海相含氣頁巖水平層理類型、成因及其頁巖氣意義
——以川南地區(qū)古生界五峰組-龍馬溪組為例

施振生，趙圣賢，周天琪，孫莎莎，袁 淵，張成林，李 博，祁 靈

（1.中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油 西南油氣田分公司 頁巖氣研究院，四川 成都 610051；3.中國石油 浙江油田分公司，浙江 杭州 310023）

黑色頁巖發(fā)育多種類型層理，包括塊狀層理、小型交錯層理、透鏡狀層理、韻律層理和年紋層、遞變層理、水平層理等［1］，其中，水平層理分布最為廣泛。水平層理是指構(gòu)成層理的層和紋層呈直線狀互相平行，紋層界面平行于層面的一種層理類型［2］。水平層理多在細粒的粉砂和泥質(zhì)沉積物中出現(xiàn)，層理的顯現(xiàn)是由于進入沉積物中的物質(zhì)發(fā)生變化所致，如粒度變化、不透明礦物的分布、云母片和炭質(zhì)碎片的順層排列等。

水平層理可形成于多種沉積環(huán)境。在閉塞海灣［2］、潟湖、陸棚［3］、斜坡和深水盆地等［4-6］等水動力條件比較穩(wěn)定的環(huán)境中，細粒物質(zhì)可從懸浮物或溶液中沉淀下來，從而形成水平層理（如年紋層）［6-8］。濁流沉積中，水平層理也廣泛分布，如鮑馬序列的TD段和TE-1段［9］（或Stow和Shanmugam 序列的T3和T4段［10］）。TD段厚度約幾厘米［11-12］或缺失［13］，由泥質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)泥組成［14］，常發(fā)育斷續(xù)狀平行紋層；TE-1段通常厚10～25 cm，由薄層的粉砂紋層和泥紋層組成，粉砂紋層發(fā)育正粒序［15-16］。水平層理也可能為等深流成因［17-21］，在海盆中的外陸棚、斜坡和深水盆地中，由于底流作用的改造，從而形成大量粉砂紋層和泥紋層交互的水平層理［22-24］。然而，關(guān)于不同成因水平層理的特征差異性，前人研究相對較少。

川南地區(qū)古生界五峰組-龍馬溪組黑色頁巖大面積分布，頁巖中水平層理廣泛發(fā)育。水平層理的特征極大影響著頁巖的儲層品質(zhì)［25-27］及含氣性［28-29］。然而，關(guān)于水平層理的類型、成因機制及其對頁巖滲透性的影響，前人研究相對較少。本文以川南地區(qū)古生界五峰組-龍馬溪組黑色頁巖為例，重點探討頁巖水平層理的類型及成因機制，并明確其對頁巖滲透性的影響。

1 研究資料與方法

1.1 樣品制備

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組發(fā)育大套黑色頁巖（圖1）。五峰組與下伏寶塔組為平行不整合接觸，與上覆龍馬溪組為整合接觸；龍馬溪組與上覆石牛欄組呈角度不整合接觸。龍馬溪組由下至上分為龍馬溪組一段（龍一段）和龍馬溪組二段（龍二段），龍一段分為一段1亞段（龍一1亞段）和一段2亞段（龍一2亞段），龍一1亞段細分出4個小層（）。五峰組除頂部觀音橋?qū)影l(fā)育薄層生物碎屑灰?guī)r外，其他部分均為黑色富含筆石頁巖；龍一段為黑色、灰黑色薄層狀頁巖或塊狀頁巖夾薄層狀粉砂巖；龍二段為泥質(zhì)粉砂巖，有時夾粉砂巖［30］。

圖1 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組取樣點位置（a）及地層組成（b）Fig.1 Sampling sites（a）and stratigraphic column（b）of the Wufeng-Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

本文研究樣品取自川南地區(qū)自201 井、威202井、陽101H3-8 井、大安2 井、寧211 井、寧212 井和YS106 井及長寧雙河剖面，取樣層位為五峰組和龍馬溪組。自201 井和威202 井制作大薄片各5 塊，陽101H3-8 井制作大薄片28 塊、物性分析28 樣次，大安2 井制作大薄片46 塊，寧211 井制作大薄片11 塊，寧212 井 制作 大薄 片2 塊，YS106 井 制作 大薄 片30 塊。長寧雙河剖面共制作大薄片203 塊，物性分析13 塊次，氬離子拋光大片7 塊次。大薄片尺寸為5 cm ×7 cm × 30 μm，物性分析樣品尺寸為25 mm × 10 mm。大薄片制作和成像由北京天和信礦業(yè)技術(shù)開發(fā)有限公司完成，物性分析測試在國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心完成，氬離子拋光大片分析由中國石油勘探開發(fā)研究院石油地質(zhì)實驗研究中心完成。

