油燃而声 第6期 | 海相沉积与陆相沉积之面面观
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《油气简史》
（第二版 富媒体）
油燃而声 第4期
（科普解说词见文章末尾）
从全世界目前的油气资源勘探发现来看，海相油气资源丰富、品质优良、分布面积广，而陆相油气资源次之。大家可能很疑惑，到底什么是海相？什么又是陆相呢？为什么海相油气资源往往比陆相好？仅仅是因为海比湖大吗？还是因为海洋中生物比陆上丰富？为了解开这个谜团，我们还是先从储集油气的石头中去寻找答案吧。
实际上，任何一块通过沉积作用形成的岩石，虽然外表看上去差不多，却蕴含了大量的信息，如岩石的类型、颜色、成分、排列组合方式等，这些信息能反映出沉积岩形成时的沉积环境特征，比如自然地理条件（海洋、湖泊、河流、沙漠等）、气候条件（如干旱、潮湿、寒冷、炎热等）、构造背景（隆起或坳陷）、水动力条件（水的能量、流速等）。
▲沉积岩的主要沉积环境（朱筱敏，2008)
环境是地理学中的概念，地球表面可划分为不同的地理单元，如山脉、河流、湖泊、 沙漠、海洋等。沉积物质沉积时的自然地理单元，我们也称之为沉积环境
通过沉积岩保存的大量信息，可以推测出沉积岩形成时的自然环境，获取的信 息越多推断越准确。比如我们在沉积岩表面发现了波状起伏的特殊现象，很容易联想到海湖边上的现代波痕形态，推测出这块岩石当时很可能在海边或者湖边受波浪 作用影响而形成。地质学家们具有丰富的科学知识，还可以进一步根据岩石波痕的规模、形态等，分析当时波浪的规模、水的流动方向，获得大量沉积时的水动力条件和水流方向等信息，进而推断当时的古环境。沉积环境中形成岩石的所有地质信息总和，或者沉积环境的产物，包括岩石类型、沉积构造、岩石厚度、古生物等标志，地质科学家们把它们统称为“沉积相”。不同的沉积环境对应不同的沉积相，就好比给人画头像，千人千面，每个人的眼、 耳、口、鼻等特征不同，所画出的头像就有所差异。“沉积相”中包含了一些能直接反应沉积环境的重要标志，科学家们称之为“相标志”。
▲现代波痕
随着时间的不断推移，沉积物埋藏深度逐渐增加，上覆物质的重量不断增大，温度和压力也持续变高，发生沉积物不断被压缩、水分逐渐排出等物理化学变化，松散可塑性强的沉积物逐渐固结，形成坚硬的岩石，科学家把这种岩石叫作沉积岩。
沉积岩的相标志
何谓沉积相的相标志？是指反映沉积环境的标志，各种环境条件的物质记录，它是古地理环境恢复的基础。沉积岩的相标志主要包括岩性特征、古生物、地球化学、地球物理四种相标志类型。这好比文学作品中，每一个人物都具有大量的个人信息（外貌、骨骼、形态、 穿着、性格等），类似于“人物相”，而这些信息中有一些典型的、 代表性的标志（比如说左手背上有一个胎记），类似于“人物相标志”， 可以明显区分出特定人物。
01
岩性特征主要包括岩石的颜色、成分、结构、沉积构造四个方面， 沉积岩层厚度和岩层横向展布规模、岩石垂向叠置旋回特征也是其重要的标志之一。
大家游览名山大川时或许已发现，岩石有不同的颜色， 有黑色、灰色、红色、黄色、 棕色等。这是什么原因呢？沉积岩的颜色主要决定于构成岩石的矿物颜色或者混入杂质的颜色，地质学家也分别称之为继承色、自生色。
▲肉红色长石砂岩
▲灰白色石英砂岩
