物質基礎，常以陸源碎屑礦物、碳酸鹽礦物、黏土礦物為三端元進行巖相劃分；沉積構造是沉積過程的直接反映，通過露頭和巖心觀察描述能很好地識別沉積構造（見圖 1），Lazar等［6］在用野外露頭、巖心和薄片進行細粒沉積巖命名研究時，也著重考慮了沉積構造對原始沉積條件和頁巖地層形成環(huán)境的重要作用；有機質豐度能夠反映沉積區(qū)的氣候條件及水體營養(yǎng)度，根據有機質豐度的差異可劃分高、中、低有機質3種類型。

圖1 鄂爾多斯盆地三疊系延長組典型的細粒沉積構造

還有學者著重野外露頭描述，根據巖石的粒度、顏色、結構、化石特征進行了巖相分類。Abouelresh 等［7］對美國Barnett頁巖進行研究，根據原始沉積構造、生物擾動劃分了富針狀泥巖、塊狀泥巖等5種巖相。大部分學者綜合野外露頭和室內實驗分析進行了巖相劃分。Loucks 等［8］分析美國 Barnett頁巖的巖心、薄片、全巖X射線衍射、測井曲線，根據礦物學成分、結構和生物群識別出了層狀硅質泥巖、層狀泥質灰?guī)r等3種常見的巖相。

隨著細粒沉積物沉積機制的研究逐步深入，發(fā)現細粒沉積物不僅可以沉積在安靜的水體中，還可以在水體動蕩的環(huán)境中形成不同類型的紋層。例如，濟陽坳陷發(fā)現了富有機質紋層、隱晶碳酸鹽巖紋層和黏土紋層［9］。紋層特征也被作為重要的劃分依據，用來反映沉積物輸入及水動力條件，根據紋層組合和比例可進行巖相劃分。

細粒沉積巖儲層復雜的非均質性增加了常規(guī)定性方法對巖相解釋的難度，獲取研究所需高質量的巖心樣品和地球物理測井響應數據通常受到成本和時間的限制。Bhattacharya等［10］提出了定量的巖相模擬法，將不同的數學技術應用于普遍存在的常規(guī)測井數據，根據巖石類型對數據進行校準，確定巖相和常規(guī)測井資料之間的相互關系，在沒有高質量的巖心或測井數據的井中也能定量確定巖相，從而解決了利用測井資料定量進行巖相分類的問題。

細粒沉積巖以陸源碎屑、碳酸鹽和黏土礦物為主。通常，陸源碎屑礦物主要發(fā)育在濱淺湖環(huán)境，水體還原性弱，發(fā)育多種交錯層理，具有強烈的生物擾動；碳酸鹽礦物主要發(fā)育在半深湖環(huán)境，水體還原性較強，黃鐵礦含量明顯增加，發(fā)育波狀層理；黏土礦物主要發(fā)育在深湖環(huán)境，水體極度缺氧，黃鐵礦較發(fā)育，發(fā)育水平層理。受古氣候、古構造和古水深的影響，當氣候干冷、水深大于碳酸鹽補償深度時，沉積物以極細粒黏土礦物供給為主，沉積速度緩慢，極度缺氧，發(fā)育平直紋層黏土巖相；當水深小于碳酸鹽補償深度，且氣候由干冷向暖濕轉變時，在湖底除了沉積富有機質的黏土紋層，還可發(fā)育碳酸鹽巖紋層。氣候暖濕時期，在生物化學作用下，碳酸鹽巖產率極高，形成石灰?guī)r，紋層受輕微底流的影響。當水深減小到水體分層界面附近，水體分層穩(wěn)定性變差，相對粗粒的陸源長英質礦物輸入增多，季節(jié)性回水產生底流，發(fā)育不平直紋層混合巖相。在氣候干冷的淺湖環(huán)境，水體不存在分層且能量較強，發(fā)育塊狀混合巖相。例如，張順等［11］綜合礦物成分、層理、有機質豐度、顏色等因素進行分析，將東營凹陷古近系沙三段—沙四段半深湖—深湖細粒沉積巖巖相劃分為紋層狀石灰?guī)r、頁狀石灰?guī)r等9種類型，認為它們自湖盆中心向濱淺湖（岸）呈環(huán)帶狀分布。寧方興等［12］綜合應用巖心、薄片、全巖X射線衍射等資料，將東營凹陷古近系沙四上亞段—沙三下亞段細粒沉積巖巖相劃分為富有機質紋層狀隱晶泥質灰?guī)r、富有機質紋層狀微晶泥質灰?guī)r等8種類型。

