陸棚海泥巖的巖相特征及沉積過程
——以晚白堊世北美西部內陸海道為例

李志揚

1.阿拉斯加大學安克雷奇分校 地球科學系，阿拉斯加安克雷奇 99508

2.印第安納大學伯明頓分校 地球與大氣科學系，印第安納伯明頓 47405

0 引言

泥巖（或稱頁巖）是主要由粒徑小于62.5 μm 的礦物顆粒組成的巖石。作為地表上分布最為廣泛的沉積巖類型，泥巖地層對古氣候、古地理的研究具有重要的意義[1-2]。同時泥巖又具有寶貴的經濟效應，其作為烴源巖和蓋層的潛力早已為地質學家所熟知，近年來勘探開發技術的進展更發掘出泥巖作為非常規油氣儲層的巨大潛力[3]。盡管泥巖具有如此重要的科學意義和經濟意義，地質學家對泥巖的沉積微相特征及主要沉積過程仍不甚了解。造成這一問題的主要原因可能是由于泥巖的粒徑較小、極易風化的特征，在大多數情況下對泥巖的巖石組成、巖相特征、沉積相特征的描述缺少直接容易的方法。由于對泥巖微相特征的精細描述往往不是那么容易，地球化學分析方法（元素組成，礦物組成，有機質同位素分析等）經常被用于間接的解釋泥巖的沉積環境。雖然地球化學方法可以對泥巖的沉積環境提供指向性的線索，這些方法所得到的結果并不能直接反應泥巖中復雜的沉積相變和沉積特征，因此對泥巖沉積微相的精細分析仍然十分必要。

由于組成泥巖的礦物顆粒粒徑相對較小，長久以來泥巖往往被解釋為沉積在較深水、低能的環境中。近年來對泥巖沉積過程進行的水槽實驗取得了重大的進展[4-7]，結合對現代淺海大陸架（水深<200 m）環境中細粒沉積物搬運和沉積過程的直接觀察[8-11]，以及更多對古代泥巖地層和沉積微相的精細研究[12-14]，泥巖可以在相對淺水、高能的環境中沉積這一觀點正在逐漸被更多的學者所接受[5-6,15-16]。甚至可以認為大部分泥巖（包括一些有機質含量高的泥巖）在沉積過程中都曾受到過底部水流的影響[16-20]，因此泥巖沉積環境的水動力條件比以往認識的可能要更強更為復雜[14-21]。對于以泥頁巖為主的非常規油氣儲層，有機質的沉積和保存以及儲層的巖石物理性質均在根本上受到沉積背景以及多種過程（沉積物來源、沉積過程及速率、生物擾動、成巖作用等）耦合的影響[22]，因而對泥巖巖相和沉積相精細分析顯得更為重要。只有對泥巖的巖相和沉積相特征首先有了直觀的了解，才能更好地結合多種分析方法對泥巖沉積時的古環境、古氣候特征做出精確的解釋，并對泥巖作為源巖、儲層、蓋層的潛力做出有效的預測。

本文以晚白堊世北美西部內陸海道為例，對在這一特殊地質時期陸棚淺海環境（水深10～200 m）中沉積的泥巖微相特征，沉積過程做一個綜述。本文會概括從近岸（靠近海岸線的前三角洲/下鄰濱）到遠岸（距海岸線500 km以外的遠洋）的不同亞環境中泥巖的微相特征（巖石組成、沉積結構、生物擾動結構）以及主要沉積過程，并會總結沉積過程和沉積環境如何在根本上控制了不同沉積環境中沉積的泥巖的有機質成分及巖石物理特征。期望本文中對橫跨陸棚海不同環境中的泥巖沉積模式的總結歸納能有助于預測陸棚海泥巖作為非常規油氣資源源巖和儲層的潛力，并對國內在類似沉積環境中形成的有利頁巖儲層（比如五峰龍馬溪組頁巖[22-24]）提供一些借鑒意義。

