陸相咸化湖盆細粒沉積巖分類及其石油地質意義

王小軍 宋永 郭旭光 常秋生 孔玉華 鄭孟林 秦志軍 陽孝法

關鍵詞 細粒沉積巖；石油地質；巖石分類；巖石命名；咸化湖盆

0 引言

非常規油氣規模快速發展，已帶來全球能源行業資源格局的重大轉變[1-3]。非常規油氣突破對石油天然氣地質學創新和世界石油工業發展均具有重大戰略影響[1]。細粒沉積巖作為非常規油氣資源中致密油氣、頁巖油氣的重要烴源巖和儲集層[1，4-14]，近年來正發展成為國內外最熱門的研究領域之一。目前陸相頁巖油氣已成為我國非常規油氣資源的重要組成部分，對于陸相湖盆細粒沉積巖的分類等基礎研究引起了石油領域的高度關注。

細粒沉積巖是地球表面最豐富的巖石類型[15-16]，海相、陸相皆有發育，占全球沉積巖的70%以上[17-19]。細粒沉積學基礎研究在非常規油氣地質評價中非常重要[20]，而細粒沉積巖的分類則是細粒沉積巖石學研究的基礎。目前，國內外學者一般認為細粒沉積巖是指粒徑小于0.062 5 mm[17，21-23]（也有部分國內學者用0.1 mm[20，24]，國外學者用0.005 mm[25]），并且顆粒含量大于50%（部分學者用45%[25]）的沉積巖，主要由黏土和粉砂等陸源碎屑顆粒組成，也包含盆地內生的碳酸鹽等顆粒。這意味著細粒沉積巖跨越了黏土與粉砂的邊界[26]。本文中細粒沉積巖指粒徑小于0.062 5 mm的長英質礦物、巖屑礦物、黏土礦物、碳酸鹽礦物及其他自生礦物等細粒沉積物組成的沉積巖，這些細粒沉積物的總含量超過50%，可以通過描述巖石的成分、結構和沉積構造等關鍵巖石屬性來進行分類命名。一直以來，對于細粒沉積巖[4，27-36]術語的運用混亂，國內學者常用的術語包括頁巖[9-10，12，37-45]、泥頁巖[46]、細粒混積巖[47-48]、細粒巖[49-50]、泥巖[51]，以及部分致密巖[40，52]等。國際上，描述細粒沉積巖的術語也較多，包括mudrock、mudstone、shale、siltstone、claystone、lutite、pelite [23，26，53-58]，甚至涵蓋不同變質程度的argillite、slate、phyllite[59-60]。以頁巖氣和頁巖油氣中的“頁巖”為例，泛指聚集天然氣或油氣的烴源巖，該類地層由不同巖石類型構成，包括泥巖、頁巖及灰質泥巖、灰質頁巖、泥質灰巖、粉砂質泥巖等過渡巖性，甚至包括灰巖、云巖及粉砂巖等其他巖石類型[61]。

Twenhofel[62]根據成分、硬化程度和變質程度創建了一個分類，他將泥巖作為一個通用術語，包括所有細粒碎屑巖。McKee et al.[63]和Ingram[64]主要根據細粒層狀巖石的層理創建了分類，無論是具有易剝裂性還是層理[63-64]。有許多基于三端元圖的結構分類[15，23，65-69]，其三個端元分別為黏土、粉砂和砂（Shepard[65]；Folk et al. [66]；Flemming[68]和Folk[69]）。盡管Shephard對比例大致相等的砂—粉土—黏土混合物沒有名稱，但其他人（如Flemming）將這種不同粒度的混合物稱為“泥（mud）”。但令人遺憾的是，黏土（clay）的雙重含義，一是指粒徑小于0.003 9 mm[70]，二是礦物成分（層狀硅酸鹽），造成了沒完沒了的混淆[71-72]。Milliken et al.[23，73]回顧了國外細粒沉積物和沉積巖主要的分類方案，并提出陸源碎屑和火山碎屑顆粒（Terrigenous and Volcanic Grains/Extrabasinalgrains）—鈣質異化顆粒（Calcareous allochems）—生物硅質異化顆粒（Bio-siliceous allochems）三端元組分分類方案，用新的術語tarl、carl和sarl來定義細粒沉積巖分類的三種主要類型。Camp et al.[72] 認為Milliken嘗試的這種分類依靠的是顆粒成因解釋，實際操作不具有可行性。Lazar et al.[22]提出一種以OBrien et al.[54]所總結的以野外與實驗室方法為基礎的綜合性描述性命名方案，同時考慮了結構、層理和成分三個關鍵巖石屬性。整體而言，國外學者所討論的細粒沉積巖均屬于海相沉積的范疇。

