0 引言

黑色岩系是一套富含有机质的暗色泥页岩、粉砂岩、硅质岩和少量碳酸盐岩等海/湖相陆源细粒沉积岩的总称^[1]，其岩石组合、形成环境具有特殊性，而且与成矿和油气形成关系密切，受到国内外地质学界的长期关注。目前对于黑色岩系中泥页岩微观孔隙类型和生烃指标的研究较多，实验方法成熟，但其成因研究相对较少且存在争议，具体表现为除了传统认识的陆源物质沉积成因外，热水沉积和火山物质沉积成因的观点逐渐受到关注和认可。前人研究成果表明，我国南方广泛分布的下寒武统黑色岩系成因以陆源物质沉积+热水沉积^[2-4]为主，属于海相沉积，多为缺氧、低能、还原的浅海陆棚环境+海底热液对流沉积背景；以新疆地区、松辽盆地烃源岩系为代表的我国北方黑色岩系的成因主要是陆源物质沉积+火山物质沉积^[5-9]，属于湖相黑色岩系，沉积背景多以缺氧、低能、还原的深湖—半深湖环境为主，并伴随水下或邻区火山喷发；著名的北美页岩也是典型的海相黑色岩系，是由泥页岩、钙质泥页岩及灰岩组成的陆源碎屑沉积岩^[10]，反映浅海陆棚的深水环境。

鄂尔多斯盆地是我国油气资源最为丰富的盆地之一，以上三叠统延长组石油大规模发育为特征。其中，长7油层组反映还原环境的深湖—半深湖相沉积，发育大面积富含有机质及大量金属元素的黑色泥岩、页岩为特征的黑色岩系，是延长组的主力烃源岩层和致密油勘探开发的主要攻关对象^[11-12]。近年来，有学者^[13-15]在盆地腹地长7₃钻井取芯中发现了火山喷发和热水沉积形成的产物，提出油页岩中火山物质沉积基本为薄夹层或纹层状的尘灰级凝灰岩，粉—细砂级凝灰岩相对较少且沉积厚度也以毫米级为主；热水沉积证据有黄铁矿—白铁矿—硬石膏、硅质岩、充填于早期成岩缝的自生钠长石、纹层状的微—粉晶铁白云石等^[16-17]。然而，岩芯观察存在“一孔之见”，肉眼甚至显微镜透射光识别火山碎屑岩的方法也具有局限性，因此火山碎屑岩容易被误判为“正常陆源沉积岩”^[18]，以至于长7₃在成因和沉积背景上仍然被认为是“深湖—半深湖相”所控制的陆源碎屑沉积。基于上述问题，本研究以盆地东南缘铜川地区瑶曲衣食村长7₃野外露头剖面为例，从底到顶展开无间距采样工作，识别和划分岩石类型，探究黑色岩系的成因、沉积背景及与油气的关系。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北板块西部，周边被群山环绕，其南为秦岭造山带，西南为北祁连造山带，在晚三叠世延长组时期为大型坳陷型湖泊沉积。延长组自上而下被划分为长1~长10共10个层系。长10~长7为湖盆扩张期，长6~长1油层组为湖盆收缩期，长7段沉积期为延长期湖盆发展的鼎盛阶段^[19]，其中长7₃段湖相泥页岩和凝灰岩最为发育。前人认为扬子板块向华北板块推挤加剧导致盆地周缘在晚三叠世期间发生过2次较大规模火山喷发活动，分别出现在长7₃沉积早期和长7₃沉积晚期^[20-21]，并通过测定盆地腹地长7₃钻井取芯凝灰岩的锆石LA-ICP-MS、U-Pb同位素年龄提出长7湖盆主要成型期和扬子与华北板块的碰撞期基本吻合，反映了火山喷发活动与湖相泥岩的沉积发育具有协同性^[22]。