继承色，由组成岩石的主要矿物颜色所决定，如长石砂岩为肉红色是继承了正长石矿物的肉红色，纯净的石英砂岩为白色是因为继承了白色石英矿物的颜色。自生色，是在岩石形成过程中混入不同元素杂质而使岩石产生的颜色，又可以称为原生色，常常可以反映沉积时的地理环境。如红色、黄褐色泥岩，往往因富含 铁的氧化物或氢氧化物（如赤铁矿、褐铁矿等）的少量自生矿物造成，则反映氧化环境，即氧气充足的环境，这与我们日常生活中见到的铁生锈的原理是类似的；灰色、黑色泥岩，多因富含有机碳造成的，有机碳含量越多颜色越黑，由此，科学家们推测这样的岩石一般是在还原环境形成的，也就是缺氧的环境。大家可不能小看了这些岩石的颜色，对于碎屑岩而言，颜色是碎屑岩最醒目的标志，科学家们常常将岩石的颜色作为鉴别岩石、划分和对比地层、分析判断古气 候和古地理条件的重要依据之一。
▲石灰岩滴酸剧烈起泡示意图
沉积岩的物质成分很复杂，地质工作者通常从矿物成分和化学成分两方面来诠释。大千世界里各种各样的沉积岩几乎都是由矿物组成的，目前沉积岩中已发现的矿物达160种以上，但常见的只有20余种，例如砂岩多由石英、长石矿物组成，白云岩主要由白云石矿物构成。大家也知道，任何物质都具有一定的化学成分，岩石 也不例外，石灰岩的主要矿物成分是方解石，而方解石的化学成分为CaCO3，滴酸会产生化学反应剧烈起泡。由此可见， 岩石也具有化学成分及相应化学特性。
沉积岩的结构与岩石的形成过程相关。陆源碎屑岩经由陆地 物源区母岩风化与侵蚀、流水机械搬运和沉积形成，再经过压实压溶等物理、化学作用而成岩。陆源碎屑颗粒组成的沉积岩具“碎屑结构”，包括骨架颗粒、孔隙和填隙物三部分；由化学风化为主形成的陆源黏土组成的岩石具有“黏土结构”，陆源碎屑结构 与黏土结构两种多存在于陆源碎屑岩中。以生物作用为主形成的岩石则具“生物结构”，比如生物礁灰岩；由海水或湖水中的化学沉淀物、重结晶作用、白云石可形成“晶粒结构”，比如泥晶灰岩、晶粒白云岩等；主要由机械作用、化学作用联合可形成具有颗粒结构的颗粒岩，比如砾屑灰岩、鲕粒灰岩，上述三种结构多存在于碳酸盐岩中，形成在湖盆或者海盆内部。
对陆源碎屑岩“碎屑结构”而言，可以进一步用颗粒大小（粒度）、 颗粒均匀程度（分选性）、颗粒接近球体的程度（球度）、颗粒棱角被磨圆的程度（圆度）等进行描述。岩石中一个一个的颗粒好比一大箩筐中的苹果，不同苹果的大小、形状、表面光滑性等可能接近或有较大差异。
▲陆源碎屑岩颗粒的均匀程度——分选性
沉积岩在沉积过程中或在沉积岩形成后的各种作用影响下，物质成分具有一定的空间分布和排列方式，我们称之为沉积岩的“构造”。它不仅构成沉积岩的重要宏观特征，而且还可据其恢复沉积岩的形成环境和水动力环境特征。构造通常分为层理和层面构造两类。
层理构造主要是指沉积岩在沉积过程中，受搬运介质（如水、风）的流向、流量的大小等影响，沉积岩在垂直层面的方向上有明显变化而显现的成层现象特征，总称为“层理构造”。层理根据形态，可进一步分为水平层理，波状层理和斜层理等主要类型，是沉积时水动力条件和水流方向的直接反映。
此外，在沉积岩层面上常保留有自然作用产生的一些痕迹，它不仅标志着岩层 的某些特性，而更重要的是记录了岩层沉积时的地理环境，我们称之为“层面构造”，最为常见的为波痕、干裂、雨痕、生物遗迹等。在现代河湾、湖边，海边等泥质沉积物上，常可见到多角形的裂纹，称为干裂，又称泥裂。泥裂在古环境沉积岩表面也常见，指示海滨、河漫滩、湖滨等浅水环境及阳光充足的干燥气候条件。雨点降落在未固结的泥、沙质沉积物的表面，形成圆形或椭圆形凹坑，一直保留在沉积岩的层面上，地质学家称之为雨痕。而生物痕迹，则是指动物在未固结的沉积物表面活动时留下的足痕 ，常见的有恐龙足痕、动物爬痕、潜穴等。
