泥质岩定义及分类问题的探讨.pdf
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1、书书书 第 卷第 期 年月古地理学报 ()文章编号:():泥质岩定义及分类问题的探讨邵龙义张天畅中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 摘要泥质岩为细粒沉积岩的主要类型,但国内外对其概念及分类有多种不同的理解,这给学术研究带来诸多困扰。文中梳理了国内外沉积学发展中泥质岩相关概念和定义的变迁,并试图建立一个实用的泥质岩()分类体系。欧美国家多倾向于使用“泥质岩”一词,用于指粒径小于 的细粒陆源碎屑岩,包括粉砂岩(粉砂含量大于 )、泥岩(粉砂和黏土含量都不超过 )和黏土岩(黏土含量超过 ),其中发育纹层的岩石称为页岩;而前苏联学者则倾向于使用“黏土岩”一词,用于指黏土矿物含量大于 的沉积
2、岩,其中可劈裂成薄层的岩石称为页岩。国内外泥质岩及细粒沉积岩分类命名主要依据结构(粒级)、成分和沉积构造等特征,目前分类方案主要有 种,一种是多要素岩石综合分类方案,另一种是端元图式分类方案。笔者建议采用“泥质岩”一词作为细粒陆源沉积岩(物)的总称,指示主要由粒径 的粉砂和小于 的黏土组成的细粒陆源沉积岩;采用三棱柱图解分类方法,以碎屑矿物(主要是长英质碎屑矿物)、黏土矿物和内源矿物为三端元,划分出细粒陆源沉积岩(泥质岩)和细粒内源沉积岩 个大类,前者可进一步分为粉砂岩、泥岩和黏土岩 个亚类,若具纹层和页理构造则称为页岩;并以 含量 和 为界,将细粒陆源沉积岩划分为贫有机质、含有机质和富有机质
3、 类。期望该分类方案能够对泥质岩行业分类方案制定起到推动作用。关键词 泥质岩泥岩页岩粉砂岩黏土岩分类命名第一作者简介 邵龙义,男,年生,博士生导师,中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院教授,工学博士学位,长期从事沉积学和煤田地质学教学及研究工作。:。中图分类号:文献标志码:山西省科技计划揭榜招标项目(编号:),国家自然科学基金面上项目(编号:),中国矿业大学(北京)越崎学者 类资助共同资助。(),(),()收稿日期:改回日期:,(),“”,第 卷第 期邵龙义和张天畅:泥质岩定义及分类问题的探讨 ,(),()(),“”(),(),“”()()(),(),“”,():概述泥质岩()在全球不同
4、地质时代广泛分布,在 整 个 沉 积 岩 中 占 比 达 ,甚 至 (参考 ,),其矿物组成、地球化学特征能够反映地质历史时期沉积环境、古气候、物源区属性和元素迁移过程等信息(王剑等,;沈文超等,)。泥质岩具有特殊的物质组成及物理属性,工业用途广泛(刘宝臖,;,),且因其极低的渗透性而成为良好的油气盖层和隔水层(张人权等,)。泥质岩作为非常规油气中重要的烃源岩和储集层,油气资源量巨大,特别是近年来非常规页岩油气勘探开发的成功,更加激发了对泥质岩的研究兴趣(邹才能等,)。通过对中国知网和 数据库中的核心期刊 基金资助论文进行文献计量统计(图 ),发现最近 多年来(年)国内外泥质岩相关论文的发文量
