張國棟，鮮本忠，2，晁儲志，宋德鄰，劉建平，于碩，王馨冉，晏奇

1.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249

2.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

0 引言

自1950 年以來，沉積物重力流的研究已取得了豐富的成果，深化了人類對深水沉積過程、沉積特征理解的同時，也為深水沉積油氣資源勘查提供了理論支撐。近年來，隨著“砂質碎屑流”[1]、“異重流”[2-3]、混合事件沉積（HEB）[4]等觀點的提出，深水沉積再次成為沉積學研究的熱點。

根據(jù)觸發(fā)機制的差異，沉積物重力流可以分為三類：洪水型、滑塌型、火山噴發(fā)型。三類沉積物重力流中均可形成塊狀層理的砂巖（或火山碎屑巖）?；鹕絿姲l(fā)型深水塊狀層理沉積中絕大部分物質為火山碎屑物，與陸源搬運沉積的砂巖截然不同而較易識別。與之相比，對于成分組成上無本質區(qū)別的滑塌型和洪水型深水塊狀砂巖則常常難以區(qū)分。大量研究證實，除了地震誘發(fā)下沉積物再搬運而成的滑塌型沉積物重力流[5-9]以外，攜帶大量陸源碎屑物質的洪水直接進入穩(wěn)定水體（湖泊、海洋）也可以形成另一種深水沉積供給體系——異重流沉積[2,9-10]。Zavala et al.[3,11]對異重流沉積（異重巖）的巖相組成的總結中指出，洪水作用形成的深水沉積中仍然可以形成塊狀砂巖。

塊狀砂巖，即塊狀層理砂巖，是指內部均一，在成分、結構、顏色上沒有明顯變化的砂巖[12]。不同技術條件下，塊狀砂巖的定義存在一定差異。肉眼或放大鏡觀察下的塊狀砂巖在X 射線照相、顯微鏡下可能展現(xiàn)不同的結構特征。本文所討論的塊狀砂巖，是指在野外露頭或巖芯觀察中憑借肉眼或放大鏡觀察識別出來的、內部均一的塊狀層理砂巖。

因為內部結構簡單、非均質性弱，深水環(huán)境中的塊狀砂巖常常是深水沉積中儲集性能最好、開發(fā)效率最高的油氣勘探、開發(fā)目的層。隨著深水油氣勘探、開發(fā)的促進，深水塊狀砂巖的成因機制引起了廣泛的關注[13-15]。在我國鄂爾多斯盆地延長組中的巖芯和野外露頭研究中識別出大量的深水塊狀砂巖，但對形成機制的認識存在較大分歧。李相博等[16]、廖建波等[17]根據(jù)區(qū)內發(fā)育滑塌成因的變形層理和塊狀砂巖中發(fā)育“泥包礫”現(xiàn)象，認為鄂爾多斯盆地延長組深水塊狀砂巖為滑塌成因的砂質碎屑流沉積。但是，楊仁超等[18-19]在巖芯的薄片鑒定中識別了逆粒序和正粒序成對出現(xiàn)的特征，認為鄂爾多斯盆地延長組深水塊狀砂巖還可能是洪水成因的“異重巖”。

為了探討深水塊狀砂巖的成因機制，本研究選取了鄂爾多斯盆地南部的三水河剖面，開展了野外巖相觀測和系統(tǒng)取樣，針對塊狀砂巖的加密取樣；并進行了鏡下顯微結構與粒度組成及特征研究，目的在于：1）判別鄂爾多斯盆地南部中層—厚層—巨厚層塊狀砂巖的成因機制；2）試圖為異重流成因的塊狀砂巖的判識提供粒度標準。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地為大型坳陷盆地，四周被秦嶺、賀蘭山、六盤山、陰山和太行山等山脈圍限，三面被黃河環(huán)繞，周緣地層出露齊全，晚三疊世地層呈NE—SW 向帶狀展布（圖1）。在延長組沉積時期，鄂爾多斯盆地發(fā)育河流—三角洲—湖泊沉積體系，到長7油組時期湖盆發(fā)育至鼎盛，研究區(qū)的沉積環(huán)境為半深湖—深湖環(huán)境，地形陡、水體深、近物源，且重力流沉積廣泛發(fā)育[21]。本次研究區(qū)域位于鄂爾多斯盆地南部的三水河剖面（陜西省咸陽市旬邑縣），出露的地層為上三疊統(tǒng)，基于巖性特征及粒度特征的精細解剖，明確塊狀砂巖的異重流成因及判識標準。