上述构造在沉积岩的碳酸盐岩及碎屑岩中均可以出现。不过，碳酸盐岩还常 有一些自己非常独有的构造类型，如叠层石、示顶底孔隙充填构造、缝合线构造等。
02
“古生物”特征研究沉积岩中的化石或“古生物”特征，有重要意义。通过古生物研究不仅能探索生命的起源，阐明生物界的进化历史，也是推断古地理、古气候条件的主要手段之一。化石是保存在沉积地层中各地质时期的生物遗体、遗迹以及古生物残留的有机组分。古生物是生存于地质历史时期生物的泛称。古代生物的遗体和遗迹能不能成为化石，这取决于生物本身的条件和生物死亡后的外界环境这两个方面。
一般而言，生物遗体保存为化石需要具备一定的条件：首先，生 物体本身要有不易被氧化腐蚀、利于保存的硬体部分，如动物的介壳、 骨骼、牙齿，植物的纤维等，但遗迹化石类的形成不需要具有硬体条件；其次，生物死亡后其遗体必须被沉积物迅速掩埋，以免腐烂、毁坏或被其他生物所食。因此， 海洋、湖泊等水域是保存生物遗体的有利环境。生物遗体在经过一段时间的埋藏以后，随着沉积物的固结成岩，经历种种石化作用成为化石。有时，在一些极特殊的条件下，如冰 冻、密封或极度干燥，生物遗体的全部可以相当完整地保存 下来。例如在我国抚顺古近纪煤层中所产的琥珀（由树脂变来的）内就有翅膀俱全、栩栩如生的昆虫。又如曾在西伯利亚的冻土层中发现整体保存的晚更新世猛犸象。
▲珊瑚化石
▲珊瑚化石
科学家们为何研究这些已消失了的古老生物呢？是因为生物与其生活环境之间是相互制约、 密切相关的，一定的生物适应于一定的生活环境。作为适应环境的结果，各种生物在其习性行为和身体的形态、结构上都具有某些能反映环境条件的特征。因此，采取将今论古的原则，利用这些特征可反推生物的生活环境。例如，现代的珊瑚只生活在海洋中，如果在地层中找到这些类别的化石，就可以确定含这些化石的地层当时是在海洋中形成的。从化石的特点也可以推断古气候，例如，现代造礁珊瑚生活于水温18℃以上的清澈浅海， 如果我们在地层中发现造礁珊瑚化石，自然可以推断这一地层的形成环境是温暖、清澈的浅海。
03
“地球化学”特征：“地球化学”特征主要包括同位素含量、微量元素含量等。研究同位素含量、微量元素含量有何意义呢？有何作用呢？举一个实例，科学家们通过对岩石中放射性同位素含量的测定，根据它的衰变规律就可以计算出岩石有多老、有多年轻。目前，地质学家们所用的同位素测定方 法很多，有的测定岩石的年龄一般不超过 5 万年，如14C方法；有的可测 10 万～10 亿年，如钾—氩法；有的可测 1000 万～10 亿年，如铀—铅法。有了这些方法，地 质学家们就编制出了“地质年代表”（即不同地质历史时期距现在时间），用于判断不同地方的岩石是否是同一时代形成的，从而进行地层划分与对比。此外，不同的环境具有不同的地球化学特征，我们通过鉴定岩石中的微量元素类型（如 Ti，V， Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn）及含量分析，就可以推测出不同类型岩石的沉积环境，例如 Mn 常常富集于富氧的沉积物中，在海水中常以 Mn2+稳定存在，只有当海水强烈蒸发而使 Mn2+饱和时，它才会大量沉淀，从而在沉积岩中显示高值， 反之，我们可以通过沉积岩中发现的高 Mn2+值推测当时为蒸发环境。
▲海洋环境分带示意图
（P.H. Heckel, 1972, 略改）
▲长江河口三角洲环境及沉积产物
（恽才兴，2004， 2010）
沉积相分类
地质学家们把沉积相分为三大类，包括海相、陆相和海陆过渡相。海相是指在海洋环境形成的沉积相的总称，根据形成的海水深度以及在海洋中的位置