1 地質背景

在侏羅紀和白堊紀晚期，由于法拉龍（Farallon）板塊板塊和北美大陸板塊的相互擠壓碰撞，在北美西部形成了南北延伸超過2 000 km 的Sevier 褶皺與逆斷層帶[25]。由于褶皺和逆沖斷層產生的彎曲載荷導致北美西部內部形成一個不對稱的前陸盆地。在盆地沉降和晚白堊世全球整體較高的海平面的共同作用下，在北美內陸形成一條陸表海道，稱為北美西部內陸海道（Western Interior Seaway[26-27]）（圖1）。從阿爾必期到麥斯里希特期，北美內陸海道經歷了五次二級層序尺度上的海侵—海退變化周期。其中范圍最大的一次海侵發生在所謂的Greenhorn 周期，自晚阿爾必期開始，于中土侖期結束（圖2）。Greenhorn周期中最大范圍的海侵發生在早土侖期，此時的北美西部內陸海道從北極海一直延伸到了墨西哥灣，三分之一以上的北美大陸被海水覆蓋（圖1）。北美西部內陸海道中最大的水深可能從未超過300 m[28]。由于位于西部的造山帶供給了大量的的陸源碎屑沉積物，北美西部內陸海道西側的沉積速率普遍較高；而海道的東側整體缺乏陸源碎屑沉積物的供給，以碳酸鹽巖的沉積為主。

圖1 研究區地質概況（a）中土倫期北美古地理圖和北美西內陸海道的范圍[28-29]，這一時期的古海岸線方向為東北—西南向；（b）Tununk頁巖段在猶他Hanksville附近的露頭。對沉積環境的細分來自Li et al.[12]；（c)Bridge Creek碳酸鹽巖段在科羅拉多Pueblo附近的露頭，Bridge Creek碳酸鹽巖段最典型的特征是碳酸鹽巖和鈣質泥巖之間的韻律性交替Fig.1 Study area and geological background(a)Middle Turonian paleogeographic map that shows the extent of the Western Interior Seaway[28-29].The paleoshoreline oriented northeast-southwest; (b)Outcrops of the Tununk Shale and Ferron Sandstone Members near Hanksville,Utah.The subdivisions of depositional environments are from Li et al.[12];(c)Outcrops of the Bridge Creek Limestone Member near Pueblo,Colorado.The Bridge Creek Limestone Member is characterized by the distinct rhythmic limestone-marlstone bedding couplets

本文將以位于沉積于北美西部內陸海道西側，猶他中南部的早—中土侖階的Tununk 頁巖段，晚土侖階的Ferron 砂巖段，以及位于科羅拉多中南部在早土侖階和Tununk 頁巖同時沉積的Greenhorn 組中的Bridge Creek 碳酸鹽巖段為例（圖2），總結不同陸棚淺海環境中主要的沉積過程以及形成的泥巖微相之間的差異。Tununk 頁巖的下部小部分和Bridge Creek 碳酸鹽巖是在Greenhorn 海侵的過程沉積，經過早土倫期的最大海侵，Tununk 頁巖的上部沉積于整體海退的過程中。當相對海平面下降到最低點，包含鄰濱/三角洲相的Ferron砂巖段開始沉積（圖2）。這一完整的海侵海退周期使得我們可以自Greenhorn組，經由Tununk 頁巖段，再到Ferron 砂巖段，歸納總結從距離岸線較遠（>500 km）、水深較大的遠洋環境，經由內、中、外陸棚，再到臨近海岸線的前三角洲/下鄰濱環境中所形成泥巖的主要沉積過程和沉積相特征（圖3）。

2 數據與方法

本文數據主要來自對出露于猶他中南部Hanksville 地區的Tununk 頁巖整段和Ferron 砂巖段中的前三角洲微相精細測量（毫米到厘米精度）的沉積剖面[12,32]。本文從Tununk 頁巖的露頭中連續取樣200余塊，從Ferron 砂巖的泥巖取樣50余塊。所有從野外露頭采集的樣品均被帶回實驗室用砂紙打磨拋光，以便沉積相的精細研究。之后將不同相特征的60塊泥巖樣品制成精細拋光的巖石薄片和氬離子拋光樣品用于沉積巖石學巖相學的分析。對Greenhorn頁巖的描述來自于對出露與科羅拉多Pueblo地區（圖1）的露頭描述和對井E099-1 PORTLAND 巖芯的描述，以及對超過50 塊精細拋光的巖石薄片的顯微鏡和掃描電子顯微鏡研究。氬離子拋光以及掃描電子顯微鏡的觀測均完成于印第安納大學伯明頓校區。

3 陸棚淺海不同環境中泥巖的相特征

圖2 猶他Hanksville 地區和科羅拉多Pueblo 地區賽諾曼期—土侖期巖性地層劃分Fig.2 Cenomanian-Turonian lithostratigraphy at areas near Hanksville, Utah and Pueblo, Colorado

