中国陆相富有机质页岩沉积速率研究及其页岩油勘探意义.pdf

第 44 卷 第 4 期2023 年 8 月OIL&GAS GEOLOGY中国陆相富有机质页岩沉积速率研究及其页岩油勘探意义张瑞1，2，3，金之钧1，2，3，朱如凯4，李明松2，3，惠潇5，魏韧1，2，贺翔武1，2，张谦1，2，3（1.北京大学 能源研究院，北京100871；2.北京大学 地球与空间科学学院 造山带和地壳演化教育部重点实验室，北京100871；3.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 102206；4.中国石油 勘探开发研究院，北京 100083；5.中国石油 长庆油田分公司 勘探开发研究院 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018）摘要：页岩的有机质丰度和纹层类型是页岩油勘探研究的重点内容。中国陆相富有机质页岩层系的沉积相变复杂且非均质性强，沉积速率的准确判识面临许多挑战。中国典型陆相盆地富有机质页岩的沉积速率多在5 cm/kyr以上，咸化湖盆富有机质页岩层系沉积速率最高可达40 cm/kyr。高精度年代学框架结合旋回地层学统计调谐可以追踪沉积速率随地层深度的变化，而页岩的相对沉积速率可以通过稀土元素配分模式、晶体粒径分布理论和星际尘埃特征元素丰度等方法判识。不同类型或不同时代的地层序列沉积速率比较，需要考虑地层完整性和差异压实等干扰因素。沉积速率是页岩有机质富集的重要影响因素，其对有机质稀释的临界值通常低于5 cm/kyr。水动力条件和水体盐度影响碎屑颗粒的絮凝作用，不同类型细粒沉积物的沉积速率差异有利于纹层结构的形成。页岩沉积速率研究需要融合包括地质年代学、岩石学、旋回地层学、地球化学和沉积物理模拟在内的先进理论和方法，以深入了解页岩沉积演化机理。揭示陆相页岩沉积速率与页岩油富集之间的内在联系，对页岩油勘探具有一定的指导意义。关键词：米兰科维奇旋回；旋回地层学；沉积速率；有机质富集；页岩纹层；淡水湖盆；咸化湖盆；页岩油勘探中图分类号：TE121.3 文献标识码：AInvestigation of deposition rate of terrestrial organic-rich shales in China and its implications for shale oil explorationZHANG Rui1，2，3，JIN Zhijun1，2，3，ZHU Rukai4，LI Mingsong2，3，HUI Xiao5，WEI Ren1，2，HE Xiangwu1，2，ZHANG Qian1，2，3（1.Institute of Energy，Peking University，Beijing 100871，China；2.Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution，MOE，School of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China；3.State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Effective Development，Beijing 102206，China；4.Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina，Beijing 100083，China；5.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil&Gas Fields，Research Institute of Exploration and Development，Changqing Oilfield Company，PetroChina，Xi an，Shaanxi 710018，China）Abstract：The abundance of organic matter and the types of shale laminae are the key in shale oil exploration.The sedimentary facies of terrestrial shales features complex variation and strong