中國陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積速率研究及其頁巖油勘探意義

張瑞，金之鈞，朱如凱，李明松，惠瀟，魏韌，賀翔武，張謙

（1.北京大學(xué) 能源研究院， 北京 100871；2.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院 造山帶和地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100871；3.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102206；4.中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083；5.中國石油 長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710018）

沉積速率主要指沉積物的堆積速率，是盆地沉積充填快慢程度的反映，通常以cm/kyr單位表示［1-3］。研究沉積速率在地質(zhì)歷史時(shí)期的變化，對于分析頁巖發(fā)育機(jī)理、有機(jī)質(zhì)富集規(guī)律、紋層結(jié)構(gòu)成因及組合類型等具有重要意義［4-7］。

陸相盆地富有機(jī)質(zhì)頁巖層系蘊(yùn)含豐富的頁巖油資源［8-12］。中國陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖層系主要分布在多個(gè)淡水湖盆或咸化湖盆內(nèi)（圖1），形成于二疊紀(jì)、三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)、古近紀(jì)和新近紀(jì)等多個(gè)地質(zhì)年代，具有多旋回發(fā)育的特點(diǎn)［13-16］。其層位主要包括渤海灣盆地古近系沙河街組與孔店組、江漢盆地古近系潛江組、南襄盆地古近系核桃園組、柴達(dá)木盆地古近系下干柴溝組、松遼盆地白堊系嫩江組與青山口組、酒泉盆地白堊系下溝組、四川盆地侏羅系自流井組大安寨段、四川盆地三疊系須家河組、鄂爾多斯盆地三疊系延長組7段（長7段）、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組與風(fēng)城組等。由于湖盆演化過程中不可避免地受到基底升降、湖平面變化以及氣候旋回變化等環(huán)境因素影響，頁巖層系廣泛發(fā)育陸源碎屑巖夾碳酸鹽巖、混積巖等，沉積相變復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，導(dǎo)致沉積速率的準(zhǔn)確判識面臨許多挑戰(zhàn)。

圖1 中國陸相頁巖油發(fā)育的典型盆地（a）及其地層序列（b）［10，14，16］Fig. 1 Typical basins （a） and stratigraphic sequences （b） of terrestrial shale oil in China［10， 14， 16］

近年來，隨著旋回地層學(xué)與天文年代學(xué)的廣泛應(yīng)用，為富有機(jī)質(zhì)頁巖層系的沉積速率提供了定量估算和可視化研究手段［17-21］。盡管已有很多文獻(xiàn)報(bào)道了中國不同地質(zhì)年代的頁巖層系沉積速率，但多數(shù)是針對單一盆地（或凹陷）開展的研究，尚缺乏系統(tǒng)化的總結(jié)和層系間差異的定量化比較。本文旨在總結(jié)不同類型陸相盆地富有機(jī)質(zhì)頁巖層系沉積速率變化規(guī)律，以及沉積速率的研究方法和存在問題。同時(shí)探討沉積速率對有機(jī)質(zhì)豐度和頁巖紋層類型發(fā)育的影響，展望沉積速率研究的發(fā)展方向及對陸相頁巖油勘探的指導(dǎo)意義。

1 中國富有機(jī)質(zhì)頁巖層系沉積速率

1.1 重點(diǎn)頁巖層系沉積速率及其特征

本文對中國14套陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖層系的沉積速率進(jìn)行了深入調(diào)研（表1），同時(shí)對比了至少6套海相富有機(jī)質(zhì)頁巖層系的沉積速率（表2）。沉積速率數(shù)據(jù)主要由旋回地層學(xué)與天文年代學(xué)方法獲得，區(qū)間范圍越大表明沉積速率的波動(dòng)越大。統(tǒng)計(jì)結(jié)果總體呈現(xiàn)3個(gè)規(guī)律。

表1 中國典型陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖層系地質(zhì)特征與沉積速率Table 1 Geological characteristics and deposition rates of typical continental organic-rich shale sequences in China

表2 中國典型海相富有機(jī)質(zhì)頁巖層系地質(zhì)特征與沉積速率Table 2 Geological characteristics and deposition rates of typical marine organic-rich shale sequences in China

1） 隨著地質(zhì)年代由老到新，沉積速率大致呈現(xiàn)升高的趨勢（圖2）。新生代以來發(fā)育的渤海灣盆地沙河街組［22-24］、南襄盆地核桃園組［25］等沉積速率多在10.0～20.0 cm/kyr。古生代—中生代發(fā)育的準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組［26］、四川盆地三疊系須家河組［27］、四川盆地侏羅系自流井組大安寨段［28］、松遼盆地白堊系嫩江組［29］與青山口組［30］沉積速率多在7.0～15.0 cm/kyr。而鄂爾多斯盆地三疊系長7段沉積速率最低，通常在4.0～5.0 cm/kyr［31-32］。

圖2 不同地質(zhì)年代陸相頁巖層系與海相頁巖層系沉積速率對比Fig. 2 Comparison of deposition rates between continental and marine shale sequences of different geological ages

2） 中國海相頁巖沉積速率多在3.0 cm/kyr以下，比陸相頁巖沉積緩慢。四川盆地五峰組-龍馬溪組［33］、鄂爾多斯盆地平?jīng)鼋M［34］、塔里木盆地薩爾干組［35］、揚(yáng)子地臺大塘坡組［36］、華北地臺下馬嶺組［37］與洪水莊組［38］等黑色頁巖廣泛發(fā)育的層位，對應(yīng)海相層序的凝縮段，沉積速率非常緩慢。

