“化學(xué)-沉積相”分析：一種研究細(xì)粒沉積巖的有效方法

劉可禹，劉 暢

[1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580; 2.海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266071; 3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100083]

隨著國(guó)內(nèi)外非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)程度的不斷深入[1-5]，細(xì)粒沉積巖作為非常規(guī)油氣中致密油(含頁(yè)巖油)、致密氣和頁(yè)巖氣的重要儲(chǔ)層[6-11]，逐漸成為了熱門研究領(lǐng)域。細(xì)粒沉積巖分布范圍廣，約占沉積巖的2/3[11-12]，雖然外貌均一簡(jiǎn)單，但卻具有復(fù)雜的沉積成巖過(guò)程，粒度小和超微實(shí)驗(yàn)的限制進(jìn)一步增加了觀察研究難度[13-14]。由于沉積速度較慢，使得細(xì)粒沉積巖在較長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)沉積厚度較小，而細(xì)粒沉積巖受壓實(shí)作用影響明顯，特別是泥頁(yè)巖，其孔隙度與埋深呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。細(xì)粒沉積巖經(jīng)壓實(shí)后，孔隙度相對(duì)地表最大可減少近90%，相應(yīng)厚度相對(duì)地表最大可減少60%左右[15-16]，這就使得細(xì)粒沉積巖在極小厚度范圍內(nèi)頻繁變化，具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，其中泥頁(yè)巖的紋層厚度在10～500 μm。不同的紋層類型具有不同的地球化學(xué)特征和不同的成因[17-19]，使得地球化學(xué)特征成為表征細(xì)粒沉積巖非均質(zhì)性的重要指標(biāo)，同時(shí)無(wú)機(jī)地球化學(xué)元素含量及其比值被認(rèn)為是恢復(fù)古氣候、古鹽度、古水深和古氧化還原條件等古環(huán)境演化狀況的良好指標(biāo)[20-22]。

目前針對(duì)細(xì)粒沉積巖的實(shí)驗(yàn)分析手段主要可分為直接觀察法、數(shù)值重構(gòu)法、間接測(cè)定法和地化分析法[23]。直接觀察法包括薄片鑒定、掃描電鏡技術(shù)等，數(shù)值重構(gòu)法主要包括X-射線斷層三維掃描(CT)技術(shù)和聚焦離子束成像技術(shù)(FIB)等，這些方法雖然分辨率高，但所分析的樣品尺寸普遍較小，無(wú)法在整體上研究大尺度細(xì)粒沉積巖手標(biāo)本樣品的非均質(zhì)性。間接測(cè)定法包括氣體吸附法、壓汞分析法和核磁共振技術(shù)，這些方法只能精細(xì)研究樣品內(nèi)部整體孔喉分布特征，無(wú)法研究樣品在巖性等方面的非均質(zhì)性特征。地化分析手段主要包括X-射線衍射(XRD)、傳統(tǒng)X-射線熒光光譜分析(XRF)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)等，可以研究細(xì)粒沉積巖的無(wú)機(jī)地球化學(xué)、礦物等組成特征，但在分析過(guò)程中需要將樣品粉碎均一化[24-26]，僅能獲得一維數(shù)據(jù)點(diǎn)，甚至?xí)斐蔁o(wú)用信息覆蓋有效信息的現(xiàn)象，無(wú)法精細(xì)研究細(xì)粒沉積巖的非均質(zhì)性。鑒于此，本文通過(guò)建立精細(xì)的化學(xué)-沉積相模型，在此模型基礎(chǔ)之上可以有效識(shí)別肉眼難以直接識(shí)別的沉積構(gòu)造，并通過(guò)原位精細(xì)計(jì)算出表征細(xì)粒沉積巖古環(huán)境、物源類型(沉積物來(lái)源和成因)的無(wú)機(jī)地球化學(xué)參數(shù)，為致密油氣的勘探開(kāi)發(fā)提供更加精細(xì)的模型和可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。

1 細(xì)粒沉積巖特征

細(xì)粒沉積巖主要由細(xì)粒沉積物沉積成巖而成，細(xì)粒沉積物粒徑小于62 μm[13]。根據(jù)沉積物來(lái)源主要可分為陸源碎屑顆粒和內(nèi)源自生礦物，其中陸源碎屑顆粒主要包括粘土礦物和粉砂等，粘土粒徑小于4 μm，粉砂粒徑介于4～62 μm，內(nèi)源自生礦物主要包括盆地內(nèi)生碳酸鹽、生物硅質(zhì)、膠結(jié)成因硅、磷酸鹽等顆粒[27]。

