細粒沉積巖巖石分類及命名方案探討

彭軍 ，曾垚 ，楊一茗 ，于樂丹 ，許天宇

（1. 西南石油大學地球科學與技術學院，成都 610500；2. 西南石油大學天然氣地質四川省重點實驗室，成都 610500）

0 引言

細粒沉積巖是由粒徑小于 62.5 μm的黏土級和粉砂級碎屑顆粒組成的含量大于 50%的沉積巖，約占全球沉積巖的70%[1-4]。中國細粒沉積巖十分發(fā)育，油氣資源量巨大，具有廣闊的勘探前景[5]。近年來，隨著非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的快速發(fā)展，利用細粒沉積學理論及研究技術方法指導非常規(guī)油氣勘探取得了顯著成效，在渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地的細粒沉積地層中獲得了可觀的非常規(guī)油氣探明儲量，非常規(guī)油氣產量逐年攀升。隨之而來的是對細粒沉積巖的研究也越來越受到重視，但由于細粒沉積巖存在礦物成分和結構復雜、沉積構造類型多樣、沉積規(guī)律復雜、非均質性強、粒徑小、觀察難度大[1]、粒級和成分等相關概念不清、細粒沉積巖和混積巖劃分界限不明確等問題，造成了巖石定名方案的不統(tǒng)一，目前已有的巖石類型劃分方案還不能準確地反映其巖石學特征，嚴重制約了對細粒沉積巖的沉積環(huán)境、沉積規(guī)律及儲集層特征的認識[2]，并在一定程度上阻礙了非常規(guī)油氣的勘探進展?；诖?，本文在前人研究成果基礎上，以沉積巖石學理論為指導，以細粒沉積巖為研究對象，對細粒沉積巖的相關概念重新進行梳理和界定，在此基礎上，從巖石學特征出發(fā)，探討細粒沉積巖分類和命名的新方案。

1 細粒沉積巖分類及定名方案現狀

細粒沉積巖目前沒有統(tǒng)一、明確的分類及定名方案，這既有客觀原因，也有主觀因素?？陀^原因是細粒沉積巖的物質成分及其產出狀態(tài)、紋層等沉積構造類型豐富、巖石類型及其垂向疊置關系復雜多樣[6]，如物質成分常見黏土礦物、長英質礦物、碳酸鹽礦物、有機質、黃鐵礦、石膏等；沉積構造可以觀察到塊狀、條帶狀、紋層狀、頁狀等；紋層類型可見平直紋層、波狀紋層、連續(xù)紋層、斷續(xù)紋層等。其次還因為細粒沉積巖的顆粒粒度都很細小，常規(guī)的野外露頭和巖心觀察以及普通的顯微薄片鑒定都很難準確確定其物質成分、含量和巖石結構類型[7]，往往需要借助非常規(guī)的實驗測試分析技術手段進行判定。主觀因素就是截至到目前細粒沉積巖的定義在學界還沒有統(tǒng)一，不同學者都是基于自己對細粒沉積巖的理解來開展相關研究，因此會得出不同的認識和結論。

1.1 分類及定名要素

細粒沉積巖巖石分類及定名的主要依據包括礦物成分、粒度、含量、沉積構造、紋層形態(tài)、有機質、顏色、特殊礦物成分等。

礦物成分是陸源輸入、沉積作用及成巖作用等共同影響的結果，在這個過程中會受到物理、化學及生物作用的影響，是造成巖石類型多樣性的根本因素[8-9]；粒度是沉積巖中碎屑顆粒最主要的結構特征，更是劃分巖石類型非常重要的參數，沉積巖的粒度可以反映物源遠近、水動力條件、水體深度等沉積環(huán)境要素[10]；沉積構造是細粒沉積物中最常見的一種宏觀特征，沉積構造的形成與沉積物的搬運方式、沉積速率、沉積方式和水動力條件密切相關[11]。顏色是細粒沉積巖最醒目的標志，它主要反映巖石內礦物的成分、沉積環(huán)境以及物源區(qū)特征。

1.2 分類及定名方案的應用

細粒沉積巖分類及定名一般是借鑒碎屑巖的常規(guī)定名方法，即依據巖石顆粒的粒度特征，采用三級命名法原則對巖石進行分類和命名，在此基礎上再考慮成分和成因等要素。