heterogeneity，making accurate identification of deposition rate facing more challenges.The deposition rates of organic-rich shales in typical terrestrial basins of China are mostly above 5 cm/kyr，and those of the organic-rich shales in saline lacustrine basins may reach up to 40 cm/kyr.The high-precision chronostratigraphic framework combined with the statistical tuning of cyclostratigraphy can trace the variation of deposition rate with burial depth.The relative deposition rate of shales can be determined by the rare earth element（REE）assemblage pattern，crystal size distribution，and the abundance of typical interstellar dust elements，etc.Comparison of deposition rates of different types or ages of stratigraphic sequences has to take perturbations such as stratigraphic integrity and differential compaction into consideration.Deposition rate is an important factor influencing the enrichment of organic matter in shale，and the critical threshold for organic matter dilution by deposition rate is usually less than 5 cm/kyr.The flocculation of sediment particles is usually under the effect of hydrodynamic conditions and water salinity，and the various deposition rates for different types of fine-grained 文章编号：0253-9985（2023）04-0829-17doi：10.11743/ogg20230403收稿日期：2023-02-20；修回日期：2023-05-30。第一作者简介：张瑞（1990），男，博士、助理研究员，页岩油气富集机理、旋回地层学。E-mail：。通信作者简介：金之钧（1957），男，教授、中国科学院院士，石油地质理论和能源战略研究。E-mail：。基金项目：国家自然科学基金项目（42090025，42102166）。第 44 卷石 油 与 天 然 气 地 质sediment are conducive to the formation of shale laminae.The study of deposition rate requires an integration of advanced theories and methods，including geochronology，petrology，cyclostratigraphy，geochemistry，and physical simulation of sedimentation，to gain a deeper understanding of the mechanisms of shale deposition and evolution.Revealing the interrelationship between terrestrial shale deposition rate and shale oil accumulation is of certain guiding significance to shale oil exploration.Key words：Milankovitch cycle，cyclostratigraphy，deposition rate，organic matter enrichment，shale lamina，freshwater lacustrine basin，saline lacustrine basin，shale oil exploration引用格式：张瑞，金之钧，朱如凯，等.