0 引言
沉积的旋回性是地层中普遍存在的一种现象，从地层到岩石再到岩石内部的组构特征，旋回性存在于不同尺度中，体现了沉积作用的内在规律性，是众多地质学家研究的热点[1⇓-3]。在盆地中广泛发育的粒度小于62 μm且细粒碎屑物质含量占50%以上的细粒沉积岩中，旋回性十分明显，从岩心尺度到薄片尺度再到更精细的微—纳米尺度，可见矿物组分、沉积构造、储集空间的旋回变化[4⇓⇓-7]。众多学者在细粒沉积岩的矿物组成、岩相划分、沉积环境恢复、储集空间类型、成岩演化等方面取得了许多重要成果，既丰富了沉积学的科学体系，也深化了对细粒沉积岩的认识[8⇓⇓⇓-12]。同时，日益兴起的页岩油气勘探开发对“源储一体”的细粒沉积岩基础地质研究提出了更高的要求。越来越多的学者认识到旋回性表征及旋回形成机制研究是揭开细粒沉积岩非均质性及页岩油气富集规律的关键。
为更好地表征湖相细粒沉积岩的旋回性特征，地质学家认为需要综合利用矿物成分、岩相、地球化学、测井曲线及古生物资料在湖相细粒沉积岩中开展层序地层学研究[16⇓-18]。Johnson等[19]提出的水进-水退旋回（T-R旋回）层序学基于断陷湖盆中广泛发育的湖进—湖退沉积旋回，将一个T-R旋回层序定义为一次水体加深事件的开始至下一次同等界别水体加深事件之初这段时间内的沉积单元，并在一个T-R旋回层序内部划分出两个体系域：湖进体系域（LTST）和湖退体系域（LRST），其中LTST相当于经典层序地层学中下伏层序的湖侵体系域（TST），而LRST则相当于下伏层序的高位体系域（HST）加上上覆层序的低位体系域（LST）。湖相沉积的展布范围小，湖平面变化频繁，半深湖—深湖区沉积受气候、物源的影响大而具有水进与水退的旋回变化，因此在湖相细粒沉积岩中适合开展T-R旋回层序地层学研究。
渤海湾盆地黄骅坳陷沧东凹陷古近系孔店组二段（孔二段）作为典型的湖相纹层型页岩层系，平面分布范围广，纵向地层厚度大，油气显示活跃，前期部署的多口直井和水平井均突破工业油流关。前期通过系统地质分析，基本明确了孔二段页岩油“七性”特征，但尚未开展系统的高频旋回划分及分析，有效页岩的分布规律尚不清楚[20⇓-22]。此外，有机质在细粒沉积岩形成和演化过程中也具有重要影响，一方面作为岩石骨架的一部分，是孔隙发育和页岩油气赋存的重要载体，另一方面有机质作为油气形成的物质基础，其含量决定了油气的资源潜力。因此，进行高频旋回划分及旋回结构内部特征分析，并进一步解剖高频旋回对有机质的影响，对于指导下一步该区页岩油的勘探、评价与开发均具有重要意义。本文基于陆相T-R旋回层序划分方法，以沧东凹陷古近系孔二段陆相坳陷湖盆为例，通过识别层序界面和T-R转换面，建立孔二段细粒沉积岩的五级高频旋回地层格架，以不同尺度及方法表征细粒沉积岩高频旋回特征，明确高频旋回对于有机质的影响，以期为本区和邻区水平井的优化部署及压裂段簇的设计等提供依据。
1 地质背景
沧东凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷的南部，东侧以徐黑断层为界、与徐黑凸起连接，西侧以沧东断层为界、与沧县隆起连接，南、北分别为东光凸起和孔店凸起，整体表现为由西南向东北展开的狭长形态。盆地内发育2个正向构造带和3个斜坡带，分别为孔店构造带、舍女寺断鼻带和孔西斜坡、孔东斜坡、南皮斜坡[20]。
