泥岩都是在低能环境下沉积吗？

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刘群

本文第一作者系南京大学博士后

泥，指的是粒径<63μm的沉积颗粒，占据了大于70%的陆上到海洋的碎屑输入物。泥岩指的是主要由泥级大小的沉积颗粒组成的岩石(图1)。泥岩中富含了矿产和石油，具有很大的经济价值。泥岩的研究多集中在利用泥岩中的主微量元素等各种地球化学指标来恢复古环境、以及通过扫描电镜等手段来观察黏土矿物的形态等方面，而关于泥岩的沉积结构和沉积动力学工作寥寥无几。传统的观点认为泥岩是由絮凝状泥或有机质矿物集合体悬浮沉降而成，将其简单等同于低能环境。这一认识的产生主要是由于：

1）泥岩的粒度极细，在野外肉眼几乎不可能观察到其沉积结构，在显微镜下的很多沉积结构由于微小也容易被忽视，因此将其看作为简单的纹层结构；

2）泥岩的絮凝作用强，传统的实验装置会破坏絮凝作用形成的絮团，无法很好的实现泥岩水动力学的实验结果。

随着美国学者Schieber等（2007）的泥岩水槽实验室的建成，通过实验得到了泥岩沉积时的速度等指标，并发现了泥岩沉积形成的沉积构造，如微型交错层理、透镜状层理等，认为泥岩可以在相当高流速（比如25cm/s）的环境中沉降（可以沉降砂子的速度）；另外，大陆架上泥岩的岩石显微结构表现出了大量的三元正粒序结构，指示其波浪支撑沉积物重力流的成因；这与以往的传统的泥岩形成于低能环境的观点大相径庭，自此跨入了研究泥岩沉积动力学的新时代。

图1 (左图)油页岩的野外露头照片（Kimmeridge 油页岩，英国，图片来自 university of Southampton）; （右图）泥岩的常见显微镜下照片，单偏光，×40，鄂尔多斯长7页岩照片

泥岩中的微型交错层理—絮凝状波纹的迁移

泥岩颗粒显著不同于砂岩颗粒的一个特征是，它具有很强的粘滞力，在水中悬浮颗粒通常集聚在一起变大形成“絮团”(Flocs)。Schieber等（2007）进行了沉积物的浓度、流速和絮凝状黏土形态观测的实验。研究发现，絮凝状黏土在非常低的浓度下就可以形成，在较高流速时，絮凝状黏土会呈带状(streamer)在临界层(boundary layer)流动，随着流速降低，会沉降一部分泥，达到一个新的平衡（图2和图3）。但是在20cm/s至25cm/s时，絮凝状的泥开始聚集形成波纹，也即絮凝状波纹（Floccule ripples），最终所有的泥质沉积物会随着波纹的迁移，以底载荷的形式沉降下来（图2和图3）。这个速度临界值与沉积物的浓度有关，浓度越大，速度的临界值越大。

图2 泥岩沉积与流体速度、悬浮沉积物浓度的关系（Schieber et al., 2007）

图3 （A）拍摄到的带状的絮团；（B）絮凝状的波纹及带状的絮团；（C）多个絮凝状的波纹开始汇聚；水流的方向为图片的由上至下；（D）单个的新月形沙丘状波纹；(E) 絮凝状黏土在波纹上的移动（黑色箭头指示）。引自Schieber et al., 2007

这一实验结果给古代泥岩中存在的微型交错层理提供了强有力的成因解释（图3）。因此，这些微型交错层理的成因很有可能与这些絮凝状波纹的迁移有关。絮凝状波纹中的水分含量高达80%以上，在压实之后，水分排出。因此，在古代岩石中，波纹的波峰很小（毫米级），需要通过仔细的观察才能揭示。

图4 (A) 来自泥盆纪Indiana New Albany Shale 的岩心资料。初步观察，由平行层理组成，亮色的条带粉砂含量更高；（B）另一块岩心资料紧挨着图A岩心，该岩心显示了明显的交错层理；（C）对B中可见的粉砂岩条带的素描。现今的波纹振幅有3 mm, 可以推测其原先的振幅可能有20 mm (假设含水量为85%)，与实验的结果一致（Schieber，2011）。