中国陆相富有机质页岩沉积速率研究及其页岩油勘探意义 J.石油与天然气地质，2023，44（4）：829-845.DOI：10.11743/ogg20230403.ZHANG Rui，JIN Zhijun，ZHU Rukai，et al.Investigation of deposition rate of terrestrial organic-rich shales in China and its implications for shale oil exploration J.Oil&Gas Geology，2023，44（4）：829-845.DOI：10.11743/ogg20230403.沉积速率主要指沉积物的堆积速率，是盆地沉积充填快慢程度的反映，通常以cm/kyr单位表示1-3。研究沉积速率在地质历史时期的变化，对于分析页岩发育机理、有机质富集规律、纹层结构成因及组合类型等具有重要意义4-7。陆相盆地富有机质页岩层系蕴含丰富的页岩油资源8-12。中国陆相富有机质页岩层系主要分布在多个淡水湖盆或咸化湖盆内（图 1），形成于二叠纪、三叠纪、侏罗纪、白垩纪、古近纪和新近纪等多个地质年代，具有多旋回发育的特点13-16。其层位主要包括渤海湾盆地古近系沙河街组与孔店组、江汉盆地古近系潜江组、南襄盆地古近系核桃园组、柴达木盆地古近系下干柴沟组、松辽盆地白垩系嫩江组与青山口组、酒泉盆地白垩系下沟组、四川盆地侏罗系自流井组大安寨段、四川盆地三叠系须家河组、鄂尔多斯盆地三叠系延长组7段（长7段）、准噶尔盆地二叠系芦草沟组与风城组等。由于湖盆演化过程中不可避免地受到基底升降、湖平面变化以及气候旋回变化等环境因素影响，页岩层系广泛发育陆源碎屑岩夹碳酸盐岩、混积岩等，沉积相变复杂，非均质性强，导致沉积速率的准确判识面临许多挑战。近年来，随着旋回地层学与天文年代学的广泛应用，为富有机质页岩层系的沉积速率提供了定量估算和可视化研究手段17-21。尽管已有很多文献报道了中国不同地质年代的页岩层系沉积速率，但多数是针对单一盆地（或凹陷）开展的研究，尚缺乏系统化的总结和层系间差异的定量化比较。本文旨在总结不同类型陆相盆地富有机质页岩层系沉积速率变化规律，以及南海南海东海0400 km0准噶尔盆地塔里木盆地三塘湖柴达木盆地鄂尔多斯盆地松辽盆地四川盆地江汉盆地南襄盆地渤海湾盆地酒泉盆地吐哈盆地地层中国典型陆相盆地 准噶尔三塘湖鄂尔多斯四川松辽酒泉柴达木渤海湾 江汉南襄古新统始新统渐新统上三叠统下白垩统下侏罗统中侏罗统上白垩统中三叠统中二叠统下二叠统ab800 km未评价盆地陆相页岩发育盆地砾岩页岩砂岩白云岩石灰岩膏盐岩泥质灰岩国界线图 1 中国陆相页岩油发育的典型盆地（a）及其地层序列（b）10，14，16Fig.1 Typical basins（a）and stratigraphic sequences（b）of terrestrial shale oil in China10，14，16830第 4 期张瑞，等.中国陆相富有机质页岩沉积速率研究及其页岩油勘探意义沉积速率的研究方法和存在问题。同时探讨沉积速率对有机质丰度和页岩纹层类型发育的影响，展望沉积速率研究的发展方向及对陆相页岩油勘探的指导意义。1中国富有机质页岩层系沉积速率1.1重点页岩层系沉积速率及其特征本文对中国14套陆相富有机质页岩层系的沉积速率进行了深入调研（表1），同时对比了至少6套海相富有机质页岩层系的沉积速率（表2）。沉积速率数据主要由旋回地层学与天文年代学方法获得，区间范围越大表明沉积速率的波动越大。统计结果总体呈现3个规律。1）随着地质年代由老到新，沉积速率大致呈现升高的趋势（图2）。新生代以来发育的渤海湾盆地沙河街组22-24、南襄盆地核桃园组25 等沉积速率多在10.020.0 cm/kyr。古生代中生代发育的准噶尔盆地二叠系芦草沟组 26、四川盆地三叠系须家河组 27、四川盆地侏罗系自流井组大安寨段 28、松辽盆地白垩系嫩江组29 与青山口组30 沉积速率多在7.015.0 cm/kyr。