國內外學者多以細粒沉積巖中含量最多的幾種礦物成分作為端元進行巖石類型的劃分[1,4,7,12-20]（見表1）。

表1 國內外細粒沉積巖巖石分類及定名方案

國外對于細粒沉積巖的研究主要集中于海相富硅質的細粒沉積巖。Loucks[12]對美國FortWorth盆地進行了海相頁巖的礦物巖石學特征分析，基于礦物成分、結構、生物特征、礦物粒度以及巖石顏色等進行命名并建立了巖相劃分方案。Lazar[15]以砂、粗泥和細泥作為 3端元，將細粒沉積巖分為砂巖、泥質砂巖、砂質泥巖、粗粒泥巖（即粉砂巖）、中粒泥巖（即泥巖）以及細粒泥巖（即黏土巖）等6種類型（見圖1）。

圖1 細粒沉積巖命名方案（據文獻[15]修改）

結合中國南方海相頁巖和東部湖相細粒沉積巖的礦物成分特征，目前多以黏土礦物、碎屑礦物及碳酸鹽礦物為3端元，以含量50%為界將細粒沉積巖劃分為泥巖或黏土巖、粉砂巖、碳酸鹽巖和各自含量均小于50%的混合細粒沉積巖4類[1,8,21]。該分類方案使用廣泛，并且適用性較強，但筆者認為該方案若將3端元均統(tǒng)一為粒級或者礦物成分會更加明確和科學，也可以降低細粒沉積巖巖石分類及命名的復雜性。目前已有學者在定名時將3端元進行了礦物成分的統(tǒng)一，將粒級“粉砂”替換為與黏土礦物和碳酸鹽礦物并列的“長英質礦物”組分[4-5,22]。由于不同區(qū)域細粒沉積巖沉積環(huán)境的差異性特征，有學者結合區(qū)域情況在巖石分類及定名中加入有機質含量、沉積構造、特殊礦物等[6,22-23]。

1.3 存在的問題

國內外學者對細粒沉積巖巖石分類、巖石定名及巖相的研究已經取得了豐碩的研究成果，這極大地豐富了人們對細粒沉積巖的認識，并推動著非常規(guī)油氣勘探與開發(fā)的不斷發(fā)展。但是，其中也有很多需要思考和完善的地方，主要包括以下幾個方面。①細粒沉積巖與混積巖概念混淆?；旆e巖是指陸源碎屑與碳酸鹽等礦物顆粒經交替間互式或均勻混合式沉積作用形成，具有多物質成分特征的巖石[24-25]?；旆e巖和細粒沉積巖主要有兩點不同：一是混積巖沒有粒度的限制；二是混積巖更強調的是混合沉積作用，若混積巖中粒徑小于62.5 μm的物質成分總體積分數超過50%，則屬于細粒沉積巖的范疇，可稱為混合細粒沉積巖，即細?；旆e巖。②在以 3端元劃分巖石類型或對巖石進行定名時，往往將礦物成分與粒級并列作為劃分依據，又或者將TOC與礦物成分并列，這不僅造成了巖石定名和分類的難以統(tǒng)一，也不利于對細粒沉積巖巖石學特征、沉積與成因規(guī)律的研究。③泥和黏土概念混淆。泥是粒級的概念，而黏土則表示黏土礦物。需要注意的是，泥級大小的巖屑是極為罕見的，因此在純泥巖中幾乎沒有巖屑。④根據巖石的礦物成分特征，應將黏土礦物含量大于 50%的泥質巖稱為黏土質巖，即黏土巖。從礦物成分以及構造特征的角度而言，黏土巖屬于泥質巖中的一種特殊類型。黏土質巖的說法同硅質巖、鈣質巖一樣，這里的“質”與巖石三級命名法中的“質”含義完全不同，前者指某類礦物成分含量大于50%的巖石，后者則代表巖石中某種礦物成分或結構組分的含量為 25%～50%，這是兩個不同的應用體系術語，因此在使用中要注意區(qū)分。