細(xì)粒沉積巖巖石類型豐富，主要包括硅質(zhì)碎屑巖和石灰?guī)r及其過(guò)渡類型，其中硅質(zhì)碎屑巖主要包括粉砂巖和粘土巖，石灰?guī)r主要包括灰泥灰?guī)r和部分粘結(jié)巖。目前眾多學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)的細(xì)粒沉積巖已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)科學(xué)的命名(表1)，命名的主要依據(jù)基本上為長(zhǎng)英質(zhì)(粉砂)、粘土和碳酸鹽三大組分的含量，分別以其絕對(duì)含量的50%為界劃分出粉砂巖、粘土巖、碳酸鹽巖和混合型巖4大類，再結(jié)合沉積構(gòu)造和有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行詳細(xì)命名[14]。雖然命名的指標(biāo)相對(duì)較少，但命名結(jié)果種類繁多，顯示出細(xì)粒沉積巖較為復(fù)雜，具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性。

表1 細(xì)粒沉積巖巖性劃分方案Table 1 Lithological classification of fine-grained sedimentary rocks

細(xì)粒沉積巖主要形成于相對(duì)低能環(huán)境[13-14]。在海相環(huán)境中(表2)，細(xì)粒沉積巖受控于物源和水動(dòng)力條件，主要發(fā)育在滯流海盆、陸棚區(qū)局限盆地和邊緣海斜坡等正常浪基面以下部位[27]。在湖相環(huán)境中，受控于湖平面變化、構(gòu)造作用、沉積物源和盆地地形等因素，細(xì)粒沉積巖主要發(fā)育在前三角洲-半深湖-深湖、濱淺湖部位中[39-41]。以上環(huán)境雖然都是相對(duì)低能環(huán)境，但細(xì)微的沉積環(huán)境變化會(huì)造成細(xì)粒沉積巖沉積構(gòu)造、沉積物來(lái)源及成因、地球化學(xué)特征等具有明顯差異，目前眾多學(xué)者針對(duì)不同沉積環(huán)境下細(xì)粒沉積巖的特征進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。

細(xì)粒沉積巖的沉積構(gòu)造組合可以在一定程度上指示沉積部位。在海相沉積中深海-半深海部位沉積的細(xì)粒沉積巖發(fā)育水平和塊狀層理，淺海部位發(fā)育沙紋、波狀和交錯(cuò)層理等。在湖相沉積中-深湖部位沉積的細(xì)粒沉積巖發(fā)育平直紋層、似塊狀層理，半深湖部位發(fā)育波狀、透鏡狀、粒序和塊狀等層理，深湖-半深湖重力流發(fā)育遞變和塊狀層理，前三角洲-淺湖沉積發(fā)育塊狀層理、生物擾動(dòng)構(gòu)造和平行層理[23]。沉積部位影響了細(xì)粒沉積巖有機(jī)質(zhì)的類型和富集，因此研究沉積構(gòu)造具有重要意義，但由于細(xì)粒沉積巖顏色相對(duì)均一，不利于肉眼直接識(shí)別，但沉積構(gòu)造的變化會(huì)引起無(wú)機(jī)地球化學(xué)元素的變化，因此可以利用化學(xué)-沉積相方法中獲得的無(wú)機(jī)地球化學(xué)元素強(qiáng)度平面分布圖來(lái)識(shí)別沉積構(gòu)造。