圖3 根據晚白堊紀北美西內陸海道對陸棚淺海中不同沉積環境的劃分以及不同環境中主要的沉積過程[9,12,30-31]Fig.3 Subdivisions of different depositional environments and primary depositional processes within the Late Cretaceous Western Interior Seaway[9,12,30-31]

在靠近河口由河流作用主控的環境里，沉積環境自岸向海包括三角洲平原，三角洲前緣和前三角洲（圖3）。在遠離河口，波浪作用為主的環境里，近岸沉積環境自岸向海包括海灘，上鄰濱到下鄰濱（圖3）。自三角洲/鄰濱更向海的沉積環境主要為陸棚（大陸架）淺海環境，并可細分為內、中、外陸棚環境（圖3）。在大陸架邊緣的環境中，正常浪基面以上的環境中水體能量較大，沉積物主要以砂巖為主。泥巖的沉積出現在正常浪基面以下的前三角洲/下鄰濱和更遠岸的陸棚環境。前三角洲的沉積過程主要受到河口輸入水流的控制。在遠離河口的下鄰濱到陸棚環境中，沉積過程主要被風暴過程控制。下文中以晚白堊世北美內陸海道為例，概括位于近岸的前三角洲/下臨濱，以及更遠岸陸棚環境（圖3）中不同沉積過程和相對應沉積的泥巖微相特征。前三角洲和下鄰濱環境可以根據沉積物中典型的沉積結構進行區分，陸棚環境可以根據陸源碎屑礦物和盆地中的生物沉積物的相對比例從大到小細分為內，中，外陸棚（圖3）。

3.1 前三角洲

在河控三角洲里，前三角洲常見的沉積過程主要受到輸入河流（流量和沉積物濃度）作用的影響。前三角洲（正常浪基面以下）發生的主要沉積過程包括事件性濁流（surge-type turbidity current）和異重流（hyperpycnal flow）。事件性濁流通常產生于當沉積速率過快時，三角洲前端的滑塌。這一類濁流發生的相對突然，持續時間也相對較短（幾小時到幾天）。異重流是當輸入河流由于所含的沉積物濃度過大，輸入河流的密度大于海水的密度時所產生[33]。由于沉積物濃度和水動力大小成正比，異重流通常在洪水時期（由于突然增大的降水量）在河口產生，并沿盆地底部長距離運移，持續時間較長（幾天到幾周）。與異重流相對應的是異清流，這一類輸入河流的密度小于海水的密度。異清流同樣會搬運一部分沉積物，這一部分沉積物通過被動沉降到達洋底。由于被動沉降的速率相對較小，這類沉積物并不能被很快的沉積埋藏，而是在洋底“暫時停留”。當在洋底表面的這部分暫時停留的沉積物濃度超過一定的臨界值，這些沉積物又會被新產生的事件性濁流或異重流搬運到更遠岸的環境中沉積[34]。

事件性濁流形成的沉積物具備典型的向上變細的鮑馬層序的特征[35-36]。在前三角洲泥巖為主的環境中，事件性濁流的沉積物通常具有鮑馬層序中TE段的特征。Piper[37]對鮑馬層序TE段進行了更細的劃分，認為其自下而上包含TE1段具平行層理的泥質粉砂巖，TE2段向上逐漸變細的泥質粉砂巖到粉砂質泥巖，和TE3段相對均質的泥巖。在Ferron Notom 三角洲的三角洲前緣，事件性濁流的影響因此可以根據向上逐漸變細的，部分鮑馬層序段特征而識別（圖4a，b）。

圖4 Ferron 砂巖段中前三角洲硅質碎屑泥巖沉積相特征（a）～（d）事件性濁流沉積（紅色三角形）和異重流沉積（黃色三角形），三角形代表顆粒大小的變化（向上變細或向上變粗）；（e）前三角洲沉積主要由陸源的硅質碎屑礦物組成；（f）前三角洲沉積包含常見的塊狀的陸源有機質Fig.4 Facies characteristics of the prodeltaic siliciclastic mudstones within the Ferron Sandstone Member.(a)-(d)Surge-type turbidity current deposits (red triangles)and hyperpycnal flow deposits (yellow triangles).Triangles indicate grain size variations (normal grading or inverse grading); (e) Prodelta facies consists dominantly of siliciclastic particles derived from terrigenous sources;(f)Common terrigenous organic matter(blocky)in prodelta facies