1.2 大薄片成像和顯微鏡觀察

層理描述主要借助于大薄片全尺度成像和偏光顯微鏡觀察。選用德國Leica4500P顯微高精度數(shù)字平臺開展全薄片成像，每張大薄片一共采集圖像3 200 張。圖像采集完成后，利用Adobe Photoshop CS5 及以上版本圖形處理軟件在高配制工作站上對采集的3 200 張圖像開展無縫拼接，從而完成全薄片成像。完成全薄片成像后，開展層理特征描述，并選用配備有Leica DFC450 照相系統(tǒng)的Leica DMIP 偏光顯微鏡開展標(biāo)準薄片巖石學(xué)特征研究。

1.3 氬離子拋光片掃描電鏡分析

為了明確黑色頁巖的紋層組成及結(jié)構(gòu)，采用氬離子拋光片制作、圖像采集和拼接、紋層識別及礦物組成分析、紋層結(jié)構(gòu)分析等研究步驟和方法。氬離子拋光片尺寸為10 mm × 10 mm × 5 mm，圖像采集選用攜帶冷排放的Hitachi 場發(fā)射掃描電鏡，并配備二次電子探針和X 射線能譜儀（EDS）。掃描電鏡放大倍數(shù)為30 000 倍（單張照片最大分辨率為9 nm），圖像采集區(qū)域垂直于層理面。水平方向采集圖像7張，垂直方向采集圖像80張，單張圖像尺寸為8.172 μm × 11.829 μm，累積采集面積82.80 μm × 653.76 μm。圖像采集完成后，選用Adobe Photoshop圖形處理軟件拼接圖像。

圖像拼接完成后，根據(jù)SEM 圖像顆粒組成區(qū)分泥紋層和粉砂紋層，并測量紋層厚度。泥紋層SEM 圖像相對較暗，以泥質(zhì)顆粒為主；粉砂紋層SEM 圖像相對較亮，以粉砂顆粒為主。確定泥紋層和粉砂紋層后，進一步描述各紋層的礦物組成、形態(tài)、分選性、磨圓性及粒序特征等，從而明確其成因機制。

2 結(jié)果

2.1 層理組成單元

黑色頁巖基本地層單元有紋層、紋層組和層，多個紋層構(gòu)成紋層組，單個或多個紋層組構(gòu)成層［25，28，31］（表1）。黑色頁巖發(fā)育泥紋層和粉砂紋層，二者可構(gòu)成泥紋層組、粉砂紋層組以及遞變層、均質(zhì)層和砂-泥交互層。其中，遞變層包括正遞變層、反遞變層、復(fù)合遞變層和交互遞變層，均質(zhì)層包括粉砂層和泥質(zhì)層。正遞變層發(fā)育分布式、粗尾式、底部式和頂部式4種樣式［32］（圖2a）；反遞變層發(fā)育分布式、粗尾式、底部式和頂部式4種樣式（圖2b），復(fù)合遞變層發(fā)育對稱式、不對稱式、振蕩式和復(fù)雜式4 種樣式（圖2c）。交互遞變層中，粉砂紋層組可以呈正遞變或反遞變結(jié)構(gòu)（圖2d）。

表1 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組海相黑色頁巖沉積紋層、紋層組及層類型Table 1 Types of lamina，lamina set，and bed of the Wufeng-Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

圖2 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖層類型及其細分Fig.2 Types and subdivision of the beds in the Wufeng-Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖泥紋層主要由黏土級自生石英組成，含有少量方解石、黏土礦物和黃鐵礦，有機質(zhì)呈彌散狀，構(gòu)成各種礦物顆粒的周緣（圖3a，b）。泥紋層中，有機質(zhì)中發(fā)育大量有機孔，礦物顆粒內(nèi)部或周緣發(fā)育少量溶蝕孔隙。

圖3 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組泥紋層和粉砂紋層掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM images showing the clayey and silty lamina of the Wufeng-Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖粉砂紋層中粉砂級顆粒主要由方解石、白云石、陸源碎屑石英、黏土礦物和黃鐵礦組成，黏土級顆粒主要為自生石英，整體呈顆粒支撐結(jié)構(gòu)（圖3c—e），有機質(zhì)呈分散狀分布于粉砂級和黏土級顆粒之間。粉砂紋層中，粉砂級顆粒內(nèi)部和周緣發(fā)育大量溶蝕孔，有機質(zhì)發(fā)育大量有機孔。

2.2 水平層理類型及特征

川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組水平層理按照紋層、紋層組和層的類型及疊置方式，可劃分出4種類型，即遞變型水平層理、砂-泥遞變型水平層理、砂-泥互層型水平層理和書頁型水平層理［1，25］（表2）。