2 資料與方法

三水河剖面中劃分出21層，對其中6～16層開展了巖石成分、結構、構造的研究。塊狀砂巖第7 層制作了連續(xù)薄片6 片，第7、12 層定間距進行了高密度的激光粒度分析。其中粒度分析的樣品，第7 層砂體（22.5 cm）隔2.5 cm 連續(xù)取樣10 個，第12 層砂體（110 cm）隔5 cm連續(xù)取樣23個（圖2）。

粒度特征分析的目的是研究碎屑巖的粒度大小以及分布，為沉積環(huán)境恢復和水動力條件的判斷提供技術支撐[22]。本次激光粒度分析實驗在中國石油大學（北京）Mastersizer3000激光粒度儀完成，測試方法采用濕法激光測試，測量范圍為0.005～3 000μm。樣品制備過程如下：1）稱量約0.8 g樣品，用橡膠研磨錘研磨后放入燒杯中，加入10 mL 10%的HCL 溶液浸泡；2）靜至12 h 后經(jīng)3 次離心、用蒸餾水置換浸泡液體，使pH 值呈中性；3）加入0.05 mol/L 的（NaPO3）6溶液10 mL作為分散劑，超聲波振蕩后上機測試。

圖1 鄂爾多斯盆地南部地質圖及研究剖面位置圖 [20]Fig.1 Geological map of southern Ordos Basin and location of the studied profile[20]

應用單一粒度參數(shù)特征或多種粒度參數(shù)散點圖，結合粒度參數(shù)的垂向變化、概率累計曲線與頻率曲線等圖件直觀反映該區(qū)碎屑巖粒度特征，為塊狀砂巖的沉積動力條件判識和沉積過程恢復提供科學支撐。粒度參數(shù)的計算采用福克和沃德[22]（Folk 和Ward）的參數(shù)計算標準，通過對樣品的中值、平均粒徑、分選、峰度、偏度等參數(shù)進行計算，以定量表征了碎屑的粒度組成及其沉積動力學特征。

3 剖面沉積序列及沉積特征

三水河剖面中地層出露較好，巖性主要為灰白色塊狀砂巖與灰黑色泥巖、油頁巖。本次研究的地層包括11 個地層，總體厚度為7.3 m，砂體總厚度為4.88 m，含有兩個塊狀砂巖的沉積期次（6～9 層，12～15層）。單層砂體厚度從十幾厘米到幾米不等，在橫向上呈U型水道特征展布（圖3）。

圖2 鄂爾多斯盆地南部三水河剖面第7 層、第12 層樣品位置Fig.2 Location of 7th and 12th layer samples from the Sanshuihe profile, southern Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地南部三水河剖面塊狀砂巖及其與上下地層接觸關系Fig.3 Massive sandstones and their contact relationship with overlying and underlying layers from the Sanshuihe profile,southern Ordos Basin

在塊狀砂巖內部可以見到紅褐色、灰黑色泥礫，礫石長軸方向與巖層層面近乎平行。其中一大型礫石位于單層砂體的頂部，礫石內部為紫紅色泥巖，外部包裹灰色泥質包殼，邊緣渾圓無棱角，長軸約40 cm，短軸約20 cm（圖4A）。單層砂體頂?shù)着c泥巖均為突變接觸關系，在砂巖底部常見厘米級別的球枕構造，枕狀突出向左側傾斜（圖4B）。第10層以深湖環(huán)境的灰黑色泥巖為主，少量發(fā)育的透鏡狀砂體底部微侵蝕現(xiàn)象明顯，垂向上呈現(xiàn)鮑馬序列的特征（圖4C，D）。其上部灰黑色含粉砂泥巖層中（圖4C），發(fā)現(xiàn)厘米級別的、明顯單向水流沉積特征的爬升波紋交錯層理（由粉砂質紋層、泥質紋層組成），紋層頂部高角度削截沖刷、底部低角度收斂。在第13 層中可見大量厘米級的植物碎屑（圖4E），平行于層面雜亂分布。第16 層為深湖環(huán)境的黑色泥頁巖，累計厚度達1.55 m（圖4F）。