異重流是濁流的一種，所以鮑馬層序中的各段也會出現在異重流形成的沉積物中。異重流和事件性濁流最大的不同在于異重流的產生和洪水緊密相關，因而異重流的水動力特征也和洪水期間的水動力變化（先變強再減弱）成正相關[38-40]。完整的異重流沉積相包含向上變粗再變細的層序。有時也可以根據自下而上鮑馬層序不同段的相互變化（比如，從TB到TC再到TB）來判斷沉積時的水動力變化特征，從而識別異重流沉積（圖4c，d）。值得注意的是，對事件性濁流和異重流形成的沉積物之間的區分并不十分容易。如果當產生異重流的洪水事件的最大水動力條件超過了發生侵蝕的臨界條件，異重流沉積底部最典型的向上變粗的層序可能會被完全侵蝕。這種情況下所保存的異重流沉積只剩下在水動力逐漸減弱時形成的向上變細的部分鮑馬層序，因而并不能和事件性濁流的沉積完全區分開來[32]。

由于河控三角洲相對持續的高沉積速率，前三角洲的泥巖沉積中生物擾動相對比較少。輸入的河流，尤其是在洪水期間會搬運大量的陸源有機質（圖4e）。但是由于同樣大量的陸源碎屑礦物的稀釋作用，前三角洲泥巖的有機碳（TOC）含量并不高（<1.0%）[17]，并以生氣潛力較大的陸源有機質為主（圖4f）。

3.2 下鄰濱—內陸棚

在遠離河口作用影響，或者沒有河口的近岸環境中，與前三角洲所對應的沉積環境為下鄰濱（圖3）。一般的沉積模式認為下鄰濱環境經由一個過渡環境，轉變為陸棚環境（內陸棚）。因為下鄰濱和內陸棚直接的最大差別僅在與水深相關的沉積能量大小，本文根據下鄰濱到內陸棚主要沉積過程的相似性，將下鄰濱和內陸棚合在一起討論。晚白堊世的北美西部內陸海道主要受到風暴作用的控制。下鄰濱到內陸棚環境的主要沉積過程包括風暴浪作用產生的震蕩水流和風暴潮所引起的退潮流（圖3）。

由于一次風暴浪事件中水動力條件逐漸減弱，風暴浪作用形成的沉積物特征具有和鮑馬層序相類似的向上變細層序。一套完整典型的風暴巖垂向的沉積序列自下而上包括底部侵蝕面，丘狀層理，浪成波紋交錯層理，和最上部的生物擾動層[41-42]。丘狀層理是下鄰濱環境中最典型的沉積結構（圖5a）。自下鄰濱到內陸棚，隨著水深的緩慢加大，風暴浪作用對洋底影響的強度逐漸減弱，內陸棚環境中更常見規模稍小的浪成波紋交錯層理（圖5b，c）。在相對近岸的環境中，風暴潮引起的退潮流主要流動方向是垂直海岸線的離岸方向（圖3），并可形成單向水流波紋交錯層理。風暴浪過程中的震蕩水流也可以和風暴退潮流的共同作用形成混合水流交錯層理（圖5b）。

圖5 下鄰濱—內陸棚硅質碎屑（不含鈣質的）泥巖沉積相特征（a）下臨濱環境中互層的泥巖和砂巖（含丘狀層理）的露頭照片；（b）含波浪和混合水流形成的波紋交錯層理的砂巖和泥巖互層。基本不含生物擾動，說明風暴浪發生頻繁，沉積速率較快；（c）中等生物擾動的砂質泥巖；（d）大量生物擾動的砂質泥巖，僅含有少數未被完全擾動尚存的浪成波紋交錯層理；（e）泥巖（下部）和砂巖（上部）中的浪成僅含有少數未被完全擾動尚存的浪成波紋交錯層理；（f）內陸棚泥巖中仍包含部分陸源有機質（塊狀的），背散射掃描電鏡照片。（a）和（c）來自Ferron砂巖段。（b）（,d）（,e）和（f）來自Tununk頁巖段。（b）～（d）是磨光巖石樣品的掃描照片（增強了對比度）Fig.5 Facies characteristics of siliciclastic (non-calcareous) mudstones deposited in lower shoreface to inner shelf environment(a)Outcrop photo showing interbedded mudstones and sandstones (with hummocky cross stratification)in the lower shoreface facies;(b)Sandstones showing wave ripple and combined-flow ripple cross laminations and interlaminated mudstones.Bioturbation is almost absent, indicating high sedimentation rate related to frequent storm events;(c)Moderately bioturbated sandy mudstone;(d)Highly bioturbated sandy mudstone with rare remnant wave ripple cross laminations.The abundant bioturbation indicates low sedimentation rate related to infrequent storm events;(e)Wave rippled mudstone overlain by wave rippled sandstone,plain light;(f)Some terrigenous organic matter(blocky)in the inner shelf mudstones,backscattered SEM image.(a)and(c)are from the Ferron Sandstone Member.(b),(d),(e),and(f)are from the Tununk Shale Member.(b)-(d)are scanned images of polished slabs and are contrast-enhanced