2.2.1 遞變型水平層理

遞變型水平層理頁巖巖心為灰黑色-黑色，薄層狀，有輕微的明暗相間。光學(xué)顯微鏡下，頁巖由粉砂紋層組成，多個粉砂紋層構(gòu)成正遞變層、反遞變層或復(fù)合遞變層，不同類型層多呈連續(xù)、板狀和平行分布（圖4）。正遞變層底界面多呈突變接觸，發(fā)育沖刷面，界面上下顆粒、粒徑及顏色明顯差異。正遞變層厚1.5～15.0 mm，一般厚度4.5 mm，由下至上顏色逐漸變深，粒徑逐漸變細（圖4a，b）；反遞變層厚2.5～5.5 mm，一般厚度4.0 mm，由下至上顏色逐漸變淺，粒度逐漸變粗；復(fù)合遞變層厚度3.5～11.0 mm，一般厚度5.0 mm，常發(fā)育正遞變紋層組+反遞變紋層組組合方式（圖4c，d）。

正遞變層和反遞變層主要為順序式遞變，粉砂顆粒粒度和含量向上逐漸減少或增加。正遞變層主要有2 種形態(tài)：①底部發(fā)育沖刷面，底界面凹凸不平，滯積層不發(fā)育，層厚較大，一般為8.0～14.0 mm（圖4a）；②底界面為平直板狀，底界面之上發(fā)育滯積層，層厚較小，一般為3.0～9.0 mm（圖4b）。復(fù)合遞變層底界面上、下顏色和粒度有差異，不發(fā)育沖刷面，層厚為5.0～11.0 mm（圖4c，d）。

掃描電鏡下，正遞變層、反遞變層和復(fù)合遞變層成份基本一致，主要礦物類型有方解石、白云石、微晶石英、黏土礦物和黃鐵礦，分選差，雜基支撐結(jié)構(gòu)（圖5）。方解石呈淺灰色，次圓狀，邊緣呈港灣狀，溶蝕孔隙發(fā)育；白云石呈深灰色，次棱角狀，發(fā)育白色斑點和溶蝕孔隙；微晶石英呈自形或半自形狀，構(gòu)成頁巖的基質(zhì)；黏土礦物呈淺灰色條帶狀，壓實作用常造成彎曲；黃鐵礦呈草莓狀和團塊狀。單個遞變層內(nèi)部，由下至上或由上至下，顆粒含量和粒度逐漸變小，微晶石英含量逐漸增加，構(gòu)成粗尾型遞變層（圖2）。遞變層底部方解石粒徑2.1～11.5 μm（平均5.4 μm）、白云石粒徑5.5～32.9 μm（平均14.5 μm）、黏土礦物粒徑3.1～8.1 μm（平均4.7 μm）、黃鐵礦粒徑4.1～6.1 μm（平均5.3 μm）（圖5a）；遞變層頂部方解石粒徑2.6～9.1 μm（平均4.8 μm）、白云石粒徑5.5～6.7 μm（平均6.1 μm）、黏土礦物粒徑6.1～6.4 μm（平均6.2 μm）、黃鐵礦粒徑1.9～2.4 μm（平均2.2 μm）（圖5d）。遞變層中部和上部常見較大粒徑的次圓狀方解石（粒徑26 μm）漂浮于石英基質(zhì)中（圖5b—d）。

圖5 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組遞變型水平層理粉砂紋層掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM images showing the silty lamina of the horizontal bedding of the grading type composed of claystone in the Wufeng-Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

2.2.2 砂-泥遞變型水平層理

砂-泥遞變型水平層理頁巖巖心為灰色、灰黑色，薄層狀，明、暗相間較為顯著。光學(xué)顯微鏡下，頁巖由粉砂紋層和泥紋層構(gòu)成，二者構(gòu)成正遞變層或交互遞變層（圖6）。正遞變層根據(jù)粉砂紋層和泥紋層的占比可分出厚泥型和厚砂型。厚泥型正遞變層厚度2.0～10.5 mm，一般厚度4.5 mm，其底部1/10—1/5 處均為粉砂紋層，中部和上部均為厚層均質(zhì)狀泥紋層，泥紋層和粉砂紋層突變接觸（圖6a）。厚砂型正遞變層厚度1.5～2.5 mm，一般厚度2.0 mm，其底部3/4 處均為薄層狀粉砂紋層，上部1/4 處為泥紋層組，粉砂紋層由下至上粒度逐漸變細，泥紋層呈均質(zhì)狀，粉砂紋層和泥紋層突變接觸（圖6b）。正遞變層中，粉砂紋層底界面均為連續(xù)板狀，突變接觸，顯微鏡下表現(xiàn)為界面上、下顆粒粒徑及顏色的截然差異，頂、底界面多數(shù)呈連續(xù)的平直狀，少數(shù)粒度較粗的粉砂紋層頂界面呈凹凸?fàn)睿▓D6c，d）。交互遞變層由泥紋層和粉砂紋層交互構(gòu)成，層厚3.0～6.0 mm，粉砂紋層和泥紋層突變接觸，由下至上，粉砂紋層厚度變薄、粒度變細（圖6c，d）。交互遞變層的底界面多為連續(xù)板狀，層內(nèi)部粉砂紋層頂、底界面均為連續(xù)、板狀、平行分布。

