四川盆地須家河組層序地層格架及沉積體系分布規律探討

摘 要

摘要:不同學者針對四川盆地上三疊統地層特征及沉積演化規律從不同角度進行了諸多研究,但各自獲得的地質認識卻存在一定的差異。為此,在地表露頭和鉆測井資料分析、地震層序分析

摘要:不同學者針對四川盆地上三疊統地層特征及沉積演化規律從不同角度進行了諸多研究,但各自獲得的地質認識卻存在一定的差異。為此,在地表露頭和鉆測井資料分析、地震層序分析的基礎上,將四川盆地須家河組劃分為2個超長期基準面旋回層序,為須上盆、須下盆2大成盆期的沉積響應;盆地周緣造山旋回變化是控制2大成盆期砂體分布的主導因素,縱向上總體具階梯狀分布特征,由坳陷中心向周邊逐層超覆并階梯狀退積。須家河組主要為陸相河湖三角洲沉積體系,主要發育沖積扇-沖積平原-曲流河或辮狀河三角洲-湖泊和沖積扇-扇三角洲-湖泊沉積體系模式。須下盆沉積體系受西低東高大型緩坡古地貌特征控制,總體具有不對稱分布特點,湖盆中心位于川西坳陷中南段;前陸造山對須上盆沉積體系分布具有明顯的控制作用,沉積體系呈近于對稱的環帶狀分布,前陸隆起及湖盆東移,湖盆走向明顯的受古龍門山控制。
關鍵詞:四川盆地;晚三疊世;沉積體系;層序地層格架;砂體分布;基準面旋回層序;沉積演化特征;造山旋回
四川盆地上三疊統沉積基底為中三疊統海相灰巖,其上依次充填上三疊統馬鞍塘組和小塘子組淺海陸棚-海相三角洲相的暗色泥巖和碎屑巖地層、上三疊統須家河組、侏羅系-白堊系陸相紅層。依據巖石地層劃分方法,川西地區須家河組劃分為須二-須五段累計4個層段,川中地區過去將該套地層命名為香溪群,現亦統一為須家河組,劃分了須二須六段累計5個層段。
不同學者針對四川盆地上三疊統地層特征及沉積演化規律從不同角度進行了諸多研究,但由于陸相層序基準面旋回變化、層序充填樣式、沉積體系演化的控制因素極為復雜[1],地層橫向變化大,地質認識差異明顯,尤其體現在四川盆地范圍內層序地層格架、沉積體系演化模式、沉積體系分布等方面。
筆者利用須家河組周緣典型的地表剖面、全盆地近200口典型鉆井資料、尤其是覆蓋川西坳陷的二、三維地震資料,對地震層序特征、沉積相特征、層序地層格架與砂體分布規律、構造沉積演化規律等方面進行了多年的持續深化研究,創造性提出了四川盆地須家河組超長期旋回內砂體階梯狀分布模式(等時異相特征突出,巖石地層單元對比往往不具等時性),剖析了須家河組沉積相特征,建立了多種沉積體系模式。
    在此基礎上,以超長期基準面旋回上升、下降相域為編圖單元,明確了同旋回等時地層單元內四川盆地沉積體系演化特征及宏觀分布規律,形成了系統性認識,這其中諸多地質認識與傳統觀點具有明顯差異性,典型如須下盆古龍門山對川西坳陷內沉積體系的影響、湖盆中心分布及縱向遷移方式、不同區帶的主體沉積體系模式、須上盆及須下盆沉積體系演變規律等。
1 層序地層格架及疊加樣式
1.1 層序劃分
    以高分辨率層序地層學理論為指導,以基準面旋回層序級次劃分和命名原則為依據[2],同時考慮界面性質、層序結構和疊加樣式,可將四川前陸盆地須家河組劃分為2個超長期和5個長期基準面旋回層序(表1)。
 

