聂银兰，谢庆宾，朱筱敏，张美洲

（中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249）

0 引言

本文所述细粒沉积岩是由直径小于62.5 μm，且质量分数超过50%的颗粒组成的沉积岩，主要成分包括陆源碎屑和黏土矿物，还有一些自生矿物（碳酸盐、生物硅质、有机质等颗粒）［1］。随着油气资源需求量的增加及常规油气勘探开发难度的增大，非常规油气的研究逐渐占据重要位置，特别是富含有机质的细粒沉积岩，既是页岩油气的烃源岩，又是储层，目前已经成为研究的热点。尽管我国目前仍处于油气储量及产量稳定增长的阶段，但在油气消费需求与日俱增的情况下，进一步加快我国油气可持续发展、积极寻找新的接替能源势在必行。

我国具有巨大的页岩油气开发潜力。陆相页岩主要发育在松辽盆地白垩系、渤海湾盆地古近系、鄂尔多斯盆地上三叠统、准噶尔盆地上二叠统和中下侏罗统、吐哈盆地中下侏罗统和四川盆地上三叠统—下侏罗统；海相页岩主要发育在华北下古生界、南方下寒武统和上奥陶统—下志留统、塔里木盆地寒武系—奥陶系。

目前，细粒沉积岩的研究越来越受到地质学者及勘探家们的重视，分析细粒沉积岩的岩相划分、沉积环境和沉积机制，建立不同构造演化阶段形成的细粒沉积模式，均有助于整体了解细粒沉积岩的形成过程、优质储层的特征和分布，为细粒沉积岩的研究和非常规油气的勘探开发提供地质理论依据。

1 岩相分类

岩相是在一定沉积环境中形成的岩石类型及其组合［2-4］，是古沉积环境与沉积机制共同作用的结果。任何能反映沉积环境因素的岩石学及古生物学标志，均可作为岩相的划分依据和标志［5］。不同类型的沉积盆地具有不同的沉积环境和沉积过程，岩相划分便于探讨沉积环境及其成因，有助于细粒沉积岩的储层评价。

岩相划分主要依据矿物成分、沉积构造和有机质丰度。矿物成分是构成岩相的物质基础，常以陆源碎屑矿物、碳酸盐矿物、黏土矿物为三端元进行岩相划分；沉积构造是沉积过程的直接反映，通过露头和岩心观察描述能很好地识别沉积构造（见图 1），Lazar等［6］在用野外露头、岩心和薄片进行细粒沉积岩命名研究时，也着重考虑了沉积构造对原始沉积条件和页岩地层形成环境的重要作用；有机质丰度能够反映沉积区的气候条件及水体营养度，根据有机质丰度的差异可划分高、中、低有机质3种类型。

图1 鄂尔多斯盆地三叠系延长组典型的细粒沉积构造

还有学者着重野外露头描述，根据岩石的粒度、颜色、结构、化石特征进行了岩相分类。Abouelresh 等［7］对美国Barnett页岩进行研究，根据原始沉积构造、生物扰动划分了富针状泥岩、块状泥岩等5种岩相。大部分学者综合野外露头和室内实验分析进行了岩相划分。Loucks 等［8］分析美国 Barnett页岩的岩心、薄片、全岩X射线衍射、测井曲线，根据矿物学成分、结构和生物群识别出了层状硅质泥岩、层状泥质灰岩等3种常见的岩相。

随着细粒沉积物沉积机制的研究逐步深入，发现细粒沉积物不仅可以沉积在安静的水体中，还可以在水体动荡的环境中形成不同类型的纹层。例如，济阳坳陷发现了富有机质纹层、隐晶碳酸盐岩纹层和黏土纹层［9］。纹层特征也被作为重要的划分依据，用来反映沉积物输入及水动力条件，根据纹层组合和比例可进行岩相划分。