掃描電鏡下，砂-泥遞變型水平層理頁巖中遞變層礦物成分基本一致，主要由白云石、方解石、黏土礦物、碎屑石英和微晶石英等組成，粉砂紋層呈顆粒支撐結(jié)構(gòu)（圖7）。白云石呈深灰色，菱形，次棱角狀，溶蝕孔隙發(fā)育；方解石呈淺灰色不規(guī)則狀，次圓狀，邊緣呈港灣狀，溶蝕孔隙發(fā)育；黏土礦物呈淺灰色長條帶狀；碎屑石英多呈深灰色不規(guī)則粒狀；微晶石英多為泥級雜基，自形或半自形；黃鐵礦呈團塊狀。單個遞變層中，粉砂紋層由下至上顆粒含量和粒度逐漸變小，構(gòu)成順序式遞變（圖2），底部白云石粒徑3.5～15.3 μm（平均6.4 μm）、方解石粒徑4.1～14.4 μm（平均8.9 μm）、黏土礦物粒徑5.5～13.3 μm（平均7.7 μm）、碎屑石英粒徑4.1～7.6 μm（平均5.2 μm），由下至上各顆粒粒徑逐漸變細（圖7a）。泥紋層呈現(xiàn)粒度雙眾數(shù)特征，其中，微晶石英顆粒粒徑2.0～3.0 μm，白云石粒徑6.1～14.2 μm（平均9.4 μm）、方解石粒徑2.5～11.7 μm（平均5.6 μm）、黏土礦物粒徑3.6～10.2 μm（平均6.1 μm）、碎屑石英粒徑6.4～8.6 μm（平均7.5 μm）（圖7b）。泥紋層中常見較大粒徑的次棱角狀方解石（粒徑達17.7 μm）漂浮于微晶石英基質(zhì)中（圖7b）。

圖7 川南地區(qū)陽101H3-8井五峰組-龍馬溪組砂-泥遞變型水平層理粉砂紋層和泥紋層掃描電鏡照片F(xiàn)ig.7 SEM images showing the silty and clayey lamina of the horizontal bedding of the grading type composed of siltstone and claystone in the Wufeng-Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

2.2.3 砂-泥互層型水平層理

砂-泥互層型水平層理頁巖巖心為灰色和灰黑色，薄層狀，發(fā)育多條白色粉砂條帶。光學(xué)顯微鏡下，泥紋層和粉砂紋層相間接觸。泥紋層顏色較深，構(gòu)成暗紋層；粉砂紋層顏色較淺，構(gòu)成亮紋層。粉砂紋層多呈條帶狀，局部為小型透鏡體（圖8）。泥紋層和粉砂紋層的頂界面和底界面多數(shù)為連續(xù)、平行，突變接觸，局部可見粉砂紋層與層界面交切。根據(jù)粉砂紋層和泥紋層的疊合方式，砂-泥互層型水平層理劃分為稀疏式、緊密式和相間式3種類型（圖8）。稀疏式由粉砂紋層和泥紋層互層構(gòu)成，粉砂紋層占比小于25 %；緊密式由多期砂-泥交互層構(gòu)成，中間夾有薄層泥紋層，粉砂紋層占比大于75 %（圖8b，c）；相間式由厚層淺色粉砂層和泥質(zhì)層互層構(gòu)成，粉砂紋層含量為25 %～75 %（圖8d）。

圖8 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組砂-泥互層型水平層理大薄片顯微照片F(xiàn)ig.8 Microsicope image large thin section showing the horizontal bedding of the alternating siltstone and claystone type in the Wufeng-Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

掃描電鏡下，砂-泥互層型水平層理頁巖粉砂層主要由方解石、黏土礦物、碎屑石英和微晶石英等組成，分選較好，顆粒支撐結(jié)構(gòu)，遞變結(jié)構(gòu)不發(fā)育（圖9a）。方解石呈淺灰色不規(guī)則狀，次圓狀，邊緣呈港灣狀；黏土礦物呈淺灰色長條帶狀；碎屑石英多呈深灰色不規(guī)則粒狀；微晶石英多為泥級雜基，自形或半自形；黃鐵礦呈團塊狀。其中，方解石粒徑3.3～14.1 μm（平均7.3 μm）、黏土礦物粒徑5.4～16.3 μm（平均10.2 μm）、碎屑石英平均粒徑9.6 μm。泥紋層主要由微晶石英組成，含有極少量方解石和草莓狀黃鐵礦（圖9b）。其中，方解石粒徑2.2～10.7 μm（平均4.9 μm），草莓狀黃鐵礦粒徑平均值3.1 μm。