2 細粒沉積巖巖石分類及定名依據

粒級是細粒沉積巖的屬性參數，而物質成分則是研究細粒沉積巖特征的根本要素。因此本文從粒級和物質成分 2個要素出發(fā)對細粒沉積巖巖石分類及定名方案進行探討。

2.1 粒級

關于細粒沉積巖巖石顆粒的粒度分級，目前中國主要應用的有2種劃分方案和分級標準。一個是Udden-Wentworth的2的幾何級數制[26]，在國際上應用非常廣泛。另一個則是十進制粒級劃分方案[26]，由于該方案便于記憶，應用簡單，且符合油氣儲集層研究的基本要求，因此中國石油行業(yè)較多采用該方案（見表2）。

表2 粒級的劃分及命名（據文獻[26]修改）

如表2，前人通過水力學性質的研究，小于0.062 5 mm的顆粒由于黏土物質大量增加，顆粒細小，肉眼無法分辨，因此主張以0.062 5 mm作為砂和粉砂的界限。若使用十進制分級即第二種劃分方案，則將砂與粉砂的界限設置為0.1 mm，是考慮到便于油氣儲集層的研究，因為好的油氣儲集層粒徑多在細砂（顆粒直徑 0.10～0.25 mm）以上；至于粉砂與泥的界限，2的幾何級數制方案為0.003 9 mm，這種劃分方案認為泥級礦物顆粒一般較細，大多數小于0.004 mm。十進制方案為0.005 mm，即把黏土礦物開始出現的粒徑上限作為劃分界限。

細粒沉積巖主要是從沉積物的粒徑角度進行定義，將其細分為粉砂巖和泥質巖，細粒沉積巖的粒級對應在碎屑巖中包括粉砂級和泥級，對應碳酸鹽巖中包括粉晶級和泥晶級（見表2）。因此粉晶級的碳酸鹽巖等同于細粒沉積巖中的粉砂巖，泥晶級的碳酸鹽巖等同于細粒沉積巖中的泥巖。

2.2 物質成分

細粒沉積巖具有典型的混積特征，物質成分主要包括碳酸鹽礦物、黏土礦物、陸源碎屑礦物以及有機質、黃鐵礦、石膏等[14,17,27-36]（見表3）。

表3 國內外典型區(qū)域細粒沉積巖的物質成分

細粒沉積巖中長英質礦物來源豐富，包括陸源輸入、化學成因和生物成因等。美國Barnett海相頁巖和四川盆地志留系龍馬溪組海相頁巖表現出富硅質的特征，主要是受硅質海綿和放射蟲等造硅生物的影響[27,30]，硅質礦物含量可超過50%（見表3）。東營凹陷古近系沙河街組四段發(fā)育的湖相細粒沉積巖中常見石英等陸源輸入的碎屑礦物[23]。一般認為生物成因石英的脆性大于陸源石英[37]，因此生物成因石英含量越高越有利于細粒沉積巖油氣藏的勘探開發(fā)。

細粒沉積巖中常富含碳酸鹽礦物，且碳酸鹽礦物的形成與化學、微生物作用密切相關[38-41]。如美國墨西哥灣盆地上侏羅統(tǒng)Haynesville海相頁巖碳酸鹽礦物平均含量為 22.7%[28]，湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M海相細粒沉積巖碳酸鹽礦物含量可達 38%[31]，渤海灣盆地東營凹陷古近系沙河街組湖相細粒沉積巖中碳酸鹽礦物平均含量超過50%[34]（見表3）。

海相細粒沉積巖中的黏土礦物含量與湖相深水細粒沉積巖相比較高，如加拿大西部沉積盆地泥盆系—密西西比系海相細粒沉積巖中黏土礦物的含量超過了45%[29]，而湖相細粒沉積巖中黏土礦物的平均含量多在20%左右（見表3），主要是與陸相盆地面積較小、距物源區(qū)較近有關[42]。

有機質是細粒沉積巖中一種常見的物質成分。如美國Fort Worth盆地Barnett海相頁巖TOC值平均為4.5%[27]，塔里木盆地寒武系玉爾吐斯組海相細粒沉積巖TOC值可達 8.6%[32]，滄東凹陷古近系孔店組二段湖相細粒沉積巖TOC值平均為 3.4%[35]，松遼盆地白堊系青山口組一段陸相細粒沉積巖TOC平均值為3.2%[36]（見表3）。細粒沉積巖中泥級組分的有機質主要來源于溶解有機質和藻類等微生物[43]，往往以多種方式保存，常見生物體、生物殘體和無定形等[44]。

