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陆棚海泥岩的岩相特征及沉积过程

李志扬

李志扬. 陆棚海泥岩的岩相特征及沉积过程—以晚白垩世北美西部内陆海道为例[J]. 沉积学报, 2021, 39(1): 168-180. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.126
引用本文: 李志扬. 陆棚海泥岩的岩相特征及沉积过程—以晚白垩世北美西部内陆海道为例[J]. 沉积学报, 2021, 39(1): 168-180. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.126
LI ZhiYang. Facies Characteristics and Depositional Processes of Shelf Mudstones: Examples from the Late Cretaceous Western Interior Seaway of North America[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(1): 168-180. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.126
Citation: LI ZhiYang. Facies Characteristics and Depositional Processes of Shelf Mudstones: Examples from the Late Cretaceous Western Interior Seaway of North America[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(1): 168-180. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.126

陆棚海泥岩的岩相特征及沉积过程—以晚白垩世北美西部内陆海道为例

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.126
详细信息
    作者简介:

    李志扬,男,1991年出生,博士,沉积学地层学,E-mail: tununk24@outlook.com

  • 中图分类号: P534.61

Facies Characteristics and Depositional Processes of Shelf Mudstones: Examples from the Late Cretaceous Western Interior Seaway of North America

  • 摘要: 传统的沉积模式认为大部分细粒沉积岩(泥岩或页岩)的沉积发生在相对深水、低能的环境中。作为地表上分布最为广泛的沉积岩类型,泥页岩包含了对重构地质历史时期古地理、古气候的重要信息。泥页岩除了可以作为有效的烃源岩,勘探开发技术的进展更发掘出泥岩作为非常规油气储层的巨大潜力。近十年来,国内外对细粒沉积物的水槽实验、泥岩沉积微相的精细分析、以及泥岩岩相组成特征的研究取得了长足的进展。这些研究对泥岩的沉积过程和沉积模式在不同角度上提供了新的认知。大部分泥岩(甚至包括众多有机质含量高的泥岩)都可能沉积在相对浅水以及水动力条件相对较高的环境中。不同的沉积过程(底部水流)形成不同的泥岩沉积微相,并对有机质在泥岩中的埋藏富集具有重要的控制作用。以晚白垩纪北美西部内陆海道为例,总结在陆棚浅海环境中(最大水深< 200 m),位于从近岸到远岸(> 500 km)不同沉积环境(包括前三角洲/下邻滨、内陆棚、中陆棚、和外陆棚环境)中的泥岩的主要沉积过程、沉积微相特征、以及富集有机质的潜力。由于沉积过程和沉积环境是决定泥岩成分、沉积相、和岩石物理特征非均质性的首要因素,不同浅海环境中的泥岩相特征和沉积模式可有助于利用泥岩地层进行古地理、古气候的重构,并能够对预测不同陆棚浅海环境中沉积的泥岩作为有效烃源岩或有效储层的潜力提供指导。
  • 图  1  研究区地质概况

    (a)中土伦期北美古地理图和北美西内陆海道的范围[2829],这一时期的古海岸线方向为东北—西南向;(b)Tununk页岩段在犹他Hanksville附近的露头。对沉积环境的细分来自Li et al. [12];(c) Bridge Creek碳酸盐岩段在科罗拉多Pueblo附近的露头,Bridge Creek碳酸盐岩段最典型的特征是碳酸盐岩和钙质泥岩之间的韵律性交替

    Figure  1.  Study area and geological background

    (a)Middle Turonian paleogeographic map that shows the extent of the Western Interior Seaway[2829]. The paleoshoreline oriented northeast⁃southwest; (b)Outcrops of the Tununk Shale and Ferron Sandstone Members near Hanksville, Utah. The subdivisions of depositional environments are from Li et al.[12]; (c) Outcrops of the Bridge Creek Limestone Member near Pueblo, Colorado. The Bridge Creek Limestone Member is characterized by the distinct rhythmic limestone⁃marlstone bedding couplets

    图  2  犹他Hanksville地区和科罗拉多Pueblo地区赛诺曼期—土仑期岩性地层划分

    Figure  2.  Cenomanian⁃Turonian lithostratigraphy at areas near Hanksville, Utah and Pueblo, Colorado

    图  3  根据晚白垩纪北美西内陆海道对陆棚浅海中不同沉积环境的划分以及不同环境中主要的沉积过程[9,12,3031]

    Figure  3.  Subdivisions of different depositional environments and primary depositional processes within the Late Cretaceous Western Interior Seaway[9,12,3031]

    图  4  Ferron砂岩段中前三角洲硅质碎屑泥岩沉积相特征

    (a)~(d)事件性浊流沉积(红色三角形)和异重流沉积(黄色三角形),三角形代表颗粒大小的变化(向上变细或向上变粗);(e)前三角洲沉积主要由陆源的硅质碎屑矿物组成;(f)前三角洲沉积包含常见的块状的陆源有机质

    Figure  4.  Facies characteristics of the prodeltaic siliciclastic mudstones within the Ferron Sandstone Member.

