国际性期刊研究沉积物源的方法

沉积学（sedimentology）是在沉积岩石学基础上发展起来的。“沉积学”这一术语最早由特罗布里奇1925年提出。“沉积学”曾被认为只是对沉积岩的薄片研究，针对这一说法，1932年沃德尔提出，“沉积学”是研究沉积物的学科，它研究沉积物的来源、沉积条件、沉积环境、沉积作用及沉积物转变为沉积岩的一系列复杂的成岩作用变化。“沉积岩石学”虽然也包括对现代沉积物特征和成因的研究，但更侧重于岩石研究，虽然对宏观岩石学同样予以重视，但更多立足于显微镜和电子显微镜下的室内研究。因此，“沉积岩石学”和“沉积学”的研究内容是相互渗透和不可分割的，同时又存在不同的分工。20世纪50年代至80年代，由于石油工业发展的推动，广泛开展了现代沉积研究。新技术、新方法的应用，相关学科新成就的引进和渗透，以及大量的水槽实验工作，使沉积学得到全面飞速发展。该阶段，沉积学研究内容主要包括：沉积岩成因、沉积环境分析、沉积作用机理、沉积模式及其与环境、矿产、水文、工程等领域之间的关系。20世纪80年代至今，由于高新技术的发展和应用以及各学科间的相互渗透，沉积学家逐渐认识到，地质记录中存在各种规模不一、在纵向上呈规律分布、侧向上可进行大陆内或大陆间以及全球范围追踪或对比的沉积旋回（韵律）事件。对它们的研究通常要超越专业或学科的界限，要跨越一个或多个国家的范围，于是提出了“全球沉积地质计划（GSGP）”，成立了专门性的学科组织“全球沉积地质委员会（GSGC）”。同时，通过该计划两个试点项目的实施，相继建立了全球沉积岩、全球沉积相、全球地层、全球古地理、全球事件、全球矿产资源等全球性概念，从而使沉积学的发展发生根本性变化，进入到沉积地质学的发展阶段。该阶段研究的主要特点是：强调古气候在沉积记录中的意义；注重沉积记录的全球同时性研究；强调各种事件在沉积作用中的意义；注重矿产资源分布的全球同时性或全球成因特征的研究；研究兴趣从地球本身转向地球外部世界；强调全球海平面变化在沉积记录中的作用；注重多学科的相互渗透和综合研究。沉积岩是地壳表层分布最广泛的一类岩石，不仅蕴藏着丰富的煤、石油与天然气、水以及金属、非金属和建筑材料等人类赖以生存的大部分资源，而且还记载了约30亿年的地球上的水圈、生物圈和大气圈演化历史的信息。因此，要了解地壳与生命演化的历史，查明各种资源赋存的条件与分布规律，揭示人类生存环境变化与发展的趋势，必须研究沉积岩的形成条件和原始的沉积环境。沉积学研究主要是在第二次世界大战之后，随着石油工业的迅速发展而发展起来的。20世纪是沉积学的发展时期，突出成就集中反映在两个方面：一是通过对现代沉积物和古代沉积岩的研究，建立了一系列相模式；二是沉积作用与大地构造关系的研究。相模式有助于人们认识相与环境的复杂关系；板块构造理论的出现，则为沉积相大范围的展布和古地理变迁的解释提供了新的思维模式。层序地层学、旋回地层学和事件地层学的出现，又为全球岩相古地理研究和沉积作用与环境细节的鉴别提供了新的思路和方法。1986年，国际地科联沉积地质委员会关于“全球沉积地质计划”的提出，对此后岩相古地理的发展产生了巨大的推动作用。随着第二次世界大战的结束，由于发展国民经济对矿产资源的需求，沉积学在欧美国家发展迅速，在此期间，出版了大量相关的总结性专著和专业刊物，充分反映了沉积岩岩石学的研究水平。