4 塊狀砂巖的結構特征

4.1 顯微結構特征

4.1.1 第7層顯微結構特征

三水河剖面第7 層巖性為長石巖屑質砂巖（圖5），泥質含量約為8%，膠結物含量約占5%。顆粒的主要粒級區(qū)間為0.08～0.15 mm，為極細—細砂巖。其中石英（Q）含量59%～69%（平均值65.9%），長石（F）含量11%～20%（平均值14.6%），巖屑（R）含量17%～25%（平均值19.5%）。Q/(F+R)為1.93，顯示其成分成熟度中等。長石與巖屑的比值F/R為0.75，花崗質母巖與沉積巖、變質巖混源特征明顯。碎屑顆粒分選差，呈棱角—次棱角狀，結構成熟度中等偏低。

圖4 鄂爾多斯盆地南部三水河剖面沉積特征現(xiàn)象（位置見圖3）Fig.4 Sedimentary characteristics of Sanshuihe profile, southern Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地南部三水河剖面第7 層塊狀砂巖微觀特征（取樣位置見圖2）Fig.5 Microscopic features of the 7th layer of massive sandstone, Sanshuihe profile, southern Ordos Basin

圖6 鄂爾多斯盆地南部三水河剖面第12 層塊狀砂巖微觀特征（取樣位置見圖2）Fig.6 Microscopic features of the 12th layer massive sandstone, Sanshuihe profile, southern Ordos Basin

4.1.2 第12層顯微結構特征

三水河剖面第12層巖性同樣為長石巖屑質砂巖（圖6），泥質含量約為3%，膠結物含量約占2%。顆粒的主要粒級區(qū)間為0.09～0.21 mm，為極細—細砂巖。其中石英（Q）含量59%～64%（平均值63%），長石（F）含量16%～20%（平均值18%），巖屑（R）含量17%～21%（平均值19%）。Q/(F+R)為1.70，顯示其成分成熟度中等。長石與巖屑的比值F/R為0.95，同樣存在花崗質母巖、沉積巖、變質巖三者混源的特征。碎屑顆粒分選差，呈棱角—次棱角狀，結構成熟度中等偏低。

4.2 粒度特征

4.2.1 粒度分布特征

概率累計曲線是Visher[23]提出的，用于建立沉積環(huán)境的典型模式。常表現(xiàn)為幾個相交的直線構成，前人研究將概率累計曲線劃分為滾動、跳躍、懸浮三個次總體。頻率曲線及其直方圖是利用粒度分析成果中區(qū)間累計質量百分比制作的圖，直觀地表征樣品的粒度變化和各粒級碎屑的百分含量分布。

三水河剖面第7、12 層，概率累計曲線為“兩段式”（圖7，8）：由跳躍組分與懸浮組分2 個次總體組成，跳躍組分與懸浮組分各占50%左右，具有底床載荷與懸浮載荷過渡性特征；粒級分布范圍大，在1～11 φ 之間；跳躍組分與懸浮組分的細截點在3.5 φ（0.088 mm）左右，為極細砂級別。

砂體的頻率曲線呈現(xiàn)出兩個峰和一個不明顯的峰，分別位于粒徑2.5 φ、7.5 φ、11 φ的位置，表明了分選差的特征。對三水河第7、12層單旋回內連續(xù)樣品的粒度分布頻率曲線觀察發(fā)現(xiàn)，主峰（2.5 φ）呈現(xiàn)出低—高—低的特征，表明在沉積物搬運過程中，控制作用強的動力呈現(xiàn)出弱—強—弱的變化特征，在概率累計曲線上表現(xiàn)為跳躍組分次總體，此部分顆粒呈底床載荷；次峰（7.5 φ）呈現(xiàn)出與主峰相反的變化特征，在概率累計曲線上表現(xiàn)為懸浮組分次總體，此部分顆粒屬于懸浮載荷。