沧东凹陷在孔二段沉积期是一个坳陷型的封闭湖盆，气候为潮湿—半干旱，湖盆范围较大，水体较深，周边断层活动也较弱，主要发育辫状河三角洲相、扇三角洲相、滨浅湖亚相及半深湖—深湖亚相等（见图1 ）。孔二段整体发育灰黑色的细粒沉积岩，属于内陆湖相沉积，自下而上划分为孔二段四亚段—孔二段一亚段（Ek24、Ek23、Ek22和Ek21）4个亚段。Ek24亚段下部主要为三角洲前缘和前三角洲亚相沉积，岩性以粉细砂岩为主，又被称为下砂岩段，向上粒度逐渐变细，岩性以粉砂质泥岩和泥质粉砂岩为主。Ek23—Ek22亚段主要为半深湖—深湖亚相，岩性以泥岩、页岩和白云质泥岩为主，在Ek22亚段顶部由于水下扇的发育而形成了一套浅灰色的细粉砂岩，又称为上砂岩段。Ek21亚段下部仍为半深湖—深湖亚相细粒沉积，向上过渡为滨浅湖亚相粉砂质泥岩，可见薄层砂岩层。
为深入研究沧东凹陷孔二段细粒沉积岩高频旋回特征，主要以Ek23亚段、Ek22亚段以及Ek21亚段的下部为研究对象，选取官108-8井针对孔二段连续取心500 m，对其进行详细的岩心描述，并对千余块次样品开展岩性、烃源岩特性、物性、含油性等分析（见图2 ）。
2 高频水进-水退旋回划分与旋回结构内部特征
2.1 孔二段细粒沉积高频旋回划分
孔二段是沧东凹陷孔店组内部的一个三级层序，其顶、底界面在盆地边缘均为不整合接触。孔二段内部又划分为4个四级层序，自下而上分别为SQ1、SQ2、SQ3和SQ4，分别对应4个亚段[23]。常规3孔隙度测井（Δt、ρ、ϕN）可用于细粒沉积岩的岩性识别，即从泥页岩过渡到碳酸盐岩，声波时差值逐渐减小、密度值逐渐增大、中子孔隙度值逐渐减小（见图3a ）。基于这一理论，提出了形象的“红模式”，即长英质矿物与黏土矿物含量高时，将用于判定岩性的测井曲线间充填为红色，红色面积越大代表长英质矿物与黏土矿物含量越高；碳酸盐矿物含量高时，将用于判定岩性的测井曲线间不填充颜色，无色面积越大代表碳酸盐矿物含量越高[24]（见图3b ）。以T-R旋回层序地层学理论为指导，应用“红模式”理论进行高精度层序格架及高频沉积旋回划分，五级层序界面及T-R转换面为测井曲线“红色”与“无色”之间的转换界面，区别在于层序界面是自下而上“无色”至“红色”的转换、T-R转换面为自下而上“红色”至“无色”的转换（见图3 ）。在此基础上，结合矿物岩石学、元素地球化学及有机地球化学等资料在官108-8井Ek23—Ek21（页岩累计厚度363.49 m）富有机质细粒沉积岩中进行了高频旋回的划分。
将沧东凹陷孔二段细粒沉积岩划分为11个五级层序，其中四级层序SQ2（即Ek23）可进一步细分为SQ①、SQ②、SQ③、SQ④及SQ⑤（见图4 ）；四级层序SQ3（即Ek22）可进一步细分为SQ⑥、SQ⑦、SQ⑧及SQ⑨，SQ⑨为上砂岩发育段；四级层序SQ4下部（即Ek21下部）可进一步细分为SQ⑩及SQ⑪。每一个五级层序都可划分出一个水进旋回（T旋回）和一个水退旋回（R旋回）。由于细粒沉积岩的非均质性很强，水进或水退旋回内仍可能存在次一级的变化，但从研究尺度与资料密度的匹配性来看，本文以五级层序内的旋回作为表征对象。
2.2 层序纵向演化规律
孔二段富有机质细粒沉积岩的五级层序在垂向上存在一定的演化规律，这一规律控制了不同亚段的细粒沉积岩特征，也有助于指导页岩油的勘探预测。从矿物组成和元素地球化学特征的变化来看，五级层序SQ①到SQ③处于快速湖侵阶段，湖盆扩张，气候潮湿，湖平面快速上升，长英质矿物含量增加。五级层序SQ④至SQ⑧处于震荡湖侵阶段，气候整体潮湿、干湿交替，湖盆对气候变化响应敏感，长英质矿物富集段与碳酸盐矿物富集段交替出现、厚度不等。五级层序SQ⑨至SQ⑪处于高水位阶段，气候潮湿，以长英质矿物为主。从有机地球化学特征和纹层发育特征来看，快速湖侵阶段和高水位阶段纹层相对发育，高水位阶段及快速湖侵末期（五级层序SQ③）的TOC值最高。
