川北中三疊統(tǒng)層序-沉積特征及演化

彭 博, 李國蓉, 沈忠民, 胡 琳, 趙應(yīng)權(quán)

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

四川盆地北部地區(qū)的中三疊統(tǒng)主要為一套海相碳酸鹽-蒸發(fā)巖沉積，在縱向上可劃分為5段(雷五段為天井山組)。受中三疊世末發(fā)生的印支早幕影響,該區(qū)由構(gòu)造擠壓作用使揚(yáng)子地塊西緣和北東緣開始緩慢上升[1-3]。該區(qū)大部分地區(qū)剝蝕至1～4段不等,部分點(diǎn)甚至完全剝蝕[4]。底部以綠豆巖為界與嘉陵江組整合接觸，全區(qū)廣泛分布，屬火山玻屑凝灰?guī)r的蝕變產(chǎn)物；頂部為上三疊統(tǒng)砂泥質(zhì)碎屑巖層所限，發(fā)育豐富的淺水型瓣鰓生物組合，以雙殼類最具特色，主要有：Eumorphotisillprica(琴式真形蛤)、E.subillprica(亞琴式真形蛤) 、Myophoriaaff.goldfussi(精致褶翅蛤親近種)等[5]。早、中三疊世總共經(jīng)歷地質(zhì)時(shí)間有16 Ma，為6個(gè)Ⅲ級(jí)層序的有機(jī)堆疊組合構(gòu)成的1個(gè)Ⅱ級(jí)層序[6]。中三疊世處于該Ⅱ級(jí)層序高水位時(shí)期，經(jīng)歷6.10 Ma。但對(duì)中三疊統(tǒng)Ⅲ級(jí)層序劃分仍存較多爭(zhēng)議，較具代表性的劃分方案是1996年趙玉光等在峨眉地區(qū)進(jìn)行三疊紀(jì)高頻層序與振蕩變化研究，由于時(shí)代跨度大、且集中在川西南地區(qū)，直接應(yīng)用于川北地區(qū)較為牽強(qiáng)。

作者在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆錄井及野外剖面資料，應(yīng)用Fischer圖解法進(jìn)行川北中三疊統(tǒng)層序研究，針對(duì)川北中三疊統(tǒng)Ⅲ級(jí)層序劃分方案問題進(jìn)行詳細(xì)分析,結(jié)合海平面變化曲線特征進(jìn)行層序可容空間變化規(guī)律及控制因素討論。根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行井間對(duì)比，最終繪制層序-構(gòu)造巖相古地理圖，期望有助于地質(zhì)研究者對(duì)川北中三疊統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

1 Ⅲ級(jí)層序地層對(duì)比及劃分

川北河壩地區(qū)中三疊統(tǒng)，以局限臺(tái)地相區(qū)潮坪-潟湖相為特征，無沉積相突變。地層沉積受到氣候影響下的周期海平面變化制約，則旋回也表現(xiàn)出近似的等時(shí)性。將川北中三疊統(tǒng)臺(tái)地相區(qū)的河壩1井與川南龍門洞剖面進(jìn)行對(duì)比(圖1)，可見兩區(qū)具有一定的對(duì)比性。

兩區(qū)中三疊統(tǒng)底部均發(fā)育一套鋁土質(zhì)黏土巖(綠豆巖)，雖其成分在不同區(qū)域有略微差異，但在全川可以連續(xù)追蹤，是與下三疊統(tǒng)的地層分界面。

圖1 峨眉地質(zhì)剖面與河壩1井層序沉積相對(duì)比Fig.1 Sequence stratigraphic and facies contract between Longmendong and Well Heba 11.旋回標(biāo)志; 2.正極性; 3.負(fù)極性; 4.灰?guī)r; 5.白云巖; 6.泥灰?guī)r; 7.泥云巖; 8.砂屑灰?guī)r; 9.石膏。龍門洞剖面資料據(jù)趙玉光(1996) [6]