3） 咸化湖盆頁巖層系沉積速率普遍比淡水湖盆頁巖層系沉積速率高，特別是富含蒸發(fā)巖礦物的堿湖地層的沉積速率會更高（圖3）。例如，柴達(dá)木盆地下干柴溝組［39］、渤海灣盆地孔店組［40］、江漢盆地潛江組［41］、酒泉盆地青西凹陷下溝組［42］、準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷風(fēng)城組［43-44］等沉積厚度巨大，沉積速率波動(dòng)劇烈且顯著升高（最高可達(dá)40.8 cm/kyr）［40，45］。

圖3 淡水湖盆與咸化湖盆頁巖層系沉積速率對比Fig. 3 Comparison of deposition rates in shale sequences of freshwater and saline lacustrine basins

1.2 頁巖沉積速率的控制因素

中國不同地質(zhì)年代的陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖層系的沉積速率具有一定差異，這取決于多種因素，如盆地的構(gòu)造屬性、水文地質(zhì)條件、氣候變化和物源輸入等。大型淡水湖盆普遍具有相對穩(wěn)定的構(gòu)造背景，地層平緩，并形成深湖背景下的三角洲前緣-前三角洲-濁積扇細(xì)粒沉積體系，物源供給充分，沉積速率平穩(wěn)，富有機(jī)質(zhì)頁巖呈廣覆式沉積［12，15］。例如，鄂爾多斯盆地長9段半深湖相到長7段深湖相的演化過程中，半深湖-深湖面積達(dá)到10×104km2，最大古水深接近150 m，為頁巖油的大規(guī)模富集提供了優(yōu)越的地質(zhì)背景［13］。咸化湖盆通常為構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的小型富生烴凹陷，以內(nèi)源沉積為主，膠結(jié)成巖作用迅速，導(dǎo)致地層序列平均沉積速率增加且波動(dòng)劇烈，富有機(jī)質(zhì)頁巖層系的沉積厚度巨大。例如，準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖層系累積厚度超過350 m，瑪湖凹陷風(fēng)城組則發(fā)育了一套厚達(dá)千米的堿湖背景下碳酸鹽型混積巖沉積體系［43-44］。

地球軌道周期主要通過日照量變化驅(qū)動(dòng)溫室期—冰室期的氣候旋回［30，46-48］。相對溫暖、濕潤的氣候條件下，陸表徑流增加，控制陸源碎屑物質(zhì)的搬運(yùn)速率。三疊紀(jì)溫室期，鄂爾多斯盆地深湖-半深湖環(huán)境中發(fā)育了長7段烴源巖，其沉積過程緩慢［31-32］，甚至接近海相頁巖的沉積速率。極熱氣候環(huán)境降水量較少，而強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用形成了高鹽度水體。例如渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷孔店組的烴源巖沉積可能是古新世—始新世極熱事件（PETM； 約 56 Ma）的陸相響應(yīng)［49］，沉積速率高達(dá)23.6 ～ 40.8 cm/kyr［40，45］。這一時(shí)期全球范圍的沉積巖系普遍具有較高的沉積速率［50-52］。

2 沉積速率研究方法

2.1 絕對年齡框架約束平均沉積速率

根據(jù)地層厚度資料和高精度年代地層格架，可以準(zhǔn)確厘定平均沉積速率。確定絕對年齡常使用生物地層學(xué)、磁性地層學(xué)及放射性同位素年代學(xué)方法，宇宙射線成因核素定年和光釋光測年等也是重要補(bǔ)充［32，53-54］。對于深時(shí)地層剖面，凝灰?guī)r中的鋯石是尤為難得的U-Pb定年樣品。目前主要發(fā)展了3種鋯石U-Pb定年方法：激光剝蝕-等離子體質(zhì)譜法（LAICPMS）、二次離子質(zhì)譜法（SIMS）以及同位素稀釋-熱電離質(zhì)譜法（ID-TIMS）等［53，55］。

在缺少凝灰?guī)r夾層的沉積巖系中開展直接定年已有很多探索。低溫沉積成巖環(huán)境下，沉積巖中發(fā)育的伊利石、鉀長石、方解石和海綠石等自生礦物是重要的地質(zhì)年代學(xué)計(jì)，可嘗試采用K-Ar法、40Ar/39Ar法和Rb-Sr法直接定年。海相生物的軟組織在早期成巖作用過程中會被親U的磷酸鹽交代，對磷酸鹽化石（如牙形石、雙殼模）開展LA-ICPMS原位U-Pb定年，國際上已有較成功的范例［58］。新發(fā)展起來的黑色頁巖Re-Os同位素高精度定年也是約束地層年齡的重要手段［59］。由于Re-Os具有親有機(jī)物的屬性，在海相富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖及其生成的原油和瀝青中相對富集，因此，可以利用Re-Os放射性同位素體系確定富有機(jī)質(zhì)沉積巖的絕對年齡［60］。

2.2 旋回地層學(xué)方法刻畫高分辨率沉積速率

厘定連續(xù)沉積記錄的持續(xù)時(shí)間主要依靠旋回地層學(xué)與天文年代學(xué)手段。這是目前唯一可提供連續(xù)的、高分辨率時(shí)間標(biāo)尺的方法。米蘭科維奇旋回理論認(rèn)為，地球軌道參數(shù)（偏心率、斜率和歲差）的周期變化使地球表層接收的日照量分布發(fā)生變化，進(jìn)而引起地球氣候的周期性波動(dòng)，這種周期變化的氣候信息被記錄在全球沉積序列中（圖4）［46-47，61］。例如，北半球高緯度地區(qū)夏季太陽輻射變化是驅(qū)動(dòng)第四紀(jì)冰期旋回的主要控制因素［61］。

