泥頁(yè)巖沉積物理模擬研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

盧斌，邱振，周川閩，董大忠，梁萍萍

1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083

2.國(guó)家能源頁(yè)巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，河北廊坊 065007

0 引言

細(xì)粒沉積巖通常指粒徑小于62.5μm的黏土礦物、碳酸鹽礦物、長(zhǎng)英質(zhì)礦物及其他自生礦物等組成的沉積巖[1]，俗稱頁(yè)巖或泥巖，是地球上最豐富的沉積巖石類(lèi)型，記錄著大量的地質(zhì)信息[2-3]。泥頁(yè)巖是有機(jī)物埋藏、全球碳循環(huán)、地下水資源和廢棄物水力隔離的關(guān)鍵因素，同時(shí)也是油氣、礦產(chǎn)和金屬等資源的重要來(lái)源[4]。泥頁(yè)巖約占沉積巖的三分之二[3]，其成分主要來(lái)源于盆地內(nèi)生物成因礦物和自生礦物，以及陸源物質(zhì)的風(fēng)化和侵蝕，并通過(guò)流域運(yùn)輸?shù)窖笈杌蚝柚小Ｓ捎陴ね梁枯^高、顆粒細(xì)、易風(fēng)化，在一般觀察者看來(lái)，它們往往是均質(zhì)的。前人利用礦物學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)等手段，對(duì)泥頁(yè)巖的沉積構(gòu)造、礦物特征、元素組成、沉積環(huán)境等開(kāi)展了大量工作。盡管如此，與其他類(lèi)型的沉積巖相比，人們對(duì)它們的了解較少。

早在17世紀(jì)中葉，Hoosen就提出了泥巖這一概念，但直到1853年，沉積學(xué)之父Sorby才首次利用薄片研究了泥巖的微觀特征。Sorby[5]曾提到：“許多人可能認(rèn)為，細(xì)粒泥巖沉積和固結(jié)是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的過(guò)程，因此對(duì)其研究毫無(wú)意義。然而，當(dāng)仔細(xì)研究該過(guò)程時(shí)，很快會(huì)發(fā)現(xiàn)它十分復(fù)雜，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果受很多因素影響，以至于很多人最后都放棄了?！?/p>

沉積物理模擬始于十九世紀(jì)末，主要通過(guò)調(diào)控水動(dòng)力、物源供應(yīng)、水體性質(zhì)等參數(shù)來(lái)模擬沉積物的形成過(guò)程，是研究沉積組構(gòu)、構(gòu)造等形成機(jī)理的有效手段之一。近年來(lái)，細(xì)粒沉積學(xué)發(fā)展迅速，國(guó)外已有學(xué)者對(duì)底形特征、沉積過(guò)程、沉積構(gòu)造、動(dòng)力學(xué)機(jī)理等開(kāi)展了一系列研究，并取得了一定進(jìn)展。例如：通常認(rèn)為泥頁(yè)巖主要形成于安靜的沉積環(huán)境中，即只有在間歇性出現(xiàn)的弱水動(dòng)力期才會(huì)沉積[3]。然而，水槽實(shí)驗(yàn)表明，泥質(zhì)可以在足以搬運(yùn)和沉積砂質(zhì)的流速下沉積[6]。該觀點(diǎn)完全顛覆了人們對(duì)泥頁(yè)巖沉積的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了沉積學(xué)發(fā)展。目前，雖然國(guó)內(nèi)也建立了相關(guān)沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)室，但只是針對(duì)粗粒沉積巖開(kāi)展模擬研究，而對(duì)于細(xì)粒沉積巖（泥頁(yè)巖）物理模擬尚屬空白。

本文通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外泥頁(yè)巖沉積物理模擬研究進(jìn)展，總結(jié)沉積物理模擬技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，展望泥頁(yè)巖沉積模擬研究發(fā)展方向和趨勢(shì)，以期推動(dòng)國(guó)內(nèi)泥頁(yè)巖沉積物理模擬研究。同時(shí)，泥頁(yè)巖沉積物理模擬也是非常規(guī)油氣沉積學(xué)研究的重要技術(shù)之一[7]，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，可從機(jī)理上探討泥頁(yè)巖層系中優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育過(guò)程，精細(xì)刻畫(huà)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布，助力頁(yè)巖油氣高效勘探開(kāi)發(fā)。此外，隨著以頁(yè)巖油氣為代表的非常規(guī)油氣資源工業(yè)的快速發(fā)展，非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)逐步建立，迫切需要?jiǎng)?chuàng)新構(gòu)建非常規(guī)油氣沉積學(xué)理論，以此豐富和完善非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)，從而促進(jìn)非常規(guī)油氣的勘探開(kāi)發(fā)[7]。

1 沉積物理模擬研究現(xiàn)狀

沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)研究主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段為19世紀(jì)末至20世紀(jì)中葉，是以現(xiàn)象觀察描述為主要研究?jī)?nèi)容的初級(jí)階段；第二階段為20世紀(jì)60年代至80年代，是以沉積構(gòu)造和形成機(jī)理為研究重點(diǎn)的中期階段；第三階段為20世紀(jì)80年代以后，是以砂體形成過(guò)程和演化規(guī)律定量研究及大型盆地模擬為主的發(fā)展階段[8-9]?？傮w來(lái)看，沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)規(guī)模由小變大，實(shí)驗(yàn)過(guò)程及裝置由簡(jiǎn)單變復(fù)雜，研究?jī)?nèi)容由單一變豐富，研究深度由定性向定量轉(zhuǎn)變。

