前述3组长试管静置实验观察表明: 细粒沉积, 尤其是富有机质的细粒沉积物(主要是泥页岩沉积物)的沉降速率不是人们想像中的那么慢, 反而在条件合适的时候沉降速率较高。在描述沉积岩厚度规模时, 人们常用根据层厚可以分为: 块状层厚(> 200 cm)、厚层(50~200 cm)、中厚层(10~50 cm)、薄层(1~10 cm)、纹层(< 1 cm)等类型(姜在兴, 2010)。而细粒沉积岩虽然也有中厚层与块状沉积, 但多数情况下它们成层性明显, 且具有可剥离性, 以单层厚度10 mm为界, 通常可以分为层(理)状(Bedding)与页理状(Lamination, 或称之为纹层)2大类(Potter et al., 1980)。大多数富有机质泥页岩的纹层结构更发育, 并可进一步细分为4种基本类型(Potter et al., 1980, 2005), 即厚纹层、中纹层、薄纹层和超薄纹层, 通常黏土与有机质含量越高, 纹层越薄; 而通常粉砂与碳酸盐含量越高, 则层或纹层越厚(图 4)。

图 4

Fig.4

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	图 4 细粒沉积岩成层性与风化可剥离特征的分类(据Potter et al., 1980; 有修改) 注: 图片来自中国近海盆地的岩心与显微镜下照片Fig.4 Classification of stratification and parting characteristics of fine-grained sedimentary rocks (modified from Potter et al., 1980)

从本次静置实验可以发现, 有机质、黏土矿物及水体盐度共同控制细粒沉积物的沉降速率。另外, 已有研究表明: 即便没有生物作用, 颗粒越细(尤其是泥级)的沉积物越容易发生絮凝沉降, 而砂级颗粒则容易产生单颗粒沉降(Potter et al., 1980; Schieber, 2011; 郭超, 2018)。一旦这些条件发生变化, 就容易形成类似或不同的纹层, 尤其是有机质丰度与盐度变化时, 更容易形成不同成分的纹层, 因此, 油页岩通常表现出典型的纹层或页理结构。

淡水湖盆中, 若局部盐度变化形成微咸水环境, 则有利于黏土矿物的快速沉降, 富有机质泥质沉积物在物理絮凝与生物絮凝的共同作用下, 可以明显增加沉积速率, 甚至可以形成层状富有机质泥/页岩; 而在总体淡水背景下, 局部咸化过程中, 盐度容易波动, 有利于形成纹层状(页理状)结构, 这可能是淡水微咸化后易形成油页岩的一个原因, 典型如北部湾盆地始新统流沙港组二段油页岩、渤海湾盆地始新统沙河街组三段油页岩的形成与淡水湖泊局部咸化或微咸化有关(罗佳强和沈忠民, 2005; 徐新德等, 2013)。

微咸— 咸水湖盆中, 由于黏土矿物的物理絮凝作用更明显, 若有机质含量不高时, 会快速沉积, 易形成厚层与块状黑色泥岩, 因此生烃潜力不高, 典型如美国死亡谷(Death Valley)高盐度的Badwater盆地中的黑色块状泥岩(Roberts et al., 1994)。但微咸水— 咸水湖盆中的浮力作用也更强, 富有机质絮凝团块易受浮力作用影响, 会比正常絮凝团块的沉降速率小, 因此更有利于细粒沉积纹层结构的形成, 在富有机质条件下, 容易形成微咸水— 咸水环境下的油页岩, 典型如渤海湾盆始新统沙河街组沙四段与沙一段油页岩(罗佳强和沈忠民, 2005; He et al., 2017)、柴达木盆地英雄岭下干柴沟组油页岩(熊鹰等, 2018)、准噶尔盆地芦草沟组油页岩(冯烁等, 2015)。因此, 油页岩的形成除需要相对安静水体环境外, 还与有机质丰度、黏土矿物含量、絮凝过程及水体盐度变化的综合响应有关, 而并非单独与水体盐度相关。

另外, 在湖盆的不同区域, 受沉积作用影响, 细粒沉积构造类型有差异, 如在断陷湖盆中(图 5), 多级同生断裂有利于形成浊流或异重流, 这也是造成细粒沉积物快速沉积的另一个重要因素(徐长贵等, 2008; Liu et al., 2016), 因此在陡坡带容易形成块状泥岩, 而缓坡与相对深水区域, 易形成纹层状泥/页岩或油页岩。

图 5

Fig.5

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	图 5 断陷湖盆细粒沉积岩分布模式Fig.5 Distribution pattern of fine-grained sedimentary rocks in faulted lacustrine basin