陸相湖盆細粒沉積巖相對海相盆地而言，礦物成分多樣、非均質性強，巖石類型更加復雜。國內學者繼承了海相細粒沉積巖分類的基本思路，對陸相湖盆細粒沉積的分類也進行了有益的探索和發展。如鄢繼華等[74]提出基于X射線衍射數據的細粒沉積巖組分分類方案及巖石定名方法，采用三端元、四組分劃分體系，以碳酸鹽礦物、黏土礦物和長英質礦物為3個端元，而將特征礦物方沸石作為第四組分。張少敏等[75]針對準噶爾盆地二疊系蘆草溝組細粒沉積巖，提出成因—成分分類方案，將陸源碎屑、火山碎屑和碳酸鹽作為巖石類型三角圖解的3個端元。這些分類方案主要適用于具體的研究地區。姜在興等[27]在細粒沉積巖的粉砂、黏土和碳酸鹽為三端元組分分類基礎上，提出以有機質（TOC）、碳酸鹽及黏土礦物三端元劃分巖石類型；并于2017年進一步明確提出基于TOC豐度的含油氣細粒沉積巖的三端元四組分分類方案和巖石命名[21]；劉忠寶等[76]、葸克來等[77]在不同地區的陸相湖盆中也提出了類似的TOC分級方案[76-77]。但是TOC含量的測試需要專業設備和技術，阻礙了在地質工作者中廣泛應用。

可以看出，細粒沉積巖非常豐富，到目前為止還沒有令人滿意的分類[23，53，78]，缺乏一個廣泛使用的、一致的命名法[22]。細粒沉積巖的分類是一個復雜的問題，由于細粒沉積巖的沉積與成巖作用是一個復雜的地質作用過程，不同環境形成的細粒沉積巖的地質特征千差萬別，而當前的技術水平和研究程度尚未達到完全符合客觀實際的階段。在主觀方面，不同的研究者采用的分類基礎、分類原則、分類方法不盡相同，分類方案也有很大的差異。總而言之，造成細粒沉積巖分類困難的原因較多，主要包括：1）顆粒與晶體的尺寸非常小，直接觀測比較困難[57，69，79]；2）碎屑顆粒組合的成分變化大大超過了其他類別沉積物所具有的非均質性[23，53，80]；3）成巖作用對細顆粒的改造識別有難度[22-23]。

本文針對陸相咸化湖盆，重新審視了細粒沉積巖的分類方案和命名，這對于豐富陸相沉積巖石學基礎理論，指導陸相含油氣盆地細粒沉積巖（致密巖、泥頁巖）油氣資源評價、區帶目標優選、提升勘探開發整體效益等方面具有重要的理論和實踐意義，同時對海相含鹽盆地的細粒沉積巖分類也有借鑒意義。