圖4 地球5 Ma以來軌道參數(shù)模型及其時(shí)間序列［47，63］Fig. 4 The Earth orbit parametric model and the time series for the past 5 Ma［47， 63］a1—c1. 分別為地球軌道偏心率、斜率和歲差的運(yùn)行示意圖；a2.0 ～ 5 Ma的偏心率時(shí)間序列；b2.0 ～ 2 Ma的斜率時(shí)間序列；c2.0 ～ 1 Ma的歲差時(shí)間序列

地球軌道周期具有相對穩(wěn)定性，成為地層精細(xì)定年的“沉積物時(shí)鐘”［62］。地質(zhì)歷史時(shí)期，由于月-地間的引力作用產(chǎn)生力矩，對地球的自轉(zhuǎn)起到減速剎車的作用，導(dǎo)致地球軌道斜率周期和歲差周期逐漸增大［46］。地球軌道長偏心率源于金星與木星的軌道近地點(diǎn)之間的相互作用，得益于木星巨大的質(zhì)量，長偏心率旋回具有穩(wěn)定的405 kyr周期，被譽(yù)為地質(zhì)計(jì)時(shí)的最佳“計(jì)時(shí)器”［47，63］。Hilgen等進(jìn)一步提出天文時(shí)間帶（astrochronozones）的概念，將地層中受天文軌道作用力控制的沉積旋回校準(zhǔn)至周期穩(wěn)定的天文理論曲線后形成具有全球?qū)Ρ葷摿Φ牡貙訒r(shí)間單元［21，64-65］。根據(jù)特定天文旋回控制下的高分辨率時(shí)間標(biāo)尺，可以計(jì)算不同深度層段的高分辨率沉積速率。中生代以來的地層序列通常以穩(wěn)定的405 kyr長偏心率周期為基準(zhǔn)建立天文年代標(biāo)尺，對地層沉積速率刻畫的分辨率即為405 kyr偏心率級別。而新近紀(jì)以來天文地質(zhì)年表已經(jīng)可以精確到20 kyr歲差尺度［48，63，65］。

近年來，旋回地層學(xué)方法結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以在缺乏精確年齡約束的情況下估算地層序列沉積速率及其變化趨勢，并給出可視化圖形。當(dāng)前流行的統(tǒng)計(jì)調(diào)諧手段主要有以下幾種。

1） 平均頻譜誤差分析（average spectral misfit，ASM），計(jì)算不同沉積速率下古氣候序列主要周期與天文周期的誤差，并利用蒙特卡洛模擬給出零假設(shè)（不存在天文信號）檢驗(yàn)的顯著水平［17］。

2） 時(shí)間標(biāo)尺優(yōu)化法（time scale optimization，TimeOpt），根據(jù)軌道信號的振幅調(diào)制屬性，評估不同沉積速率條件下歲差（或短偏心率）振幅包絡(luò)線與偏心率（或長偏心率）模型曲線的擬合程度，同時(shí)評估通過最小二乘法擬合實(shí)際數(shù)據(jù)獲得的歲差與偏心率的信號與原始數(shù)據(jù)的擬合程度，利用兩次擬合的乘積，通過尋找乘積的最高值來確定最優(yōu)沉積速率［19］。同時(shí)使用蒙特卡洛模擬方法給出零假設(shè)檢驗(yàn)的置信水平。

3） 相關(guān)系數(shù)分析（correlation coefficient，COCO），通過評估不同沉積速率下的地層響應(yīng)指標(biāo)的功率譜與天文理論曲線中全部偏心率、斜率和歲差的功率譜之間的相關(guān)系數(shù)來實(shí)現(xiàn)沉積速率定量檢驗(yàn)，同時(shí)利用蒙特卡洛模擬的方式評估零假設(shè)置信水平，并綜合考慮能匹配的地球軌道周期數(shù)量來檢測地層的沉積速率［20］。

ASM，TimeOpt和COCO方法都是利用零假設(shè)檢驗(yàn)和蒙特卡洛模擬估算沉積速率的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法［66］。還有一類基于貝葉斯公式的沉積序列反演方法，使用馬爾可夫鏈蒙特卡羅算法對沉積速率模型的后驗(yàn)分布進(jìn)行采樣，尋找匹配軌道周期的沉積速率最優(yōu)解，并定量描述反演結(jié)果的不確定性［18］。這幾類算法在實(shí)際應(yīng)用中，都存在參數(shù)調(diào)整的不確定性，同時(shí)理論天文周期模型的選擇等也限制著這些方法的普適性。

2.3 稀土元素配分模式判識相對沉積速率

頁巖的稀土元素配分模式是其經(jīng)歷的搬運(yùn)和沉積過程的綜合反映［67］。碎屑礦物懸浮顆粒中的稀土元素在緩慢沉積過程中被黏土吸附并與有機(jī)物發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。輕稀土元素通常會先被吸附在有機(jī)質(zhì)和黏土礦物中并沉積下來，重稀土元素則形成穩(wěn)定絡(luò)合物留在水體中，從而導(dǎo)致稀土元素強(qiáng)烈分異。La和Yb分別為輕稀土元素和重稀土元素的指示元素。因此，根據(jù)稀土元素的 （La/Yb）N值（N代表北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化）可以判斷沉積速率的相對大?。?8-69］。沉積速率較快的頁巖，稀土分異作用不顯著，稀土元素的配分模式相對平緩，（La/Yb）N值約為1。沉積速率較慢的頁巖，稀土分異作用強(qiáng)烈，輕、重稀土元素出現(xiàn)虧損或富集，（La/Yb）N值明顯大于或小于1。由于稀土元素的富集和虧損受多種因素的影響，因此需要在分析結(jié)果中考慮其他因素的干擾。