细粒沉积岩储层复杂的非均质性增加了常规定性方法对岩相解释的难度，获取研究所需高质量的岩心样品和地球物理测井响应数据通常受到成本和时间的限制。Bhattacharya等［10］提出了定量的岩相模拟法，将不同的数学技术应用于普遍存在的常规测井数据，根据岩石类型对数据进行校准，确定岩相和常规测井资料之间的相互关系，在没有高质量的岩心或测井数据的井中也能定量确定岩相，从而解决了利用测井资料定量进行岩相分类的问题。

细粒沉积岩以陆源碎屑、碳酸盐和黏土矿物为主。通常，陆源碎屑矿物主要发育在滨浅湖环境，水体还原性弱，发育多种交错层理，具有强烈的生物扰动；碳酸盐矿物主要发育在半深湖环境，水体还原性较强，黄铁矿含量明显增加，发育波状层理；黏土矿物主要发育在深湖环境，水体极度缺氧，黄铁矿较发育，发育水平层理。受古气候、古构造和古水深的影响，当气候干冷、水深大于碳酸盐补偿深度时，沉积物以极细粒黏土矿物供给为主，沉积速度缓慢，极度缺氧，发育平直纹层黏土岩相；当水深小于碳酸盐补偿深度，且气候由干冷向暖湿转变时，在湖底除了沉积富有机质的黏土纹层，还可发育碳酸盐岩纹层。气候暖湿时期，在生物化学作用下，碳酸盐岩产率极高，形成石灰岩，纹层受轻微底流的影响。当水深减小到水体分层界面附近，水体分层稳定性变差，相对粗粒的陆源长英质矿物输入增多，季节性回水产生底流，发育不平直纹层混合岩相。在气候干冷的浅湖环境，水体不存在分层且能量较强，发育块状混合岩相。例如，张顺等［11］综合矿物成分、层理、有机质丰度、颜色等因素进行分析，将东营凹陷古近系沙三段—沙四段半深湖—深湖细粒沉积岩岩相划分为纹层状石灰岩、页状石灰岩等9种类型，认为它们自湖盆中心向滨浅湖（岸）呈环带状分布。宁方兴等［12］综合应用岩心、薄片、全岩X射线衍射等资料，将东营凹陷古近系沙四上亚段—沙三下亚段细粒沉积岩岩相划分为富有机质纹层状隐晶泥质灰岩、富有机质纹层状微晶泥质灰岩等8种类型。

2 沉积环境

2.1 恢复古沉积环境方法

复杂的古沉积环境对研究细粒沉积岩的岩相组合具有重要意义。目前恢复古沉积环境的方法主要有4种：1）地球化学元素特征分析。岩层中元素差异会受到沉积环境的影响，地球化学元素尤其是特征元素质量比值的变化能很好地反映沉积环境的变化［13］。2）黄铁矿形态学分析。细粒沉积岩的黄铁矿丰度与有机碳质量分数协同变化，具有很强的相关性，通过分析黄铁矿的形态与丰度，可判断细粒沉积岩的沉积环境［14］。3）纹层的成因类型分析。隐晶方解石纹层主要形成于盐水环境，可以反映古水体盐度或古气候干湿的变化，代表沉积水体更多地表现为盐度分层；黏土纹层则相对更多地与盆外的水体注入有关，被水流带入湖泊的黏土物质在安静的水底周期性地沉积下来，形成黏土纹层；有机质纹层形成于浮游藻类繁盛时期，一般与古气候转为温暖湿润有关。4）古生物分析。相同的沉积环境，生物群种类和数量一般具有相似性，研究不同古生物群的分布规律可以指示沉积环境的变化。

2.2 细粒沉积岩沉积环境

传统观念认为，富含有机质的细粒沉积物多发育于海（湖）侵时期的深水环境，缓慢沉降的稳定海（湖）盆、闭塞缺氧的安静水体和低沉积速率是富有机质页岩重要的沉积模式。然而，通过野外地质调查和大量实验研究发现，在相对浅水的条件下也能沉积富有机质页岩。随着研究的不断深入及实验技术的不断进步，认为细粒沉积岩的沉积过程往往不是稳定的，在相对稳定的沉积过程中夹有部分不稳定沉积，反映当时存在由气候变化造成的强水动力环境或发生事件沉积。