而鄂尔多斯盆地三叠系长 7段沉积速率最低，通常在 4.05.0 cm/kyr31-32。2）中国海相页岩沉积速率多在3.0 cm/kyr以下，比陆相页岩沉积缓慢。四川盆地五峰组-龙马溪组33、鄂尔多斯盆地平凉组34、塔里木盆地萨尔干组35、扬子地台大塘坡组36、华北地台下马岭组37与洪水庄组38等黑色页岩广泛发育的层位，对应海相层序的凝缩段，沉积速率非常缓慢。3）咸化湖盆页岩层系沉积速率普遍比淡水湖盆页岩层系沉积速率高，特别是富含蒸发岩矿物的碱湖地层的沉积速率会更高（图3）。例如，柴达木盆地下干柴沟组39、渤海湾盆地孔店组40、江汉盆地潜江组41、酒泉盆地青西凹陷下沟组42、准噶尔盆地玛湖凹陷风城组43-44等沉积厚度巨大，沉积速率波动剧烈且显著升高（最高可达40.8 cm/kyr）40，45。1.2页岩沉积速率的控制因素中国不同地质年代的陆相富有机质页岩层系的沉积速率具有一定差异，这取决于多种因素，如盆地的构造属性、水文地质条件、气候变化和物源输入等。大型淡水湖盆普遍具有相对稳定的构造背景，地层平缓，并形成深湖背景下的三角洲前缘-前三角洲-浊积扇细粒沉积体系，物源供给充分，沉积速率平稳，富有机质页岩呈广覆式沉积12，15。例如，鄂尔多斯盆地长9段半深湖相到长7段深湖相的演化过程中，半深湖-深湖面积达到10104 km2，最大古水深接近150 m，为页岩油的大规模富集提供了优越的地质背景13。咸化湖盆通常为构造活动强烈的小型富生烃凹陷，以内源沉积为主，胶结成岩作用迅速，导致地层序列平均沉积速率增加且波动剧烈，富有机质页岩层系的沉积厚度巨大。例如，准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩层系累积厚度超过350 m，玛湖凹陷风城组则发育了一套厚达千米的碱湖背景下碳酸盐型混积岩沉积体系43-44。地球轨道周期主要通过日照量变化驱动温室期冰室期的气候旋回30，46-48。相对温暖、湿润的气候条件下，陆表径流增加，控制陆源碎屑物质的搬运速率。三叠纪温室期，鄂尔多斯盆地深湖-半深湖环境中发育了长7段烃源岩，其沉积过程缓慢31-32，甚至接近海相页岩的沉积速率。极热气候环境降水量较少，而强烈的蒸发作用形成了高盐度水体。例如渤海湾盆地济阳坳陷孔店组的烃源岩沉积可能是古新世始新世极热事件（PETM；约 56 Ma）的陆相响应49，沉积速率高达23.6 40.8 cm/kyr 40，45。这一时期全球范围的沉积岩系普遍具有较高的沉积速率50-52。2沉积速率研究方法2.1绝对年龄框架约束平均沉积速率根据地层厚度资料和高精度年代地层格架，可以准确厘定平均沉积速率。确定绝对年龄常使用生物地层学、磁性地层学及放射性同位素年代学方法，宇宙射线 成 因 核 素 定 年 和 光 释 光 测 年 等 也 是 重 要 补充32，53-54。对于深时地层剖面，凝灰岩中的锆石是尤为难得的U-Pb定年样品。目前主要发展了3种锆石U-Pb 定年方法：激光剥蚀-等离子体质谱法（LA-ICPMS）、二次离子质谱法（SIMS）以及同位素稀释-热电离质谱法（ID-TIMS）等53，55。在缺少凝灰岩夹层的沉积岩系中开展直接定年已有很多探索。低温沉积成岩环境下，沉积岩中发育的伊利石、钾长石、方解石和海绿石等自生矿物是重要的地质年代学计，可尝试采用K-Ar法、40Ar/39Ar法和Rb-Sr法直接定年。海相生物的软组织在早期成岩作用过程中会被亲U的磷酸盐交代，对磷酸盐化石（如牙形石、双壳模）开展LA-ICPMS原位U-Pb定年，国际上已有较成功的范例58。新发展起来的黑色页岩Re-Os同831第 44 卷石 油 与 天 然 气 地 质位素高精度定年也是约束地层年龄的重要手段59。由于Re-Os具有亲有机物的属性，在海相富有机质黑色页岩及其生成的原油和沥青中相对富集，因此，可以利用Re-Os放射性同位素体系确定富有机质沉积岩的绝对年龄60。2.2旋回地层学方法刻画高分辨率沉积速率厘定连续沉积记录的持续时间主要依靠旋回地层学与天文年代学手段。这是目前唯一可提供连续的、高分辨率时间标尺的方法。米兰科维奇旋回理论认为，地球轨道参数（偏心率、斜率和岁差）的周期变化使地球表层接收的日照量分布发生变化，进而引起地球气候的周期性波动，这种周期变化的气候信息被记录在全球沉积序列中（图4）46-47，61。