李勝利 李順利 付 超

中國地質大學(北京)能源學院，海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083

細粒沉積物/巖的結構、構造及沉積環(huán)境是人們十分關注的研究問題。對于細粒沉積物/巖結構的研究常常采用薄片分析等方法，一般多利用偏光顯微鏡下獲取資料及數(shù)據(jù)開展研究(Picard，1971；Gon?alves，2002；Schieber，2011)，目前已經明確的“細?！焙x為：具有良好的分選性、泥或粉砂質含量大于50%的沉積物。隨著深水與非常規(guī)油氣勘探的發(fā)展，人們開始逐步開展深海區(qū)域的泥/頁巖研究(賈承造等，2014；鄒才能等，2015)，而且結合沉積背景已經建立了細粒沉積的沉積序列(楊田等，2015；李向東和郇雅棋，2017)。隨著沉積物理模擬和沉積數(shù)值模擬技術的不斷成熟，大量研究不再局限于微觀結構，而是將泥/頁巖作為地質信息的載體，將其與沉積環(huán)境結合起來，亦已明確湖平面變化、盆地底形、沉積物源以及構造作用都會對細粒沉積的分布產生影響(Gon?alves，2002；Georgeetal.，2007；Wilson and Schieber，2017；Lietal.，2020；Fuetal.，2022)。國內對于細粒沉積的研究起因于致密油氣和深水礦產的發(fā)現(xiàn)(吳時國等，2009；鄒才能等，2015；趙賢正等，2017)，前人已經對細粒沉積物的搬運方式和聚集樣式(姜在興等，2013；楊仁超等，2017)有了較深入的探討，但在細粒沉積結構與沉積構造形成方面還有待更多更深入的研究。

靜置沉降實驗是沉積學最基本的實驗觀察方法之一，對深刻理解細粒沉積過程與沉積結構有著重要的作用。有關靜置沉降實驗，大家最為熟知的是Stokes(斯托克斯)沉降實驗(等溫，水深1 m)(Kumaretal.，2014)，并得出了Stokes沉降公式，即

其中ω為沉降速率，d為顆粒直徑，r為顆粒半徑，g為重力加速度，μ為動力黏度，Δσ為顆粒與流體之間的密度差。根據(jù)Stokes沉降公式，在等溫、水深1 m條件下，可以計算出粒徑60 μm(粉砂)單顆粒沉降速率約為4 μm(泥級顆粒的最大粒徑)顆粒的250倍；同時，由于黏土顆粒的沉降速率僅為細砂顆粒沉降速率的 1/1000 倍或更小，因此它將在懸浮狀態(tài)下停留1000倍或更長時間，泥級顆粒橫向移動距離是細砂或粉砂級顆粒的1000倍或更多(Wenetal.，2005；趙賢正等，2017)。由于細粒沉積(尤其是泥/頁巖)在橫向分布更為穩(wěn)定，且能反映相對靜水條件，使泥/頁巖層常成為橫向地層對比標志層。

然而，自然界中的細粒沉積(尤其是泥/頁巖)并不僅僅是用單顆粒沉降沉積模式描述。大量觀察分析與沉積模擬研究表明，泥/頁巖也絕不是都在低能(水動力)條件下形成的，甚至有些細粒物質沉積時的水動力條件較強(Schieber，2011)。這其中重力(Gravitation)、絮凝(Flocculation)及球粒化(Pelletization)作用是細粒(粒徑小于15 μm)沉積物沉降的3種主要機制(Potteretal.，1980，2005)，它們對合理解釋泥/頁巖尤其是富有機質泥/頁巖沉積過程起到了重要作用。但不同沉積背景與環(huán)境(尤其是水體環(huán)境)下，不同有機質含量的泥/頁巖沉積沉降特征差異還值得深入分析。沉積地質學之父索比(Sorby)正是通過靜置實驗觀察，最早對細粒沉積的沉降規(guī)律進行了研究，并首先發(fā)現(xiàn)了絮凝作用(Flocculation)對泥質沉積粒序(Grading)與內部結構(Texture)的影響(Schieberetal.，2007；Schieber，2011)。