物源、气候、水体物理化学条件及构造作用会影响细粒沉积的过程和富有机质页岩的发育。物源为细粒沉积岩的发育提供了物质基础，并决定了岩相的成分；气候及水体物理化学条件控制了细粒沉积岩的各成分含量及垂向叠置特征；构造作用通过控制沉积相进而控制了细粒沉积岩的展布特征。

2.3 海、陆相细粒沉积环境对比

海相细粒沉积岩主要发育在构造活动比较稳定的克拉通盆地区、海岸平原和陆棚环境的局限海滞留区。富有机质页岩主要发育于海侵时期的深海环境中，缓慢沉降的稳定海盆、高海平面、半封闭水体和低沉积速率是海相富有机质页岩的重要沉积模式。海相细粒沉积岩的岩性主要为泥页岩、钙质泥页岩及石灰岩，烃源岩富含有机质，成熟度中等—高；矿物成分以脆性矿物为主，储集空间类型主要为微裂缝、粒间孔和自生矿物的晶间孔，孔隙连通性较好［15-18］。

陆相细粒沉积岩通常发育在处于鼎盛时期的湖泊，受构造活动的影响，不同位置的地层厚度存在较大的差异，也可能存在厚度超过海洋沉积物的地层。由于湖泊对高频气候变化的敏感性较强，这种明显的厚度差异导致地层具有更强的非均质性［19］。陆相细粒沉积岩的岩性主要为石灰岩、黏土岩和陆源碎屑岩，受沉积环境变化大的陆相湖盆影响，纵向上具有多旋回叠置的特点；矿物成分以石英、长石、碳酸盐、黄铁矿和黏土矿物为主，脆性矿物较少。除了陆源碎屑沉积外，细粒沉积中还包含火山物质沉积。火山灰中富含大量的矿物质和微量元素，为生物提供了丰富的营养成分，促进了水生生物的繁殖和发育，使有机质富集。凝灰岩在短时间内大面积地覆盖泥页岩，对前期的有机质起到重要的保护作用；凝灰岩的脱玻化作用形成了大量的次生孔隙，是良好的储集体［20-21］。

3 沉积机制

在过去很长一段时间里，研究人员认为细粒沉积物只能在静水中垂向沉降，受到水流作用时会再悬浮。现代研究表明：大多数直径小于10 μm的黏土颗粒以絮凝物形式沉积，絮凝过程有助于大量泥质沉积物在海洋环境中的长距离搬运；而直径大于10 μm的黏土颗粒则主要以单颗粒形式沉降［22-23］。

3.1 深水重力流沉积特征与识别标志

浊流在海洋、湖泊环境中均可作为搬运、沉积细粒沉积物的主要营力，具有较强的侵蚀能力，可见冲刷面、槽模等冲刷充填构造，分布于海底峡谷出口或湖盆、深海平原或湖盆中央、大型扇体前缘或水道延伸方向［24］。

碎屑流是高浓度的沉积物与流体的混合。砂质碎屑流在深水环境形成以块状层理为主的沉积体［25］；泥质碎屑流是一种砂、砾、泥混杂的基质支撑的重力流，沉积构造可发育块状层理等：二者均在陡坡带以及各种三角洲前缘滑塌作用形成的深水重力流中广泛发育［26］。

异重流是由洪水期河口直接注入、因密度大于汇水盆地水体密度而沿水体底部分层流动的持续型浊流［27］。垂向上常见反粒序-正粒序成对出现，上攀层理、波状层理较发育，内部可见明显的冲刷侵蚀界面。异重流有利的发育场所包括断控陡坡带扇三角洲沉积斜坡前方、断阶带辫状河三角洲沉积斜坡前方［28］。

滑塌可以作为单个事件，将更大体积的泥沙运移至斜坡。底部沉积物在滑动过程中受到摩擦作用，会产生滑动面、小断层、滑塌褶皱、砂泥岩碎块或角砾等。该类型常发育于快速堆积和构造活动背景下各类三角洲前缘或滩坝砂体的再沉积［29］。

