经典沉积岩分类中, 将沉积岩分为由母岩风化产物组成的沉积岩、由火山碎屑物质组成的沉积岩、由生物遗体组成的沉积岩三大类(图 1), 其中, 由母岩风化产物组成的沉积岩占据主导, 又根据沉积作用方式进一步划分为碎屑岩和化学岩。在该沉积岩分类体系中, 细粒沉积岩作为一种特殊沉积岩类型, 其物质组成来源多样且大多是混合来源, 不能简单地划归碎屑岩、化学岩或火山碎屑岩。

图 1

Fig.1

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	图 1 几个经典的沉积岩分类 A— 经典教材中沉积岩分类(冯增昭等, 1991; 朱筱敏等, 2008; 姜在兴等, 2010); B— Tucker沉积岩分类(Tucker, 2001)Fig.1 Several classic classifications of sedimentary rocks

泥岩、页岩、黏土岩、细粒沉积岩相关概念存在联系, 但侧重点不同。 主要表现为:

1)泥岩强调的是粒度, 指由泥级沉积物形成的沉积岩, 泥级指粒径小于62.5 μ m(Tucker, 2001)。

2)页岩强调的是结构或岩石裂变性, 指发育页理的泥岩。

3)黏土岩强调的是成分, 指主要由黏土矿物组成的沉积岩, 在沉积岩分类中属于碎屑岩(朱筱敏, 2008; 姜在兴, 2021)。

4)细粒沉积岩强调的是粒度, 指由细粒沉积物组成的沉积岩, 其物质来源(成分)包括陆源碎屑沉积物、化学沉积物及内碎屑、火山碎屑沉积物, 因此细粒沉积岩包含碎屑岩中的粉砂岩和黏土岩, 化学岩中泥晶— 粉晶灰岩/云岩/硅质岩及粉屑— 泥屑灰岩/云岩, 火山碎屑岩中由火山灰和火山尘组成的细粒火山碎屑岩, 以及上述沉积物混积形成的细粒混积岩。

不同学者对细粒沉积粒度的界定存在差异。国际上多数学者以2的几何级数制为基础, 主张粒级界定于62.5 μ m(Krumbein, 1932; Tucker, 2001; Macquaker and Adams, 2003; Aplin and Macquaker, 2011)。国内部分学者也持该观点(姜在兴等, 2013; 陈世悦等, 2016; 金之钧等, 2021; 朱如凯等, 2022), 同时也有学者主张以石油行业标准为基础, 粒级界定于100 μ m(贾承造等, 2014; 袁选俊等, 2015)。笔者认为, 学术界应尽快达成共识, 以便更好地开展研究, 同时建议基于国际标准将粒径定于62.5 μ m以下。

1747年, Hoosen最早提出了“ 泥岩” 的概念。1853年, “ 岩石学之父” Sorby首次将显微镜应用到地质研究中, 并磨制岩石薄片, 研究了泥岩的微观特征。1922年, Wentworth(1922)提出应用2的几何级数制划分碎屑颗粒粒度, 建立了乌顿— 温德华氏粒级标准(Udden-Wentworth grade scale), 提出62.5 μ m(1/16 mm)以下为粉砂, 3.9 μ m(1/256 mm)以下为黏土, 该粒度分级被后续学者广泛采纳。以此为基础, 1932年, Krumbein(1932)提出细粒沉积物(Fine-grained sediments)的概念, 并将粒径界定在62.5 μ m以下, 其主要依据是, 粒径小于1/16 mm(62.5 μ m)的沉积物会发生絮凝作用, 导致粗碎屑的“ 筛选” 粒度分析方法不适用于细粒沉积物, 进而提出了“ 移液管法” 进行细粒物质粒度分析。1953年, Ingram(1953)系统研究了泥状岩(Mudrocks)的可裂变性, 如果具有可裂变性称为页岩, 无裂变性称为泥岩。1971年, Picard(1971)首次系统地提出了细粒沉积岩的分类方案: 以黏土、砂、粉砂为三端元将细粒沉积岩分为黏土岩、粉砂岩、泥岩。并指出除矿物含量外, 可裂变性、层理类型、沉积构造、颜色、化石成分等也应参与命名。