    (a)⁃(d) Surge⁃type turbidity current deposits (red triangles) and hyperpycnal flow deposits (yellow triangles). Triangles indicate grain size variations (normal grading or inverse grading); (e) Prodelta facies consists dominantly of siliciclastic particles derived from terrigenous sources;(f) Common terrigenous organic matter (blocky) in prodelta facies

    图  5  下邻滨—内陆棚硅质碎屑(不含钙质的)泥岩沉积相特征

    (a)下临滨环境中互层的泥岩和砂岩(含丘状层理)的露头照片;(b)含波浪和混合水流形成的波纹交错层理的砂岩和泥岩互层。基本不含生物扰动,说明风暴浪发生频繁,沉积速率较快;(c)中等生物扰动的砂质泥岩;(d)大量生物扰动的砂质泥岩,仅含有少数未被完全扰动尚存的浪成波纹交错层理;(e)泥岩(下部)和砂岩(上部)中的浪成仅含有少数未被完全扰动尚存的浪成波纹交错层理;(f)内陆棚泥岩中仍包含部分陆源有机质(块状的),背散射扫描电镜照片。(a)和(c)来自Ferron砂岩段。(b),(d),(e)和(f)来自Tununk页岩段。(b)~(d)是磨光岩石样品的扫描照片(增强了对比度)

    Figure  5.  Facies characteristics of siliciclastic (non⁃calcareous) mudstones deposited in lower shoreface to inner shelf environment

    (a) Outcrop photo showing interbedded mudstones and sandstones (with hummocky cross stratification) in the lower shoreface facies; (b) Sandstones showing wave ripple and combined⁃flow ripple cross laminations and interlaminated mudstones. Bioturbation is almost absent, indicating high sedimentation rate related to frequent storm events; (c) Moderately bioturbated sandy mudstone; (d) Highly bioturbated sandy mudstone with rare remnant wave ripple cross laminations. The abundant bioturbation indicates low sedimentation rate related to infrequent storm events; (e) Wave rippled mudstone overlain by wave rippled sandstone, plain light; (f) Some terrigenous organic matter (blocky) in the inner shelf mudstones, backscattered SEM image. (a) and (c) are from the Ferron Sandstone Member. (b), (d), (e), and (f) are from the Tununk Shale Member. (b)⁃(d) are scanned images of polished slabs and are contrast⁃enhanced

    图  6  中陆棚沉积的含钙质泥岩的沉积相特征

    (a)中等生物扰动的泥岩包含尚存的浪成波纹交错层理(根据基本对称的波纹顶而识别);(b)大量生物扰动的泥岩。所以原生的(如果曾有的话)被生物扰动完全破坏;(c)中陆棚泥岩在的钙质颗粒包含有孔虫(箭头)和粪球粒(虚线);(d)相对细粒的机质包含常见的钙质球石藻碎屑

    Figure  6.  Facies characteristics of carbonate⁃bearing mudstones deposited in middle shelf environment.

    (a) Moderately bioturbated mudstone with remnant wave ripple cross laminations (based on the symmetric crest); (b) Highly bioturbated mudstone. All the primary sedimentary structures (if any) have been disrupted by bioturbation; (c) Carbonate particles include foraminifera tests (arrows) and fecal pellets (dashed outline); (d) The fine⁃grained matrix is also calcareous due to common coccolith debris (arrows); (c)⁃(d) are backscatter images

    图  7  外陆棚(半远洋)环境中钙质泥岩的沉积相特征

    (a)~(d)露头上较突出的层段的钙质含量相对较高(更抗风化),沉积结果包括混合水流形成的交错层理(b),平行和略微波浪状的层理(c)和小的浪成波纹交错层理(d);(e)风化作用较强的黏土含量更高的层段生物扰动强度越大,但是一些沉积结果(大部分是浪成波纹交错层理)仍得以保存。表面上白色斑点状的是钙质的粪球粒;(f)砂粒大小的钙质颗粒(大部分是有孔虫)沿波浪状层理聚集,正交光;(g)常见的钙质颗粒包括有孔虫(箭头),粪球粒(虚线)和球石藻碎屑。有孔虫和粪球粒是砂粒大小。背散射扫描电镜照片。所有的样品均来自Tununk页岩段。Ca:方解石

    Figure  7.  Facies characteristics of calcareous mudstones deposited in the outer shelf (hemi⁃pelagic) environment

    (a)⁃(d) The resistant layers in outcrops are carbonate⁃rich (more weathering⁃resistant) and show sedimentary structures include combined⁃flow ripple cross lamination (b), parallel to slightly wavy laminations (c), and small wave ripple cross laminations (d). (e) The more weathered clay⁃rich intervals are more commonly bioturbated, but some sedimentary structures (most likely wave ripple cross laminations) are still preserved. (f) Concentration of sand⁃sized carbonate particles (mostly foraminifera tests) along wavy laminations, cross polarized light. (g) Common carbonate particles include foraminifera tests (arrows), fecal pellets (dashed outlines), and coccolith debris. Foraminifera tests and fecal pellets are sand⁃sized. Backscatter SEM image. All samples are from the Tununk Shale. Ca:calcite