1.1 國(guó)內(nèi)外沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)展現(xiàn)狀

專業(yè)的沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)室是開(kāi)展沉積物理模擬研究的主體和平臺(tái)，其先進(jìn)程度直接影響實(shí)驗(yàn)過(guò)程的觀察、數(shù)據(jù)的采集及結(jié)果的分析。隨著科技的發(fā)展與研究的深入，國(guó)內(nèi)外沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)室從簡(jiǎn)陋走向先進(jìn)，所使用儀器從簡(jiǎn)單走向精密，從手動(dòng)走向智能。國(guó)內(nèi)外一些高校和科研院所組建了專業(yè)的沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)室并投入大量師資，對(duì)民生工程的建設(shè)、管理和維護(hù)，以及流體動(dòng)力學(xué)、沉積學(xué)、海洋學(xué)等發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。

從19世紀(jì)末期開(kāi)始，國(guó)外沉積物理模擬研究發(fā)展迅速，Deacon[10]于1894年在一個(gè)玻璃水槽中觀察發(fā)現(xiàn)了砂質(zhì)波紋，Gilbert et al.[11]于1914年首次開(kāi)展了不同粒度沉積物在不同水動(dòng)力條件下的水槽實(shí)驗(yàn)。隨后，一大批高校及科研院所相繼成立沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)室，如美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)土木和環(huán)境工程學(xué)院的水力學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室和沉積學(xué)實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)地形沉積物運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)明尼蘇達(dá)州大學(xué)圣安東尼瀑布實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)工程研究中心的大型流水地貌實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)印第安納大學(xué)頁(yè)巖研究實(shí)驗(yàn)室、荷蘭代爾夫特水力研究所Delft模擬實(shí)驗(yàn)室、荷蘭烏特列支大學(xué)地球物理實(shí)驗(yàn)室、加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)水槽實(shí)驗(yàn)室、新西蘭奧克蘭大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的水力學(xué)、水文和冰川學(xué)實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)班戈大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)利茲大學(xué)Sorby環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、日本筑波大學(xué)陸地環(huán)境研究中心等。其中，美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)是較早開(kāi)展沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)的高校之一，其研究?jī)?nèi)容包括河流力學(xué)、風(fēng)化與沉積、沉積物搬運(yùn)、水力學(xué)、河流地貌、物理模擬與數(shù)值模擬等，著名的水力學(xué)專家Simons即是該學(xué)院博士畢業(yè)生，其關(guān)于河床底形的研究影響深遠(yuǎn)[12]。

20世紀(jì)中葉以前，我國(guó)沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)水利水電相關(guān)等領(lǐng)域的民生工程，包括河道演變、航道、港口工程等大型水利水電工程，主要研究泥沙的侵蝕和淤積，而以沉積組構(gòu)和巖相展布預(yù)測(cè)為目的沉積物理模擬研究發(fā)展緩慢。清華大學(xué)水利水電工程系和黃河水利科學(xué)研究院是工程類(lèi)沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)室的杰出代表。清華大學(xué)水利水電工程系在泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)、河床演變學(xué)、河口海岸動(dòng)力學(xué)、高含沙水流、泥石流、固體物料管道輸送等方面實(shí)力雄厚。該系以錢(qián)寧先生為代表的專家對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)做出了杰出的貢獻(xiàn)，其出版的《泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)》是優(yōu)秀的泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)專著[13]。黃河水利科學(xué)研究院是水利部所屬以河流泥沙研究為中心的多學(xué)科、綜合性水利科學(xué)研究機(jī)構(gòu)，河流泥沙、水土保持和水利管理是其主要優(yōu)勢(shì)學(xué)科。隨后，陸續(xù)有高校和院所組建以沉積物巖相展布與預(yù)測(cè)為目的實(shí)驗(yàn)室，如20世紀(jì)70年代末長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院建立了的沉積學(xué)模擬研究實(shí)驗(yàn)室，80年代中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究建立的沉積學(xué)模擬研究實(shí)驗(yàn)室，目前長(zhǎng)江大學(xué)CNPC沉積模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣勘探實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心水槽實(shí)驗(yàn)室是此類(lèi)實(shí)驗(yàn)室的代表。其中，長(zhǎng)江大學(xué)沉積模擬實(shí)驗(yàn)室將沉積模擬應(yīng)用于儲(chǔ)層和油藏非均質(zhì)性描述等方面，在河流、大型淺水三角洲、扇三角洲、砂質(zhì)碎屑流等方面已取得重要地質(zhì)認(rèn)識(shí)[14-15]，為油氣勘探作出積極貢獻(xiàn)。此外，中國(guó)科學(xué)院流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、南京水利科學(xué)研究院、四川大學(xué)、浙江大學(xué)等院校均設(shè)置有與水力學(xué)或泥沙運(yùn)動(dòng)相關(guān)的學(xué)科，各自從不同角度開(kāi)展了大量沉積物理模擬研究。