    超長期基準面旋回與vail經典層序理論中的Ⅱ級層序相當,層序界面為遍及盆地和對應構造演化各階段的構造不整合面,覆蓋面較廣,是與區域性構造運動相對應的構造充填序列,因此又可稱為構造層序。
    四川盆地須家河組2個超長期旋回分別對應于須家河早期(以安縣運動侵蝕面為界[3],沉積T3x2-T3x3,俗稱須下盆)和須家河晚期(沉積T3x4-T3x6,俗稱須上盆)2個成盆期構造層序。長期基準面旋回與vail經典層序理論中的Ⅲ級層序相當,是一套具較大水深變化幅度的、彼此間具成因聯系的地層所組成的區域性湖進湖退沉積序列,可稱為沉積層序,5個長期旋回層序宏觀上對應于須二、須三、須四、須五、須六段。
    這一劃分原則與國內其他學者有雷同之處[4~5],但筆者更強調的是,在盆地范圍內,長期旋回層序界面與巖性界面有差異,不能單純將厚層砂巖頂、底界作為長期基準面旋回界面,有的長期旋回層序頂界位于泥巖中,見后文連井地層格架。
1.2 層序地層格架及砂體疊加樣式
    受資料限制,多數學者沉積相分析主要來自于地表露頭及鉆井資料,地震層序分析是獲得本文不同于前期地質認識的重要依據,主要線索包括地震剖面上地層厚度變化關系、層間接觸關系,層段內砂體或砂層組分布及疊加樣式等。主要選取了與龍門山或川西坳陷平行、垂直的NE向和NW 向區域二三維地震剖面進行層序格架與砂體疊加樣式分析。
    須下盆SLSC1為緩慢湖侵、快速湖退非對稱基準面旋回,最大湖泛期位于須三段沉積中期。從川西坳陷中南段與龍門山近于平行的NE向大邑-豐谷地區三維連井須家河組頂界拉平地震剖面上看(圖1),須二-須三段以川西坳陷南段都江堰聚源 鴨子河地區最厚,向SW、NE方向逐漸減薄,從鴨子河地區向坳陷東部及西南斜坡逐層上超特征明顯,表明該時期康滇古陸及川中古隆起對須下盆有明顯的控制作用。在大邑、洛帶地區須三段發育厚大砂巖,砂巖底為須三段長期基準面旋回底界,為較為穩定的地震層序界面,該地震相位與川西坳陷中北段須二段上部砂體頂相位相當,即在須下盆,沉積層序二分的特征較為明顯,將SLSC1劃分為2個長期旋回,在地震剖面上及巖石地層特征上都有較明顯的依據。

    從SLSC1砂體疊加樣式上看,四川盆地中西部須二段下部砂組呈現由彭州-鴨子河地區的湖盆中心向東、南、西南3個方向依次上超,鴨子河地區沉積的下部砂組較周邊更完整,而豐谷、洛帶乃至川中古斜坡等遠離川西坳陷中心的斜坡部位下部砂體因過路沉積或未沉積而缺失;須二段中后期,伴隨龍門山島鏈的抬升,川西坳陷進一步沉降,川中古隆起逐漸向東遷移,湖盆進一步擴張,直至須三段中期湖盆范圍達到最大,三角洲沉積體系向盆地周緣退縮,聚源-鴨子河-德陽孝泉地區須二段上部砂體缺失,相變為湖泊沉積,川西坳陷周緣所在的川中及川東地區須二段上部砂體發育,砂體由湖盆中心向周緣呈階梯狀分布(圖2、3)。

    基準面上升旋回內巖相存在明顯差異,即等時異相,川西坳陷中段成都凹陷NW-SE向諸多三維地震剖面這一特征非常典型,受篇幅所限,此不贅述。
    須上盆SLSC2最大湖泛期位于須五段中期,亦具有緩慢湖盆擴張快速湖盆萎縮特征。在圖1左圖SW-NE向剖面上,須上盆厚度變化趨勢與須下盆一致,反映出須上盆湖盆中心亦主要位于川西坳陷南段,但NW-SE向地震剖面上明顯可見,排除須五段頂部印支末期剝蝕厚度影響,北西部減薄趨勢明顯,較須下盆地層厚度變化出現明顯差異,表明安縣運動后,龍門山對須上盆控制作用明顯。