2 沉積環(huán)境

2.1 恢復古沉積環(huán)境方法

復雜的古沉積環(huán)境對研究細粒沉積巖的巖相組合具有重要意義。目前恢復古沉積環(huán)境的方法主要有4種：1）地球化學元素特征分析。巖層中元素差異會受到沉積環(huán)境的影響，地球化學元素尤其是特征元素質量比值的變化能很好地反映沉積環(huán)境的變化［13］。2）黃鐵礦形態(tài)學分析。細粒沉積巖的黃鐵礦豐度與有機碳質量分數協(xié)同變化，具有很強的相關性，通過分析黃鐵礦的形態(tài)與豐度，可判斷細粒沉積巖的沉積環(huán)境［14］。3）紋層的成因類型分析。隱晶方解石紋層主要形成于鹽水環(huán)境，可以反映古水體鹽度或古氣候干濕的變化，代表沉積水體更多地表現為鹽度分層；黏土紋層則相對更多地與盆外的水體注入有關，被水流帶入湖泊的黏土物質在安靜的水底周期性地沉積下來，形成黏土紋層；有機質紋層形成于浮游藻類繁盛時期，一般與古氣候轉為溫暖濕潤有關。4）古生物分析。相同的沉積環(huán)境，生物群種類和數量一般具有相似性，研究不同古生物群的分布規(guī)律可以指示沉積環(huán)境的變化。

2.2 細粒沉積巖沉積環(huán)境

傳統(tǒng)觀念認為，富含有機質的細粒沉積物多發(fā)育于海（湖）侵時期的深水環(huán)境，緩慢沉降的穩(wěn)定海（湖）盆、閉塞缺氧的安靜水體和低沉積速率是富有機質頁巖重要的沉積模式。然而，通過野外地質調查和大量實驗研究發(fā)現，在相對淺水的條件下也能沉積富有機質頁巖。隨著研究的不斷深入及實驗技術的不斷進步，認為細粒沉積巖的沉積過程往往不是穩(wěn)定的，在相對穩(wěn)定的沉積過程中夾有部分不穩(wěn)定沉積，反映當時存在由氣候變化造成的強水動力環(huán)境或發(fā)生事件沉積。

物源、氣候、水體物理化學條件及構造作用會影響細粒沉積的過程和富有機質頁巖的發(fā)育。物源為細粒沉積巖的發(fā)育提供了物質基礎，并決定了巖相的成分；氣候及水體物理化學條件控制了細粒沉積巖的各成分含量及垂向疊置特征；構造作用通過控制沉積相進而控制了細粒沉積巖的展布特征。

2.3 海、陸相細粒沉積環(huán)境對比

海相細粒沉積巖主要發(fā)育在構造活動比較穩(wěn)定的克拉通盆地區(qū)、海岸平原和陸棚環(huán)境的局限海滯留區(qū)。富有機質頁巖主要發(fā)育于海侵時期的深海環(huán)境中，緩慢沉降的穩(wěn)定海盆、高海平面、半封閉水體和低沉積速率是海相富有機質頁巖的重要沉積模式。海相細粒沉積巖的巖性主要為泥頁巖、鈣質泥頁巖及石灰?guī)r，烴源巖富含有機質，成熟度中等—高；礦物成分以脆性礦物為主，儲集空間類型主要為微裂縫、粒間孔和自生礦物的晶間孔，孔隙連通性較好［15-18］。