铜川地区位于盆地东南缘，处于渭北隆起构造单元之上（图 1），赋存着丰富的油页岩资源，品位好，含油率高。研究区出露了长10~长3多个时代的地层^[23]，其中长7地层分布范围广，保存较为完整（图 1），在霸王庄、淌泥河和瑶曲镇等地均出露典型的长7₃黑色岩系。霸王庄、淌泥河剖面位于金锁关镇，整体上以风化严重的黑色油页岩为主（图 2a，b）。瑶曲野外剖面地处铜川市瑶曲镇衣食村摩天沟附近，剖面起点坐标：35°16′7.5″ N，106°51′58.2″ E，测量段厚度约为13 m，地层倾角为8°，倾向183°，岩性特征与另外两处剖面差异较大，断层不发育，油页岩层与厚层“砂体”纵向叠置。

2 陆源碎屑沉积

瑶曲衣食村剖面中油页岩无论在横向和纵向上发育规模较为显著，但是单层厚度不大，普遍不超过2 m，颜色呈灰黑色、黑色，部分经风化后变成棕黄色、铁褐色，局部可见叶薄状层理（图 2a）。剖面中上部发育多条重力流成因的厚层块状砂体，岩性以细砂岩为主，与上下覆泥页岩突变接触，为砂质碎屑流沉积，局部还可见具滑塌沉积特点的包卷构造（图 2d，e）。

3 火山碎屑沉积 3.1 火山碎屑沉积分类

盆地延长组发育的火山碎屑岩粒度一般小于2.0 mm，属于凝灰级别，根据火山碎屑含量将火山碎屑沉积的岩石类型进一步划分为凝灰岩、凝灰质沉积岩及沉凝灰岩。为了使粒度划分与陆源碎屑岩具有一致性，可将凝灰岩按照粒度直径划分为细砂级凝灰岩、粉砂级凝灰岩、尘凝灰岩。以此类推，凝灰质沉积岩和沉凝灰岩划分方案如表 1所示。

3.2 火山碎屑沉积类型及特征

瑶曲衣食村长7₃剖面凝灰岩主要呈顺层分布，厚度存在差异，极易风化成棕黄色、白色、红褐色疏松状黏土物质（图 2f，g），但是剥除风化表面发现岩石质地坚硬，用力锤击后见贝壳状断口，新鲜面颜色以灰白色、灰色和黑色为主。

3.2.1 薄层凝灰岩

无论野外露头或钻井样品，新鲜面大多可见深、浅相间的纹层，深色纹层岩石粒度细，手感光滑，白色部分表面粗糙，粒度较粗，传统认为白色纹层为凝灰岩，而黑色纹层为泥岩（图 3a，b）。对野外样品YQ-3、YQ-5进行观察，白色纹层内可见晶屑悬浮在尘凝灰岩之上，岩性为粉砂级晶屑凝灰岩；黑色纹层成分与白色纹层中极细粒沉积基质成分一致，并可见单个颗粒呈层分布，显示非正常陆源沉积特征（图 3d，e，i~k）。YQ-25样品下部的玻屑凝灰结构为粉砂级，上部趋于尘灰级，整体呈正粒序（图 3f~h）。综上所述，野外薄层凝灰岩中黑色纹层岩性实际为黑色、灰黑色尘凝灰岩，浅色纹层为灰白色、灰色粉—细砂级凝灰岩。这种正旋回的沉积构造特征在纵向上韵律式地叠加组合，反映最小尺度的旋回式火山碎屑喷发过程（图 3a）。上述薄层凝灰岩厚度不超过5 cm，横向延伸距离较短，往往与油页岩频繁互层，代表深水原地沉积（图 3c）^[24]。

3.2.2 中—厚层凝灰岩

（1）粉—细砂级凝灰岩

剖面底部发育的横向展布稳定的“块状砂体”，厚度可达1.6 m，从颜色、产状上同正常沉积砂岩相似。YQ-14样品肉眼识别为灰色含油细砂岩（图 4d），而显微镜下可观察到红褐色或黑褐色的玻屑，以及少量板条状、尖棱角状晶屑，整体粒度达到粉砂级，故将其定名为粉砂级含晶屑玻屑凝灰岩（图 4e）。YQ-10样品在肉眼观察下为浅灰色块状细砂岩，硬度较大、含油性较好（图 4f），岩石因被有机质覆盖而难以在透射光下观察矿物的结构和类型（图 4g）；而在反射光下呈鸡骨状、弓状的玻屑清晰可见（图 4h）；经鉴定，YQ-10岩性实际为细砂级玻屑凝灰岩。上述中—厚层粉—细砂级凝灰岩的发现，是对盆地火山碎屑沉积岩石类型重要的补充和对历史时期火山物质沉降规模的重新认识。