自此之后, 细粒沉积岩命名及分类一直是沉积学者讨论的热点。国外学者讨论的细粒沉积岩分类及模式集中在海相环境, 以野外露头、岩心薄片观察、化验分析、测井、地震等手段为基础, 选取颜色、矿物成分、沉积结构、层理类型、生物化石等特征为依据对细粒沉积岩进行分类(Mulder and Syvitski, 1995; Macquaker and Adams, 2003; Milliken, 2014; Lazar et al., 2015)。代表案例包括Loucks和Ruppel(2007)构建的“ 矿物成分— 沉积结构— 生物化石类型” 分类标准和McKee和Weir(1953)提出的“ 沉积结构层理规模— 力学特征” 分类标准。此外, 三端元图解结构分类法作为众多成分分类方案的原型为细粒沉积岩的成因讨论提供了基础。Macquaker和Adams(2003)提出了以组分含量来进行细粒沉积岩分类命名的方案(图 2-A), 并不考虑物质来源。Milliken(2014)根据沉积及成岩特征将盆内和盆外颗粒进行区分并据此建立了Tarl/Varl(盆外的陆源碎屑/火山碎屑组分达75%以上), Carl(盆外碎屑小于75%, 盆内碎屑中生物钙质含量大于生物硅质含量)和Sarl(盆外碎屑小于75%, 盆内碎屑中生物钙质含量小于生物硅质含量)的三端元岩石分类方案(图 2-B), 有效地区分了不同矿物的沉积、成岩特征, 对恢复细粒沉积岩形成过程以及后期成岩改造具有重大的推进作用(Milliken, 2014; Camp et al., 2016)。但由于细粒沉积颗粒小, 该分类存在颗粒成因识别难度大、成岩蚀变后原始成分鉴别难的挑战, 因此需借助高精度的观察设备和定量分析方法。Lazar等(2015)提出了以黏土矿物、石英和碳酸盐含量为三端元的划分方案, 共分为4个大类, 分别命名为硅质、钙质、黏土质和混合质细粒沉积岩(图 2-C), 在此基础上再进行成分的成因分析, 黏土矿物包含自生和陆源2种类型, 石英包含陆源、生物源和自生来源, 碳酸盐也包含陆源、生物源和自生来源。Macquaker和Adams(2003)的分类非常精细, 但仅考虑成分含量, 且划分的岩石类型过多, 不便于细粒沉积岩的深入研究和成因解释。Lazar等(2015)提出了良好的成分分类和命名方案, 在此基础上进一步分析各组分成因。Milliken(2014)则直接按照成因分类和命名, 尽管存在争议, 但仍是积极的尝试。

图 2

Fig.2

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	图 2 不同学者提出的细粒沉积岩分类方案 A— Macquaker和Adams(2003)的成分分类, 详细命名按照三级命名法; B— Milliken(2014)成因分类, Tarl-陆源碎屑泥岩类, Carl-生物钙质泥岩类, Sarl-生物硅质泥岩类; C— Lazar等(2015)成分— 成因分类, 在成分分类基础上, 根据成分物质来源进行细化; D— Jiang 等 (2013)细粒沉积岩分类方案Fig.2 Classification schemes for fine-grained sedimentary rocks proposed by different scholars

国内细粒沉积岩分类方案多采用矿物成分三端元法为基础, 综合有机质丰度、地球化学特征、特殊矿物成分、成因机制、生物特征等来划分(图 2-D)(姜在兴等, 2013; 柳益群等, 2013; 张少敏等, 2018; 胡宗全等, 2021; 赵贤正等, 2023)。但细粒沉积岩复杂多样, 形成的盆地背景(前陆盆地、断陷盆地、拗陷盆地)、湖泊水体环境(淡水、微咸水、咸水)等均存在巨大差异(袁选俊等, 2015; 张少敏等, 2018; 周立宏等, 2018; 彭军等, 2022)。不同盆地形成的细粒沉积岩并没形成统一的分类和命名, “ 逐盆逐建, 逐次逐建” 成为细粒沉积岩分类方案及模式构建的常态(朱如凯等, 2022; 姜在兴等, 2023)。这极大地制约了细粒沉积岩的系统深入研究。

目前, 以黏土、长英质矿物和碳酸盐矿物为三端元进行分类是最为常见的方案, 但存在如下问题: (1)不能全面适用于不同沉积背景下形成的细粒沉积岩, 如准噶尔盆地玛湖凹陷风城组页岩含大量的热液矿物, 鄂尔多斯盆地延长组长7段页岩含大量火山碎屑。 (2)不能有效反映细粒沉积岩形成的沉积作用及成因, 除传统的悬浮沉积外, 还存在重力流等机械沉积、化学沉积、生物沉积等(Shamugam, 2003; Schieber and Southard, 2009; Konitzer et al., 2014)。(3)不同盆地页岩组分差异大, 无法形成统一的分类方案, 能否建立如砂岩“ 四组分三端元” 经典分类体系, 是沉积学家普遍关注的问题。

