国外学者主要关注海相细粒沉积, 将研究重点放在其沉积过程、搬运方式等与成因机制有关的问题上。长期以来, 人们普遍认为细粒沉积岩形成于静水条件下, 由水中悬浮的沉积物碎屑垂直沉降而成。新研究打破了这一认识, 认为侧向高能流体作用逐渐取代传统垂向沉降作用。Sundborg(1956)提出, 比起侵蚀细粒砂岩, 侵蚀泥岩需要更快的流速, 认为侵蚀泥岩临界流速与侵蚀并搬运砾石的流速为同一数量级。随后20年, 学者们进一步发现泥岩的侵蚀要远比最初Sundborg提出的更为复杂。他们通过对细粒沉积所包含的黏土矿物类型、侵蚀泥岩临界流速的最大剪应力等问题进行研究, 发现泥岩在地质历史时期起到非同小可的作用。这些学者提出, 侵蚀泥岩所需的流体速度大于砂岩, 甚至与侵蚀及搬运砾石的流速处于同一数量级(Southard et al., 1971; Lonsdale and Southard, 1974)。

Schieber等(2007)通过水槽实验证实静水沉积环境并非泥质沉积物堆积的先决条件。随后观察到泥质沉积(包括来自陆源碎屑的泥质沉积物及碳酸盐质泥质沉积物)也会像砂岩一样在流体中形成波痕。泥质沉积主要受到絮凝作用和悬浮沉积物浓度影响, 而矿物成分及水体性质对其影响较弱(Schieber and Southard, 2009)。

现代泥质沉积也证明其沉积过程并非在安静水体中进行。有学者观察到泥岩或细粒沉积岩多形成于高能环境及引起高密度河流水量激增的地质事件中(Allison and Nittrouer, 1998; Macquaker et al., 2010)。水槽实验的推进结合现代沉积实例观测, 使细粒沉积岩往往形成于安静水体中的传统认识受到挑战, 同时新认识被越来越多地运用到地质历史时期形成的细粒沉积岩研究中。Ghadeer 和 Macquaker(2011)研究北海西缘克利夫兰盆地下三叠统泥岩时, 认为该套岩石更多形成于重力流、湍流等高能水动力条件下。Schieber等(2010)研究美国田纳西州中部下泥盆统Chattanooga页岩时, 发现强烈底流及生物扰动作用是泥岩的主要成因, 而非静水沉积。同时论证了透镜状结构作为泥岩中最常出现的结构, 其主要成因为间歇性侵蚀及大量富水泥浆搬运作用, 进一步证明了细粒沉积机制并非为安静水体条件下的悬浮沉积。

中国陆相沉积盆地分布广泛, 湖相细粒沉积发育, 是油气勘探开发的重要目标。在非常规油气勘探开发力度日益加大及新实验技术不断投入应用的前提下, 发现细粒沉积岩具有复杂的物质组成、结构构造及成因机制。陆相湖盆细粒沉积岩岩相复杂、非均质性强。对细粒沉积矿物进行深入研究, 既有助于正确评价烃源岩, 也有益于更精准地阐述储集层主控因素, 从而更好地寻找及预测优质烃源岩及储集层展布, 为非常规油气勘探提供有效的指导。因此, 这类岩石受到越来越多的关注及重视(郑荣才等, 2003; 文华国等, 2005; 张文正等, 2008, 2009; 柳益群等, 2011; 焦鑫, 2012; 焦鑫等, 2017b; 钟大康等, 2015; 贺聪等, 2017; 李哲萱等, 2019)。

2.2.1 细粒沉积岩岩石、矿物组成

1)正常细粒沉积岩

湖相细粒沉积岩多被视为由陆源远端碎屑沉积、盆内化学沉淀或经再搬运内碎屑沉积形成的沉积岩, 常作为储集层及烃源岩研究。早期文献中关于细粒沉积的研究重点主要放在显微组分类型、有机碳含量、有机质种类及有机质成熟度、油源对比、生物标志化合物种类、古沉积环境等与生烃有关的问题上。由于岩石组成矿物粒度小、实验技术手段精度限制等客观条件影响, 该类岩石的矿物组成较少被关注。因此, 相应时期的文献中少见详细的细粒沉积岩岩石学及矿物学特征描述, 仅笼统地将其称为暗色泥岩(页岩)、碳质泥岩、油页岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等(冯乔等, 2004; 金强等, 2008)。近年来致密油气成为研究热点, 渤海湾盆地、松辽盆地等主力陆相湖盆勘探区的细粒沉积岩的岩石学、矿物学特征开始被详细研究, 认为细粒沉积岩多由黏土矿物、长英质陆源碎屑矿物组成, 含有少量碳酸盐矿物及黄铁矿等含铁化合物(陈彬滔等, 2015; 张顺等, 2015)。