1.2 國(guó)外沉積物理模擬研究現(xiàn)狀

國(guó)外沉積物理模擬形式十分豐富，除了粗粒沉積模擬之外，還開(kāi)展細(xì)粒沉積模擬研究[16]，在流體的流變學(xué)和水動(dòng)力屬性、沉積底形、沉積產(chǎn)物及地貌景觀等方面已取得重要進(jìn)展。在流體的流變學(xué)和水動(dòng)力屬性方面，Baas et al.[17]通過(guò)水槽模擬實(shí)驗(yàn)研究提出，隨著黏土濃度的增加，流體將經(jīng)歷湍流、湍流增強(qiáng)的過(guò)渡流、下過(guò)渡流、上過(guò)渡流和準(zhǔn)層流五個(gè)流變學(xué)演化階段；Baker et al.[18]利用物理模擬技術(shù)，對(duì)比了不同粒徑的硅質(zhì)粉末、弱粘性高嶺土和強(qiáng)粘性膨潤(rùn)土在不同懸浮物濃度下的流動(dòng)特征、水頭速度、流動(dòng)距離和沉積體幾何形態(tài)；Ho et al.[19]基于物理模擬實(shí)驗(yàn)研究提出，濁流中的多脈沖流會(huì)發(fā)生合并；Mohrig et al.[20]模擬了海底泥石流和滑坡形成濁流的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程；一些學(xué)者還通過(guò)利用物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究水下泥石流動(dòng)力學(xué)機(jī)理和沉積形態(tài)，闡明了屈服強(qiáng)度和誘導(dǎo)流動(dòng)的剪應(yīng)力之間的差異與泥石流動(dòng)力學(xué)特征和沉積形態(tài)的關(guān)系，當(dāng)兩者之間差異較小時(shí)，泥石流體積小且移動(dòng)速度緩慢，當(dāng)兩者之間差異較大時(shí)，泥石流體積大且移動(dòng)速度快和距離遠(yuǎn)[20-23]。在沉積底形方面，Baas[24-25]利用物理模擬實(shí)驗(yàn)研究了水流中細(xì)砂沙紋的形成和形態(tài)特征，主要經(jīng)歷初期沙紋、直—彎沙紋、非平衡舌狀沙紋、平衡舌狀沙紋四個(gè)發(fā)展階段；Schindler et al.[26]通過(guò)水槽模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黏土產(chǎn)生的物理粘聚力降低了床面沙紋的高度、長(zhǎng)度和陡度，不同的床面形態(tài)對(duì)應(yīng)不同黏土含量；Malarkey et al.[27]通過(guò)水槽模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物粘聚力在沉積底形發(fā)育中具有不可忽視的作用，提出在沉積物中普遍分布的低含量胞外聚合物（EPS）是控制沉積底形發(fā)育的關(guān)鍵；Parsons et al.[28]開(kāi)展了物理和生物粘聚力對(duì)比水槽模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩者對(duì)床面發(fā)育均有極大影響。在沉積產(chǎn)物方面，Mooneyham et al.[29]利用水槽實(shí)驗(yàn)定量描述了黏土懸浮物與礫石床面之間的作用關(guān)系，認(rèn)為黏土的沉積速度主要受床面的孔隙度所控制；Baas et al.[30-31]通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)粘性濁流能夠進(jìn)入粘性軟泥基質(zhì)而不發(fā)生變形，且表現(xiàn)出獨(dú)特的沉積結(jié)構(gòu)；Schieber et al.[6]根據(jù)水槽實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，泥質(zhì)可以在一定的流速下搬運(yùn)和沉積，并非全部沉積于弱水動(dòng)力的靜水環(huán)境。在地貌景觀方面，Miramontes et al.[32]水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn)，一定速度的等深流可以改變濁流的方向，從而影響河道和河堤的形態(tài)；Ferreira et al.[33]利用水槽模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了河流拓寬是恢復(fù)原有地貌形態(tài)，減少洪水災(zāi)害，改善生態(tài)環(huán)境的有效措施。

1.3 國(guó)內(nèi)沉積物理模擬研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)沉積物理模擬主要集中在工程和沉積地質(zhì)兩方面。工程方面主要是為了解決防洪、水庫(kù)淤積、灌溉渠淤積、港灣河口淤積、風(fēng)沙治理、固體顆粒管路輸送等問(wèn)題，泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)是其研究重點(diǎn)。以錢(qián)寧為代表的一大批專家在泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究方面做出了卓越的貢獻(xiàn)[16]，其專著《泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)》[13]對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)我國(guó)學(xué)者的成果認(rèn)識(shí)作了詳細(xì)的介紹，本文不展開(kāi)敘述。沉積地質(zhì)主要研究河流、沖積扇、扇三角洲、三角洲、河口壩、灘壩、重力流等常見(jiàn)的粗粒沉積，而對(duì)細(xì)粒沉積研究甚少。例如：馮文杰等[34]利用水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)，研究了逆斷層正牽引構(gòu)造對(duì)沖積扇形成過(guò)程與沉積構(gòu)型的控制作用；程立華等[35]進(jìn)行了斷陷盆地陡坡帶扇三角洲模擬及沉積動(dòng)力學(xué)分析，總結(jié)了扇三角洲平原、前緣斜坡和前扇三角洲3個(gè)亞相沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)制；鄢繼華等[36]利用水槽模擬實(shí)驗(yàn)分析了湖平面變化對(duì)扇三角洲發(fā)育的影響；劉忠保等[37]利用水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)M了湖泊三角洲砂體的形成及演變；劉銳娥等[38]通過(guò)設(shè)計(jì)“洪水成因型”辮狀河三角洲水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)，研究了鄂爾多斯盆地二疊系“洪水成因型”辮狀河三角洲沉積模式；朱永進(jìn)等[39]、尹太舉等[40]對(duì)疊覆式三角洲沉積過(guò)程開(kāi)展了水槽模擬研究；石富倫等[41]通過(guò)水槽模擬實(shí)驗(yàn)分析了河口壩成因主控因素，提出了河口壩發(fā)育主要受底形坡度、物源供給、流量大小、構(gòu)造沉降及沉積水深等五個(gè)主要因素控制；楊華等[42]對(duì)鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)7段致密砂體重力流沉積開(kāi)展了模擬實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)了影響重力流沉積砂體形成及其演化的主要控制因素。