1 分類原則

巖石分類應使研究人員能夠輕松地對所研究的巖石進行分類，并以簡潔、易懂的方式將信息傳達給其他人。分類特別適用于將物質分組為類似的特性，以得出樣品、地層和相之間的內在關系。砂巖和碳酸鹽巖分類的歷史清楚地表明，基于易于觀察的特征（手標本和薄片）的描述性分類通常比基于成因的分類更優越，也更廣泛地被接受。一個可靠的描述比不斷變化的成因解釋更具有生命力[59]。基于Lazar et al.[22]、Potter et al.[59]、Pettijohn[67]、Camp etal.[72]的巖石學分類的核心思想，本次針對細粒沉積巖分類的基本原則確定如下：1）確定討論的范圍，確保分類既不重復，也不遺漏；2）確定分類的標準，確保只能按所確定的標準進行合理的分類，而且以客觀的或描述性的屬性作為分類的標準；3）確定分類的級次，確保逐級進行，不能越級、重疊。

按上述分類基本原則，本次細粒沉積巖分類討論的范圍是陸相咸化湖盆細粒沉積巖。以易于觀察的沉積結構（主要是粒度）和礦物組分的描述性分類為核心，開展陸相湖盆細粒沉積巖的分類。分類標準采用客觀上可描述的自然屬性，按級次分別為沉積構造（層理）、沉積結構（主要是粒度）與巖石組分，再根據咸化湖盆的特征屬性礦物進一步劃分。應當反映細粒沉積巖形成的三個主要問題：1）物質成分的來源；2）沉積時的介質條件；3）陸相湖盆咸化過程或成鹽階段。

另外，需要注意以下幾點：1）本次分類是基于沉積物沉積時顆粒組合的成分；2）在分類時忽略充填原生粒間或粒內孔隙空間的膠結物和沉積后的沉淀物，但如果技術條件允許，建議對填隙物進行量化統計并參與命名；3）成巖作用造成的顆粒交代的識別是顆粒識別中的另一個關鍵環節。

2 分類方案

當使用公認的標準術語時，細粒沉積巖分類將是一個有用的工具，它將為具有不同背景的科研人員建立清晰、高效的溝通渠道。

2.1 一級分類——沉積構造

首先根據沉積構造特征，將粒徑小于0.062 5 mm且含量大于50%的細粒沉積巖劃分為層狀細粒沉積巖和塊狀細粒沉積巖（圖1）。按沉積厚度將層劃分，層狀指層厚小于1 m的沉積層，包括厚層（1～0.5 m）、中層（0.5～0.1 m）、薄層（0.1～0.01 m）、頁狀層（小于0.01 m）；塊狀指按沉積厚度（大于1 m）的沉積層。其中層狀可以進一步遵循成因方法來定義紋層、紋層組和層，并描述紋層的幾何形態、連續性和形狀。

2.2 二級分類——沉積結構與成分

根據沉積結構（主要是粒度）和巖石成分，采用國際上流行的三端元分類法，以三角形圖解的形式進一步細分層狀細粒沉積巖和塊狀細粒沉積巖。湖盆細粒沉積物通常具有多物源的特點，成分復雜多樣，時常伴有混積沉積的特征。依據主要成分特征，主要是陸源機械搬運至湖盆的母巖風化細粒產物、火山灰塵物質等外生沉積物，以及化學沉積作用、生物沉積作用等形成的內生沉積物（圖2）。

基于湖盆細粒沉積物的整體特征，本次提出了一套新的細粒沉積巖三角形圖解，其3個端元分別是泥、粒屑、粉砂（圖3，4）。對端元組分進行歸類，泥端元組分包括碳酸鹽巖泥和陸源碎屑泥，反映沉積介質的流動特征或沉淀機制；粉砂端元包括石英、長石和巖屑，反映機械沉積作用的陸源組分來源；粒屑端元包括砂屑、生屑、藻粒等，反映化學沉積作用及生物沉積作用的碳酸鹽巖組分來源。可以看出，這種基于沉積結構和巖石成分的細粒沉積巖三角分類圖解兼具重要的成因意義。三角形圖解內部共分為7個區，即7種巖石類型，層狀細粒巖和塊狀細粒巖的劃分情況分別見圖3和圖4。以準噶爾盆地二疊系咸化湖相細粒沉積巖為例，典型的層狀湖相細粒沉積巖微觀特征如圖5。

