陸棚海泥巖的巖相特征及沉積過程
——以晚白堊世北美西部?jī)?nèi)陸海道為例

李志揚(yáng)

1.阿拉斯加大學(xué)安克雷奇分校 地球科學(xué)系，阿拉斯加安克雷奇 99508

2.印第安納大學(xué)伯明頓分校 地球與大氣科學(xué)系，印第安納伯明頓 47405

0 引言

泥巖（或稱頁(yè)巖）是主要由粒徑小于62.5 μm 的礦物顆粒組成的巖石。作為地表上分布最為廣泛的沉積巖類型，泥巖地層對(duì)古氣候、古地理的研究具有重要的意義[1-2]。同時(shí)泥巖又具有寶貴的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，其作為烴源巖和蓋層的潛力早已為地質(zhì)學(xué)家所熟知，近年來勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)展更發(fā)掘出泥巖作為非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的巨大潛力[3]。盡管泥巖具有如此重要的科學(xué)意義和經(jīng)濟(jì)意義，地質(zhì)學(xué)家對(duì)泥巖的沉積微相特征及主要沉積過程仍不甚了解。造成這一問題的主要原因可能是由于泥巖的粒徑較小、極易風(fēng)化的特征，在大多數(shù)情況下對(duì)泥巖的巖石組成、巖相特征、沉積相特征的描述缺少直接容易的方法。由于對(duì)泥巖微相特征的精細(xì)描述往往不是那么容易，地球化學(xué)分析方法（元素組成，礦物組成，有機(jī)質(zhì)同位素分析等）經(jīng)常被用于間接的解釋泥巖的沉積環(huán)境。雖然地球化學(xué)方法可以對(duì)泥巖的沉積環(huán)境提供指向性的線索，這些方法所得到的結(jié)果并不能直接反應(yīng)泥巖中復(fù)雜的沉積相變和沉積特征，因此對(duì)泥巖沉積微相的精細(xì)分析仍然十分必要。

由于組成泥巖的礦物顆粒粒徑相對(duì)較小，長(zhǎng)久以來泥巖往往被解釋為沉積在較深水、低能的環(huán)境中。近年來對(duì)泥巖沉積過程進(jìn)行的水槽實(shí)驗(yàn)取得了重大的進(jìn)展[4-7]，結(jié)合對(duì)現(xiàn)代淺海大陸架（水深<200 m）環(huán)境中細(xì)粒沉積物搬運(yùn)和沉積過程的直接觀察[8-11]，以及更多對(duì)古代泥巖地層和沉積微相的精細(xì)研究[12-14]，泥巖可以在相對(duì)淺水、高能的環(huán)境中沉積這一觀點(diǎn)正在逐漸被更多的學(xué)者所接受[5-6,15-16]。甚至可以認(rèn)為大部分泥巖（包括一些有機(jī)質(zhì)含量高的泥巖）在沉積過程中都曾受到過底部水流的影響[16-20]，因此泥巖沉積環(huán)境的水動(dòng)力條件比以往認(rèn)識(shí)的可能要更強(qiáng)更為復(fù)雜[14-21]。對(duì)于以泥頁(yè)巖為主的非常規(guī)油氣儲(chǔ)層，有機(jī)質(zhì)的沉積和保存以及儲(chǔ)層的巖石物理性質(zhì)均在根本上受到沉積背景以及多種過程（沉積物來源、沉積過程及速率、生物擾動(dòng)、成巖作用等）耦合的影響[22]，因而對(duì)泥巖巖相和沉積相精細(xì)分析顯得更為重要。只有對(duì)泥巖的巖相和沉積相特征首先有了直觀的了解，才能更好地結(jié)合多種分析方法對(duì)泥巖沉積時(shí)的古環(huán)境、古氣候特征做出精確的解釋，并對(duì)泥巖作為源巖、儲(chǔ)層、蓋層的潛力做出有效的預(yù)測(cè)。

本文以晚白堊世北美西部?jī)?nèi)陸海道為例，對(duì)在這一特殊地質(zhì)時(shí)期陸棚淺海環(huán)境（水深10～200 m）中沉積的泥巖微相特征，沉積過程做一個(gè)綜述。本文會(huì)概括從近岸（靠近海岸線的前三角洲/下鄰濱）到遠(yuǎn)岸（距海岸線500 km以外的遠(yuǎn)洋）的不同亞環(huán)境中泥巖的微相特征（巖石組成、沉積結(jié)構(gòu)、生物擾動(dòng)結(jié)構(gòu)）以及主要沉積過程，并會(huì)總結(jié)沉積過程和沉積環(huán)境如何在根本上控制了不同沉積環(huán)境中沉積的泥巖的有機(jī)質(zhì)成分及巖石物理特征。期望本文中對(duì)橫跨陸棚海不同環(huán)境中的泥巖沉積模式的總結(jié)歸納能有助于預(yù)測(cè)陸棚海泥巖作為非常規(guī)油氣資源源巖和儲(chǔ)層的潛力，并對(duì)國(guó)內(nèi)在類似沉積環(huán)境中形成的有利頁(yè)巖儲(chǔ)層（比如五峰龍馬溪組頁(yè)巖[22-24]）提供一些借鑒意義。