2.4 晶體粒徑分布理論判識相對沉積速率

晶體粒徑分布理論（crystal size distribution theory， CSDT）用保留時(shí)間和系統(tǒng)內(nèi)晶體增減作為參數(shù)來描述晶體數(shù)量與粒徑變化規(guī)律。Wilkin等將晶體粒徑分布理論應(yīng)用到沉積型莓狀黃鐵礦上，計(jì)算出莓狀黃鐵礦在沉積物表面的相對保留時(shí)間，進(jìn)而獲得相對沉積速率變化［70］。Chen等發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地長7段黑色頁巖樣品中莓狀黃鐵礦粒徑與其數(shù)量密度的對數(shù)呈線性關(guān)系，這種線性關(guān)系的斜率與黃鐵礦晶體的生長時(shí)間有關(guān)，即與沉積速率相關(guān)（圖5）［71］。晶體粒徑分布模式的應(yīng)用需要黃鐵礦在沉積過程中具有明顯的富集特征，如果頁巖中黃鐵礦的數(shù)量較少，則粒徑分布模式的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可能會受到抽樣誤差的影響。

圖5 鄂爾多斯盆地鹽56井長7段莓狀黃鐵礦粒徑分布［71］Fig. 5 Characteristics of pyrite framboid diameters of the Chang 7 Member in well Yan 56， Ordos Basin［71］a.粒徑分布累積頻率曲線（樣品埋深2973.7 m）；b. 粒徑（N）與其數(shù)量密度（D，個(gè)/cm2）的對數(shù)呈線性關(guān)系

2.5 星際塵埃特征元素豐度判識相對沉積速率

這種方法利用沉積物中星際塵埃特征元素3He，Ir和Co的豐度值間接反映沉積速率［72-74］。星際塵埃在地球表面的沉降量相對穩(wěn)定，約為0.16 mg/（cm2·yr）。在不考慮火山活動(dòng)和生物富集作用的情況下，陸源物質(zhì)輸入對星際塵埃特征元素含量產(chǎn)生稀釋效應(yīng)［75］。Alvarez等建立了一個(gè)利用星際塵埃特征元素Ir的豐度值計(jì)算海相地層沉積速率的經(jīng)驗(yàn)公式［72］。周瑤琪等修正了經(jīng)驗(yàn)參數(shù)利用星際塵埃特征元素Co的豐度計(jì)算得到湖相頁巖的沉積速率為6 ～ 8 cm/kyr［73］。

3He是地球?qū)π请H塵埃對吸積速率的示蹤劑。對白堊紀(jì)—古近紀(jì)之交發(fā)育的海相碳酸鹽巖實(shí)例分析表明，宇宙來源的3He通量幾乎是恒定的［76］。Murphy等根據(jù)3He通量恒定假設(shè)［76］約束了南大西洋沃爾維斯嶺在整個(gè)PETM期間沉積速率的相對變化，并為該事件構(gòu)建了一個(gè)新的年齡模型［74］。因此，建立星際塵埃特征元素的同位素記錄，是深海相和深湖相泥頁巖年代學(xué)研究的重要補(bǔ)充。

以上沉積速率的研究方法各具特色，對于陸相頁巖層系野外剖面或系統(tǒng)取心段，可以通過高精度年代學(xué)框架的應(yīng)用，約束地層序列的沉積時(shí)限，并準(zhǔn)確地計(jì)算平均沉積速率。對于缺乏絕對年齡數(shù)據(jù)的連續(xù)沉積剖面，通?；谛氐貙訉W(xué)與天文年代學(xué)獲得“浮動(dòng)”天文年代標(biāo)尺，利用統(tǒng)計(jì)調(diào)諧方法追蹤沉積速率在不同深度層段內(nèi)的變化。對于黑色頁巖樣品的相對沉積速率判識，稀土元素配分模式和莓狀黃鐵礦晶體粒徑分布能夠提供有價(jià)值的參考，星際塵埃特征元素豐度也是獲取沉積速率的有效補(bǔ)充。然而這些方法都依賴于一些假設(shè)和前提條件，難免會出現(xiàn)系統(tǒng)誤差和偶然誤差，需要結(jié)合其他方法和數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合校正（表3）。

表3 沉積速率研究方法對比Table 3 Comparison of different methods for studying deposition rate

3 沉積速率研究中需要注意的問題

3.1 地層剖面的完整性

沉積作用本質(zhì)上是一個(gè)不連續(xù)的過程。沉積地層剖面將地質(zhì)時(shí)間的流逝記錄為沉積與剝蝕的交替，必然包含一定尺度的沉積間斷［1，77-78］。在地質(zhì)歷史中，氣候環(huán)境變化及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等對原始沉積序列造成干擾破壞，在陸相地層中這種影響比海相地層更為明顯［2，7］。Sadler對地質(zhì)歷史時(shí)期25000個(gè)沉積速率值的匯編表明，沉積速率的波動(dòng)范圍可以跨越11個(gè)數(shù)量級［1］。對于同一套研究層位， 當(dāng)選擇的時(shí)間尺度不同時(shí)，地層完整性評價(jià)結(jié)果也存在差異［3］。隨著時(shí)間跨度的增加，地層剖面中的間斷越來越長，沉積速率具有系統(tǒng)性下降趨勢（圖6a）［1］。由于地殼不穩(wěn)定以及不連續(xù)的沉降，導(dǎo)致沉積物堆積的累積厚度是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)間序列。