Ferron砂巖段和Tununk頁巖段中的下鄰濱—內陸棚沉積物組成以陸源碎屑礦物為主（質量百分比>95%）。根據風暴浪發生的頻率和強度不同，下鄰濱—內陸棚沉積所含的粉砂質—砂質條帶的頻率和厚度，泥質層段，和整體生物擾動的強度均有較大的變化。風暴浪作用越強越頻繁，下鄰濱—內陸棚沉積所包含的粉砂質—砂質丘狀層理和浪成波紋交錯層理厚度越大，頻率越高，整體生物擾動強度較小（圖5b），與其相鄰的泥質夾層有機質含量也相對較多（埋藏快），TOC 含量可達2%左右[43]。當風暴浪強度越小頻率越低，下鄰濱—內陸棚的泥質含量越高，整體生物擾動強度越大，對有機質消耗較大，不利于有機質的富集（圖5c，d）。

3.3 中陸棚

由于水深進一步增大，中陸棚沉積的泥巖中生物成因沉積物的含量明顯增加（圖6）。在白堊紀的北美內陸海道中，生物成因沉積物主要包括在鈣質的浮游的有孔蟲、球石藻、和由球石藻碎屑組成的糞球粒（圖6c，d），以及菊石和雙殼類的生物碎屑。雖然鈣質的有孔蟲和糞球粒（浮游生物產生的）最初是從水體上部由緩慢的被動沉降到達洋底沉積，中陸棚泥巖中仍然保留了一部分浪成和單向水流波紋交錯層理（圖6a），說明由風暴浪引起的震蕩水流和返程流仍然對洋底沉積物的搬運和沉積有影響。

Tununk頁巖里中陸棚沉積的泥巖生物擾動普遍（圖6），說明由于水深加大，風暴作用對海底沉積的影響的頻率略有降低，相對適中的水深，充足的氧氣和營養物質供給氣和營養物質充足）也創造了多種底棲生物適宜的生活環境。這些底棲生物可以在更長的風暴事件間隔中更大規模的擾動沉積物。在中陸棚泥巖中，雖然陸源碎屑沉積物的稀釋作用有所降低，更頻繁的生物擾動會消耗更多的有機質，不利于有機質的富集。但由于普遍生物擾動對沉積礦物顆粒的混合作用，中陸棚泥巖的巖相組分和巖石物理性質相對均一。

3.4 外陸棚（半遠洋環境）

圖6 中陸棚沉積的含鈣質泥巖的沉積相特征（a）中等生物擾動的泥巖包含尚存的浪成波紋交錯層理（根據基本對稱的波紋頂而識別）；（b）大量生物擾動的泥巖。所以原生的（如果曾有的話）被生物擾動完全破壞；（c）中陸棚泥巖在的鈣質顆粒包含有孔蟲（箭頭）和糞球粒（虛線）；（d）相對細粒的機質包含常見的鈣質球石藻碎屑Fig.6 Facies characteristics of carbonate-bearing mudstones deposited in middle shelf environment.(a)Moderately bioturbated mudstone with remnant wave ripple cross laminations (based on the symmetric crest);(b)Highly bioturbated mudstone.All the primary sedimentary structures(if any)have been disrupted by bioturbation;(c)Carbonate particles include foraminifera tests (arrows)and fecal pellets(dashed outline);(d)The fine-grained matrix is also calcareous due to common coccolith debris(arrows);(c)-(d)are backscatter images