2)火山凝灰质细粒沉积岩

张文正等(2008)在对鄂尔多斯盆地上三叠统延长组7段优质烃源岩层进行研究时, 发现野外露头中烃源岩层常与薄层、纹层状凝灰岩互层产出。岩石薄片观察结果显示该套烃源岩中常见晶屑凝灰岩、玻屑凝灰岩及混合性凝灰岩。通过地球化学分析, 认为凝灰岩主要由与烃源岩层同期且频繁的火山喷发活动形成(张文正等, 2008)。同时, 部分烃源岩样品显著富集S、Mn、Cu、Mo, 且稀土元素分布模式也与其他样品具明显差异性, 认为反映了深部物质输入(张文正等, 2008, 2009)。随后, 不少学者注意到鄂尔多斯盆地延长组中, 长期被视为泥岩、粉砂岩的细粒沉积岩实则包含大量同期的火山物质。认为延长组是由深湖相正常沉积物与频繁火山喷发活动带来的凝灰物质共同构成的暗色细粒岩系(Tang et al., 2015; 贺聪等, 2017)。

类似现象在北疆地区主要含油气盆地也被普遍发现。如在三塘湖盆地及准噶尔盆地二叠系芦草沟组湖相暗色细粒沉积岩中发现大量凝灰岩、沉凝灰岩及凝灰质白云岩夹层。凝灰物质为同期火山喷发产物, 多为钠长石、钾长石、石英等矿物晶屑。白云岩显示出富锶且锶同位素比值与地幔锶同位素比值相近的特征。认为北疆地区在二叠纪芦草沟组沉积时期发育多期次火山及幔源热物质流体活动(柳益群等, 2013; 蒋宜勤等, 2015; 常海亮等, 2016; 焦鑫, 2017; 焦鑫等, 2017a, 2017b, 2017c; Jiao et al., 2018a)。截至目前, 越来越多原本被称作黑色泥岩的细粒沉积岩, 被发现部分成因与水下火山作用密切相关。然而详细的水下火山喷发沉积特征、成因机理以及如何与细粒沉积过程相互影响等问题依然有待进一步探究(焦鑫, 2017a)。

3)热液喷流细粒沉积岩

近年来, 学者们在细粒沉积岩中发现了许多薄层— 纹层状喷流岩夹层。喷流岩由多种粒度达黏土级或粉砂级的热液喷流成因矿物构成: 郑荣才等(2003, 2018)、文华国等(2005)在酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组的深湖相暗色泥云岩中发现大量钠长石、铁白云石、重晶石和方沸石等与热水沉积有关的矿物(图 1-A, 1-B); 柳益群等(2011)在三塘湖盆地芦草沟组湖相黑色细粒岩中发现热液喷流成因白云岩及其共生组合(图 1-C); 常海亮等(2016)在准噶尔盆地西北缘乌尔禾地区下二叠统风城组云质岩观察到硅硼钠石、石盐及石膏等独特矿物(图 1-D, 1-E); 钟大康等(2015, 2018)在二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组泥晶— 粉晶白云岩中观察到以沸石— 水镁铁石— 重晶石为代表的典型低温热液矿物组合; 张文正等(2009, 2010, 2015)、贺聪等(2017)在研究鄂尔多斯盆地上三叠统延长组优质烃源岩时, 除了发现广泛分布由火山活动产生的薄层和纹层状凝灰岩外, 还观察到自生钠长石充填、白铁矿— 黄铁矿— 硬石膏共生体系等与湖底热水活动有关的现象。

