0 引言

砂岩中的黏土矿物包括自生黏土和碎屑黏土。碎屑黏土亦称他生黏土(allogenetic clays)。他生黏土指的是, 形成于沉积之前并且在沉积过程中与砂粒伴生的黏土粒级颗粒或由黏土组成的较大的颗粒。碎屑黏土的矿物组成包括蒙皂石、伊利石、高岭石、绿泥石以及伊利石/蒙皂石混层等。目前识别出来的碎屑黏土的组构类型包括泥质内碎屑(mud intraclast)、机械渗滤黏土(mechanically infiltrated clays)^[1]和成壤泥质凝聚体或团粒(pedogenic mud aggregates or pellets)^[2-3]。碎屑黏土往往分布于洪水型季节性河流砂岩中。干旱—半干旱气候条件下的河流往往属于洪水型季节性河流。季节性河流是流经干旱—半干旱地区的丰水季节形成径流、枯水季节断流的河流。流水主要来自暴雨和融雪。与季节性河流相近的术语为末端扇^[4]和河流分流系统^[5]。现代季节性河流以塔里木河流的部分支流和干流为代表。值得注意的是, 许多油气储层形成于洪水型季节性河流, 例如, 塔里木盆地西南缘柯克亚凝析气田的中新统西河甫组^[6]、库车河剖面下白垩统^[7]、川西坳陷上侏罗统遂宁组^[8]和松辽盆地南部泉四段^[9]等。本文试图在回顾碎屑黏土组构类型及其特征的基础上, 讨论碎屑黏土对洪水型季节性河流砂岩的储层非均质性及侵蚀脆弱性的影响。

1 泥质内碎屑

泥质内碎屑是低能环境形成的沉积物被侵蚀后, 在高能环境中再沉积的泥质颗粒^[10]。在河流环境中, 泥质内碎屑来自洪泛平原沉积物和与之共存的古土壤层^[11]。当泥质内碎屑遭受机械压实被挤压进相邻的刚性颗粒之间时, 其原来外形轮廓不再保留时则被称之为假杂基。

泥质内碎屑主要分布于河道和决口扇砂岩^[12]中, 尤其河道砂岩的底部^{[9, 13]}。在层序地层格架中, 泥质内碎屑向低水位体系域的底部和高水位体系域的顶部表现出增加趋势^[12]。

如果富含泥质内碎屑层被早成岩阶段的碳酸盐普遍胶结, 则避免了遭受机械压实作用被挤压成假杂基的宿命^[14]。

2 机械渗滤黏土

机械渗滤黏土是指贴附于骨架碎屑颗粒表面, 由含有悬浮黏土的地表水下渗到刚沉积不久的沉积物中的碎屑黏土^[1]。

Matlack等^[1]进行的实验室实验和全新世砂的研究表明, 机械渗滤黏土是含黏土的浑浊水流下渗到松散砂中形成的。其形成的基本条件是, 高含悬浮物的水流、波动的潜水面和沉积物再搬运可能性极低的沉积环境。与海滩和潮汐三角洲相比, 点砂坝和三角洲平原往往有利于机械渗滤黏土的形成, 这说明机械渗滤黏土的分布是“相控的”。

Moraes等^[15]根据巴西Reconcavo盆地侏罗纪Sergi组河流砂岩研究结果, 将机械渗滤黏土组构细分为脊状和桥状、示底组构、松散聚集、胶膜和块状聚集体5种类型。脊状和桥状组构指的是, 黏土片集合体大致垂直于颗粒表面分布, 在颗粒表面形成微型脊状突出或将邻近的颗粒连接起来形成“孔隙桥”状。脊状和桥状渗滤黏土往往分布于渗流带, 系颗粒之间新月形水滴的倾析所形成。示底组构包括形成于较大孔隙中的黏土聚集和钟摆状集合体。该组构系渗流带水滴中的黏土倾析的产物。松散聚集包括混杂的絮凝体, 由无任何定向的黏土片组成。其形成可能与黏土片在停滞水体(例如非渗透障上的水位)中的缓慢堆积有关。在土壤学中, 胶膜指的是黏土片完全地、平行地覆盖在颗粒表面的组构特征^[16]。在砂岩岩石学中, “黏土胶膜”的含义类似于“黏土包膜”。与黏土包膜不同的是, 黏土胶膜为非等厚状。黏土胶膜形成于潜流环境。在潜流环境, 孔隙完全被水饱和, 因而容许黏土片完全贴附到颗粒表面。块状聚集体指的是完全充填粒间孔隙的黏土。其内部结构表现为, 靠近颗粒表面为厚层胶膜状, 向孔隙中央为杂乱的密集的黏土片集合体。块状聚集也形成于潜流带。