下部Ⅲ級(jí)層序(SQ1)TST底部在兩區(qū)均以蒸發(fā)性含膏云巖為特征，向上膏質(zhì)逐漸消失；到SQ1-TST上部，在峨眉山地區(qū)普遍發(fā)育一套薄層瘤狀灰?guī)r，與川北地區(qū)的深色泥灰?guī)r相對(duì)應(yīng)。

SQ1-HST下部均發(fā)育含膏質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，上部逐漸可見膏巖層、白云質(zhì)灰?guī)r，在部分地區(qū)可見膏溶角礫發(fā)育。

SQ2-TST下部發(fā)育灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖，向上泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，頂部與須家河組碎屑巖呈平行不整合。

通過對(duì)川北不同沉積相帶的剖面對(duì)比，總結(jié)不同沉積相帶的體系域間物質(zhì)表現(xiàn)的差異(表1)，此處不再贅述。

2 高頻層序地層特征

2.1 米級(jí)旋回分析及劃分

米級(jí)旋回劃分主要選擇河壩地區(qū)為重點(diǎn)研究區(qū)域。其地層相對(duì)剝蝕較少，層厚較為穩(wěn)定，向上變淺旋回特征明顯[7]，沉積環(huán)境具有代表性，是進(jìn)行單井解剖、旋回特征及海平面周期性變化研究的較為理想的區(qū)域。在河壩1井共識(shí)別出48個(gè)米級(jí)旋回，以6.10 Ma時(shí)限，上部缺失天井山組及部分雷口坡組第四段上部，根據(jù)等時(shí)標(biāo)定，可知缺失的時(shí)間近似2.5 Ma。由此得到單次旋回時(shí)限0.0729 Ma，在0.2～0.05 Ma之間， 屬于準(zhǔn)層序特征[8]或亞層序[9]，與梅冥相(2001)的0.1 Ma米級(jí)旋回時(shí)限[10]相近。

表1 川北地區(qū)中三疊統(tǒng)上下層序界面物質(zhì)表現(xiàn)統(tǒng)計(jì)Table 1 Petrological statistics of the Middle Triassic series in North Sichuan

該區(qū)主要為多套局限特征的碳酸鹽巖-蒸發(fā)特征的膏(鹽)巖米級(jí)旋回疊置而成，具明顯的向上變淺碳酸鹽巖序列，在測(cè)井、巖屑上都有明顯特征。通過對(duì)河壩1井鉆井剖面分析，共識(shí)別出3種類型12種超短旋回類型，大致可分為灰?guī)r-膏巖旋回、云巖-膏巖旋回、灰?guī)r-云巖旋回(圖1)。①灰?guī)r-膏巖旋回包括：灰?guī)r→膏巖層旋回、泥質(zhì)灰?guī)r→膏巖層旋回、灰?guī)r→含云膏巖旋回；②云巖-膏巖旋回包括：云巖→膏巖層旋回、云巖(泥云巖)→云質(zhì)膏巖旋回、灰云巖→膏巖層旋回；③灰?guī)r-云巖旋回包括：灰?guī)r→云巖旋回、 砂屑灰?guī)r→云巖旋回、泥質(zhì)灰?guī)r→云灰?guī)r旋回等。還有部分同一巖石類型由于單層厚度變化、泥質(zhì)變化形成的旋回，如微晶灰?guī)r→顆?；?guī)r旋回等。

旋回底部以上述第②種類型巖石序列為主，單次旋回厚度較小，集中在2.3～7.675 m(表1)，為嘉陵江組繼承式暴露特征； 3910 m向上逐漸以第①和第③種類型巖石序列交替為特征，單次旋回內(nèi)膏鹽厚度減薄；至3850 m出現(xiàn)深灰色、黑色灰?guī)r，GR增大，DEN降低，為富泥質(zhì)特征。上部旋回呈第①種類型，單次膏質(zhì)厚度較小，由表1可見旋回16～23的厚度主要集中在10.161～27.814 m，呈穩(wěn)定向上疊加特征。10～16旋回向上方向旋回厚度31.402～5.348 m，變化明顯，第①種向第②種類型巖石序列轉(zhuǎn)化，且膏巖單次旋回所占厚度增大，呈高水位(HST)晚期退積疊加樣式。3660 m以上為第③種類型序列以及微晶灰?guī)r→顆?；?guī)r序列。