图 1

Fig.1

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图 1 热液喷流细粒沉积岩岩石学矿物学特征 A— 纹层状泥— 微晶方沸石— 钠长石— 铁白云石喷流岩, 岩石主体由富含有机质的富含铁白云石纹层组成, 中部的带状具有铁白云石(a)→ 钠长石(b)→ 方沸石(c)→ 有机质(d)纹层的沉积序列; B— 纹层状泥— 微晶方沸石— 重晶石— 钠长石— 铁白云石喷流岩, (a)铁白云石, (b)钠长石纹层组成, (c)重晶石和(d)方沸石纹层; C— 同沉积变形纹层状热液喷流成因白云岩(左侧为铁氰化钾+茜素红+盐酸的混合液的染色部分, 为绿蓝色的铁白云石); D— 纹层状硅硼钠石质白云岩, 白云质纹层与硅硼钠石纹层互层; E— 含硬石膏碳氢钠石岩, 硬石膏呈细纹层分布; 图A-B引自郑荣才等(2003, 2018); 图C引自柳益群等(2011); 图D-E引自常海亮等(2016)Fig.1 Petrology and mineralogy features of hydrothermal-exhalative related fine-grained sedimentary rocks

更值得注意的是, 在新疆三塘湖盆地芦草沟组湖相黑色细粒沉积岩中, 发育多套黑色毫米— 厘米级纹层。在这些纹层中观察到一部分虽具碎屑搬运特征, 但其骨架颗粒和基质矿物组成及结构构造特征又显著区别于陆源碎屑沉积岩的特殊岩石。该类岩石手标本显示由白色、淡黄色碎屑颗粒及黑— 深灰色基质构成, 通过精细矿物研究发现其骨架颗粒和基质矿物由地球深部的晶质细粒碎屑(下文将该类碎屑和火山沉积的细粒碎屑统称为“ 深源碎屑” )组成(柳益群等, 2013, 2018; 焦鑫, 2017; 焦鑫等, 2017a, 2017b; Jiao et al., 2018a; 李哲萱等, 2019)。

以上发现说明形成于拉张构造背景下的陆内裂谷型盆地, 由于断裂发育, 极有可能存在有利于沟通连接深源物质的通道, 如深大裂谷等。因此在该环境中沉积与成岩的细粒沉积岩组成物质既可以有火山活动产生的火山物质, 也有热液喷流作用形成的化学沉积物质, 甚至还可以包含喷积作用形成的深源晶体碎屑物质。由于中国陆内裂谷环境下的陆相湖盆沉积岩(特别是作为烃源岩和致密油层的暗色细粒沉积岩)具有复杂的物源特征, 针对该套岩系的研究应更加细致与深入。

2.2.2 细粒沉积岩物质来源及成因机制

悬浮作用和絮凝作用是长期被认可的细粒沉积物主要的搬运和沉积方式。然而, 越来越多的学者注意到细粒沉积岩中发育大量交错层理、脉状层理、透镜状层理等牵引流成因构造, 也观察到丰富的重力流及底流成因的滑塌变形构造、侵蚀构造, 甚至发现存在风暴、潮汐、生物等多种高能地质作用(潘树新等, 2014; 陈世悦等, 2017; 杨仁超等, 2017)。新发现说明细粒沉积环境中存在频繁的强水动力过程。同时, 不同于主要受到海平面变化等大、中型规模构造活动影响的海相细粒沉积(董桂玉等, 2007), 湖相细粒沉积对气候变化十分敏感。气候改变会影响湖盆水体输入与输出量、水深、还原等沉积条件(吴靖等, 2017)。陆相湖盆面积相对较小, 频繁的水动力条件变化及构造活动会使湖盆的物源供给和沉积环境发生剧烈变化, 从而使陆相细粒沉积动力机制更为复杂。