按照Walker^[17]的概念模型, 机械渗滤黏土主要分布于渗流带、潜流带和非渗透障的上方。机械渗滤黏土聚集于渗流带是由于下渗的富含黏土的水未抵达潜水面的直接结果。造成这一现象可能的原因包括地下水的极度枯竭或下渗水水量有限(图 1A)。在这种情况下, 悬浮于下渗水中的黏土将沿着薄薄的或半月形的水膜停积下来^[18]。渗滤黏土富集带的厚度取决于下渗水达到的深度。由于冲积背景的表层往往遭受再搬运作用, 因此, 这种类型的渗滤黏土一般保存不下来。当下渗水抵达潜水面时, 其渗流速度的降低将容许其运载的黏土卸载(图 1B)。这种情况下通常形成胶膜状黏土, 形成大致呈水平分布的、可穿切或非穿切层理的富黏土带。该带相当于先前的潜水面位置。如果潜水面保持的时间足够长, 渗滤黏土的纵向分布将局限于狭窄范围。潜水面的波动将导致渗流带厚度加大, 其加大幅度甚至可达数十米^[17]。如果下渗水在下渗过程中遇到非渗透障(例如基岩、页岩层、埋藏的古土壤或钙结层), 机械渗滤黏土往往在非渗透障顶部形成富集带(图 1C)。以上3种情况均受控于距离下渗浑浊水流源头的远近, 离源头越近机械渗滤黏土越发育。此外, 河道迁移将形成较薄而横向延伸较远的机械渗滤黏土富集带, 河道切割较深时将形成较厚的机械渗滤黏土富集带(图 1D)。

近年来的研究表明, 机械渗滤黏土主要分布于干旱—半干旱气候条件下形成的冲积相砂岩中, 例如冲积扇砂岩^[13]、河流相砂岩^{[1, 12-13, 19]}和三角洲相砂岩^{[1, 12-13]}。Al-Aasm等^[20]的研究表明, 河道砂岩中的渗滤黏土体积分数(微量至7%, 平均2%)高于决口扇(微量至2%, 平均0.5%)。在层序地层格架中, 机械渗滤黏土形成于高水位体系域的早期。伴随基准面缓慢上升, 可容空间逐渐增加, 洪泛平原泥也逐渐沉积下来。洪泛平原泥沉积时富泥的地表水将渗进下伏河道和决口扇砂岩, 进而导致碎屑黏土的形成。

与一般的干旱—半干旱气候条件下的河流相相比, 洪水型季节性河流相砂岩中赋存的碎屑黏土可能更为丰富和多样化, 主要依据为:1)季节性河流中的洪水携带着包括碎屑黏土在内的大量悬浮物质；2)携带碎屑黏土等高悬浮物的流水部分将无障碍地渗入到河道下部的砂质沉积物中；3)潜水面较深, 含黏土水下渗流程长；4)季节性河流砂岩中杂基体积分数高。例如, 在柯克亚凝析气田中新统西河甫组季节性河流砂岩中杂基的平均体积分数高达7.6%^[6]。