    图  8  外陆棚(远洋)环境中沉积的Bridge Creek碳酸盐岩段的沉积相特征

    (a)石灰岩层的底部的波浪状层理向上递变为完全被生物扰动的部分;(b),(c)大量生物扰动的石灰岩层;(d),(e)生物扰动强度较低(低到中等)、层理更发育的泥灰岩层;(f)泥灰岩层中包含的浪成交错层理是由以有孔虫为主(相对更亮的)的和以粪球粒为主(相对较暗的)的交互层理组成;(g)石灰岩中钙质含量高(巨体和微体的化石碎屑),有机质含量低;(h)泥灰岩中黏土矿物含量较高,有机质含量也较高

    Figure  8.  Facies characteristics of the Bridge Creek Limestone Member deposited in the outer shelf (pelagic) environment

    (a) A limestone bed showing basal wavy laminations grading to the highly bioturbated upper part; (b),(c) Highly bioturbated limestone beds; (d),(e) Less bioturbated (low to moderate bioturbation intensity), more laminated marlstones; (f) Marlstone contains wave ripple cross laminations made of alternations between laminae made of foraminifer tests (lighter⁃colored) and fecal pellets (darker⁃colored), cross polarized light; (g) The limestone is characterized by high carbonate content (macro⁃and micro⁃fossil fragments) and low TOC; (h) The marlstone is characterized by increased clay mineral content and high TOC

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-14
  • 刊出日期:  2021-02-10

目录

    陆棚海泥岩的岩相特征及沉积过程

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.126
      作者简介:

      李志扬,男,1991年出生,博士,沉积学地层学,E-mail: tununk24@outlook.com

    • 中图分类号: P534.61

    摘要: 传统的沉积模式认为大部分细粒沉积岩(泥岩或页岩)的沉积发生在相对深水、低能的环境中。作为地表上分布最为广泛的沉积岩类型,泥页岩包含了对重构地质历史时期古地理、古气候的重要信息。泥页岩除了可以作为有效的烃源岩,勘探开发技术的进展更发掘出泥岩作为非常规油气储层的巨大潜力。近十年来,国内外对细粒沉积物的水槽实验、泥岩沉积微相的精细分析、以及泥岩岩相组成特征的研究取得了长足的进展。这些研究对泥岩的沉积过程和沉积模式在不同角度上提供了新的认知。大部分泥岩(甚至包括众多有机质含量高的泥岩)都可能沉积在相对浅水以及水动力条件相对较高的环境中。不同的沉积过程(底部水流)形成不同的泥岩沉积微相,并对有机质在泥岩中的埋藏富集具有重要的控制作用。以晚白垩纪北美西部内陆海道为例,总结在陆棚浅海环境中(最大水深< 200 m),位于从近岸到远岸(> 500 km)不同沉积环境(包括前三角洲/下邻滨、内陆棚、中陆棚、和外陆棚环境)中的泥岩的主要沉积过程、沉积微相特征、以及富集有机质的潜力。由于沉积过程和沉积环境是决定泥岩成分、沉积相、和岩石物理特征非均质性的首要因素,不同浅海环境中的泥岩相特征和沉积模式可有助于利用泥岩地层进行古地理、古气候的重构,并能够对预测不同陆棚浅海环境中沉积的泥岩作为有效烃源岩或有效储层的潜力提供指导。

    English Abstract

    李志扬. 陆棚海泥岩的岩相特征及沉积过程—以晚白垩世北美西部内陆海道为例[J]. 沉积学报, 2021, 39(1): 168-180. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.126
    引用本文: 李志扬. 陆棚海泥岩的岩相特征及沉积过程—以晚白垩世北美西部内陆海道为例[J]. 沉积学报, 2021, 39(1): 168-180. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.126
    LI ZhiYang. Facies Characteristics and Depositional Processes of Shelf Mudstones: Examples from the Late Cretaceous Western Interior Seaway of North America[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(1): 168-180. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.126
    Citation: LI ZhiYang. Facies Characteristics and Depositional Processes of Shelf Mudstones: Examples from the Late Cretaceous Western Interior Seaway of North America[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2021, 39(1): 168-180. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.126
      • 泥岩(或称页岩)是主要由粒径小于62.5 µm的矿物颗粒组成的岩石。作为地表上分布最为广泛的沉积岩类型,泥岩地层对古气候、古地理的研究具有重要的意义[1-2]。同时泥岩又具有宝贵的经济效应,其作为烃源岩和盖层的潜力早已为地质学家所熟知,近年来勘探开发技术的进展更发掘出泥岩作为非常规油气储层的巨大潜力[3]。尽管泥岩具有如此重要的科学意义和经济意义,地质学家对泥岩的沉积微相特征及主要沉积过程仍不甚了解。造成这一问题的主要原因可能是由于泥岩的粒径较小、极易风化的特征,在大多数情况下对泥岩的岩石组成、岩相特征、沉积相特征的描述缺少直接容易的方法。由于对泥岩微相特征的精细描述往往不是那么容易,地球化学分析方法(元素组成,矿物组成,有机质同位素分析等)经常被用于间接的解释泥岩的沉积环境。虽然地球化学方法可以对泥岩的沉积环境提供指向性的线索,这些方法所得到的结果并不能直接反应泥岩中复杂的沉积相变和沉积特征,因此对泥岩沉积微相的精细分析仍然十分必要。