1 地質(zhì)背景

在侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)晚期，由于法拉龍（Farallon）板塊板塊和北美大陸板塊的相互擠壓碰撞，在北美西部形成了南北延伸超過2 000 km 的Sevier 褶皺與逆斷層帶[25]。由于褶皺和逆沖斷層產(chǎn)生的彎曲載荷導(dǎo)致北美西部?jī)?nèi)部形成一個(gè)不對(duì)稱的前陸盆地。在盆地沉降和晚白堊世全球整體較高的海平面的共同作用下，在北美內(nèi)陸形成一條陸表海道，稱為北美西部?jī)?nèi)陸海道（Western Interior Seaway[26-27]）（圖1）。從阿爾必期到麥斯里希特期，北美內(nèi)陸海道經(jīng)歷了五次二級(jí)層序尺度上的海侵—海退變化周期。其中范圍最大的一次海侵發(fā)生在所謂的Greenhorn 周期，自晚阿爾必期開始，于中土侖期結(jié)束（圖2）。Greenhorn周期中最大范圍的海侵發(fā)生在早土侖期，此時(shí)的北美西部?jī)?nèi)陸海道從北極海一直延伸到了墨西哥灣，三分之一以上的北美大陸被海水覆蓋（圖1）。北美西部?jī)?nèi)陸海道中最大的水深可能從未超過300 m[28]。由于位于西部的造山帶供給了大量的的陸源碎屑沉積物，北美西部?jī)?nèi)陸海道西側(cè)的沉積速率普遍較高；而海道的東側(cè)整體缺乏陸源碎屑沉積物的供給，以碳酸鹽巖的沉積為主。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況（a）中土倫期北美古地理圖和北美西內(nèi)陸海道的范圍[28-29]，這一時(shí)期的古海岸線方向?yàn)闁|北—西南向；（b）Tununk頁(yè)巖段在猶他Hanksville附近的露頭。對(duì)沉積環(huán)境的細(xì)分來自Li et al.[12]；（c)Bridge Creek碳酸鹽巖段在科羅拉多Pueblo附近的露頭，Bridge Creek碳酸鹽巖段最典型的特征是碳酸鹽巖和鈣質(zhì)泥巖之間的韻律性交替Fig.1 Study area and geological background(a)Middle Turonian paleogeographic map that shows the extent of the Western Interior Seaway[28-29].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

本文將以位于沉積于北美西部?jī)?nèi)陸海道西側(cè)，猶他中南部的早—中土侖階的Tununk 頁(yè)巖段，晚土侖階的Ferron 砂巖段，以及位于科羅拉多中南部在早土侖階和Tununk 頁(yè)巖同時(shí)沉積的Greenhorn 組中的Bridge Creek 碳酸鹽巖段為例（圖2），總結(jié)不同陸棚淺海環(huán)境中主要的沉積過程以及形成的泥巖微相之間的差異。Tununk 頁(yè)巖的下部小部分和Bridge Creek 碳酸鹽巖是在Greenhorn 海侵的過程沉積，經(jīng)過早土倫期的最大海侵，Tununk 頁(yè)巖的上部沉積于整體海退的過程中。當(dāng)相對(duì)海平面下降到最低點(diǎn)，包含鄰濱/三角洲相的Ferron砂巖段開始沉積（圖2）。這一完整的海侵海退周期使得我們可以自Greenhorn組，經(jīng)由Tununk 頁(yè)巖段，再到Ferron 砂巖段，歸納總結(jié)從距離岸線較遠(yuǎn)（>500 km）、水深較大的遠(yuǎn)洋環(huán)境，經(jīng)由內(nèi)、中、外陸棚，再到臨近海岸線的前三角洲/下鄰濱環(huán)境中所形成泥巖的主要沉積過程和沉積相特征（圖3）。

2 數(shù)據(jù)與方法

本文數(shù)據(jù)主要來自對(duì)出露于猶他中南部Hanksville 地區(qū)的Tununk 頁(yè)巖整段和Ferron 砂巖段中的前三角洲微相精細(xì)測(cè)量（毫米到厘米精度）的沉積剖面[12,32]。本文從Tununk 頁(yè)巖的露頭中連續(xù)取樣200余塊，從Ferron 砂巖的泥巖取樣50余塊。所有從野外露頭采集的樣品均被帶回實(shí)驗(yàn)室用砂紙打磨拋光，以便沉積相的精細(xì)研究。之后將不同相特征的60塊泥巖樣品制成精細(xì)拋光的巖石薄片和氬離子拋光樣品用于沉積巖石學(xué)巖相學(xué)的分析。對(duì)Greenhorn頁(yè)巖的描述來自于對(duì)出露與科羅拉多Pueblo地區(qū)（圖1）的露頭描述和對(duì)井E099-1 PORTLAND 巖芯的描述，以及對(duì)超過50 塊精細(xì)拋光的巖石薄片的顯微鏡和掃描電子顯微鏡研究。氬離子拋光以及掃描電子顯微鏡的觀測(cè)均完成于印第安納大學(xué)伯明頓校區(qū)。

3 陸棚淺海不同環(huán)境中泥巖的相特征

圖2 猶他Hanksville 地區(qū)和科羅拉多Pueblo 地區(qū)賽諾曼期—土侖期巖性地層劃分Fig.2 Cenomanian-Turonian lithostratigraphy at areas near Hanksville, Utah and Pueblo, Colorado