2.3 三級分類——鹽組分

咸化湖盆（鹽湖類盆地）顧名思義是一種含鹽的湖泊盆地，是湖盆咸化的結果[81-82]。陸相湖盆的水面是隨構造、氣候綜合作用而波動變化的，湖盆演變旋回形成的沉積層序是記錄自然環境中不同時期沉積的碎屑礦物、黏土礦物、無機鹽類礦物、有機質、生物等的重要載體。鹽湖沉積則是特定自然地理和地質環境的產物，是能夠較全面地記錄古環境的載體[83-84]。這種集構造、環境、物質為一體的地質過程，既有地域的特殊性、又具有全球性的普遍意義[84]。咸化湖盆是有機質堆積和優質烴源巖形成的有利場所，是重要的陸相油氣來源[85]。

大陸湖盆在成鹽環境的持續演化過程中，鹵水體積逐漸濃縮，飽和鹽類礦物依次沉淀，其標型礦物沉積順序為：碳酸鹽→硫酸鹽→氯化物[84]。目前常用庫爾納科夫—瓦里亞什科的水化學分類方案，把鹽湖鹵水分為碳酸鹽型、硫酸鹽型和氯化物型[86]。鹽湖鹵水是經天然水連續演化而形成的，碳酸鹽類型的鹵水飽和流對應相關的鹽類主序列礦物有水堿、方解石、白云石、水菱鎂礦、碳酸鈉鎂礦；硫酸鹽類型鹵水飽和流對應相關的鹽類主序列礦物有芒硝、石膏、瀉利鹽；氯化物類型鹵水飽和流對應相關的鹽類主序列礦物有石鹽、光鹵石、水氯鎂石、南極石[84]。咸化湖盆所處構造、氣候條件上的特殊性，使得沉積層中的無機鹽類礦物的組合也非常復雜。以碳酸鹽化合物類型為例，廣溫相鹽類礦物有白云石、方解石、菱鎂礦、單斜鈉鈣石、氯碳酸鈉鎂石、硫碳鎂鈉石（雜芒硝）、蘇打石（重碳酸鈉石）、天然堿[81]，這種無機鹽礦物組合在新疆準噶爾盆地二疊系細粒沉積巖中較為發育[87-94]。江漢盆地含鹽層系的韻律層含有豐富的各類無機鹽類礦物，記錄古湖盆經歷了多期的碳酸鹽—硫酸鹽—氯化物的成鹽過程[95-96]。

湖泊（包括古湖泊）通常根據水體含鹽量或礦化度劃分為淡水、半咸水、咸水、鹽水四大類，后三類水體統稱為咸化湖水[97]。對于古湖泊鹽度的定量分類仍有不少困難，常采用的方法有微量元素法、元素比值法、同位素法、生物標志物法等，還可以基于上述湖盆咸化各階段不同的礦物組合、特定礦物、古生物及其組合等劃分古鹽湖的類型[97-100]。結合古鹽度劃分標準，對陸相咸化湖盆的細粒沉積巖形成時期的古湖泊進行進一步劃分，包括半咸化湖、咸化湖和鹽湖。圖6為咸化湖盆各階段層狀細粒沉積巖分類圖解，塊狀細粒沉積巖各階段分類與之類似，可參照圖4。另外，也可以根據無機鹽礦物組合含量劃分為碳酸鹽型、硫酸鹽型和氯化物型。

2.4 其他客觀屬性

建議細粒沉積巖的其他客觀屬性，包括顏色、特殊沉積構造、沉積結構、化石含量、有機成分類型、特定礦物等，可以用作基本名稱的附加修飾詞。

3 分類命名

根據上述提出的分類方案，陸相咸化湖盆細粒沉積巖的分類命名步驟如下。

（1） 根據三端元四組分中不同成因類型的結構組分及礦物組分含量確定巖石的基本名稱，對于不同成因類型的四組分中，含量大于50%（或含量最多）的作為確定巖石基本名稱的依據，對于以內源顆粒或陸源碎屑為主體的巖類，根據內源顆粒或陸源碎屑中的各組分的礦物和碎屑類型及含量，確定巖石的基本名稱（圖3，4）。