圖6 沉積速率與地層剖面完整性的關(guān)系Fig. 6 Correlation of the deposition rate and integrity of stratigraphic sectionsa. 沉積速率（mm/kyr）與不同時(shí)間尺度（yr）的對數(shù)關(guān)系［1，3］，藍(lán)色曲線為穩(wěn)健線性擬合模型，截距按年的時(shí)間尺度計(jì)算；b. 非穩(wěn)定沉積過程的時(shí)間序列模型，沉積剖面沿其時(shí)間軸分解［1］

沉積和剝蝕增量的累積效應(yīng)可以通過波函數(shù)的形式進(jìn)行模擬（圖6b），即用正弦波模擬短期的侵蝕和沉積交替，用長期趨勢模擬地殼的長期沉降［1］。結(jié)果顯示，即使侵蝕和沉積增量的厚度相等，凈厚度也會產(chǎn)生長期波動(dòng)。圖6b顯示的不同時(shí)間尺度的間斷面，實(shí)際上代表了不同級次的層序界面。更長時(shí)間的沉積過程則產(chǎn)生更長時(shí)間的沉積間斷。總之，沉積速率取決于觀測的時(shí)間尺度。不同類型或不同時(shí)代巖層的沉積速率比較，必須在同一時(shí)間尺度上進(jìn)行。

3.2 陸源碎屑輸入對沉積速率的影響

沉積速率研究要考慮沉積物供應(yīng)量的影響，陸源碎屑輸入量增加會導(dǎo)致沉積速率增大。例如PETM期間，由于全球水文循環(huán)的加劇，中緯度地區(qū)沉積物供應(yīng)的顯著增加，近海陸架、深海扇頻繁發(fā)育下切水道等［50-52］，導(dǎo)致陸源碎屑的輸入量大大增加。地層序列混雜重力流沉積等事件沉積物造成沉積速率異常升高，也增加了沉積環(huán)境解譯的復(fù)雜性。風(fēng)成沉積可以形成快速堆積，如中新世中國黃土高原秦南的風(fēng)成黃土堆積速率達(dá)到20 cm/kyr［79］。新生代以來，受青藏高原隆升的影響，柴達(dá)木盆地巨厚地層堆積反映了風(fēng)-河-湖源-匯機(jī)制下的快速陸源輸入的影響。

3.3 壓實(shí)成巖作用對沉積速率的影響

使用旋回地層學(xué)方法研究沉積記錄的古氣候響應(yīng)面臨3個(gè)基本挑戰(zhàn)：信號污染、地層扭曲和時(shí)間校準(zhǔn)［48］。沉積系統(tǒng)內(nèi)的自生變異性，如沉積速率變化、成巖作用、差異壓實(shí)、生物擾動(dòng)和沉積間斷等因素可能導(dǎo)致地層結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，干擾天文周期信號的檢測。這些地層形變可能是隨機(jī)的，可能與盆地長期演化有關(guān)，也可能是由沉積環(huán)境的非線性氣候反饋所驅(qū)動(dòng)的。頁巖的成巖作用較慢，而碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖類可以快速堆積成巖，在某種程度上造成地層序列快速堆積。目前所觀察到的巖層厚度是經(jīng)過壓實(shí)的厚度，若根據(jù)不同巖類的壓實(shí)系數(shù)恢復(fù)到原始厚度，則可以獲得地質(zhì)歷史時(shí)期真實(shí)的沉積速率［2］。不同物質(zhì)組分的差異壓實(shí)對沉積速率判定也有顯著影響［78］。例如，黏土質(zhì)頁巖的壓實(shí)程度可達(dá)80 %以上，而貧黏土頁巖的壓實(shí)程度僅20 %～30 %。認(rèn)識這些差異對于恢復(fù)真實(shí)沉積速率具有指導(dǎo)意義。

壓實(shí)成巖作用還可能導(dǎo)致紋層結(jié)構(gòu)形變，干擾紋層的沉積速率判別。中國東北龍崗山脈發(fā)育的瑪珥湖現(xiàn)代沉積物中肉眼可識別的紋層為年紋層，平均沉積速率為1.10 mm/yr［80］；芬蘭東部雷米蘭皮湖（Lehmilampi）現(xiàn)代沉積物紋層的平均沉積速率為0.76 ～ 1.22 mm/yr［81］。然而對于深時(shí)沉積且經(jīng)受長期壓實(shí)的頁巖，對紋層沉積速率的判定可以產(chǎn)生數(shù)量級的變化。例如，燕遼坳陷元古宙發(fā)育的下馬嶺組鏡下觀察到碎屑礦物紋層與富有機(jī)質(zhì)紋層互層結(jié)構(gòu)，對沉積速率的計(jì)算僅為（0.66 ±0.14） cm/kyr［37］。

4 沉積速率研究對陸相頁巖油勘探的指導(dǎo)意義

研究有機(jī)質(zhì)豐度和紋層類型對于深入理解頁巖油勘探的地質(zhì)條件和富集機(jī)理具有重要意義。古氣候、大陸風(fēng)化、水動(dòng)力條件和沉積速率等因素控制湖相沉積物成分與沉積組構(gòu)等特征，成為頁巖油儲層宏觀和微觀非均質(zhì)性的誘因。低沉積速率控制紋層發(fā)育與富硅質(zhì)沉積，易于形成微裂縫，而湖相紋層既有較好的生烴潛力又有較好的孔、滲條件［57，82］，這是頁巖油氣甜點(diǎn)段形成的基本地質(zhì)條件之一。因此，沉積速率作為其中一個(gè)關(guān)鍵因素，對于頁巖有機(jī)質(zhì)富集和紋層類型發(fā)育有著重要影響，尤其是在陸相頁巖油勘探中顯得尤為重要。