陸相細粒沉積巖通常發(fā)育在處于鼎盛時期的湖泊，受構造活動的影響，不同位置的地層厚度存在較大的差異，也可能存在厚度超過海洋沉積物的地層。由于湖泊對高頻氣候變化的敏感性較強，這種明顯的厚度差異導致地層具有更強的非均質性［19］。陸相細粒沉積巖的巖性主要為石灰?guī)r、黏土巖和陸源碎屑巖，受沉積環(huán)境變化大的陸相湖盆影響，縱向上具有多旋回疊置的特點；礦物成分以石英、長石、碳酸鹽、黃鐵礦和黏土礦物為主，脆性礦物較少。除了陸源碎屑沉積外，細粒沉積中還包含火山物質沉積。火山灰中富含大量的礦物質和微量元素，為生物提供了豐富的營養(yǎng)成分，促進了水生生物的繁殖和發(fā)育，使有機質富集。凝灰?guī)r在短時間內大面積地覆蓋泥頁巖，對前期的有機質起到重要的保護作用；凝灰?guī)r的脫?；饔眯纬闪舜罅康拇紊紫叮橇己玫膬w［20-21］。

3 沉積機制

在過去很長一段時間里，研究人員認為細粒沉積物只能在靜水中垂向沉降，受到水流作用時會再懸浮?，F代研究表明：大多數直徑小于10 μm的黏土顆粒以絮凝物形式沉積，絮凝過程有助于大量泥質沉積物在海洋環(huán)境中的長距離搬運；而直徑大于10 μm的黏土顆粒則主要以單顆粒形式沉降［22-23］。

3.1 深水重力流沉積特征與識別標志

濁流在海洋、湖泊環(huán)境中均可作為搬運、沉積細粒沉積物的主要營力，具有較強的侵蝕能力，可見沖刷面、槽模等沖刷充填構造，分布于海底峽谷出口或湖盆、深海平原或湖盆中央、大型扇體前緣或水道延伸方向［24］。

碎屑流是高濃度的沉積物與流體的混合。砂質碎屑流在深水環(huán)境形成以塊狀層理為主的沉積體［25］；泥質碎屑流是一種砂、礫、泥混雜的基質支撐的重力流，沉積構造可發(fā)育塊狀層理等：二者均在陡坡帶以及各種三角洲前緣滑塌作用形成的深水重力流中廣泛發(fā)育［26］。

異重流是由洪水期河口直接注入、因密度大于匯水盆地水體密度而沿水體底部分層流動的持續(xù)型濁流［27］。垂向上常見反粒序-正粒序成對出現，上攀層理、波狀層理較發(fā)育，內部可見明顯的沖刷侵蝕界面。異重流有利的發(fā)育場所包括斷控陡坡帶扇三角洲沉積斜坡前方、斷階帶辮狀河三角洲沉積斜坡前方［28］。

滑塌可以作為單個事件，將更大體積的泥沙運移至斜坡。底部沉積物在滑動過程中受到摩擦作用，會產生滑動面、小斷層、滑塌褶皺、砂泥巖碎塊或角礫等。該類型常發(fā)育于快速堆積和構造活動背景下各類三角洲前緣或灘壩砂體的再沉積［29］。

3.2 沉積過程

細粒沉積物的沉積過程不僅是單一懸浮沉降，還包括重力流沉積［30］。細粒沉積物的形成包括一系列潛在的搬運、沉積和改造過程，如濁流、碎屑流、異重流、滑塌等。碎屑流與濁流可相互轉化，異重流也可轉化為碎屑流或誘發(fā)斜坡失穩(wěn)而產生濁流［31］。其轉化順序首先是滑動變?yōu)榛?，然后變?yōu)樗樾剂鳎詈筠D化為濁流沉積。除此之外，這幾種過程可以同時發(fā)生或轉換。濁流在遠洋沉積中占有重要位置。近年來，異重流的作用機制也引起了廣泛關注，因無需大量沉積物的積累和觸發(fā)機制，異重流的發(fā)生頻率比碎屑流和濁流更高。不同地區(qū)細粒沉積物的沉積過程及動力類型也存在很大差異，且大部分地區(qū)細粒沉積物的沉積機制都不是受單一的動力學控制，而是受多種成因機制的共同作用。不同地區(qū)發(fā)育的細粒沉積巖巖相組合類型不同，代表了不同的沉積動力。