4.2.2 粒度參數(shù)的垂向變化

對樣品進行高密度的粒度分析測試后，將得出的粒度參數(shù)制作成垂向上的粒度變化圖（圖9，10）。根據(jù)不同深度粒度參數(shù)的特征，可以將三水河剖面第7 層大致劃分為兩段：1）A 段（0～12.5 cm），沉積物中值粒徑逐漸增大，分選變好，峰度偏度變大，砂增多、泥減少，細截點減小，懸浮組分減少，眾數(shù)含量增加；2）C段（12.5～22.5 cm），沉積物的粒度特征相對于A段來說呈相反的變化。

圖7 鄂爾多斯盆地南部三水河剖面第7 層概率累計曲線（A）與頻率曲線疊加圖（B）（樣品位置見圖2）Fig.7 (A) Cumulative probability curves; (B) frequency curve overlay for the 7th layer of massive sandstones,Sanshuihe profile, southern Ordos Basin

圖8 鄂爾多斯盆地南部三水河剖面第12 層概率累計曲線（A）與頻率曲線疊加圖（B）（樣品位置見圖2）Fig.8 (A) Cumulative probability curves; (B) frequency curve overlay for the 12th layer of massive sandstones,Sanshuihe profile, southern Ordos Basin

三水河剖面第12 層存在多期次的旋回變化（圖10）。根據(jù)粒度參數(shù)的變化特征，可將其劃分為5 個期次，厚度范圍可以為10～30 cm，平均期次厚度為22 cm。在5 個期次中，第1、2、3、5 期次同樣可以劃分為A、C兩段，粒度參數(shù)的變化與第7層的粒度參數(shù)變化類似。而第4沉積期次中，底部與其他期次A段的特征相同，但上部存在一個粒度參數(shù)穩(wěn)定的B段，按照水下碎屑流三段的沉積序列[24]，應將其歸為中部的塞流段，在沉積時期為整體凍結式沉積，因而粒度參數(shù)穩(wěn)定，無較大變化。

圖9 鄂爾多斯盆地南部三水河剖面第7 層塊狀砂巖粒度參數(shù)變化及其分段（樣品位置見圖2）Fig.9 Variation and division of grain size parameters of the 7th layer of massive sandstones,Sanshuihe profile, southern Ordos Basin

圖10 鄂爾多斯盆地南部三水河剖面第12 層粒度參數(shù)變化及其分段（樣品位置見圖2）Fig.10 Variation and division of grain size parameters of the 12th layer of massive sandstones, Sanshuihe profile,southern Ordos Basin

4.2.3 粒度參數(shù)散點圖

在不同水動力作用下形成的沉積物，具有不同的粒度特征，利用這些特征可以區(qū)分不同的沉積環(huán)境。粒度概率累計曲線、C-M圖等粒度參數(shù)已經(jīng)被廣泛應用于判別沉積環(huán)境，并取得了良好的效果[25]。通過對沉積物的粒度參數(shù)繪制散點圖，可以得出不同沉積環(huán)境的分界線，這一方法在海（湖）灘砂、河流砂、沙丘等環(huán)境的區(qū)分上被廣泛的應用。

本次制作了中值—分選、中值—峰度、中值—偏度、分選—峰度、分選—偏度、偏度—峰度6張不同粒度參數(shù)組合的散點圖（圖11），來表征塊狀砂巖與滑塌濁積巖[26]、三角洲砂巖[27]之間粒度參數(shù)的差異。從6張散點圖中可以很明顯看出，三種砂巖的粒度參數(shù)在散點圖上有較大的區(qū)分性，三水河剖面第7、12 層塊狀砂巖具有分選差、峰度小、偏度大的特征。

圖11 鄂爾多斯盆地南部三水河剖面粒度參數(shù)散點圖Fig.11 Scatter plot of grain size parameters in Sanshuihe profile, southern Ordos Basin

其中，中值—分選散點圖（圖11A）顯示，塊狀砂巖的分選系數(shù)區(qū)間為2.3～2.8，分選較差，隨著粒徑變粗分選有略變好的趨勢；中值—峰度散點圖（圖11B）顯示，其峰度區(qū)間為0.7～0.9，為平坦型峰值形態(tài)，隨著粒徑變粗峰度有變大的趨勢；中值—偏度散點圖（圖11C）顯示，塊狀砂巖偏度區(qū)間為0.1～0.6，整體上處于很正偏態(tài)，并隨著粒徑的增大呈現(xiàn)出增大的趨勢；分選—峰度散點圖與偏度—峰度散點圖（圖11D，E，F(xiàn)）也表征了相同的特征。