表2 細(xì)粒沉積巖沉積環(huán)境Table 2 Depositional environments of fine-grained rocks

不同的沉積物來(lái)源和成因不但影響了細(xì)粒沉積巖中原油的流動(dòng)也影響了后期的壓裂效果。油氣在儲(chǔ)層中流動(dòng)時(shí)不但受到孔喉大小的影響，還受到孔隙壁布礦物潤(rùn)濕性的影響[42-43]，在以石英和長(zhǎng)石等水潤(rùn)濕的礦物圍成的孔喉中，原油易于流動(dòng)，利于開(kāi)發(fā)，而在方解石和白云石等油潤(rùn)濕的礦物圍成的孔喉中，原油不易流動(dòng)，不利于開(kāi)發(fā)。在對(duì)細(xì)粒沉積巖中的油氣進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)普遍需要進(jìn)行壓裂，因此評(píng)價(jià)細(xì)粒沉積巖的可壓裂性具有重要的意義[44]。目前一般利用礦物組成或巖石力學(xué)參數(shù)來(lái)表征可壓裂性脆性[45-46]，其中礦物可分為脆性礦物和非脆性礦物。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍將石英、長(zhǎng)石、白云石和方解石作為脆性礦物[45-51]，一般情況下，脆性礦物含量越高，巖石脆性越高，越易于形成天然或誘導(dǎo)裂縫，但巖石的脆性也受到了脆性礦物的分布影響，當(dāng)陸源碎屑石英在巖石中呈彌散狀分布時(shí)，會(huì)造成巖石壓裂過(guò)程中的應(yīng)力分散，不利于網(wǎng)狀裂縫的形成，因此巖石雖然具有較高的脆性礦物含量，卻具有較低的脆性[52]。生物成因的硅質(zhì)，不但指示了細(xì)粒沉積巖沉積過(guò)程中較高的初級(jí)生產(chǎn)力，具有更高的資源量[53-54]，其分布也相對(duì)集中，可壓性更好。成巖演化形成的自生石英主要由膠結(jié)作用和粘土礦物轉(zhuǎn)化而成，不僅可以增加石英的含量，也可以使頁(yè)巖的結(jié)構(gòu)硬化進(jìn)一步增加巖石的脆性[55]，因此有效識(shí)別脆性礦物的來(lái)源和成因具有重要意義。由于不同來(lái)源和成因的脆性礦物具有不同的無(wú)機(jī)地球化學(xué)元素組成，因此可以利用無(wú)機(jī)地球化學(xué)元素指標(biāo)來(lái)識(shí)別脆性礦物的來(lái)源和成因。而常規(guī)識(shí)別沉積物來(lái)源和成因的方法中，薄片鑒定和掃描電鏡觀察僅能觀察小尺度樣品，容易造成取樣不具代表性的問(wèn)題，傳統(tǒng)XRF、XRD等元素分析測(cè)試需要將樣品粉碎均一化，容易造成無(wú)用信息掩蓋有效信息的現(xiàn)象，均不能有效判別細(xì)粒沉積巖沉積物來(lái)源和成因，因此可以利用化學(xué)-沉積相方法獲得大尺度手標(biāo)本表面的元素地球化學(xué)信息，對(duì)各像素點(diǎn)進(jìn)行無(wú)機(jī)地球化學(xué)分析，從而彌補(bǔ)選樣不具代表性和均一化后無(wú)用信息掩蓋有效信息的不足，最大程度實(shí)現(xiàn)脆性礦物來(lái)源和成因的有效識(shí)別。

不同的古環(huán)境特征主要影響了細(xì)粒沉積巖中有機(jī)質(zhì)的類型和富集，同時(shí)也影響了沉積物的來(lái)源和成因。在海相環(huán)境中，表層水體浮游生物的高生產(chǎn)力和有利于有機(jī)質(zhì)保存、聚積與轉(zhuǎn)化的沉積環(huán)境是形成富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖的必要條件[56]。在陸相湖泊環(huán)境中，潮濕氣候下的淡水湖泊中干酪根以腐泥型為主，陸源碎屑注入較多。咸水湖泊在相對(duì)潮濕氣候時(shí)期鹽度較低時(shí)利于生物繁育，形成腐泥型干酪根，陸源碎屑注入量較高；在相對(duì)干旱氣候時(shí)期，鹽度較高時(shí)不利于生物繁育，主要為腐殖型干酪根，陸源碎屑注入量低，碳酸鹽巖含量較高[57-58]。水體的深淺在一定程度上影響了生物的繁盛和后期的保存，一般情況下淺水區(qū)生物繁盛具有較高的生產(chǎn)力，深水區(qū)以還原條件為主，利于有機(jī)質(zhì)的保存。但由于古環(huán)境的頻繁變化和細(xì)粒沉積巖厚度小的原因，在極小的厚度內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多種古環(huán)境特征。由于細(xì)粒沉積巖系厘定細(xì)、顏色均勻、非均質(zhì)性強(qiáng)，傳統(tǒng)的沉積相分析無(wú)法在巖心和手標(biāo)本尺度獲取高分辨率沉積環(huán)境的信息，因此需要借用原位分析手段獲取二維元素地球化學(xué)“時(shí)空”分布信息，根據(jù)相關(guān)地球化學(xué)參數(shù)最大限度的實(shí)現(xiàn)對(duì)古環(huán)境變化的研究和精細(xì)表征。