例如，北半球高纬度地区夏季太阳辐射变化是驱动第四纪冰期旋回的主要控制因素61。地球轨道周期具有相对稳定性，成为地层精细定年的“沉积物时钟”62。地质历史时期，由于月-地间表1中国典型陆相富有机质页岩层系地质特征与沉积速率Table 1Geological characteristics and deposition rates of typical continental organic-rich shale sequences in China盆地/地区柴达木盆地英雄岭凹陷渤海湾盆地饶阳凹陷渤海湾盆地东营凹陷渤海湾盆地东濮凹陷渤海湾盆地东营凹陷江汉盆地潜江凹陷南襄盆地泌阳凹陷松辽盆地古龙凹陷松辽盆地古龙凹陷酒泉盆地青西凹陷四川盆地中北部四川盆地东北部鄂尔多斯盆地伊陕斜坡准噶尔盆地吉木萨尔凹陷准噶尔盆地玛湖凹陷地层下干柴沟组上段沙河街组一段沙河街组三段沙河街组三段至一段孔店组潜江组核桃园组嫩江组一+二段青山口组下沟组自流井组大安寨段须家河组延长组7段芦草沟组风城组地质年代渐新世渐新世始新世始新世渐新世古新世始新世始新世渐新世始新世渐新世晚白垩世晚白垩世早白垩世早侏罗世晚三叠世中三叠世早二叠世早二叠世参考年龄/Ma33.9 30.131.9 28.942.5 42.042.5 28.965.6 50.843.1 29.449.6 28.984.7 82.491.3 86.0125.9 115.6 201.3207.2 201.3241.6 241.1290.4 286.2301.9 297.0盆地环境咸水-盐湖半咸水-咸水半咸水-咸水半咸水-咸水咸水-盐湖咸水-盐湖咸水-盐湖淡水-微咸水淡水-微咸水咸水-盐湖淡水-微咸水淡水-微咸水淡水-微咸水半咸水-咸水咸水-碱湖岩性组合泥页岩、碳酸盐岩、混积岩灰质泥页岩夹砂岩、混积岩灰质泥页岩夹砂岩、混积岩灰质泥页岩夹砂岩、混积岩灰质泥页岩、砂岩、膏盐岩泥质灰岩与泥质白云岩、膏盐岩灰质泥页岩夹砂岩、混积岩泥页岩夹粉砂岩泥页岩夹粉砂岩白云质泥岩夹粉砂岩泥页岩夹灰岩泥页岩夹砂岩泥页岩夹粉砂岩泥页岩夹白云岩、混积岩泥页岩夹白云岩、膏盐岩、混积岩累积厚度/m1 000 1 50010 240300 1 0001 000 2 000200 80050 6501 000 2 000 1 00040 180100 20010 10030 50200 1 400TOC/%0.6 2.70.4 6.21.5 10.00.5 7.80.3 7.00.5 12.00.5 5.92.0 10.00.9 9.01.0 2.50.1 5.00.5 9.92.0 20.01.2 8.91.2 2.0井位或剖面C2-4井、S62井N62井FY1井P140井SK-1井、W46井Yan 5井、Yan 6井B270井、BS1井SK-2井东孔SK-1井南孔L 8井、L14井G61井、G105X井须家河剖面、七里峡剖面YY1井、瑶曲剖面J174井、J251井MY1井、FN14井沉积速率/（cm/kyr）17.0 34.0 9.1 22.27.0 13.110.0 15.023.6 40.810.8 34.014.0 18.06.6 8.48.0 10.08.5 19.812.5 16.910.4 14.64.0 5.08.0 10.09.0 19.0文献来源3924222340，454125293042282731-322643-44注：页岩的厚度统计与总有机碳含量（TOC）数据主要来自文献 13-14，56-57。832第 4 期张瑞，等.中国陆相富有机质页岩沉积速率研究及其页岩油勘探意义表2中国典型海相富有机质页岩层系地质特征与沉积速率Table 2Geological characteristics and deposition rates of typical marine organic-rich shale sequences in China盆地/地区四川盆地长宁地区鄂尔多斯盆地西南缘塔里木盆地柯坪地区扬子地台贵州地区华北地台燕辽坳陷华北地台燕辽坳陷地层五峰组-龙马溪组一段平凉组萨尔干组大塘坡组下马岭组洪水庄组地质年代晚奥陶世早志留世晚奥陶世中-晚奥陶世新元古代中元古代中元古代参考年龄/Ma445.2 440.8458.4 453.0464.0 458.0663.0 654.01 400.01 450.0岩性组合泥页岩、硅质岩泥页岩、灰岩泥页岩、灰岩泥页岩、粉砂岩泥页岩、硅质岩泥页岩、灰岩累积厚度/m200 300 7000 120180 550175 33537 57TOC/%1.6 5.70.3 0.60.6 5.70.1 6.33.7 23.03.4 7.9井位或剖面双河剖面官庄剖面大湾沟-羊吉坎剖面ZK1909井下花园剖面YJ2井沉积速率/（cm/kyr）0.7 3.10.9 1.30.2 0.72.6 3.50.5 0.83.0 5.0文献来源333435363738注：页岩的厚度统计与TOC数据主要来自文献 13-14，56-57。