沉积构造是指沉积岩各个组成部分之间的空间分布和排列方式，一般包括层理构造和层面构造，沉积构造可以反映沉积介质的营力及流动状态^[1]。细粒沉积岩层理构造类型多样，层理的形成与物源性质、水动力条件、水体性质及生物活动等因素有关^[2-5]。随着近年来页岩油勘探开发的不断深入，学者们发现对细粒沉积岩层理构造研究有助于页岩储层的非均质性及油气富集规律研究^[6-7]。

针对细粒沉积岩中的复杂层理构造，学者们习惯用纹层术语进行表述，通常有3种术语^[8-11]：纹层（Lamination）、纹层组（Lamina set）、层理（Bedding），分别从纹层形状、连续性与几何形状、矿物组成、界面接触关系与纹层组合等方面对其进行研究。由于国内外学者对术语概念界定及描述尺度存在差异性，这三种术语都在被使用，存在一定的混乱。Potter ^[11]等对“层理-纹层术语”进行了优化，依据粒径大小、组分、结构的不同特征来区分定义纹层与层理；层理被定义为厚度大于１cm的沉积纹层，仅有数毫米厚的纹理直接称为纹层。国内学者也习惯使用纹层术语描述细粒沉积岩中沉积构造类型。纹层类型划分主要根据矿物组成与有机质丰度，其中黏土矿物纹层、长英质纹层、碳酸盐纹层、有机质纹层是最主要的纹层类型^[12-13]。熊敏^[14]等基于纹层形态及矿物学特征，在龙马溪页岩中识别出4种产状、6类纹层，认为不同类型的纹层通常是不同水深、悬浮沉降、沉积物输入变化及成岩作用多因素叠加的效果。武谨^[15]等从矿物组分角度在龙马溪组页岩中识别出自生石英-有机质纹层、碳酸盐纹层、长英质-碳酸盐混合纹层、生物骨骸纹层、陆源石英纹层、黏土矿物纹层、黄铁矿纹层和蚀变硅质纹层共8种纹层类型，指出最优纹层组合为搬运沉积成因。柳波^[16]等将芦草沟组细粒沉积岩的纹层分为具有硅质碎屑富集层、碳酸盐富集层、凝灰质富集层及有机质富集层 4 种类型，提出古水体、热水活动及季风气候控制了湖泊多元纹层的形成。勇朋林^[17]建立了3种构造尺度下纹层类型差异的细粒沉积模式，提出水动力及氧化还原环境是关键因素。总体来看，前人在细粒沉积岩的纹层类型及成因特征方面开展了大量的研究工作，但仍有几个问题值得重视：① 纹层实际上是一种沉积构造，且是一种层理构造，具有特定的成因地质意义。可以把纹层和层理统一到沉积构造中，以便反映沉积介质的营力及流动状态，从而有助于沉积环境分析；② 纹层-层理具有强非均质性，薄片-扫描电镜尺度的分析可以识别出多种复杂成因类型的纹层，这个尺度的地质体可以被详细描述，但由于单一纹层-层理的厚度小，难以在生产实践中实现预测。实际上，岩芯尺度表征出来的纹层-层理是多种类型沉积构造的组合体，这类组合体有一定的厚度且有相似成因条件，具有特定的地质意义，它可以被识别并被预测。

异重流（Hyperpycnal flow)被认为是高浓度的河流注入盆地后，流体沿着盆地底部流动且向前远距离搬运的负浮力流，其流体密度大于水体密度^[18-19]。异重流有底床载荷（Bedload）、悬浮载荷（Suspended loading）及上浮羽流（Lofting plume）三种沉积物载荷方式。悬浮载荷为主要输送方式，意味着可以向远端输送比中细砂岩更细的沉积物，并且沉积物能够经过一段很长的搬运距离。前人在总结异重流的概念与特点基础上提出了异重流的主要识别特征，建立了3大类11小类的岩相识别特征及沉积模式^[20]。异重流为深水环境中广泛分布的相对粗粒沙泥沉积物的一种新的沉积机制。芦草沟组细粒沉积岩中发育丰富而复杂的层理构造：① 明暗相间的不规则纹层泥岩、粉砂质泥岩与暗色水平纹层泥岩共生，且垂向上重复、高频出现；② 储集砂体主要为粉细砂岩，成分及结构成熟度低，发育块状层理、平行及交错层理、对偶粒序层理等，前人针对纹层构造从矿物组分及水动力条件角度开展了成因分析，提出了三角洲前缘、滩坝及水下扇沉积模式^[21-23]。但是，三角洲前缘模式无法解释芦草沟组中岩性整体偏细、大量对偶粒序层理发育及砂体单层厚度小等沉积现象，滩坝模式无法解释其结构及成分成熟度偏低的沉积现象，水下扇模式无法解释大量出现的对偶粒序层理。随着泥质沉积物在底流作用下沉积 ^[24]及异重流沉积模式的提出^[25-28]，学者们开始用异重流的观点重新审视芦草沟组中复杂的沉积现象^[25-26]，并得到较为全面的解释。本次研究以芦草沟组取芯井为对象，开展沉积学特征描述与分析，厘定层理构造类型及组合特征，分析成因及储集特征，以期为页岩油勘探开发提供有力支撑。