2 化學(xué)-沉積相分析應(yīng)用

化學(xué)地層學(xué)(chemostratigraphy)基于一維元素分析，已被廣泛應(yīng)用到地層對(duì)比、層序地層學(xué)和細(xì)粒沉積巖系研究[59]，但該方法僅能提供一維化學(xué)元素信息無(wú)法用于表征沉積相在空間上的非均質(zhì)性。因?yàn)榧?xì)粒沉積巖的非均質(zhì)性極強(qiáng)，常規(guī)的薄片鑒定和掃描電鏡觀察具有樣品尺寸小易造成觀察不具有代表性的現(xiàn)象，常規(guī)的XRF和XRD等元素礦物分析手段需要對(duì)樣品進(jìn)行粉碎均一化的處理，不但耗時(shí)也無(wú)法獲得原位分析細(xì)粒沉積巖的特征，易造成無(wú)用信息過(guò)多覆蓋有效信息的現(xiàn)象。針對(duì)細(xì)粒沉積巖的非均質(zhì)性和演化特征，對(duì)沉積相帶可以利用無(wú)機(jī)地球化學(xué)元素的手段來(lái)進(jìn)行原位表征，主要的步驟和在細(xì)粒沉積巖中的應(yīng)用如圖1所示，首先采集大體積手標(biāo)本樣品表面的光學(xué)照片，再利用大面積XRF掃描技術(shù)對(duì)同一樣品表面進(jìn)行元素掃描，獲得二維平面元素分布信息。將二者融合建立“化學(xué)-沉積相”(chemo-sedimentary facies)，進(jìn)而有效識(shí)別樣品的巖石礦物成分和沉積構(gòu)造、開(kāi)展沉積物來(lái)源和成因及古環(huán)境精細(xì)研究等方面的工作。

圖1 化學(xué)-沉積相模型的建立步驟和在細(xì)粒沉積巖中的應(yīng)用Fig.1 A workflow for establishing “chemo-sedimentary facies” model and its application to fine-grained sedimentary rocks

綜上，化學(xué)-沉積相方法可以概括為通過(guò)獲取大體積手標(biāo)本樣品表面高分辨率(30～100 μm)二維無(wú)機(jī)地球化學(xué)元素分布圖，并結(jié)合傳統(tǒng)沉積相研究方法對(duì)巖石樣品進(jìn)行沉積等方面精細(xì)研究的方法。能夠提供原位地球化學(xué)信息，具有高分辨率、大尺度和低耗時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)細(xì)粒沉積巖的研究具有重要意義。

本文主要使用Bruker微區(qū)M4 Tornado進(jìn)行樣品平面的元素掃描，在掃描前為了最大限度地減小誤差，首先對(duì)樣品進(jìn)行表面拋光處理，使樣品表面平整，然后將樣品放入測(cè)試倉(cāng)后利用水平儀進(jìn)行水平校準(zhǔn)。儀器中X-射線光管靶材為銠(Rh)，電壓為50 kV，電流為800 μA，光斑小于30 μm，探測(cè)器為Flash@硅漂移探測(cè)器，能量分辨率在計(jì)數(shù)率250 000 cps時(shí)分別優(yōu)于125 eV和135 eV，掃描速度最快可達(dá)3 ms/點(diǎn)，提供鈉以上元素的分布(Na-U)，最大分辨率可達(dá)30～100 μm。

2.1 識(shí)別沉積構(gòu)造

本文所選取的樣品主要來(lái)自于吉木薩爾凹陷蘆草溝組。吉木薩爾凹陷位于東部隆起，北接沙奇凸起，西接北三臺(tái)凸起，東接古西凸起，南臨天山山前沖斷帶，總面積約為1 300 km2。吉木薩爾凹陷北部和西北部以老莊灣斷裂和吉木薩爾斷裂為界，西南部以西地?cái)嗔褳榻?，南部以三臺(tái)斷裂和后堡子斷裂為界，東部緊鄰古西隆起，總體呈西斷東超的箕狀形態(tài)，進(jìn)一步細(xì)分為東部斜坡帶和西部深洼帶，深洼帶中心位于西地?cái)嗔迅浇?，最大埋深達(dá)4 500 m，內(nèi)部斷裂相對(duì)不發(fā)育，以小規(guī)模斷層為主，主要集中在東部斜坡帶。蘆草溝組(P2l)為吉木薩爾凹陷致密油的主要產(chǎn)層，遍布全凹陷，厚度分布在200～350 m，自下而上可以細(xì)分為蘆草溝組一段(P2l1)和蘆草溝組二段(P2l2)，P2l1以灰色、深灰色泥巖、白云質(zhì)泥巖為主夾灰色泥質(zhì)粉砂巖和白云質(zhì)粉砂巖，P2l2以灰色、深灰色泥巖、灰質(zhì)泥巖、白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖為主夾灰色、深灰色泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r。

