邵龙义, 张天畅. (2023). 泥质岩定义及分类问题的探讨* [J]. 古地理学报, 25(4): 742-751.
SHAO Longyi, ZHANG Tianchang. (2023). Discussion on definition and classification of mudrock[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(4): 742-751.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.04.058
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泥质岩定义及分类问题的探讨*
邵龙义, 张天畅
中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083

第一作者简介 邵龙义,男,1964年生,博士生导师,中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院教授,工学博士学位,长期从事沉积学和煤田地质学教学及研究工作。E-mail: ShaoL@cumtb.edu.cn。

收稿日期:2023-03-05 修回日期:2023-05-12
基金资助:*山西省科技计划揭榜招标项目(编号: 20201101004),国家自然科学基金面上项目(编号: 41572090),中国矿业大学(北京)越崎学者A类资助共同资助
摘要

泥质岩为细粒沉积岩的主要类型,但国内外对其概念及分类有多种不同的理解,这给学术研究带来诸多困扰。文中梳理了国内外沉积学发展中泥质岩相关概念和定义的变迁,并试图建立一个实用的泥质岩( mudrock)分类体系。欧美国家多倾向于使用“泥质岩”一词,用于指粒径小于 0.063 mm的细粒陆源碎屑岩,包括粉砂岩(粉砂含量大于 2/3)、泥岩(粉砂和黏土含量都不超过 2/3)和黏土岩(黏土含量超过 2/3),其中发育纹层的岩石称为页岩; 而前苏联学者则倾向于使用“黏土岩”一词, 用于指黏土矿物含量大于 50%的沉积岩,其中可劈裂成薄层的岩石称为页岩。国内外泥质岩及细粒沉积岩分类命名主要依据结构(粒级)、成分和沉积构造等特征,目前分类方案主要有 2种,一种是多要素岩石综合分类方案,另一种是端元图式分类方案。笔者建议采用“泥质岩”一词作为细粒陆源沉积岩(物)的总称,指示主要由粒径 0.004~0.063 mm的粉砂和小于 0.004 mm的黏土组成的细粒陆源沉积岩; 采用三棱柱图解分类方法,以碎屑矿物(主要是长英质碎屑矿物)、黏土矿物和内源矿物为三端元,划分出细粒陆源沉积岩(泥质岩)和细粒内源沉积岩 2个大类,前者可进一步分为粉砂岩、泥岩和黏土岩 3个亚类,若具纹层和页理构造则称为页岩; 并以 TOC含量 0.5%和 2.0%为界,将细粒陆源沉积岩划分为贫有机质、含有机质和富有机质 3类。期望该分类方案能够对泥质岩行业分类方案制定起到推动作用。

关键词: 泥质岩; 泥岩; 页岩; 粉砂岩; 黏土岩; 分类命名
中图分类号:P588.22 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)04-0742-10
Discussion on definition and classification of mudrock
SHAO Longyi, ZHANG Tianchang
College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China

About the first author SHAO Longyi,born in 1964,is a professor and doctoral supervisor at the College of Geoscience and Surveying Engineering of China University of Mining and Technology(Beijing)with a doctorate degree in engineering. He is mainly engaged in teaching and research on sedimentology and coal geology. E-mail: ShaoL@cumtb.edu.cn.

Fund:Co-funded by Shanxi Province Science and Technology Plan Unveiled Bidding Project(No.20201101004),Surface Project of the National Natural Science Foundation of China(No.41572090),Yueqi Scholars Class A grant of China University of Mining and Technology(Beijing)
Abstract