对于湖相细粒沉积岩中的碎屑物质夹层, 其来源明显区别于正常湖相环境中以悬浮方式形成的泥质远端沉积物。研究人员往往解释为由事件激发(如地震、火山、风暴作用)造成的水下重力流(Kuenen and Migliorini, 1950; Talling et al., 2012), 或由季节性洪水作用为激发机制的异重力流(Mulder and Syvitski, 1995; Yang et al., 2017)形成的异源沉积物, 也自然将其中的石英、长石等矿物视为陆源搬运来源。但前文已述, 已有研究表明泥岩中的这些矿物并非仅有陆源搬运这一唯一途径。Schieber等(2000)通过研究北美泥盆系页岩中石英在区域平面上含量的分布特征以及微细的矿物学特征, 发现石英含量的分布并不具有由物源向沉积中心逐渐减少的特征, 且微观石英颗粒也不具有经过长期搬运的结构构造特征, 其成因应为早期成岩过程中生物作用及火山物质转化形成。朱国华等(2014)在研究北疆地区芦草沟组的黑色页岩时, 同样发现了构成该页岩的碎屑矿物并非以黏土成分为主的陆源搬运沉积物, 而是由火山喷发形成的火山尘组成。

柳益群等在三塘湖盆地二叠系芦草沟组湖湘黑色细粒岩系中, 发现了一套既不能用传统细粒沉积岩成因解释、也难以用火山喷发成因解释的岩石(柳益群等, 2013; 焦鑫, 2017; 焦鑫, 2017a, 2017b, 2017c; Jiao et al., 2018a; 柳益群等, 2018; 李哲萱等, 2019)。该类岩石具如下特征: 首先, 组成岩石的碎屑为晶质颗粒, 且均呈大小混杂、形态各异的不规则棱角状, 星散分布在厘米— 毫米级纹层中, 分选差, 磨圆差(图 2-A, 2-B)。其次, 碎屑颗粒粒度普遍介于黏土级— 粉砂级, 主要组成矿物特殊且类型单一, 大部分以2~3种不稳定— 次稳定矿物为主。如白云石— 钠长石— 钾长石(图 2-C, 2-D)、透辉石— 硅灰石(图 2-E), 有少数只由方解石晶体构成(图 2-B)。另外, 在上述碎屑颗粒中还观察到后期被中— 高温热液改造迹象, 例如观察到菱锶矿等典型热液成因矿物交代白云石(图 2-D), 以及蛇纹石化白云石、立方体自生黄铁矿的出现(图 2-F)(焦鑫, 2017b; Jiao et al., 2018a)。反映出该类岩石无论在沉积过程或成岩演化中均处于非正常湖湘沉积环境下。值得关注的是, 岩石基质组成矿物少见甚至不见黏土矿物, 基质物质组成或为与碎屑相同的单矿物, 或为与碎屑矿物组成完全不同的其他矿物集合体, 同时组成基质的颗粒亦均呈大小混杂、形态复杂的棱角状。

图 2

Fig.2

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图 2 三塘湖盆地喷爆岩岩石学矿物学特征 A-C— 方解石喷爆岩, A为手标本照片, 岩石由白色碎屑颗粒及深灰色基质构成, 碎屑颗粒分选差、磨圆度低, 呈星散状均匀分布; B为单偏光照片, 显示晶质颗粒均呈大小混杂、形态各异的角砾状, 不具磨圆度; C为基质电子探针背散射照片, 主要由钠长石(深色)及钾长石(浅色)组成; D— 电子探针背散射照片, 白云石喷爆岩, 代表高温环境的菱锶矿(亮色); E— 电子探针背散射照片, 透辉石喷爆岩, 主要由颗粒状透辉石(亮色)组成, 硅灰石(深色)以胶结物形态出现; F— 电子探针背散射照片, 蛇纹石化白云石喷爆岩, a, b均为蛇纹石, 见立方体黄铁矿(白色矿物), 图F引自焦鑫等(2017b)Fig.2 Petrology and mineralogy features of hydrothermal explosive rocks in Santanghu Basin

按照传统碎屑岩成因理论解释, 由于构成该岩石的碎屑颗粒粒度普遍介于黏土级— 粉砂级, 此粒径理应经历过长距离搬运, 但颗粒又往往呈大小混杂、形态各异的棱角状, 星散分布在厘米— 毫米级薄纹层中, 与经历过长距离搬运特征不符; 其次, 碎屑颗粒矿物组成简单, 一般不超过3种矿物, 且多为不稳定矿物或次稳定矿物, 若物源来自周缘造山带母岩, 长距离搬运后不应存有如此多不稳定矿物; 显然传统认识中的碎屑来自周缘母岩无法解释该现象。若为火山成因, 又不应仅有如此有限的分布规模, 因此用火山活动产生的凝灰物质沉积也难以解释三塘湖盆地芦草沟组的这套黑色细粒沉积岩系成因。柳益群等(2013; 2018)、Jiao 等(2018a)认为该岩石是由气、液、固三相共存的深源岩浆— 热液物质上涌入湖底(海)喷流口喷出时, 在骤变的温压条件下爆裂随后随流体沉积形成的岩石。