圖3 根據(jù)晚白堊紀(jì)北美西內(nèi)陸海道對(duì)陸棚淺海中不同沉積環(huán)境的劃分以及不同環(huán)境中主要的沉積過程[9,12,30-31]Fig.3 Subdivisions of different depositional environments and primary depositional processes within the Late Cretaceous Western Interior Seaway[9,12,30-31]

在靠近河口由河流作用主控的環(huán)境里，沉積環(huán)境自岸向海包括三角洲平原，三角洲前緣和前三角洲（圖3）。在遠(yuǎn)離河口，波浪作用為主的環(huán)境里，近岸沉積環(huán)境自岸向海包括海灘，上鄰濱到下鄰濱（圖3）。自三角洲/鄰濱更向海的沉積環(huán)境主要為陸棚（大陸架）淺海環(huán)境，并可細(xì)分為內(nèi)、中、外陸棚環(huán)境（圖3）。在大陸架邊緣的環(huán)境中，正常浪基面以上的環(huán)境中水體能量較大，沉積物主要以砂巖為主。泥巖的沉積出現(xiàn)在正常浪基面以下的前三角洲/下鄰濱和更遠(yuǎn)岸的陸棚環(huán)境。前三角洲的沉積過程主要受到河口輸入水流的控制。在遠(yuǎn)離河口的下鄰濱到陸棚環(huán)境中，沉積過程主要被風(fēng)暴過程控制。下文中以晚白堊世北美內(nèi)陸海道為例，概括位于近岸的前三角洲/下臨濱，以及更遠(yuǎn)岸陸棚環(huán)境（圖3）中不同沉積過程和相對(duì)應(yīng)沉積的泥巖微相特征。前三角洲和下鄰濱環(huán)境可以根據(jù)沉積物中典型的沉積結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分，陸棚環(huán)境可以根據(jù)陸源碎屑礦物和盆地中的生物沉積物的相對(duì)比例從大到小細(xì)分為內(nèi)，中，外陸棚（圖3）。

3.1 前三角洲

在河控三角洲里，前三角洲常見的沉積過程主要受到輸入河流（流量和沉積物濃度）作用的影響。前三角洲（正常浪基面以下）發(fā)生的主要沉積過程包括事件性濁流（surge-type turbidity current）和異重流（hyperpycnal flow）。事件性濁流通常產(chǎn)生于當(dāng)沉積速率過快時(shí)，三角洲前端的滑塌。這一類濁流發(fā)生的相對(duì)突然，持續(xù)時(shí)間也相對(duì)較短（幾小時(shí)到幾天）。異重流是當(dāng)輸入河流由于所含的沉積物濃度過大，輸入河流的密度大于海水的密度時(shí)所產(chǎn)生[33]。由于沉積物濃度和水動(dòng)力大小成正比，異重流通常在洪水時(shí)期（由于突然增大的降水量）在河口產(chǎn)生，并沿盆地底部長(zhǎng)距離運(yùn)移，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（幾天到幾周）。與異重流相對(duì)應(yīng)的是異清流，這一類輸入河流的密度小于海水的密度。異清流同樣會(huì)搬運(yùn)一部分沉積物，這一部分沉積物通過被動(dòng)沉降到達(dá)洋底。由于被動(dòng)沉降的速率相對(duì)較小，這類沉積物并不能被很快的沉積埋藏，而是在洋底“暫時(shí)停留”。當(dāng)在洋底表面的這部分暫時(shí)停留的沉積物濃度超過一定的臨界值，這些沉積物又會(huì)被新產(chǎn)生的事件性濁流或異重流搬運(yùn)到更遠(yuǎn)岸的環(huán)境中沉積[34]。

事件性濁流形成的沉積物具備典型的向上變細(xì)的鮑馬層序的特征[35-36]。在前三角洲泥巖為主的環(huán)境中，事件性濁流的沉積物通常具有鮑馬層序中TE段的特征。Piper[37]對(duì)鮑馬層序TE段進(jìn)行了更細(xì)的劃分，認(rèn)為其自下而上包含TE1段具平行層理的泥質(zhì)粉砂巖，TE2段向上逐漸變細(xì)的泥質(zhì)粉砂巖到粉砂質(zhì)泥巖，和TE3段相對(duì)均質(zhì)的泥巖。在Ferron Notom 三角洲的三角洲前緣，事件性濁流的影響因此可以根據(jù)向上逐漸變細(xì)的，部分鮑馬層序段特征而識(shí)別（圖4a，b）。

圖4 Ferron 砂巖段中前三角洲硅質(zhì)碎屑泥巖沉積相特征（a）～（d）事件性濁流沉積（紅色三角形）和異重流沉積（黃色三角形），三角形代表顆粒大小的變化（向上變細(xì)或向上變粗）；（e）前三角洲沉積主要由陸源的硅質(zhì)碎屑礦物組成；（f）前三角洲沉積包含常見的塊狀的陸源有機(jī)質(zhì)Fig.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