Mudrock is a major category of fine-grained sedimentary rocks,and there have been different understandings of its definition and classification in China,resulting in much confusion for academic research. This paper reviews the evolution of mudrock-related concepts and definitions in the development of sedimentology at home and abroad and attempts to provide a practical classification system for mudrock. Scholars in European and American tend to use the term “mudrock”, which refers to fine-grained terrestrial clastic rocks with a grain size less than 0.063 mm,including siltstone(two-thirds or more silt content),mudstone(neither silt nor clay content greater than two-thirds)and claystone(more than two-thirds clay content),in which the laminated rock is called shale. However, scholars in the former Soviet Union tend to use the term “глинистые породы” (argillaceous rock) to refer to sedimentary rocks containing more than 50% of clay minerals,in which the fissile rock is called shale. There are essentially two classification schemes for mudrock and other fine-grained sedimentary rocks,classified by texture(grain size),composition and sedimentary structure. One is a multi-element comprehensive rock classification,and the other is an end-members diagrammatic classification. We recommend the term “mudrock”as a general name for the fine-grained terrestrial sedimentary rocks consisting mainly of silt-sized(0.004-0.063 mm)and clay-sized(less than 0.004 mm)clasts. A triangular prism diagram classification method is adopted to classify fine-grained sedimentary rocks into fine-grained terrestrial sedimentary rock( i.e. mudrock)and fine-grained endogenous sedimentary rock,based on three end-elements of detrital minerals(mainly felsic detrital minerals),clay minerals and other endogenous minerals. Mudrock is further classified into three subgroups of siltstone,mudstone and claystone,or “-shale” if laminations or fissility are developed. Taking the TOC contents of 0.5% and 2% as the dividing points,fine-grained sedimentary rocks are classified into organic-poor,organic-bearing,and organic-rich ones. It is expected that this classification scheme will contribut to the mudrock classification.

Key words: mudrock; mudstone; shale; siltstone; claystone; classification and nomenclature
1 概述

泥质岩(mudrock)在全球不同地质时代广泛分布, 在整个沉积岩中占比达70%, 甚至80%(参考Pettijohn, 1975), 其矿物组成、地球化学特征能够反映地质历史时期沉积环境、古气候、物源区属性和元素迁移过程等信息(王剑等, 2015; 沈文超等, 2022)。泥质岩具有特殊的物质组成及物理属性, 工业用途广泛(刘宝珺, 1980; Potter et al., 2005), 且因其极低的渗透性而成为良好的油气盖层和隔水层(张人权等, 2018)。泥质岩作为非常规油气中重要的烃源岩和储集层, 油气资源量巨大, 特别是近年来非常规页岩油气勘探开发的成功, 更加激发了对泥质岩的研究兴趣(邹才能等, 2022)。

通过对中国知网和Web of Science数据库中的核心期刊/基金资助论文进行文献计量统计(图 1), 发现最近40多年来(1980— 2022年)国内外泥质岩相关论文的发文量呈现逐年上升趋势, 主要分布在石油天然气工程、地质学、环境学等学科, 主题多集中在非常规油气领域。在各种研究和文献资料中, 出现了与泥质岩有关的诸多术语, 中文有细粒沉积岩、泥质岩、黏(粘)土岩、泥岩、粉砂岩、泥灰岩、页岩、泥页岩等名称, 英文有fine-grained sedimentary rock, argillaceous rock, argillite, claystone(clay), lutite, marl, micrite, micstone, mudrock, mudstone(mud), pelite, siltite, siltstone(silt), slate, wacke, shale等名称。这些数量众多、相互交叉的术语, 给国内研究者带来了诸多困扰。

图 1 国内外泥质岩相关论文的发文量年代分布曲线(数据截至2022年底)
A— 泥质岩相关中文论文的发文量(篇), 数据源为中国知网数据库; 检索条件为: 篇关摘=“ (‘ 页岩’ +‘ 泥岩’ +‘ 泥页岩’ +‘ 粉砂岩’ +‘ 泥灰岩’ +‘ 泥质岩’ +‘ 细粒沉积岩’ +‘ 粘土岩’ +‘ 黏土岩’ )” , 是否基金文献=“ 是” , 数据库=“ 总库” , 时间跨度=“ 1980-2022” ; 检索日期为: 2023年3月1日; 检索得到37 624篇不重复文献。B— 泥质岩相关英文论文的发文量(篇), 数据源为Web of Science数据库; 以shale为例, 检索条件为: TI=‘ shale’ , OR KP=‘ shale’ , OR AB=‘ shale’ , 数据库类型=“ Web of Science 核心合集(数据库)” , 时间跨度=“ 1980-2022” ; 检索日期为: 2023年3月1日; 检索得到59 216篇不重复文献Fig.1 Time distribution curve of published papers on mudrock in China and abroad(data up to 2022 end)