圖7 外陸棚（半遠洋）環境中鈣質泥巖的沉積相特征（a）～（d）露頭上較突出的層段的鈣質含量相對較高（更抗風化），沉積結果包括混合水流形成的交錯層理（b），平行和略微波浪狀的層理（c）和小的浪成波紋交錯層理（d）；（e）風化作用較強的黏土含量更高的層段生物擾動強度越大，但是一些沉積結果（大部分是浪成波紋交錯層理）仍得以保存。表面上白色斑點狀的是鈣質的糞球粒；（f）砂粒大小的鈣質顆粒（大部分是有孔蟲）沿波浪狀層理聚集，正交光；（g）常見的鈣質顆粒包括有孔蟲（箭頭），糞球粒（虛線）和球石藻碎屑。有孔蟲和糞球粒是砂粒大小。背散射掃描電鏡照片。所有的樣品均來自Tununk頁巖段。Ca：方解石Fig.7 Facies characteristics of calcareous mudstones deposited in the outer shelf (hemi-pelagic) environment(a)-(d) The resistant layers in outcrops are carbonate-rich (more weathering-resistant) and show sedimentary structures include combined-flow ripple cross lamination (b),parallel to slightly wavy laminations (c), and small wave ripple cross laminations (d).(e) The more weathered clay-rich intervals are more commonly bioturbated, but some sedimentary structures (most likely wave ripple cross laminations) are still preserved.(f) Concentration of sand-sized carbonate particles (mostly foraminifera tests) along wavy laminations, cross polarized light.(g) Common carbonate particles include foraminifera tests (arrows), fecal pellets (dashed outlines), and coccolith debris.Foraminifera tests and fecal pellets are sand-sized.Backscatter SEM image.All samples are from the Tununk Shale.Ca：calcite

Tununk頁巖中外陸棚半遠洋環境中沉積的泥巖包括更高含量生物成因的沉積物生物碎屑（30%～60%）和少部分的陸源碎屑礦物，可被稱為鈣質泥巖（圖7）。半遠洋環境沉積的泥巖中主要的沉積結構仍包含波浪，混合水流，及單向水流形成的波紋交錯層理（圖7b，d），說明風暴作用仍然可以影響半遠洋環境（距岸線約100 km）中泥巖的沉積。對這些沉積結構的古水流方向分析發現主導的水流方向平行于海岸線向西南，說明風暴潮引起的退潮流由于科里奧利效應的影響，在半遠洋環境的流動方向已經基本向右偏轉成平行海岸線的方向（圖3 中的地轉流）[12]。半遠洋環境沉積物仍包含少量的浪成波紋交錯層理，但是和水深較淺的環境中不同，半遠洋環境中的浪成波紋交錯層理主要由砂粒大小的鈣質生物碎屑組成（圖7f，g），說明盡管這些生物成因的沉積物最初在水體上部生成并通過被動沉降到底海底，偶發的風暴作用能夠使這些生物碎屑重新懸浮再沉積。

半遠洋環境沉積的泥巖生物擾動強度較中陸棚環境中有所降低，擾動生物的尺寸也有所減小（圖7c～e），說明水深加大導致的氧氣和營養物質的供給減小，環境對生物的壓力增大。伴隨浪成波紋交錯層理所形成的泥質夾層中由于較快的沉積速率，生物擾動強度更低，這一類泥巖中的TOC 含量可以達到2%～3%[43]。造成這類泥巖層段中有機質相對富集的主要原因是沉積速率的略微增加（比如在風暴作用之后的階段），有利于有機質能夠更快的埋藏保存，而不是通常認為的無氧或低氧的環境條件，因為生物擾動仍然存在（圖7d，e）。

3.5 外陸棚（遠洋環境）

遠洋環境中泥巖的成分基本由生物成因的沉積物生物碎屑（>60%）組成，僅含有極少量的陸源碎屑礦物或風成碎屑（火山灰），可被稱為泥灰巖甚至微晶碳酸鹽巖（圖8）。Greenhorn 組最典型的特征是鈣質泥巖和碳酸鹽巖的互層（圖1c）。碳酸鹽巖層段普遍顯示強烈的生物擾動（圖8a～c），而鈣質泥巖層段包含更常見的層理，甚至小型的波浪或單向水流形成的波紋交錯層理，生物擾動強度較低（圖8d～f）。