3.2 沉积过程

细粒沉积物的沉积过程不仅是单一悬浮沉降，还包括重力流沉积［30］。细粒沉积物的形成包括一系列潜在的搬运、沉积和改造过程，如浊流、碎屑流、异重流、滑塌等。碎屑流与浊流可相互转化，异重流也可转化为碎屑流或诱发斜坡失稳而产生浊流［31］。其转化顺序首先是滑动变为滑塌，然后变为碎屑流，最后转化为浊流沉积。除此之外，这几种过程可以同时发生或转换。浊流在远洋沉积中占有重要位置。近年来，异重流的作用机制也引起了广泛关注，因无需大量沉积物的积累和触发机制，异重流的发生频率比碎屑流和浊流更高。不同地区细粒沉积物的沉积过程及动力类型也存在很大差异，且大部分地区细粒沉积物的沉积机制都不是受单一的动力学控制，而是受多种成因机制的共同作用。不同地区发育的细粒沉积岩岩相组合类型不同，代表了不同的沉积动力。

4 沉积模式

地质学家对细粒沉积岩的沉积模式提出了许多不同的看法，认为大部分的细粒沉积物在安静稳定的深水环境中沉积，其中也夹杂着一些浊流沉积。随着研究的不断推进，发现浅水环境中也能沉积富有机质页岩。在浅水和深水的过渡环境中也可能发育细粒沉积岩。

4.1 深水沉积

细粒沉积岩通常沉积在气候温暖湿润、构造条件比较稳定、距离物源较近、水体闭塞的深水环境。这一沉积模式在海相和陆相环境均常见。湖相环境以鄂尔多斯盆地长7段为代表，建立了湖侵—水体分层沉积模式［32］：深湖区，受湖流影响较小，水体闭塞，极度缺氧，岩石类型以页岩为主，是富有机质页岩的主要物质来源；半深湖区，受湖流影响增大，水体相对动荡，岩石类型以泥岩、粉砂质泥岩为主，砂质碎屑流沉积有利于下伏页岩有机质的保存；滨浅湖区，受湖流影响最大，水体含氧量较高，岩石类型以泥质粉砂岩为主，孔隙发育，连通性较好，是良好的储集体。在深水环境中，某些局部地区可发育重力流沉积，加快深水区的沉积速率和有机质的埋藏保存［33］。海相环境以沃斯堡盆地密西西比Barnett地层为代表，Barnett地层沉积于较深的前陆盆地，水体闭塞，底层水体缺氧，有机质丰富，沉积过程包括悬浮流、密度流和等深流等［34］。

4.2 浅水—半深水沉积

组成细粒沉积岩的矿物还包括一些远源火山物质。这些火山物质在不同位置的沉积特征存在很大差异。根据这一特征，发现细粒沉积岩并不是在单一的深湖—半深湖环境沉积，而是在深水与浅水控制区的斜坡带上沉积。浅水环境中，火山物质周期性的堆积，不仅有利于火山凝灰物质快速堆积，形成厚层凝灰岩，而且能使湖水温度持续升高，有利于湖相泥页岩中生烃母质的繁殖，使有机碳质量分数增加；深水环境中，闭塞缺氧、安静稳定的沉积环境有利于深水原地沉积的形成，火山凝灰物质以薄层凝灰岩为主，其中一部分也能以重力流的搬运方式进入深水区，期间与湖泥或砂岩混合形成可作为储层的凝灰质沉积岩［35-36］。海相细粒沉积往往很少有火山碎屑沉积，这一沉积模式在陆相湖泊环境较为常见。

4.3 浅水沉积

细粒沉积岩并不总是发育于深水环境。美国阿巴拉契亚盆地Marcellus页岩就是形成于典型的浅海环境。在野外勘探记录中，许多黑色页岩直接覆盖在不整合面上，说明页岩沉积的水体较浅，还发现了冲刷面、混合纹层、波纹层理、各种交错层理及正粒序和反粒序等典型的受风暴影响的沉积相标志。这种浅水沉积模式一般出现在海相环境，构造相对比较稳定，有利于富有机质页岩的保存［37-38］。