        由于组成泥岩的矿物颗粒粒径相对较小,长久以来泥岩往往被解释为沉积在较深水、低能的环境中。近年来对泥岩沉积过程进行的水槽实验取得了重大的进展[4-7],结合对现代浅海大陆架(水深< 200 m)环境中细粒沉积物搬运和沉积过程的直接观察[8-11],以及更多对古代泥岩地层和沉积微相的精细研究[12-14],泥岩可以在相对浅水、高能的环境中沉积这一观点正在逐渐被更多的学者所接受[5-6, 15-16]。甚至可以认为大部分泥岩(包括一些有机质含量高的泥岩)在沉积过程中都曾受到过底部水流的影响[16-20],因此泥岩沉积环境的水动力条件比以往认识的可能要更强更为复杂[14-21]。对于以泥页岩为主的非常规油气储层,有机质的沉积和保存以及储层的岩石物理性质均在根本上受到沉积背景以及多种过程(沉积物来源、沉积过程及速率、生物扰动、成岩作用等)耦合的影响[22],因而对泥岩岩相和沉积相精细分析显得更为重要。只有对泥岩的岩相和沉积相特征首先有了直观的了解,才能更好地结合多种分析方法对泥岩沉积时的古环境、古气候特征做出精确的解释,并对泥岩作为源岩、储层、盖层的潜力做出有效的预测。

        本文以晚白垩世北美西部内陆海道为例,对在这一特殊地质时期陆棚浅海环境(水深10~200 m)中沉积的泥岩微相特征,沉积过程做一个综述。本文会概括从近岸(靠近海岸线的前三角洲/下邻滨)到远岸(距海岸线500 km以外的远洋)的不同亚环境中泥岩的微相特征(岩石组成、沉积结构、生物扰动结构)以及主要沉积过程,并会总结沉积过程和沉积环境如何在根本上控制了不同沉积环境中沉积的泥岩的有机质成分及岩石物理特征。期望本文中对横跨陆棚海不同环境中的泥岩沉积模式的总结归纳能有助于预测陆棚海泥岩作为非常规油气资源源岩和储层的潜力,并对国内在类似沉积环境中形成的有利页岩储层(比如五峰龙马溪组页岩[22-24])提供一些借鉴意义。

      • 在侏罗纪和白垩纪晚期,由于法拉龙(Farallon)板块板块和北美大陆板块的相互挤压碰撞,在北美西部形成了南北延伸超过2 000 km的Sevier褶皱与逆断层带[25]。由于褶皱和逆冲断层产生的弯曲载荷导致北美西部内部形成一个不对称的前陆盆地。在盆地沉降和晚白垩世全球整体较高的海平面的共同作用下,在北美内陆形成一条陆表海道,称为北美西部内陆海道(Western Interior Seaway[26-27])(图1)。从阿尔必期到麦斯里希特期,北美内陆海道经历了五次二级层序尺度上的海侵—海退变化周期。其中范围最大的一次海侵发生在所谓的Greenhorn周期,自晚阿尔必期开始,于中土仑期结束(图2)。Greenhorn周期中最大范围的海侵发生在早土仑期,此时的北美西部内陆海道从北极海一直延伸到了墨西哥湾,三分之一以上的北美大陆被海水覆盖(图1)。北美西部内陆海道中最大的水深可能从未超过300 m[28]。由于位于西部的造山带供给了大量的的陆源碎屑沉积物,北美西部内陆海道西侧的沉积速率普遍较高;而海道的东侧整体缺乏陆源碎屑沉积物的供给,以碳酸盐岩的沉积为主。

        图  1  研究区地质概况

        Figure 1.  Study area and geological background

        图  2  犹他Hanksville地区和科罗拉多Pueblo地区赛诺曼期—土仑期岩性地层划分

        Figure 2.  Cenomanian⁃Turonian lithostratigraphy at areas near Hanksville, Utah and Pueblo, Colorado

        本文将以位于沉积于北美西部内陆海道西侧,犹他中南部的早—中土仑阶的Tununk页岩段,晚土仑阶的Ferron 砂岩段,以及位于科罗拉多中南部在早土仑阶和Tununk页岩同时沉积的Greenhorn组中的Bridge Creek碳酸盐岩段为例(图2),总结不同陆棚浅海环境中主要的沉积过程以及形成的泥岩微相之间的差异。Tununk页岩的下部小部分和Bridge Creek碳酸盐岩是在Greenhorn海侵的过程沉积,经过早土伦期的最大海侵,Tununk页岩的上部沉积于整体海退的过程中。当相对海平面下降到最低点,包含邻滨/三角洲相的Ferron砂岩段开始沉积(图2)。这一完整的海侵海退周期使得我们可以自Greenhorn组,经由Tununk 页岩段,再到Ferron 砂岩段,归纳总结从距离岸线较远(> 500 km)、水深较大的远洋环境,经由内、中、外陆棚,再到临近海岸线的前三角洲/下邻滨环境中所形成泥岩的主要沉积过程和沉积相特征(图3)。

        图  3  根据晚白垩纪北美西内陆海道对陆棚浅海中不同沉积环境的划分以及不同环境中主要的沉积过程[9,12,3031]