2 泥頁(yè)巖沉積物理模擬研究進(jìn)展

泥頁(yè)巖沉積物理模擬研究以美國(guó)印第安納大學(xué)頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)室Juergen Schieber教授團(tuán)隊(duì)為代表（圖1），該團(tuán)隊(duì)利用水槽實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)泥頁(yè)巖沉積過(guò)程開(kāi)展了詳細(xì)研究，獲得了大量創(chuàng)新性研究成果，提出了泥頁(yè)巖可在一定水動(dòng)力條件下通過(guò)底流搬運(yùn)作用沉積形成，并非完全沉積于間歇性弱水動(dòng)力的靜水環(huán)境[6]。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)細(xì)粒沉積物以絮狀波紋的形式在床面上移動(dòng)，沉積后可形成泥頁(yè)巖，并且還研究了泥頁(yè)巖中砂質(zhì)紋層、透鏡狀紋層和細(xì)粒碳酸鹽巖的沉積機(jī)理等。

圖1 美國(guó)印第安納大學(xué)頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)室Fig.1 The shale laboratory at Indiana University,United States

2.1 泥頁(yè)巖沉積機(jī)理

泥頁(yè)巖沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)研究表明，黏土在水流中易形成絮凝體，該絮凝體在底流搬運(yùn)作用下會(huì)沿床面移動(dòng)，絮凝作用主要受流體中的沉積物濃度和湍流強(qiáng)度等控制，隨著時(shí)間推移，絮凝體將不斷增大，直至達(dá)到與流速相平衡[6]。

通過(guò)模擬不同黏土材料（高嶺石、蒙脫石和湖泥）、不同流速、不同沉積物濃度和不同水體（蒸餾水、淡水（自來(lái)水）和鹽水）條件下黏土的沉積過(guò)程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流速介于10～26 cm/s之間時(shí)，黏土以絮狀波紋的形式在水槽底部移動(dòng)，移動(dòng)的絮狀波紋可在黏土床面上聚集，從而形成波紋狀泥床，絮狀波紋形成的臨界速度為20～25 cm/s（圖2）。沉積物組成、濃度和水體鹽度對(duì)絮狀波紋的形成影響較小。觀察發(fā)現(xiàn)，水槽底部波紋波長(zhǎng)超過(guò)3 cm，在下游方向波紋間距30～40 cm，由低角度、沿下游傾斜的交錯(cuò)紋層構(gòu)成。該波紋表現(xiàn)出“脊溝”特征，呈現(xiàn)出“凹凸不平”的表面形態(tài)，當(dāng)樣品完全被壓實(shí)，絮狀波紋就會(huì)呈現(xiàn)出平行層理特征。因此，該研究團(tuán)隊(duì)提出了黏土可在一定的水動(dòng)力條件下以絮狀波紋形式在床面上移動(dòng)，并最終沉積形成泥頁(yè)巖，而并非全部沉積于間歇性弱水動(dòng)力的靜水環(huán)境[6]。

圖2 水流速度、懸浮物濃度和波紋形態(tài)關(guān)系圖[6]Fig.2 Diagrams of flow velocity,suspended sediment concentration,and ripple appearance[6]

并且，Schieber et al.[43]對(duì)絮狀波紋的形成和動(dòng)力學(xué)機(jī)制也開(kāi)展了研究，發(fā)現(xiàn)波紋背流面為湍流和渦流混合區(qū)域，背流側(cè)沉積物堆積不均勻，呈朵體狀分布，且沉積朵體中伴生有沉積云。當(dāng)流速較低（15～20 cm/s，水深5 cm）時(shí)，泥質(zhì)波紋通過(guò)朵體向前擴(kuò)展；當(dāng)流速較高時(shí)（20～30 cm/s，水深5 cm），這些朵體變寬，并覆蓋了更多的背流面斜坡（圖3）。此外，泥質(zhì)波紋與砂質(zhì)波紋相似，也會(huì)發(fā)生崩塌[40]。沙紋的崩塌間歇發(fā)生，受沉積物的注入控制，會(huì)形成狹窄的舌狀體，并沿著前積層表面不斷向下游移動(dòng)。與此類(lèi)似，由于沉積物的不斷增加，波紋通過(guò)崩塌作用也會(huì)不斷向前推進(jìn)，整個(gè)沉積表面呈連續(xù)不規(guī)則形態(tài)。大量的層狀絮凝物在邊界層表面移動(dòng)，且在波峰上聚集，一旦堆積了足夠的沉積物，就會(huì)從背流面崩塌下來(lái)。背流面堆積的泥沙以多個(gè)重疊的朵體形式出現(xiàn)，隨著時(shí)間推移，形成復(fù)合前積層，重力驅(qū)動(dòng)的沉積物在朵體坡腳處展開(kāi)，形成圓形的葉狀。

圖3 波紋形成機(jī)理模式圖與實(shí)驗(yàn)照片[43（]CP：交匯點(diǎn)；BP：分離點(diǎn)；BLS：邊界層條紋；SL：背流側(cè)朵體沉積物）Fig.3 Summary of flow patterns across floccule ripples as inferred from geometry and video observations(CP:crestpoint;BP:brinkpoint;BLS:boundary?layer streak;SL:sediment lobe)