以上信息表明, 火山— 热液喷积作用形成的深源晶体碎屑物质与湖相细粒沉积伴生发育, 代表着火山喷发活动和湖(海)底热水活动也参与并影响了细粒沉积过程, 也进一步说明了陆内湖相细粒沉积物来源的复杂性和多样性。

2.2.3 细粒沉积岩分类

细粒沉积岩除了具有复杂的物质组成, 岩石类型也较多。尽管早在1971年就有学者呼吁需要建立统一完善的细粒沉积岩分类方案(Picard, 1971), 但由于粒度细, 矿物组成复杂、研究技术方法受限, 加之有机质(沥青)混染而导致难以观察等原因, 至今仍未寻找到最佳细粒沉积岩分类方案。随着细粒沉积岩研究不断深入, 新发现不断提出, 寻求科学、系统的分类方案日益重要。目前细粒沉积岩分类主要为常见的三端元分类, 但也有学者根据其研究区岩石的特殊特征进行了成因分类, 例如柳益群等(2013)提出的喷积岩分类。

1)常见细粒沉积岩分类

传统分类方法是三端元分类法: 即粉砂、黏土矿物和碳酸盐矿物, 分别以各自含量50%为界限, 将细粒沉积岩分为3大类(Picard, 1971)(图 3)。常用于由碳酸盐、长英质矿物、黏土矿物构成的细粒沉积岩。随着对细粒沉积岩研究不断深化, 人们意识到传统分类方法选择的端元矿物组分及岩石类型划分标准无法适用于全部的细粒沉积岩。

图 3

Fig.3

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	图 3 细粒沉积岩“ 粉砂-黏土矿物-碳酸盐” 三端元分类(据Picard, 1971)Fig.3 Ternary plot illustrating silt, clay and carbonate of fine-grained sedimentary rocks classification (after Picard, 1971)

从主要组成矿物含量来讲, 并非所有细粒沉积岩均有含量突出的矿物组分端元, 传统三端元分类方法无法解决3个端元矿物含量均不超过50%的分类问题。对于3个端元组分含量较平均的细粒沉积岩, 姜在兴提出可将粉砂及黏土作为硅质碎屑端元、碳酸盐作为另一端元分类。同时, 对于富含有机质的细粒沉积岩, 可采用有机质、碳酸盐和黏土矿物作为3个端元, 其中碳酸盐与黏土矿物以含量50%为界, 分为6类(姜在兴等, 2013)(图 4)。

图 4

Fig.4

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	图 4 湖相细粒沉积岩分类(据姜在兴等, 2013)Fig.4 Lithology classification of lacustrine fine-grained sedimentary rocks (after Jiang et al., 2013)

从端元矿物的选择来看, 人们认为泥岩中长石含量偏低, 可以不参与岩石分类, 因此传统三端元分类法中多将石英和长石一同划入粉砂端元。然而, 有学者认为细粒沉积岩中的石英并非全部来自陆源碎屑搬运, 反而部分为自生成因(Jiao et al., 2018b)。因此, 若仍将普遍来自陆源搬运的长石与石英划入同一端元, 会错过长石中可能蕴含着的物源信息。目前, 粉砂端元矿物组分仍未达成共识, 有学者认为粉砂端元仅包括石英, 也有学者认为应当包括石英和长石(Wang et al., 2012; Wang et al., 2017); 还有学者主张将云母、长石、黄铁矿共同作为粉砂端元(Helena et al., 2013)。

分类方案不同会导致不同学者即便对于同一套岩石也提出不同的分类及命名。详尽统一的分类方案不但有利于地质学者相互交流研究, 还能将细粒沉积岩的物源、沉积过程及环境、成岩作用更紧密地连接起来。因此, 寻求科学、系统的分类方案依然是迫在眉睫的任务。