细粒沉积广泛发育在沉积记录中, 其矿物构成复杂, 包含了黏土矿物(如伊利石、伊蒙混层、高岭石、绿泥石等)、石英、长石、碳酸盐矿物(如方解石、白云石、菱铁矿等)、硫化物(黄铁矿等)、有机质、凝灰质等。就物质来源而言, 主要包括陆源碎屑物质、盆内化学物质、生物源物质、火山碎屑物质等, 不同盆地细粒沉积岩的物质来源及组分构成存在巨大差异(表 1; 图 3)。

表 1

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表 1(Table1)

表 1 中国主要陆相沉积盆地细粒沉积的物质组分构成、岩相及形成环境 Table1 Mineral composition, lithofacies and sedimentary environments of fine-grained sedimentary rocks in continental sedimentary basins in China 盆地及次级构造 地层 组分/%(括号内为均值) 岩石类型 沉积环境 陆源碎屑物质 盆内化学沉淀物质 火山碎屑 物质 生物源 物质 黏土矿物 长英质矿物 碳酸盐矿物 黄铁矿 火山物质 有机质 南襄盆地 泌阳凹陷 核桃园组二段 11~46.5 (34.45) 20~77.6 (43.7) 10~57.5 (35) 0~7.6 (2.8) / 1.59~4.53 (2.93) 块状泥岩、纹层状黏土质页岩、纹层状粉砂质页岩、纹层状灰质页岩、纹层状云质页岩 干旱— 半干旱、咸水、水深高频变化、还原环境 核桃园组三段 15.9~68.2 (35.6) 1.9~49 (35.57) / 渤海湾盆地 沧东凹陷 孔二段 1~41 (15.9) 0~100 (35.7) 0~100 (34.7) 0~17 (0.6) 1~10 (3.26) 泥岩、含云泥岩、云质泥岩、泥质云岩、含泥云岩、白云岩、粉砂质泥岩 温暖潮湿、半咸水— 咸水、半深湖— 深湖、贫氧环境 济阳坳陷 沙三下亚段— 沙四上亚段 2~59 (21.07) 3~100 (27.19) 1~97 (49.6) 1~34 (3.2) / 2~4 深灰色泥岩、灰泥岩、白云质泥岩、泥质灰岩 干旱— 半干旱、咸水、还原环境 辽河坳陷 沙三段 5.6~54.9 (36.4) 2.8~100 (49.6) 4.2~9.3 (2.6) 0.9~10.5 (4) / (3.34) 黏土型泥页岩、长英型泥页岩、碳酸盐岩、混合型泥页岩 微咸— 咸化环境 准噶尔盆地 阜康凹陷 芦草沟组 2~62 (33.02) 25~84 (53.86) 0~68 (13.11) 1~10 0~30 2~6 泥岩、夹粉砂岩和粉砂质条带的泥岩、泥灰岩、加硅质钙质云岩、页岩 淡水为主、部分咸化、缺氧还原环境 38~98 (66.98) 玛湖凹陷 风城组 22.8~66.2 (37.88) 33.33~99.18 (57.44) 0~29.43 (4.4) 0~3.11 (0.24) 5~25 (2.2) 泥质粉砂岩、泥质细砂岩、云质粉砂岩 干旱炎热、半咸水、强还原— 还原 鄂尔多斯盆地 长7段 12.37~61.5 (40.57) 19.28~90.52 (50.21) 0~14.43 (5.84) / 5~30 3~16 块状泥岩、粒序层理泥岩、波状纹层页岩、平直纹层页岩、凝灰岩 温暖潮湿、淡— 微咸水、水体较深、还原环境 四川盆地 须家河组 15.1~75.3 (49.5) 12.1~100 (31.91) 0~67 (18) / / 1.16~2.68 (1.63) 纹层状砂质、粉砂质页岩、纹层状钙质页岩、富有机质页岩 温暖湿润、滨海— 潟湖湖盆环境 松辽盆地 古龙凹陷 青山口一段 6.1~39.3 (23.5) 16~90.2 (62.9) 1.1~72.5 (7.2) 1~12.8 (5.9) / (2.67) 泥岩、含介形虫泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、白云岩、泥灰岩、灰质泥岩 微咸化、水体持续加深、还原环境 江汉盆地 潜江凹陷 潜三段 5.0~36.4 (21.5) 4.8~66.9 (24.1) 0~81.5 (41.3) / / 0.14~19.26 (2.53) 云质泥岩、膏岩、盐岩 半干旱— 半湿润咸水还原环境

表 1 中国主要陆相沉积盆地细粒沉积的物质组分构成、岩相及形成环境 Table1 Mineral composition, lithofacies and sedimentary environments of fine-grained sedimentary rocks in continental sedimentary basins in China