泥质岩粒度细小, 对其进行裸眼观察和各组分定量分析都存在一定困难, 且由于对泥质岩粒级和成分的理解及研究目的各有不同, 造成了现有的泥质岩分类命名方案并不统一, 尤其是国内现行泥质岩分类方案(国标GB/T 17412.2-1998)与国外(特别是欧美国家)使用的分类方案存在较大差异。为了厘清概念、便于交流, 文中对国内外有关泥质岩的各种定义及分类命名方案进行讨论, 试图提出一个明确清晰、系统科学、适应工程需要的泥质岩实用分类体系, 并期望能够引起读者对泥质岩分类问题的关注与讨论。

2 粉砂、黏土、泥级颗粒的粒级划分

碎屑颗粒的绝对大小称为粒度, 以颗粒直径来计量。粒度直接决定着岩石的类型和性质, 是碎屑岩分类命名的重要依据。目前国际上应用较广的主要有十进制粒级和等比值粒级2种粒度级别划分标准。

2.1 十进制粒级划分标准

前苏联学者多采用十进制粒级划分标准, 特点是粒级基本按十进制排列, 一般选用0.01 mm、0.1 mm和1 mm(或2 mm)作为黏土、粉砂、砂和砾之间的粒度界限, 插入粒级则按1/2或1/4的比例排列(克利茨基和契特维里柯夫, 1954; 卢奇茨基, 1954)。在此基础上, 鲁欣和维库洛娃等建议选用0.005 mm、0.05 mm和2 mm作为黏土、粉砂、砂和砾之间的粒度界限, 以便更符合碎屑的水动力学特性(鲁欣, 1964)。近年来, 俄罗斯学者仍然遵循这种十进制粒级划分标准(Н е д о л и в к о , 2012; М а л и н о в с к и й , 2013)。十进制粒级划分标准的优点是粒级界限简单易记、符合石油地质勘探的需要, 缺点是各粒级界限不太能反映颗粒的成分及水力学性质。

2.2 等比值粒级划分标准

美国、英国等欧美国家学者习惯采用自然粒级分类标准, 特点是粒级按等比级数关系排列。2的几何级数粒级制由北美沉积学者乌登(Udden)于1898年提出, 温特沃思(Wentworth)于1922年作出修改, 选用1/256(0.0039) mm、1/16(0.0625) mm和2 mm作为黏土、粉砂、砂和砾之间的粒度界线(参考Pettijohn, 1975)。这种粒级划分标准的优点是将粒度与成分及颗粒的水力学行为联系了起来, 但小数位数较复杂, 不便于统计和计算。

由于自然界中机械搬运成因的碎屑粒度分布符合对数正态分布, 因此克鲁宾(Krumbein)于1934年对乌登— 温特沃思粒级制(Udden-Wentworth Grade Scale)经过对数变换得到了Ф 标准, 即定义Ф =-log2D(D为直径), 选用+8Φ (0.004 mm)、+4Φ (0.063 mm)和-1Φ (2 mm)作为黏土、粉砂、砂和砾之间的粒度界限。Ф 标准的优点是粒级界限均为整数, 便于粒度统计计算、作图和实验室分析, 因此受到广泛重视和推广, 但其也存在粒度级别较多、裸眼描述困难等缺点。中国现行的沉积岩碎屑粒级划分也采用Ф 标准(国标GB/T 17412.2-1998)。

2.3 “ 细粒” 颗粒的粒级划分标准

美国地质勘探局在1930年的报告中已经使用“ 细粒(fine-grained)” 一词来描述怀俄明州东北部上白垩统沉积岩中的粉砂— 黏土混合物(Rubey, 1930), 之后欧美学者有时将这些粉砂— 黏土混合物笼统地称作“ 泥(mud)” (Pettijohn, 1975; Folk, 1980)。前苏联学者通常将“ 泥(粒)” 对应于粒径介于0.0001(或0.0002)~0.01 mm之间的黏土颗粒(阿弗杜辛, 1956), 或对应于粒径小于0.01 mm(或0.005 mm)的黏土级颗粒(鲁欣, 1964)。