5、呈现逐年上升趋势,主要分布在石油天然气工程、地质学、环境学等学科,主题多集中在非常规油气领域。在各种研究和文献资料中,出现了与泥质岩有关的诸多术语,中文有细粒沉积岩、泥质岩、黏(粘)土岩、泥岩、粉砂岩、泥灰岩、页岩、泥页岩等名称,英文有 ,(),(),(),等名称。这些数量众多、相互交叉的术语,给国内研究者带来了诸多困扰。泥质岩粒度细小,对其进行裸眼观察和各组分定量分析都存在一定困难,且由于对泥质岩粒级和成分的理解及研究目的各有不同,造成了现有的泥质岩分类命名方案并不统一,尤其是国内现 行 泥 质 岩 分 类 方 案(国 标 )与国外(特别是欧美国家)使用的分类方案存在较大差异。为了厘清概念、
6、便于交流,文中对国内外有关泥质岩的各种定义及分类命名方案进 行 讨 论,试 图 提 出 一 个 明 确 清 晰、系 统 科学、适应工程需要的泥质岩实用分类体系,并期 古地理学报 年 月 泥质岩相关中文论文的发文量(篇),数据源为中国知网数据库;检索条件为:篇关摘 “(页岩 泥岩 泥页岩 粉砂岩 泥灰岩 泥质岩 细粒沉积岩 粘土岩 黏土岩)”,是否基金文献“是”,数据库“总库”,时间跨度“”;检索日期为:年 月 日;检索得到 篇不重复文献。泥质岩相关英文论文的发文量(篇),数据源为 数据库;以 为例,检索条件为:,数据库类型 “核心合集(数据库)”,时间跨度 “”;检索日期为:年 月 日;检索得
7、到 篇不重复文献图 国内外泥质岩相关论文的发文量年代分布曲线(数据截至 年底)()望能够引起 读 者 对 泥 质岩 分类问 题的 关 注 与 讨论。粉砂、黏土、泥级颗粒的粒级划分碎屑颗粒的绝对大小称为粒度,以颗粒直径来计量。粒度直接决定着岩石的类型和性质,是碎屑岩分类命名的重要依据。目前国际上应用较广的主要有十进制粒级和等比值粒级 种粒度级别划分标准。十进制粒级划分标准前苏联学者多采用十进制粒级划分标准,特点是粒级基 本 按 十 进 制 排 列,一 般 选 用 、和 (或 )作为黏土、粉砂、砂和砾之间的粒度界限,插入粒级则按 或 的比例排列(克利茨基和契特维里柯夫,;卢奇茨基,)。在此基础上,
8、鲁欣和维库洛娃等建议选用 、和 作为黏土、粉砂、砂和砾之间的粒度界限,以便更符合碎屑的水动力学特性(鲁欣,)。近年来,俄罗斯学者 仍 然 遵 循 这 种 十 进 制 粒 级 划 分 标 准(,;,)。十进制粒级划分标准的优点是粒级界限简单易记、符合石油地质勘探的需要,缺点是各粒级界限不太能反映颗粒的成分及水力学性质。等比值粒级划分标准美国、英国等欧美国家学者习惯采用自然粒级分类标准,特点是粒级按等比级数关系排列。的几何级数粒级制由北美沉积学者乌登()于 年提出,温特沃思()于 年作出修改,选用 ()、()和 作为黏土、粉砂、砂和砾之间的粒度界线(参考 ,)。这种粒级划分标准的优点是将粒度与成分
9、及颗粒的水力学行为联系了起来,但小数位数较复杂,不便于统计和计算。由于自然界中机械搬运成因的碎屑粒度分布符合对 数 正 态 分 布,因 此 克 鲁 宾()于 年 对 乌 登温 特 沃 思 粒 级 制()经过对数变换得到了 标准,即 定 义 (为 直 径),选 用 ()、()和 ()作为黏土、粉砂、砂和砾之间的粒度界限。标准的优点是粒级界限均为整数,便于粒度统计计算、作图和实验室分析,因此受到广泛重视和推广,但其也存在粒度级别较多、裸眼描述困难等缺点。中国现行的沉积岩碎屑粒级划分也采用 标准(国标 )。“细粒”颗粒的粒级划分标准美国地质勘探局在 年的报告中已经使用 第 卷第 期邵龙义和张天畅:泥