1)长试管。文中的静置实验所设计的装置长度为1 m, 它是一种圆筒状的像试管一样的装置, 但要比普通试管长很多, 故称之“ 长试管” 。而本次实验长试管设计的长度为1 m主要考虑2个因素: 一是借鉴了Stokes沉降实验(Kumar et al., 2014), 便于对比分析1 m水深时的沉降速率; 二是考虑到1 m长度比较容易刻度, 也方便进行观察与计量。长试管壁厚要有一定厚度, 主要是考虑减少碰撞导致破裂, 而内径是用来计算容积的, 太小或太大的内径, 都会使观察不够方便, 本次按6 L左右容积反算试管内径为9 cm。长试管的内径设计要考虑容积与观察的便利性, 当然作者设计的内径并不一定是最科学的, 不同的研究者可根据具体情况自行设计。

2)细粒沉积是否含有机质问题。本次静置沉降实验考虑的是富含有机质的细粒沉积与不含有机质细粒沉积的2种情况。购买的黏土是纯黏土, 主要成分是伊利石与蒙脱石, 并主要考虑伊利石影响为主, 主要对比实际资料为渤海湾盆地(渤海湾盆地始新统沙河街组通常埋深较大, 导致伊利石比蒙脱石更发育); 而野外取样的泥质沉积物样品主要为碳质泥沉积物(富含碳质泥级沉积物)。需要说明的是, 实验观察结果中, 富有机质泥随盐度增加, 似乎沉降速率也略有增加; 而黏土矿物的沉降速率在减少。这一方面可能是由于肉眼观察的确存在一定误差, 主要是浓度的精确判断方面存在误差; 另一方面也可能的确存在絮凝、电凝及浮力相互影响的复杂情况, 值得今后实验中注意。

3)沉降速率分析。本次长试管静置实验结果表明, 富有机质泥与黏土矿物在3种不同性质的水中沉积速率不同, 富有机质泥的沉降速率介于0.42~1.39 cm/min之间, 黏土矿物的沉降速率介于0.09~1.05 cm/min之间, 微咸水和咸水相差不太明显, 而淡水与咸水、微咸水的沉积速率较大, 并且在淡水环境下富有机质泥和黏土矿物相差也十分突出。今后需多增加几组重复实验, 在实验数据基础上进行机理深入研究。另外, 实验中所显示的沉降速率, 与细粒沉积物在实际中的沉积速率差异较大。例如王伟等(2022)在研究山东半岛南部丁字湾口外海底沉积物粒度时空变化及影响因素时, 指出三角洲顶端和前缘平均沉积速率分别为0.51 cm/a和1.19 cm/a, 而实验中最小的沉降速度也远远高于此值, 这主要是与实验水深、物源供应及絮凝作用有关, 实验用的几乎是饱和富有机质液体, 而且水深仅有近1 m, 而现实中沉积物的供给远远无法达到这种程度, 因此, 此实验中的沉降速率不能代表沉积物的实际沉积速率, 不能把两者进行简单对比。

4)有待深入研究之处。关于细粒沉积构造的形成机制, 目前已有一些学者开展了动水条件的实验, 如环管(或跑道式)动水流动实验(Schieber, 2011)。作者的研究目前还未涉及动水条件的观察实验, 主要是因为实验设备还不到位, 这也是今后有待深入研究的方面。此外, 作者实验中的观察浓度是根据肉眼可见的清晰度进行定性判断, 没有利用实验手段进行定量判定, 这也是今后有待改进之处。

1)长试管静置实验表明: 富有机质泥在淡水中的沉降速率明显高于其在微咸水与咸水中的沉降速率; 黏土矿物在微咸水与咸水中的沉降速率明显高于在淡水中的沉降速率。也就是说, 在淡水条件下, 富有机质泥的沉降速率也明显比黏土矿物要高; 而在微咸水与咸水条件下, 黏土矿物的沉降速率明显比富有机质泥要高。

2)细粒沉积物的沉降规律及沉降速率的差异主要是由于在不同水介质条件下, 絮凝作用类型的差异与浮力作用的影响。有机质、黏土矿物及水体盐度共同控制细粒沉积物的沉降速率。一旦相关条件发生变化时, 就容易形成类似或不同的纹层, 尤其是有机质丰度与盐度变化时, 更容易形成不同成分的纹层, 因此, 油页岩通常表现出典型的纹层或页理结构。

3)淡水湖盆的局部咸化有利于形成纹层状(页理状)构造, 这可能是淡水微咸化后易形成油页岩的一个原因。而微咸— 咸水湖盆中, 在富有机质条件下, 也容易形成油页岩。因此, 油页岩的形成除需要相对安静水体环境外, 还与有机质丰度、黏土矿物含量、絮凝过程及水体盐度变化的综合响应有关, 而并非单独与水体盐度相关。

4)在湖盆的不同区域, 受沉积作用影响, 细粒沉积构造类型有差异, 在湖盆陡坡带容易形成块状泥岩, 而缓坡与相对深水区域, 易形成纹层状泥/页岩或油页岩。

(责任编辑 郑秀娟)