引言

石英表面结构特征分析是一种形貌分析方法，1962 年首次作为一种沉积学研究手段被应用到地质学领域^[1]。由于石英具有较大的硬度和较高的化学稳定性，较好地保留了搬运和沉积过程中各种地质营力所形成的微形貌特征，这使得它为沉积环境的识别提供了直观证据。利用扫描电镜研究石英颗粒的表面结构已经成为沉积学里解译沉积环境和搬运机制的一种行之有效的方法^[2]。在碎屑沉积物的物源、搬运过程和成岩历史方面，石英颗粒的微观结构分析被认为是一个强有力的工具^[3]。但有关这方面的研究，在国内少有报道。

随着珠江口盆地白云凹陷深水区荔湾3-1 大气田的发现，揭开了中国深水勘探的热潮^[4]。对白云荔湾深水区油气成藏条件与勘探潜力已有较为系统的阐述^[4-6]，其上部珠江组的层序沉积特征，也有一些学者从岩芯、测井、地震等方面进行了较为深入的探讨^[7-10]，而对荔湾深水区下部的珠海组，则较少有学者涉及，其石英颗粒表面特征研究，更是未见报道。

本文试图通过对这些油气储层砂岩的石英颗粒表面特征的研究，为沉积水动力条件和沉积环境解释提供新的证据和思路。

1 地质背景

珠江口盆地位于南海北部大陆架，自北向南依次可以划分为5 个北东向的二级构造单元，即北部断阶带、北部拗陷带、中央隆起带、南部拗陷带和南部隆起带，而白云凹陷则是位于南部拗陷带的一个三级构造单元。研究区位于白云凹陷东南缘的深水区，大致经历了晚白垩早渐新世的裂陷、晚渐新世的过渡阶段和中新世以来的拗陷3 个构造阶段，自下向上发育神狐组、文昌组、恩平组、珠海组、珠江组、韩江组、粤海组、万山组和第四系（图 1）。

研究区珠海组是夹在两大区域不整合界面（T6和T7）之间的浅海—深海过渡地层，是研究陆架坡折带迁移规律的理想地区，其顶部渐新世—中新世的重要事件及白云运动对应地质时间约为23.8 Ma，以白云运动为标志，23.8 Ma 之后，陆架坡折由本区跃迁到研究区北部，该区由渐新世晚期的浅海陆架环境转为陆坡深水环境^[11]。其中，珠海组为海相浅水陆架沉积。早期为受海侵影响的三角洲沉积，潮汐作用明显，为砂泥岩互层。中期为大套浅海陆架—深水灰色泥岩沉积。晚期主要有三角洲前缘水下分流河道、河口坝、远沙坝、前三角洲滑塌等沉积砂体，夹浅海陆架泥岩沉积，为砂泥岩互层^[12]。本研究所用的石英砂取自晚期的三角洲沉积砂体。

2 资料和方法

本研究样品取自白云深水区LW-A1 井珠海组顶部砂岩储层段，测井上显示漏斗形，岩芯剖面上自下向上显示反旋回，为三角洲前缘砂体（图 2）。采样位置见图 2，所采样品均为灰白色中细粒砂岩，胶结极差，多数呈松散粉末状，成岩作用差，其石英颗粒表面形貌受后期改造作用小，较好地保存了石英颗粒搬运过程中形成的微观形貌特征，是利用扫描电镜进行沉积学分析的理想样品。

原样并不能直接用作扫描电镜的观察，必须进行处理。结合前人成果，本研究采用以下步骤处理样品：

（1）每个岩样取10 克样品烘干；

（2）加入15% 的稀盐酸煮10 min，用于除去碳酸盐和氧化铁；

（3）用去离子水清洗至少3 次，直至洗出的水非常清澈；

（4）在焦磷酸钠（Na₄P₂O₇·10H₂O）溶液（浓度为50 g/L）中煮样品10 min，用于溶解颗粒表面黏结的小颗粒和有机质；

（5）再次用去离子水清洗样品，至少3 次；

（6）在60℃条件下烘干样品。

烘干样品过100 目金刚筛，选出粒径大于0.125 mm 的砂级颗粒；然后每个岩样在双目显微镜下随机挑选25 颗单晶石英颗粒；挑选大小相似的颗粒，因为微观结构可能与颗粒大小有关^{[1, 13]}。挑好样品在40 mA 电流下镀金350 s，用双面胶以一定样式固定在样品台上，送入扫描电镜观察即可。本文使用的是中国地质大学（北京）能源学院储层重点实验室的捷克Tescan 公司2011 年生产的TescanVEGA 扫描电子显微镜；共观察分析单颗粒石英150 颗，照片298 张。