圖9 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組砂-泥互層型水平層理粉砂紋層和泥紋層掃描電鏡照片F(xiàn)ig.9 SEM images showing the silty and clayey lamina of the horizontal bedding of the alternating siltstone and claystone type in the Wufeng-Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

2.2.4 書頁型水平層理

書頁型水平層理頁巖巖心為灰黑色，風(fēng)化后常為書頁狀，頁理和微裂縫發(fā)育。光學(xué)顯微鏡下，書頁型水平層理由泥紋層構(gòu)成，多個泥紋層構(gòu)成泥質(zhì)層，中間偶夾條帶狀或斷續(xù)狀粉砂紋層或1.0～5.0 mm厚的放射蟲層（圖10）。泥質(zhì)層呈現(xiàn)微弱的正遞變、反遞變或復(fù)合遞變特征（圖11），層界面之上發(fā)育單層淺色礦物組成的條帶。層界面上、下顆粒粒徑及顏色略有差異，層界面多呈連續(xù)、板狀、平行或斷續(xù)、板狀、平行分布。正遞變層厚為1.0～4.0 mm，一般厚度為1.1 mm，顯微鏡下由下至上顏色逐漸變深；反遞變層厚為2.0～4.0 mm，一般為3.0 mm，顯微鏡下由下至上顏色逐漸變淺；復(fù)合遞變層厚度為4.0～14.5 mm，一般為9.0 mm，顯微鏡下由下至上顏色深淺逐漸變化。

圖10 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組書頁型水平層理頁巖放射蟲粉砂紋層偏光顯微照片F(xiàn)ig.10 Polarizing microsicop images showing radiolarian silty lamina of the paper-type horizontal bedding in the Wufeng-Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

圖11 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組書頁型水平層理大薄片顯微照片F(xiàn)ig.11 Microsicope image large thin section showing the paper-type horizontal bedding in the Wufeng-Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

書頁型水平層理頁巖分為正遞變層構(gòu)成型和復(fù)合遞變層構(gòu)成型2 種類型。正遞變層構(gòu)成書頁型水平層理主要由正遞變層構(gòu)成，顯微鏡下可見淺色的條帶（圖11a）；復(fù)合遞變層構(gòu)成型的書頁型水平層理頁巖主要由正遞變層構(gòu)成，中間夾有少量反遞變層和復(fù)合遞變層，顯微鏡下呈現(xiàn)明、暗相間的特征（圖11b）。

掃描電鏡下，書頁型水平層理頁巖的泥質(zhì)層主要由直徑2.0～3.0 μm的微晶石英組成，含有少量的方解石和碎屑石英（圖12）。方解石粒徑3.0～5.0 μm，碎屑石英粒徑6.5～14.3 μm。條帶狀或斷續(xù)狀粉砂紋層主要由單層方解石和白云石組成，方解石粒徑3.7～9.2 μm（平均8.9 μm），白云石平均粒徑4.3 μm。

圖12 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組書頁型水平層理粉砂紋層和泥紋層掃描電鏡照片F(xiàn)ig.12 SEM images showing the silty and clayey lamina of the paper-type horizontal bedding in the Wufeng-Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

3 討論

3.1 黏性流體基本特征

泥和粉砂顆粒在搬運和沉降過程中，由于存在表面電荷、體積力（如范德華力）［33］、生物聚合物等原因而結(jié)合成絮凝顆粒［34］。絮凝顆粒大小與水體濃度、黏土礦物類型及水體化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。搬運過程中，粒徑較大的絮凝顆粒（粒徑在100～1 000 μm）沉降速率與同時期搬運的粉砂或細砂顆粒相近［35］。當(dāng)流體流速小于15 cm/s時，絮凝顆粒多以懸浮截荷形式搬運和沉降［22-24］。沉降過程中，由于重力分異作用，直徑較大的絮凝顆粒、大顆粒粉砂、包裹較小粒徑粉砂的絮凝顆粒優(yōu)先沉降，從而形成砂泥混雜的正遞變層［14］。當(dāng)流體流速為15～25 cm/s時，絮凝顆粒多以床沙載荷形式搬運和沉降。沉降過程中，攜帶粉砂顆粒的較大絮凝顆粒會發(fā)生破裂并拋出粉砂顆粒，并在底床上形成分別由粉砂顆粒和泥質(zhì)絮凝顆粒構(gòu)成的移動砂波［24］。移動砂波在遷移過程中相互疊置，從而形成粉砂紋層和泥紋層互層。當(dāng)流體流速大于25 cm/s時，泥質(zhì)絮凝顆粒破碎，該時期底床上只發(fā)育由粉砂顆粒組成的移動砂波，從而只發(fā)育分選好的粉砂紋層［24］。