在中国现行的沉积岩碎屑岩粒级划分国家标准(GB/T 17412.2-1998)中, 粒径小于0.06 mm(或0.063 mm)的细粒颗粒在陆源沉积岩中对应粉砂级和泥(黏土)级碎屑, 在内源沉积岩中对应粉屑级、泥屑级碎屑和粉晶、微晶、泥晶级晶粒(表 1)。

表 1 “ 细粒” 颗粒的粒级划分标准 Table 1 Grade scale for “ fine-grained” particles
3 对泥质岩概念的认识发展过程
3.1 欧美学者对泥质岩概念的认识发展过程

沉积学家对泥质岩概念的认识和定义经历了一个动态的发展过程。1888年, 德国学者Norman 首先提出pelos一词, 用来表示由黏土质、石灰质或混合成分的细屑物质组成的所有岩石— — 泥质岩(pelite, 源于希腊语pē los, 对应俄文п е л и т )(参考刘宝珺, 1980)。

1937年, 童豪夫(Twenhofel, 1937)曾将“ mudstone” 一词引申至整个泥质岩类, 主要包括黏土(clay)、粉砂(silt)、粉砂岩(siltstone)、黏土岩(claystone)、页岩(shale)和泥板岩(argillite)等(参考Pettijohn, 1975)。

1953年, 英格拉姆首先提出“ mudrock” 一词, 用以定义那些粉砂和黏土含量至少为50%的沉积岩, 其中粉砂含量高者为粉砂质岩(siltrock), 黏土含量高者为黏土质岩(clayrock), 并规定缺乏纹层和易裂性的块状岩石的后缀为“ -stone” , 易裂开(具页理)岩石的后缀为“ -shale” (Ingram, 1953)。也有一些地质学家支持使用术语“ shale” 一词作为所有细粒沉积岩的总称(Tourtelot, 1960; Potter et al., 1980), 但“ shale” 一词同时也用于指那些具有纹层的黏土质岩, 这种双重含义的术语容易引起混淆(Boggs, 2009; Wilkins, 2010)。

著名沉积岩石学家佩蒂庄和福克及之后的许多学者(Pettijohn, 1975; Folk, 1980; Tucker, 1996; Stow, 2005; Boggs, 2009), 都倾向于使用“ mudrock” 这一术语作为主要由小于0.063 mm的颗粒组成的细粒硅质碎屑岩的总称, 而将术语“ mudstone” 和“ shale” 限定为其中的次级类型使用。英文版《沉积学百科全书》(Fairbridge and Bourgeois, 1978)、《沉积物与沉积岩百科全书》(Middleton, 2003)和《地质学与地球科学词典》(Allaby, 2013)中还使用了术语“ 黏土岩(argillaceous rock)” 作为mudrock的同义词。

3.2 前苏联及俄罗斯学者对泥质岩概念的认识发展过程

对于黏土(岩)的涵义, 前苏联学者也有不同的观点。普斯托瓦洛夫建议将黏土分为机械分异产物和化学分异产物2类, 分别归入碎屑岩和化学岩中(П у с т о в а л о в , 1940)。

阿弗杜辛(1956)限定黏土组分的粒度上限为0.01 mm, 将黏土岩归入碎屑沉积岩的最细部分, 并进一步细分为泥岩(由50%以上的0.0001(0.0002)~0.01 mm的泥质颗粒组成)和胶体黏土(由50%以上小于0.0001 mm(0.0002 mm)的微粒质点组成)2个亚类。

什维佐夫(1956)、鲁欣和瓦素耶维奇(1974)倾向于将黏土岩从碎屑岩中独立出来, 认为决定黏土岩性质的是占优势的、新生成的、主要是胶体成因的黏土矿物, 并将黏土(岩)定义为一种由50%以上的黏土矿物及其他细小颗粒(小于0.001 mm, 至少小于0.01 mm或0.005 mm)组成的岩石。黏土经压实固结后形成黏土岩, 进一步强烈压实后形成泥岩、泥板岩, 甚至向板岩、千枚岩等变质岩转变。页岩是黏土岩中受压后易劈裂成薄层的一种类型(克利茨基和契特维里柯夫, 1954)。