研究還發(fā)現(xiàn)，低密度非內(nèi)聚顆粒、高密度非內(nèi)聚顆粒（石英顆粒）和低密度內(nèi)聚顆粒（絮凝體）在相同流動(dòng)條件下都會(huì)形成相似的波紋[44]。分析表明，在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，絮凝體之間存在粘聚力，而當(dāng)絮凝體發(fā)生移動(dòng)后，絮凝體之間的粘聚力將會(huì)消失。因此，盡管泥質(zhì)成分具有粘性和絮凝性，但粘性顆粒構(gòu)成的絮凝體在搬運(yùn)過(guò)程中表現(xiàn)出非粘性。沉積物中波紋的形成與顆粒大小、密度和流速有關(guān)，可反映沉積物搬運(yùn)、沉積底形和流體動(dòng)力之間的復(fù)雜作用過(guò)程。

2.2 砂質(zhì)紋層沉積機(jī)理

石英粉砂和黏土混合物水槽模擬表明，在底流搬運(yùn)過(guò)程中沉積物發(fā)生了分選現(xiàn)象，形成了由粗粉砂構(gòu)成的沙紋和由黏土絮凝體構(gòu)成的泥紋，兩種波紋同時(shí)在水槽底部移動(dòng)[45]。在較低沉積速率下，單個(gè)波紋將在水槽底部留下一層薄薄的沉積物，隨著時(shí)間的推移，將會(huì)形成一個(gè)隨機(jī)分布的由黏土和粗粉砂層構(gòu)成的泥床（圖4）。粉砂層和黏土層之間的粉砂顆粒分布相似，因此，頁(yè)巖中交替出現(xiàn)的泥質(zhì)和富含粉砂的薄層并非平靜間歇帶和交替流的標(biāo)志，而是水流攜帶的沉積物在底流搬運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)沉積物分選的結(jié)果[45]。

圖4 石英砂與黏土混合水槽實(shí)驗(yàn)沉積物SEM圖像Fig.4 Scanning electron microscope(SEM)images of flume sediment deposited during an experiment with mixed silt?mud beds

研究還發(fā)現(xiàn)，較大粒徑粉砂在水流搬運(yùn)中可能會(huì)被卷入絮凝體[45]。一旦進(jìn)入底流搬運(yùn)階段，這些絮凝體將會(huì)發(fā)生翻滾而破壞，從而導(dǎo)致絮凝體解體并釋放出大量的粉砂顆粒（圖5a）。由于粉砂密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黏土，粗粒粉砂在慣性作用下會(huì)破壞絮凝體結(jié)構(gòu)，并從絮凝體中分離出來(lái)，且不斷在泥床上堆積，細(xì)粒粉砂還可繼續(xù)保留在絮凝體中，并不斷向前運(yùn)移（圖5b，c）。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的絮凝體解體和泥砂分選后，絮狀波紋和砂質(zhì)波紋將同時(shí)在水槽底部移動(dòng)，且會(huì)留下一層薄薄的沉積物。長(zhǎng)期的底流搬運(yùn)作用將沉積一套由粉砂和黏土組成的沉積物，從而形成砂質(zhì)紋層（圖5d）。

圖5 粗粉砂在底流搬運(yùn)過(guò)程中的分離過(guò)程模式圖[45]Fig.5 Model for the separation of coarse silt from bedload floccules[45]

然而，當(dāng)沉積速率較低時(shí)，移動(dòng)的紋波可能只會(huì)留下非常薄的殘留物，而當(dāng)沉積速率較高時(shí)，不僅會(huì)留下一層沉積物，還可能留下完整的波紋[45]（圖6）。在自然界中，流速可能發(fā)生波動(dòng)，導(dǎo)致間歇性的無(wú)沉積，甚至發(fā)生侵蝕和沖刷，因此難以達(dá)到理想的沉積特征。在天然層狀泥頁(yè)巖中，粗粉砂主要分布在薄層中，而細(xì)粉砂主要分布在層間黏土中。

圖6 互層狀砂質(zhì)—泥質(zhì)紋層成因模式圖[45]Fig.6 Conceptual view of the origin of interlaminated coarse silt and mud[45]

2.3 透鏡狀紋層沉積機(jī)理

透鏡狀紋層是泥頁(yè)巖中普遍存在的一種沉積構(gòu)造，但對(duì)其成因機(jī)理及地質(zhì)意義研究甚少。關(guān)于透鏡狀紋層的成因，前人提出了頁(yè)巖巖屑的再沉積作用[46]、動(dòng)物糞球充填和生物潛穴等因素。Juergen Schieber教授團(tuán)隊(duì)對(duì)頁(yè)巖巖屑沉積、搬運(yùn)和透鏡狀紋層沉積機(jī)理也開(kāi)展了相關(guān)研究。

