以富有机质黑色页岩为代表的页岩油、页岩气资源近年来成为全球范围内油气勘探、开发领域的研究热点。该岩性在中国陆相湖盆中主要为来源复杂的细粒沉积岩,其中发育有一类特殊的纹层状泥晶白云岩。该类白云岩的岩石学、矿物学微观特征和地球化学特征既区别于常见的次生白云石化成因白云岩,又与微生物成因白云岩不同,被定义为一类新型的火山-热液沉积型白云岩。在研读大量国内外文献的基础上,综述了现代湖相白云石全球分布及形成环境特征,并展示了白云岩成因模式研究进展。重点选择了均在拉张构造背景下所形成的三塘湖盆地和准噶尔盆地芦草沟组、酒西盆地下沟组和二连盆地腾格尔组发育的火山-热液沉积型白云岩为研究对象,并进行对比研究。发现该类白云岩的特征: (1)保留有完好的原始微米级纹层结构和微晶晶体,后期受到的成岩作用较弱; (2)与半深—深湖黑色泥页岩互层且缺乏蒸发作用特征,并含有不同比例的火山-热液矿物; (3)锶同位素显示成岩流体具有深源(壳-幔混合)特征; (4)含有丰富的有机物质,并与油气分布展现出较强的耦合关系。最后,提出应加强该类白云岩研究、 利用其蕴含的特殊地质信息进行构造背景示踪及探讨其与油气生成关系。

豹皮(斑)灰岩是华北寒武系—奥陶系广泛发育的一种特殊形貌的海相碳酸盐岩,因具有显著的识别特征和成因机制而备受关注。鄂尔多斯盆地中奥陶统马家沟组四段发育丰富的豹皮(斑)碳酸盐岩,目前已在其中识别出遗迹化石7属8种,分别是Thalssinoides network,Thalassinoides boxwork,Planolites isp.,Palaeophycus tubularis,Phycodes isp.,Chondrites isp.,Skolithos isp.,?Zoophycos isp.,其以Thalassinoides的2种形态类型(水平迷宫形network和三维箱状结构boxwork)占主导,属于固底底质条件的Glossifungites遗迹相。通过野外露头、岩心的宏观和微观观察,系统调研前人关于生物扰动成因碳酸盐岩的类型,依据生物扰动、生物潜穴形态特征和方解石/白云石相对含量,笔者提出了生物扰动成因豹皮(斑)状碳酸盐岩的分类方案,将其主要分为豹皮灰岩和豹斑云岩2个大类,分别对应Thalassinoides network(水平二维迷宫)和Thalassinoides boxwork(三维箱状结构)2种形态类型。鄂尔多斯盆地马家沟组四段的豹皮(斑)状碳酸盐岩主要受生物扰动和高频海平面升降下的早期成岩作用耦合控制,表现为在固底底质条件下,生物潜穴为富Mg²⁺卤水的白云石化流体提供了良好的运移通道,使得潜穴内部优先发生白云石化作用,而不同类型的生物潜穴及准同生和埋藏白云石化作用,最终形成了豹皮灰岩和豹斑云岩这2种类型的生物扰动成因豹皮(斑)状碳酸盐岩。

硅酸盐岩通过与二氧化碳的化学反应,去除大气二氧化碳并将其封存在风化产物或海洋碳酸盐岩中,是影响全球碳循环以及气候变化的要素之一。定量计算全球硅酸盐岩通过风化作用消耗的二氧化碳总量是了解地球现今与过去气候变化的关键。作者系统调研了5个硅酸盐岩化学风化—二氧化碳消耗定量模型的数据来源、研究方法、计算公式以及各模型的主要影响因素, 并且以最新的Celine模型所计算得出的二氧化碳消耗量为参考标准,对比了各模型的优缺点与适用范围。现有模型估计全球硅酸盐岩化学风化的二氧化碳消耗量为69~169 Tg/yr,其中各模型的主要参数包括气候(温度、径流)与岩性,次要参数包括构造隆升、火山与植物作用等。在未来探索硅酸盐岩化学风化所消耗二氧化碳的定量计算中,应考虑更多控制作用的影响以及各因素之间的相互联系。此外,利用大数据分析方法将这些定量模型推广应用于深时地球古气候重建可能是未来的研究趋势。