如圖2所示，圖2a—e為手標(biāo)本樣品光學(xué)照片，圖2f—j為與光學(xué)照片相對(duì)應(yīng)的鋁(Al)、鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、硅(Si)5元素強(qiáng)度組合平面分布圖，其中Al為紅色，K為綠色，Ca為藍(lán)色，Mg為粉色，Si為黃色。在圖2a中顏色分布均與不易觀察到沉積構(gòu)造，但在圖2f中可觀察到垂直層理的高Ca蟲(chóng)孔構(gòu)造，指示相對(duì)淺水環(huán)境。在圖2g中可以觀察到下部層理不發(fā)育，呈塊狀，在上部可以觀察到在高Al，K，Si的區(qū)域內(nèi)分布著高Ca，Mg碳酸鹽巖碎塊，碎塊分選磨圓極差，指示未固結(jié)沉積物遭受破壞后快速再沉積的過(guò)程。圖2c的黑色泥巖指示深水沉積，但在圖2h中可見(jiàn)明顯高頻率交替出現(xiàn)的高Ca，Mg紋層和高Al，Si紋層互層，指示在沉積過(guò)程中對(duì)古氣候干旱潮濕交替出現(xiàn)的記錄。圖2i顯示在樣品中部發(fā)育高Al，Si平行層理，上部可見(jiàn)下切侵蝕構(gòu)造，底部可見(jiàn)高Al，Si碎塊，指示一期水動(dòng)力變化。在圖2j顯示圖2e的黑色泥巖具有低Ca，Mg和高Al，Si，K的特點(diǎn)，可見(jiàn)頁(yè)理。

圖2 細(xì)粒沉積巖典型樣品手標(biāo)本光學(xué)照片和元素分布Fig.2 Optical photographs and elemental maps of hand specimens for typical fine-grained sedimentary rock samplesa.蘆草溝組灰色白云質(zhì)灰?guī)r；b.蘆草溝組灰色粉砂質(zhì)泥巖；c.蘆草溝組黑色泥巖；d.蘆草溝組灰色粉砂質(zhì)泥巖；e.龍馬溪組黑色頁(yè)巖；f.與a對(duì)應(yīng)的Al，K，Ca，Mg，Si等元素強(qiáng)度組合平面分布圖，可見(jiàn)垂直層理的蟲(chóng)孔；g.與b對(duì)應(yīng)的Al，K，Ca，Mg，Si五元素強(qiáng)度組合平面分布圖，上部可見(jiàn)高Ca，Mg碳酸鹽巖碎塊;h.與c對(duì)應(yīng)的Al，K，Ca，Mg，Si五元素強(qiáng)度組合平面分布圖，可見(jiàn)高頻率交替出現(xiàn)的高Ca，Mg紋層和高Al，Si紋層；i.與d對(duì)應(yīng)的Al，K，Ca，Mg，Si五元素強(qiáng)度組合平面分布圖，上部和下部為高Ca、Mg，中部可見(jiàn)高Al、Si平行層理；j.與e對(duì)應(yīng)的Al，K，Ca，Mg、Si五元素強(qiáng)度組合平面分布 圖.其中Al為紅色，K為綠色，Ca為藍(lán)色，Mg為粉色，Si為黃色.