細粒沉積巖的成層性與可剝離性也是細粒沉積研究的重要內容。細粒沉積巖的成層性通常較好，常以層理或紋層形式表現(xiàn)出來，當具有頁理時黏土巖稱之為頁巖(朱筱敏，2020)；尤其是富有機質泥/頁巖紋層結構十分明顯，其中以湖盆中的油頁巖最為典型，而油頁巖在淡水湖盆、微咸水及咸水湖盆中均可發(fā)育，那么油頁巖形成除與相關安靜水體有關之外，與水體鹽度和泥/頁巖沉積有何必然聯(lián)系還需要進行深入與合理的解釋。然而，細粒沉積物沉積過程是高度復雜的體系，研究表明可能需要多達32種參數(shù)或變量才能進行比較滿意的物理化學表征(Berlamontetal.，1993；Schieber，2011)。作者著眼于富有機質泥質沉積物與黏土礦物在不同鹽度水體條件下的靜置沉降過程，通過長試管沉積實驗觀察，對比現(xiàn)代湖盆碳質泥沉積物與黏土礦物的沉降速率，進而探討細粒沉積紋層的形成過程，從而為解釋淡水、微咸水及咸水條件富有機質泥/頁巖紋層(尤其是油頁巖)的形成機制研究提供新的思路。

1 實驗樣品采集與制備

1.1 富有機質泥質沉積物樣品采集

在地質歷史時期斷陷湖盆近源沉積(如扇三角洲)中發(fā)育富有機質細粒沉積物，是斷陷湖盆中的重要烴源巖，此類細粒沉積具有離物源區(qū)近、快速沉積的特點。本次研究以青海省烏蘭縣希里溝的扇三角洲為現(xiàn)代沉積物取樣區(qū)。所取樣品主要為扇三角洲前緣與前扇三角洲沉積，沉積物包括礫石、中—粗砂、粉—細砂及泥質沉積(表 1)，其中前扇三角洲沉積單層厚度多小于0.2 m。

表1 青海省希里溝扇三角洲前緣與前扇三角洲沉積物特征Table 1 Sediment characteristics of Xiligou fan delta front and predelta in Qinghai Province

希里溝現(xiàn)代扇三角洲的水道寬135～187 m，搬運距離5～12 km，扇體面積48.2 km2左右。希里溝湖南部沉積物供給山系平均海拔3484 m，物源體系面積141.01 km2，區(qū)域地質研究表明母巖為華力西期的火山巖—火山碎屑巖，以及印支期的花崗巖、閃長巖。希里溝扇三角洲在不到10 km的距離，沉積物粒度快速遞變，從礫石過渡到泥質沉積物，與地質歷史時期斷陷湖盆陡坡(如渤海灣盆地沙河街組沉積時期)快速沉積特征比較類似。在希里溝扇三角洲進行了一系列采樣(圖1-a)，實際采集到2個泥巖樣品，分別為貧有機質的扇三角洲前緣XLG11樣品(圖1-b)與富有機質的前扇三角洲XLG18樣品(圖1-c)。選取富有機質的XLG18做沉降實驗，該取樣點的頂部發(fā)育富有機質(碳質)泥沉積物，其下為泥質粉砂及砂級的沉積物(圖1-c)。

圖1 青海省烏蘭縣希里溝現(xiàn)代湖泊扇三角洲沉積物取樣點與對應細粒沉積剖面Fig.1 Sampling points and corresponding fine-grained sedimentary profiles of fan delta sediments in Modern Xiligou Lake，Wulan County，Qinghai Province

1.2 沉降液體配比

本次長試管靜置觀察實驗，考慮富含有機質與不含有機質這2種情況，采用2種樣品(希里溝前扇三角洲現(xiàn)代泥質沉積物與購買的黏土礦物)同時觀測，實驗目的是對比有、無有機質條件下，細粒沉積物在不同鹽度水體中的沉降速率。其中購買的黏土礦物成分為伊利石與蒙脫石；而現(xiàn)代泥質沉積物主要為碳質泥級沉積物。根據(jù)長試管容量與水體鹽度，分淡水、微咸水及咸水3種情況，配制相應的沉降混合液(表 2)。