俄罗斯现行的教科书在沉积岩分类时倾向于将泥质岩归入碎屑岩类, 概念理解上则沿袭了前苏联学者的观点(Н е д о л и в к о , 2012; М а л и н о в с к и й , 2013)。

3.3 中国学者对泥质岩的认识发展过程

中国的沉积岩石学研究起步较晚。20世纪50— 70年代, 受前苏联学者“ 黏土岩与碎屑岩和(生物)化学岩三者并列” 观点的影响, 国内教科书中将黏土岩类作为介于碎屑岩与(生物)化学岩之间的过渡类型单独列出, 定义黏土岩为一种主要由黏土级颗粒组成的、含大量黏土矿物的、疏松状或固结的岩石(北京石油学院矿物岩石教研室, 1961; 成都地质学院岩石教研室, 1961)。

20世纪80— 90年代, 国标(GB/T 17412.2-1998)及相关的教科书(曾允孚和夏文杰, 1986)将陆源沉积岩划分为陆源碎屑岩和泥质岩(黏土质岩)2个亚类, 定义泥质岩为一种主要由黏土矿物(含量> 50%)组成的沉积岩石, 按有无纹层、页理构造分为泥岩(黏土岩)和页岩(黏土页岩)。也有教科书考虑到沉积物源和沉积形成机理, 认为泥质岩属于陆源碎屑岩的最细部分(刘宝珺, 1980; 华东石油学院, 1982; 张鹏飞, 1990; 冯增昭, 1994)。

目前, 国内教科书中对黏土岩的定义与前人泥质岩的定义基本相当(何幼斌和王广文, 2017; 林春明, 2019; 朱筱敏, 2020)。值得注意的是, 于炳松和梅冥相(2016)定义泥(泥屑)为黏土级和粉砂级物质的混合物, 使用泥岩作为此类岩石的总称; 金振奎等(2021)定义“ 泥” 为粒径小于0.005 mm、主要是黏土矿物的碎屑物质, 定义泥岩为“ 泥” 含量不小于50%的沉积岩。

近年来, 细粒沉积岩理论方法在指导非常规油气勘探工作中取得了显著成效(朱如凯等, 2022; 邹才能等, 2022), 越来越多的学者倾向于直接用“ 细粒沉积岩(fine-grained sedimentary rock)” 一词代表那些由粒径小于0.063 mm的颗粒组成的细粒沉积岩(郭英海等, 2021; 姜在兴和陈代钊, 2022), 其主要成分包含黏土矿物、粉砂、碳酸盐矿物、有机质、盐类矿物和凝灰质等。需要注意的是, 这里的“ 细粒沉积岩” 既包含粉砂岩和黏土岩等细粒的陆源沉积岩, 也包括灰泥石灰岩等细粒的内源沉积岩、细凝灰岩(碎屑粒径小于0.005 mm)等细粒的火山— 热液来源沉积岩及细粒的混合来源沉积岩。

3.4 各类术语定义的对比和常见术语小结

如前所述, 中国学者与欧美学者和前苏联学者对泥质岩概念的理解存在明显区别:一是在粒级划分上, 欧美学者一般将“ 泥” 界定为粒径小于0.063 mm的粉砂— 黏土混合物, 前苏联学者界定“ 泥” 对应于粒径介于0.0001(或0.0002)~0.01 mm之间的粗黏土颗粒、或对应于粒径小于0.01 mm(或0.005 mm)的黏土级颗粒, 中国学者习惯将“ 泥” 界定为小于0.004 mm的黏土级颗粒; 二是在组分结构上, 欧美学者习惯使用粉砂和黏土的相对含量为2/3或1/3为界限划分粉砂岩、泥岩和黏土岩, 前苏联及俄罗斯学者以含量超过50%为标志划分岩石类型, 中国学者也是采用50%为界限来划分岩石类型; 三是在沉积岩分类上, 欧美学者习惯将砾岩(和角砾岩)、砂岩、泥质岩共同归属于陆源碎屑岩的范畴, 而中国国家标准(GB/T 17412.2-1998)则将泥质岩与陆源碎屑岩并列归属于陆源沉积岩。