2)热液喷流沉积岩分类

喷流岩自White(1955)提出以来, 一直被视为热液沉积岩, 分类方案多样。中国地质学家们按照形成环境将其分为海相喷流沉积及陆相喷流沉积; 根据其形成时热水流体类型和矿物岩石标志, 将其分为中高温热水沉积和中低温热水沉积。受到现代海底热液活动分类中“ 黑、白烟囱” 启发, 地史时期的中高温热水沉积岩可对应“ 黑烟囱型” 喷流岩, 以发育大量硫化物金属为主要特征, 包括钾长石岩、硅质(化)岩、菱铁绢云硅质岩、电气石岩、钠长石岩等。中低温热水沉积岩可对应为“ 白烟囱型” 喷流岩, 主要以碳酸盐、硅铝酸盐矿物及硅质矿物为主要组成矿物, 部分含有重晶石、硬石膏等硫酸盐矿物(肖荣阁等, 1994)。自郑荣才等(2003)发现中国首例湖湘“ 白烟型” 喷流岩以来, 该类岩石被广泛发现, 引起越来越多的学者对其进行研究。该类岩石的类型划分方案也变得丰富多样。目前湖湘“ 白烟型” 喷流岩依然以不同喷流矿物组合或岩石结构特征为主要分类依据(柳益群等, 2010; 钟大康等, 2015; 常海亮等, 2016)。郑荣才等(2003)在岩石组构特征的基础上, 进一步将产状及成因特征作为岩石划分依据之一: 按照岩石矿物组合特征, 将酒西盆地“ 白烟型” 喷流岩分为以硅铝酸盐、硫酸盐和碳酸盐矿物为主的3类喷流岩。再进一步结合岩石产状特征, 将上述喷流岩划分为喷流口内的脉状充填型喷流岩、喷流口的水爆角砾型喷流岩、喷流口附近的盆地沉积型喷流岩和远端的区域扩散型喷流岩; 文华国等(2005)对上述分类方案进一步归纳总结, 综合岩石学矿物学特征及成因类型, 将其划分为化学成因(钠长石岩、方沸石岩、铁白云石岩)、机械成因(水爆作用下喷流口附近先期喷流岩被震碎后沉积形成)和裂缝充填3种类型。然而, 以上分类方案均针对于热水环境下、由矿物结晶沉淀形成的喷流岩, 属于热液化学沉淀范畴。

柳益群等(2010, 2013)在三塘湖盆地中二叠统芦草沟组“ 白烟型” 喷流沉积白云岩中发现了与其伴生的特殊碎屑岩类。其中最引人注意的是一些富含深源碎屑、热液矿物和岩浆微屑的碎屑沉积岩。该类岩石呈薄层— 纹层状展布, 矿物组成类型单一, 且多以不稳定、次稳定矿物为主。碎屑颗粒分选差, 多呈不规则棱角状, 内部微裂隙发育, 分布无规律, 显示受爆裂作用影响及快速沉积特征。无论用陆源碎屑经历风化搬运再沉积, 或是由火山活动形成的凝灰物质沉积均难以全面解释这类岩石成因。柳益群等(2013)在对新疆三塘湖盆地二叠系芦草沟组热液喷流沉积岩(喷积岩)研究的基础上, 考虑了与火山活动相关的热液活动作用, 将这套由岩浆、热物质流体与湖水混合后沉积而成的新型细粒沉积岩统称为喷流沉积岩(喷积岩), 并以成因特征为主要分类依据将其分为喷流岩、喷爆岩、喷溢岩、喷混岩、嗜热嗜毒生物岩。该划分方案较完整地包括了目前为止细粒沉积岩中出现的特殊岩石类型, 也体现出岩石具有的特殊物源信息、形成方式及独特结构构造特征, 值得在以后的细粒沉积研究中借鉴参考。然而, 该成因解释在研究不同地质背景的学者中仍存在一定争议, 还需进一步收集证据, 完善自身理论。