細(xì)粒沉積巖中含有大量粉砂大小的碎塊，這些碎塊來(lái)源于泥頁(yè)巖的風(fēng)化和侵蝕[47-49]。在被分解成砂級(jí)和粉砂級(jí)碎片之前，這些碎塊被稱為巖屑[50-51]。泥頁(yè)巖巖屑是由較小的礦物顆粒（黏土、石英、長(zhǎng)石）組成的混合物，它們只是參與泥巖沉積的混合物中的一種，此處包括未固結(jié)/弱固結(jié)的沉積物團(tuán)塊，以及固結(jié)的巖石碎屑。未固結(jié)—弱固結(jié)細(xì)粒沉積物的團(tuán)塊富含水分，多以絮凝體形式存在，它是由范德華力作用形成的微米大小的黏土礦物與其他小顆粒組成的混合物。這些絮凝體直徑從幾十微米到幾百微米不等[52-53]，含水量超過(guò)85%。由于泥頁(yè)巖巖屑與同期沉積的黏土和粉砂顆粒（石英、長(zhǎng)石）具有相當(dāng)?shù)牧?，因此，含有泥?yè)巖巖屑的泥質(zhì)一旦被壓實(shí)，巖屑本身就很容易與富含黏土的巖石基質(zhì)融合。

在沉積過(guò)程中，未固結(jié)—弱固結(jié)的泥頁(yè)巖巖屑由于富含水容易受壓發(fā)生變形，但完全固結(jié)的泥頁(yè)巖巖屑不易發(fā)生變形。因此，固結(jié)的頁(yè)巖巖屑包裹在富含水的黏土中將表現(xiàn)出差異壓實(shí)和層狀結(jié)構(gòu)特征，從而出現(xiàn)黏土包裹在“硬”顆粒（頁(yè)巖巖屑）周?chē)默F(xiàn)象[49]；若固結(jié)的頁(yè)巖巖屑包裹在粉砂或砂質(zhì)床面中，它們可以作為骨架顆粒，而不是被壓縮在堅(jiān)硬的硅質(zhì)顆粒之間（圖7）。由于固結(jié)的泥頁(yè)巖巖屑通常比砂粒（石英等）更軟，固結(jié)泥頁(yè)巖巖屑有可能產(chǎn)生凹痕，并在較硬顆粒的擠壓下發(fā)生不同程度的變形。

圖7 頁(yè)巖巖屑沉積機(jī)理模式圖和巖石記錄實(shí)例[54]Fig.7 Conceptual view of shale lithic recognition and rock record examples[54]

水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn)，泥頁(yè)巖巖屑在底流搬運(yùn)中會(huì)被分解成小塊巖屑，但經(jīng)過(guò)數(shù)百至上千公里搬運(yùn)后，仍可以砂級(jí)和粉砂級(jí)大小的巖屑存在。泥頁(yè)巖巖屑在現(xiàn)代陸架和深海泥巖中的存在，表明陸架沉積過(guò)程和深海環(huán)流可能是泥頁(yè)巖碎屑長(zhǎng)距離搬運(yùn)的重要機(jī)制[54]。

Schieber et al.[55]對(duì)泥頁(yè)巖中透鏡狀紋層研究發(fā)現(xiàn)，含水量較高的泥質(zhì)沉積物在水流作用下可以發(fā)生侵蝕，形成毫米到厘米級(jí)大小的碎片。在低流速條件下，泥質(zhì)沉積物表面因侵蝕可能形成細(xì)長(zhǎng)、彎曲的溝槽，其寬度約幾毫米，深度約1～2 mm；而在高流速條件下，可能形成數(shù)厘米寬和數(shù)厘米深，且向下游延伸的線狀溝槽。侵蝕不是連續(xù)的，而是在沉積物表面間歇性地侵蝕出數(shù)毫米大小的碎片，隨著時(shí)間推移，侵蝕程度不斷擴(kuò)大。碎片在搬運(yùn)過(guò)程中因分解和磨圓而不斷變小。砂粒大小的碎片可以被搬運(yùn)數(shù)十公里，進(jìn)入較低流速區(qū)域時(shí)發(fā)生沉積。沉積物被壓實(shí)后，黏土碎片被壓平，整體呈透鏡狀，橫向變細(xì)，最終形成透鏡狀結(jié)構(gòu)（圖8）。我國(guó)四川宜賓長(zhǎng)寧雙河剖面五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中部分透鏡狀紋層可能也屬于此種成因（圖9）。

圖8 頁(yè)巖中透鏡狀層理的沉積過(guò)程模式圖[55]Fig.8 A summary of the processes that produce lenticular lamination in shales[55]

圖9 長(zhǎng)寧雙河剖面頁(yè)巖透鏡狀紋層Fig.9 Lenticular lamination in shales from the Shuanghe section of Changning

雖然，在頁(yè)巖中堆積的糞球粒或大量的潛穴填充物可能在壓實(shí)后產(chǎn)生類(lèi)似的透鏡狀結(jié)構(gòu)，但根據(jù)巖石學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合薄片鑒定，其可與泥巖經(jīng)過(guò)侵蝕、搬運(yùn)、再沉積形成的泥質(zhì)碎屑透鏡狀紋層相區(qū)別。通過(guò)仔細(xì)鑒別頁(yè)巖地層中廣泛分布的透鏡狀紋層，可識(shí)別出更多由侵蝕和再沉積形成的泥質(zhì)碎屑，這些碎屑的存在可能指示頁(yè)巖沉積期的間歇性侵蝕和泥質(zhì)在沉積物表面的搬運(yùn)過(guò)程。