10、质岩定义及分类问题的探讨“细粒()”一词来描述怀俄明州东北部上白垩统沉积岩中的粉砂黏土混合物(,),之后欧美学者有时将这些粉砂黏土混合物 笼 统 地 称 作“泥()”(,;,)。前苏联学者通常将“泥(粒)”对应于粒径介于 (或 )之间的黏土颗粒(阿弗杜辛,),或对应于粒径小于 (或 )的黏土级颗粒(鲁欣,)。在中国现行的沉积岩碎屑岩粒级划分国家标准()中,粒 径 小 于 (或 )的细粒颗粒在陆源沉积岩中对应粉砂级和泥(黏土)级碎屑,在内源沉积岩中对应粉屑级、泥屑级碎屑和粉晶、微晶、泥晶级晶粒(表 )。表 “细粒”颗粒的粒级划分标准 “”自然粒级标准 值粒级标准 陆源碎屑内源碎屑晶粒 粉砂(细碎
11、屑)粗粉砂粉屑粗粉屑粉晶 细粉砂细粉屑微晶 泥(黏土)泥屑泥晶注:据国标 综合。对泥质岩概念的认识发展过程 欧美学者对泥质岩概念的认识发展过程沉积学家对泥质岩概念的认识和定义经历了一个动态的发展过程。年,德国学者 首先提出 一词,用来表示由黏土质、石灰质或混合成分的细屑物质组成的所有岩石 泥质岩(,源于希腊语 ,对应俄文 )(参考刘宝臖,)。年,童 豪 夫(,)曾 将“”一词引申至整个泥质岩类,主要包括黏土()、粉砂()、粉砂岩()、黏土岩()、页岩()和泥板岩()等(参考 ,)。年,英格拉姆首先提出“”一词,用以定义那些粉砂和黏土含量至少为 的沉积岩,其中粉砂含量高者为粉砂质岩(),黏土含量
12、高者为黏土质岩(),并规定缺乏纹层和易裂性的块状岩石的后缀为“”,易裂开(具页理)岩石的后缀为“”(,)。也有一些地质学家支持使用术语“”一词作为所有细粒沉积岩的总称(,;,),但“”一词同时也用于指那些具有纹层的黏土质岩,这种双重含义的术语容易引起混淆(,;,)。著名沉积岩石学家佩蒂庄和福克及之后的许多学 者(,;,;,;,;,),都倾向于使用“”这一术语作为主要由小于 的颗粒组成 的 细 粒 硅 质 碎 屑 岩 的 总 称,而 将 术 语“”和“”限定为其中的次级类型使用。英文 版 沉 积 学 百 科 全 书(,)、沉积物与沉积岩百科全书(,)和 地质学与地球科学词典(,)中还使用了术语“
13、黏土岩()”作为 的同义词。前苏联及俄罗斯学者对泥质岩概念的认识发展过程对于黏土(岩)的涵义,前苏联学者也有不同的观点。普斯托瓦洛夫建议将黏土分为机械分异产物和化学分异产物 类,分别归入碎屑岩和化学岩中(,)。阿弗杜辛()限定黏土组分的粒度上限为 ,将黏土岩归入碎屑沉积岩的最细部分,并进一步细分为泥岩(由 以上的 ()的泥质颗粒组成)和胶体黏土(由 以上小于 ()的微粒质点组成)个亚类。什维 佐 夫()、鲁 欣 和 瓦 素 耶 维 奇()倾向于将黏土岩从碎屑岩中独立出来,认为决定黏土岩性质的是占优势的、新生成的、主要是胶体成因的黏土矿物,并将黏土(岩)定义为一种由 以上的黏土矿物及其他细小颗粒
14、(小于 ,至少小于 或 )组成的岩石。黏土经压实固结后形成黏土岩,进一步强烈压实后形成泥岩、泥板岩,甚至向板岩、千枚岩等变质岩转变。页岩是黏土岩中受压后易劈裂成薄层的 一 种 类 型(克 利 茨 基 和 契 特 维 里 柯 夫,)。俄罗斯现行的教科书在沉积岩分类时倾向于将泥质岩归入碎屑岩类,概念理解上则沿袭了前苏联 古地理学报 年 月学者 的 观 点(,;,)。中国学者对泥质岩的认识发展过程中国的 沉 积 岩 石 学 研 究 起 步 较 晚。世 纪 年代,受前苏联学者“黏土岩与碎屑岩和(生物)化学岩三者并列”观点的影响,国内教科书中将黏土岩类作为介于碎屑岩与(生物)化学岩之间的过渡类型单独列出