4.1 沉積速率影響頁巖有機(jī)質(zhì)富集

通常認(rèn)為有機(jī)質(zhì)富集主要受初級生產(chǎn)力、底水含氧量、沉積速率和有機(jī)質(zhì)來源等因素控制［5-6］。關(guān)于沉積速率對陸相頁巖有機(jī)質(zhì)富集的影響研究相對較少［83-84］，最初的研究案例是來自海相頁巖。Ibach對地質(zhì)歷史時(shí)期海相頁巖沉積速率與總有機(jī)碳含量(TOC)的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)泥巖對有機(jī)質(zhì)的稀釋作用所需的臨界值最低，硅質(zhì)泥巖次之，而黑色頁巖所需的臨界值最高［85］（約為3.2 cm/kyr；圖7a）。Tyson對現(xiàn)代海相沉積物沉積速率與TOC關(guān)系的統(tǒng)計(jì)表明：在氧化水體環(huán)境中，當(dāng)沉積速率小于5 cm/kyr時(shí)，沉積速率的增加可以提高有機(jī)質(zhì)埋藏效率［4］。當(dāng)沉積速率大于5 cm/kyr時(shí)，如果有機(jī)碳的供給通量恒定，且向盆地中輸入的有機(jī)質(zhì)通量低于碎屑礦物或碳酸鹽礦物的輸入通量，則會導(dǎo)致單位質(zhì)量沉積物中有機(jī)質(zhì)含量下降。若沉積速率持續(xù)增加超過35 cm/kyr，無論水體是否缺氧，TOC都沒有明顯的差別（圖7b）［4］。

圖7 不同沉積環(huán)境中沉積速率與TOC的關(guān)系Fig. 7 Correlations between the deposition rate and TOC of shale sequences in different depositional environmentsa.海相頁巖［85］；b.現(xiàn)代海相沉積物（采樣深度為800 m）［4］；c.二連盆地8個(gè)凹陷下白堊統(tǒng)騰格爾組［83］；d.酒泉盆地青西凹陷下溝組［42］

對于陸相頁巖，沉積速率對有機(jī)質(zhì)的稀釋作用也存在臨界值。二連盆地下白堊統(tǒng)騰格爾組（咸水沉積體系）沉積速率的臨界值約為5 cm/kyr（圖7c）［83］；酒泉盆地青西凹陷下白堊統(tǒng)下溝組（咸化湖-鹽湖沉積體系）沉積速率的臨界值約為12 cm/kyr（圖7d）［42］。鄂爾多斯盆地中三疊統(tǒng)長7段（淡水-微咸水沉積體系）沉積速率的臨界值普遍低于5 cm/kyr［31］。長7段頁巖低黏土礦物含量（＜ 40 %）、低Al2O3含量（平均14 %）和稀土元素含量（平均168 μg/g）均與TOC呈負(fù)相關(guān)，表明陸源碎屑對長7段有機(jī)碳通量的稀釋作用較弱，保持了較高的初級生產(chǎn)力水平［84］。因此，適當(dāng)?shù)某练e速率是頁巖有機(jī)質(zhì)富集和保存的重要因素。低沉積速率狀態(tài)下，低陸源碎屑補(bǔ)償降低了對有機(jī)質(zhì)的稀釋作用，底水氧化還原條件是影響有機(jī)質(zhì)富集的主要因素；高沉積速率狀態(tài)下，沉積水體古生產(chǎn)力條件是影響有機(jī)質(zhì)富集的主要因素［4-5，85］。

有機(jī)質(zhì)沉積埋藏后的保存狀態(tài)與氧化-還原環(huán)境關(guān)系密切［42，83-84］。一方面，與陸相粗粒碎屑巖相比，陸相頁巖的沉積速率相對緩慢，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)在沉積過程中容易被微生物分解礦化，可能導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的保存比例較低［86］。另一方面，低沉積速率意味著有充分時(shí)間通過硫酸鹽菌還原反應(yīng)促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的消耗［87］，形成有利于有機(jī)質(zhì)保存的還原環(huán)境。

考慮到中國陸相盆地構(gòu)造活動(dòng)期次多、沉積相帶變化快、頁巖沉積非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，以上認(rèn)識可能并不適用于所有區(qū)域。在沉積速率高的環(huán)境中，有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷短暫的早期成巖作用期就被埋藏，沉積過程中快速通過降解作用較強(qiáng)的地帶，有機(jī)質(zhì)降解程度弱，可能導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的保存比例較高。以渤海灣盆地東營凹陷北部陡坡帶為例，沙四上亞段（沉積速率8.5 ～14.6 cm/kyr）［88］和孔店組（沉積速率23.6 ～ 40.8 cm/kyr）［45］頁巖的沉積速率較大，仍然具有較高的有機(jī)碳含量（＞4 %）。因此，沉積速率對頁巖有機(jī)質(zhì)富集的影響不能一概而論，需要兼顧盆地構(gòu)造背景建立更普適性的模式圖版。