如裴蒂庄的《沉积岩》，1975年已发行第三版，并译成中文；布拉特、米德顿和穆雷合著的《沉积岩成因》（1972），对沉积物的成因，特别是物理和化学沉积作用的机制和过程做了精辟的叙述；德国学者赖内克与印度学者辛格合著的《陆源碎屑沉积环境》（1979），从沉积构造出发来探讨沉积环境，亦已译成中文；英国学者里丁主编的《沉积相与沉积环境》（1978）、美国学者弗里德曼与桑德斯合著的《沉积学原理》（1978）、威尔逊著的《地质历史中的碳酸盐相》（1975），也是很重要的著作，反映了现代沉积学的水平。应该特别提出的是奎宁和米格利奥里尼于1950年发表的《浊流与形成递变层理的原因》，开辟了浊流研究的新篇章。其后，荷兰的鲍马在奎宁指导下研究了浊流及复理石沉积物，提出了浊流沉积的特征，即“鲍马层序”，并与布劳威尔合著了《浊积岩》一书，对浊积岩的研究具有一定的指导意义。由希曾提出的等深流（contour current）沉积和凯林提出的风暴岩（tempestite）沉积，被认为是继浊流沉积之后沉积学领域中的另一重大发现。迪金森著的《板块构造与沉积作用》一书，则是从板块构造理论出发进行沉积作用与沉积盆地方面的研究，这是板块构造与沉积作用相结合的一本代表性著作。目前，沉积学方面的专业性刊物有《Journal of Sedimentary Petrology》（译为《沉积岩石学杂志》）（1931年，美国）、《Лнтолрия и Полезые Ископаемые》（译为《沉积岩石学和沉积矿产》）（1963，苏联）、《Sedimentary Geology》（译为《沉积地质学》）（1962，荷兰）、《Sedimentology》（译为《沉积学》）（1963，美国）、《Clay Mineral》（译为《黏土矿物》）（英国）、《Clay and Clay Mineral》（译为《黏土和黏土矿物》）（美国）。此外，荷兰的爱思唯尔（Elsevier）出版公司出版发行的《沉积学的进展》专集（已出版40卷），是沉积学方面的重要系列书籍。我国近代沉积岩石学的研究起步较晚，作为一门独立学科，相关研究工作是在新中国成立以后才发展起来的。新中国成立后，随着国民经济对能源、资源的需求，石油、煤、金属与非金属沉积矿产的大规模勘探、开发及研究工作相继开展，沉积岩石学与地质学的其他分支学科一样，也得到了极大的发展。例如，20世纪提出的“陆相潮湿坳陷生油”理论，对指导以后的油气勘探工作起到了极为重要的作用；我国对黄土的研究工作成绩显著，特别是黄土的类型及层序的划分、古气候层的发现等都引起了国际同行的关注；20世纪总结的中国外生矿床的形成演化规律，提出的“含矿岩系”“含矿周期”“成矿系列”等概念和假说，在矿床研究及普查找矿工作中起到了重要的指导作用；海洋沉积的研究亦取得不少历史性的进展。总之，沉积岩岩石学和沉积学的研究出现了欣欣向荣、百花争艳的局面。为了促进我国沉积学的发展，1979年中国矿物岩石地球化学学会和中国地质学会共同成立了沉积学会，并于当年11月在北京召开了第一届沉积学学术会议，对沉积相、沉积环境和沉积建造，沉积矿床的形成条件和形成规律，沉积岩分类，沉积矿物学，现代沉积，有机地球化学等研究领域进行了大规模、广泛的学术交流。随后又相继召开了碎屑岩、碳酸盐岩、黏土岩、现代沉积等方面的专门学术会议，《沉积学报》于1983年创刊，并结合能源、资源、环境、灾害等方面的研究，为我国地质学的发展和国民经济建设做出了贡献。