周中毅等(1989)提出准噶尔盆地二叠系风城组凝灰质岩是一类新型生油岩。之后在中国各裂谷型断陷盆地的主力烃源岩中都先后钻遇了玄武质熔岩及凝灰碎屑岩, 熊寿生等(1996)认为主力烃源岩的沉积过程往往伴随着水下火山喷溢活动或深源喷流活动。于是不少学者开始讨论火山物质(凝灰物质)是否有利于生烃及有助于油源层发育(熊寿生和卢培德, 1996; 万从礼等, 2003; 朱国华等, 2014; 童晓光等, 2014)。目前较普遍的认识为: 火山活动期喷出的热量和二氧化碳有利于一些特殊生物生存, 从而增加了原始沉积有机质含量。此外, 火山灰能够迅速掩埋水生有机物质, 使湖相沉积物与氧气隔离, 为有机质发育提供有利的缺氧环境。在火山活动间歇期, 火山灰中丰富的矿物质与微量元素有利于生物富集。同时火山物质较高的热流值会使地温升高, 促进烃源岩热演化。对于富含火山物质、贫黏土矿物的黑色含油气细粒沉积岩, 有学者认为有机质向烃类转化时, 火山物质(例如火山橄榄石、沸石类矿物、金属卤化物等无机盐类矿物)起到了催化剂的作用, 可加速或提前使有机质成烃(熊寿生等, 1996; 万从礼等, 2003; 朱国华等, 2014)。因此, 凝灰岩及沉凝灰岩可能是新型的烃源岩, 具有较大的油气潜能。

然而, 以上认识及结论的主要依据仍然停留在“ 火山物质发育的岩层位置与优质烃源岩展布具有较好的耦合关系” 这样直观表面证据上(万从礼等, 2003; 高岗等, 2009; 王书荣等, 2013)。火山物质与有机质相互作用程度及作用范围、催化机理、具体影响了有机质生成或者烃源岩发育的哪些阶段、是否能建立二者之间特征参数的联系从而进行理论地探讨?这些问题依然没有解决。开展湖相黑色岩系中火山物质对生烃影响的研究, 无论对于其沉积机理或是成烃机理均具有重要意义。

现阶段关于热液喷流物质对油气影响较统一的认识为: 无论海洋或湖泊环境, 热液中均含有较丰度的P、N、Cu、Fe、Mo、V等生物营养元素和矿物质, 能促进水体中浮游藻类勃发。适宜的低温热液环境通常有利于生物的繁殖生长和有机质的富集, 从而提高古生产力。此外, 热液流体中富含丰富的H₂S及多种异常的金属元素, 有助于缺氧— 厌氧环境形成, 为有机质保存提供良好条件(焦鑫, 2012; 袁选俊等, 2015; 贺聪等, 2017; 贾智彬等, 2018)。近年来中国湖相含油气黑色细粒沉积岩中不仅发现了丰富的热液物质, 还发现了由热液喷流作用形成的深源碎屑(柳益群等, 2013, 2018; 焦鑫, 2017; 焦鑫等, 2017b; Jiao et al., 2018a; 李哲萱等, 2019)。深源碎屑大量出现的位置与储集层甜点位置往往具良好的耦合关系(蒋宜勤等, 2015)。不仅如此, 在现代不同大洋洋底已观察到了热水成因的石油(Simoneit and Lonsdale, 1982; Simoneit, 2004; 侯增谦等, 1999), 如加利福尼亚湾、Guaymas盆地、Escanaba海槽、红海海渊、东太平洋海脊(13° N)、东太平洋海脊(21° N)、大西洋TAG区等区域。热水成因的石油胶结了活动热水区的沉积物, 与热水排泄口和丘状堆积物共生, 产出于被氧化硅胶结的碎屑裂隙中。这些石油主要是未变化的凝析油, 研究认为是热水活动促使沉积物中的有机质热裂解形成的(Simoneit and Lonsdale, 1982)。这些发现使地质历史时期热液活动是否影响油气生成获得了高度关注, 也为深入探索油气的有机和无机成因提供了新思路, 对传统石油形成理论亦提出了挑战。