依据Vos 的研究成果，对观察到的微观结构进行识别，共识别出机械成因、化学成因、机械化学成因3 大类26 小类^[14] （详见表 1）。采用Williams使用的清单法，对单个小类微观特征做了统计分析^[15] （图 3）。图 3 中横坐标的数字对应于表 1 中列出的具体微观结构特征，纵坐标是特定微观结构出现的频率。结合研究区实际，将出现频率大于50%的特征定义为丰富，10%～50% 为常见，小于10%定义为罕见。

3 珠海组石英颗粒表面微观结构 3.1 机械成因特征

珠海组石英颗粒轮廓可见棱角状（图 4a）、次棱角状（图 4b，图 5a），圆状少见。贝壳状断口大小不一，可细分为小贝壳状断口（＜10 μm）、中等贝壳状断口（＜100 μm，图 4d）和大贝壳状断口（>100 μm，图 4c）3 小类。而在大中型贝壳状断口上，可见台阶状的特征，研究区见弧形和直线形两种形式（图 4e，图 4f）。台阶的深度通常仅几个微米，相邻台阶之间的间隔为2.00～5.00 μm。无论在宽度还是深度上，弧形台阶都要比直线型要大（图 4e，图 4f）。台阶成因上与贝壳状断口有关，是在贝壳状断口面和石英晶体的解理面相交时通过撞击或压刻产生的。

V 形撞击坑（图 5b，图 5e，图 6d）是石英颗粒表面似三角形的凹陷，凹陷随着穿透深度的增加而变窄，直至消失；其直径最大为5.00 μm，平均0.10 μm；三角形的形状是下伏解理片边缘的一个显示^[16]。珠海组石英颗粒显示的V 形撞击坑无定向性，撞击坑形状多为V 形，但也有少数矩形坑（图 5b）。

直/弯沟槽和刻痕（图 4a，图 5a，图 5c）是颗粒表面较深、锯齿状边、长条形的沟痕。其长度在2.00～25.00 μm，深度大于1.00 μm，宽度约5.00 μm。在颗粒碰撞过程中，具有足够动力的某个颗粒，利用自身锋利的亚显微边缘在另外一个摆动的颗粒上压刻，进而形成这些显微特征^[17-18]。

机械上翻片（图 5d）为一系列薄的、平行片，以一定角度相交于颗粒表面；通常有锯齿状参次不齐的轮廓、顶部破碎，高度为0.50～10.00 μm。在高能撞击下，石英颗粒的解理面破碎形成上翻片^[19]。

新月形撞击痕迹是石英颗粒上圆锥形的断口^[20] （图 5e）。新月形裂纹的角之间的距离在1～30 μm；新月形撞击痕迹源于颗粒之间的剧烈碰撞^[20]。成因上它与弧形、小贝壳状断口的初始阶段相似，之所以没有发展成为一个完整的解理片是因为碰撞能量不足。

磨蚀疲劳（图 5f，图 6e），是石英颗粒上包含裂纹和位错、黏结小颗粒（小于3 nm）的一个作用层面^[13]；当能量波传递到颗粒表面时高能量碰撞破坏Si—O 键引起晶格破碎，从而形成磨蚀疲劳^[13]。

平行/亚平行裂纹（图 6a），也被称作沃纳线（Wallner lines），是颗粒表面浅（或深）的线形裂纹^[13]；其长度几微米到几十微米，相邻裂纹宽度仅几微米。

划痕是本研究中比较有特色的一种微观结构；单个划痕宽5.00～20.00 μm，深度纳米级，几个划痕一起构成同心弧形；个别划痕之间有雁行状排列的次一级划痕（图 6b）。其成因与棱角状颗粒的划刻有关，是高能水动力条件的表征。

3.2 化学成因结构

方向性溶蚀坑是石英颗粒表面极其规则、三角形或者正方形的凹陷（图 6c），具有方向性是其最大特点。通过其规则和良好的定形外观，它可以与机械成因的、三角形的V 形撞击坑区别开。在实验室条件下，用海水、浓HF、浓NaOH、泥炭溶解液，可以重造此特征，这有力表明了其化学成因^[21]。它的出现与成岩过程、一些土壤作用和碱性流体（如海水）有关^[22]。