图 3

Fig.3

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	图 3 中国陆相细粒沉积岩组分构成及微观特征 A— 渤海湾盆地济阳坳陷古近系沙河街组(Liang et al., 2018a); B— 四川盆地三叠系须家河组(邓涛, 2020); C— 南襄盆地泌阳凹陷核桃园组(张文昭, 2014); D— 准噶尔盆地阜康凹陷芦草沟组(张少敏等, 2018); E— 鄂尔多斯盆地延长组7段; F— 江汉盆地潜江凹陷潜江组 (Kong et al., 2022); G— 松辽盆地古龙凹陷青山口组(柳波等, 2018); H— 渤海湾盆地沧东凹陷孔二段(李圯等, 2020)Fig.3 Composition and microscopic characteristics of fine-grained sedimentary rocks in continental basins in China

3.1 陆源碎屑物质

主要指来自母岩风化的碎屑物质通过河流、风等方式搬运并输送至盆地的沉积物(Garrels and Mackenzie, 1971; Hillier, 1995; Potter et al., 2005), 几乎所有盆地的细粒沉积岩中均含陆源碎屑物质。相比于海洋, 湖泊沉积物受气候、陆源、水体物理化学性质的影响更加敏感, 这表现在其时空维度上具有较大的差异性(Liang et al., 2018a; 黎茂稳等, 2022)。

就成分而言, 陆源碎屑物质包含陆源碎屑来源的石英、长石、黏土矿物、碳酸盐矿物、岩屑等。但值得注意的是:(1)石英并不都是陆源碎屑成因, 也包括生物成因、成岩自生等成因(图 4)。中国四川盆地五峰组— 龙马溪组页岩中含有很高比例的自生石英(最高可达80%), 主要来自生物硅的转化(图 4-A)。中国陆相页岩中存在大量的成岩自生石英, 来自黏土转化、长石溶蚀及火山物质蚀变(图 4-B, 4-C, 4-D)。美国东部晚泥盆世Chattanooga and New Albany页岩中, 充填于藻类孢囊的粉砂级石英甚至高达100%来自放射虫及硅藻溶蚀(图 4-E, 4-F; Schieber et al., 2000)。(2)碳酸盐矿物既可以来自盆内沉淀, 也存在陆源碎屑成因。在四川盆地、渤海湾盆地冀中坳陷束鹿凹陷等均有陆源碳酸盐岩碎屑发现, 粒级50~200 μ m, 与碎屑石英和长石伴生。

图 4

Fig.4

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	图 4 细粒沉积岩中自生石英 A— 生物硅, 四川盆地龙马溪组页岩, W213井, 3747.23 m; B— 黏土转化成岩石英, 济阳坳陷沙四上亚段, NY1井, 3456.5 m; C— 鄂尔多斯盆地延长组, G292井, 2565 m; D— 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组, J37井, 2848 m; E和F— 粉砂级自生石英颗粒, F为E阴极发光图像(Schieber et al., 2000); bioQ-生物石英; diaQ-成岩石英; DQ-碎屑石英Fig.4 Autogenic quartz in fine-grained sedimentary rocks

3.2 盆内化学物质

盆内化学物质指陆源溶解物质及深部热液来源物质在海洋/湖泊水体中通过化学及生物化学直接沉淀, 或先期化学及生物化学沉积未固结经机械改造形成的沉积物。其主要矿物包括碳酸盐矿物、磷酸盐矿物、石膏及蛋白石等(Arthur and Sageman, 1994; Loucks and Ruppel, 2007)。在中国东部陆相细粒沉积中, 盆内化学沉淀物质最高可达60%以上, 如济阳坳陷沙河街组沙四上— 沙三下细粒沉积主要由盆内自生碳酸盐构成, 江汉盆地潜江凹陷潜江组细粒沉积含大量钙芒硝、白云石等盐类矿物。深层卤水带来的大量富离子流体进入沉积盆地, 已成为深水细粒沉积的重要物质来源。

盆地化学物质主要存在以下沉积作用方式(图 5): (1)生物化学作用: 藻类等通过诱导、粘结水体中的Ca²⁺、C O32-离子, 沉淀泥晶方解石(Dupraz et al., 2009), 这是济阳坳陷古近系页岩中碳酸盐矿物沉淀的重要机制(Liang et al., 2018a)。 (2)化学作用: 高温度、高盐度或CO₂分压背景下盐类矿物析出沉淀, 如江汉盆地潜江组页岩中发育大量石盐、白云石等沉积(姜在兴等, 2023)。(3)盆内化学及生物化学沉积物再搬运沉积作用: 如碳酸盐质内碎屑等。