国内文献中见到的“ 泥页岩” 一词大多是笼统地包括了泥岩和页岩。笔者建议使用“ 泥质岩” 一词作为所有细粒陆源沉积岩的总称。在与国外专家交流或者在国际期刊发表论文时, 需要明确说明自己所使用的“ 泥质岩” 等相关术语的涵义。表 2总结了国内外泥质岩研究中的常用术语及其涵义。

表 2 泥质岩粒级及沉积构造相关术语及涵义 Table 2 Glossary of common terminology for the grain sizes and structures of mudrock
4 泥质岩及细粒沉积岩分类命名问题及讨论

基于岩石的结构(粒级)、成分和构造等特征, 可将国内外泥质岩及细粒沉积岩分类方案归纳为多要素岩石综合分类方案和端元图解分类方案2种。

4.1 多要素岩石综合分类方案

学者们在泥质岩分类时采纳的原则和参考要素不尽相同, 主要可以归纳为结构(粒度)、固结程度、层理、易裂性(裂理、页理)、化学成分、矿物成分、构造组合等性质, 但同一种分类中很难兼顾所有要素, 一般是基于几种要素的有限组合(Wilkins, 2010)。Potter等(1980)在《页岩沉积学》一书中, 使用术语“ 页岩(shale)” 作为细粒陆源沉积岩的总称, 这一分类方案综合了岩石的结构、野外属性、固结程度等要素(表 3), 简单明晰, 影响广泛。

表 3 Potter的固结页岩分类划分方案(据Potter et al., 1980简化) Table 3 Classification of indurated shale by Potter (simplified according to Potter et al., 1980)

中国经典教科书通常将泥质岩归属于细粒的陆源沉积岩, 将细粒碳酸盐岩等归属于内源沉积岩, 将细凝灰岩等归属于火山— 热液来源沉积岩, 再分别细分为不同的岩石类型。多数教科书及国标(GB/T 17412.2-1998)的泥质岩分类方案综合了结构类型、成分、固结程度、沉积构造等要素, 首先按沉积构造划分为2种基本类型, 其中纹层与页理(单层厚度小于10 mm, 参考冯增昭, 1994)显著者为页岩, 纹层与页理不显著者为泥岩, 之后各要素以“ 颜色、混入物和黏土矿物成分” 的顺序在基本名称的前缀中参加命名, 形成泥质岩的多要素综合分类方案(表 4)。

表 4 中国教科书中的泥质岩综合分类(据曾允孚和夏文杰, 1986; 有修改) Table4 Comprehensive classification of mudrock in Chinese textbooks(modified from Zeng and Xia, 1986)
4.2 端元图解分类方案

泥质岩常与砂岩、碳酸盐岩等互层, 且随着混入物含量增加, 泥质岩可以向其他岩石类型过渡, 表现为混合沉积的特征(陈世悦等, 2017)。采用端元图解分类方案可以灵活地调整对各端元组分的选择、特殊组分(如有机质)的处理、分类图式及分区等, 以满足不同的研究目的。三组分混合物一般借助三角形图解分类, 如Shepard(1954)、福克(Folk, 1954, 1980)和Picard(1971)等使用砂、粉砂、黏土颗粒为三端元, 划分出粉砂岩、黏土岩(claystone)、砂岩、泥岩(mudstone)4种岩石类型。四组分混合物可以借助正四面体图解分类, 如Selley(2000)使用粉砂、黏土、方解石和白云石作为四端元, 划分出石灰岩、白云岩、砂岩和黏土岩4种岩石类型。Stow(2005)总结了基于粒度和矿物组成的2种三棱柱图解分类方案, 其中第1种是以砂、粉砂和黏土为三端元划分, 并增加了砾石组分作为新的轴线参加分类; 第2种是以钙质矿物、硅质矿物和黏土矿物为三端元, 并增加了总有机碳含量(TOC/%)作为新的轴线参加分类, TOC含量超过1%和20%时分别称为黑色页岩和油页岩。该类端元图解分类方案清晰简便, 能够灵活地将有机质含量和特殊矿物组分等特征加入到分类中, 已可以满足科研和生产实践的需要。