2.3 高频T-R旋回结构内部特征
2.3.1 矿物含量特征
沧东凹陷孔二段细粒沉积岩矿物组成复杂，常规的岩心及薄片观察并不能有效识别细粒沉积岩的矿物组成。针对官108-8井孔二段富有机质细粒沉积岩段岩心的密集取样开展全岩X射线衍射测试，进行矿物含量变化特征分析。研究表明沧东凹陷孔二段主要发育长英质矿物、碳酸盐矿物和黏土矿物，此外还发育少量的方沸石、黄铁矿、菱铁矿等（见图5 ）。长英质矿物含量平均约为44.1%，以细粉砂级和泥级的石英和长石为主。碳酸盐矿物含量平均约为34.1%，以白云石和方解石为主，其中白云石含量较方解石含量高，分布范围也更广，其平均值约为26.1%。黏土矿物平均含量较低，为14.2%，主要为伊利石、伊/蒙混层及少量绿泥石。在特殊矿物中，方沸石含量较高，平均值可达6.8%。研究区长英质矿物和黏土矿物主要为陆源碎屑成因，又统称为陆源碎屑矿物；碳酸盐矿物则主要为盆内矿物。沧东凹陷孔二段细粒沉积岩的混合沉积现象明显[21]，无明显优势矿物，由长英质矿物和黏土矿物组成的陆源碎屑矿物与碳酸盐矿物的含量此消彼长，表现出物源供给的强弱变化。
图5 沧东凹陷孔二段细粒沉积岩主要矿物特征（a）官108-8井，2 982.78 m，长英质矿物略显层状，可见粒序层理，单偏光；（b）官108-8井，2 945.15 m，长英质矿物分散分布，单偏光；（c）官108-8井，3 202.62 m，纹层状方解石，正交偏光；（d）官108-8井，2 925.99 m，方解石分散分布，单偏光；（e）官108-8井，2 985.97 m，方沸石纹层与碳酸盐矿物纹层互层，正交偏光；（f）官108-8井，3 054.55 m，石英颗粒零星分布，单偏光；（g）官108-8井，2 978.73 m，长英质纹层，单偏光；（h）G108-8井，3 069.62 m，泥晶块状白云岩，单偏光；（i）官108-8井，3 321.11 m，方解石充填裂缝，正交偏光；（j）官108-8井，3 016.09 m，放射状黄铁矿，单偏光 |
通过对比分析细粒沉积岩中的陆源碎屑矿物与碳酸盐矿物的含量变化，发现垂向变化非常频繁，难以找规律，但以五级旋回进行统计发现，五级T旋回的陆源碎屑矿物含量为43.37%~67.17%，平均值为50.57%；五级R旋回的陆源碎屑矿物含量则为37.67%~54.39%，平均值为46.22%。五级T旋回的碳酸盐矿物含量为26.07%~37.91%，平均值为33.37%；五级R旋回含量则为33.35%~44.83%，平均值为37.51%。其中SQ⑨以粉细砂岩沉积为主，不在统计范围内。T旋回中的陆源碎屑矿物含量相对占优，而R旋回中的碳酸盐矿物含量相对占优（见图4 ）。
2.3.2 元素地球化学特征