4.2 沉積速率影響頁巖紋層類型發(fā)育

富有機(jī)質(zhì)頁巖中可肉眼識別的基本沉積單元結(jié)構(gòu)是紋層。根據(jù)礦物組成與有機(jī)質(zhì)豐度可將頁巖紋層劃分為黏土質(zhì)紋層、長英質(zhì)紋層、碳酸鹽紋層和有機(jī)質(zhì)紋層等類型［9-10，12］。頁巖紋層密度和組合類型存在差異，間接反映了沉積速率的變化。在較強(qiáng)的水動(dòng)力環(huán)境中，水體流速和沉積速率會影響紋層類型；同時(shí)沉積速率影響有機(jī)質(zhì)的絮凝作用，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育。

在水深1 m的等溫、靜水條件下，黏土顆粒的沉積速率僅為細(xì)砂顆粒沉積速率的1/1000或更低［89-90］。在較弱的水動(dòng)力環(huán)境中，黏土顆粒的沉積速率為0.003 mm/s［91］。然而，黏土顆粒在水流中趨向于與其他碎屑物質(zhì)結(jié)合形成絮凝體團(tuán)。沉積速率小的絮凝體團(tuán)會隨低速水團(tuán)的漩渦上升至主流區(qū)并以沖瀉質(zhì)輸運(yùn)，最終沉積于靜水區(qū)。當(dāng)沉積速率達(dá)到0.01 ～ 2.00 mm/s甚至更高，則趨向于以懸移質(zhì)輸運(yùn)并隨著低速水團(tuán)的漩渦上升。沉積速率更大的絮凝體團(tuán)傾向于以躍移質(zhì)輸運(yùn)并快速下落堆積［92-93］。因此，當(dāng)沉積速率較低時(shí)，遷移的黏土質(zhì)絮狀波紋可能只會留下薄薄的層狀沉積物拖曳面，而當(dāng)沉積速率較高時(shí)，沉積物拖曳面在垂向上不斷爬升堆積，形成波狀黏土質(zhì)-粉砂質(zhì)互層模式（圖8）。

圖8 不同流速和沉積速率影響下長英質(zhì)紋層結(jié)構(gòu)變化［96］Fig.8 Changes in the architecture of felsic laminae under the effect of different flow velocities and deposition rates［96］

在較強(qiáng)的水動(dòng)力環(huán)境中，水體流速和沉積速率通過控制碎屑顆粒的絮凝作用，間接控制紋層結(jié)構(gòu)類型［94-96］。Yawar和Schieber指出，頁巖中交替出現(xiàn)的黏土質(zhì)與粉砂質(zhì)紋層是長期底流搬運(yùn)作用的結(jié)果［96］。水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沉積速率相對較低且水體流速低于25 cm/s時(shí)，沉積形成黏土質(zhì)-粉砂質(zhì)互層，高于25 cm/s臨界流速則形成層狀粉砂質(zhì)層。沉積速率相對較高時(shí)，隨著流速的增加，波狀黏土層逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘凵百|(zhì)層（圖8）［96］。高能水體環(huán)境中的細(xì)粒碳酸鹽物質(zhì)同樣可以像黏土一樣在水體中發(fā)生凝絮作用［95］。流動(dòng)的碳酸鹽泥漿流速低于25 cm/s時(shí)，懸移質(zhì)就會形成絮狀波紋進(jìn)而沉積形成碳酸鹽紋層［94-95］。

沉積速率影響有機(jī)質(zhì)的絮凝作用，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育。由于有機(jī)質(zhì)（初級生產(chǎn)力）的密度普遍偏低，在水體中緩慢沉降過程中會遭受微生物降解和氧化分解［86］。然而，富有機(jī)質(zhì)黏土的絮凝實(shí)驗(yàn)分析表明，有機(jī)質(zhì)易與細(xì)粒物質(zhì)相互黏結(jié)形成絮團(tuán)，遠(yuǎn)離水溶氧氣和微生物，從而加快沉降過程并有利于有機(jī)質(zhì)保存［92-93］。

長試管靜置沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水體鹽度是影響細(xì)粒沉積物的沉積速率的重要因素。富含有機(jī)質(zhì)的泥質(zhì)沉積物在淡水、微咸水和咸水3種湖盆環(huán)境中的絮凝作用和受到的浮力作用有一定差異［90］。當(dāng)鹽度從1 %增至3 %時(shí)，可以大幅促進(jìn)有機(jī)質(zhì)絮凝，沉積速率顯著增加，同時(shí)使得有機(jī)質(zhì)捕獲效率提高到300 %［97］。這也從微觀機(jī)理上解釋了咸化湖盆發(fā)育的富有機(jī)質(zhì)頁巖的沉積速率比淡水湖盆發(fā)育的富有機(jī)質(zhì)頁巖的沉積速率相對較高的原因。

上述分析表明，水動(dòng)力條件和水體鹽度影響碎屑顆粒的絮凝作用，不同類型碎屑顆粒的沉積速率差異有利于細(xì)粒沉積紋層結(jié)構(gòu)的形成。對于形成黏土質(zhì)紋層、長英質(zhì)紋層、碳酸鹽紋層和有機(jī)質(zhì)紋層等所需沉積速率的定量判斷是值得深入研究的科學(xué)問題。