0510152025303540柴达木盆地英雄岭凹陷渐新统下干柴沟组渤海湾盆地饶阳凹陷渐新统沙河街组一段渤海湾盆地东营凹陷始新统沙河街组三段渤海湾盆地东濮凹陷始新统渐新统沙河街组江汉盆地潜江凹陷始新统渐新统潜江组南襄盆地泌阳凹陷始新统渐新统核桃园组渤海湾盆地东营凹陷古新统始新统孔店组松辽盆地古龙凹陷上白垩统嫩江组一+二段松辽盆地古龙凹陷上白垩统青山口组酒泉盆地青西凹陷下白垩统下沟组四川盆地中北部下侏罗统大安寨段四川盆地东北部上三叠统须家河组鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中三叠统延长组7段准噶尔盆地吉木萨尔凹陷早二叠统芦草沟组准噶尔盆地玛湖凹陷早二叠统风城组四川盆地五峰组-龙马溪组一段鄂尔多斯盆地西南缘上奥陶统平凉组塔里木盆地柯坪地区中-上奥陶统萨尔干组扬子地台贵州地区新元古界大塘坡组华北地台燕辽坳陷中元古界下马岭组华北地台燕辽坳陷中元古界洪水庄组沉积速率/(cm/kyr)陆相页岩海相页岩元古宇古生界中生界新生界图2 不同地质年代陆相页岩层系与海相页岩层系沉积速率对比Fig.2 Comparison of deposition rates between continental and marine shale sequences of different geological ages833第 44 卷石 油 与 天 然 气 地 质的引力作用产生力矩，对地球的自转起到减速刹车的作用，导致地球轨道斜率周期和岁差周期逐渐增大46。地球轨道长偏心率源于金星与木星的轨道近地点之间的相互作用，得益于木星巨大的质量，长偏心率旋回具有稳定的405 kyr周期，被誉为地质计时的最佳“计时器”47，63。Hilgen 等进一步提出天文时间带（astrochronozones）的概念，将地层中受天文轨道作用力控制的沉积旋回校准至周期稳定的天文理论曲线后形成具有全球对比潜力的地层时间单元21，64-65。根据特定天文旋回控制下的高分辨率时间标尺，可以计算不同深度层段的高分辨率沉积速率。中生代以来的地层序列通常以稳定的405 kyr长偏心率周期为基准建立天文年代标尺，对地层沉积速率刻画的分辨率即为405 kyr偏心率级别。而新近纪以来天文地质年表已经可以精确到20 kyr岁差尺度48，63，65。近年来，旋回地层学方法结合数理统计学与计算机技术，可以在缺乏精确年龄约束的情况下估算地层序列沉积速率及其变化趋势，并给出可视化图形。当前流行的统计调谐手段主要有以下几种。1）平 均 频 谱 误 差 分 析（average spectral misfit，ASM），计算不同沉积速率下古气候序列主要周期与天文周期的误差，并利用蒙特卡洛模拟给出零假设（不存在天文信号）检验的显著水平17。2）时 间 标 尺 优 化 法（time scale optimization，TimeOpt），根据轨道信号的振幅调制属性，评估不同沉积速率条件下岁差（或短偏心率）振幅包络线与偏心率（或长偏心率）模型曲线的拟合程度，同时评估通过最小二乘法拟合实际数据获得的岁差与偏心率的信号与原始数据的拟合程度，利用两次拟合的乘积，通过寻找乘积的最高值来确定最优沉积速率19。同时使用蒙特卡洛模拟方法给出零假设检验的置信水平。3）相关系数分析（correlation coefficient，COCO），通过评估不同沉积速率下的地层响应指标的功率谱与天文理论曲线中全部偏心率、斜率和岁差的功率谱之间的相关系数来实现沉积速率定量检验，同时利用蒙特卡洛模拟的方式评估零假设置信水平，并综合考虑能匹配的地球轨道周期数量来检测地层的沉积速率20。