表2 沉積物6種混合液配比方案Table 2 Proportioning scheme of six types sediment mixture

2 靜置實驗流程設計與結果分析

2.1 靜置實驗流程設計

本次實驗中的長試管為專門定制，制作2個帶底座的圓筒狀試管，其規(guī)格為長1 m，內徑 9 cm，壁厚7 mm，外管壁加測量尺，以便觀察時計量高度或厚度變化。按相應的沉積物沉降混合液配比要求(表 2)，把2類樣品(富有機質泥、黏土礦物)在預先準備的水盆(或量筒)中進行充分混合(盡量混合均勻)，然后同時分別將混合液倒入2個長試管之中，緩慢加至95 cm，接下來根據(jù)水體鹽度情況，開展3組沉降實驗與觀察。根據(jù)沉降過程的濃度變化，觀測按15 min、20 min、30 min、60 min或90 min進行計數(shù)，統(tǒng)計各計數(shù)點的肉眼可見(沉積物的)高度，并進行投點分析可見高度隨時間的變化，從而計算分析沉降速率。

配比沉降混合液時，水體性質按淡水湖、微咸水湖及咸水湖鹽度分級標準(姜在興，2010)，其中淡水中不加鹽，微咸水按1%左右濃度(質量比)配比，咸水加鹽到飽和。初始配比混合液總質量按2750 g左右配制，其中碳質泥加500 g，而伊利石與蒙脫石共計500 g(總質量)，其中伊利石430 g，蒙脫石70 g，伊/蒙比約為6︰1，與渤海地區(qū)表層黏土礦物組成中的伊/蒙比(何良彪，1984)大致相似。另外，在加液過程中，考慮2個試管內液面均要保持同一刻度線以利觀察對比，在本次實驗2個試管中液面保持在95 cm刻度線附近持平。因此實際微咸水的鹽度3‰～5‰，咸水鹽度大于10‰。

2.2 實驗結果分析

圖2 細粒沉積物的長試管靜置沉降觀察結果Fig.2 Observation results of static settlement of fine-grained sediments in the large test tubes

表3 長試管實驗沉積物在1 h的沉降情況觀察統(tǒng)計Table 3 Observation and statistics of sediment settlement in one hour of large-tube setlling experiment

通過3組靜置實驗表明：(1)淡水條件下，富有機質泥的沉降速率明顯高于黏土礦物的沉降速率；(2)在微咸水與咸水條件下，黏土礦物沉降速率明顯比富有機質泥要高；(3)富有機質泥在淡水條件下的沉降速率也明顯比微咸水與咸水條件下要高；(4)黏土礦物在淡水條件下的沉降速率明顯比微咸水與咸水條件下的要低很多；(5)在微咸水與咸水條件下，富有機質泥沉降速率相差不大，且咸水條件下沉降速率略高(可能與觀測誤差有關，也可能存在電凝作用導致沉降速率略高)；同樣，黏土礦物的沉降速率也相差不大，咸水條件下速率略低(可能與觀測誤差有關，也可能與高鹽度導致浮力作用增強有關)。

圖3 長試管細粒沉積物的沉降觀察實驗過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of settlementation observation experiment process of fine-grained sediment in the large test tubes

造成上述沉降規(guī)律及沉降速率異同的原因，主要是由于在不同水介質條件下，絮凝作用類型的差異與浮力作用的影響。具體來說，富有機質泥在淡水介質中，能夠快速沉降主要源于有機質的絮凝作用(Schieberetal.，2007；Schieber，2011)，使富有機質沉降顆粒形成較大團塊并克服浮力而快速沉降(圖3-a)；而在微咸水與咸水條件下，由于黏土礦物中吸附的大量陰離子與水中的陽離子結合，形成黏土礦物的物理絮凝(Schieberetal.，2007；Schieber，2011；郭超，2018)(也可稱之為電凝或鹽絮凝)，使黏土礦物形成團塊并克服浮力而快速沉降(圖3-b)。而在微咸水與咸水條件下，富有機質泥與黏土礦物各自之間的沉降速率相差不大，說明它們在這2種鹽度條件下，絮凝團塊的重力與浮力相差并不大。