當(dāng)流體富含黏性泥時，隨著黏性泥濃度升高（臨界點體積濃度為0.5 %～2.0 %），泥質(zhì)顆粒會結(jié)合成連續(xù)或近連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)，從而形成膠體溶液［36］。膠體溶液影響著流體的流變學(xué)、流體結(jié)構(gòu)和流體流動方式。黏土礦物顆粒組成的黏性鍵會增加流體黏度，流體流速增加會降低流體黏度，從而造成流體流速分岔［36-37］。流體流動過程中，隨著流體流速降低，黏性鍵會進一步抑制湍流活動，從而造成流體由湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳎?8-39］。黏性鍵的形成需要時間。在流體流速降低過程中，由于更多黏性鍵形成，從而流體黏度進一步增大，所能支撐的顆粒粒度變大［40］。同時，隨著湍流活動強度和泥質(zhì)濃度的變化，絮凝顆粒大小也發(fā)生相應(yīng)變化［41］。

3.2 不同類型水平層理的成因

3.2.1 遞變型水平層理

遞變型水平層理頁巖遞變層的底界面多為突變接觸或發(fā)育沖刷面，遞變層礦物顆粒分選差、雜基支撐，順序式遞變發(fā)育，表明其為能量逐漸減弱的低密度濁流［42］或波浪影響的濁流成因［43］。其中，突變面或沖刷面為濁流流動過程中的侵蝕作用形成，濁流沉積時期，由于能量較低，泥質(zhì)發(fā)生懸浮沉降而形成遞變層。遞變層中部和上部常發(fā)現(xiàn)較大粒徑的漂浮顆粒，其可能來源于冰川墜石［44］、水面漂浮物、風(fēng)力搬運［45］或濁流搬運［46］。考慮到漂浮顆粒多呈簇狀分布、粒徑和形態(tài)多變、漂浮顆粒下伏紋層沒有發(fā)生變形、遞變層未發(fā)現(xiàn)任何冰川作用標(biāo)志等因素，認為漂浮顆粒為冰川搬運成因可能性非常小。結(jié)合遞變層基底為突變接觸、顆粒分選性差、粒序發(fā)育等特征，認為漂浮顆粒應(yīng)為高濃度黏性濁流成因［14，47］。

五峰組-龍馬溪組遞變型水平層理頁巖正遞變層中含有大量泥質(zhì)顆粒，其可能為絮凝顆粒成因；而粉砂顆粒與泥質(zhì)顆?；祀s，粉砂紋層和泥紋層分層不明顯，表明沉積時期流體濃度相對較高［48］，流體流速很低（＜15 cm/s），沉積物來源于懸浮沉降作用［42］。粒序發(fā)育表明沉積期濁流濃度不是足夠高（體積濃度低于0.5 %～7.0 %）［14］，從而不能支撐相對較粗的顆粒。遞變型水平層理頁巖中遞變層厚度與濁流流速相關(guān)：流速越低，流體黏性越大，形成的遞變層厚度越大；流速越高，流體黏性越小，形成的遞變層厚度越薄，并易在底部形成薄層粉砂質(zhì)滯積層。流體流動過程中，由于流速降低，流體黏性增大［37］，從而形成遞變型水平層理。

3.2.2 砂-泥遞變型水平層理

砂-泥遞變型水平層理頁巖遞變層的底界面多為突變接觸或發(fā)育沖刷面，砂-泥遞變層發(fā)育遞變結(jié)構(gòu)，表明其為濁流成因［42，49-50］。砂-泥遞變層的形成與濁流底部的邊界層剪切分選有關(guān)。濁流活動過程中，粉砂顆粒和絮凝顆粒以相似的速率沉降。當(dāng)它們進入邊界層內(nèi)時，絮凝顆粒發(fā)生邊界層剪切破裂，而粉砂顆粒正常沉降形成粉砂紋層。隨著邊界層泥質(zhì)濃度逐漸升高，泥質(zhì)顆粒重新絮凝沉降而形成泥紋層［15］。上述過程循環(huán)往復(fù)，從而形成多個砂-泥遞變層疊置［15，51］。隨著濁流流速降低和濃度升高，其靠近底床的粉砂顆粒濃度梯度大幅度上升，從而形成流體分層。流體分層有效抑制了湍流活動，并造成高濃度流體整體發(fā)生凝固［47］。五峰組-龍馬溪組砂-泥遞變層中粉砂紋層不含泥質(zhì)顆粒，表明其經(jīng)歷了明顯的分選作用；粉砂紋層向上存在著粒度變化，表明其仍為懸浮沉降成因。少數(shù)較粗的粉砂紋層頂界面呈凹凸?fàn)?，表明其?jīng)歷了牽引搬運作用。綜合分析認為，砂-泥遞變層為濁流底部邊界層的分選作用形成，少數(shù)經(jīng)歷了牽引搬運作用，相對于遞變型水平層理，其沉積時期流速增大，但仍低于15 cm/s。