ASM，TimeOpt和COCO方法都是利用零假设检验0510152025303540鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中三叠统延长组7段四川盆地东北部上三叠统须家河组四川盆地中北部下侏罗统大安寨段松辽盆地古龙凹陷上白垩统嫩江组一+二段松辽盆地古龙凹陷上白垩统青山口组准噶尔盆地吉木萨尔凹陷下二叠统芦草沟组渤海湾盆地东营凹陷始新统沙河街组三段渤海湾盆地饶阳凹陷渐新统沙河街组一段渤海湾盆地东濮凹陷始新统渐新统沙河街组酒泉盆地青西凹陷下白垩统下沟组准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组江汉盆地潜江凹陷始新统渐新统潜江组南襄盆地泌阳凹陷始新统渐新统核桃园组柴达木盆地英雄岭凹陷渐新统下干柴沟组渤海湾盆地东营凹陷古新统始新统孔店组沉积速率/(cm/kyr)盐湖-碱湖半咸水-咸水淡水-微咸水图3 淡水湖盆与咸化湖盆页岩层系沉积速率对比Fig.3 Comparison of deposition rates in shale sequences of freshwater and saline lacustrine basins834第 4 期张瑞，等.中国陆相富有机质页岩沉积速率研究及其页岩油勘探意义和蒙特卡洛模拟估算沉积速率的统计学方法66。还有一类基于贝叶斯公式的沉积序列反演方法，使用马尔可夫链蒙特卡罗算法对沉积速率模型的后验分布进行采样，寻找匹配轨道周期的沉积速率最优解，并定量描述反演结果的不确定性18。这几类算法在实际应用中，都存在参数调整的不确定性，同时理论天文周期模型的选择等也限制着这些方法的普适性。2.3稀土元素配分模式判识相对沉积速率页岩的稀土元素配分模式是其经历的搬运和沉积过程的综合反映67。碎屑矿物悬浮颗粒中的稀土元素在缓慢沉积过程中被黏土吸附并与有机物发生络合反应。轻稀土元素通常会先被吸附在有机质和黏土矿物中并沉积下来，重稀土元素则形成稳定络合物留在水体中，从而导致稀土元素强烈分异。La和Yb分别为轻稀土元素和重稀土元素的指示元素。因此，根据稀土元素的（La/Yb）N值（N代表北美页岩标准化）可以判断沉积速率的相对大小68-69。沉积速率较快的页岩，稀土分异作用不显著，稀土元素的配分模式相对平缓，（La/Yb）N值约为1。沉积速率较慢的页岩，稀土分异作用强烈，轻、重稀土元素出现亏损或富集，（La/Yb）N值明显大于或小于1。由于稀土元素的富集和亏损受多种因素的影响，因此需要在分析结果中考虑其他因素的干扰。2.4晶体粒径分布理论判识相对沉积速率晶 体 粒 径 分 布 理 论（crystal size distribution theory，CSDT）用保留时间和系统内晶体增减作为参数来描述晶体数量与粒径变化规律。Wilkin等将晶体粒径分布理论应用到沉积型莓状黄铁矿上，计算出莓状黄铁矿在沉积物表面的相对保留时间，进而获得相对沉积速率变化70。Chen等发现鄂尔多斯盆地长7段黑色页岩样品中莓状黄铁矿粒径与其数量密度的对数呈线性关系，这种线性关系的斜率与黄铁矿晶体的生长时间有关，即与沉积速率相关（图5）71。晶体粒径分布模式的应用需要黄铁矿在沉积过程中具有明显的富集特征，如果页岩中黄铁矿的数量较少，则粒径分布模式的统计结果可能会受到抽样误差的影响。地球太阳0.080.060.040.020012345262524232200.51.01.52.000.040.08-0.0400.20.40.61.0时间/Ma偏心率斜率/()岁差a1偏心率斜率岁差时间/Ma时间/Maa2b1b2c1c20.8图4 地球5 Ma以来轨道参数模型及其时间序列47，63Fig.4 The Earth orbit parametric model and the time series for the past 5 Ma47，63a1c1.分别为地球轨道偏心率、斜率和岁差的运行示意图；a2.0 5 Ma的偏心率时间序列；b2.0 2 Ma的斜率时间序列；c2.0 1 Ma的岁差时间序列051015202530151617181920210510152025100806040200粒径/mab粒径/m累积频率/%ln N=-0.18D20.84ln N图5 鄂尔多斯盆地盐56井长7段莓状黄铁矿粒径分布71Fig.5 Characteristics of pyrite framboid diameters of the Chang 7 Member in well Yan 56，Ordos Basin71a.粒径分布累积频率曲线（样品埋深2 973.7 m）；b.粒径（N）与其数量密度（D，个/cm2）的对数呈线性关系835第 44 卷石 油 与 天 然 气 地 质2.5星际尘埃特征元素丰度判识相对沉积速率这种方法利用沉积物中星际尘埃特征元素3He，Ir和Co的丰度值间接反映沉积速率72-74。