根據(jù)上述旋回分類，本文將河壩1井進(jìn)行了3次高頻旋回劃分，其中第一次共劃分了48個(gè)高頻旋回，第二次劃分了37個(gè)旋回，第三次劃分了48個(gè)旋回。其中第二、第三次在第一次旋回劃分的基礎(chǔ)上重新進(jìn)行旋回劃分，并將頂、底部分地層納入綜合考慮；經(jīng)逐層進(jìn)行厚度統(tǒng)計(jì)以及累計(jì)偏差統(tǒng)計(jì)，最后以累計(jì)偏差-旋回序列作圖。

2.2 可容空間分析

通過對(duì)比可見，劃分結(jié)果與沉積特征較符合。本次旋回劃分由上到下編號(hào)，由圖2可見，中三疊統(tǒng)大致發(fā)育1.5個(gè)可容空間旋回，為旋回13～43、旋回3～13。其中最大可容空間為旋回25～34?？扇菘臻g升降旋回與中三疊統(tǒng)Ⅲ級(jí)層序劃分之間具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 川北地區(qū)中三疊統(tǒng)沉積相對(duì)比剖面Fig.3 The sedimentary facies of the Middle Triassic series in North Sichuan

圖2 川北地區(qū)河壩1井中三疊世海平面變化與可容空間變化曲線對(duì)比圖Fig.2 Correlation of the Middle Triassic sea level change and accommodation space change cures

將中三疊世海平面升降曲線和可容空間分析曲線進(jìn)行對(duì)比可見(圖2)，在各個(gè)米級(jí)旋回特征中，雖然內(nèi)部海平面小幅度的升降起伏存在著一定的差異，但是海平面變化與可容空間的變化大致對(duì)應(yīng)。從海平面變化曲線上可見，當(dāng)在米級(jí)旋回內(nèi)短期海平面小幅度上升，可容空間相應(yīng)增加。從海平面變化曲線上可見，在底部第45～48旋回為下三疊統(tǒng)，屬干旱蒸發(fā)潮坪相帶；從第44旋回海平面加速上升，進(jìn)入從蒸發(fā)潮坪到蒸發(fā)臺(tái)地-局限臺(tái)地交替環(huán)境。與之同時(shí)，在可容空間曲線上，曲線值陡然上升；隨著海平面的升高，可容空間在第25～32旋回達(dá)到最大值。

3 Ⅲ級(jí)層序沉積相縱向特征

通過多個(gè)剖面沉積相劃分及對(duì)比(圖3)，可見在中三疊世研究區(qū)大部分區(qū)域處于臺(tái)地相區(qū)。在SQ1期，全區(qū)主要發(fā)育潟湖-潮坪相，局部地區(qū)發(fā)育膏質(zhì)潟湖、蒸發(fā)潮坪相。SQ2-TST，仍見潮坪相發(fā)育，但全區(qū)以潟湖相范圍擴(kuò)大，海平面上升導(dǎo)致部分地區(qū)局限特征消失，可見開闊潮下發(fā)育；同時(shí)可見臺(tái)緣地區(qū)廣泛發(fā)育藻屑灘相。SQ2-HST，由于剝蝕而未見。

4 Ⅲ級(jí)層序沉積相演化

以上研究結(jié)果表明，川北地區(qū)中三疊統(tǒng)沉積特征明顯受到海平面變化的控制，且印支早幕構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)沉積相分布的影響也很明顯。此次繪制川北地區(qū)中三疊世構(gòu)造-層序巖相古地理圖[11]，旨在解決分析海平面-構(gòu)造作用下沉積相的演化特征。