    須四段沉積早期,受安縣運動影響,在須四段底部普遍發育砂礫巖沉積,連井地層對比剖面上可見(圖2、3),該時期,不同物源區砂礫巖體厚度不一,典型如川西坳陷以安縣以南的新場地區相對較厚,這主要與安縣地區大幅度隆升剝蝕有關。受超長期基準面旋回影響,須上盆水體逐漸加深,須四段中后期至須五段早期,湖盆擴張明顯,期間沉積了須四段中上部砂巖,與須二段砂體疊加樣式相似,由川西坳陷中南段湖盆中心向東、向南、向北西斜坡超覆退積,宏觀上依然具有呈階梯狀分布特點,尤其體現在須四上亞段砂體的分布特征上,在川西坳陷中段新場-合興場-豐谷地區,須四段頂部砂體向東階梯狀分布特征已經得到三維地震剖面及鉆井的證實,典型如川合100井須四段頂部第一套砂體在以西的新場地區不發育,相變為泥。但總體上看這一特點不如須二段清楚,這與龍門山抬升使川西坳陷物源復雜化有關。
    與早期諸多學者提出的盆內砂體縱向近平行、橫向楔形分布的地層格架相比,本文地層格架內砂體階梯狀分布模式有明顯差異。
    多年以來,關于川西須家河組地層劃分與川中香溪群的對比關系有諸多觀點[6~8],主要對比方式是宏觀巖石地層單元對比,如富含砂巖的須二段對應香二段,或須四段對應香二段,富含泥巖的須三、須五段對應香三、香五段等。以巖石地層單元為核心的“砂對砂、泥對泥”的對比思路在小區塊內可以有效指導勘探開發的,但由于陸相地層等時異相特征極為突出,旋回和巖石地層單元往往不一一對應,整個四川前陸盆地范圍內基于巖石地層單元的地層對比顯然是不嚴謹的,筆者所建立的地層格架對深化四川盆地須家河組砂體分布規律的認識有借鑒作用。
2 沉積相及沉積體系模式
2.1 沉積相類型劃分及特征
2.1.1須家河組主要沉積相類型劃分存在多種觀點
    目前,對四川盆地須家河組主要沉積相類型劃分存在多種觀點,較有代表性的觀點主要為陸相河湖三角洲沉積、近海河口灣潮汐沉積等觀點[9~11],同時,針對四川盆地不同區域沉積相帶認識還有所不同,例如對川中-川西地區須二、須四、須六段等高砂泥比層段,還有為河流相、三角洲前緣相、灘壩相或者海相潮汐沉積等諸多不同觀點。
2.1.2本文觀點
    通過對四川盆地周緣野外露頭剖面,以及盆內200余口鉆井巖心、錄井、測井資料,運用識別沉積相的巖石顏色、巖石結構、沉積構造及古生物化石等沉積學標志和不同測井曲線特征的測井地質學標志,筆者堅持認為四川盆地上三疊統須家河組主要屬于陸相河湖三角洲沉積體系,類型豐富,可劃分為沖積扇、河流-沖積平原、曲流河三角洲、辮狀河三角洲、扇三角洲、湖泊-沼澤等6種主要沉積體系(表1),沉積相微觀標志詳見本文參考文獻[5、12],此不贅述。
2.1.3沉積特征
    沖積扇沉積體系主要發育于須四段,廣元工農鎮剖面和大巴山前緣的萬源石冠寺剖面須四段發育有完整的沖積扇沉積體系剖面結構,自下而上由泥石流沉積為主的扇根,辮狀河道砂礫充填的扇中,以及扇緣片泛沉積的粉砂巖和泥巖、碳質泥巖構成正韻律旋回結構。