黃鐵礦在細粒沉積巖中含量偏少，但環(huán)境指示意義較大。塔里木盆地寒武系玉爾吐斯組海相細粒沉積巖中黃鐵礦平均含量為2.2%[32]，松遼盆地白堊系青山口組一段湖相細粒沉積巖中黃鐵礦平均含量約為3.9%[36]（見表3）。研究表明，黃鐵礦的形成與海洋深部環(huán)境息息相關，可以用來追溯物源、進行地層劃分和對比、反映環(huán)境變化、判斷沉積速率等[45-46]。

3 細粒沉積巖巖石分類及定名新方案

本次研究以渤海灣盆地東營凹陷沙河街組細粒沉積巖為研究對象，通過顯微薄片鑒定、粒度分析、全巖礦物X衍射、黏土礦物X衍射等技術方法對主要巖石類型的顆粒粒級、物質成分等進行測定，提出 2套新的分類及定名方案。

3.1 分類及定名原則

①先根據粒度等級，從礫、砂、粉砂到泥，按照“泥級礦物含量+粉砂級礦物含量”大于50%的原則確定是否為細粒沉積巖。

②在此基礎上，再依據泥和粉砂的相對含量劃分為泥巖和粉砂巖兩種類型。其余粒級合并為礫和砂兩大級，然后按三級命名法原則進行命名?；蛘咭缘V物成分為標準劃分出黏土巖、碳酸鹽巖及細粒長英沉積巖，其余成分根據含量依舊采用三級命名法原則進行分類和定名。

③由于巖石中礫級礦物含量大于 30%時就定名為礫巖，不符合三級命名法定名原則，因此在該方案中不以礫級礦物作為主要端元，但在實際應用時還應考慮礫級礦物的含量。

④用三級命名法確定細粒沉積巖基本名稱之后，其中含量小于10%的物質成分若具某種特殊的指示意義，如可指示巖石脆性的方沸石或可指示氧化還原環(huán)境的黃鐵礦等，也可以根據具體情況加入巖石定名中。此外，定名時可增加沉積構造、顏色及微觀結構等修飾詞。

3.2 按粒級分類及定名

將砂級礦物、粉砂級礦物及泥級礦物作為扇形的3個端元，采用三級命名法原則對細粒沉積巖進行分類和定名。

3.2.1 按粒級分類及定名方案

先依據含量大于 50%的粒級來定巖石的主名，即基本名“××巖”。由于細粒沉積物的粒徑小于62.5 μm，可以劃分出泥巖和粉砂巖2種基本巖石類型。其次再根據剩余粒級的含量，將含量為 25%～50%的粒級以形容詞“××質”的形式寫在基本名之前；含量為 10%～25%的粒級作次要形容詞，以“含××”的形式寫在最前面；含量小于10%的粒級則不反映在巖石的名稱中。

根據以上方案，先將粉砂級礦物的含量和泥級礦物的含量界定在 0～100%，由于細粒沉積巖中砂級礦物含量不超過 50%，所以將砂級礦物含量界定在 0～50%，以此確定粒級定名扇形圖三端元的范圍。最終劃分出以粉砂級礦物為主的粉砂巖和以泥級礦物為主的泥巖2大類共計12種巖石類型（見圖2）。