图 5

Fig.5

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	图 5 盆内自生物质来源Fig.5 Biomass sources within the basin

笔者认为细粒沉积岩分类应当反映以下3个主要问题: (1)组分物质来源, 即能够指示陆源、生物源、深部源等不同来源; (2)沉积作用方式, 细粒物质沉积过程包括物理、化学、生物等多种作用方式; (3)具有普遍适用性, 以便科研工作者形成统一的认识体系。有机质对于细粒沉积岩的沉积过程、成岩作用及页岩油形成与富集有着至关重要的作用(梁超等, 2017), 因此将有机质纳入细粒沉积岩分类是必要且有意义的。

遵循上述原则, 提出了基于物质来源及成因的细粒沉积岩“ 四组分三端元” 分类方案(表 2)。

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 细粒沉积岩组分来源— 成因综合分类方案 Table 2 Comprehensive classification scheme based on composition and genesis for fine grained sedimentary rocks 注：[1]自生化学沉淀矿物以碳酸盐矿物为例进行命名参考; [2]岩石名称可根据具体的岩石组分进行命名; [3]相同含量级别的组分, 含量多的矿物放在后面。

表 2 细粒沉积岩组分来源— 成因综合分类方案 Table 2 Comprehensive classification scheme based on composition and genesis for fine grained sedimentary rocks

1)首先考虑生物源物质, 根据TOC含量划分为低有机质、中有机质和高有机质细粒沉积岩, 建议以TOC含量2%和4%为界, 划分为低有机质、中有机质和高有机质3类细粒沉积岩。

2)以此为基础, 以陆源碎屑物质、盆内化学物质、火山碎屑物质进行三端元划分, 分为4类(图 6): Ⅰ -陆源碎屑细粒岩类、Ⅱ -化学细粒岩类、Ⅲ -火山碎屑细粒岩类、Ⅳ -混合细粒岩类。陆源碎屑物质主要考虑石英、长石和黏土矿物等。需要说明的是, 陆源碳酸盐岩泥屑总体发育较为局限, 盆内自生黏土矿物相对含量较低, 主体仍是陆源碎屑物质。盆内化学沉淀物质主要为盐类矿物, 如碳酸盐、硫酸盐、卤化物等矿物。

图 6

Fig.6

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	图 6 细粒沉积岩四组分三端元分类方案Fig.6 Classification scheme for fine-grained sedimentary rocks

3)对单一物质来源(≥ 50%)且有主导矿物(≥ 50%)的细粒沉积岩采用三级命名原则进行命名: 大于50%定主名, 25%~50%定XXX质, 10%~25%定含XXX。

如陆源碎屑细粒岩: 黏土含量35%, 长英质矿物含量55%, 且均为粉砂, 则命名为黏土质粉砂岩。

如化学细粒岩: 石膏含量30%, 白云石含量50%, 黏土含量15%, 则命名为: 含黏土膏质云岩。

4)对单一物质来源(≥ 50%)但无主导矿物(< 50%)的细粒沉积岩, 采用合并命名原则:

如某细粒沉积岩中方解石含量35%, 石英含量22%, 长石含量8%, 黏土含量28%, 陆源碎屑含量58%, 命名为灰质陆源碎屑细粒岩。

5)对多成分来源且没有≥ 50%大类组分的细粒沉积岩, 采用复合命名原则: 以含量25%~50%的物质来源组分进行复合命名, 以“ XX-XX细粒混积岩” 表示, 含量较多的写在后面, 其他物质来源组分参照三级命名原则。

如某细粒沉积岩中方解石含量28%, 白云石含量12%, 石英含量20%, 长石含量5%, 黏土含量17%, 火山碎屑物质含量15%, 命名为含火山碎屑的碳酸盐— 陆源碎屑质细粒岩。

细粒沉积岩物质来源包括陆源碎屑来源、盆内化学来源、生物来源、火山来源。不同盆地细粒沉积岩的物质来源存在巨大差异, 造成了组分构成的差异, 同时同一盆地同种矿物也通常具有成因多样性。基于组分来源及沉积作用, 提出了四组分三端元分类方案, 并按照三级命名原则、合并命名原则和复合命名原则, 进行细化的细粒沉积岩岩石命名, 为细粒沉积岩深入研究提供了统一分类命名方案。

致谢 本文提出的细粒沉积岩分类方案受冯增昭先生碳酸盐岩分类思想启发, 谨以此文缅怀冯增昭先生!同时也参考了国内外专家学者的文献, 在此一并表示感谢!

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 龚承林)