    河流-沖積平原沉積體系主要發育于盆內局部區域須二、須四、須六段內,包括辮狀河、曲流河2種類型。
    扇三角洲沉積體系主要發育于上三疊統須家河組四段下部,沿龍門山前川西坳陷北段和米倉山大巴山前緣發育。巖性為礫巖、砂礫巖、砂巖及泥巖的不等厚互層組合,以礫巖和砂礫巖為主,成因與出山口的沖積扇直接或很快伸入湖泊有關。
    須家河組以曲流河三角洲(即傳統意義的三角洲,后文平面圖以三角洲命名)、辮狀河三角洲沉積體系最為發育。三角洲廣泛發育在須家河組二段、須六段和盆地邊緣的須三段、須五段中,辮狀河三角洲縱向上主要發育在須四段上部,橫向上主要發育在坡度較大的山前斜坡帶。這些三角洲通常垂直盆地邊緣的走向生長,有順著盆地邊緣斜坡呈裙帶狀發育的特點。三角洲平原分流河道及前緣水下分流河道、河口壩是儲集砂巖最為普遍的沉積相類型。
    湖泊沉積體系廣泛發育于四川盆地上三疊統須家河組各段,尤其是須三段和須五段。根據各類相標志確定的水深變化特點,可劃分為濱湖、淺湖和深-半深湖3個亞相。湖泊沉積體系在湖退期,因湖域淤塞可向沼澤轉化。
2.2 沉積體系模式
   四川盆地晚三疊世經歷了由海陸過渡相-陸相的沉積演化過程。主要發育沖積扇-河流(沖積平原)-曲流河或辮狀河三角洲-湖泊,其次為沖積扇-扇三角洲-湖泊沉積模式(圖4)。
 

   沖積扇-河流(沖積平原)-曲流河或辮狀河三角洲-湖泊沉積模式是四川盆地上三疊統的主體沉積樣式。以龍門山及米倉山-大巴山為主的沖斷推覆構造帶是前陸盆地主要物源區,盆地邊緣廣泛發育沖積扇,并連接或疊覆構成沖積扇群,逐漸過渡到河流、沖積平原,并在河流入湖處形成三角洲或辮狀河三角洲相沉積,在與物源相距較遠、古地形比較平緩背景下形成曲流河三角洲,在造山帶前緣坡度較陡區域辮狀河入湖形成辮狀河三角洲,后者主要位于須四段上部。
   沖積扇-扇三角洲-湖泊模式于四川盆地須四下段安縣-中壩劍閣地區最為典型。該模式的特點是湖泊的水體靠近物源區的出口,在山口與湖泊之間缺少河流、沖積平原這一相帶,而是沖積扇直接入湖形成扇三角洲沉積,隨著扇三角洲不斷地向湖盆推進,須四段扇三角洲平原亦隨之拓寬而演變為沖積平原,因而此模式可能隨時間的推移而被辮狀河三角洲取代。
3 須家河組超長期層序-沉積演化特征
    早、中三疊世揚子板塊西部邊緣屬較穩定的被動大陸邊緣,以沉積海相碳酸鹽巖地層和海陸交互相地層為主。白晚三疊世中晚期開始,受古太平洋板塊俯沖、碰撞產生的遠端效應,從北西往南東向上揚子板塊方向不斷推進,從而形成龍門山、米倉山-大巴山等逆沖推覆構造帶,導致四川前陸盆地的形成[5]。盆地內須家河期的沉降充填以及充填方式或沉積模式都與龍門山、米倉山-大巴山等周緣山系構造演化密不可分,前陸造山與前陸隆起是控制須家河組超長期基準面旋回內沉積體系模式、疊加樣式和橫向分布的主要因素,正確認識超長期基準面旋回層序沉積演化規律尤為必要。
3.1 SLSC1超長期基準面旋回層序
    該旋回層序為龍門山由島鏈上升為山系構造活動過程中的沉積響應過程。針對須二段沉積時期巖相古地理編圖有諸多認識,差異最大在于以下問題:西部聚源-鴨子河地區古龍門山在該時期是否大幅度隆升并提供物源,湖盆中心在哪?沉積體系縱向如何演化?