1.   地质背景

吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地的东南部，凹陷被断裂及凸起所环绕（图1a），整体为西断东超的箕状凹陷^[25]。凹陷内二叠系中二叠统自下而上分别为乌拉泊组、井井子沟组、芦草沟组及红雁池组，芦草沟组为页岩油勘探的主要目的层（图1b）。二叠纪芦草沟组沉积时期为咸化湖沉积环境，芦草沟组整体岩性为深灰色泥页岩夹砂岩及碳酸盐岩^[23,26]，表现为源储一体与源储互层的烃储配置关系，垂向上整体含油。根据含油差异，在芦草沟组中划分出“上甜点”及“下甜点”两个含油地层单元，其中“上甜点”对应芦草沟组三段，“下甜点”对应芦草沟组一段（图1b）。

图  1  吉木萨尔凹陷构造纲要(a)及二叠系地层划分(b)

Figure  1.  Structural outline of Jimsar Sag and stratigraphic column of the Permian Lucaogou Formation

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2.   纹层、纹层组及层理

纹层通常具有均一的成分和结构，但有时也有一些粒级的变化。纹层组是由一组有成因联系的纹层组合而成，通常同一纹层组的物质组成、结构及几何关系相似。层理是岩石沿垂直方向变化所产生的层状构造。三者在概念上均强调横向结构组分的相似性，差异在于垂向上的规模，纹层、纹层组、层理的厚度规模依次增大。国内一般认为纹层的厚度通常为数毫米或小于1 mm^[28]，国外一般以1 cm为界限，小于1 cm的称为纹层，大于1 cm的称为层理^[11]。

细粒物质的沉积水动力条件主要有两种：一种是在静水条件下细粒物质以悬浮及漂浮载荷的形式缓慢垂直沉降，沉积物呈现出毫米甚至微米级的砂纹层与泥纹层平行互层的特征（图2a、b）。由于是弱水动力条件下缓慢沉降的结果，因此形成毫米甚至微米级别的砂泥纹层，宏观上表现为“水平层理”，即水平纹层；另一种是在流动水体中，细粒物质以悬浮或底床载荷的形式侧向迁移沉降^[24,28]。沉积水动力条件较强，沉积速率高，形成的沉积纹层厚度相对较大，层与层之间存在侵蚀面（图2c、d），宏观上表现为各种类型的层理构造（图2c、d）。根据上述特征及成因分析，结合国内外关于纹层、层理的分类，统计芦草沟组岩芯中纹层、纹层组及层理的沉积特征如下（表1）：① 纹层与纹层组的组分以泥、砂为主，表现为微米-毫米级的水平或不规则互层，无明显层界面区分不同的纹层及纹层组，厚度0.2～40 mm。层理的颗粒组分以长英质砂为主，有明显的界面区分不同的层理，厚度1～80 cm。因此，本次研究以1 cm为界限，把小于1 cm的沉积层称为纹层型沉积构造，大于1 cm的沉积层称为层理型沉积构造。

图  2  芦草沟组纹层、纹层组和层理在岩芯及薄片中的识别特征

a：砂泥纹层特征，多个毫米级泥纹层（暗色）与砂纹层（浅色）构成不同的纹层组，岩芯照片，埋深3593.1 m，W1井； b：砂泥纹层特征，多个毫米级泥纹层（暗色）与砂纹层（浅色）构成水平纹层，铸体薄片，埋深3539.1 m，W1井，取样位置为a中黄色方框； c：灰色层理砂岩，见平行层理及其底部侵蚀面，层理厚度2～5 cm，岩芯照片，埋深3536.2 m，W1井；d：层理与层理之间的侵蚀面，砂岩成熟度低，见不规则有机质碎片，溶蚀孔发育，铸体薄片，埋深3536.2 m，W1井，取样位置为c中黄色方框。