（如浅海、半深海、深海等）可分为滨岸相、
浅海相、半深海相和深海相等。陆相是指在陆地上的自然地理环境下形成的沉积相的总称，包括洪积相、湖泊相、河流相、
沼泽相等。而介于海相和陆相之间的沉积环境形成的沉积相称之为“海陆过渡相”，例如，
三角洲相、潟湖相、障壁岛相、潮坪相等。
▲沉积相类型
海相沉积生油为什么
天生比陆相 “优越”？
统计结果表明，全球高达 90％的油气储量 发现于海相地层中，以中东地区最为典型。中东 地区的石油产量、储量均占到了世界的 70% 以 上，有“世界油库”和“石油海洋”之称，陆 续发现了包括世界第一大油田加瓦尔油田在内 的一系列超级大油田，而这一地区的生油岩都是海相沉积。这充分说明，与陆相沉积生油相比， 海相沉积生油的“优越性”更明显。科学研究表明，海相沉积生油的天生“优 越性”要归功于其“出身”好。首先，海相环境比陆相环境更有利于油气形成。大家都知道， 有机质是生物物质（主要包括海洋、湖泊中的 细菌、浮游植物、浮游动物和高等植物）的分泌物和排泄物及其死亡后的遗体，通过沉积作 用进入水下沉积物中并被埋藏下来，成为沉积岩的一部分。在一定的温度下，经过生物化学作用、物理化学作用便可形成石油。相对来说，在海洋滨浅海环境，水清洁、宁静，阳光、温度很适宜生物的繁殖，有机物特别丰富，海洋生物也以低等水生生物为主， 并且含有较多的脂肪物和类脂组分；而陆地生物以高等植物为主，其 中含有较多的木质纤维成分。我们知道，有机质中脂肪物和类脂组分是形成石油的最重要物质，由此可以推断，海相地层中拥有“更多、更好”的生成原油的原料，当然也具有更强的生油生气能力。但当陆相沉积层发育了以深水湖泊为主的盆地时，其有机质性质也会改变， 大量的湖泊水生生物得到繁殖，将使有机质类脂成分增加，也可以形成一定规模的石油。中国大量的陆相油气资源，主要生成于陆相湖盆环境。
其次，海相环境比陆相环境更有利于有机质保存。众所周知，沉积物中有机质得以保存的关键因素是环境的缺氧程度。一般来说，海洋的咸水环境比陆相淡水环境更有利于有机质的保存（即便是海洋咸水环境下，沉积物中的有机质也只能保存原始有机质的 0.1%)。虽然当陆相湖泊水深非常深的时候，同样也有利于有机质的堆积与保存，但一般情况下总体规模是远远不如海相盆地的。
最后，海相环境比陆相环境更有利于油气藏的形成。陆相沉积环境多分布在山 前、山间活动区域，规模相对较小，并常受造山活动、断裂活动的影响，油藏保存条 件不够理想，油气形成以后容易遭受破坏。而海相盆地规模大、构造活动相对稳定、 构造简单、面积大，有利于大型构造油气藏的形成，而且油气藏保存相对较好。
▲龙王庙气藏大型海相碳酸盐岩气田一角
海相沉积与湖泊相沉积的主要差异
从沉积规模来看，海相环境的沉积场所广阔，沉积物的规模自然不是湖泊所能比拟的，例如奥陶纪的海相沉积在中国多数地区均有分布，远远大于单个湖泊相沉积的规模。从沉积岩特征来看，湖相沉积以碎屑岩为主，碳酸盐岩沉积不到 1%，而海相地层中碳酸盐岩的比例较大，厚度大，分布规模大，甚至整个时代层位的地层皆由碳酸盐岩组成。此外，海相碳酸盐沉积岩中生物化石比较丰富，底栖、游泳和浮游生物发育，如红藻、绿藻、有孔虫、珊瑚类、放射虫等。湖相碳酸盐沉积岩中仅可发育淡水的瓣腮类、腹足类、蓝绿藻、鱼类等淡水化石，滨浅湖相沉积地层中常含陆相植物化石。从沉积岩分布稳定性来看，海相沉积受全球海平面变化影响，海相沉积在全球具有可对比性。如果具体到某个小范围的海相油气区块，海相地层的岩性更为稳定，可对比性更强。而不同湖泊沉积受地形控制，地层仅在同一个湖盆内可以对比， 跨湖盆几乎没有可对比性。此外，同一湖泊内部，岩性、岩相变化也相对较快。