        Figure 3.  Subdivisions of different depositional environments and primary depositional processes within the Late Cretaceous Western Interior Seaway[9,12,3031]

      • 本文数据主要来自对出露于犹他中南部Hanksville地区的Tununk页岩整段和Ferron砂岩段中的前三角洲微相精细测量(毫米到厘米精度)的沉积剖面[12, 32]。本文从Tununk页岩的露头中连续取样200余块,从Ferron 砂岩的泥岩取样50余块。所有从野外露头采集的样品均被带回实验室用砂纸打磨抛光,以便沉积相的精细研究。之后将不同相特征的60块泥岩样品制成精细抛光的岩石薄片和氩离子抛光样品用于沉积岩石学岩相学的分析。对Greenhorn页岩的描述来自于对出露与科罗拉多Pueblo地区(图1)的露头描述和对井E099-1 PORTLAND岩芯的描述,以及对超过50块精细抛光的岩石薄片的显微镜和扫描电子显微镜研究。氩离子抛光以及扫描电子显微镜的观测均完成于印第安纳大学伯明顿校区。

      • 在靠近河口由河流作用主控的环境里,沉积环境自岸向海包括三角洲平原,三角洲前缘和前三角洲(图3)。在远离河口,波浪作用为主的环境里,近岸沉积环境自岸向海包括海滩,上邻滨到下邻滨(图3)。自三角洲/邻滨更向海的沉积环境主要为陆棚(大陆架)浅海环境,并可细分为内、中、外陆棚环境(图3)。在大陆架边缘的环境中,正常浪基面以上的环境中水体能量较大,沉积物主要以砂岩为主。泥岩的沉积出现在正常浪基面以下的前三角洲/下邻滨和更远岸的陆棚环境。前三角洲的沉积过程主要受到河口输入水流的控制。在远离河口的下邻滨到陆棚环境中,沉积过程主要被风暴过程控制。下文中以晚白垩世北美内陆海道为例,概括位于近岸的前三角洲/下临滨,以及更远岸陆棚环境(图3)中不同沉积过程和相对应沉积的泥岩微相特征。前三角洲和下邻滨环境可以根据沉积物中典型的沉积结构进行区分,陆棚环境可以根据陆源碎屑矿物和盆地中的生物沉积物的相对比例从大到小细分为内,中,外陆棚(图3)。

      • 在河控三角洲里,前三角洲常见的沉积过程主要受到输入河流(流量和沉积物浓度)作用的影响。前三角洲(正常浪基面以下)发生的主要沉积过程包括事件性浊流(surge-type turbidity current)和异重流(hyperpycnal flow)。事件性浊流通常产生于当沉积速率过快时,三角洲前端的滑塌。这一类浊流发生的相对突然,持续时间也相对较短(几小时到几天)。异重流是当输入河流由于所含的沉积物浓度过大,输入河流的密度大于海水的密度时所产生[33]。由于沉积物浓度和水动力大小成正比,异重流通常在洪水时期(由于突然增大的降水量)在河口产生,并沿盆地底部长距离运移,持续时间较长(几天到几周)。与异重流相对应的是异清流,这一类输入河流的密度小于海水的密度。异清流同样会搬运一部分沉积物,这一部分沉积物通过被动沉降到达洋底。由于被动沉降的速率相对较小,这类沉积物并不能被很快的沉积埋藏,而是在洋底“暂时停留”。当在洋底表面的这部分暂时停留的沉积物浓度超过一定的临界值,这些沉积物又会被新产生的事件性浊流或异重流搬运到更远岸的环境中沉积[34]

        事件性浊流形成的沉积物具备典型的向上变细的鲍马层序的特征[35-36]。在前三角洲泥岩为主的环境中,事件性浊流的沉积物通常具有鲍马层序中TE段的特征。Piper[37]对鲍马层序TE段进行了更细的划分,认为其自下而上包含TE1段具平行层理的泥质粉砂岩,TE2段向上逐渐变细的泥质粉砂岩到粉砂质泥岩,和TE3段相对均质的泥岩。在Ferron Notom三角洲的三角洲前缘,事件性浊流的影响因此可以根据向上逐渐变细的,部分鲍马层序段特征而识别(图4a,b)。

        图  4  Ferron砂岩段中前三角洲硅质碎屑泥岩沉积相特征

        Figure 4.  Facies characteristics of the prodeltaic siliciclastic mudstones within the Ferron Sandstone Member.