通過(guò)以上研究可以清晰的識(shí)別手標(biāo)本上肉眼難以直接觀察到的沉積構(gòu)造。

2.2 識(shí)別沉積物來(lái)源和成因

沉積物中元素的來(lái)源和成因具有明顯的差異性，來(lái)源可分為內(nèi)源和外源，成因可分為自生成因和陸源碎屑成因。以沉積物中的硅為例，主要包括來(lái)自內(nèi)源的自生硅(SGSi，包括以石英為主的生物石英、膠結(jié)石英和粘土礦物轉(zhuǎn)化石英)，來(lái)自外源的陸源碎屑硅(Terrigenous Clastic Silica,簡(jiǎn)稱TCSi)。不同來(lái)源和成因的硅對(duì)巖石后期的可壓性具有重要影響，內(nèi)源自生硅可壓性較好，陸源碎屑硅可壓性較差。在此以識(shí)別自生硅和陸源碎屑硅為例，本文選取四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖、準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組粉砂質(zhì)泥巖和鄂爾多斯延長(zhǎng)組粉砂巖樣品進(jìn)行分析?？蓧盒栽诜浅Ｒ?guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)中作為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以往認(rèn)為Si含量越高可壓性越好，而新的研究認(rèn)為只有當(dāng)自生硅在硅中的相對(duì)含量越高時(shí)，可壓性才會(huì)越好，因此快速有效識(shí)別自生硅對(duì)非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。在細(xì)粒沉積巖中Al通常由粘土礦物貢獻(xiàn)，高Al含量指示指示陸源碎屑，但陸源石英含量的增加也會(huì)降低Al的含量[60]，而鈦(Ti)一般來(lái)自陸源碎屑，比較穩(wěn)定，不易形成可溶化合物，可作為指示陸源碎屑的良好指標(biāo)[50]?；谝陨显恚ㄟ^(guò)建立Al-Si含量交會(huì)圖，用來(lái)判別硅質(zhì)來(lái)自粘土還是石英(圖3a,c,e)；通過(guò)建立Ti-Si含量交匯圖，用來(lái)判別石英來(lái)自陸源碎屑還是內(nèi)部自生(圖3b,d,f)。在細(xì)粒沉積的陸源碎屑中粘土礦物、鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石包含Al和Si，陸源碎屑石英和自生硅只包含SiO2，通過(guò)不同礦物的化學(xué)式，以及蒙脫石與純SiO2的比例關(guān)系，可以獲得Si-Al的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，如圖3所示，選取蒙脫石與純SiO2按3 ∶7比例的曲線為分界線，因?yàn)樵诖藯l分界線左側(cè)，SiO2占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在右側(cè)粘土礦物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，據(jù)此劃分出左區(qū)為SGSi區(qū)，右區(qū)為TCSi區(qū)。在蒙脫石：SiO2=3 ∶7曲線的右側(cè)及附近區(qū)域代表陸源碎屑富集，在左側(cè)區(qū)域代表自生硅，也可代表陸源碎屑石英富集，因此需要利用Si與Ti來(lái)區(qū)分自生硅和陸源碎屑石英。對(duì)于陸源碎屑石英富集部位Si含量越高，Ti含量越高。對(duì)于自生硅富集部位Ti含量總體較低。建立Si-Ti對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，建立自生硅和陸源碎屑硅判別圖版，左區(qū)為SGSi區(qū)，右區(qū)為TCSi區(qū)，如圖3所示。

圖3 細(xì)粒沉積巖典型樣品硅質(zhì)類型識(shí)別Fig.3 Identification of siliceous minerals in fine-grained sedimentary rocksa.龍馬溪組頁(yè)巖Al和Si含量交匯圖；b.龍馬溪組頁(yè)巖Ti和Si含量交匯圖；c.蘆草溝組粉砂質(zhì)泥巖Al和Si含量交匯圖;d.蘆草溝組粉砂質(zhì)泥巖Ti和Si含量交匯圖；e.延長(zhǎng)組粉砂巖Al和Si含量交匯圖；f.延長(zhǎng)組粉砂巖Ti和Si含量交匯圖

將不同巖性樣品原位高分辨率提取的無(wú)機(jī)地球化學(xué)元素?cái)?shù)據(jù)投入判別圖版，可以有效定量判別該巖性中的Si是否為自生硅和陸源碎屑硅。圖3a中，四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖數(shù)據(jù)主要位于SGSi區(qū)，少量分布在TCSi區(qū)，表明石英含量較高。圖3b中，近乎1/3的數(shù)據(jù)點(diǎn)位于SGSi區(qū)域，表明自生硅含量較高，含有較多自生硅。圖3c中，準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組粉砂質(zhì)泥巖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)絕大多數(shù)分布在TCSi區(qū)域，只有少量數(shù)據(jù)點(diǎn)位于SGSi區(qū)，表明石英含量不高，雖然在圖3d中一部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)位于SGSi區(qū)，但并非指示自生硅，高Al含量低Ti含量可指示為自生粘土礦物。圖3e中鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組粉砂巖中絕大多部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)位于TCSi區(qū)域，只有零星數(shù)據(jù)點(diǎn)位于SGSi區(qū)域，同時(shí)在圖3f中，數(shù)據(jù)點(diǎn)幾乎全部位于TCSi區(qū)域，表明Si主要來(lái)自陸源碎屑。