（2） 次要組分及礦物作為附加修飾詞置于基本名之前；含量小于10%的組分通常不參與命名；含量為10%及小于25%的組分以含××作為附加修飾詞；含量為25%～50% 的組分通常以××質作為附加修飾詞。

（3） 無機鹽礦物含量作為盆地演化階段的重要指示礦物，含量大于5%參與命名，以微含××作為附加修飾詞，其他同（2）的次要組分命名方法。

（4） 膠結物作為附加修飾詞；通常某種膠結物含量小于10%，不參與命名；膠結物含量為10%及小于25%，以含××作為附加修飾詞；含量為25%～50%的以××質作為附加修飾詞；對于碳酸鹽巖類，主要填隙物結構類型為亮晶碳酸鹽的巖類，以“亮晶”作為附加修飾詞參與巖石的命名。

（5） 最后，將特殊的結構、沉積構造（如生物擾動等）、古生物、有機質、成巖作用產物等作為特定的附加修飾詞。

表1和表2分別列出了層狀和塊狀細粒沉積巖成因、組分及結構構造分類命名。

4 石油地質意義

咸化湖盆發現了許多中大型的陸相油氣田[43，97，101-107]。咸化湖盆中通常存在無機鹽類、富有機質細粒沉積巖（泥頁巖、泥灰巖）互層共生的現象，水體分層是其形成的重要條件[108]。“細粒沉積學”就是通過對細粒沉積巖組成與結構特征的解剖，揭示富有機質頁巖、致密儲集層形成的主控因素與分布模式，進而為非常規油氣勘探提供指導的學科[11，20，109]。湖水的鹽度控制湖盆中的巖石類型、古生物類型、生烴母質類型、有機質豐度等，對成藏階段的油氣類型、油藏規模等具有決定性影響。下面以準噶爾盆地二疊紀咸化湖盆為例，揭示細粒沉積巖分類對生烴母質類型和豐度的層位歸屬及演化、地質“甜點”空間分布等，具有重要的石油地質學意義。

4.1 對烴源巖的意義

咸化湖盆烴源巖對油氣的貢獻能力曾經一度被嚴重低估，尤其是高鹽度水體條件下，經典的地質學研究認為鹽類僅是干旱氣候的產物，在這種條件下不利于溫暖潮濕條件下有機質的保存，是“ 生物荒漠”[108，110]。近些年來，隨著鹽湖生物學、湖相沉積學和湖相有機地球化學等學科的發展，學者們逐漸認識到：1）水體分層結構造就了湖泊表層高產率與底層缺氧環境組合，有利于有機質的沉積和保存；2）隨鹽度增加生物種類減少但生物量并不減少，而且可以有較高生產力，形成優質烴源巖[82，108]。不同鹽度條件的湖盆沉積的細粒沉積巖是特定古構造和古氣候條件下的產物，導致不同巖石類型所賦存的有機質豐度、有機質類型、古生物、礦物組分等具有明顯差異。

4.1.1 有機質類型

隨著咸化湖盆演化會形成相應的生物演化序列，從而造成生烴母質類型的變化。咸化湖盆環境中生物種類相對單調，但生物系統組成復雜，其中對生烴有貢獻的主要是藻類、細菌和古菌、高等植物[111]。

準噶爾盆地瑪湖凹陷中下二疊統碳酸鹽型咸（堿）湖盆研究表明，湖盆由早二疊世早期的淡水湖泊演化成咸（堿）化湖過程中可劃分為如下幾個階段：淡水湖泊階段—低鹽度成堿預備階段—咸化湖泊初成堿階段—堿湖強成堿階段—咸化湖泊弱成堿階段—低鹽度咸（堿）化湖泊演化終止階段—淡水湖泊階段（表3）；淡水條件下形成的細粒沉積巖主要賦存III型干酪根，半咸化條件下主要賦存II型干酪根，高鹽（堿）度條件下則主要賦存I型干酪根。