        异重流是浊流的一种,所以鲍马层序中的各段也会出现在异重流形成的沉积物中。异重流和事件性浊流最大的不同在于异重流的产生和洪水紧密相关,因而异重流的水动力特征也和洪水期间的水动力变化(先变强再减弱)成正相关[38-40]。完整的异重流沉积相包含向上变粗再变细的层序。有时也可以根据自下而上鲍马层序不同段的相互变化(比如,从TB到TC再到TB)来判断沉积时的水动力变化特征,从而识别异重流沉积(图4c,d)。值得注意的是,对事件性浊流和异重流形成的沉积物之间的区分并不十分容易。如果当产生异重流的洪水事件的最大水动力条件超过了发生侵蚀的临界条件,异重流沉积底部最典型的向上变粗的层序可能会被完全侵蚀。这种情况下所保存的异重流沉积只剩下在水动力逐渐减弱时形成的向上变细的部分鲍马层序,因而并不能和事件性浊流的沉积完全区分开来[32]

        由于河控三角洲相对持续的高沉积速率,前三角洲的泥岩沉积中生物扰动相对比较少。输入的河流,尤其是在洪水期间会搬运大量的陆源有机质(图4e)。但是由于同样大量的陆源碎屑矿物的稀释作用,前三角洲泥岩的有机碳(TOC)含量并不高(<1.0%)[17],并以生气潜力较大的陆源有机质为主(图4f)。

      • 在远离河口作用影响,或者没有河口的近岸环境中,与前三角洲所对应的沉积环境为下邻滨(图3)。一般的沉积模式认为下邻滨环境经由一个过渡环境,转变为陆棚环境(内陆棚)。因为下邻滨和内陆棚直接的最大差别仅在与水深相关的沉积能量大小,本文根据下邻滨到内陆棚主要沉积过程的相似性,将下邻滨和内陆棚合在一起讨论。晚白垩世的北美西部内陆海道主要受到风暴作用的控制。下邻滨到内陆棚环境的主要沉积过程包括风暴浪作用产生的震荡水流和风暴潮所引起的退潮流(图3)。

        由于一次风暴浪事件中水动力条件逐渐减弱,风暴浪作用形成的沉积物特征具有和鲍马层序相类似的向上变细层序。一套完整典型的风暴岩垂向的沉积序列自下而上包括底部侵蚀面,丘状层理,浪成波纹交错层理,和最上部的生物扰动层[41-42]。丘状层理是下邻滨环境中最典型的沉积结构(图5a)。自下邻滨到内陆棚,随着水深的缓慢加大,风暴浪作用对洋底影响的强度逐渐减弱,内陆棚环境中更常见规模稍小的浪成波纹交错层理(图5b,c)。在相对近岸的环境中,风暴潮引起的退潮流主要流动方向是垂直海岸线的离岸方向(图3),并可形成单向水流波纹交错层理。风暴浪过程中的震荡水流也可以和风暴退潮流的共同作用形成混合水流交错层理(图5b)。

        图  5  下邻滨—内陆棚硅质碎屑(不含钙质的)泥岩沉积相特征

        Figure 5.  Facies characteristics of siliciclastic (non⁃calcareous) mudstones deposited in lower shoreface to inner shelf environment

        Ferron砂岩段和Tununk页岩段中的下邻滨—内陆棚沉积物组成以陆源碎屑矿物为主(质量百分比> 95%)。根据风暴浪发生的频率和强度不同,下邻滨—内陆棚沉积所含的粉砂质—砂质条带的频率和厚度,泥质层段,和整体生物扰动的强度均有较大的变化。风暴浪作用越强越频繁,下邻滨—内陆棚沉积所包含的粉砂质—砂质丘状层理和浪成波纹交错层理厚度越大,频率越高,整体生物扰动强度较小(图5b),与其相邻的泥质夹层有机质含量也相对较多(埋藏快),TOC含量可达2%左右[43]。当风暴浪强度越小频率越低,下邻滨—内陆棚的泥质含量越高,整体生物扰动强度越大,对有机质消耗较大,不利于有机质的富集(图5c,d)。

      • 由于水深进一步增大,中陆棚沉积的泥岩中生物成因沉积物的含量明显增加(图6)。在白垩纪的北美内陆海道中,生物成因沉积物主要包括在钙质的浮游的有孔虫、球石藻、和由球石藻碎屑组成的粪球粒(图6c,d),以及菊石和双壳类的生物碎屑。虽然钙质的有孔虫和粪球粒(浮游生物产生的)最初是从水体上部由缓慢的被动沉降到达洋底沉积,中陆棚泥岩中仍然保留了一部分浪成和单向水流波纹交错层理(图6a),说明由风暴浪引起的震荡水流和返程流仍然对洋底沉积物的搬运和沉积有影响。

        图  6  中陆棚沉积的含钙质泥岩的沉积相特征

        Figure 6.  Facies characteristics of carbonate⁃bearing mudstones deposited in middle shelf environment.

        Tununk页岩里中陆棚沉积的泥岩生物扰动普遍(图6),说明由于水深加大,风暴作用对海底沉积的影响的频率略有降低,相对适中的水深,充足的氧气和营养物质供给气和营养物质充足)也创造了多种底栖生物适宜的生活环境。这些底栖生物可以在更长的风暴事件间隔中更大规模的扰动沉积物。在中陆棚泥岩中,虽然陆源碎屑沉积物的稀释作用有所降低,更频繁的生物扰动会消耗更多的有机质,不利于有机质的富集。但由于普遍生物扰动对沉积矿物颗粒的混合作用,中陆棚泥岩的岩相组分和岩石物理性质相对均一。