细粒沉积岩的形成是物质“来源—搬运—沉积”的综合过程，该过程同时伴随元素的迁移与聚集，利用元素含量或比值的变化，可对古盐度、古水深、古氧化还原性、古气候和陆源输入等沉积环境进行重建[25-26]。为了研究沧东凹陷孔二段细粒沉积岩形成时期的沉积环境，对孔二段样品进行了主微量元素分析。元素地球化学特征恢复的沉积环境结果表明官108-8井孔二段沉积环境特征为半咸水—咸水、半深水、缺氧、干旱—潮湿，其中，古水深与古氧化还原性比较稳定，δU值分布范围为0.87~1.33，平均值为1.08。但古盐度（用Sr/Ba值表征）与古气候（用Rb/Sr值表征）在垂向上频繁波动。五级T旋回Sr/Ba值为0.79~1.11，平均值为0.95，五级R旋回Sr/Ba值则为0.95~1.37，平均值为1.10。五级T旋回Rb/Sr值为0.09~0.89，平均值为0.24，五级R旋回Rb/Sr值则为0.10~0.15，平均值为0.12。除了SQ⑩外，所有层序的T旋回与R旋回相比，盐度都要更低、气候更加潮湿（见图4 ）。
陆源碎屑矿物含量与Sr/Ba值呈负相关、与Rb/Sr值呈正相关，碳酸盐矿物含量则相反，说明沉积环境特征对沉积物特征影响显著（见图6 ）。此外，通过对官108-8井孔二段细粒沉积岩的8块岩心样品进行X射线荧光光谱仪（2D-XRF）测试，结果显示细粒沉积岩元素分布组成表现为陆源碎屑矿物和碳酸盐矿物互层或者混积的特征。五级T旋回中K、Al、Si等代表陆源碎屑矿物的元素含量相对较高，且与Ca、Fe、Mg等代表盆内自生碳酸盐矿物的元素呈互层状分布，纹层构造非常发育（见图7 ）；五级R旋回中代表碳酸盐矿物的Ca、Fe、Mg等元素含量相对较高，与K、Al、Si等代表陆源碎屑矿物的元素混杂分布，纹层构造不发育（见图8 ）。因此，T旋回主要形成于相对潮湿、相对深水、盐度相对较低的沉积环境，此时陆源输入充足，长英质矿物含量高，而R旋回形成于相对干旱、相对浅水、盐度相对较高的沉积环境，此时陆源输入不足，碳酸盐矿物含量高。沧东凹陷孔二段沉积时期为坳陷型封闭湖盆，构造活动弱，气候潮湿时，伴随着降水及地表径流的增加，物源供给充足，长英质矿物及黏土矿物等陆源碎屑矿物含量相对较高；气候干旱时，湖盆水体的蒸发量大于补给量，古盐度增加，碳酸盐矿物含量相对较高。湖盆由于面积小，对气候等沉积环境特征的变化十分敏感，并记录在细粒沉积岩中。
2.3.3 纹层发育特征
纹层在沧东凹陷孔二段细粒沉积岩中广泛发育，从成分上，可以分为白云石纹层、长英质纹层、黏土纹层、有机质纹层或二者混合纹层；从结构上，可以分为连续性纹层、透镜状纹层、波状纹层。不同成分的纹层在垂向上频繁叠置，构成了沧东凹陷孔二段细粒沉积岩最常见的形态。将官108-8井500 m岩心切开后抛光，对抛光面分别进行普光扫描和荧光扫描，利用扫描照片可以定量统计纹层发育情况。以肉眼可见为标准，单层厚度大于0.1 m的归类为块状构造、小于0.1 m为（纹）层状构造、发育软沉积物变形构造的为扰动层。为方便对比，根据对官108-8井富有机质细粒沉积岩段336 m岩心的纹层统计，提出了细粒沉积岩厘米级纹层定量表征参数，分别为纹层密度和纹层厚度比。在同一五级层序内，T旋回的纹层层数、纹层厚度比、纹层密度均明显大于R旋回，体现出长英质矿物含量高的细粒沉积岩纹层发育更好。T旋回形成于潮湿气候条件，水深增加，水体形成分层，在水体底部的安静环境中更易于形成纹层（见图4 ）。
3 高频旋回对有机质发育的影响
3.1 高频T旋回有利于初级生产力勃发和有机质赋存