5 细粒沉积油气勘探意义及研究展望

页岩油气的成功开发，拓展了油气资源的勘探开发类型与储量，突破了早期石油工业常规储层的下限和传统的圈闭成藏观念。有机质丰度、保存条件、孔渗性和构造都会影响页岩油气的产量。

细粒沉积岩往往发育于构造活动比较稳定的区域，表层水中浮游生物遗体、黏土有机质团粒、火山灰中的微量元素等提供了大量的营养物质，增加了烃源岩的有机碳质量分数，形成有机质丰度高、分布范围广的优质烃源岩。孔隙和微裂缝是页岩油气的重要储集空间，硅质、钙质页岩脆性好，易发育基质孔隙、页理缝及构造缝。重力流可搬运大量分选性和磨圆度较好的石英、长石等碎屑颗粒，为改善页岩储集空间提供了良好机制。有机质的保存条件也是重要的影响因素，构造活动稳定、盆地水体封闭性较好等均有利于页岩油气的保存。重力流向盆地内输入大量外来物质，加快了深水区的沉积速率和有机质的埋藏保存。细粒沉积岩岩具有良好的储盖组合，高效的气源供给、充足的储存空间及相对稳定的构造使原油裂解气和储层经深埋后抬升，但保存状态始终较好，形成页岩气“超压封存箱”［39］。受沉积相和成岩作用的控制，局部地区发育甜点，地质甜点区为页岩油气的大面积分布与局部富集提供了储集条件。

目前，我国不断加大页岩油气的勘探开发力度，细粒沉积岩的研究逐渐变得普遍和广泛。随着目前实验技术的不断进步，沉积研究的方向也在逐渐由静态转向动态，很多实验技术手段也逐渐从宏观到微观，研究领域也从浅层到深层，在细粒沉积岩的研究方面也不断细化。以下5个方面将成为未来细粒沉积岩的研究热点：1）系统、科学的细粒沉积岩岩相划分；2）细粒沉积岩地质与地球物理综合表征；3）细粒沉积与粗粒沉积综合研究；4）细粒沉积岩的形成机制、沉积水动力学条件分析；5）细粒沉积岩的油气勘探潜力评价和工程开发。

对此，本文提供以下几个可供参考的研究方法：1）开展精细的野外地质调查，分析野外露头，将粗粒沉积和细粒沉积结合起来，明确二者的联系，通过研究粗粒碎屑岩的矿物组成、沉积结构和构造，明确沉积环境，推断与粗粒沉积伴生的细粒沉积环境；2）通过高分辨率CT扫描、核磁共振、气体吸附等技术，实现对页岩储层三维多尺度孔隙结构与可动流体的定量评价［40］；3）加强基于岩性刻度的细粒沉积物的地球物理定量表征；4）严格把握甜点选择标准，选择最佳的层段与主要甜点富集区，防止出现过多的低效井和无效井［41］。

6 结束语

细粒沉积岩的岩相划分从初期以物质成分作为主要依据的定性划分到定量的岩相划分，综合应用不同学科和技术，提高了岩相划分的准确性。这些方法和手段为研究细粒沉积岩的环境特征奠定了基础。“泥质只能在静水环境中沉积”这一传统观点，在当下研究过程中取得了重大突破。细粒沉积物的沉积过程不仅是单一悬浮沉降，还包括重力流沉积。细粒沉积物形成过程存在一系列潜在的搬运、沉积和改造作用。在这一认识的指导下，建立了细粒沉积的3种沉积模式：深水沉积模式、浅水—半深水沉积模式和浅水沉积模式。

目前细粒沉积岩仍然为薄弱的研究领域，应不断加强对细粒沉积岩的理论研究，注重多种学科交叉应用，考虑多方面的影响因素，以建立符合实际情况的沉积模型。