单个溶解坑（图 6d）常呈圆形、次圆形，大小不一，直径变化高达10.00 μm；其成因与成岩作用有关，其出现概率和外貌形状主要取决于溶解环境的化学活性和颗粒浸泡时间。很难将其与流体侵入（如矿物包裹体）的遗迹区分开。图 6d 中，不规则、椭圆、似三角形洞被解释为溶解坑；而图 4d 被解释为流体包裹体痕迹，因为它们排成直线状并出现在新鲜的断口面上。

溶解裂缝颗粒表面由溶解形成的龟裂，其深度通常小于10.00 μm；常包含非常细层的边缘，很可能代表解理片^[16]。其总是与溶解坑伴生，成因上与之有关。

硅球是石英颗粒上圆状次圆状的硅质沉淀液滴；直径为0.05～0.25 μm（图 6e）。相对静止的颗粒与硅质超饱和流体接触形成硅质小球^[23]，可见其形成于相对低能量的环境中。

硅花（图 6e）是向上凸的、六边形对称的放射状结构，反映了a 石英三方晶系的对称特征^[23]。其直径为1.00～20.00 μm。在硅质沉淀期间硅质小球的继续生长形成硅花。

硅膜是石英表面硅质沉淀的光滑薄层（图 6e）。通常，它可能淡化甚至遮盖早期的微观结构。硅膜厚度在单个颗粒表面变化相当大，为2.00～10.00 μm，其形成是硅球、硅花的继续生长的结果^[23]。

图 6e 展示了硅沉淀的不同期次：硅沉淀第一阶段，硅质小球形成（A）；沉淀继续进行，硅球开始合并形成硅花（B），继而演化成硅膜，硅膜覆盖在颗粒表面，遮盖了其他微观特征，使颗粒表面变得光滑。

3.3 机械化学成因结构

突起可用来描述显微镜尺度上颗粒的粗糙度和光滑度，细分为低突起、中突起、高突起。低突起颗粒的表面光滑，缺少地形起伏（图 4d）；中突起表面比较光滑但局部有凹凸（小于1.00 μm；图 4b）；高突起表面粗糙、凹凸显著（图 4a，图 5a，图 5c） ^[23]。这种不规则或由颗粒碰撞产生，或由改造产生。在搬运过程中，颗粒表面因为碰撞产生直/弯沟、V 形撞击坑等机械成因结构，可能会使突起增高（图 5c）；同样，如果沉淀充填了凹陷，溶解了突起，则会使突起降低。

黏结颗粒是指黏结在颗粒表面上的矿物碎片（图 6f），其大小不一（纳米级到几十微米不等）。珠海组石英颗粒此类结构常见（图 6f），黏结矿物为高岭石、埃洛石等黏土矿物集合体，并常与磨蚀疲劳、撞击坑等特征共生。

4 讨论

研究区石英颗粒表面显示了3 大类26 小类微观结构。机械成因特征以次棱角状、磨蚀疲劳、V 形撞击坑、机械上翻片最为丰富，直/弯沟和刻痕、次棱角状、平行裂纹等微观结构比较常见；而化学成因特征则以溶解洞最为突出，以硅球、硅花、硅膜为特色；黏结颗粒则是机械化学成因类的特征结构颗粒轮廓以次棱角状为主（超过50%，图 3），表明其颗粒经过一定距离的搬运磨圆；圆状轮廓常见，但并不占主要地位，说明搬运距离并不是很长；少量棱角状（图 4a）石英颗粒的存在，可能暗示研究区存在本地物源。

次圆状、球根状边缘伴有少量V 形坑特征是河流成因的特征^[13]。根据Margolis 的研究，V 形撞击坑少于颗粒的50% 属于河流成因，大于50% 属于高能海岸沉积^[18]。Vos 的研究成果也表明，V 形撞击坑、直/弯沟和刻痕是中高能水下环境的特征，主要发生在浅海、河流（高能）三角洲（向海方向）的环境中^[14]。研究区出现丰富的V 形撞击坑（图 3，>50%），是高能水动力条件搬运的直接证据；与其伴生的直/弯沟和刻痕，出现频率高达45%，是石英颗粒搬运所处上部流态体制的另一个有力证明。