3 對細粒沉積紋層成因的啟示

注：圖片來自中國近海盆地的巖心與顯微鏡下照片圖4 細粒沉積巖成層性與風化可剝離特征的分類(據(jù)Potter et al.，1980；有修改)Fig.4 Classification of stratification and parting characteristics of fine-grained sedimentary rocks (modified from Potter et al.，1980)

從本次靜置實驗可以發(fā)現(xiàn)，有機質、黏土礦物及水體鹽度共同控制細粒沉積物的沉降速率。另外，已有研究表明：即便沒有生物作用，顆粒越細(尤其是泥級)的沉積物越容易發(fā)生絮凝沉降，而砂級顆粒則容易產生單顆粒沉降(Potteretal.，1980；Schieber，2011；郭超，2018)。一旦這些條件發(fā)生變化，就容易形成類似或不同的紋層，尤其是有機質豐度與鹽度變化時，更容易形成不同成分的紋層，因此，油頁巖通常表現(xiàn)出典型的紋層或頁理結構。

淡水湖盆中，若局部鹽度變化形成微咸水環(huán)境，則有利于黏土礦物的快速沉降，富有機質泥質沉積物在物理絮凝與生物絮凝的共同作用下，可以明顯增加沉積速率，甚至可以形成層狀富有機質泥/頁巖；而在總體淡水背景下，局部咸化過程中，鹽度容易波動，有利于形成紋層狀(頁理狀)結構，這可能是淡水微咸化后易形成油頁巖的一個原因，典型如北部灣盆地始新統(tǒng)流沙港組二段油頁巖、渤海灣盆地始新統(tǒng)沙河街組三段油頁巖的形成與淡水湖泊局部咸化或微咸化有關(羅佳強和沈忠民，2005；徐新德等，2013)。

微咸—咸水湖盆中，由于黏土礦物的物理絮凝作用更明顯，若有機質含量不高時，會快速沉積，易形成厚層與塊狀黑色泥巖，因此生烴潛力不高，典型如美國死亡谷(Death Valley)高鹽度的Badwater盆地中的黑色塊狀泥巖(Robertsetal.，1994)。但微咸水—咸水湖盆中的浮力作用也更強，富有機質絮凝團塊易受浮力作用影響，會比正常絮凝團塊的沉降速率小，因此更有利于細粒沉積紋層結構的形成，在富有機質條件下，容易形成微咸水—咸水環(huán)境下的油頁巖，典型如渤海灣盆始新統(tǒng)沙河街組沙四段與沙一段油頁巖(羅佳強和沈忠民，2005；Heet al.，2017)、柴達木盆地英雄嶺下干柴溝組油頁巖(熊鷹等，2018)、準噶爾盆地蘆草溝組油頁巖(馮爍等，2015)。因此，油頁巖的形成除需要相對安靜水體環(huán)境外，還與有機質豐度、黏土礦物含量、絮凝過程及水體鹽度變化的綜合響應有關，而并非單獨與水體鹽度相關。

圖5 斷陷湖盆細粒沉積巖分布模式Fig.5 Distribution pattern of fine-grained sedimentary rocks in faulted lacustrine basin

另外，在湖盆的不同區(qū)域，受沉積作用影響，細粒沉積構造類型有差異，如在斷陷湖盆中(圖5)，多級同生斷裂有利于形成濁流或異重流，這也是造成細粒沉積物快速沉積的另一個重要因素(徐長貴等，2008；Liuetal.，2016)，因此在陡坡帶容易形成塊狀泥巖，而緩坡與相對深水區(qū)域，易形成紋層狀泥/頁巖或油頁巖。