圖8 外陸棚（遠洋）環境中沉積的Bridge Creek 碳酸鹽巖段的沉積相特征（a）石灰巖層的底部的波浪狀層理向上遞變為完全被生物擾動的部分；（b）（,c）大量生物擾動的石灰巖層；（d）（,e）生物擾動強度較低（低到中等）、層理更發育的泥灰巖層；（f）泥灰巖層中包含的浪成交錯層理是由以有孔蟲為主（相對更亮的）的和以糞球粒為主（相對較暗的）的交互層理組成；（g）石灰巖中鈣質含量高（巨體和微體的化石碎屑），有機質含量低；（h）泥灰巖中黏土礦物含量較高，有機質含量也較高Fig.8 Facies characteristics of the Bridge Creek Limestone Member deposited in the outer shelf (pelagic) environment(a)A limestone bed showing basal wavy laminations grading to the highly bioturbated upper part;(b),(c)Highly bioturbated limestone beds;(d),(e)Less bioturbated(low to moderate bioturbation intensity),more laminated marlstones;(f)Marlstone contains wave ripple cross laminations made of alternations between laminae made of foraminifer tests(lighter-colored)and fecal pellets(darker-colored),cross polarized light;(g)The limestone is characterized by high carbonate content(macro-and micro-fossil fragments)and low TOC;(h)The marlstone is characterized by increased clay mineral content and high TOC

之前的研究發現Greenhorn 組中泥灰巖層段的TOC 含量（2.5%～5.0%）普遍比碳酸鹽巖層段（0.1%～1.8%）高[44]，認為泥灰巖層段沉積時水體處于低氧，甚至缺氧狀態。該層段中常見的層理也因而被解釋為在安靜水體中通過被動沉降而產生，之后并未被生物擾動。但是最近的水槽實驗，包括對泥灰巖層段微相的精細研究發現的波浪或者單向水流形成的波紋交錯層理指示該層段沉積仍受到風暴浪引起的底流作用的影響（圖8d～f）。偶爾的風暴作用也會擾動水體，使得水體中的氧氣更好的分配。因此本文認為水體中含氧量可能在一定程度上造成了造成鈣質泥巖和碳酸鹽巖層段沉積相之間的差異，但并不是造成這種差異的最根本原因。泥灰巖和碳酸鹽巖層段的相互交替可能與海平面升降密切相關。在晚白堊紀溫室效應的氣候條件下，海平面升降的強度相對較小（幾米到十幾米的相對變化）。Greenhorn組中泥灰巖和碳酸鹽巖層段均包含風暴浪作用形成的沉積結構（碳酸鹽巖層段中保存的風暴浪成的沉積結構甚至更厚，如圖8a），唯一的差異僅在于泥灰巖中的層理保存的更加完整，而碳酸鹽巖層段中的沉積結構因為生物擾動的原因基本全部被破壞。結合鈣質泥巖和碳酸鹽巖層段中生物擾動強度和擾動生物尺寸大小的差異，碳酸鹽巖層段應該沉積于相對水深較小的時期，盡管偶爾的風暴浪作用仍然可以形成對應的沉積結構，相對更充足的氧氣和營養物質的供給導致普遍的生物擾動，原有的沉積結構難以保存，巖石組分被生物改造的比較均一，頻繁的生物擾動也消耗了大量的有機質。在這些因素的共同作用下，形成了塊狀的、層理不發育、TOC 含量較低的碳酸鹽巖層段。泥灰巖層段應該沉積于相對水深較大的時期，風暴浪作用仍然能影響到洋底沉積物的搬運和沉積，但是由于水深和氧氣含量的限制，生物擾動強度較低，更多的沉積層理得以保存，同時也有利于有機質的埋藏保存，從而形成了層理發育、TOC含量較高的泥灰巖層段。

4 討論

4.1 陸棚沉積環境的劃分

一般沉積模式以風暴浪基面區分內陸棚和外陸棚環境[45]。晚白堊世北美內陸海道中的風暴浪基面大約位于80 m水深[31]。但是Tununk頁巖整段基本都保存有浪成波紋交錯層，因此即使是Tununk 頁巖中最遠岸（距離海岸線超過100 km）沉積的鈣質泥巖，沉積水深也大概在在風暴浪基面左右（～100 m）。通過對在遠岸環境中沉積的Greenhorn組中沉積結構的觀察，即使是在遠洋沉積中仍保存少量的波浪和單向水流作用形成的波紋交錯層理，因此其沉積時的水深也不是特別大，可能在100～200 m之間。偶爾的波浪和單向水流作用波紋交錯層理可能形成于地質歷史時期間并不頻繁，但是強度非常大的風暴事件之中。因此在對更多陸棚海沉積的泥巖所包含的沉積結構和生物擾動特征進行更為精細的分析描述后，之前常應用的深水、靜水的泥巖沉積模式以可能都需要有所修改。本文中對陸棚環境精細劃分的另一個重要標準是泥巖的成分組成。陸源碎屑礦物和生物生成沉積物的比例可以作為一個有用的標準來判斷對應泥巖沉積環境（距離岸線的遠近）和沉積環境的相對水深。本文中提出的對淺海陸棚環境的劃分（圖3）可以對建立類似陸棚環境中泥巖的沉積模式有幫助。

