0 引言

随着页岩气以及致密油等非常规油气的勘探开发，人们对细粒沉积岩的研究愈来愈重视。细粒沉积岩在陆相湖盆中广泛分布，约占所有沉积岩的70%^[1]。早在20世纪30年代，Krumbein在进行岩石粒度分析时便提出了“细粒沉积”这一概念^[2]，目前人们对细粒沉积已经普遍接受，并广泛应用于油气勘探中^[3-6]。因此，对细粒沉积岩进行精细研究在提高油气产量方面具有重要意义。

长期以来，塔尔朗组作为吐哈盆地大河沿区块的烃源岩层段，具有厚度较大、分布广、成熟度高的特点，目前已处于成熟阶段，具有非常好的生烃潜力^[7]。因此，前人多在烃源岩评价与成藏条件分析等方面做了较为细致的工作^[7-10]。通过野外详细描述与薄片鉴定发现，塔尔朗组中上段主要发育粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、页岩等，其粒径均小于0.062 5 mm，属典型的细粒沉积岩^[11]。但目前对塔尔朗组细粒沉积岩的矿物成分、结构构造、岩性特征及其沉积环境尚未开展研究。

本文在对大河沿地区中二叠统塔尔朗组地层研究的基础上，结合二叠系大河沿地区的沉积构造背景，对塔尔朗组细粒沉积岩发育层段进行精细研究，并通过野外系统取样测试分析，对塔尔朗组细粒沉积岩发育的矿物类型及赋存状态、发育的结构构造等岩石学特征进行初步研究；在此基础上，结合X射线衍射分析数据分析发育的主要岩石类型，并进行岩相划分，分析沉积环境，旨在为该地区的油气勘探提供进一步的沉积学依据与资料。

1 地质背景

大河沿地区位于吐哈盆地西北缘，地理上位于吐鲁番市的大河沿镇及周边地区，构造位置上，夹持于北东—南西向展布的喀拉乌成山、近东西向展布的博格达山与托克逊凹陷之间，大河沿研究区分属两凸两凹，即布尔加凸起、卡拉图低凸、科牙依凹陷和托克逊凹陷^[7](图 1)。野外剖面的位置主要位于塔尔朗剖面，该剖面位于卡拉图凸起东北缘，地理上处于大河沿镇东北方向20 km处，该剖面细粒沉积岩发育较完整，露头连续容易观察。除塔尔朗剖面的细粒沉积岩出露较好外，位于艾维尔沟煤矿附近的艾维尔沟剖面出露也较好。

大河沿地区，二叠系自下而上依次发育下统伊尔希土组、中统大河沿组与塔尔朗组、上统梧桐沟组。伊尔希土组以冲积扇相与河流相等陆相沉积为主；中二叠统大河沿组整体为一套同构造期快速堆积的近源粗碎屑河流、扇三角洲沉积，以砾岩和含砾粗砂岩为主，缺少泥质沉积^[8]；塔尔朗组沉积时期，吐哈盆地与准噶尔盆地水体可能相通，属于湖泛期，水体较深，为深湖—半深湖沉积，并伴随有重力流沉积的浊积扇体；上二叠统梧桐沟组主要为三角洲相、曲流河相和滨、浅湖沉积^[8](图 2)。

2 岩石学特征 2.1 矿物组成

通过岩石薄片鉴定发现，研究区矿物成分多样，并通过X射线衍射分析技术精确各种矿物的百分含量。大河沿地区塔尔朗组细粒沉积岩主要发育石英与方解石矿物，长石、白云石及黏土矿物含量低于石英与方解石，并含有少量的方沸石、菱铁矿、磷灰石等自生矿物。