4 沉積模式

地質學家對細粒沉積巖的沉積模式提出了許多不同的看法，認為大部分的細粒沉積物在安靜穩(wěn)定的深水環(huán)境中沉積，其中也夾雜著一些濁流沉積。隨著研究的不斷推進，發(fā)現淺水環(huán)境中也能沉積富有機質頁巖。在淺水和深水的過渡環(huán)境中也可能發(fā)育細粒沉積巖。

4.1 深水沉積

細粒沉積巖通常沉積在氣候溫暖濕潤、構造條件比較穩(wěn)定、距離物源較近、水體閉塞的深水環(huán)境。這一沉積模式在海相和陸相環(huán)境均常見。湖相環(huán)境以鄂爾多斯盆地長7段為代表，建立了湖侵—水體分層沉積模式［32］：深湖區(qū)，受湖流影響較小，水體閉塞，極度缺氧，巖石類型以頁巖為主，是富有機質頁巖的主要物質來源；半深湖區(qū)，受湖流影響增大，水體相對動蕩，巖石類型以泥巖、粉砂質泥巖為主，砂質碎屑流沉積有利于下伏頁巖有機質的保存；濱淺湖區(qū)，受湖流影響最大，水體含氧量較高，巖石類型以泥質粉砂巖為主，孔隙發(fā)育，連通性較好，是良好的儲集體。在深水環(huán)境中，某些局部地區(qū)可發(fā)育重力流沉積，加快深水區(qū)的沉積速率和有機質的埋藏保存［33］。海相環(huán)境以沃斯堡盆地密西西比Barnett地層為代表，Barnett地層沉積于較深的前陸盆地，水體閉塞，底層水體缺氧，有機質豐富，沉積過程包括懸浮流、密度流和等深流等［34］。

4.2 淺水—半深水沉積

組成細粒沉積巖的礦物還包括一些遠源火山物質。這些火山物質在不同位置的沉積特征存在很大差異。根據這一特征，發(fā)現細粒沉積巖并不是在單一的深湖—半深湖環(huán)境沉積，而是在深水與淺水控制區(qū)的斜坡帶上沉積。淺水環(huán)境中，火山物質周期性的堆積，不僅有利于火山凝灰物質快速堆積，形成厚層凝灰?guī)r，而且能使湖水溫度持續(xù)升高，有利于湖相泥頁巖中生烴母質的繁殖，使有機碳質量分數增加；深水環(huán)境中，閉塞缺氧、安靜穩(wěn)定的沉積環(huán)境有利于深水原地沉積的形成，火山凝灰物質以薄層凝灰?guī)r為主，其中一部分也能以重力流的搬運方式進入深水區(qū)，期間與湖泥或砂巖混合形成可作為儲層的凝灰質沉積巖［35-36］。海相細粒沉積往往很少有火山碎屑沉積，這一沉積模式在陸相湖泊環(huán)境較為常見。

4.3 淺水沉積

細粒沉積巖并不總是發(fā)育于深水環(huán)境。美國阿巴拉契亞盆地Marcellus頁巖就是形成于典型的淺海環(huán)境。在野外勘探記錄中，許多黑色頁巖直接覆蓋在不整合面上，說明頁巖沉積的水體較淺，還發(fā)現了沖刷面、混合紋層、波紋層理、各種交錯層理及正粒序和反粒序等典型的受風暴影響的沉積相標志。這種淺水沉積模式一般出現在海相環(huán)境，構造相對比較穩(wěn)定，有利于富有機質頁巖的保存［37-38］。

5 細粒沉積油氣勘探意義及研究展望

頁巖油氣的成功開發(fā)，拓展了油氣資源的勘探開發(fā)類型與儲量，突破了早期石油工業(yè)常規(guī)儲層的下限和傳統(tǒng)的圈閉成藏觀念。有機質豐度、保存條件、孔滲性和構造都會影響頁巖油氣的產量。