4.1.2 有機質豐度

TOC含量是有機質豐度的主要判別標準。以準噶爾盆地吉木薩爾凹陷J174井二疊系蘆草溝組細粒沉積巖為例，TOC含量明顯隨鹽度的增加而增大（圖7）。這與鹽湖生物發育特征是吻合的，即隨鹽度增加生物種類減少，但是生物量并不減少。值得注意的是，粉砂巖除了作為儲層，同時還有較高的有機質含量，具有較好的生烴能力[112-114]。

4.2 對儲層的意義

細粒沉積巖層系是一類源—儲—蓋共生與源—儲—蓋同體的非常規油氣載體。這類層系中，“甜點區”分布是石油工業界關注的重點[29，115-118]。有些學者和石油公司科研人員甚至直接稱之為“烴源巖儲層（source rock reservoir）”[7，119]。細粒沉積巖儲層的研究表明，不同盆地發育的細粒沉積巖儲層類型有差異，而“甜點”對應的巖石類型也有所不同。根據本文提出的細粒沉積巖分類方案，可以明確儲層主要的巖石類型，揭示咸化湖盆演變過程與儲層巖石類型的相互關系，有助于預測地質“甜點”的空間分布。準噶爾盆地吉木薩爾凹陷勘探實踐揭示，二疊系咸化湖相細粒沉積巖層系存在兩套甜點體，下甜點體以粉砂巖、含粉砂質云泥巖和含粉砂質泥晶灰巖為主，而上甜點體主要為砂屑云巖、灰質云屑砂巖、云質灰巖為主，為地質“甜點區”勘探指明了方向（圖7）。

4.3 對細粒沉積巖油氣分布模式與勘探開發的意義

細粒沉積巖巖性、結構和非均質性的系統描述對于陸相細粒沉積學研究具有關鍵作用，有利于進行精細的細粒沉積地層劃分，并在層序地層的框架下合理地預測優質烴源巖的時空分布。本次提出的分類方案還可應用于細粒沉積巖油藏的勘探和開發實際生產過程中，為測井、地震資料解釋起到可靠的標定和質量控制的作用，為地質甜點的空間預測提供有效信息。咸化湖盆富含有機質的細粒沉積巖分布控制泥頁巖油氣的分布規模，物性相對好的細粒沉積巖控制地質甜點的潛在分布區，而兩者有利的配置關系（源儲接觸型、源儲同體型）則決定了地質甜點的分布范圍，有機質的類型和成熟度控制油氣品質。這對細粒沉積巖的油氣資源評價與目標優選、提升油氣勘探開發效益等具有重要的意義。

5 結論

（1） 全球細粒沉積巖相關的油氣資源非常豐富，但是關于細粒沉積巖的分類方案很多，一直未達成共識，主要原因在于其粒徑小、成分復雜，以及成巖作用改造。另外一個原因是應用領域或用途不同造成的。

（2） 本文針對陸相湖盆細粒沉積巖，提出了一套實用的、具有成因意義的結構—成分分類法，劃分出7種主要巖石類型。并進一步根據鹽組分的變化，厘定了陸相湖盆全生命演化周期形成的細粒沉積巖巖石類型。淡水條件下形成的泥巖主要賦存III型干酪根，半咸化條件下的灰質泥巖主要賦存II型干酪根，高鹽度條件下泥質云巖—鹽巖則主要賦存I 型干酪根。

（3） 陸相湖盆細粒沉積巖的巖石學分類，有助于理解細粒沉積巖層系中生烴母質類型和豐度的層位歸屬及演變、地質“甜點”空間分布預測等，對細粒沉積巖的油氣資源評價、科學優選目標、提升勘探開發整體效益等方面具有重要的理論和實踐意義。