5 頁巖沉積速率研究發(fā)展方向

5.1 加強(qiáng)紋層年代學(xué)研究，整合新方法客觀估算沉積速率

陸相頁巖油勘探實(shí)踐表明，無論是淡水湖盆還是咸化湖盆，紋層狀頁巖相都是最有利巖相［8-10，12］。如果沒有精確的時(shí)間作為紋層沉積演化的對比標(biāo)尺，容易造成頁巖紋層與其沉積要素之間響應(yīng)的偏差。近年來針對現(xiàn)代湖泊發(fā)育的連續(xù)紋層序列發(fā)展了高分辨率紋層年代學(xué)技術(shù)。根據(jù)常規(guī)14C測年、加速器質(zhì)譜儀（AMS）14C測年、10Be測年、137Cs測年、210Pb測年、火山灰測年和古地磁曲線測年等可以精確計(jì)算紋層的發(fā)育時(shí)間與速率［81，98-99］?，F(xiàn)代湖泊的細(xì)粒沉積學(xué)研究進(jìn)展［94-95］可以為深時(shí)陸相頁巖沉積環(huán)境和形成機(jī)理研究提供對比思路和方法。對于沉積速率低、紋層厚度非常薄的頁巖，開展高分辨率的磁化率、灰度、礦物和元素的原位成像掃描非常必要［93，99-100］。同時(shí)需要明確不同尺度的氣候旋回周期（如半歲差周期、太陽黑子活動(dòng)周期、厄爾尼諾周期等）對陸源碎屑物供給、紋層旋回發(fā)育與有機(jī)質(zhì)富集的控制作用。總之，陸相盆地富有機(jī)質(zhì)頁巖層系沉積速率的研究需要積極融合包括地質(zhì)年代學(xué)、巖石學(xué)、旋回地層學(xué)、地球化學(xué)和沉積物理模擬在內(nèi)的先進(jìn)理論和方法，以更好地了解頁巖沉積演化過程及其沉積環(huán)境響應(yīng)。

5.2 積極探索沉積速率與陸相頁巖油富集之間的聯(lián)系

陸相頁巖油富集主控因素研究突出強(qiáng)調(diào)淡水湖盆與咸化湖盆富有機(jī)質(zhì)頁巖層系發(fā)育機(jī)制的差異［9，11，15］，這種差異在頁巖沉積速率上有直觀的反映。在進(jìn)行細(xì)粒沉積物形成機(jī)理研究時(shí)，需要充分考慮水體鹽度、沉積速率、絮凝作用和浮力作用等因素對紋層結(jié)構(gòu)的影響。通過旋回地層學(xué)的時(shí)間序列分析獲取高分辨率的沉積速率，有助于客觀分析沉積速率對有機(jī)質(zhì)豐度影響的平衡點(diǎn)［6，101］。同時(shí)需要深入探究沉積速率變化引起的古生產(chǎn)力水平和氧化-還原環(huán)境變化，進(jìn)一步揭示頁巖有機(jī)質(zhì)富集機(jī)理。良好的源-儲配置是頁巖油形成與富集的控制因素之一［12，15，97］，而天文周期疊加調(diào)控下的優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育機(jī)制、頁巖油源-儲配置關(guān)系尚不明確。需要在等時(shí)地層格架下，系統(tǒng)研究全球氣候事件對淡水湖盆與咸化湖盆富有機(jī)質(zhì)頁巖層系發(fā)育的影響。在準(zhǔn)確厘定頁巖層系沉積速率的基礎(chǔ)上，結(jié)合旋回地層學(xué)和層序地層學(xué)分析，有助于揭示地球軌道參數(shù)變化和各級層序間的關(guān)系，指導(dǎo)陸相頁巖沉積旋回高分辨率對比。重新審視沉積速率對頁巖有機(jī)質(zhì)富集和紋層類型發(fā)育的影響，可以預(yù)測和評估不同區(qū)域、不同層系的頁巖油勘探前景，為陸相頁巖油勘探提供科學(xué)依據(jù)。

6 結(jié)論

1） 隨著地質(zhì)年代由老到新，中國陸相頁巖層系的沉積速率大致呈現(xiàn)降低的趨勢，但普遍在5 cm/kyr以上，咸化湖盆沉積速率較淡水湖盆沉積速率高，特別是富含蒸發(fā)巖礦物的層位沉積速率可高達(dá)40 cm/kyr。

2） 高精度年代學(xué)框架可以約束頁巖層系的沉積時(shí)限，準(zhǔn)確厘定平均沉積速率?；谛氐貙訉W(xué)統(tǒng)計(jì)調(diào)諧方法可以估算不同深度的高分辨率沉積速率或追蹤沉積速率的變化。根據(jù)稀土元素配分模式、晶體粒徑分布理論和星際塵埃特征元素豐度等特殊方法可以判識頁巖的相對沉積速率。不同類型或不同時(shí)代的巖層的沉積速率比較，需要注意地層完整性、陸源碎屑輸入、成巖作用和差異壓實(shí)作用等復(fù)雜因素的影響。

3） 沉積速率是頁巖有機(jī)質(zhì)富集的重要影響因素。沉積速率對有機(jī)質(zhì)稀釋的臨界值通常低于5 cm/kyr，沉積速率低于臨界值，低陸源碎屑補(bǔ)償降低對有機(jī)質(zhì)的稀釋作用，底水氧化-還原條件是影響有機(jī)質(zhì)富集的主要因素；當(dāng)沉積速率高于臨界值，沉積水體的古生產(chǎn)力條件影響有機(jī)質(zhì)富集。沉積速率影響紋層結(jié)構(gòu)類型發(fā)育，受水動(dòng)力條件、水體流速、鹽度和碎屑顆粒性質(zhì)等影響，定量判斷滿足不同類型紋層形成所需的沉積速率仍需進(jìn)一步研究。

4） 中國陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積速率研究需要重視紋層年代學(xué)研究，結(jié)合巖石學(xué)、旋回地層學(xué)、地球化學(xué)和沉積物理模擬等先進(jìn)理論方法，揭示陸相頁巖沉積速率與頁巖油富集之間的內(nèi)在聯(lián)系。