異重流是濁流的一種，所以鮑馬層序中的各段也會(huì)出現(xiàn)在異重流形成的沉積物中。異重流和事件性濁流最大的不同在于異重流的產(chǎn)生和洪水緊密相關(guān)，因而異重流的水動(dòng)力特征也和洪水期間的水動(dòng)力變化（先變強(qiáng)再減弱）成正相關(guān)[38-40]。完整的異重流沉積相包含向上變粗再變細(xì)的層序。有時(shí)也可以根據(jù)自下而上鮑馬層序不同段的相互變化（比如，從TB到TC再到TB）來判斷沉積時(shí)的水動(dòng)力變化特征，從而識(shí)別異重流沉積（圖4c，d）。值得注意的是，對(duì)事件性濁流和異重流形成的沉積物之間的區(qū)分并不十分容易。如果當(dāng)產(chǎn)生異重流的洪水事件的最大水動(dòng)力條件超過了發(fā)生侵蝕的臨界條件，異重流沉積底部最典型的向上變粗的層序可能會(huì)被完全侵蝕。這種情況下所保存的異重流沉積只剩下在水動(dòng)力逐漸減弱時(shí)形成的向上變細(xì)的部分鮑馬層序，因而并不能和事件性濁流的沉積完全區(qū)分開來[32]。

由于河控三角洲相對(duì)持續(xù)的高沉積速率，前三角洲的泥巖沉積中生物擾動(dòng)相對(duì)比較少。輸入的河流，尤其是在洪水期間會(huì)搬運(yùn)大量的陸源有機(jī)質(zhì)（圖4e）。但是由于同樣大量的陸源碎屑礦物的稀釋作用，前三角洲泥巖的有機(jī)碳（TOC）含量并不高（<1.0%）[17]，并以生氣潛力較大的陸源有機(jī)質(zhì)為主（圖4f）。

3.2 下鄰濱—內(nèi)陸棚

在遠(yuǎn)離河口作用影響，或者沒有河口的近岸環(huán)境中，與前三角洲所對(duì)應(yīng)的沉積環(huán)境為下鄰濱（圖3）。一般的沉積模式認(rèn)為下鄰濱環(huán)境經(jīng)由一個(gè)過渡環(huán)境，轉(zhuǎn)變?yōu)殛懪锃h(huán)境（內(nèi)陸棚）。因?yàn)橄锣彏I和內(nèi)陸棚直接的最大差別僅在與水深相關(guān)的沉積能量大小，本文根據(jù)下鄰濱到內(nèi)陸棚主要沉積過程的相似性，將下鄰濱和內(nèi)陸棚合在一起討論。晚白堊世的北美西部?jī)?nèi)陸海道主要受到風(fēng)暴作用的控制。下鄰濱到內(nèi)陸棚環(huán)境的主要沉積過程包括風(fēng)暴浪作用產(chǎn)生的震蕩水流和風(fēng)暴潮所引起的退潮流（圖3）。

由于一次風(fēng)暴浪事件中水動(dòng)力條件逐漸減弱，風(fēng)暴浪作用形成的沉積物特征具有和鮑馬層序相類似的向上變細(xì)層序。一套完整典型的風(fēng)暴巖垂向的沉積序列自下而上包括底部侵蝕面，丘狀層理，浪成波紋交錯(cuò)層理，和最上部的生物擾動(dòng)層[41-42]。丘狀層理是下鄰濱環(huán)境中最典型的沉積結(jié)構(gòu)（圖5a）。自下鄰濱到內(nèi)陸棚，隨著水深的緩慢加大，風(fēng)暴浪作用對(duì)洋底影響的強(qiáng)度逐漸減弱，內(nèi)陸棚環(huán)境中更常見規(guī)模稍小的浪成波紋交錯(cuò)層理（圖5b，c）。在相對(duì)近岸的環(huán)境中，風(fēng)暴潮引起的退潮流主要流動(dòng)方向是垂直海岸線的離岸方向（圖3），并可形成單向水流波紋交錯(cuò)層理。風(fēng)暴浪過程中的震蕩水流也可以和風(fēng)暴退潮流的共同作用形成混合水流交錯(cuò)層理（圖5b）。

圖5 下鄰濱—內(nèi)陸棚硅質(zhì)碎屑（不含鈣質(zhì)的）泥巖沉積相特征（a）下臨濱環(huán)境中互層的泥巖和砂巖（含丘狀層理）的露頭照片；（b）含波浪和混合水流形成的波紋交錯(cuò)層理的砂巖和泥巖互層?；静缓飻_動(dòng)，說明風(fēng)暴浪發(fā)生頻繁，沉積速率較快；（c）中等生物擾動(dòng)的砂質(zhì)泥巖；（d）大量生物擾動(dòng)的砂質(zhì)泥巖，僅含有少數(shù)未被完全擾動(dòng)尚存的浪成波紋交錯(cuò)層理；（e）泥巖（下部）和砂巖（上部）中的浪成僅含有少數(shù)未被完全擾動(dòng)尚存的浪成波紋交錯(cuò)層理；（f）內(nèi)陸棚泥巖中仍包含部分陸源有機(jī)質(zhì)（塊狀的），背散射掃描電鏡照片。（a）和（c）來自Ferron砂巖段。（b）（,d）（,e）和（f）來自Tununk頁(yè)巖段。（b）～（d）是磨光巖石樣品的掃描照片（增強(qiáng)了對(duì)比度）Fig.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