3 成壤泥质凝聚体

成壤泥质凝聚体是由粉砂—黏土级颗粒( < 3.9 μm)组成的砂级(62.5~2 000μm)颗粒^[21-22], 这种泥质颗粒形成于潮湿和干旱交替地区^[21]的富含膨胀性黏土(以蒙皂石为主)的冲泛平原^[23], 并在水流中能够以底部推移式搬运^[23]。与“成壤泥质凝聚体”为同义词的术语包括“颗粒”^[23]、“黏土团粒砂”^[24]、泥质聚集体^[21]。成壤泥质凝聚体目前已发现于现代许多干旱地区的河流系统^[25-27], 也陆续报道于石炭纪、侏罗纪^[23]和三叠纪^{[3, 21, 23]}的干旱—半干旱气候条件下形成的河流相中。Gierlowski-Kordesch等^[22]已全面回顾了深时泥质凝聚体(deep-time mud-clast aggregates)的特征、成因的影响因素和产状等。到目前为止, 深时泥质凝聚集体的形成被认为与显生宙普遍存在的变性土有关。

古代河流砂岩中的成壤泥质凝聚体以Rust等^[23]报道的实例最具代表性。在北海北部上三叠统Lunde组冲泛平原的MF2泥岩中^[3], 成壤泥质凝聚体直径介于0.3~4.0 mm, 较大的凝聚体为1.0~4.0 mm, 有少量较小的凝聚体 < 0.4 mm。凝聚体呈球状—椭球状, 次棱角到圆状。在有些剖面中, 棱角状和次棱角状亦存在。成壤泥质凝聚体的矿物成分变化较大, 有的单元层以蒙皂石和伊利石/蒙皂石混层为主(达70%), 有的单元层以伊利石为主(达65%), 其次为膨胀性黏土(15%~20%)。伊利石为碎屑成因。在以上研究的基础上, Müller等^[3]确定了原地和异地成壤泥质凝聚体的识别标志(图 2)。其中, 原地成壤泥质凝聚体的主要特征为:1)在沉积单元内泥质凝聚体的组成类似；2)黏土矿物以黏粒胶膜和微层理形式环绕凝聚体个体分布；3)与成壤擦痕和簇晶粒关系密切；4)表面粗糙。异地成壤泥质凝聚体的主要特征为:1)泥质凝聚体与宿主岩石的组分高度不同；2)发育泥质凝聚体的泥岩与下伏层之间存在清楚的相界限；3)与异地的碳酸盐岩岩屑, 泥质内碎屑和大片的新鲜、未风化的云母共存；4)表面通常光滑。

冲泛平原土壤层中的成壤泥质凝聚体可以在河道横向迁移过程中被侵蚀进入河道, 由于其能够以底部推移形式搬运, 因此, 成壤泥质凝聚体往往存在于具有纹理或交错层理的砂岩或粉砂岩^{[19, 28-29]}、滞留沉积、大型槽状层理与河道充填序列的顶部^[21]等。人们甚至认为, 成壤泥质凝聚体是现代和古代旱地河流系统的重要记录之一^{[3, 23]}。

4 讨论 4.1 机械渗滤黏土与储层非均质性之间的成因联系

机械渗滤黏土是导致河流相砂岩储层非均质性的重要因素之一。首先, 机械渗滤黏土的存在促进或抑制了砂岩的成岩作用, 包括:1)促进了石英的压溶作用^{[1, 13]}；2)抑制了次生加大石英和次生加大长石的形成以及碳酸盐胶结物的沉淀^{[1, 13, 15, 30]}；3)扮演了自生黏土沉淀的成核底质的角色^[1]。其次, 机械渗滤黏土的存在和成岩转化造成了物性非均质性:1)降低了砂岩的初始孔隙度或“沉积孔隙度”^[19]；2)由于渗滤黏土抑制了次生加大石英的生长, 因而有利于原生孔隙的保存^{[13, 15]}；3)渗滤黏土形成收缩孔^[15]；4)高含量的机械渗滤黏土大幅度地降低了渗透率, 并形成渗透障^[13-14]；5)导致水敏等储层敏感性^[15]。