五峰組-龍馬溪組黑色頁巖中，砂-泥遞變層發(fā)育正遞變層和交互遞變層2 種類型。正遞變層中，厚泥型正遞變層發(fā)育薄層粉砂紋層和厚層泥紋層、單層厚度較大，表明沉積時期水流速度更低、流體黏性更大；厚砂型正遞變層發(fā)育厚層粉砂紋層和薄層泥紋層、單層厚度較小，表明沉積時期水流速度增大、流體黏性變?nèi)?。交互式遞變層中，粉砂紋層與泥紋層交互出現(xiàn)，粉砂紋層整體向上變細，表示其由同一期流體事件形成，而非多期事件［14-15］。且單個粉砂紋層內(nèi)部無粒序變化，表明其為牽引沉降，而非懸浮沉降成因。綜上所述，認為交互遞變層形成于流體流速相對較高（15～25 cm/s）時期，隨著濁流能量逐漸減弱，形成向上變細序列。

3.2.3 砂-泥互層型水平層理

砂-泥互層型水平層理頁巖粉砂紋層和泥紋層頂、底界面均為突變界面，粉砂紋層不發(fā)育遞變結(jié)構(gòu)，表明其為非濁流成因。粉砂紋層為顆粒支撐結(jié)構(gòu)，基質(zhì)含量低，發(fā)育小型透鏡體和交切接觸關(guān)系，表明其經(jīng)歷了明顯的分選作用［22-23，45］。綜合分析認為，砂-泥互層型水平層理頁巖可能為底流改造作用相對強烈［21］的陸棚深水等深流沉積［17-20，52-54］。陸棚深水環(huán)境中，風(fēng)力搬運、火山噴發(fā)、河流注入、表層生物光合作用等來源的粉砂和泥質(zhì)顆粒均呈絮凝狀顆粒的形式沉降［45］。絮凝顆粒沉降到底層之后，由于受到底流（如風(fēng)化驅(qū)動底流、溫鹽底流等）作用的影響［45，53，55］，包裹粉砂顆粒的絮凝顆粒發(fā)生破裂，粉砂顆粒脫離和聚集，并以砂紋的形式在底面上遷移［24］。該時期，沉積底面上發(fā)育由粉砂顆粒組成砂波和由黏土顆粒組成的砂波，砂波在移動過程中均留下薄層細尾，細尾相互疊置形成砂-泥互層型水平層理。五峰組-龍馬溪組黑色頁巖中，泥質(zhì)顆粒和粉砂顆粒均呈底載荷形式搬運，表明沉積時期水流速度為15～25 cm/s。

砂-泥互層型水平層理發(fā)育稀疏式、緊密式、交互式和相間式4種樣式，4種不同樣式的形成與沉積時期水體流速和沉積物供給速率密切相關(guān)［24］。隨著水體流速和沉積物供給速率逐漸增大，依次出現(xiàn)稀疏式、緊密式、交互式和相間式4種樣式的砂-泥互層型水平層理（圖13）。其中，水體流速25 cm/s 為一臨界點［22-23］，當(dāng)水流速度大于25 cm/s 時，只會沉積粉砂紋層；當(dāng)水流速度低于25 cm/s 時，才會出現(xiàn)粉砂紋層與泥紋層互層。

圖13 不同類型砂-泥互層型水平層理與水體流速和沉積速率的關(guān)系Fig.13 Impact of current velocity and sedimentation rate on the formation of various types of horizontal bedding with alternating siltstone and claystone

3.2.4 書頁型水平層理

書頁型水平層理頁巖整體由生物成因微晶石英組成［56-59］，陸源碎屑物質(zhì)含量較低［25］，頁巖中放射蟲形態(tài)完整，局部可堆積成1～5 mm的放射蟲紋層，表明沉積物主要來源于表層水體初級生產(chǎn)力。頁巖中夾雜有極少量方解石、白云石和黏土礦物顆粒，局部形成粉砂紋層，表明存在著少量的陸源碎屑供給。頁巖發(fā)育極薄層的水平紋層，缺乏水流改造標(biāo)志，表明沉積物為懸浮沉降成因，側(cè)向平流活動微弱或不發(fā)育［17］。綜合以上分析，認為書頁型水平層理為深水陸棚環(huán)境的遠洋懸浮沉降成因［4，17］，沉積物主要來源于生物成因物質(zhì)的懸浮沉降作用，受陸源碎屑供給或火山碎屑供給等側(cè)向平流作用的影響較小［55］。遠洋沉積的沉降速率非常低（＜1 cm/kyr）［60］，主要受控于絮凝顆粒和糞球粒的形成速率。在初級生產(chǎn)力較高的邊緣海地區(qū)，生物作用表現(xiàn)為明顯的周期性或季節(jié)性勃發(fā)［61］。