（2）尘凝灰岩

厚层尘凝灰岩可达0.5 m，例如YQ-16样品，地质锤敲击后岩石具有背壳状断口，新鲜面为黑色，外观特征与正常沉积泥岩相似，极易发生混淆（图 5a）。透射光下可观察呈棱角状、板条状等不规则玻屑分布在黏土级沉积基质中（图 5b，c）；X衍射结果表明，样品石英+钾长石含量达到70.30%，高岭石+伊蒙混层含量13.5%，另外包括10%的非晶相，成分上与黏土岩差别较大^[25]。综合上述特征，将YQ-16定名为含玻屑尘凝灰岩。

3.2.3 凝灰质沉积岩

肉眼观察YQ-22样品，识别其岩性为浅灰褐色细砂岩（图 5a），而显微镜下该样品部分（大于30%）长英质颗粒呈尖棱角状或镰刀状，具典型晶屑凝灰结构，可鉴定为晶屑凝灰质细砂岩（图 5b）。肉眼观察同层位的YQ-21样品，为质地松软的棕黄色泥质粉砂岩或粉砂质泥岩（图 5c），发育小型交错层理；而显微镜下可见粉砂级晶屑呈漂浮状分布在泥质沉积基质上（图 5d），岩性实则为晶屑凝灰质泥岩。总体来说，凝灰质沉积岩岩性在横向上非均质性较强。

3.3 火山碎屑沉积分布特征

整体上，衣食村剖面火山碎屑沉积的岩石类型丰富，在纵向和横向上展布稳定，几乎与湖相泥页岩的发育规模相当（图 6），这与盆内钻井取芯观察结果存在区别。局部观察发现：剖面底部为薄层、厚层火山玻屑交替沉积，反应该时期周期性火山喷发活跃。例如YQ-6~YQ-8层，厚层凝灰岩逐渐减薄，油页岩层厚度增大（图 2i），火山喷发的强度有逐渐减弱的趋势；剖面顶部YQ-23~YQ-25层可见与湖相泥页岩等厚互层的中层凝灰岩，厚度约20 cm（图 2h），反映强度稳定的火山喷发活动；中上部YQ-22层附近从下至上油页岩厚度不断减薄直至消失，火山碎屑沉积由薄层向厚层突变（图 2j），反映火山活动强度突然增强；剖面中部发育重力流成因的厚层砂岩和火山—沉积碎屑岩（图 6），火山碎屑含量显著较少。综上所述，瑶曲衣食村剖面火山碎屑沉积的分布与盆缘在晚三叠世长7₃沉积早、晚期发生过2次较大规模火山喷发活动的认识基本吻合。

4 热水沉积 4.1 热水沉积（岩）的分类

热水沉积也称为热液喷流沉积，指来自地球深部的气、液、固三相热液流体与海/湖盆底部沉积物发生的一系列同期（准同期）结晶、交代、充填作用及其产物的总称^[26-27]。根据形成时温度和产物颜色，热水沉积（岩）可划分为“黑烟囱型”和“白烟囱型”，主要产物类型如表 2所示。

4.2 剖面热水沉积证据 4.2.1 重晶石+非晶质SiO₂

尘凝灰岩样品中的重晶石被形态呈撕裂状的SiO₂集合体所胶结，这类不具完整晶形的SiO₂集合体与长7₃烃源岩中热液成因的硅质岩的形态、结构相似^[16]，推测是因为热液中的硅质与晶屑混杂发生了溶蚀作用和塑性变形（图 7d，e）。