5 塊狀砂巖成因機制

5.1 塊狀砂巖的懸浮載荷特征

對三水河剖面研究后發(fā)現(xiàn)，從宏觀到微觀上塊狀砂巖均可見懸浮載荷的特征。1）塊狀砂巖與上下地層組合：塊狀砂巖與深湖環(huán)境下的灰黑色泥巖、油頁巖相伴生，表明其沉積時水體較深（圖3）。2）單砂體構造特征：單層砂體為頂平底凸的透鏡狀，頂?shù)拙c泥頁巖呈突變接觸，普遍發(fā)育球枕構造（圖4B）；砂體內部呈塊狀層理（圖4A，B）或具有鮑馬序列a、b段（圖4C）；砂體內部常見大型的紅褐色泥礫或者紅褐色泥巖撕裂屑（圖4A）。3）砂體微觀結構特征：巖石薄片中，石英加燧石與長石加其他巖屑比值為1.93，顆粒多為棱角—次棱角狀，成分成熟度與結構成熟度均較低（圖5，6）；且粒度參數(shù)顯示，分選系數(shù)介于2.3～2.8，呈分選差的特征。

在上述實例中，基于上下地層組合、單砂體構造特征、砂體內部微觀結構特征這三個層次上論證了三水河剖面塊狀砂巖為深水環(huán)境下的沉積產(chǎn)物，具有懸浮載荷的特征。

5.2 塊狀砂巖的底床載荷特征

通過與滑塌型重力流沉積的特征進行對比后，發(fā)現(xiàn)該剖面的塊狀砂巖具有底床載荷的特征，判斷為洪水觸發(fā)的異重流沉積形成。1）宏觀上：砂巖內部常見紫紅色、紅褐色泥礫，偶見具有灰黑色包殼及紅褐色內核的泥礫，推測為洪水攜帶的外源泥礫裹加深水泥后形成（圖4A）；砂體上部具有單向水流特征的爬升交錯層理（圖4C）。2）微觀上：在精細的粒度解析中，單層砂體內部存在多期次的、細—粗—細的復合旋回變化，體現(xiàn)了洪水發(fā)育過程中流量及動能的波動變化（圖9，10）；概率累計曲線呈現(xiàn)出“兩段式”的特征，且跳躍與懸浮組分各占50%左右，具有底床載荷與懸浮載荷過渡性特征；頻率曲線存在兩個峰，主峰呈現(xiàn)出低—高—低的特征，恰好對應于洪水控制作用弱—強—弱的變化（圖7，8）。

另外，在沉積特征上，三水河剖面的塊狀砂巖泥質含量少，砂體純凈。表明在搬運沉積過程中，泥質沉積物被內部淡水形成的上浮羽流裹挾而形成上浮類巖相，從而脫離原來的沉積物；底床載荷部分與懸浮載荷部分形成砂質異重流搬運沉積下來，因此形成的砂體比較純凈且呈現(xiàn)塊狀層理。

6 結論

（1）三水河剖面塊狀層理的長石巖屑質極細砂—細砂巖，成分成熟度與結構成熟度均較低，粒度組成呈現(xiàn)底床載荷與懸浮載荷同時存在且貢獻相當，粒度參數(shù)交匯圖上與濁積巖、三角洲砂巖具有明顯的區(qū)分度，粒度參數(shù)在垂向上存在多期分米級復合韻律。

（2）三水河剖面塊狀砂巖的沉積特征，與砂質異重流形成的塊狀砂巖具有相似性，認為其成因可能為異重流沉積，沉積階段上屬于牽引流向重力流轉化的過渡階段。

（3）高密度巖石樣品的激光粒度分析，對于鑒定異重流沉積砂巖具有一定的參考價值，為深水塊狀砂巖的成因解釋、沉積模式構建提供了新的可能性，同時對于深水沉積區(qū)油氣勘探具有現(xiàn)實意義。

致謝 本次研究過程中，得到中國石油大學（北京）國家油氣勘探重點實驗室的大力支持！同時也十分感謝王俊輝老師、龔承林老師及各位同門師兄弟在問題討論和論文撰寫中提出的意見！