透镜状组构泥岩—泥岩撕裂屑的再搬运沉积

透镜状组构泥岩在不同的地质历史时期广为出现，但是对其成因和古环境的解释非常有限，往往推测为粪球粒或者大量的生物潜穴压实所致（图5，Schieber et al., 2010）。但通过泥岩水槽实验发现，原先沉积在相对浅水区的含水的软泥（soft-soupy mud）可以被侵蚀，之后形成毫米级或厘米级的撕裂屑（rip-up clast），它们会以底覆载荷（bedload transport）的形式搬运数十千米后沉积下来，经过压实形成透镜状组构泥岩（图6, Schieber et al., 2010）。这种侵蚀-再搬运成因的透镜状组构，相比于粪球粒压实成因，具有两端变薄及尖灭（pinch put）的特征（图5）。因此，该成因透镜状组构泥岩反映了洋流或者湖流等的再搬运过程，也指示了该泥岩并非在低能环境中形成。

图5 泥岩中透镜状组构实例，照片来自于元古代 Rampur 泥岩（Schieber et al., 2010），部分泥岩透镜体为清晰可见的压实碎屑（白色箭头所指）。

图6 透镜状组构泥岩形成模式图（上）和实验结果及岩石薄片图（下）（Schieber et al., 2010）。

三元结构正粒序泥岩—波浪支撑的沉积物重力流成因

近年来，以Joe H.S. Macquaker为代表的学者发现，波浪支撑的沉积物重力流即使在坡度很缓的大陆架上也能搬运相当数量的泥质流体，是大陆架泥岩搬运的一种重要方式。与传统的沉积物重力流通过重力引发的湍流使得沉积物悬浮不一样，波浪支撑的沉积物重力流 （wave-enhanced sediment gravity flow）通过表面重力波的轨道运动来使得沉积物处于悬浮状态。波浪增强的沉积物重力流通常形成三元正粒序结构泥岩：（A）侵蚀的底部，发育微型交错层理的富粉砂层；（B）向上变细的粉砂和泥的交互层；（C）泥质沉积，通常可见生物扰动。

图7 泥岩的微观图片展示从下至上的三元结构，正粒序：A为粉砂大小的泥岩集合体，发育微弱的交错层理，底部常见侵蚀面；B为泥岩和粉砂的交互层，向上逐渐变细；C为泥岩盖层，通常可见生物扰动。：岩心来自Cleveland Ironstone Formation (UK).

总之，泥岩的沉积远远不是低能环境这么简单，而是形成于多种背景，多种成因。通过泥岩多样的沉积构造，可以反演出泥岩沉积的水动力环境，因此沉积构造的正确解读对于恢复古环境、古水深等尤为重要。

本文第一作者系南京大学博士后。本文属作者理解，相关问题交流可通过邮箱Qunliu2019@hotmail.com与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。

主要参考文献

【1】Macquaker, J. H., Bentley, S. J., & Bohacs, K. M. (2010). Wave-enhanced sediment-gravity flows and mud dispersal across continental shelves: Reappraising sediment transport processes operating in ancient mudstone successions. Geology, 38(10), 947-950.

【2】Schieber, J., Southard, J., & Thaisen, K. (2007). Accretion of mudstone beds from migrating floccule ripples. Science, 318(5857), 1760-1763.

【3】Schieber, J., & Southard, J. B. (2009). Bedload transport of mud by floccule ripples—Direct observation of ripple migration processes and their implications. Geology, 37(6), 483-486.

【4】Schieber, J., Southard, J. B., & Schimmelmann, A. (2010). Lenticular shale fabrics resulting from intermittent erosion of water-rich muds—interpreting the rock record in the light of recent flume experiments. Journal of Sedimentary Research, 80(1), 119-128.

【5】Schieber, J. (2011). Reverse engineering mother nature—shale sedimentology from an experimental perspective. Sedimentary Geology, 238(1-2), 1-22.

图文：刘群

内容编辑：李一凡 薛伟伟

校稿：温定军

美编：李宇琦