石英含量一般在20%~40%(平均31.6%)，长石含量一般为5%~25%(平均9.6%)，长英质矿物多以零星分布或均匀分布的形式赋存于黏土与泥晶方解石中，少见透镜状或团块状分布的长英质矿物(图 3a，b，c)；方解石含量变化较大，0~98%均有发育，但大部分在40%左右(图 3d)，含量高达98%的样品是由于受后期成岩作用的影响，方解石重结晶所导致(图 3e，f)；白云石含量一般小于20%(平均8.4%)，有少部分样品白云石的含量较高，在70%以上，呈条带状产出(图 3g，h)；黏土矿物含量一般在10%~30%(平均16.2%)，常与长英质矿物、碳酸盐矿物以混合形式赋存(图 3a，g)；除碳酸盐、黏土、长英质矿物外，方沸石、菱铁矿、磷灰石等自生矿物也比较常见，但含量较低，平均含量均不到1%(表 1)。

由此可见，大河沿地区塔尔朗组细粒沉积岩与以黏土矿物为主的传统意义上的泥岩有很大差别，并非以黏土矿物为主，而是由长英质矿物、碳酸盐矿物、黏土矿物等其他自生矿物混合组成^[12]。

2.2 沉积构造

沉积构造在一定程度上反映当时的沉积环境，因此研究沉积构造可以确定沉积介质的营力及流动状态，从而有助于分析沉积环境^[13]。塔尔朗组细粒沉积岩中发育多种沉积构造，包括牵引流作用成因的交错层理，重力流成因的粒序层理，静水环境下受季节影响的纹层构造等。

2.2.1 层理构造

层理构造是流体介质携带沉积物流动时产生的流迹外在的体现^[13]。研究区发育的层理类型包括粒序层理、小型交错层理、脉状层理等。

粒序层理是悬移搬运的沉积物受重力作用，按粒度大小依次沉降形成，是浊积岩中的一种特征性层理^[11]，研究区的粒序层理主要为正粒序层理，由底部的粒度较粗细砂岩向上逐渐过渡为为粒度较细的粉砂岩、泥质粉砂岩(图 4a)。粒序层理主要发育在塔尔朗组中下部的滑塌浊积扇中，属重力流沉积的产物。

交错层理也是细粒沉积岩中较为常见的层理之一^{[11, 14-15]}，在塔尔朗组，交错层理以黏土矿物与长英质矿物混合的形式体现出来(图 4b)。细粒沉积岩中交错层理的成因是复杂多解的，浊流在水下向前推进的过程中，由于水的混入与物源供应的减少，使得浊流密度逐渐降低，当降低到某一临界值时，以悬移搬运为主的重力流会向以推移方式为主的牵引流转化，形成交错层理。除浊流成因外，交错层理也可以由风暴作用形成^[15-16]，另外，Schieber et al.^[14]等通过水槽实验证明，粒度小于10 μm呈絮状物沉降的细粒颗粒可以表现为与粗粒碎屑水力等效的方式，也可以形成交错层理。根据层理的发育层位与其他沉积构造的叠置、共生关系，结合沉积期背景，该细粒沉积岩中的交错层理应为底流(牵引流)作用的结果，但该底流可能是由浊流在运移过程中逐渐稀释转变而成的。

除以流动成因的层理外，研究区塔尔朗组还发育脉状层理(图 4c)，主要发育在塔尔朗组中下部，由细粉砂岩夹薄层状、扁透镜状泥岩组成，泥岩层厚度0.5 cm左右，具有泥岩撕裂结构，初步判断其成因与浊流具有一定关系。塔尔朗组细粒沉积岩中还发育一种特殊的构造类型，在细粒沉积岩中顺层发育着透镜状、脉状的重结晶方解石(图 4d)，在形态上与“泥包砂”透镜状层理类似，但在组成成分与形成原因方面则完全不同。方解石透镜体长4~5 cm，宽0.5~1 cm，表面干净明亮，是由钙质含量较高的细粒沉积岩在晚成岩期经溶解和再沉淀所形成^[17]，尽管这种构造不是在沉积过程中形成，不能直接反映细粒沉积岩的形成环境，但可以在一定程度上有助于分析其湖盆水体性质以及埋藏深度^[18]。