Figure  2.  Identification characteristics of lamination, lamina set, and bedding shown in cores and thin sections, in Lucaogou Formation

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表  1  芦草沟组纹层、纹层组及层理特征

Table  1.  Characteristics of lamination, lamina set, and bedding of the core data of Lucaogou Formation

	基本单元	特征	厚度范围/mm
纹层	水平纹层	微米级泥纹层与砂纹层水平互层，无明显层界面	0.2～2
	不规则纹层	微米-毫米级泥纹层与砂纹层水平互层，无明显层界面	0.5～8
纹层组	砂泥纹层组	砂泥互层，呈现平行、不规则几何形态，有明显层界面	0.5～40
层理	块状层理	长英质颗粒片均匀分布，内部无明显界面，顶底侵蚀面	100～800
	平行层理	长英质颗粒为主，顶底突变面，呈现平行特征	10～50
	交错层理	长英质颗粒为主，顶底突变面，呈现斜交特征	20～10

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3.   层理构造特征及成因解释

异重流（Hyperpycnal flow）对应的沉积物称为异重岩（Hyperpycnite）。季节性的洪水河流携带高浓度沉积物在湖泊中沉积形成异重岩。典型的异重流沉积或异重岩的沉积特征主要为^[18-20]：①对偶出现的反粒序-正粒序沉积组合，并在内部发育微小侵蚀面；②发育具有陆源属性的沉积结构，如植物碎片、煤块等；③从源到汇，发生砾岩、砂岩和泥质岩的分异，并发育丰富的流水相关的沉积构造。

基于岩芯照片及薄片分析，在芦草沟组中识别出两大类沉积构造：层理型沉积构造与纹层型沉积构造。

层理型沉积构造：① 对偶粒序层理（Ha-Hb）（图3a），岩性主要为粉细砂岩，由多个粒度向上变粗及向上变细的粒序层理构成，内部发育侵蚀面（Is），层理厚度1～5 cm，内部发育多种不规则的纹层结构 （图3i）；② 块状层理沉积构造（M）（图3b）。岩性主要为灰褐色中细砂岩，无明显层理构造，整体为均质的块状特征（图3g），层厚大于10 cm；③ 交错/平行层理沉积构造（Cb-Pb）（图3c）。主要发育在粉细砂岩中，垂向上见厘米级别的斜交交错层理、平行层理的沉积组合，厚度1～4 cm；④ 爬升波纹层理沉积构造（Crb）（图3d）。主要岩性为泥质粉砂岩及粉砂岩，见向一侧或多侧迁移的爬升波纹，微观上为多个微米-毫米级的对偶粒序构成（图3h）且内部有小型侵蚀面，层理厚度1～2 cm。

图  3  芦草沟组典型层理构造及纹层构造特征照片

a：粉细砂岩，对偶粒序层理构造（Ha-Hb），内部见小型侵蚀面（Is），岩芯照片，埋深3324.6 m，W2井；b：中细砂岩，块状层理构造（M），岩芯照片，埋深3143 m，W3井；c：粉细砂岩，下部为斜交交错层理沉积构造（Cb），中部为平行层理沉积构造（Pb），上部为交错层理沉积构造（Cb）中细砂岩，岩芯照片，埋深3142.8 m，W3井；d：粉细砂岩，爬升波纹层理沉积构造（Crb），上部为不规则纹层沉积构造（Dic-L），岩芯照片，埋深3129.2 m，W3井；e：泥质粉砂岩，不规则纹层沉积构造（Dis-L），浅色为粉细砂，暗色为粉砂质泥及泥，岩芯照片，埋深3126.7 m，W3井；f：深灰色泥岩，水平纹层沉积构造（Hi），岩芯照片，埋深3124.4 m，W3井；g：细砂岩，见石英矿物（Qtz）、长石矿物（Feld）及溶蚀孔（Dp），长英质颗粒粒径均一，铸体薄片，埋深3143 m，W3井，薄片位置见b中红色方框；h：泥质粉砂岩及粉砂岩，对偶粒序纹层沉积构造（Ha-Hb），内部发育小型侵蚀面（Is），见不规则有机质碎片（Pf），粉砂岩中发育大量溶蚀孔（Dp），铸体薄片，埋深3129.2 m，W3井，薄片位置见d中红色方框；i：泥质粉砂岩，见不规则侵蚀面（Is），溶蚀孔欠发育，铸体薄片，埋深3126.7 m，W3井，薄片位置见e中红色方框；j：泥岩，水平纹层沉积构造（Hi），铸体薄片，埋深3124.4 m，W3井，薄片位置见f中红色方框。