2.4 細(xì)粒碳酸鹽巖沉積機(jī)理

細(xì)粒碳酸鹽巖常見(jiàn)于多數(shù)碳酸鹽巖沉積體系中[56]，通常代表低能環(huán)境的沉積產(chǎn)物[57]。也有人提出，與陸源碎屑泥巖一樣，細(xì)粒碳酸鹽巖也可以在高能環(huán)境中沉積[58]。Shinnet al.[58-59]提供的觀測(cè)結(jié)果表明，細(xì)粒碳酸鹽巖顆粒存在絮凝現(xiàn)象，這是首次直接觀察到細(xì)粒碳酸鹽巖顆粒絮凝現(xiàn)象，驗(yàn)證了絮凝物存在底流搬運(yùn)作用過(guò)程，并證明了最終沉積產(chǎn)物與底流搬運(yùn)和絮狀波紋的運(yùn)移有關(guān)?，F(xiàn)代碳酸鹽巖沉積環(huán)境和巖石記錄表明，在整個(gè)地質(zhì)歷史中細(xì)粒碳酸鹽巖常常形成于洋流沉積環(huán)境[57]。

Schieberet al.[60]通過(guò)細(xì)粒碳酸鹽巖和黏土水槽模擬實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，雖然兩種沉積物的礦物學(xué)特征差異較大，但細(xì)粒碳酸鹽巖顆粒與黏土一樣會(huì)出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象。微米級(jí)碳酸鹽顆粒形成絮凝體后能夠承受底流剪應(yīng)力作用，并在底流中移動(dòng)，最終形成與黏土顆粒相似的沉積物。與黏土礦物一樣，碳酸鹽巖顆粒在臨界速度以下也會(huì)形成絮狀波紋，且波紋隨著底流移動(dòng)并逐漸堆積形成泥床。

研究表明，在床面剪應(yīng)力大于0.25 Pa時(shí)，只有較粗的顆粒以單顆粒（非粘性顆粒）的形式在床面上移動(dòng)，而大部分較細(xì)（微米級(jí)）的顆粒仍處于懸浮狀態(tài)；當(dāng)剪應(yīng)力小于0.25 Pa時(shí)，微米級(jí)碳酸鹽巖顆粒絮凝體（粘性顆粒）就可以在底流搬運(yùn)中沉積下來(lái)，并增加床面載荷[60]。此時(shí)，床面沉積物主要由“粗”顆粒和砂級(jí)絮凝物構(gòu)成的波紋組成，而加積層由粉砂和絮凝物構(gòu)成（圖10）。因此，細(xì)粒沉積物（硅質(zhì)或鈣質(zhì)沉積物）中的粗（粉砂級(jí)顆粒）—細(xì)（黏土級(jí)顆粒）互層結(jié)構(gòu)，可能指示該沉積物由同一水流同期沉積而成，而不是由于沉積物供應(yīng)波動(dòng)強(qiáng)烈或水流間歇作用，以及沉積改造形成[60]。

圖10 顆粒粒徑、流速、剪應(yīng)力、粒徑大于50μm的顆粒百分比和波紋形態(tài)關(guān)系圖[60]Fig.10 Plot of relationships between observed bedload particle size,flow velocity,shear stress,percentage of particles above 50μm in size,and ripple appearance[60]

3 存在問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)

泥頁(yè)巖沉積物理模擬研究目前存在的問(wèn)題主要包括以下3個(gè)方面：首先是模擬方法較為簡(jiǎn)單，無(wú)法完全再現(xiàn)自然界真實(shí)復(fù)雜的沉積現(xiàn)象和過(guò)程，不能滿足沉積理論快速發(fā)展的需求；其次是實(shí)驗(yàn)技術(shù)較為落后，實(shí)驗(yàn)參數(shù)單一，相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法和設(shè)備急需改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)控制的自動(dòng)化和智能化要求迫切；最后是實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪^(guò)于簡(jiǎn)單，僅停留在沉積理論基礎(chǔ)研究階段，無(wú)法滿足當(dāng)前非常規(guī)油氣勘探的需求，亟待將總結(jié)自水利工程建設(shè)、自然災(zāi)害防治、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等待領(lǐng)域的模擬實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于油氣勘探。

3.1 泥頁(yè)巖沉積機(jī)理

目前，泥頁(yè)巖沉積物理模擬研究發(fā)展緩慢，模擬方法較為單一，僅能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的沉積過(guò)程和沉積現(xiàn)象模擬。然而，自然界中泥頁(yè)巖的沉積過(guò)程非常復(fù)雜，沉積現(xiàn)象受各種地質(zhì)因素所控制，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境難以模擬和再現(xiàn)古沉積環(huán)境。因此，針對(duì)復(fù)雜特殊沉積構(gòu)造的物理模擬研究相對(duì)較少，如結(jié)核、透鏡體、鈣質(zhì)（碳酸鹽巖）紋層、黃鐵礦結(jié)核（紋層）等。通常，特殊的沉積構(gòu)造代表著特殊的沉積環(huán)境和沉積事件，只有對(duì)特殊的沉積環(huán)境和沉積事件進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，才能更加準(zhǔn)確地反映真實(shí)的沉積過(guò)程。因此，開(kāi)展泥頁(yè)巖特殊沉積構(gòu)造物理模擬，探討特殊沉積現(xiàn)象的形成機(jī)理，建立多尺度的沉積模式，完善細(xì)粒沉積理論體系，將會(huì)是未來(lái)泥頁(yè)巖沉積物理模擬的重要發(fā)展方向。

3.2 泥頁(yè)巖沉積物理模擬技術(shù)