五峰組-龍馬溪組黑色頁巖中，書頁型水平層理發(fā)育微弱的正遞變，其形成可能與季節(jié)性氣候變化有關(guān)。季節(jié)性氣候變化造成表層水體中硅質(zhì)生物周期性勃發(fā)［61］，從而形成放射蟲富集層。頁巖中夾雜的極薄層細粒粉砂紋層，其形成可能與風(fēng)力或異重流搬運有關(guān)［45］。黑色頁巖中發(fā)育的少量反遞變層和復(fù)合遞變層，其形成可能與局部的濁流沉積有關(guān)。

3.3 不同類型水平層理頁巖滲透率差異

不同類型水平層理頁巖滲透性明顯差異。其中，書頁型水平層理頁巖滲透率及水平滲透率與垂直滲透率之比最大，其次是砂-泥互層型水平層理，砂-泥遞變型水平層理和遞變型水平層理最?。?5］（表3）。以長寧雙河剖面和陽101H3-8井樣品為例，書頁型水平層理頁巖滲透率最高，水平滲透率與垂直滲透率比值為6.53～59.74，砂-泥互層型水平層理頁巖的比值為1.86～3.46，砂-泥遞變型水平層理頁巖的比值為0.20～12.20，而遞變型水平層理頁巖的比值為0.01～0.75。

表3 川南地區(qū)五峰組-龍馬溪組不同類型水平層理頁巖滲透率特征Table 3 Shale permeability of the horizontal bedding of diverse types in the Wufeng-Longmaxi shale in southern Sichuan Basin

不同類型水平層理頁巖滲透性差異可能與其成因有關(guān)。書頁型水平層理頁巖為半遠洋懸浮沉降成因，沉積時期表層水體初級生產(chǎn)力高［25］、水體還原性強［62］、陸源影響?。?3］，故有機質(zhì)和有機孔發(fā)育，滲透性好。砂-泥互層型水平層理由于為等深流成因，受底流改造強，顆粒分選性好，故滲透率較好。遞變型水平層理和砂-泥遞變型水平層理由于為濁流成因，沉積時期水體為氧化環(huán)境［64］、顆粒分選性差，有機質(zhì)和有機孔不發(fā)育，故滲透性不好。

4 結(jié)論

1）黑色頁巖發(fā)育遞變型、砂-泥遞變型、砂-泥互層型和書頁型4 種類型水平層理。遞變型水平層理由多個粉砂層疊置而成，層界面平行，粉砂層呈雜基支撐結(jié)構(gòu)、粒序發(fā)育。砂-泥遞變型水平層理中粉砂紋層和泥紋層互層構(gòu)成正遞變層，粉砂紋層呈顆粒支撐結(jié)構(gòu)，紋層界面突變接觸，層界面平行。砂-泥互層型水平層理由粉砂紋層和泥紋層薄構(gòu)成，層和紋層界面均突變接觸，粒序不發(fā)育。書頁型水平層理由極薄層狀泥紋層構(gòu)成，發(fā)育微弱的正粒序。

2）黑色頁巖4種水平層理具有不同的成因。遞變型水平層理為相對低能的濁流成因；砂-泥遞變型水平層理為相對高能的濁流成因；砂-泥互層型水平層理為陸棚相的等深流成因；書頁型水平層理為陸棚相的半遠洋懸浮沉降成因。

3）黑色頁巖水平層理類型直接影響頁巖滲透性。書頁型水平層理頁巖富含有機質(zhì)和有機孔，滲透率及水平滲透率與垂直滲透率之比最大；砂-泥互層型水平層理顆粒分選性較好，滲透率及水平滲透率與垂直滲透率之比較大；砂-泥遞變型水平層理和遞變型水平層理顆粒分選性差、有機質(zhì)含量低，滲透率及水平滲透率與垂直滲透率最低。

致謝：中國石油西南油氣田分公司巖心庫提供了觀察和描述巖心的機會，大薄片照片均由北京天和信公司佟明江總經(jīng)理拍攝，中國石油國家卓越工程師學(xué)院王紅巖教授教授提供了技術(shù)指導(dǎo)，在此表示感謝。