4.2.2 水铵长石+黄钾铁矾+黄铁矿组合

水铵长石分子式为(NH₄, K)AlSi₃O₈或NH₄AlSi₃O₈，最早发现于美国加利福尼亚的硫矿床中。当岩石与含铵热液接触发生蚀变时，碎屑长石中的阳离子极易被与之离子半径相同的NH₄³⁺替代，进而形成以水铵长石为代表的自生含铵长石^[29-31]。电子探针背散射图像显示水铵长石沿微裂缝充填或以胶结物的形式产出（图 7a~c），其中前者形成所需的NH₄浓度远远大于后者^[32]。X衍射分析结果表明（表 3），各类岩石样品水铵长石含量高但几乎不含钾长石，这可能是钾长石受热液改造作用向水铵长石转化的缘故。资料显示，热液促使碎屑长石向水铵长石转化的同时，通常会有黄铁矿、黄钾铁矾和铵黄铁钒等伴生热液矿物的形成^[33]。酸性条件较强的情况下，黄铁矿可转化为黄钾铁矾(KFe₃[SO₄]₂(OH)₆)。如表 3所示，岩石类型中都含有黄钾铁矾，但均未发现黄铁矿，推测是黑色岩系有机质成熟释放的大规模有机酸促使了黄铁矿向黄钾铁矾的转化。

4.2.3 斜长石的钠长石化

钠长石作为热水沉积的标志性矿物在海底热液成岩成矿作用中普遍存在。覃小丽等^[34]研究认为富K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等离子的碱性热液使斜长石发生蚀变是延长组钠长石形成的主要原因。对于斜长石钠长石化的温度条件，Helmold et al.^[35]研究认为斜长石初始发生钠长石化的成岩温度约110 ℃，而斜长石完全钠长石化需要的温度约为160 ℃，最高可达300 ℃^[36]。本研究发现，剖面岩石中的斜长石的钠长石化主要表现为钠长石沿节理缝或边部交代斜长石（图 7e）。

4.3 热水沉积分布特点

瑶曲衣食村剖面未见真正意义上由热液/热水直接结晶形成的岩石，多是热液流体进入湖盆与沉积层发生不同程度的充填、胶结、交代等热液改造作用。经本研究统计，剖面纵向上多个岩石样品中（YQ-1~YQ-25）发现了不同类型、温度条件的热水沉积产物，反映黑色岩系沉积期热液流体活动频繁且具备一定规模。另外，研究区地处渭北隆起构造单元，发育的深部断裂为热液流体提供了良好的上升通道。

5 沉积背景探讨

瑶曲衣食村剖面深水原地沉积单层厚度不超过2 m，火山碎屑沉积最厚处可达1.6 m，并可见重力流成因的厚层砂体，岩层粒度以细—粗—细的方式相互叠置。相距三十几公里外的霸王庄、淌泥河剖面主体以单层厚度超过10 m的油页岩为主，火山碎屑沉积规模较小，多以凝灰岩薄夹层为主，不发育横向展布稳定的厚层砂体。基于上述特征，笔者认为瑶曲衣食村长7₃黑色岩系沉积位置处于湖盆斜坡带，位于深水与浅水控制区的“转折区”。首先，瑶曲衣食村剖面与霸王庄、淌泥河剖面不同的是几乎不见浊流沉积特点，主要为砂质碎屑流和滑塌沉积，属于典型的斜坡重力流沉积，紧邻三角洲前缘。其次，受地震、火山喷发等构造事件或气候变化的影响，斜坡带湖水深度变化较为波动，当水体较浅时有利于火山凝灰物质快速堆积形成厚层凝灰岩；而水体较深时则有利于深水原地沉积的形成，火山凝灰物质以薄层凝灰岩为主，其中一部分也能以重力流的搬运方式进入深水区，期间与湖泥或砂岩混合形成厚层的凝灰质沉积岩。相较之下，霸王庄、淌泥河剖面岩性特征整体指示典型的深湖—半深湖环境，处于深水控制区。因此，瑶曲衣食村长7₃黑色岩系下部反映浅水环境，中上部反映深水环境，处于浅湖相和深湖—半深湖相的“过渡带”，即浅湖—半深湖环境（图 8），而前人的研究也认为该环境正是油页岩发育最有利地区^[37]。