物源条件与沉积物供给，既是沉积盆地研究的重要课题之一，也是层序地层形成与发育控制因素研究的一个主要内容。笔者综合利用多学科、多手段获得的资料进行沉积物源分析，深入探讨物源条件对富县地区延长期层序地层的形成演化与砂体展布控制关系。（一）物源方向分析鄂尔多斯盆地延长期沉积物源问题，前人已有定论，即盆地东北、西南、东南3个物源区控制盆地延长期湖泊-三角洲的沉积充填作用。但是，对于延长期富县地区物的物源与三角洲-湖泊相沉积的展布等问题，却多有争议。一是认为，富县地区主体为浅湖-深湖相区而缺乏碎屑物源供给，储层砂体不发育；二是认为，延长期鄂尔多斯盆地中央为近东西向的湖泊沉积，富县地区由来自于北部和东北部的物源供给控制着沉积相带近南北向展布。笔者通过富县地区及其邻区重矿物、岩性特征、岩屑组分、粒度法、砂体厚度展布、露头古水流方向等综合研究认为，不能把富县地区延长组仅仅归入湖相沉积，它仍有较大规模的三角洲砂体发育，沉积相展布具有东、中、西明显分带性，存在两个不同方向的物源。古水流方向揭示物源方向与砂体的展布根据魏斌等（2003）通过露头区古水流方向的统计分析（图5-10）可见，尽管延长组早、中、晚期主、次物源区的分布及方向发生了一些具有继承性的演化，早中期以东北、西南边缘的古陆区提供主要物源供给，晚期西南边缘古陆区因抬升而成为更为重要的物源供给区；但是，作为盆地东南近边缘的富县地区，在整个延长组沉积时期总体上仍发育北东东和南部两个物源供给区。图5-10 富县东南邻区延长组露头剖面古流水方向玫瑰花示意图通过对富县及其邻区宜川、宜君、道镇、旬邑、韩城及铜川等地延长组剖面的古水流方向的实际调查，对所获得的测量数据（表5-2，5-3，图5-10，图版Ⅰ-2）分析也得出相似的结论，即研究区东部及区外东北的主水流方向分别为南西西方向，研究区南部及区外南方的古水流主方向为北、北北西等方向，显示研究区东牛武沉积亚相（富县三角洲前缘）与区西直罗沉积亚相（黄陵三角洲前缘）分别向西和北延伸，相应具有东—北东、东南方向的古陆隆起物源区。表5-2 富县地区及邻区露头剖面古水流方向测量数据统计表表5-3 富县地区南部邻区露头剖面古水流方向测量数据统计表重矿物组合特征表明存在两个物源在富县地区西部直罗与东部富县—牛武两地，延长组岩石重矿物组合存在明显差异（表5-4）：①直罗一带岩石中锆石含量多，锆石颜色以无色为主，仅少数为浅红色。除ZF22井外都有较丰富的板钛矿；磁铁矿含量高；主要为锆石+石榴子石+磁铁矿稳定组合，距物源远。②富县—牛武南三角洲远端 ZF29 井锆石含量又远大于三角洲近端富县北东众多钻井。富县牛武锆石多为浅红色、玫瑰红色；几乎没有板钛矿；为石榴子石+锆石+磁铁矿次稳定组合。表5-4 富县地区延长组砂岩重矿物组成（wB/%）及分布统计表从延长组重矿物组合的特点、重矿物对物源的响应及“ZTR”指数以及重矿物组合的平面分布规律分析表明，晚三叠世延长期富县地区存在两个物源区：①牛武一带物源来自东北部和东部的古隆起物源区。该物源区为南北向条带状分布，位置与现今吕梁山区相当，到侏罗纪可能为低矮丘陵，此时非主要物源区。母岩主要为前震旦系的花岗片麻岩、花岗岩、浅变质石英岩、石英云母片岩、板岩等。②直罗一带物源主要来自于东南方向的蓝田、华山地区太古界斜长片麻岩、石英绢云母岩等母岩，这与该地区延长组以长石砂岩为主、石榴子石、磷灰石等重矿物含量较高的特点吻合。