2.3 精細(xì)研究古環(huán)境

古環(huán)境主要包括氣候、氧化還原條件、水深和水體鹽度等方面，研究古環(huán)境對(duì)細(xì)粒沉積巖具有重要意義?；瘜W(xué)-沉積相的方法可以提供樣品表面高分辨率的元素強(qiáng)度分布圖(圖4)，從藍(lán)色到紅色表示強(qiáng)度逐漸升高，雖然強(qiáng)度不是元素的含量數(shù)據(jù)，但強(qiáng)度越高也反映含量越高。根據(jù)指向性元素的強(qiáng)度分布圖可以定性分析古環(huán)境的平面分布。其中Al，K和Si指示陸源碎屑沉積，其含量高指示氣候相對(duì)潮濕，發(fā)育地表徑流，向盆地中搬運(yùn)較多陸源碎屑。Ca和Mg指示盆地內(nèi)部碳酸鹽巖沉積，其含量高指示氣候相對(duì)干旱，不發(fā)育地表徑流，極少有陸源碎屑被搬運(yùn)進(jìn)入盆地。鍶(Sr)的高值指示氣候干旱，水體鹽度高，低值指示氣候潮濕，水體鹽度低[51]。銅(Cu)為喜濕元素，其高值一般指示潮濕氣候[61]。鈦(Ti)主要來(lái)自于陸源碎屑物質(zhì)，高值指示高陸源碎屑注入量，相對(duì)潮濕氣候，而且相對(duì)穩(wěn)定，隨著搬運(yùn)距離的增加會(huì)相對(duì)富集，也指示相對(duì)深水環(huán)境[62]。V，U，Mo富集時(shí)指示還原條件[63-64]。以蘆草溝組粉砂質(zhì)泥巖為例(圖5)，在樣品下部Al，K，Si含量相對(duì)較高，而Ti的含量變化趨勢(shì)與之一致，指示以外源陸源碎屑為主。Sr含量相對(duì)較低，Cu含量相對(duì)較高，指示潮濕氣候，水體較深，鹽度較低，同時(shí)U，V值相對(duì)較高，可定為還原環(huán)境。綜合來(lái)看，樣品下部沉積時(shí)期古環(huán)境為潮濕氣候、水體較深、鹽度較低和強(qiáng)還原環(huán)境。樣品上部元素分布復(fù)雜，在高Al，K，Si含量中夾雜雜亂堆積分選磨圓極差的高Ca，Mg含量碎塊，高Al，K，Si含量區(qū)域元素分布特征與下部基本一致，而碎塊中的Ca，Mg和Sr值高，Ti，Cu，U和V值低，表明碎屑形成的原始古環(huán)境為干旱氣候、高鹽度、淺水和弱還原環(huán)境。

圖4 吉木薩爾凹陷蘆草溝組粉砂質(zhì)泥巖各元素強(qiáng)度平面分布Fig.4 Individual elemental maps of silty mudstone from the Lucaogou Formation,Jimusaer sag

受技術(shù)限制，通過(guò)單一指向性元素的平面分布圖(如化學(xué)地層學(xué)方法)目前只能定性劃分樣品的化學(xué)-地層帶，難以在整個(gè)平面上定量劃分，而常規(guī)的實(shí)驗(yàn)分析手段需要對(duì)樣品進(jìn)行均一化粉碎，在沒(méi)有化學(xué)-沉積相方法的指導(dǎo)下，可能只取到一個(gè)古環(huán)境區(qū)域或?qū)?個(gè)古環(huán)境區(qū)域混合到一起。但在化學(xué)-沉積相方法中可以在單一像素中原位提取元素?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合古環(huán)境計(jì)算參數(shù)可以認(rèn)識(shí)到化學(xué)-沉積相具有明顯差異。在此，本文利用Sr/Cu表征古氣候條件，通常Sr/Cu>10指示干旱氣候，14.25指示強(qiáng)還原環(huán)境，21指示咸水，Sr/Ba<1指示淡水。利用(Al+Fe)/(Ca+Mg)指示古水深，高值指示深水，低值指示淺水。分別在不同的相帶原位提取無(wú)機(jī)地球化學(xué)元素?cái)?shù)據(jù)，如圖5所示，其中Object-1和Object-2屬于同一相帶，Object-3和Object-4屬于同一相帶，Object-5和Object-6屬于同一相帶，在相同的相帶，元素的譜圖基本一致近乎重疊，而在不同的相帶其元素譜圖信息具有明顯差異，各元素定量信息在相同相帶基本一致，而不同相帶間差異較大(表3)。