    從前文井震層序地層格架及沉積體系分布上看,都江堰聚源-鴨子河地區處于沉積中心區域,地震剖面識別的三角洲體進積方向主要來自于東北、東部、南部,且從宏觀上看沉積物由西往東、由北向南逐層上超,砂體階梯狀分布,由湖盆中心至盆緣其相帶展布為湖泊-三角洲前緣-三角洲平原-河流(圖5)。總體以向上變細的退積準層序組或中期基準面旋回組成,但中期層序內局部亦存在多個向上變粗的進積準層序組,該時期前陸盆地沉積相帶及層序具有不對稱分布特點。這一地質認識與前期諸多學者的觀點最突出的差異在于,前期認為都江堰聚源-彭州鴨子河地區北部須下盆龍門山已上升為山脈并提供物源,在該處發育大型三角洲沉積體系。而筆者結合地震、鉆井層序地層格架認為,該區域位于湖盆中心。

    SLSC1層序基準面上升期對應湖盆擴張期,是須二段-須三下亞段沉積期。受早印支運動影響,古龍門山諸島鏈持續擴大上升,形成摩天嶺隆起及九頂山隆起等,并逐漸向東推進。
    在此過程中各島鏈逐漸閉合,但尚存在局部海灣沉積環境,海灣即位于四川盆地北西部都江堰聚源-鴨子河地區及其北西地區,但伴隨古龍門山島鏈繼續上升擴大,海水逐漸由鴨子河地區向北西退卻,前陸盆地特征越來越明顯。前陸盆地的前陸隆起主要位于川中的瀘州開江古隆起,至湖盆擴張中后期(須三段沉積早期)轉至川東一帶,反映出隨著龍門山的隆升和向東推覆,前陸隆起有向東逐漸遷移的特點。龍門山北段、米倉山-大巴山、川中古隆起是提供物源的主要場所,其次為盆地西南部邊緣康滇古陸,該時期龍門山島鏈提供物源有限,川西鴨子河-簡陽一線位于湖盆中心。在此構造演化及古地貌背景上,在廣元-南江一線四川盆地北緣山系前發育河流(沖積平原)體系,向南演變為三角洲-湖泊沉積體系,川西坳陷東部川中古陸隆起西側沉積了大型緩坡背景下的三角洲沉積體系,相帶展布上,由盆地中心向邊緣為濱淺湖-三角洲前緣-三角洲平原-河流(沖積平原)沉積。該時期四川盆地東部邊緣處于無沉積狀態,缺失須二段。
    須下盆沉積范圍在須三段沉積中期擴大至最大,基本覆蓋整個四川盆地。SLSC1層序基準面下降期對應須三上亞段沉積期,古地理面貌與基準面上升期相比有較大的變化,沉積體系以濱淺湖為主,物源區明顯減少,三角洲沉積體系主要位于米倉山-大巴山前緣,此外,受康滇古陸影響,盆地西南雅安-大邑、宜賓-赤水一帶發育小型三角洲沉積體系,但主要以前緣相為主,在其前端發育河口壩及遠砂壩沉積。
3.2 SLSC2超長期基準面旋回層序
    該超長期基準面旋回層序底界為“安縣運動”構造不整合面。受“安縣運動”的影響,龍門山大幅隆升,海水由東到西逐漸退出四川盆地,龍門山各島鏈完全閉合,前陸隆起不再后退,在龍門山山前形成前陸盆地型坳陷,該時期川西坳陷受龍門山物源影響最大,但同時受康滇古陸的作用;川東北坳陷主要受大巴山物源影響最大。該時期沉積相帶由不對稱型逐漸轉變為近于對稱的環帶形,SLSC1三角洲沉積體系向SLSC2扇三角洲及辮狀河三角洲轉變是最為突出的特點。
3.2.1 SLSC2層序基準面上升期