2.2.2 纹层构造

纹层的形成与湖水分层密切相关，并受气候、水体性质、陆源碎屑注入量及生物作用的影响^[19]。因此，纹层的类型、厚度以及垂向叠置关系等信息可以反映沉积环境的变化^[20-21]。

塔尔朗组细粒沉积岩中纹层发育，纹层类型包括黏土纹层、长英质纹层、隐晶方解石纹层与白云石纹层，几种纹层在垂向上相互叠置形成混合纹层。长英质矿物与黏土矿物互层的现象最为常见(图 4e)，在野外露头上，纹层呈平直状，长英质矿物为灰白色，厚度比黏土矿物略大，一般在3~5 mm，黏土矿物则为黑色、灰黑色，两者呈突变接触。该纹层的成因与浊流有关，当浊流携带较多的陆源碎屑物质进入湖盆的深处时，发育长英质纹层，当浊流作用减弱或消失时，则发育黏土纹层。长英质矿物、碳酸盐矿物与黏土矿物三者在垂向上相互叠置的现象也较为常见(图 4f)，在镜下，碳酸盐矿物呈亮黄色，与其他矿物之间界限清晰，厚度极小，不足0.01 mm，黏土矿物与长英质矿物厚度较大，并且两者在成分上也具有一定的混合特征。该类纹层主要受气候以及湖水分层的影响^[22]。

3 细粒沉积岩岩相特征

岩相是沉积环境在岩性方面的综合表现，是考虑了岩石的颜色、结构、构造、成分等特征的岩石类型及其组合^[23]。前人以颜色、矿物组分、沉积结构与构造、有机质丰度等特征为依据，分别对陆相和海相细粒沉积岩进行了岩相的划分^{[12, 24-25]}。本文参考前人划分依据，以颜色、矿物成分、沉积构造为划分依据，将塔尔朗组细粒沉积岩划分为5种岩相类型，分别为灰黑色薄层状混合细粒岩相、深黑色页状黏土岩相、灰黑色纹层状混合细粒岩相、灰色薄层状粉砂岩相、灰白色页状灰岩相。

3.1 灰黑色薄层状混合细粒岩相

该岩相在塔尔朗组较为常见，在塔尔朗组上下均有发育，占整个塔尔朗组细粒沉积岩的30%左右。整体呈灰黑色，薄层状，层厚在1~5 cm不等，中间夹有薄层状的方解石脉(图 5a)。在野外露头上，岩石较松散，岩层易破碎为尖棱角状碎块(图 5b)。该岩相内部结构单一，但矿物成分复杂，由长英质矿物、碳酸盐矿物及少量的黏土矿物混合形成，并且整体钙质含量较高。这种岩相发育在浊积扇的外扇中，受浊流的影响，陆源的长英质矿物含量较高。

3.2 深黑色页状黏土岩相

该岩相主要发育在塔尔朗组中上部，整体呈黑色、深黑色，页理极为发育，硬度较小易碎，页理之间界限较为清晰，其厚度在0.1~0.3 mm之间(图 5c)。页状黏土岩相内部成分、结构单一，常作为单一的岩相发育，但在地层中整体厚度较小，占整体细粒沉积岩的10%左右。该岩相指示湖水较为安静的还原环境，水体不受外界因素的扰动^[12]，湖中生物的遗体可以在这种安静缺氧的还原环境中得以较好的保存，在页理发育面上可见菱形状的鱼类鳞片化石(图 5d)。

湖盆水体的氧化还原环境可以通过V/(V+Ni)值来判别^[26-27]，V/(V+Ni)比值为0.4~0.6表示水体呈弱分层的贫氧环境，> 0.84表示水体呈强分层的还原环境^[28]，通过测定塔尔朗组细粒沉积岩中的V/(V+Ni)，其比值基本分布在0.77~0.94，平均值为0.836。说明塔尔朗组细粒沉积岩形成于缺氧的还原环境中，这与深黑色页状黏土岩的沉积特征相一致。