利用以上古環(huán)境定量指示參數(shù)，建立雷達(dá)圖，如圖6所示。Object-1的各古環(huán)境參數(shù)中Sr/Cu=456.24指示干旱氣候，V/Cr=13.36，指示強(qiáng)還原環(huán)境，Sr/Ba=5.38指示咸水，(Al+Fe)/(Ca+Mg)=0.33指示相對(duì)淺水環(huán)境，Object-2的各各古環(huán)境參數(shù)中Sr/Cu=524指示干旱氣候，V/Cr=13.95，指示強(qiáng)還原環(huán)境，Sr/Ba=3.75指示咸水，(Al+Fe)/(Ca+Mg)=0.34指示相對(duì)淺水環(huán)境，雖然Object-1和Object-2在平面上相距較遠(yuǎn)，但古環(huán)境條件基本一致，雷達(dá)圖形態(tài)基本一致近乎重合。Object-3的各古環(huán)境參數(shù)中Sr/Cu=108.7 指示干旱氣候，V/Cr=13.62，指示強(qiáng)還原環(huán)境，Sr/Ba=3.92指示咸水，(Al+Fe)/(Ca+Mg)=0.73指示相對(duì)深水環(huán)境， Object-4的各各古環(huán)境參數(shù)中Sr/Cu=111.45 指示干旱氣候，V/Cr=13.26，指示強(qiáng)還原環(huán)境，Sr/Ba=3.21指示咸水，(Al+Fe)/(Ca+Mg)=0.62指示相對(duì)深水環(huán)境，Object-3和Object-4古環(huán)境條件基本一致，雷達(dá)圖形態(tài)基本一致。雖然Object-3和Object-1，Object-4和Object-2在平面上相距較近，但古環(huán)境條件相差明顯，Object-5的各古環(huán)境參數(shù)中Sr/Cu=70.45 指示干旱氣候，V/Cr=26.63，指示強(qiáng)還原環(huán)境，Sr/Ba=0.77指示淡水，(Al+Fe)/(Ca+Mg)=1.38指示相對(duì)深水環(huán)境， Object-6的各古環(huán)境參數(shù)中Sr/Cu=61.67 指示干旱氣候，V/Cr=16.93，指示強(qiáng)還原環(huán)境，Sr/Ba=0.75指示淡水，(Al+Fe)/(Ca+Mg)=1.32指示相對(duì)深水環(huán)境，Object-5和Object-6雷達(dá)圖形態(tài)基本一致。

3 結(jié)論

1) “化學(xué)-沉積相”分析方法有機(jī)融合了巖石樣品表面高分辨率(30 μm)的二維元素平面分布信息和巖石表面圖像特征，可以清晰識(shí)別細(xì)粒沉積巖中肉眼難以辨認(rèn)的微相(帶)特征如：巖石礦物成分、沉積結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，從而解決了傳統(tǒng)沉積學(xué)觀察方法不適應(yīng)于研究細(xì)粒沉積巖研究和常規(guī)化學(xué)地層學(xué)方法無(wú)法表征沉積相在二維空間上的非均質(zhì)性問(wèn)題。

2) 利用二維原位化學(xué)元素分析可以在大尺度手標(biāo)本或全直徑巖心(30 cm×15 cm)上研究細(xì)粒的非均質(zhì)性，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)全巖XRF和XRD等實(shí)驗(yàn)測(cè)試需要將樣品粉碎均一化所造成的無(wú)用信息遮蓋有效信息的不足，通過(guò)原位獲取樣品地球化學(xué)元素環(huán)境指示參數(shù)，定量識(shí)別沉積物來(lái)源和成因，進(jìn)而定量分析古環(huán)境演化。

致謝：中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院鄒才能院士、朱如凱教授和中國(guó)石油大學(xué)操應(yīng)長(zhǎng)教授、葸克來(lái)副教授對(duì)本文的寫(xiě)作有重要啟發(fā)，王曉琦和路研對(duì)本文寫(xiě)作過(guò)程中給予諸多幫助。感謝中國(guó)陸相致密油“973”致密儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間精細(xì)表征課題團(tuán)隊(duì)成員長(zhǎng)期支持。