从油气的生成和成藏来看，海相沉积从滨岸至深海环境，均可发育多种碳酸盐 岩和碎屑岩储集岩类型，从浅海陆架至深海盆地均有海相生油岩存在，储集岩和生油岩具有发育厚度大和展布规模大的特点。而湖相沉积储集体主要集中在湖盆边部的滨浅湖相区，砂体展布规模相对小，生油岩主要分布在湖盆中心部位，主要为半深湖至深湖暗色泥页岩。从油气资源现状来看，全球 90% 的油气资源发现于海相地层中。据 Klett 和 Schmoker（2001）的估计，海相碳酸盐岩储层的探明石油可采储量至少占全球探明石油可采储量的 32.6%，天然气的探明可采储量占全球探明石油可采储量的30.32%。石油储量居世界前五位的国家沙特阿拉伯、伊拉克、阿拉伯 联合酋长国、科威特和伊朗等集中在波斯湾地区，均以海相沉积为主，石油开发条件优越，油层厚，油田大且分布集中。目前世界上油气储量最大的“深层”海相碳酸盐岩油气田在中国，分别为塔里木的塔河油田和四川盆地的磨溪—安岳大气田。
湖泊是沉积物沉积的重要场所，虽然整体不及海相，但也是油气聚集的重要场所。我国现已发现的石油绝大部分分布于我国东部中新生代湖盆中，此外，塔里盆地库车坳陷也属中新生代湖盆，其天然气储产量巨大，是我国西气东输的源头。
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地下岩石、流体
以及岩石与流体的故事
前面我们了解了岩石和地下油气的一些物理化学性质，在地层条件下，当油、气、水多相流体与高度分散、弯弯曲曲的岩石孔道相遇时，又会产生一些什么样的岩石—流体综合特性呢？这些特性对于流体在岩石中的分布和流动又会产生什么影响呢？
大家在日常生活中应该都看到过水或雨滴落在玻璃上的现象，当水滴在干净的玻璃上，水会沿着玻璃表面展开；而把一滴水银滴在玻璃上，水银往往会缩成一个小球。为什么会有这样的差异呢？这是由于玻璃表面润湿性不同所引起的。当多种互不相溶的流体与固体接触时，其中某一种流体会表现出更加容易在固体表面延展开来的现象，这种现象就是润湿性。我们也可以这样理解，润湿性就是指固体表面更“喜欢”或更“亲近”哪种流体。当水滴在玻璃上时，其实是水和空气两种流体同时与玻璃接触，水在玻璃表面自动铺展开的过程，实际上是水把玻璃表面空气驱赶走的过程，我们可以说相对于空气，玻璃更“亲近”水，也就是玻璃能够被水润湿。
在地下岩层中，也会存在油、水同时与岩石颗粒表面接触的情况。如果水能够自动进入岩石孔隙中并把孔隙中的油挤出来，说明岩石更加“亲近”水，通常我们把这种情况称为水湿。反过来，如果油能够自动进入岩石孔隙中并把孔隙中的水挤出来，说明岩石更加“亲近”油，我们就把这种情况称为油湿。
地下油藏中的岩石到底是“亲水憎油”还是“爱油恨水”，对于油、气、水在地下孔隙中的分布和后期开采都有着重要的影响。如果岩石是亲水的，它所亲近的流体：水，就会尽可能地占据岩石颗粒表面的位置，形成一层类似“水膜”的存在，而把油推向孔隙更中间的位置。如果岩石亲油的话，油就会紧紧贴在岩石颗粒表面，把水推到孔隙中间去。当我们对孔隙施加一定压差时，位于流动通道中央的原油会比紧贴在岩石表面的原油更容易流动。换句话说，油藏岩石润湿性不同，同样开采条件下原油的采出量也会有所不同。
也正是由于润湿性的影响，地下岩石的细小孔道中产生了另外一种特殊界面现象：毛细管现象。什么是毛细管现象呢？