    SLSC2層序基準面上升導致的湖盆擴張期,對應須四-須五下亞段沉積期。基準面上升早期(須四下亞段沉積期),受周緣山系隆升影響,湖盆范圍明顯小于須下盆,須四段底部在全盆地范圍內普遍發育有礫巖沉積,尤以川西坳陷和川東北坳陷最為發育,典型如在彭州獅山剖面、大巴山前緣的萬源石冠寺,而位于川中古隆起中段東側的合川炭壩、華鎣山溪口、磨溪和龍女寺氣田地區只發育有薄層細礫巖,說明川中古隆起及其周邊地區受“安縣運動”的影響相對較小。該時期龍門山以及米倉山-大巴山前緣以發育沖積扇沉積體系為主,在川西安縣地區向南往坳陷湖盆中心直接由沖積扇過渡為扇三角洲沉積體系,由盆地邊緣向盆地中心,沉積物由粗變細,在孝泉-豐谷地區明顯可見北部扇三角洲平原礫巖向南相變為前緣砂巖、砂泥巖互層。盆內其他地區主要以辮狀河三角洲入湖為特征,主要存在米倉山-大巴山、川東重慶、川南宜賓-威遠、川西南天全-平落壩等多個物源區。湖盆中心主要位于川西南彭山-眉山一帶,瀘州地區亦存在局部湖盆。
    由于編圖單元所限,本文未展示須四段沉積早期盆內巖相古地理圖。基準面上升晚期(須四上亞段及須五下亞段沉積期),基本繼承了須四下亞段的沉積格局,主要差別體現在川西坳陷北部安縣地區由早期的沖積扇-扇三角洲-湖泊沉積體系轉換為沖積扇-河流-辮狀河三角洲-湖泊沉積體系(圖6),這與須下盆沉積體系亦有明顯差異。

3.2.2 SLSC2層序基準面下降期
    SLSC2層序基準面下降期對應須五上亞段及須六段沉積期,該時期屬于龍門山活動相對寧靜期,古地形相對變緩,沉積體系演變為以三角洲-淺湖沉積為主,須五段早期的辮狀河三角洲向曲流河三角洲演變,湖盆中心位于彭山-射洪一線,呈北東向展布,明顯受古龍門山控制。三角洲前端淺湖砂壩及河口壩較湖盆擴張期規模亦明顯變小,主要由龍門山前緣川西坳陷北段安縣-中壩地區,米倉山-大巴山前萬源-宣漢、川東南川-重慶、川南宜賓-威遠地區提供物源并發育規模相對較小的三角洲沉積。受晚印支運動影響,盆地北部安縣-劍閣一帶須五段沉積后隆升剝蝕缺失,須六段無沉積。
4 結論
   1) 四川盆地邊緣前陸造山與前陸隆起是控制須家河組超長期基準面旋回內沉積體系模式、疊加樣式和橫向分布的主要因素,砂體主要發育于超長期基準面旋回基準面上升導致的湖盆擴張期,砂體由坳陷中心向周邊逐層超覆,縱向上呈階梯狀分布特征。
   2) 從四川盆地須家河組中識別出沖積扇、河流-沖積平原、扇三角洲、辮狀河三角洲、曲流河三角洲、湖泊-沼澤等6種主要的沉積體系,沉積體系模式主要為沖積扇-沖積平原-曲流河或辮狀河三角洲-湖泊,局部發育沖積扇-扇三角洲-湖泊沉積體系模式。
   3) 四川盆地SLSC1超長期基準面旋回對應的須下盆沉積體系受西低東高大型緩坡古地貌特征控制,總體具有不對稱分布特點,湖盆中心位于川西坳陷中南段;前陸造山對須上盆沉積體系分布具有明顯控制作用,沉積體系呈近于對稱的環帶狀分布,湖盆東移,湖盆走向明顯受古龍門山控制。
   4) 四川盆地須家河組陸相沉積橫向變化大,等時異相特征明顯,宏觀巖石地層單元在四川盆地范圍內可對比性差,采用構造-沉積層序綜合分析方法,以基準面旋回為單元恢復巖相古地理特征更為嚴謹,所獲取的地質認識才可能更近于客觀實際。
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(本文作者:葉泰然 李書兵 呂正祥 柯光明 中國石化西南油氣分公司勘探開發研究院)