Ferron砂巖段和Tununk頁(yè)巖段中的下鄰濱—內(nèi)陸棚沉積物組成以陸源碎屑礦物為主（質(zhì)量百分比>95%）。根據(jù)風(fēng)暴浪發(fā)生的頻率和強(qiáng)度不同，下鄰濱—內(nèi)陸棚沉積所含的粉砂質(zhì)—砂質(zhì)條帶的頻率和厚度，泥質(zhì)層段，和整體生物擾動(dòng)的強(qiáng)度均有較大的變化。風(fēng)暴浪作用越強(qiáng)越頻繁，下鄰濱—內(nèi)陸棚沉積所包含的粉砂質(zhì)—砂質(zhì)丘狀層理和浪成波紋交錯(cuò)層理厚度越大，頻率越高，整體生物擾動(dòng)強(qiáng)度較小（圖5b），與其相鄰的泥質(zhì)夾層有機(jī)質(zhì)含量也相對(duì)較多（埋藏快），TOC 含量可達(dá)2%左右[43]。當(dāng)風(fēng)暴浪強(qiáng)度越小頻率越低，下鄰濱—內(nèi)陸棚的泥質(zhì)含量越高，整體生物擾動(dòng)強(qiáng)度越大，對(duì)有機(jī)質(zhì)消耗較大，不利于有機(jī)質(zhì)的富集（圖5c，d）。

3.3 中陸棚

由于水深進(jìn)一步增大，中陸棚沉積的泥巖中生物成因沉積物的含量明顯增加（圖6）。在白堊紀(jì)的北美內(nèi)陸海道中，生物成因沉積物主要包括在鈣質(zhì)的浮游的有孔蟲、球石藻、和由球石藻碎屑組成的糞球粒（圖6c，d），以及菊石和雙殼類的生物碎屑。雖然鈣質(zhì)的有孔蟲和糞球粒（浮游生物產(chǎn)生的）最初是從水體上部由緩慢的被動(dòng)沉降到達(dá)洋底沉積，中陸棚泥巖中仍然保留了一部分浪成和單向水流波紋交錯(cuò)層理（圖6a），說明由風(fēng)暴浪引起的震蕩水流和返程流仍然對(duì)洋底沉積物的搬運(yùn)和沉積有影響。

Tununk頁(yè)巖里中陸棚沉積的泥巖生物擾動(dòng)普遍（圖6），說明由于水深加大，風(fēng)暴作用對(duì)海底沉積的影響的頻率略有降低，相對(duì)適中的水深，充足的氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足）也創(chuàng)造了多種底棲生物適宜的生活環(huán)境。這些底棲生物可以在更長(zhǎng)的風(fēng)暴事件間隔中更大規(guī)模的擾動(dòng)沉積物。在中陸棚泥巖中，雖然陸源碎屑沉積物的稀釋作用有所降低，更頻繁的生物擾動(dòng)會(huì)消耗更多的有機(jī)質(zhì)，不利于有機(jī)質(zhì)的富集。但由于普遍生物擾動(dòng)對(duì)沉積礦物顆粒的混合作用，中陸棚泥巖的巖相組分和巖石物理性質(zhì)相對(duì)均一。

3.4 外陸棚（半遠(yuǎn)洋環(huán)境）

圖6 中陸棚沉積的含鈣質(zhì)泥巖的沉積相特征（a）中等生物擾動(dòng)的泥巖包含尚存的浪成波紋交錯(cuò)層理（根據(jù)基本對(duì)稱的波紋頂而識(shí)別）；（b）大量生物擾動(dòng)的泥巖。所以原生的（如果曾有的話）被生物擾動(dòng)完全破壞；（c）中陸棚泥巖在的鈣質(zhì)顆粒包含有孔蟲（箭頭）和糞球粒（虛線）；（d）相對(duì)細(xì)粒的機(jī)質(zhì)包含常見的鈣質(zhì)球石藻碎屑Fig.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

圖7 外陸棚（半遠(yuǎn)洋）環(huán)境中鈣質(zhì)泥巖的沉積相特征（a）～（d）露頭上較突出的層段的鈣質(zhì)含量相對(duì)較高（更抗風(fēng)化），沉積結(jié)果包括混合水流形成的交錯(cuò)層理（b），平行和略微波浪狀的層理（c）和小的浪成波紋交錯(cuò)層理（d）；（e）風(fēng)化作用較強(qiáng)的黏土含量更高的層段生物擾動(dòng)強(qiáng)度越大，但是一些沉積結(jié)果（大部分是浪成波紋交錯(cuò)層理）仍得以保存。表面上白色斑點(diǎn)狀的是鈣質(zhì)的糞球粒；（f）砂粒大小的鈣質(zhì)顆粒（大部分是有孔蟲）沿波浪狀層理聚集，正交光；（g）常見的鈣質(zhì)顆粒包括有孔蟲（箭頭），糞球粒（虛線）和球石藻碎屑。有孔蟲和糞球粒是砂粒大小。背散射掃描電鏡照片。所有的樣品均來自Tununk頁(yè)巖段。Ca：方解石Fig.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