4.2 不同環境中泥巖有機質成分和豐度差異

泥巖中有機質豐度受到三個主要因素的控制：有機質的生產，在沉積過程中因氧化作用對有機質的消耗（生物以有機質作為營養來源），以及被其他碎屑礦物（例如陸源碎屑和鈣質生物碎屑）的稀釋作用[46]。在本文分析的環境中，前三角洲，內陸棚，外陸棚相對來說具有發育有機質富集層段的潛質。沉積環境距離岸線的遠近在第一程度上決定了陸源碎屑礦物對有機質的稀釋作用。前三角洲泥巖中以陸源有機質為主，由于沉積速率相對較快，生物擾動強度低，對有機質的消耗低（陸源有機質也相對海相有機質更不易被消耗）。雖然前三角洲環境中主要的陸源有機質得以被快速埋藏，大量陸源碎屑礦物的稀釋作用導致前三角洲泥巖中TOC并不高。前三角洲泥巖也主要包含相對利于生氣的陸源有機質。相反，在外陸棚環境中，水體上部的海相有機質產量相對較高，陸源碎屑礦物的稀釋作用整體比較低。因此有機質在外陸棚環境中的富集主要由有機質的保存條件，包括生物對有機質的消耗和埋藏效率所決定，這兩點又在根本上被沉積速率決定。這也解釋了為什么在外陸棚的半遠洋和遠洋環境中伴隨浪成波紋層理沉積的泥質夾層中有機質相對富集（埋藏相對較快）。外陸棚泥巖中主要有機質類型以海相有機質為主，因而也具有更大的生油潛力。內陸棚環境中陸源碎屑的稀釋作用適中，在適應條件下有機質同樣可以得以快速埋藏保存。內陸棚泥巖中有機質可能同時包含了陸源有機質和海相有機質。本文中建立的沉積模式因此可以有助于預測陸棚海不同環境中沉積的泥頁巖作為非常規油氣資源源巖和儲層的潛力。

值得指出的是，本文中討論的不同陸棚環境中泥巖的沉積環境特征和其有機質豐度之間的關系仍相對籠統。當受到例如米氏氣候旋回或高頻海平面變化的影響，即使是相同陸棚環境中，控制泥質沉積的物源、有機質的生產力、沉積水動力、生物擾動特征均會相應的發生變化。更重要的是由于這些不同因素強度之間的相對變化，會導致泥巖沉積中有機質豐度和類別在更高精度下的差異變化。也正因為如此，對泥巖沉積微相的精細分析和巖石學觀察非常重要。因為只有對泥巖沉積微相特征的直接描述和研究，才能幫助準確解釋泥巖的沉積過程和沉積環境，進而預測不同泥巖微相的有機質富集的潛質和巖石物理特征。

5 結論

本文對晚白堊世北美西部內陸海道中從前三角洲/下鄰濱到陸棚環境中的泥巖微相，以及相對應的主要沉積過程和沉積環境進行了歸納總結。前三角洲環境主要受到河口輸入水流作用的影響，主要沉積過程包括事件性濁流和異重流。下鄰濱到外陸棚環境主要受到風暴浪作用的影響，主要沉積過程包括風暴引起的震蕩水流和退潮流。一系列不同沉積過程導致不同環境中沉積的泥巖組成成分，沉積結構，生物擾動特征各不相同。整體上來看，從近岸到遠岸的環境，泥巖中有機質含量的最高值逐漸增加，說明陸源碎屑礦物的稀釋作用在根本上決定了有機質的富集。但具體到某一特定的沉積環境里，泥質沉積的物源、有機質的生產力、沉積水動力、生物擾動特征更高頻率的變化會導致泥巖沉積中有機質豐度和類別在更高精度下的差異變化。因此對泥巖的沉積微相分析十分重要，只有準確的解釋了不同泥巖相的沉積過程和沉積環境，才能更好的結合其他分析手段，確定造成不同泥巖層段有機質豐度和巖石物理特征的差異的根本原因，進而對泥頁巖作為有效烴源巖或非常規油氣儲層的潛力做出精準的判斷。

致謝 在此感謝邱振博士的約稿邀請，感謝審稿人及馬素萍老師和編輯對文章的指導和編輯。