3.3 灰黑色纹层状混合细粒岩相

灰黑色纹层状混合细粒岩相与上述的灰黑色薄层状混合细粒岩相不同，其不仅在矿物成分具有混合现象，在结构上也具有明显的混合特征。该岩相是由长英质矿物、黏土矿物及碳酸盐矿物在垂向上的相互叠置而构成的。纹层平直，厚度较薄，在0.1~2 mm之间不等，且纹层间界限清晰(图 5e，f)。纹层在垂向上有多种组合形式，最常见的组合形式是黏土矿物与长英质矿物互层；黏土矿物、碳酸盐矿物及长英质矿物三者互层。这一种岩相主要发育于相对封闭的半深湖—深湖环境中。由于季节性的变化，内源结晶沉淀的碳酸盐矿物与外源机械搬运的黏土矿物、长英质矿物在在湖水分层的条件下在垂向上叠置，形成了在结构与成分上均具有混合特征的纹层状混合细粒沉积岩^{[15, 22]}。

3.4 灰色薄层状粉砂岩相

灰色薄层状粉砂岩相是塔尔朗组细粒沉积岩最为发育的岩相类型之一，占整体细粒沉积岩的40%以上。在野外露头上，该岩相以灰色、土黄色为主，呈层状、薄层状产出，厚度在0.5~1 m之间(图 5g)。颗粒之间胶结作用弱导致岩石松散，内部夹有薄层的方解石脉及泥岩条带(图 5h)，可见有正粒序层理发育。这种岩相整体粒度较其他岩相粒度较粗，水动力较强，但内部未见牵引流成因的层理发育，整体呈块状、薄层状，初步推断该岩相的发育与重力流沉积有关，当水源充沛或洪水爆发时，水动力较强，水体携带大量的陆源碎屑物质可以进入到湖盆深处，最终形成块状、薄层状细粉砂岩沉积。结合微量元素分析，塔尔朗组细粒沉积岩的Rb /Sr值主要在0.2以上，整体上属于温暖潮湿的气候环境^[29]，为洪水成因的重力流沉积提供依据。

3.5 灰白色页状灰岩相

该岩相在东营凹陷沙河街组泥页岩中较为常见^[12]，在塔里木盆地的哈得油田砂岩中也比较发育，被称作钙质夹隔层^[18]。该岩相以方解石矿物为主，黏土矿物含量较低，长英质矿物基本不发育。颜色呈灰白色、浅灰色，产出状态以脉状、薄层状为主，常赋存于灰黑色钙质含量较高的混合细粒沉积岩中，整体干净明亮，层面光滑平直，晶形呈纤维柱状垂直层面方向生长(图 5i)。灰白色页状灰岩多是富碳酸盐、富有机质的细粒沉积物在晚成岩期的产物，沉积环境与半咸水湖、咸水湖相环境有关^[12]。通过对塔尔朗组细粒沉积岩进行Sr/Ba值分析，得知Sr/Ba最大值达2.598，最小值为0.418，平均值为1.567，根据Sr/Ba大于0.6属于半咸水环境的评价标准^[30]，判断细粒沉积岩发育的湖盆水体环境为半咸水—咸水环境，这与页状灰岩所反应的沉积环境相一致。

4 细粒沉积岩分类及命名

由于细粒沉积岩粒度较细，仅用肉眼观察与薄片鉴定难以识别确定矿物成分与百分含量，因此，无法对细粒沉积岩石进行系统准确的命名。本文在充分考虑前人对细粒沉积岩划分方案的基础上^{[11, 31-32]}，以X射线衍射分析数据为基础，以碳酸盐矿物、黏土矿物以及长英质矿物为三端元对大河沿地区塔尔朗组细粒沉积岩进行分类命名。