4.3 本文建议的泥质岩及细粒沉积岩分类方案

泥质岩是细粒的陆源沉积岩, 这里的“ 细粒” 本身已经包含对粒级的限定(即粒径小于0.063 mm)。笔者建议在对细粒沉积岩分类命名时, 重点要对岩石中具有成因意义的结构— 成分要素进行定性和定量鉴别和统计, 再结合沉积构造等特征综合确定岩石名称(参考表 4)。

中国南方海相和东部湖相盆地内细粒沉积岩的矿物成分多以碎屑矿物、黏土矿物及碳酸盐矿物为主(姜在兴等, 2013; 彭军等, 2022), 因此笔者提出一种以碎屑矿物(主要是长英质碎屑矿物)、黏土矿物和内源矿物作为三端元的三棱柱图解分类方案。该方案将细粒陆源沉积岩和细粒内源沉积岩划分为16种岩石类型(图 2), 如果其具有纹层和页理构造(单层厚度小于10 mm)则称为页岩, 并将TOC含量(%)作为另一个重要组分参加分类。具体划分方案如下:

图 2 本文建议的泥质岩及细粒沉积岩分类三棱柱图
细粒内源沉积岩(× 质岩): Ⅰ -(纯)× 质岩; Ⅱ -含粉砂质× 质岩; Ⅲ -含泥质× 质岩; Ⅳ -含黏土质× 质岩; Ⅴ -粉砂质× 质岩; Ⅵ -泥质× 质岩; Ⅶ -黏土质× 质岩。细粒陆源沉积岩(泥质岩): Ⅷ -× 质粉砂岩; Ⅸ -× 质泥岩; Ⅹ -× 质黏土岩; Ⅺ -含× 质粉砂岩; Ⅻ -含× 质泥岩; Ⅹ Ⅲ -含× 质黏土岩; Ⅹ Ⅳ -(纯)粉砂岩; Ⅹ Ⅴ -(纯)泥岩; Ⅹ Ⅵ -(纯)黏土岩。其他: (1)图中所有参与命名的矿物成分的粒级范围限定为“ 细粒” , 即粒径小于0.063 mm; (2)× 质包括钙(灰)质、云质、铁质、硅质、铝质、锰质、磷质、盐质等, × 质岩包括石灰岩、白云岩、其他各种非蒸发岩和蒸发岩等; (3)对于粉砂岩、泥岩和黏土岩, 当发育页理(单层厚度小于10 mm)时命名为纹层状粉砂岩、泥页岩和黏土页岩Fig.2 Triangular prism diagram showing classification scheme of mudrock and other fine-grained sedimentary rocks

首先, 将细粒沉积岩中的矿物成分划分为陆源组分(包括长英质碎屑矿物和黏土矿物)和内源组分(包括灰〔钙〕质、云质、铁质、硅质、铝质、锰质、磷质、盐质等), 并根据组分含量分为2个大类, 即陆源组分含量大于50%为细粒陆源沉积岩(泥质岩)和内源组分大于50%的细粒内源沉积岩(× 质岩)。之后, 进一步按长英质碎屑矿物、黏土矿物和其他内源矿物三者的相对含量在三角分类图中划分成不同类型。对于泥质岩, 粉砂级碎屑矿物(主要是长英质碎屑矿物)与黏土级矿物(主要是黏土矿物)的相对含量比例大于2︰1时称为粉砂岩, 接近1︰1时称为泥岩, 小于1︰2时称为黏土岩, 当发育纹层、页理构造时则分别命名为纹层状粉砂岩、泥页岩和黏土页岩。

在次级类型划分时, 将含量为 25%~50%的矿物成分以附加修饰词“ …质” 的形式写在基本名之前, 含量为 10%~25%的矿物成分以“ 含…质” 的形式写在最前面, 含量小于10%的矿物成分一般不参与定名。