15、,定义黏土岩为一种主要由黏土级颗粒组成的、含大量黏土矿物的、疏松状或固结的岩石(北京石油学院矿物岩石教研室,;成都地质学院岩石教研室,)。世纪 年代,国标()及相关的教科书(曾允孚和夏文杰,)将陆源沉积岩划分为陆源碎屑岩和泥质岩(黏土质岩)个亚类,定义泥质岩为一种主要由黏土矿物(含量 )组成的沉积岩石,按有无纹层、页理构造分 为 泥 岩(黏 土 岩)和 页 岩(黏 土 页岩)。也有教科书考虑到沉积物源和沉积形成机理,认为泥质岩属于陆源碎屑岩的最细部分(刘宝 臖,;华 东 石 油 学 院,;张 鹏 飞,;冯增昭,)。目前,国内教科书中对黏土岩的定义与前人泥质岩的定义基本相当(何幼斌和王广文,;林
16、春明,;朱筱敏,)。值得注意的是,于炳松和梅冥相()定义泥(泥屑)为黏土级和粉砂级物质的混合物,使用泥岩作为此类岩石的总称;金振奎等()定义“泥”为粒径小于 、主要是黏土矿物的碎屑物质,定义泥岩为“泥”含量不小于 的沉积岩。近年来,细粒沉积岩理论方法在指导非常规油气勘探工作中取得了显著成效(朱如凯等,;邹才能等,),越来越多的学者倾向于直接用“细粒沉积岩()”一词代表那些由粒径小于 的颗粒组成的细粒沉积 岩(郭 英 海 等,;姜 在 兴 和 陈 代 钊,),其主要成分包含黏土矿物、粉砂、碳酸盐矿物、有机质、盐类矿物和凝灰质等。需要注意的是,这里的“细粒沉积岩”既包含粉砂岩和黏土岩等细粒的陆源沉
17、积岩,也包括灰泥石灰岩等细粒的 内 源 沉 积 岩、细 凝 灰 岩(碎 屑 粒 径 小 于 )等细粒的火山热液来源沉积岩及细粒的混合来源沉积岩。各类术语定义的对比和常见术语小结如前所述,中国学者与欧美学者和前苏联学者对泥质岩概念的理解存在明显区别:一是在粒级划分上,欧美 学 者 一 般 将“泥”界 定 为 粒 径 小 于 的粉砂黏土混合物,前苏联学者界定“泥”对 应 于 粒 径 介 于 (或 )之间的粗黏土颗粒、或对应于粒径小于 (或 )的黏土级颗粒,中国学者习惯将“泥”界定为小于 的黏土级颗粒;二是在组分结构上,欧美学者习惯使用粉砂和黏土的相对含量为 或 为界限划分粉砂岩、泥岩和黏土岩,前苏
18、联及俄罗斯学者以含量超过 为标志划分岩石类型,中国学者也是采用 为界限来划分岩石类型;三是在沉积岩分类上,欧美学者习惯将砾岩(和角砾岩)、砂岩、泥质岩共同归属于 陆 源 碎 屑 岩 的 范 畴,而 中 国 国 家 标 准()则将泥质岩与陆源碎屑岩并列归属于陆源沉积岩。国内文献中见到的“泥页岩”一词大多是笼统地包括了泥岩和页岩。笔者建议使用“泥质岩”一词作为所有细粒陆源沉积岩的总称。在与国外专家交流或者在国际期刊发表论文时,需要明确说明自己所使用的“泥质岩”等相关术语的涵义。表 总结了国内外泥质岩研究中的常用术语及其涵义。泥质岩及细粒沉积岩分类命名问题及讨论基于岩石的结构(粒级)、成分和构造等特
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