沧东凹陷孔二段沉积时期湖盆水体处于缺氧状态，具有有机质保存的良好条件。孔二段细粒沉积岩段各五级旋回的TOC值范围为2.28%~6.00%，平均值为3.67%。具体表现为：①在SQ①—SQ③的快速湖侵阶段，自下而上TOC值呈现明显增加的趋势，T旋回TOC值高于R旋回，这体现出快速湖侵阶段伴随着潮湿气候条件下物源的快速输入，物源带来的营养物质促进了藻类的勃发、提高了湖泊的初级生产力，湖平面的快速上升形成了有利于有机质保存的厌氧-还原环境。②在SQ④—SQ⑧的震荡湖侵阶段，TOC值随气候变化会出现震荡变化，但整体相对稳定，五级T旋回的TOC值均大于五级R旋回的TOC值，这体现出震荡湖侵阶段TOC值明显受气候变化的影响。③SQ⑨—SQ⑪为高水位阶段，TOC值相对稳定、变化幅度不大，但相较于震荡湖侵阶段，T旋回与R旋回的TOC值均有所增加，这体现出稳定高位阶段气候潮湿导致物源输入增加（见图4 ）。由此可见，沧东凹陷孔二段细粒沉积岩段自下而上经历了快速湖侵、震荡湖侵和高水位3个阶段，宏观上控制了有机质的纵向发育规律。
从官108-8井有机地球化学的特征来看，在细粒沉积岩五级旋回中，T旋回的TOC值及S1值大于R旋回，反映出T旋回具有较好的页岩油勘探潜力。结合不同尺度的纹层分析，T旋回在岩心上纹层状构造普遍发育、不同成分的纹层垂向叠置，在薄片上纹层细密平直，而R旋回在岩心上块状构造相对发育，在薄片上可见隐纹层状构造，但纹层密度小、单层厚度大。由此可见，T旋回形成于水体较深、水体安静的沉积背景，从而在湖底形成纹层状构造。水体较深时易于分层，在水体底部形成的缺氧-还原环境易于有机质的保存。
综合矿物岩石学、元素地球化学和有机地球化学分析结果，细粒沉积岩T、R旋回的总体特征表现为：T旋回具有陆源碎屑矿物含量高、古盐度低、古气候偏潮湿、TOC值及S1值高、纹层密度大的特征；R旋回具有碳酸盐矿物含量高、高盐度高、古气候偏干旱、TOC值及S1值低于T旋回、纹层密度小的特征（见图4 ）。
3.2 高频旋回有效控制有机质类型
根据煤岩学和烃源岩有机显微组分相关理论，参考国际煤岩学委员会（简称ICCP）陆续公布的镜质体、惰质体、腐植体和类脂体的分类方案，统称为“ICCP System 1994”的分类方案，以及石油行业标准（SY/T 6414—2014）推荐的显微组分分类方法[27⇓⇓⇓-31]，将沧东凹陷官108-8井孔二段烃源岩有机显微组分划分为镜质组、惰质组、壳质组和腐泥组4大类。其中腐泥组主要包括无定形腐泥体、藻类体（见图9a 、图9b ）和沥青质体。无定形腐泥体在全岩中的产出是以沥青质体和矿物沥青基质两种亚组分形式，其不具有明显形态结构特征，一般是低等水生生物或菌类遗体的分解产物经聚合作用与缩合作用而形成。从官108-8井孔二段细粒沉积岩中有机显微组分的分布来看，除形态有机质外，还发育大量的细小有机质，这部分有机质往往与细小黏土矿物相伴生，形成有机黏土复合体的形式存在[32]。这部分有机质在有机岩石学光片中因分辨率限制，而体现出无定形特征，显微组分定量时界定为无定形的矿物沥青基质。
孔二段可见到大量的不同尺寸的陆源有机组分，包括惰质体（主要为丝质体和半丝质体）（见图9a —图9d ）、一些孢子体（见图9c 、图9d ）及镜质体（见图9e —图9h ）等组分。这类组分在各样品中均可大量发现，反映出强烈的陆源输入特征。
来源于水生的藻类体主要包括结构藻类体（Telalginite）和层状藻类体（Lamalginite）（见图9e —图9h ）。结构藻类体通常来源于群体藻类或厚壁单细胞藻类，群体外形清晰，边缘多呈锯齿状，表面呈蜂窝状或海绵状，有时可见群体是由几百个管状单细胞组成，群体中部具空洞或裂口。层状藻类体来源于小的单细胞藻、薄壁浮游藻类或底栖藻类群体，由非常密集的线形藻类残体集合而成，往往与季节性藻类勃发有关，代表着水体具有较高的生产力水平。藻类体为湖泊水体自生有机质，代表为水体内生生源，而镜质组、惰质组、壳质组为陆源高等植物输入有机质来源。