Tununk頁(yè)巖中外陸棚半遠(yuǎn)洋環(huán)境中沉積的泥巖包括更高含量生物成因的沉積物生物碎屑（30%～60%）和少部分的陸源碎屑礦物，可被稱為鈣質(zhì)泥巖（圖7）。半遠(yuǎn)洋環(huán)境沉積的泥巖中主要的沉積結(jié)構(gòu)仍包含波浪，混合水流，及單向水流形成的波紋交錯(cuò)層理（圖7b，d），說明風(fēng)暴作用仍然可以影響半遠(yuǎn)洋環(huán)境（距岸線約100 km）中泥巖的沉積。對(duì)這些沉積結(jié)構(gòu)的古水流方向分析發(fā)現(xiàn)主導(dǎo)的水流方向平行于海岸線向西南，說明風(fēng)暴潮引起的退潮流由于科里奧利效應(yīng)的影響，在半遠(yuǎn)洋環(huán)境的流動(dòng)方向已經(jīng)基本向右偏轉(zhuǎn)成平行海岸線的方向（圖3 中的地轉(zhuǎn)流）[12]。半遠(yuǎn)洋環(huán)境沉積物仍包含少量的浪成波紋交錯(cuò)層理，但是和水深較淺的環(huán)境中不同，半遠(yuǎn)洋環(huán)境中的浪成波紋交錯(cuò)層理主要由砂粒大小的鈣質(zhì)生物碎屑組成（圖7f，g），說明盡管這些生物成因的沉積物最初在水體上部生成并通過被動(dòng)沉降到底海底，偶發(fā)的風(fēng)暴作用能夠使這些生物碎屑重新懸浮再沉積。

半遠(yuǎn)洋環(huán)境沉積的泥巖生物擾動(dòng)強(qiáng)度較中陸棚環(huán)境中有所降低，擾動(dòng)生物的尺寸也有所減?。▓D7c～e），說明水深加大導(dǎo)致的氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供給減小，環(huán)境對(duì)生物的壓力增大。伴隨浪成波紋交錯(cuò)層理所形成的泥質(zhì)夾層中由于較快的沉積速率，生物擾動(dòng)強(qiáng)度更低，這一類泥巖中的TOC 含量可以達(dá)到2%～3%[43]。造成這類泥巖層段中有機(jī)質(zhì)相對(duì)富集的主要原因是沉積速率的略微增加（比如在風(fēng)暴作用之后的階段），有利于有機(jī)質(zhì)能夠更快的埋藏保存，而不是通常認(rèn)為的無氧或低氧的環(huán)境條件，因?yàn)樯飻_動(dòng)仍然存在（圖7d，e）。

3.5 外陸棚（遠(yuǎn)洋環(huán)境）

遠(yuǎn)洋環(huán)境中泥巖的成分基本由生物成因的沉積物生物碎屑（>60%）組成，僅含有極少量的陸源碎屑礦物或風(fēng)成碎屑（火山灰），可被稱為泥灰?guī)r甚至微晶碳酸鹽巖（圖8）。Greenhorn 組最典型的特征是鈣質(zhì)泥巖和碳酸鹽巖的互層（圖1c）。碳酸鹽巖層段普遍顯示強(qiáng)烈的生物擾動(dòng)（圖8a～c），而鈣質(zhì)泥巖層段包含更常見的層理，甚至小型的波浪或單向水流形成的波紋交錯(cuò)層理，生物擾動(dòng)強(qiáng)度較低（圖8d～f）。

圖8 外陸棚（遠(yuǎn)洋）環(huán)境中沉積的Bridge Creek 碳酸鹽巖段的沉積相特征（a）石灰?guī)r層的底部的波浪狀層理向上遞變?yōu)橥耆簧飻_動(dòng)的部分；（b）（,c）大量生物擾動(dòng)的石灰?guī)r層；（d）（,e）生物擾動(dòng)強(qiáng)度較低（低到中等）、層理更發(fā)育的泥灰?guī)r層；（f）泥灰?guī)r層中包含的浪成交錯(cuò)層理是由以有孔蟲為主（相對(duì)更亮的）的和以糞球粒為主（相對(duì)較暗的）的交互層理組成；（g）石灰?guī)r中鈣質(zhì)含量高（巨體和微體的化石碎屑），有機(jī)質(zhì)含量低；（h）泥灰?guī)r中黏土礦物含量較高，有機(jī)質(zhì)含量也較高Fig.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