      • Tununk页岩中外陆棚半远洋环境中沉积的泥岩包括更高含量生物成因的沉积物生物碎屑(30%~60%)和少部分的陆源碎屑矿物,可被称为钙质泥岩(图7)。半远洋环境沉积的泥岩中主要的沉积结构仍包含波浪,混合水流,及单向水流形成的波纹交错层理(图7b,d),说明风暴作用仍然可以影响半远洋环境(距岸线约100 km)中泥岩的沉积。对这些沉积结构的古水流方向分析发现主导的水流方向平行于海岸线向西南,说明风暴潮引起的退潮流由于科里奥利效应的影响,在半远洋环境的流动方向已经基本向右偏转成平行海岸线的方向(图3中的地转流)[12]。半远洋环境沉积物仍包含少量的浪成波纹交错层理,但是和水深较浅的环境中不同,半远洋环境中的浪成波纹交错层理主要由砂粒大小的钙质生物碎屑组成(图7f,g),说明尽管这些生物成因的沉积物最初在水体上部生成并通过被动沉降到底海底,偶发的风暴作用能够使这些生物碎屑重新悬浮再沉积。

        图  7  外陆棚(半远洋)环境中钙质泥岩的沉积相特征

        Figure 7.  Facies characteristics of calcareous mudstones deposited in the outer shelf (hemi⁃pelagic) environment

        半远洋环境沉积的泥岩生物扰动强度较中陆棚环境中有所降低,扰动生物的尺寸也有所减小(图7c~e),说明水深加大导致的氧气和营养物质的供给减小,环境对生物的压力增大。伴随浪成波纹交错层理所形成的泥质夹层中由于较快的沉积速率,生物扰动强度更低,这一类泥岩中的TOC含量可以达到2%~3%[43]。造成这类泥岩层段中有机质相对富集的主要原因是沉积速率的略微增加(比如在风暴作用之后的阶段),有利于有机质能够更快的埋藏保存,而不是通常认为的无氧或低氧的环境条件,因为生物扰动仍然存在(图7d,e)。

      • 远洋环境中泥岩的成分基本由生物成因的沉积物生物碎屑(> 60%)组成,仅含有极少量的陆源碎屑矿物或风成碎屑(火山灰),可被称为泥灰岩甚至微晶碳酸盐岩(图8)。Greenhorn组最典型的特征是钙质泥岩和碳酸盐岩的互层(图1c)。碳酸盐岩层段普遍显示强烈的生物扰动(图8a~c),而钙质泥岩层段包含更常见的层理,甚至小型的波浪或单向水流形成的波纹交错层理,生物扰动强度较低(图8d~f)。

        图  8  外陆棚(远洋)环境中沉积的Bridge Creek碳酸盐岩段的沉积相特征

        Figure 8.  Facies characteristics of the Bridge Creek Limestone Member deposited in the outer shelf (pelagic) environment

        之前的研究发现Greenhorn组中泥灰岩层段的TOC含量(2.5%~5.0%)普遍比碳酸盐岩层段(0.1%~1.8%)高[44],认为泥灰岩层段沉积时水体处于低氧,甚至缺氧状态。该层段中常见的层理也因而被解释为在安静水体中通过被动沉降而产生,之后并未被生物扰动。但是最近的水槽实验,包括对泥灰岩层段微相的精细研究发现的波浪或者单向水流形成的波纹交错层理指示该层段沉积仍受到风暴浪引起的底流作用的影响(图8d~f)。偶尔的风暴作用也会扰动水体,使得水体中的氧气更好的分配。因此本文认为水体中含氧量可能在一定程度上造成了造成钙质泥岩和碳酸盐岩层段沉积相之间的差异,但并不是造成这种差异的最根本原因。泥灰岩和碳酸盐岩层段的相互交替可能与海平面升降密切相关。在晚白垩纪温室效应的气候条件下,海平面升降的强度相对较小(几米到十几米的相对变化)。Greenhorn组中泥灰岩和碳酸盐岩层段均包含风暴浪作用形成的沉积结构(碳酸盐岩层段中保存的风暴浪成的沉积结构甚至更厚,如图8a),唯一的差异仅在于泥灰岩中的层理保存的更加完整,而碳酸盐岩层段中的沉积结构因为生物扰动的原因基本全部被破坏。结合钙质泥岩和碳酸盐岩层段中生物扰动强度和扰动生物尺寸大小的差异,碳酸盐岩层段应该沉积于相对水深较小的时期,尽管偶尔的风暴浪作用仍然可以形成对应的沉积结构,相对更充足的氧气和营养物质的供给导致普遍的生物扰动,原有的沉积结构难以保存,岩石组分被生物改造的比较均一,频繁的生物扰动也消耗了大量的有机质。在这些因素的共同作用下,形成了块状的、层理不发育、TOC含量较低的碳酸盐岩层段。泥灰岩层段应该沉积于相对水深较大的时期,风暴浪作用仍然能影响到洋底沉积物的搬运和沉积,但是由于水深和氧气含量的限制,生物扰动强度较低,更多的沉积层理得以保存,同时也有利于有机质的埋藏保存,从而形成了层理发育、TOC含量较高的泥灰岩层段。