細粒沉積巖往往發(fā)育于構造活動比較穩(wěn)定的區(qū)域，表層水中浮游生物遺體、黏土有機質團粒、火山灰中的微量元素等提供了大量的營養(yǎng)物質，增加了烴源巖的有機碳質量分數，形成有機質豐度高、分布范圍廣的優(yōu)質烴源巖?？紫逗臀⒘芽p是頁巖油氣的重要儲集空間，硅質、鈣質頁巖脆性好，易發(fā)育基質孔隙、頁理縫及構造縫。重力流可搬運大量分選性和磨圓度較好的石英、長石等碎屑顆粒，為改善頁巖儲集空間提供了良好機制。有機質的保存條件也是重要的影響因素，構造活動穩(wěn)定、盆地水體封閉性較好等均有利于頁巖油氣的保存。重力流向盆地內輸入大量外來物質，加快了深水區(qū)的沉積速率和有機質的埋藏保存。細粒沉積巖巖具有良好的儲蓋組合，高效的氣源供給、充足的儲存空間及相對穩(wěn)定的構造使原油裂解氣和儲層經深埋后抬升，但保存狀態(tài)始終較好，形成頁巖氣“超壓封存箱”［39］。受沉積相和成巖作用的控制，局部地區(qū)發(fā)育甜點，地質甜點區(qū)為頁巖油氣的大面積分布與局部富集提供了儲集條件。

目前，我國不斷加大頁巖油氣的勘探開發(fā)力度，細粒沉積巖的研究逐漸變得普遍和廣泛。隨著目前實驗技術的不斷進步，沉積研究的方向也在逐漸由靜態(tài)轉向動態(tài)，很多實驗技術手段也逐漸從宏觀到微觀，研究領域也從淺層到深層，在細粒沉積巖的研究方面也不斷細化。以下5個方面將成為未來細粒沉積巖的研究熱點：1）系統(tǒng)、科學的細粒沉積巖巖相劃分；2）細粒沉積巖地質與地球物理綜合表征；3）細粒沉積與粗粒沉積綜合研究；4）細粒沉積巖的形成機制、沉積水動力學條件分析；5）細粒沉積巖的油氣勘探潛力評價和工程開發(fā)。

對此，本文提供以下幾個可供參考的研究方法：1）開展精細的野外地質調查，分析野外露頭，將粗粒沉積和細粒沉積結合起來，明確二者的聯(lián)系，通過研究粗粒碎屑巖的礦物組成、沉積結構和構造，明確沉積環(huán)境，推斷與粗粒沉積伴生的細粒沉積環(huán)境；2）通過高分辨率CT掃描、核磁共振、氣體吸附等技術，實現對頁巖儲層三維多尺度孔隙結構與可動流體的定量評價［40］；3）加強基于巖性刻度的細粒沉積物的地球物理定量表征；4）嚴格把握甜點選擇標準，選擇最佳的層段與主要甜點富集區(qū)，防止出現過多的低效井和無效井［41］。

6 結束語

細粒沉積巖的巖相劃分從初期以物質成分作為主要依據的定性劃分到定量的巖相劃分，綜合應用不同學科和技術，提高了巖相劃分的準確性。這些方法和手段為研究細粒沉積巖的環(huán)境特征奠定了基礎。“泥質只能在靜水環(huán)境中沉積”這一傳統(tǒng)觀點，在當下研究過程中取得了重大突破。細粒沉積物的沉積過程不僅是單一懸浮沉降，還包括重力流沉積。細粒沉積物形成過程存在一系列潛在的搬運、沉積和改造作用。在這一認識的指導下，建立了細粒沉積的3種沉積模式：深水沉積模式、淺水—半深水沉積模式和淺水沉積模式。

目前細粒沉積巖仍然為薄弱的研究領域，應不斷加強對細粒沉積巖的理論研究，注重多種學科交叉應用，考慮多方面的影響因素，以建立符合實際情況的沉積模型。