针对露头剖面中细粒沉积岩较发育层位，连续系统选取68个样品进行X射线衍射分析，然后对68块样品的X射线衍射数据在细粒沉积岩三端元分类图版上进行投点(图 6a)。由三端元矿物成分投点图可知(图 6b)，大河沿地区塔尔朗组细粒沉积岩主要发育3类岩石类型，包括碳酸盐岩类、细粒长英沉积岩类、细粒混合沉积岩类，并且以碳酸盐岩类与细粒长英沉积岩类最为发育，分别占塔尔朗组细粒沉积岩总量的36.8%和48.5%，其次为细粒混合沉积岩类，约细粒沉积岩总量的14.7%，而黏土岩类不发育。其中，碳酸盐岩类细粒沉积岩包括灰(云)岩和长英质灰(云)岩两种岩石类型，并以灰岩为主；细粒长英沉积岩类包括细粒长英沉积岩、黏土质细粒长英沉积岩和灰(云)质细粒长英沉积岩三种岩石类型，以细粒长英沉积岩与黏土质细粒长英沉积岩为主；细粒混合沉积岩类包括长英质细粒混合沉积岩和灰(云)质细粒混合沉积岩两种岩石类型，两者含量相差不大(表 2)。

通过细粒沉积岩分类命名得知，细粒沉积岩并非传统意义上的泥页岩、细粉砂岩，而是由多种矿物混合而成的粒度较细的沉积岩，其成分不仅包括黏土和长英质等陆源碎屑矿物，也包括盆地内生的碳酸盐、磷酸盐以及有机质等。以碳酸盐矿物、黏土矿物以及长英质矿物为三端元的分类命名法，既可以研究细粒沉积岩的矿物成分，也可以进一步根据矿物成分相对含量分析细粒沉积岩的沉积环境。长英质矿物含量相对较高的细粒沉积岩，如细粒长英沉积岩与含少量黏土、碳酸盐的细粒长英沉积岩，常发育在重力流发育的前三角洲—半深湖区^[32]，受重力流的影响，陆源碎屑物质含量相对较高，在细粒沉积岩中表现为高长英质，低黏土、碳酸盐；碳酸盐矿物或黏土矿物含量相对较高细粒沉积岩，如灰岩、长英质灰岩，常发育在水动力相对较弱的半深湖—深湖区^[32]，水体相对安静，陆源碎屑供给不足，黏土与碳酸盐矿物沉积速率较低，且季节性纹层发育。

5 结论

(1) 塔尔朗组细粒沉积岩中发育多种矿物，以石英和方解石矿物为主，长石、白云石及黏土矿物次之，还发育有少量的方沸石、菱铁矿、磷灰石等自生矿物。沉积构造类型包括较强水动力下的粒序层理、小型交错层理、脉状层理以及静水环境下的纹层构造。

(2) 以颜色、矿物成分、结构构造等因素为岩相划分依据，将塔尔朗组细粒沉积岩划分为5种岩相类型，包括灰黑色薄层状混合细粒岩相、深黑色页状黏土岩相、灰黑色纹层状混合细粒岩相、灰色薄层状粉砂岩相、灰白色页状灰岩相。根据每一种岩相发育特征，结合微量元分析得知，塔尔朗组细粒沉积岩沉积时期，整体上气候温暖湿润，湖盆水体为还原性的半咸水—咸水环境。

(3) 以碳酸盐矿物、长英质矿物以及黏土矿物为三端元，对细粒沉积岩进行分类命名，将塔尔朗组细粒沉积岩划分为3类7种岩石类型，包括碳酸盐岩类、细粒长英沉积岩类、细粒混合沉积岩类，其中以碳酸盐岩类与细粒长英沉积岩类为主，两者约占细粒沉积岩整体的85%。