Figure  3.  Photos of bedding structures and lamination textures of Lucaogou Formation

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纹层型沉积构造：① 不规则纹层沉积构造（Dis-L）（图3e），主要岩性为泥质粉砂岩，暗色泥质与浅色粉砂质不规则互层，表现出连续性差、横向变化大及纹层面不规则的特点，纹层厚度1～4 mm（图3i）；② 水平纹层沉积构造（Hi）（图3f），在暗色泥岩中发育，纹层整体表现出水平的特点，纹层的厚度为毫米级（图3j）。

结合Zavala等异重流岩相模式^[20]，根据岩相及其组合特征，在吉木萨尔凹陷芦草沟组中识别出水道（Chl）、天然堤（Le）、朵叶体（Lob）及侧缘（Mar）四种微相类型，进而总结出水道、朵叶体两类主要亚相。基于该模式，单一的沉积构造水动力条件解释主要为：块状层理、交错/平行层理（图3c）反映牵引流作用下的快速堆积，为异重流底床载荷作用相关的水道沉积；爬升波纹层理及不规则纹层（图3d）反映了水动力由强到弱过程中沉积物侧向迁移沉降的沉积过程，解释为异重流悬浮载荷相关的朵叶体沉积；水平纹层泥岩（图3e），解释为洪水过后安静水体条件下的的缓慢沉降。在砂岩中，见大量不规则有机质碎片（图3h），且砂岩的成熟度较低，反映出沉积组分的陆源属性。

水道亚相（图4c）主要为层理型沉积构造（块状层理、交错层理及爬升波纹层理、对偶粒序层理），顶部为薄层纹层型构造组合（不规则纹层、水平纹层），反映出底床载荷-悬浮载荷-羽流载荷的沉积机制变化，解释为洪水异重流能量从增加到衰退的沉积过程。朵叶体亚相（图4d）主要为纹层型层理构造（对偶粒序纹层、不规则纹层及水平纹层），反映出以悬浮及羽流载荷为主的沉积载荷机制，解释为洪水异重流远端沉积水动力频繁变化的沉积过程。此外，水道-朵叶体/天然堤-侧缘/湖泊沉积微相在垂直及平行方向上存在紧密的成因地质联系。垂直水道方向上，水道发育区沉积水动力强，砂体厚度大，多发育层理型沉积构造，沉积物向水道两侧以悬浮及羽流载荷的形式漫溢，形成天然堤-侧缘/湖泊沉积，发育爬升波纹层理、对偶粒序层理、不规则纹层及水平纹层（图4a）。平行水道方向上，发生底床载荷-悬浮载荷-羽流载荷的变化，沉积水动力逐渐减弱，砂体厚度逐渐变薄，发育层理构造到纹层构造的变迁，形成水道-朵叶体-侧缘/湖泊沉积（图4b）。

图  4  芦草沟组异重流层理类型及沉积模式

a：水道-天然堤-侧缘/湖泊相带的层理构造类型及变化（垂直水道方向），b：水道-朵叶体-侧缘/湖泊相带的层理构造类型及变化（平行水道方向），c：水道沉积亚相层理-纹层构造组合特征及沉积序列，d：朵叶体沉积亚相层理-纹层构造组合特征及沉积序列。

Figure  4.  Bedding textures and sedimentation models of hyperpycnal flows in the Lucaogou Formation