      • 一般沉积模式以风暴浪基面区分内陆棚和外陆棚环境[45]。晚白垩世北美内陆海道中的风暴浪基面大约位于80 m水深[31]。但是Tununk页岩整段基本都保存有浪成波纹交错层,因此即使是Tununk页岩中最远岸(距离海岸线超过100 km)沉积的钙质泥岩,沉积水深也大概在在风暴浪基面左右(~ 100 m)。通过对在远岸环境中沉积的Greenhorn组中沉积结构的观察,即使是在远洋沉积中仍保存少量的波浪和单向水流作用形成的波纹交错层理,因此其沉积时的水深也不是特别大,可能在100~200 m之间。偶尔的波浪和单向水流作用波纹交错层理可能形成于地质历史时期间并不频繁,但是强度非常大的风暴事件之中。因此在对更多陆棚海沉积的泥岩所包含的沉积结构和生物扰动特征进行更为精细的分析描述后,之前常应用的深水、静水的泥岩沉积模式以可能都需要有所修改。本文中对陆棚环境精细划分的另一个重要标准是泥岩的成分组成。陆源碎屑矿物和生物生成沉积物的比例可以作为一个有用的标准来判断对应泥岩沉积环境(距离岸线的远近)和沉积环境的相对水深。本文中提出的对浅海陆棚环境的划分(图3)可以对建立类似陆棚环境中泥岩的沉积模式有帮助。

      • 泥岩中有机质丰度受到三个主要因素的控制:有机质的生产,在沉积过程中因氧化作用对有机质的消耗(生物以有机质作为营养来源),以及被其他碎屑矿物(例如陆源碎屑和钙质生物碎屑)的稀释作用[46]。在本文分析的环境中,前三角洲,内陆棚,外陆棚相对来说具有发育有机质富集层段的潜质。沉积环境距离岸线的远近在第一程度上决定了陆源碎屑矿物对有机质的稀释作用。前三角洲泥岩中以陆源有机质为主,由于沉积速率相对较快,生物扰动强度低,对有机质的消耗低(陆源有机质也相对海相有机质更不易被消耗)。虽然前三角洲环境中主要的陆源有机质得以被快速埋藏,大量陆源碎屑矿物的稀释作用导致前三角洲泥岩中TOC并不高。前三角洲泥岩也主要包含相对利于生气的陆源有机质。相反,在外陆棚环境中,水体上部的海相有机质产量相对较高,陆源碎屑矿物的稀释作用整体比较低。因此有机质在外陆棚环境中的富集主要由有机质的保存条件,包括生物对有机质的消耗和埋藏效率所决定,这两点又在根本上被沉积速率决定。这也解释了为什么在外陆棚的半远洋和远洋环境中伴随浪成波纹层理沉积的泥质夹层中有机质相对富集(埋藏相对较快)。外陆棚泥岩中主要有机质类型以海相有机质为主,因而也具有更大的生油潜力。内陆棚环境中陆源碎屑的稀释作用适中,在适应条件下有机质同样可以得以快速埋藏保存。内陆棚泥岩中有机质可能同时包含了陆源有机质和海相有机质。本文中建立的沉积模式因此可以有助于预测陆棚海不同环境中沉积的泥页岩作为非常规油气资源源岩和储层的潜力。

        值得指出的是,本文中讨论的不同陆棚环境中泥岩的沉积环境特征和其有机质丰度之间的关系仍相对笼统。当受到例如米氏气候旋回或高频海平面变化的影响,即使是相同陆棚环境中,控制泥质沉积的物源、有机质的生产力、沉积水动力、生物扰动特征均会相应的发生变化。更重要的是由于这些不同因素强度之间的相对变化,会导致泥岩沉积中有机质丰度和类别在更高精度下的差异变化。也正因为如此,对泥岩沉积微相的精细分析和岩石学观察非常重要。因为只有对泥岩沉积微相特征的直接描述和研究,才能帮助准确解释泥岩的沉积过程和沉积环境,进而预测不同泥岩微相的有机质富集的潜质和岩石物理特征。

      • 本文对晚白垩世北美西部内陆海道中从前三角洲/下邻滨到陆棚环境中的泥岩微相,以及相对应的主要沉积过程和沉积环境进行了归纳总结。前三角洲环境主要受到河口输入水流作用的影响,主要沉积过程包括事件性浊流和异重流。下邻滨到外陆棚环境主要受到风暴浪作用的影响,主要沉积过程包括风暴引起的震荡水流和退潮流。一系列不同沉积过程导致不同环境中沉积的泥岩组成成分,沉积结构,生物扰动特征各不相同。整体上来看,从近岸到远岸的环境,泥岩中有机质含量的最高值逐渐增加,说明陆源碎屑矿物的稀释作用在根本上决定了有机质的富集。但具体到某一特定的沉积环境里,泥质沉积的物源、有机质的生产力、沉积水动力、生物扰动特征更高频率的变化会导致泥岩沉积中有机质丰度和类别在更高精度下的差异变化。因此对泥岩的沉积微相分析十分重要,只有准确的解释了不同泥岩相的沉积过程和沉积环境,才能更好的结合其他分析手段,确定造成不同泥岩层段有机质丰度和岩石物理特征的差异的根本原因,进而对泥页岩作为有效烃源岩或非常规油气储层的潜力做出精准的判断。

    参考文献 (46)

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