圖2 細粒沉積巖巖石粒級分類及定名扇形圖

3.2.2 方案應用說明

以東營凹陷沙河街組細粒沉積巖巖礦測試分析成果，舉例說明該方案的應用。①泥級礦物含量大于60%，粉砂級礦物的含量大于30%，則將該巖石定名為粉砂質泥巖（Ⅳ）（見表4）。②粉砂級礦物含量大于 65%，泥級礦物含量為25%～35%，則將該巖石定名為泥質粉砂巖（Ⅲ）。③粉砂級礦物含量為62%，砂級礦物占26%，泥級礦物含量為12%，稱為含泥砂質粉砂巖（Ⅺ）（見表4）。④泥級礦物含量為57%，粉砂級礦物為 26%，砂級礦物含量為6%，礫級礦物占11%，可稱為含礫粉砂質泥巖。⑤如果在按粒級定名時需要強調礦物成分，則將該礦物名稱放在其對應粒級之前作為修飾詞。比如某泥巖中方解石泥級礦物含量大于 50%，石英粉砂級礦物的含量大于 28%，砂級礦物占 15%，則命名為含砂石英粉砂質方解石泥巖或者含砂石英粉砂質泥晶灰?guī)r。⑥如果有兩種泥級礦物同時出現，且需要強調礦物成分，則以含量大于50%的為主名，另外1種泥級礦物仍然按照“××質”或“含××”命名原則對巖石進行劃分與命名。如泥級方解石含量為53%，高嶺石等黏土礦物含量為28%，粉砂級石英含量為13%，按粒度命名為含粉砂泥巖（Ⅴ），若強調主成分，則可稱做含粉砂泥質方解石泥巖或含粉砂泥質泥晶灰?guī)r（見表4）。

表4 東營凹陷古近系沙河街組四段典型細粒沉積巖宏微觀特征

⑦以碳酸鹽礦物為主（含量大于50%），且粒徑小于0.003 9 mm的巖石在粒級劃分上屬于細粒沉積巖中泥巖的范疇，如泥晶灰?guī)r、泥晶云巖可稱作灰泥巖/方解石泥巖、云泥巖/白云石泥巖。但考慮到目前實際應用以及普適性的問題，還是歸入碳酸鹽巖類，稱作泥晶灰?guī)r或泥晶白云巖等。

因此，可將泥巖限定為以泥級長英質礦物、黏土礦物為主的巖石，如石英泥巖、長石泥巖、黏土泥巖/黏土巖等。即當泥巖中黏土礦物含量大于 50%時，稱為黏土巖；當方解石含量大于50%時，稱為泥晶灰?guī)r；當白云石含量大于 50%時，稱為泥晶白云巖。石英泥巖和長石泥巖理論上肯定是應該存在的，但由于這兩種礦物主要來源于風化作用形成的陸源碎屑，考慮其風化習性，很難能夠以泥級顆粒的形式富集到 50%以上，因此在自然界中罕見。

⑧具頁理狀的泥質巖稱作頁巖。頁巖和泥巖是依據沉積構造劃分的，泥頁巖的說法模糊了二者在沉積構造上的區(qū)別，應該進行區(qū)分。

3.3 按成分分類及定名

由于細粒沉積巖的概念已經對粒級做了限定，因此在劃分類型和定名時應該更注重成分的差異，故在依據成分對細粒沉積巖分類和定名時，將粉砂級大小的碎屑礦物顆粒統(tǒng)稱為長英質礦物更為合適。由此依據碳酸鹽礦物、長英質碎屑礦物及黏土礦物 3類礦物的相對百分含量，采用三級命名法原則對細粒沉積巖進行分類和定名。

3.3.1 按成分分類及定名方案

以含量大于 50%的礦物成分定巖石的主名，即基本名“××巖”；含量為25%～50%的礦物成分以形容詞“××質”的形式寫在基本名之前；含量為 10%～25%的礦物成分作次要形容詞，以“含××”的形式寫在最前面；含量小于10%的礦物成分一般不參與定名。

細粒沉積巖的礦物成分復雜，若沒有一種成分的含量大于 50%，而含量在 25%～50%的礦物成分又不止 1種，這時可以含量為 25%～50%的成分進行復合命名，用“××-××質混合細粒沉積巖”的形式表示，含量較多的寫在后面。其他含量少的礦物成分仍然按三級命名法的原則處理。

若細粒沉積巖中不但沒有含量大于 50%的礦物成分，而且含量為 25%～50%的成分也沒有或者只有 1種，則可以將此巖石的全部礦物成分分別合并為長英質、黏土質、鐵質、灰質和白云質幾大類，然后再以“××質混合細粒沉積巖”或“含××-××混合細粒沉積巖”的形式表示。

根據上述原則，將黏土礦物含量大于50%的巖石稱為黏土巖；方解石/白云石礦物含量大于50%的巖石稱為灰?guī)r/白云巖，即碳酸鹽巖；長英質碎屑礦物含量超過50%的巖石稱為細粒長英沉積巖；當這3種礦物含量均小于50%時稱為“××質混合細粒沉積巖”。最終將細粒沉積巖劃分成4大類共18種巖石類型（見圖3）。其中，當細粒長英沉積巖的長石含量小于 10%時，則不參與定名，稱為細粒石英沉積巖，同樣，若石英含量低于10%，也不參與定名，稱為細粒長石沉積巖。