TOC含量(%)是判别烃源岩分级标准的重要参数(邹才能等, 2014; 蒋有录和查明, 2016; 卢双舫和张敏, 2017)。中国石油行业标准《烃源岩地球化学评价方法》(SY/T 5735-2019)中规定, TOC含量小于0.5%的陆相、湖相和海相泥岩、碳酸盐岩为非烃源岩, TOC含量大于2%的为优质烃源岩。因此, 笔者选用TOC含量0.5%和2.0%为界, 共划分出贫有机质、含有机质和富有机质3类细粒沉积岩。

在此选取2组岩矿测试分析数据, 作为实例说明该方案的应用。(1)川南地区下志留统龙马溪组“ 泥页岩” 样品中(王社教等, 2009), 石英含量21.4%, 长石含量7.2%, 方解石含量11%, 白云石含量6.8%, 黄铁矿含量2%, 黏土矿物总量51.6%, TOC值1.34%, 按该方案将该岩石定名为含有机质含钙(灰)质泥岩(Ⅻ ), 属于细粒陆源沉积岩类。 (2)东营凹陷沙河街组细粒沉积岩样品(彭军等, 2022)中, 粉晶方解石含量60%, 白云石含量2%, 黏土矿物含量26%, TOC值大于2%, 按该方案将该岩石定名为富有机质黏土质灰岩(Ⅶ ), 属于细粒内源沉积岩类。

需要注意的是, 笔者提出的泥质岩岩石分类命名方案适用于细粒的陆源沉积岩和细粒的内源沉积岩。尽管图 2中所有的名称都是指向某一种岩石类型, 但在实际应用中仍需要结合岩性特征添加相应的修饰语参加命名, 如“ 含黄铁矿泥质粉砂岩” “ 高岭石黏土岩” 。

5 结语

1)国内外沉积学界对泥质岩概念和定义的差别主要体现在粒级划分、组分结构、沉积岩分类3个方面。欧美国家倾向于使用“ 泥质岩(mudrock)” 一词作为主要由粒径0.004~0.063 mm的粉砂级和粒径小于0.004 mm的黏土级颗粒组成的陆源细粒沉积岩(物)的总称; 前苏联学者习惯使用“ 黏土岩” 一词描述主要由粒径小于0.005 mm或0.01 mm的黏土(或泥质)颗粒组成的沉积岩; 中国国标使用的“ 泥质岩” 是指主要由黏土矿物所组成(> 50%)的沉积岩石, 按有无纹层与页理分为泥岩(黏土岩)和页岩(黏土页岩)2种, 实质同黏土岩。建议国内学者在与国外专家学者交流时, 应说明自己所表述的泥质岩的涵义。

2)目前的泥质岩及细粒沉积岩分类方案可归纳为2种, 一种是多要素岩石综合分类方案, 另一种是端元图解分类方案。前者符合传统的岩石学分类命名原则; 后者通常形成一套新的“ 细粒沉积岩” 术语体系, 如“ 长英质细粒沉积岩” “ 混合细粒沉积岩” , 并且随着端元组分的选择、特殊组分(如有机质)的处理、分类图式及分区等方面的不同而产生变化。笔者建议对泥质岩及细粒沉积岩分类定名时, 应综合考虑结构(粒级)、成分和构造等要素, 同时结合研究区特点选择适当的分类方案并做出灵活调整。

3)笔者建议使用“ 泥质岩” 一词作为细粒陆源沉积岩的总称。对于细粒的陆源沉积岩(泥质岩)和细粒的内源沉积岩, 提出一种三棱柱图解分类方案。分类要素包括无机矿物成分(主要是长英质碎屑矿物、黏土矿物和内源矿物三端元)、TOC含量和沉积构造(纹层/页理构造)。该分类方案综合考虑了岩石学分类基本原则和国内烃源岩评价标准, 期望对泥质岩行业分类方案制定起到推动作用。

致谢 感谢刘焕杰教授和蒋有录教授对论文初稿的审阅和指导!俄罗斯新西伯利亚国立大学的Inna Safonova教授及俄罗斯科学院远东分院的Eugenia Bugdaeva博士提供了俄文相关资料, 作者在此深表感谢!

(责任编辑 张西娟)

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