将湖泊内水生有机质和外部输入的陆源有机质两大类分别进行统计，并采用图象处理软件进行显微组分面积和尺寸的计量与统计（见图10 ）。各旋回有机显微组分的显微图像学进行定量统计结果显示，全岩中陆源有机质种类与含量体现出一定的规律性变化特征（见图11a —11d）。陆源有机质相对含量总体上呈现出从SQ①到SQ⑤逐渐降低的特征，而在SQ⑥到SQ⑦陆源有机质相对含量升高，之后逐渐降低。从有机显微组分相对含量的变化上来看（见图11c 、图11d ），高频T旋回和R旋回出现规律性的变化，T旋回陆源有机质相对含量高于R旋回，而水体内生有机质相对含量正相反。
镜质体作为陆源有机质的代表，其含量丰富程度代表着陆源有机质输入的强弱。镜质体颗粒的大小也往往能反映水体搬运能力的强弱。在湿润气候条件下，降水量大，地表径流搬运能力强，尤其是季节性洪水可较容易地将较大颗粒有机质搬运到湖心区域，而在干旱季节，地表径流量明显减少，流水搬运能力较弱，大有机颗粒相对较少，而细碎的镜质体颗粒才能到达湖心位置。经过对所统计光片中镜质体颗粒的统计发现（见图11e ），镜质体颗粒直径总体上呈现出早期大颗粒较多，晚期小颗粒为主的特征，并在各个旋回体现出差异。在SQ①—SQ③的快速湖侵阶段，气候潮湿，季节性洪水频发，镜质体颗粒整体比较大，T旋回的镜质体颗粒长度多大于R旋回的镜质体颗粒。在SQ④—SQ⑧的震荡湖侵阶段，气候影响占主导，干湿交替，镜质体颗粒整体较小，其搬运方式发生变化，与水动力强弱相关性不大，因此镜质体颗粒长度变化与T、R旋回变化关系不明显。在SQ⑨—SQ⑪的高水位阶段，气候再次潮湿，但水体相对稳定，镜质体颗粒仍然较小。
4 结论
沧东凹陷古近系孔二段细粒沉积岩段可划分为4个四级层序，并进一步细分为11个五级层序。五级层序垂向上经历了从早期快速湖侵阶段、中期震荡湖侵阶段到晚期高水位阶段，各五级层序均发育水进旋回与水退旋回。
不同旋回结构内部在矿物含量、元素地球化学及纹层发育特征等方面具有显著差异。T旋回具有陆源碎屑矿物含量高、纹层密度大、古盐度低、古气候偏潮湿、TOC值高及S1值高的特征；R旋回则表现为碳酸盐矿物含量高、纹层密度小、古盐度高、古气候偏干旱、TOC值低及S1值低的特征。
高频旋回有效控制了有机质的丰度与类型。孔二段TOC值普遍较高，尤其是快速湖侵阶段物源的快速输入，不但可以导致长英质矿物富集，同时也会带来较多的陆源有机质；震荡湖侵阶段，TOC值随气候变化会出现震荡变化，但整体相对稳定；高水位阶段，随着气候潮湿、陆源输入的增强，TOC值又有所增加。此外，物源输入带来的营养物质也会促进藻类的勃发，因此在T旋回除了有较高的陆源有机碳含量以外，水体内生有机质也较发育，进一步提高了湖泊的初级生产力。
符号注释：
L1——声波测井曲线到基线的距离，即归一化声波时差，无因次；L2——密度测井曲线到基线的距离，即归一化密度，无因次；Δt——声波时差，μs/m；Δt1——声波测井刻度最小值，μs/m；Δt2——声波测井刻度最大值，μs/m；ϕN——补偿中子孔隙度，%；ϕN1——补偿中子孔隙度测井刻度最小值，%；ϕN2——补偿中子孔隙度测井刻度最大值，%；ρ——密度，g/cm3；ρ1——密度测井刻度最小值，g/cm3；ρ2——密度测井刻度最大值，g/cm3。