此外，細粒沉積巖與頁巖油氣關系密切，而頁巖油氣富集高產的重要控制因素就是有機碳的含量[47-48]。因此在定名時，必須將有機碳含量作為非常重要的參數。前人研究認為，從油氣成藏的角度出發(fā)，TOC值大于0.5%時細粒沉積巖具有較好的油氣地質意義[49-50]，TOC值大于2.0%時具備工業(yè)可采能力[51]。因此本文將TOC值以0.5%和2.0%為界，劃分出貧有機質、含有機質和富有機質3類，并采用裴蒂莊4組分分類體系中的并列三角圖解[26]，將TOC參與定名（見圖3）。

圖3 細粒沉積巖巖石成分定名三角圖

3.3.2 方案應用說明

同樣以東營凹陷沙河街組細粒沉積巖為例說明該方案的應用。

①粉晶方解石含量為60%，白云石含量為2%，黏土礦物含量為26%，TOC值大于2%，則將該巖石定名為富有機質黏土質碳酸鹽巖（ⅩⅤ），若強調粒級，則定為富有機質黏土質粉晶灰?guī)r（見表5）。

表5 東營凹陷古近系沙河街組四段典型細粒沉積巖物質成分分布特征

②泥晶方解石含量為53%，白云石含量為3%，黏土礦物含量為27%，石英含量為7%，長石含量為5%，TOC值小于0.5%。將該巖石定名為貧有機質含粉砂黏土質碳酸鹽巖或貧有機質含粉砂黏土質泥晶灰?guī)r（見表 5）。

③高嶺石含量為30%，伊利石含量為24%，方解石含量為25%，石英含量為9%，長石含量為3%，TOC值為0.5%～2.0%。則將巖石定名為含有機質含長英灰質黏土巖（見表5）。

④白云石含量 35%，方解石含量為 11%，黏土礦物含量為23%，石英含量為19%，斜長石含量為5%，TOC值小于 0.5%。將該巖石定名為貧有機質白云質混合細粒沉積巖（ⅩⅧ）（見表5）。

⑤石英含量為53%，長石含量為3%，高嶺石含量為18%，伊利石含量為14%，方解石含量為12%，則將巖石定名為含方解石黏土質細粒石英沉積巖。

⑥石英含量為 35%，長石含量為18%，方解石含量為 32%，黏土礦物含量為 15%，則將巖石定名為含黏土灰質細粒長英沉積巖。

4 結論

劃分細粒沉積巖巖石類型和對巖石進行定名時，應對各端元進行統(tǒng)一。如泥和粉砂等為顆粒粒級，黏土則為礦物成分類型，避免將粒級、礦物成分和TOC等并列作為劃分依據。

沿用沉積巖石學分類定名的三級命名法原則確定細粒沉積巖基本名稱，具有特殊指示意義的含量小于10%的礦物可參與定名，視研究需要增加沉積構造、顏色及微觀結構等修飾詞放在基本名稱之前。

依據粒度采用 3端元扇形圖解劃分細粒沉積巖巖石類型，以砂級礦物、粉砂級礦物及泥級礦物作為 3個端元，將粉砂級礦物的含量和泥級礦物的含量界定在0～100%，將砂級礦物的含量界定在0～50%，由此確定 3端元的范圍，共劃分為“粉砂巖”和“泥巖”兩個大類共計12種巖石類型。

依據物質成分采用 4組分分類體系的并列三角圖解劃分細粒沉積巖巖石類型，首先以碳酸鹽礦物、長英質碎屑礦物及黏土礦物作為 3端元基本組分，將細粒沉積巖劃分為碳酸鹽巖、細粒長英沉積巖、黏土巖及混合細粒沉積巖4個大類共計18種巖石類型，其次選取TOC作為第4個組分，以含量0.5%、2.0%為界劃分出貧有機質、含有機質和富有機質 3種類型，再分別對上述巖石類型進行具體細分。