岩石中岩屑成分的差异反映两个方向物源的存在碎屑岩岩屑成分及含量是物源追索与沉积搬运条件恢复的良好指示性标志。薄片观察发现，延长组砂岩岩屑含量均较高但成分差异大：富县牛武一带以硅质岩、变粒砂岩、变粒泥岩及少量凝灰岩为主；直罗一带则以大量碳酸盐岩岩屑和云母、泥质岩岩屑为主。表明二者物源存在差异，牛武一带物源来自东北部和东部的古隆起，直罗一带物源则是东南部古隆起。沉积特征横向变化揭示物源方向与砂体的展布根据延长组主要油层组和重点层序的砂岩比等值线和沉积相图（图4-6，4-7，5-8）分析可见，本区沉积特征与砂体展布的地区分带性和差异性受到不同物源的控制，具体表现为：①牛武地区砂岩粗，直罗—张村驿地区砂岩细，说明前者距物源近，后者距物源远；②牛武地区水动力条件强，直罗—张村驿地区水动力条件弱，前者属近岸环境，后者相对远离岸边；③牛武地区泥页岩不如直罗—张村驿地区发育，牛武地区属浅湖环境，直罗—张村驿地区属浅湖-半深湖环境。这些均表明牛武（富县三角洲）与直罗（黄陵三角洲）延长组是两个物源不同、既独立又联系的两个三角洲体的延伸部分，即富县三角洲物源来自北部和东北部的古隆起，黄陵三角洲物源来自南部和西南部，二者之间被湖泊-前三角洲亚相分开；三角洲砂体总体呈北西-南北向展布。综上所述，延长期沉积时富县地区存在东北—东和东南两个方向的物源供给，区内三角洲砂体既不仅呈南北向展布，也不单纯呈东西延伸，而是具有明显的东西分带性，即东部富县一带三角洲呈南西西向延伸，而西部直罗一带黄陵三角洲远端部分为向北展布。（二）物源供给条件对层序地层的控制由于湖盆具有体积小、水体少、内部构造差异大、多物源、近物源、多沉积沉降中心等特点（Shanley等，1994），因此物源供给对湖盆沉积可容空间的变化有重要影响，并决定了层序内部沉积相的展布与叠置样式。富县地区延长组物源来自于盆地东—东北部和东南部两个方向，这两个方向的物源及其因受多次次级构造运动、气候变化而发生的多次供给变化，对本区延长组6个层序地层的形成演化及其互相间的差异性的形成均产生深刻的影响。整体上，SQ1、SQ3、SQ6形成时，构造运动使湖盆和物源区的高差增大，一方面加速物源区的物理风化作用；另一方面使河流携带物质的能力增强，提高了沉积物供应速率，因此物源供给充足，储层砂体较为发育；而SQ2、SQ4、SQ5沉积时构造运动相对微弱，使湖盆与物源区的高差小，物源供给欠充足，而多发育分流间湾、含煤沼泽微相与前三角洲亚相等细粒沉积物，储层总体上厚度小、粒度细。而每个层序发育过程中，又受因构造运动、气候等变化引起的次级物源供给情况变化的影响，表现出每个层序发育演化的不同时期形成不同的沉积亚相组合、不同类型的沉积物以及不同的沉积叠置样式，储层发育情况也存在差异。在早期低水位体系域和晚期高水位体系域（以SQ2-HST、SQ3-HST、SQ6-LST等为代表）形成时，常有丰富的物源供给，物源供给速率大于可容空间增长速率，多形成进积型式，当两者速率趋于相当时也形成垂向加积型式沉积序列，主要发育三角洲前缘、三角洲平原亚相储层砂体；而中期湖进体系域（以 SQ3-TST为典型）形成时，由于湖平面的上升，气候湿润，物源区以化学风化为主而多形成细粒沉积供给，物源供给速率小于可容空间增长速率，常常形成退积型式准层序叠置序列，当两者速率趋于相当时也形成加积型式沉积，三角洲前缘亚相区域缩小，前三角洲亚相极度发育，缺乏储层分布而发育生油岩系。