之前的研究發(fā)現(xiàn)Greenhorn 組中泥灰?guī)r層段的TOC 含量（2.5%～5.0%）普遍比碳酸鹽巖層段（0.1%～1.8%）高[44]，認(rèn)為泥灰?guī)r層段沉積時(shí)水體處于低氧，甚至缺氧狀態(tài)。該層段中常見的層理也因而被解釋為在安靜水體中通過被動(dòng)沉降而產(chǎn)生，之后并未被生物擾動(dòng)。但是最近的水槽實(shí)驗(yàn)，包括對(duì)泥灰?guī)r層段微相的精細(xì)研究發(fā)現(xiàn)的波浪或者單向水流形成的波紋交錯(cuò)層理指示該層段沉積仍受到風(fēng)暴浪引起的底流作用的影響（圖8d～f）。偶爾的風(fēng)暴作用也會(huì)擾動(dòng)水體，使得水體中的氧氣更好的分配。因此本文認(rèn)為水體中含氧量可能在一定程度上造成了造成鈣質(zhì)泥巖和碳酸鹽巖層段沉積相之間的差異，但并不是造成這種差異的最根本原因。泥灰?guī)r和碳酸鹽巖層段的相互交替可能與海平面升降密切相關(guān)。在晚白堊紀(jì)溫室效應(yīng)的氣候條件下，海平面升降的強(qiáng)度相對(duì)較?。◣酌椎绞畮酌椎南鄬?duì)變化）。Greenhorn組中泥灰?guī)r和碳酸鹽巖層段均包含風(fēng)暴浪作用形成的沉積結(jié)構(gòu)（碳酸鹽巖層段中保存的風(fēng)暴浪成的沉積結(jié)構(gòu)甚至更厚，如圖8a），唯一的差異僅在于泥灰?guī)r中的層理保存的更加完整，而碳酸鹽巖層段中的沉積結(jié)構(gòu)因?yàn)樯飻_動(dòng)的原因基本全部被破壞。結(jié)合鈣質(zhì)泥巖和碳酸鹽巖層段中生物擾動(dòng)強(qiáng)度和擾動(dòng)生物尺寸大小的差異，碳酸鹽巖層段應(yīng)該沉積于相對(duì)水深較小的時(shí)期，盡管偶爾的風(fēng)暴浪作用仍然可以形成對(duì)應(yīng)的沉積結(jié)構(gòu)，相對(duì)更充足的氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供給導(dǎo)致普遍的生物擾動(dòng)，原有的沉積結(jié)構(gòu)難以保存，巖石組分被生物改造的比較均一，頻繁的生物擾動(dòng)也消耗了大量的有機(jī)質(zhì)。在這些因素的共同作用下，形成了塊狀的、層理不發(fā)育、TOC 含量較低的碳酸鹽巖層段。泥灰?guī)r層段應(yīng)該沉積于相對(duì)水深較大的時(shí)期，風(fēng)暴浪作用仍然能影響到洋底沉積物的搬運(yùn)和沉積，但是由于水深和氧氣含量的限制，生物擾動(dòng)強(qiáng)度較低，更多的沉積層理得以保存，同時(shí)也有利于有機(jī)質(zhì)的埋藏保存，從而形成了層理發(fā)育、TOC含量較高的泥灰?guī)r層段。

4 討論

4.1 陸棚沉積環(huán)境的劃分

一般沉積模式以風(fēng)暴浪基面區(qū)分內(nèi)陸棚和外陸棚環(huán)境[45]。晚白堊世北美內(nèi)陸海道中的風(fēng)暴浪基面大約位于80 m水深[31]。但是Tununk頁(yè)巖整段基本都保存有浪成波紋交錯(cuò)層，因此即使是Tununk 頁(yè)巖中最遠(yuǎn)岸（距離海岸線超過100 km）沉積的鈣質(zhì)泥巖，沉積水深也大概在在風(fēng)暴浪基面左右（～100 m）。通過對(duì)在遠(yuǎn)岸環(huán)境中沉積的Greenhorn組中沉積結(jié)構(gòu)的觀察，即使是在遠(yuǎn)洋沉積中仍保存少量的波浪和單向水流作用形成的波紋交錯(cuò)層理，因此其沉積時(shí)的水深也不是特別大，可能在100～200 m之間。偶爾的波浪和單向水流作用波紋交錯(cuò)層理可能形成于地質(zhì)歷史時(shí)期間并不頻繁，但是強(qiáng)度非常大的風(fēng)暴事件之中。因此在對(duì)更多陸棚海沉積的泥巖所包含的沉積結(jié)構(gòu)和生物擾動(dòng)特征進(jìn)行更為精細(xì)的分析描述后，之前常應(yīng)用的深水、靜水的泥巖沉積模式以可能都需要有所修改。本文中對(duì)陸棚環(huán)境精細(xì)劃分的另一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是泥巖的成分組成。陸源碎屑礦物和生物生成沉積物的比例可以作為一個(gè)有用的標(biāo)準(zhǔn)來判斷對(duì)應(yīng)泥巖沉積環(huán)境（距離岸線的遠(yuǎn)近）和沉積環(huán)境的相對(duì)水深。本文中提出的對(duì)淺海陸棚環(huán)境的劃分（圖3）可以對(duì)建立類似陸棚環(huán)境中泥巖的沉積模式有幫助。