沉積物理模擬的目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室物理模擬技術(shù)再現(xiàn)沉積過(guò)程，讓研究人員更加直觀地觀察到泥頁(yè)巖的沉積和演化過(guò)程。為了模擬更加真實(shí)的自然環(huán)境，清晰地觀測(cè)到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，獲得更加精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究人員需要擁有一套完善的實(shí)驗(yàn)方法，并借助各種高科技技術(shù)和手段，例如高分辨率成像技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)、分析測(cè)試技術(shù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)等。如今，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，沉積物理模擬技術(shù)逐漸向自動(dòng)化、智能化發(fā)展，研究精度、廣度和深度也將不斷提高。在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方面，溫度、濕度、水深、濁度、鹽度、pH值、流速等儀器的使用為模擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展創(chuàng)造了良好的條件；在研究的內(nèi)容及深度上，逐漸由定性向定量轉(zhuǎn)變，由簡(jiǎn)單向復(fù)雜轉(zhuǎn)變。數(shù)值模擬及仿真技術(shù)的應(yīng)用為泥頁(yè)巖沉積物理模擬定量研究創(chuàng)造了條件，泥頁(yè)巖研究則要求沉積物理模擬開(kāi)展更為復(fù)雜的過(guò)程研究。

3.3 在頁(yè)巖油氣和致密油氣中應(yīng)用前景

近年來(lái)，頁(yè)巖油氣、致密油氣等非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)已成為全球油氣工業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，且非常規(guī)油氣在世界能源結(jié)構(gòu)中所占比例仍在持續(xù)增大。富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖作為頁(yè)巖油氣、致密油氣等非常規(guī)油氣的資源基礎(chǔ)，決定了非常規(guī)油氣資源的開(kāi)發(fā)潛力。然而，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖形成機(jī)理、沉積模式、儲(chǔ)集空間特征、孔隙結(jié)構(gòu)演化、油氣賦存機(jī)理和微觀滲流機(jī)制等一系列問(wèn)題仍存在較大爭(zhēng)議，尤其是非常規(guī)油氣沉積學(xué)研究面臨重大挑戰(zhàn)[7]，制約了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)和甜點(diǎn)區(qū)（段）的落實(shí)。借助沉積物理模擬技術(shù)，開(kāi)展富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖沉積機(jī)理、儲(chǔ)層特征等研究，將成為一種重要的非常規(guī)油氣研究手段。在泥頁(yè)巖沉積機(jī)理方面，沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)將加大對(duì)沉積過(guò)程與沉積現(xiàn)象的模擬，包括細(xì)粒沉積物中有機(jī)質(zhì)的聚集、保存和演化等方面。在有機(jī)質(zhì)保存與演化對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層和致密儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間的影響、泥頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙的形成機(jī)理和保存條件，以及沉積成巖作用對(duì)孔隙發(fā)育的影響等方面，沉積物理模擬也將拓展應(yīng)用，為其確定沉積主控因素。開(kāi)展富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，可研究頁(yè)巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育機(jī)制，精細(xì)刻畫(huà)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的展布，助力頁(yè)巖油氣高效勘探開(kāi)發(fā)。

3.4 多學(xué)科交叉

泥頁(yè)巖研究對(duì)于港口、航道、水庫(kù)等水利工程建設(shè)和維護(hù)及環(huán)境保護(hù)也具有極其重要的意義，甚至是氣候變化研究。利用沉積物理模擬技術(shù)還可以對(duì)泥頁(yè)巖的微觀組構(gòu)進(jìn)行分析，從而認(rèn)識(shí)泥頁(yè)巖作為流體（油和水）運(yùn)移屏障的機(jī)理。泥頁(yè)巖作為流體屏障這一特性對(duì)于泥頁(yè)巖保護(hù)含水層不受污染和劃分地下水儲(chǔ)集能力至關(guān)重要。水利工程建設(shè)、自然災(zāi)害防治、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源勘查工程之間開(kāi)展跨學(xué)科合作，對(duì)泥頁(yè)巖沉積機(jī)理等相關(guān)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行攻關(guān)，是當(dāng)前深化泥頁(yè)巖沉積物理模擬研究并推廣成果應(yīng)用的有力保障。

4 結(jié)論

（1）雖然，已有學(xué)者對(duì)泥頁(yè)巖的沉積過(guò)程、沉積構(gòu)造、沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)理等開(kāi)展了大量工作，但對(duì)其沉積機(jī)理的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。沉積物理模擬是一種研究泥頁(yè)巖的重要手段，國(guó)內(nèi)外廣泛建立的各種類(lèi)型沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)室為泥頁(yè)巖進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

（2）泥頁(yè)巖沉積、搬運(yùn)、侵蝕等沉積動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究已取得一定進(jìn)展，且在泥頁(yè)巖沉積機(jī)理、砂質(zhì)紋層沉積機(jī)理、透鏡狀紋層沉積機(jī)理和細(xì)粒碳酸鹽巖沉積機(jī)理等方面有了新的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了非常規(guī)油氣沉積學(xué)的發(fā)展。

（3）通過(guò)開(kāi)展泥頁(yè)巖物理模擬研究，既可完善古物源、古水深、古氣候、古生產(chǎn)力等古沉積環(huán)境恢復(fù)指標(biāo)，也可服務(wù)于全球氣候變化、地質(zhì)資源開(kāi)發(fā)、水利工程建設(shè)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和自然災(zāi)害防治等研究。

致謝 感謝中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院鄒才能院士、王紅巖、袁選俊等教授在研究工作中大力支持，感謝美國(guó)印第安納大學(xué)Juergen Schieber教授，Zalmai Yawar博士、劉貝博士和李志揚(yáng)博士等在實(shí)驗(yàn)中給予的幫助。