4.2 碎屑黏土对砒砂岩侵蚀脆弱性的影响

砒砂岩是指分布于晋陕蒙接壤地区, 出露于地表或被黄土、沙覆盖的红色、白色及过渡颜色的晚古生代和中生代的陆源碎屑岩^[31], 其分布面积达1.67万km^2[32]。由于易遭受冻融、重力、风力和水力侵蚀^[31], 砒砂岩分布区岩层风化严重^[33], 其侵蚀产物是黄河中粗沙的重要来源之一^[34], 人们视其造成的水土流失的危害“毒如砒霜”, 因而称之为“砒砂岩”^[35]。这一砂岩定名在世界上是独一无二的。

近年来, 砒砂岩地区水土流失规律研究和水土流失治理措施已取得了长足的进展^[36]。然而, 关于砒砂岩易于遭受风化和侵蚀的原因, 一直在沿用“上覆盖层厚度小, 压力低, 成岩程度低, 砂粒间胶结程度差, 结构强度低”^[33]来解释。这一认识显然有待于深化。

近年来的研究表明, 砒砂岩均以黏土矿物含量高为特征。根据主要黏土矿物类型, 可以将砒砂岩细划为“高含蒙皂石砒砂岩”、“高含高岭石砒砂岩”和“高含伊利石(水云母)砒砂岩”。其中, 高含蒙皂石砒砂岩和高含伊利石(水云母)砒砂岩主要分布于内蒙古自治区准格尔旗^[37-39], 高含高岭石砒砂岩分布于东胜市附近^[40-43]。高含蒙皂石砒砂岩分布于准格尔旗下三叠统刘家沟组与和尚沟组。高含蒙皂石砒砂岩的侵蚀脆弱性可能与其含有大量的碎屑蒙皂石有关。这里采用“侵蚀脆弱性”术语来表达“易于遭受侵蚀的属性”。“脆弱性”是指, 由于系统(子系统、系统组分)对系统内外扰动的敏感性以及缺乏应对能力, 从而使系统的结构和功能容易发生改变的一种属性^[44]。文献上类似的术语包括“土壤侵蚀脆弱性”^[45]、“海岸侵蚀脆弱性”^[46]和抗酸侵蚀脆弱性^[47]等。

在砒砂岩中, 蒙皂石的平均质量分数高达18%^{[37, 48-49]}, 甚至达到了膨胀土的“中膨胀势”级别(蒙皂石质量分数为12%~22%)^[50]。显然, 蒙皂石的吸水膨胀、失水收缩和方解石易溶于大气水的属性, 是导致砒砂岩侵蚀脆弱性的重要因素。砒砂岩中的蒙皂石在成因上可能属于碎屑黏土, 很可能来自蒙皂石土壤层的再搬运, 主要依据包括:①温带湿润-半干旱气候和排水受限的地形有利于蒙皂石土壤层的形成^[51]。②包括砒砂岩在内的下三叠统原岩是一套形成于河流环境^[52-53]的红层。③在红层的形成过程中, 湿润季节形成河道并侵蚀土壤剖面, 半干旱季节以沉积和将沉积物氧化成红层为特征^[54]。④砒砂岩中的泥砾较多^[37], 而冲积环境中的泥砾被认为来自与沉积同期的、成壤作用形成的“成壤泥质凝聚体”。成壤泥质凝聚体的形成要求土壤中含有以蒙皂石为主的膨胀性黏土矿物^[22]。⑤成壤泥质凝聚体一般以底部载荷形式稳定搬运^[22], 其空间分布受沉积作用控制。⑥以蒙皂石土壤层为物源的高含蒙皂石砂岩已报道于印度Cauvery盆地的上白垩统—古近系^[55]和松辽盆地的上白垩统明水组^[56]。

5 结论

1)洪水型季节性河流砂岩中的碎屑黏土的组构类型包括泥质内碎屑、机械渗滤黏土和成壤泥质凝聚体。

2)机械渗滤黏土的存在与成岩转化是导致河流相砂岩储层非均质性的重要因素之一。

3)砒砂岩的侵蚀脆弱性可能与高含碎屑蒙皂石有关。