星际尘埃在地球表面的沉降量相对稳定，约为0.16 mg/（cm2 yr）。在不考虑火山活动和生物富集作用的情况下，陆源物质输入对星际尘埃特征元素含量产生稀释效应75。Alvarez等建立了一个利用星际尘埃特征元素 Ir的丰度值计算海相地层沉积速率的经验公式72。周瑶琪等修正了经验参数利用星际尘埃特征元素Co的丰度计算得到湖相页岩的沉积速率为6 8 cm/kyr 73。3He是地球对星际尘埃对吸积速率的示踪剂。对白垩纪古近纪之交发育的海相碳酸盐岩实例分析表明，宇宙来源的3He通量几乎是恒定的76。Murphy等根据3He通量恒定假设76约束了南大西洋沃尔维斯岭在整个PETM期间沉积速率的相对变化，并为该事件构建了一个新的年龄模型74。因此，建立星际尘埃特征元素的同位素记录，是深海相和深湖相泥页岩年代学研究的重要补充。以上沉积速率的研究方法各具特色，对于陆相页岩层系野外剖面或系统取心段，可以通过高精度年代学框架的应用，约束地层序列的沉积时限，并准确地计算平均沉积速率。对于缺乏绝对年龄数据的连续沉积剖面，通常基于旋回地层学与天文年代学获得“浮动”天文年代标尺，利用统计调谐方法追踪沉积速率在不同深度层段内的变化。对于黑色页岩样品的相对沉积速率判识，稀土元素配分模式和莓状黄铁矿晶体粒径分布能够提供有价值的参考，星际尘埃特征元素丰度也是获取沉积速率的有效补充。然而这些方法都依赖于一些假设和前提条件，难免会出现系统误差和偶然误差，需要结合其他方法和数据进行综合校正（表3）。3沉积速率研究中需要注意的问题3.1地层剖面的完整性沉积作用本质上是一个不连续的过程。沉积地层剖面将地质时间的流逝记录为沉积与剥蚀的交替，必然包含一定尺度的沉积间断1，77-78。在地质历史中，气候环境变化及构造运动等对原始沉积序列造成干扰破坏，在陆相地层中这种影响比海相地层更为明显2，7。Sadler对地质历史时期 25 000个沉积速率值的汇编表明，沉积速率的波动范围可以跨越11个数量级1。对于同一套研究层位，当选择的时间尺度不同时，地层完整性评价结果也存在差异3。随着时间跨度的增加，地层剖面中的间断越来越长，沉积速率具有系统性下降趋势（图 6a）1。由于地壳不稳定以及不连续的沉降，导致沉积物堆积的累积厚度是一个复杂的时间序列。沉积和剥蚀增量的累积效应可以通过波函数的形式进行模拟（图6b），即用正弦波模拟短期的侵蚀和沉积交替，用长期趋势模拟地壳的长期沉降1。结果显示，即使侵蚀和沉积增量的厚度相等，净厚度也会产生表3沉积速率研究方法对比Table 3Comparison of different methods for studying deposition rate方法分类地质年代学与统计学方法地球化学方法绝对年龄框架约束法旋回地层学统计调谐法稀土元素配分模式法晶体粒径分布模式法星际尘埃特征元素丰度法方法举例锆石LA-ICPMS，SIMS和ID-TIMS定年自生矿物K-Ar，40Ar/39Ar，Rb-Sr和Re-Os同位素定年平均频谱误差分析法（ASM）时间标尺优化法（TimeOpt）相关系数分析法（COCO）贝叶斯反演法（La/Yb）N值莓状黄铁矿粒径分布特征元素3He，Ir和Co 丰度值适用条件含有凝灰岩夹层的页岩层系剖面不含凝灰岩夹层的黑色页岩剖面连续沉积的页岩层系剖面深海相和深湖相页岩样品深海相和深湖相页岩样品深海相和深湖相页岩样品主要优势准确计算出平均沉积速率直接利用沉积岩自生矿物定年且具有较高的年代学精度高分辨率刻画页岩剖面的沉积速率或追踪沉积速率的变化获取相对沉积速率获取相对沉积速率获取相对沉积速率存在问题难以获得合适的锆石样品对样品类型要求较高，分析和处理过程较为复杂需要人为选择目标天文曲线、调整滑动窗口等参数稀土元素的富集和亏损受多种因素影响莓状黄铁矿的数量少导致抽样误差且影响统计结果火山活动、生物富集作用、陆源物质稀释效应均影响实验结果836第 4 期张瑞，等.中国陆相富有机质页岩沉积速率研究及其页岩油勘探意义长期波动。图6b显示的不同时间尺度的间断面，实际上代表了不同级次的层序界面。更长时间的沉积过程则产生更长时间的沉积间断。总之，沉积速率取决于观测的时间尺度。不同类型或不同时代岩层的沉积速率比较，必须在同一时间尺度上进行。3.2陆源碎屑输入对沉积速率的影响沉积速率研究要考虑沉积物供应量的影响，陆源碎屑输入量增加会导致沉积速率增大。例如PETM期间，由于全球水文循环的加剧，