4.2 不同環(huán)境中泥巖有機(jī)質(zhì)成分和豐度差異

泥巖中有機(jī)質(zhì)豐度受到三個(gè)主要因素的控制：有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)，在沉積過程中因氧化作用對(duì)有機(jī)質(zhì)的消耗（生物以有機(jī)質(zhì)作為營(yíng)養(yǎng)來源），以及被其他碎屑礦物（例如陸源碎屑和鈣質(zhì)生物碎屑）的稀釋作用[46]。在本文分析的環(huán)境中，前三角洲，內(nèi)陸棚，外陸棚相對(duì)來說具有發(fā)育有機(jī)質(zhì)富集層段的潛質(zhì)。沉積環(huán)境距離岸線的遠(yuǎn)近在第一程度上決定了陸源碎屑礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)的稀釋作用。前三角洲泥巖中以陸源有機(jī)質(zhì)為主，由于沉積速率相對(duì)較快，生物擾動(dòng)強(qiáng)度低，對(duì)有機(jī)質(zhì)的消耗低（陸源有機(jī)質(zhì)也相對(duì)海相有機(jī)質(zhì)更不易被消耗）。雖然前三角洲環(huán)境中主要的陸源有機(jī)質(zhì)得以被快速埋藏，大量陸源碎屑礦物的稀釋作用導(dǎo)致前三角洲泥巖中TOC并不高。前三角洲泥巖也主要包含相對(duì)利于生氣的陸源有機(jī)質(zhì)。相反，在外陸棚環(huán)境中，水體上部的海相有機(jī)質(zhì)產(chǎn)量相對(duì)較高，陸源碎屑礦物的稀釋作用整體比較低。因此有機(jī)質(zhì)在外陸棚環(huán)境中的富集主要由有機(jī)質(zhì)的保存條件，包括生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的消耗和埋藏效率所決定，這兩點(diǎn)又在根本上被沉積速率決定。這也解釋了為什么在外陸棚的半遠(yuǎn)洋和遠(yuǎn)洋環(huán)境中伴隨浪成波紋層理沉積的泥質(zhì)夾層中有機(jī)質(zhì)相對(duì)富集（埋藏相對(duì)較快）。外陸棚泥巖中主要有機(jī)質(zhì)類型以海相有機(jī)質(zhì)為主，因而也具有更大的生油潛力。內(nèi)陸棚環(huán)境中陸源碎屑的稀釋作用適中，在適應(yīng)條件下有機(jī)質(zhì)同樣可以得以快速埋藏保存。內(nèi)陸棚泥巖中有機(jī)質(zhì)可能同時(shí)包含了陸源有機(jī)質(zhì)和海相有機(jī)質(zhì)。本文中建立的沉積模式因此可以有助于預(yù)測(cè)陸棚海不同環(huán)境中沉積的泥頁(yè)巖作為非常規(guī)油氣資源源巖和儲(chǔ)層的潛力。

值得指出的是，本文中討論的不同陸棚環(huán)境中泥巖的沉積環(huán)境特征和其有機(jī)質(zhì)豐度之間的關(guān)系仍相對(duì)籠統(tǒng)。當(dāng)受到例如米氏氣候旋回或高頻海平面變化的影響，即使是相同陸棚環(huán)境中，控制泥質(zhì)沉積的物源、有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)力、沉積水動(dòng)力、生物擾動(dòng)特征均會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。更重要的是由于這些不同因素強(qiáng)度之間的相對(duì)變化，會(huì)導(dǎo)致泥巖沉積中有機(jī)質(zhì)豐度和類別在更高精度下的差異變化。也正因?yàn)槿绱耍瑢?duì)泥巖沉積微相的精細(xì)分析和巖石學(xué)觀察非常重要。因?yàn)橹挥袑?duì)泥巖沉積微相特征的直接描述和研究，才能幫助準(zhǔn)確解釋泥巖的沉積過程和沉積環(huán)境，進(jìn)而預(yù)測(cè)不同泥巖微相的有機(jī)質(zhì)富集的潛質(zhì)和巖石物理特征。

5 結(jié)論

本文對(duì)晚白堊世北美西部?jī)?nèi)陸海道中從前三角洲/下鄰濱到陸棚環(huán)境中的泥巖微相，以及相對(duì)應(yīng)的主要沉積過程和沉積環(huán)境進(jìn)行了歸納總結(jié)。前三角洲環(huán)境主要受到河口輸入水流作用的影響，主要沉積過程包括事件性濁流和異重流。下鄰濱到外陸棚環(huán)境主要受到風(fēng)暴浪作用的影響，主要沉積過程包括風(fēng)暴引起的震蕩水流和退潮流。一系列不同沉積過程導(dǎo)致不同環(huán)境中沉積的泥巖組成成分，沉積結(jié)構(gòu)，生物擾動(dòng)特征各不相同。整體上來看，從近岸到遠(yuǎn)岸的環(huán)境，泥巖中有機(jī)質(zhì)含量的最高值逐漸增加，說明陸源碎屑礦物的稀釋作用在根本上決定了有機(jī)質(zhì)的富集。但具體到某一特定的沉積環(huán)境里，泥質(zhì)沉積的物源、有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)力、沉積水動(dòng)力、生物擾動(dòng)特征更高頻率的變化會(huì)導(dǎo)致泥巖沉積中有機(jī)質(zhì)豐度和類別在更高精度下的差異變化。因此對(duì)泥巖的沉積微相分析十分重要，只有準(zhǔn)確的解釋了不同泥巖相的沉積過程和沉積環(huán)境，才能更好的結(jié)合其他分析手段，確定造成不同泥巖層段有機(jī)質(zhì)豐度和巖石物理特征的差異的根本原因，進(jìn)而對(duì)泥頁(yè)巖作為有效烴源巖或非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的潛力做出精準(zhǔn)的判斷。

致謝 在此感謝邱振博士的約稿邀請(qǐng)，感謝審稿人及馬素萍老師和編輯對(duì)文章的指導(dǎo)和編輯。