石英作为页岩中重要组成部分,厘清其成因机制对重建页岩成岩过程及页岩油气储集层形成至关重要。页岩中石英成因复杂,利用普通薄片观察、扫描电镜、能谱分析、阴极发光等手段,可以识别出页岩中石英主要类型包括陆源碎屑石英、生物成因石英和成岩自生石英,其中成岩自生石英硅质来源主要有黏土矿物转化、长英质溶蚀和生物硅溶解、火山—热液活动。陆源碎屑石英多呈粉砂级,阴极发光下强发光,光谱一般为2个峰值,微米级生物成因石英不发光,黏土矿物成因石英多在伊利石等黏土矿物周围或嵌入其中。不同类型石英除形貌及赋存特征外,地球化学元素也存在差异。受热液活动影响的石英多富集Fe、Mn元素;陆源碎屑石英多富Ti、Al元素,SiO₂与Zr呈正相关;生物成因石英常与TOC含量呈正相关,Fe/Ti值介于0.4~20之间。成岩自生石英为多阶段形成,与页岩埋藏成岩过程有着密切关联,影响着页岩储集层性质,主要形成于早、中成岩阶段。陆源碎屑石英与生物成因石英有利于抑制压实作用,保护原生孔隙,黏土矿物转化、长英质溶蚀等成岩自生石英过程发育溶蚀孔、有机孔等孔隙,石英充填部分孔隙降低孔隙度。明确页岩中石英成因,对于页岩沉积环境分析及有利储集层的分布预测都有重要意义。

广泛发育于全球大洋中的新生代岛礁白云岩,具有埋藏浅、形成时间晚、后期改造弱等特点,被认为是研究经典“白云岩(石)问题”的天然实验室。文中系统梳理了岛礁白云岩的基本特征、时间演化、白云石化流体性质和成因模式,并探讨了控制该类白云岩形成的古环境和古气候因素,以期为解译“白云岩(石)问题”提供借鉴。新生代岛礁白云岩厚几十米至几百米,具有相似的岩石学(结构保存型和结构破坏型)、计量学(高钙白云石和低钙白云石)和地球化学(碳氧同位素、锶、铁、锰、钠元素)特征,发育时间上具有全球同步性(~10-0.5 Ma)。在单个岛礁内,受海平面变化和构造活动控制,白云石化时间由底部至顶部呈现出连续或断续变年轻的现象。结合氧同位素和团簇同位素数据分析显示,正常—轻微蒸发的海水是岛礁白云石化流体的主要来源, 其中高钙白云石主要与正常海水有关,而低钙白云石则受蒸发海水控制。单一的流体驱动模式(如渗透回流、地热对流等)难以普遍适用于岛礁白云岩的成因解释, 促进白云石化作用的岛礁内地下水流动机制可能是多重复合而成。新生代岛礁白云石化时期,单一的古环境、古气候因子(海水的Mg/Ca、温度、$\text{SO}_{4}^{2-}$浓度、氧化还原状态、pCO₂及pH等)并未呈现出特殊性,推测多种古环境、古气候因子的耦合作用可能共同控制了岛礁的白云石化事件。为了更好地理解岛礁白云岩的成因机制,未来应在白云石化微观过程、新兴探测技术应用和数值模拟方面进行拓展研究。

细粒沉积岩分类对细粒沉积岩系统深入研究至关重要,分类方案应当反映岩石组分物质来源、沉积作用方式,且具有广泛适用性。细粒沉积岩物质来源多样,包括陆源碎屑来源、盆内化学沉淀来源、生物源、火山碎屑来源。不同盆地细粒沉积岩的物质来源存在巨大差异,同一盆地同种矿物也通常具有成因多样性。细粒沉积岩作为一种特殊岩石类型,综合考虑物质来源和沉积作用方式,笔者提出了细粒沉积岩四组分三端元分类方案,根据有机质含量分为高、中、低3大类,以陆源碎屑物质、内源化学沉淀物质、火山碎屑物质进行三端元划分,分为4类: 陆源碎屑细粒岩类、化学细粒岩类、火山碎屑细粒岩类、混合细粒岩类;并根据三级命名原则、合并命名原则、复合命名原则,分为11个亚类,岩石名称可根据岩石组分的相对含量进行命名。