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4.   层理构造的组合类型及储集意义

基于取芯井，对岩石地层单元开展垂向上沉积构造组合特征和横向变化分析，探讨沉积环境（沉积亚相分析），并分析该组合的储集性。基于该思路，在芦草沟组“甜点”段识别出两种沉积构造组合类型：① 厚层层理-纹层型沉积构造组合。以W1井芦草沟组3697.2～3699.2 m为例，该套组合的底部发育两套薄层反粒序层理并被侵蚀面分割（图5d），主体为块状层理粉细砂岩（图5e），局部发育交错层理，顶部叠置薄层不规则纹层泥质粉砂岩（图5f）。该沉积构造组合可以理解为洪水异重流能量由弱到强再到弱的过程中，发生悬浮载荷到底床载荷再到悬浮载荷的沉积变迁，解释为异重流水道沉积。该沉积构造组合是芦草沟组最典型的“甜点”段，单层厚度2.0 m，孔隙度4%～13.2%，储集性好；② 薄层纹层为主型沉积构造组合。以W1井芦草沟组3702.0～3703.4 m为例，该套组合底部为不规则纹层构造，并叠加对偶粒序（图5a），中部发育10～20 cm的块状层理（图5b），上部依次叠加爬升波纹层理及不规则纹层（图5c）。该沉积构造组合可以理解为洪水异重流能量变化过程中，形成以悬浮载荷为主的沉积单元，解释为异重流朵叶体沉积。该沉积构造组合对应的沉积水动力相对较弱，岩性较细，单层厚度相对较薄（1.4 m），与之对应的孔隙度较小（3.5%～6.4%）。

图  5  芦草沟组2种层理构造组合类型及储集特征

Figure  5.  Two types of sedimentary textures and their reservoirs, Lucaogou Formation

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基于6口取芯井的统计分析，并选取典型井开展沉积对比发现（图6、图7、图8）：① 厚层层理-纹层型沉积构造组合，以粉细砂岩为主，垂向上主要发育块状层理-交错层理-爬升波纹层理-不规则纹层的沉积构造组合，单层厚度1.3～3.8 m，孔隙度7.8%～14.2%。② 薄层纹层为主型沉积构造组合，以泥质粉砂岩为主，垂向上主要发育爬升波纹层理及不规则纹层沉积构造组合，偶见块状层理，单层厚度0.5～1.4 m，孔隙度3.5%～8.4%。厚层层理-纹层型沉积构造组合体为异重流水道沉积成因，薄层纹层为主型沉积构造组合为异重流朵叶体沉积成因；③ 剖面上，通常由3～4套单一水道多层叠置，形成厚层加积的叠置样式，朵叶体以砂泥互层的形式叠置。随着沉积水动力由强变弱，水道到朵叶体厚度逐渐减薄（图6-7），从厚层楔状渐变为薄板状。

图  6  芦草沟组一段取芯井沉积亚相对比图

剖面位置见图7-P1。

Figure  6.  Inter-well correlation in sedimentary sub-facies of the Lower Lucaogou Formation across the section P1 in Fig.7

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图  7  吉木萨尔凹陷芦草沟组一段异重流水道-朵叶体平面分布

Figure  7.  Hyperpycnal channel and lobe distributions of the Lower Lucaogou Formation in Jimsar Sag

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图  8  水道及朵叶体亚相单层厚度及孔隙度交汇图

Figure  8.  Cross plot of individual thickness vs NMR porosity for channel and lobe sub-facies

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吉木萨尔凹陷页岩油勘探开发证实，芦草沟组一段在凹陷的南部是主力产区，其中异重流水道区产能效果最好，异重流朵叶体发育区产能效果次之。由此可以看出，沉积水动力仍然是页岩油甜点形成的根本。沉积水动力最强的异重流水道沉积体，主要是对偶粒序层理、块状层理、交错层理及爬升波纹层理的组合，具有单层厚度及累积厚度大、孔隙度值大的特点；沉积水动力较弱的异重流朵叶体，主要为爬升波纹层理及不规则纹层组合，单层厚度及累积厚度较小、孔隙度值较小（图6、图8）。

5.   结论

（1）纹层与层理均为层理沉积构造，两者在沉积水动力条件及厚度规模上存在差异。建议用1 cm厚度作为纹层与层理的界限，小于1 cm的沉积层称为纹层，大于1 cm沉积层称为层理。

（2）在芦草沟组中识别出层理型和纹层型两大类沉积构造，并细分出7个亚类。厚层层理型为主的沉积构造组合，通常垂向上依次发育对偶粒序层理、块状层理、交错层理、爬升波纹层理及不规则纹层，为异重流水道成因；薄层纹层型为主的沉积构造组合，通常垂向上为对偶粒序层理与不规则纹层，为异重流朵叶体成因。

（3）沉积水动力条件是页岩油甜点储层形成的根本。强水动力条件下形成的层理型沉积构造组合（异重流水道）的单层厚度及累积厚度大，储集性好，较弱水动力条件下形成的纹层为主型沉积构造组合（异重流朵叶体）单层厚度及累积厚度较小，储集性相对较差。