丰富的事实表明, 中国陆内裂谷环境下形成的湖相细粒黑色岩系中存在丰富源自地球内部不同深度、不同性质的热液沉淀和深源碎屑沉积, 它们更可能是正常湖相沉积下, 有火山作用和热液喷流作用参与的叠合沉积体。传统成因机制无法全面客观解释湖相细粒黑色岩系的复杂物质组成和结构构造特征。深源碎屑细粒沉积岩的客观存在, 伴随岩浆— 热液喷流沉积岩的提出和逐步研究, 不仅提供了碎屑沉积的新类型, 也使传统细粒沉积理论受到挑战。为了寻求全面合理的成因机理解释, 需要拓宽思路, 认识到细粒沉积岩石类型的多样化, 更新及完善细粒沉积理论。

现代火山喷发和热液喷流活动是全球常见的两类地质现象, 也是不同沉积环境中深源物质的提供者(Kelley et al., 2001; Brazelton et al., 2006; Smith, 2018)。基于现代实例观察, 火山喷发(例如现代水下或陆表不同性质火山喷发、溢流作用。White, 2000; Verolino et al., 2018)和热液喷流(现代海底“ 黑白烟囱” 及其附近的块状硫化物和各类例如黄石公园的陆表热液喷流沉积, Rona et al., 1975; Slack, 2012)作用研究日趋成熟, 但是受采样以及与正常沉积物混合难以区分限制, 上述两类地质作用和远离其喷口的细粒沉积作用在地质历史时期发育的岩石组合及特征和相关成因机制研究均存在明显不足(White, 2000; White and Houghton, 2006)。例如, 无论对现代热液喷流还是地史时期热液喷流作用, 研究重点依旧局限于热液成岩、成矿作用。其形成机理依然被认为是流体的化学沉淀或热液蚀变, 而对于该过程产生的深源碎屑物质及相关沉积机理则少有人深入研究。这些物质如何参与湖相沉积, 沉积后经历了怎样的成岩过程仍需进一步研究。

深源物质如何参与并影响有机、无机矿产形成亟待研究。中国陆相湖盆中的黑色细粒岩系广泛发育, 并且多为优质的烃源岩或致密油层系。这些黑色细粒岩中普遍含有深源物质不禁引发人们思考, 深源物质除了参与岩石沉积及成岩作用外, 很有可能也影响了生烃及成油过程。开展深源物质与油气关系研究, 不但能拓宽生烃理论的研究思路, 对油气勘探也具有指导意义。

油气有机无机成因的争论由来已久。虽然油气有机成因论已成为油气地质学中的主流观点, 但是对于油气无机成因论的研究从未停止过。较为著名的油气无机成因理论有地幔脱气论、费托合成说等(张景廉等, 2013)。目前关于无机生烃的科学证据均来自同位素示踪及微量金属元素分析等地球化学手段, 尚未见到来自矿物的证据。例如郭占谦和王先彬(1994)、王先彬等(2009)等通过判识松辽盆地徐家围子天然气的碳、氢、氦同位素, 认为松辽盆地存在非生物成因天然气; 张景廉等(2013)对克拉玛依油田乌尔禾沥青脉、塔里木盆地志留系砂岩沥青, 寒武系、奥陶系干酪根及辽河油田原油, 古近系有机质干酪根的 Pb、Sr、Nd 同位素及微量金属元素进行地球化学研究, 获得了一系列原油无机生成的重要证据。湖湘致密黑色生油岩系中发现的这些深源物质, 能否为无机生烃理论提供证据支撑, 仍需进一步探索。

针对碎屑沉积岩, 常规岩矿分析技术有X衍射、电子探针、扫描电镜、阴极发光等, 地球化学研究手段以主微量元素分析、同位素分析为主。由于细粒沉积研究对精度要求甚高, 新技术方法也不断涌现。例如XRF扫描、3D X射线扫描、Micro-CT、Nano-CT、场发射扫描电镜、双束扫描电镜等高分辨率技术手段的应用发展, 使沉积学在微观及定量研究方面取得重大突破(孙龙德等, 2015)。然而以上技术多利用于致密储集层孔隙研究, 例如建立数字岩心、精细刻画及定量表征微米— 纳米级孔隙喉道, 从而全面观察评价储集层性质, 对于粒度极小的细粒沉积物本身而言, 仍需更有效的矿物成分鉴定及特征研究技术手段。

致谢 衷心感谢审稿专家精心审阅本文并提出修改意见; 感谢中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司勘探开发研究院李倩工程师在论文写作过程中给予的帮助!