在日常生活中，当我们把一根细小的玻璃管插入盛水的敞口容器时，会观察到这样一些神奇的现象：水会在玻璃管内自动上升，管内水和空气的界面形状并不是平面，而是凹形，而且最终玻璃管内水面高度高于盛水容器中水面高度。但如果换成一根较大管径的玻璃管之后，玻璃管内的水面就会是平直的，而且玻璃管内水面高度和盛水容器水面高度一致。这种仅发生在半径很小的管子内的液体上升（或下降）的神奇现象就被称为毛细管现象。
科学家们发现，之所以会产生毛细管现象，是因为在毛细管中弯曲流体界面上存在一个附加的“毛细管压力”。毛细管压力和我们在日常生活中遇到的其他力一样，不仅有大小，也有方向，它的方向恒定指向固体界面更“憎恶”的那一种流体。正是因为这个附加的力的存在，导致毛细管中流体液面和敞口容器中流体液面高度不一致。并且毛细管半径越小，弯曲液面上的附加毛细管压力越大。
由于玻璃管表面是亲水的，毛管力的方向会向上指向玻璃表面更“憎恶”的空气，所以玻璃管中的水会自动上升到高于敞口容器中水面的高度。如果我们把敞口容器中的水换成水银，又会发生什么情况呢？我们在日常生活中可以观察到，玻璃表面并不“亲近”水银。由于玻璃管中这个附加的力的方向是向下指向水银，最终玻璃管内水银的高度比敞口容器中水银高度更低，且玻璃管内水银界面形状会呈现凸形。
地下岩石中有大量弯弯曲曲的细小孔道，这些孔道都可以被看成毛细管。地下油、气、水在这些毛细管孔道内流动时，也会产生毛细管现象，不同流体交界面上也会产生附加的“毛细管力”。油藏通常会采用注水的方法，让水在一定压差下进入到孔隙中，置换赶走其中的原油，这个附加的毛细管力将会直接影响水置换原油的效果。在“亲水憎油”的岩石孔道中，毛细管力指向岩石孔道表面憎恶的“油”，毛细管力的方向与水推动原油的压差方向是一致的，对于注水置换原油来说，相当于增加了一个额外的动力。相反，在“亲油憎水”的岩石孔道中，毛细管力的方向与水推动原油的压差方向是相反的，对于注水置换原油来说，相当于增加了一个额外的阻力。地下岩石中不同孔隙表面的润湿性可能并不一致，这就导致注水置换原油时，每个孔道中的实际置换动力是不同的，进而导致地层中不同区域、不同孔道内原油被采出的程度也不一致。
可以看出来，这些深埋在地下的看似普普通通的岩石，其实并不普通。它们里边有孔隙，而且大部分互联互通，能透气透水，油、气、水等流体能“藏”在里边。岩石中的“油、气”性质很特别，油与气性质差异很大，与大家熟悉的水的性质也有很大不同。油、气、水性格不同，同处一“房间”，他们之间的相互作用使得流体在岩石中的流动复杂而神秘。特别是当地下岩石和其中的流体相遇后，在长期的“相处”过程中，它们之间又会产生一系列物理、化学作用，形成了岩石与流体之间独特的爱恨故事，增加了油气在地下岩石中流动的复杂性和神秘性。地下岩石、岩石中的流体、岩石与流体之间、以及流体与流体之间的奥秘，直接关系着一个油气藏中石油、天然气储藏量的多少，影响着“藏”在岩石中的石油、天然气的运动路径和速度，也决定了这一个油气藏中石油、天然气能不能成功采掘出来？有多少石油、天然气能比较容易地采掘到地面来？有多少石油、天然气需要九牛二虎之力才能采出到地面来？如果想把储藏在地下岩石中的石油、天然气更多、更快、更经济地采出来，科学家们就不得不不厌其烦地与这些冷冰冰的石头打交道，就必须好好地认识这些石头，全方位地研究这些石头以及蕴藏在其中的不为人知的奥秘。
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责任编辑：李 杰