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(mudrock)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0.063 mm的细粒陆源碎屑岩,包括粉砂岩(粉砂含量大于2/3)、泥岩(粉砂和黏土含量都不超过2/3)和黏土岩(黏土含量超过2/3),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50%的沉积岩,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2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0.004~0.063 mm的粉砂和小于0.004 mm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2个大类,前者可进一步分为粉砂岩、泥岩和黏土岩3个亚类,若具纹层和页理构造则称为页岩; 并以TOC含量0.5%和2.0%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。

生物岩是新兴交叉学科生物岩石学的主要研究对象,是生物作用形成的岩石,主要包括生物礁岩、非造礁生物骨骼和泥晶组成的岩石、微生物骨骼组成的岩石、微生物作用形成的岩石。以往的生物礁和微生物岩分类系统只包括了一部分生物礁岩和微生物岩,尚有一部分宏体生物形成的岩石类型和微生物形成的岩石类型没有准确命名。为了促进生物岩的研究,作者提出一个包括生物礁岩、非造礁生物骨骼碳酸盐岩、微生物岩和其他微生物成因岩石的统一的生物岩分类系统,包括4个层级24种基本岩石类型。新增的基本岩石类型包括生物泥晶岩、微礁岩、微屑岩、包壳石、微骨架岩、微绑结岩、丝状岩、微泥晶岩等。作者还对部分岩石例如骨架岩等的定义进行了补充修正与完善,讨论了生物岩研究中存在的4个问题。

臼齿构造(Molar tooth structure,MTS)是指主要由微米级微亮晶方解石充填的、具有肠状褶皱等特殊形态和结构的前寒武纪沉积构造。具有臼齿构造的这类前寒武纪碳酸盐岩称为臼齿碳酸盐岩(Molar tooth carbonate,MTC)。MTS具有全球分布、时代限定、形态多样、由微米级微亮晶方解石组成及早期成岩等基本特征,该认识早已得到学界广泛认同。在系统归纳MTC的地理分布、发育时限、宏观形态和微观组构的基础上,再次总结性地剖析了物理作用、生物作用和生物-地球化学作用3类主要成因假说的基本论点及其局限性。长期以来,作为一种大量出现于中—新元古代、具全球性分布的特殊碳酸盐岩类或沉积构造,研究关注的焦点和热点是MTS形成与消失的机制。尽管MTS成因还有争议,但其所具有的早期成岩特征,使越来越多的研究者将其作为前寒武纪海洋地球化学环境重建的重要研究对象。MTC的兴衰与前寒武纪海洋化学性质演化和前寒武纪一系列全球性事件密不可分。在此基础上提出MTC进一步研究的方向:一是探索MTC事件与相关全球性事件(如叠层石、冰川事件等)相互响应、促进或消长的关系,MTS的兴衰如何协同Columbia和Rodinia超大陆的聚散过程; 二是从MTS微亮晶方解石微观组构出发,采用行之有效的地球化学方法,将MTC的形成、演化、更替与前寒武纪海洋性质以及大气圈、生物圈的演化相结合,进一步完善MTC成因理论,为前寒武纪诸多重大科学问题的研究提供参考。

硅岩是由自生石英形成的化学沉积岩,通常以层状或非层状(结核状、条带状)独自出现、与其他岩性互层出现及赋存于其他岩性地层中。硅岩不仅记录了大量盆地古地理、古海洋、古气候的地质信息,而且对于岩石大地构造学研究具有重要意义。前人对硅岩的研究取得了丰富的成果,近年来关于硅岩的新观点为硅岩的研究提供了新的思考途径和研究线索。通过调研近年来关于硅岩的岩石学特征、地球化学特征及沉积环境的研究,分析总结了不同地质历史时期、不同沉积环境、不同产状硅岩的形成模式、成因类型以及判别方式,认为硅岩的沉积不是单一因素控制的结果,而是地质构造活动强度、生物类型及活动性、沉积古环境的综合结果。常规地球化学元素结合岩石组构与微区分析、包裹体分析、新同位素(Rb-Sr和Sm-Nd)分析,以及新的地球化学判定标准(Ge/Si)是硅岩研究的必备手段和方法。