贝壳状断口的大小是其形成时能量大小的反映^[23]。研究区大中贝壳状断口（图 4c，图 4d）常见（图 3），推测石英颗粒经历了较强的机械冲击；小颗粒（＜250.00 μm）上贝壳状断口不常见，因为它们在碰撞过程中趋近与破坏形成平的解理面。另外，少量断口面上显示放射状裂纹（图 4d），表面低洼处可见小型孔洞（2.00 μm，图 4d）线形排列，很可能是无机物入侵（如包裹体）等的遗迹。在高能撞击下，石英颗粒的解理面破碎形成上翻片^[19]。该特征在研究区出现的频率高达50%（图 1），但因其常与溶解和沉淀特征伴生，使得该微观结构遭到了不同程度的破坏。Lancaster 认为，小颗粒（＜250.00 μm）以悬移方式搬运，因而避免了激烈碰撞，导致了新月形撞击痕迹的形成^[24]。珠海组的新月形撞击坑罕见（不足10%），从侧面说明了悬移不是石英颗粒搬运的主要方式。

磨蚀疲劳在珠海组所有的机械成因特征中出现频率最高（图 3），代表了颗粒碰撞的巅峰，其与V 形撞击坑、机械上翻片等微观特征一起，反映了颗粒搬运过程中高能量的碰撞、挤压、磨蚀等机械成因过程，是石英颗粒经历高能水动力搬运的有利证明。

总之，机械成因结构显示石英颗粒搬运中经过了中等距离、在高能的水动力条件下以跃移为主的搬运过程。硅球、硅花、硅膜等化学成因的微观结构，提供了岩石成岩期的宝贵信息，代表了影响石英颗粒表面形貌的最后事件^[25]。这些特征通常在后生沉积/成岩中石英颗粒的破坏面上形成^[2]。本研究中，颗粒表面的硅花、硅藻在颗粒的破坏部分保存完好（图 6e）。因此，可以认为该类微观特征是沉积后形成的，因为如果这些特征形成于沉积作用前，那么它们会在搬运过程中部分或全部被破坏。Madhavaraju 的研究表明，硅质沉淀物的形成，与高温潮湿、高降雨量和饱和硅的潮间带相关^[25]。据此，推测研究区石英颗粒表面的硅质沉淀可能与滨浅海饱和硅的环境有关。

黏结颗粒可能是源岩的碎片，可提供沉积物物源的宝贵信息；若黏结颗粒为黏土矿物，如图 6f 揭示的残留的埃洛石和高岭石黏土颗粒，可能提供成岩环境甚至气候的信息^[26]。一般认为，高岭石是在潮湿气候酸性介质中岩石被强烈淋滤的条件下形成的，气候温暖潮湿有利于高岭石的形成和保存。珠海组石英颗粒表面黏结较多高岭石等黏土矿物，可能是该组沉积期温暖潮湿气候的证据，这与前人从白云北坡泥岩的地化资料得出的结论一致^[27]。需要注意的是，黏结颗粒的存在，毫无疑问会遮盖颗粒表面的其他一些微观结构，在进行微观结构的分析时，需要根据研究目的决定是否需要除去。研究区的黏结颗粒出现的频率不是很高（图 3），并不代表样品中原始的黏结颗粒频率不高，这主要与样品处理有关。

5 结论

（1）珠江口盆地白云凹陷深水区单颗粒石英表面显示机械成因、化学成因、机械化学成因3 大类26 小类微观特征。

（2）对珠海组石英颗粒表面各种微观结构的统计分析发现，次棱角状、V 形撞击坑、直弯沟/刻痕、机械上翻片、磨蚀疲劳等机械成因的微观形貌最具特色，这些机械成因特征共同表明了珠海晚期的沉积作用以中等的搬运距离、高能的水动力条件（上部流动体制）和跃移为主的搬运机制为特征。

（3）叠加在先期机械成因特征之上的硅球、硅花、硅膜等化学成因结构，是影响石英颗粒表面形貌的最后事件，可能与滨浅海饱和硅的成岩环境有关；而石英颗粒表面黏结的高岭石等黏土矿物特征，则可能为研究珠海组成岩期的气候特征提供新证据。

（4）需要指出的是，在沉积学研究中微观结构的使用可能比较局限，但它确实提供了一种解剖沉积历史的独特方法。机械成因特征能够反映沉积期的水动力环境信息，可作为研究沉积环境的佐证；而化学成因的特征则可以提供成岩作用甚至气候的信息。单颗粒石英表面的微观形貌具体的沉积学意义还有待深入研究，但无疑这将为沉积过程的研究提供新的思路。因此，笔者建议，在沉积学的研究中，应加强此方法的应用，以便更为准确地解译沉积相。