虽然火山碎屑沉积发育规模显著，但本次野外踏勘未发现如火山渣、火山弹等粒度粗大的火山沉积物，仍以凝灰岩这类成分较纯的细粒火山碎屑沉积为主，故排除近源火山喷发或水下火山活动对该地区黑色岩系的形成造成影响。除此之外，铜川地区与盆地腹地的凝灰岩地化表征具有同源性^[38]，因此晚三叠世扬子板块与华北板块碰撞引起的远源火山灰沉降事件可能仍然是剖面黑色岩系中火山碎屑沉积大规模发育的主控因素。同时，剧烈的盆缘火山活动导致扬子板块和华北板块相互挤压，秦岭洋闭合，加剧盆地内部稳定沉降，促使了湖盆剧烈的扩张，进而在一定程度上诱发湖盆底部岩浆—热液流体的活动（图 8）。

综上所述，瑶曲衣食村长7₃黑色岩系实际上是受浅湖—半深湖相沉积、重力流沉积、大规模火山凝灰物质沉积以及热液流体改造作用共同控制的产物，并非单一受深湖—半深湖相所控制发育的陆源碎屑沉积（图 8）。

6 与油气的关系 6.1 促进优质烃源岩发育

尽管火山凝灰物质所携的热量会在搬运过程中和进入湖盆时逐渐散失，然而火山物质频繁、周期性的堆积仍能使湖水温度持续性的升高，有利于湖相泥页岩中生烃母质的繁殖。前人研究发现铜川地区油页岩中P₂O₅、Fe₂O₃含量异常高^[39]，这与火山物质降落湖盆后经过水解作用提供的Fe、P等生物营养物质有关，同时对促进藻类的勃发和增加有机质丰度具有重要意义。另外，中—厚层凝灰岩与泥页岩交替发育，反映凝灰岩在短时间内大面积地覆盖泥页岩，从而对有机质起到保护作用。除此之外，黑色岩系在沉积期经历或长期处于较高温度的成岩和生烃环境，对于优质烃源岩的发育同样起到积极作用。

6.2 作为优质储集层

除了重力流成因的陆源砂体，厚层火山碎屑沉积也可成为良好的储集体。剖面中—厚层凝灰岩中的玻屑大部分发生脫玻化，残留空隙被黑色有机质和高岭石充填（图 4g，h、图 7g），因此玻屑脱玻化是凝灰岩储集体次生孔隙发育的重要控制因素。另外，长石晶屑沿内部发生溶蚀并被有机质充填，进而形成良好的晶内孔（图 7h）。前文已经介绍未风化或风化不严重的凝灰岩其实是坚硬、致密的，并非传统认为的软质、疏松的细粒物质，因此在生产上凝灰质储集层同常规砂体一样具备开采条件。

7 结论

盆地东南缘瑶曲衣食村长7₃黑色岩系中的一部分“黑色泥岩”和“粉—细砂岩”实际上分别是尘凝灰岩和粉—细砂级凝灰岩。另外，油页岩、泥岩或凝灰岩中存在热水沉积产物，以水铵长石+黄钾铁矾+黄铁矿、重晶石+非晶质SiO₂、斜长石的钠长石化等矿物组合为特征，在剖面纵向上分布范围极广。该黑色岩系并非传统认识的单一受深湖—半深湖相所控制发育的陆源碎屑沉积，实际上是受浅湖—半深湖相沉积、重力流沉积、大规模火山碎屑沉积以及热液流体的改造作用共同控制的产物。

这种特殊成因和沉积背景促使黑色岩系既可以成为优质烃源岩层，也可成为优质储集体。显然，对这类特殊黑色岩系的油气富集特征进行定量化研究，并与常规黑色岩系进行对比，将为致密油富集规律的研究提供帮助。

致谢 在论文撰写过程中受到了西安地调中心周宁超、中科院青藏高原研究所张帅、西北大学崔婷婷等在实验和理论方面的指导和帮助，在此一并感谢。