中国是一个多盐湖国家,然而盐湖研究主要集中于分析湖水化学性质、盐类物质来源和盐矿资源开发等,对盐类矿物沉积特征和埋藏成岩改造研究较少,造成从蒸发岩角度去理解古代盐湖盆地的油气富集规律较为困难。在广泛阅读国内外大型盐湖文献的基础上,笔者介绍了盐湖分类方案和蒸发岩中盐类矿物的主要成因类型,并总结了中国陆相含油气盆地中常见的硫酸盐、氯化物、含钠碳酸盐和硼酸盐的沉积—成岩过程及其古环境和古气候意义。同时,尝试利用盐湖沉积最新研究成果去探讨中国含油气盆地蒸发岩研究中存在争议或值得关注的问题,得出: (1)深部热液可为湖泊输送大量元素离子,但要在湖泊环境下富集大量蒸发岩,则(半)干旱气候和蒸发浓缩作用是前提条件;(2)易溶蒸发岩(如石盐)在沉积中心单层厚度大,而在斜坡—边缘区缺失,这是季节性气温变化和温跃层浮动引发“中心聚集效应”的结果;(3)温度可影响蒸发岩中盐类矿物溶解度、晶体结构形态和发育深度,而部分无水盐类矿物在常温常压下却无法结晶,这一现象可用来指示古地温和地层埋藏史;(4)碳酸盐型盐湖中的Na-碳酸盐种类可指示大气CO₂浓度和古温度。

中国北方烧变岩分布广泛,见于以昆仑山—秦岭—大别山为界的中国北方地区多个沉积盆地边缘,但地质学家对其研究较为薄弱。野外调查显示中国北方烧变岩主要以4种方式分布: (1)大面积连片分布,(2)沿山脉走向的线状分布,(3)沿河流下切河谷分布,(4)为第四系黄土覆盖。烧变岩主要为侏罗系、石炭—二叠系煤层自燃所致。各类型的烧变岩在中国烧变岩区不同程度发育,具瓷化结构、白化结构、烧熔结构、残余构造、气孔构造、微柱状节理、角砾状构造、垮塌构造、裂缝充填等结构和构造。其颜色以砖红色、赭红色、棕色、钢灰色最为典型,岩石中发育鳞石英、方石英、堇青石、铁堇青石、莫来石等典型高温矿物。中新世以来,中国西部、北部地区构造活动强烈,干旱气候加剧,烧变岩也主要形成于这一时期,但煤层自燃与构造运动、环境变化、古野火事件的耦合关系还鲜有提及,其所蕴含的各种地质信息值得在今后的研究中予以关注。

为了正确、高效地完成沉积岩石学的研究内容,势必要求沉积岩石学的研究方法具多样性和先进性,并可在实践中不断完善和发展。作者着重阐述了沉积岩石学的室内研究方法,旨在为沉积岩石学研究者系统介绍合适的技术和手段。室内研究方法主要包括矿物成分与结构分析、无机与有机地球化学分析和其他实验方法。矿物成分与结构分析主要包括薄片鉴定、粒度分析、重矿物分析、激光拉曼光谱和荧光光谱分析、微区矿物识别和元素分析、阴极发光分析,以及X射线衍射、红外光谱和热谱分析。无机地球化学分析主要包括元素地球化学、风化强度的量化、稳定同位素分析和测年分析。有机地球化学分析主要包括总有机碳、岩石热解分析、镜质体分析、气相色谱分析和生物标志物色谱—质谱分析、非生物标志化合物和有机化合物稳定同位素组成分析等。此外,沉积岩石学的室内研究方法还包括磁性矿物学、物理和数值模拟、岩石地球物理方法和地质大数据方法等。新技术、新方法的应用和发展,是促进沉积岩石学发展的重要原因之一。