4 問題探討

1)長試管。文中的靜置實驗所設計的裝置長度為1 m，它是一種圓筒狀的像試管一樣的裝置，但要比普通試管長很多，故稱之“長試管”。而本次實驗長試管設計的長度為1 m主要考慮2個因素：一是借鑒了Stokes沉降實驗(Kumaretal.，2014)，便于對比分析1 m水深時的沉降速率；二是考慮到1 m長度比較容易刻度，也方便進行觀察與計量。長試管壁厚要有一定厚度，主要是考慮減少碰撞導致破裂，而內徑是用來計算容積的，太小或太大的內徑，都會使觀察不夠方便，本次按6 L左右容積反算試管內徑為9 cm。長試管的內徑設計要考慮容積與觀察的便利性，當然作者設計的內徑并不一定是最科學的，不同的研究者可根據(jù)具體情況自行設計。

2)細粒沉積是否含有機質問題。本次靜置沉降實驗考慮的是富含有機質的細粒沉積與不含有機質細粒沉積的2種情況。購買的黏土是純黏土，主要成分是伊利石與蒙脫石，并主要考慮伊利石影響為主，主要對比實際資料為渤海灣盆地(渤海灣盆地始新統(tǒng)沙河街組通常埋深較大，導致伊利石比蒙脫石更發(fā)育)；而野外取樣的泥質沉積物樣品主要為碳質泥沉積物(富含碳質泥級沉積物)。需要說明的是，實驗觀察結果中，富有機質泥隨鹽度增加，似乎沉降速率也略有增加；而黏土礦物的沉降速率在減少。這一方面可能是由于肉眼觀察的確存在一定誤差，主要是濃度的精確判斷方面存在誤差；另一方面也可能的確存在絮凝、電凝及浮力相互影響的復雜情況，值得今后實驗中注意。

4)有待深入研究之處。關于細粒沉積構造的形成機制，目前已有一些學者開展了動水條件的實驗，如環(huán)管(或跑道式)動水流動實驗(Schieber，2011)。作者的研究目前還未涉及動水條件的觀察實驗，主要是因為實驗設備還不到位，這也是今后有待深入研究的方面。此外，作者實驗中的觀察濃度是根據(jù)肉眼可見的清晰度進行定性判斷，沒有利用實驗手段進行定量判定，這也是今后有待改進之處。

5 結論

1)長試管靜置實驗表明：富有機質泥在淡水中的沉降速率明顯高于其在微咸水與咸水中的沉降速率；黏土礦物在微咸水與咸水中的沉降速率明顯高于在淡水中的沉降速率。也就是說，在淡水條件下，富有機質泥的沉降速率也明顯比黏土礦物要高；而在微咸水與咸水條件下，黏土礦物的沉降速率明顯比富有機質泥要高。

2)細粒沉積物的沉降規(guī)律及沉降速率的差異主要是由于在不同水介質條件下，絮凝作用類型的差異與浮力作用的影響。有機質、黏土礦物及水體鹽度共同控制細粒沉積物的沉降速率。一旦相關條件發(fā)生變化時，就容易形成類似或不同的紋層，尤其是有機質豐度與鹽度變化時，更容易形成不同成分的紋層，因此，油頁巖通常表現(xiàn)出典型的紋層或頁理結構。

3)淡水湖盆的局部咸化有利于形成紋層狀(頁理狀)構造，這可能是淡水微咸化后易形成油頁巖的一個原因。而微咸—咸水湖盆中，在富有機質條件下，也容易形成油頁巖。因此，油頁巖的形成除需要相對安靜水體環(huán)境外，還與有機質豐度、黏土礦物含量、絮凝過程及水體鹽度變化的綜合響應有關，而并非單獨與水體鹽度相關。

4)在湖盆的不同區(qū)域，受沉積作用影響，細粒沉積構造類型有差異，在湖盆陡坡帶容易形成塊狀泥巖，而緩坡與相對深水區(qū)域，易形成紋層狀泥/頁巖或油頁巖。