4.1 SQ1-TST沉積特征分析

東部與巴彥喀拉海盆相連水域的海水快速進(jìn)入，使TST早期水位升高，臺(tái)緣斜坡沉積物中泥質(zhì)含量增高，在工農(nóng)鎮(zhèn)剖面可見泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r；海水的注入使西部鄰海地區(qū)快速從早三疊世晚期的蒸發(fā)環(huán)境迅速緩解，主要沉積為云巖、云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，與下部沉積的厚層膏巖明顯區(qū)別；中部、東部仍沉積以蒸發(fā)臺(tái)地特征為主，在元壩、普光等地為蒸發(fā)潮坪相，以膏巖層偶夾薄層云巖為特征，毛壩等地的TST早期為蒸發(fā)潟湖相，沉積近100 m厚層膏巖，含部分泥質(zhì)灰?guī)r(圖4)。

圖4 川北地區(qū)中三疊世SQ1-TST期構(gòu)造-層序巖相古地理圖Fig.4 Tectonic-sequence lithofacies-paleogeographic map in the SQ1-TST period of Middle Triassic series of North Sichuan

水位上升最大位置，由于海水的大量注入，東部開始大量發(fā)育局限潟湖相，泥質(zhì)含量高，以泥晶灰?guī)r、微晶灰?guī)r夾白云巖及少量薄層膏巖為特征。東部建深1井、龍8井等也發(fā)育潟湖相。

4.2 SQ1-HST早期沉積特征分析

西部臺(tái)地邊緣灘相發(fā)育，可見藻屑灘、砂屑云巖灘等，均以點(diǎn)狀分布，其間為灘間沉積，以致密膠結(jié)、泥質(zhì)充填為特征；隨著水位的升高，海水經(jīng)巴顏喀拉海盆注入川西凹陷，經(jīng)北部西秦嶺海槽注入龍女寺凹陷，局限潟湖發(fā)育，主要為泥質(zhì)灰?guī)r、灰云巖。其間被川北中部發(fā)育的廣泛潮坪相隔，發(fā)育大量藻席、小規(guī)模藻屑灘為特征。東部受開江-瀘州隆起帶所限，在川北東部出現(xiàn)混積濱海相帶，表現(xiàn)為紫紅色砂、泥巖和碳酸鹽巖-云巖、云灰?guī)r互層，偶夾石膏薄層(圖5)。

圖5 川北地區(qū)中三疊世SQ1-HST早期構(gòu)造-層序巖相古地理圖Fig.5 Tectonic-sequence lithofacies-paleogeographic map in the early period of SQ1-HST of Middle Triassic series of North Sichuan

4.3 HST晚期沉積特征分析

隨著干旱氣候的蒸發(fā)作用以及沉積物不斷向海方向進(jìn)積，海平面相對(duì)下降，全區(qū)再次進(jìn)入短暫的蒸發(fā)環(huán)境，西部臺(tái)地邊緣沉積以白云巖、灰?guī)r夾部分膏巖為特征，臺(tái)地邊緣灘相對(duì)不發(fā)育。川北中部地區(qū)沉積相帶格局變化不大，仍以潮坪-潟湖相為特征。隨著西秦嶺海槽海水向北退去，龍女寺凹陷由局限環(huán)境向蒸發(fā)環(huán)境轉(zhuǎn)換，白云巖、云灰?guī)r明顯增多，在HST頂部可見薄層膏巖，在全區(qū)可以對(duì)比。在東部奉節(jié)-巫縣等地均完全發(fā)育碎屑巖，為紫紅色砂泥質(zhì)(圖6)。

4.4 SQ2-LST沉積特征分析

中三疊統(tǒng)的LST沉積特征并不多見，是由于臺(tái)地邊緣斜坡沉積厚度小、呈分散狀，并且受到印支、喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多期次改造，不易保存。在工農(nóng)鎮(zhèn)剖面較為典型。在下部層序低水位時(shí)期，廣元-什邡-都江堰以西為臺(tái)地邊緣斜坡，主要發(fā)育斜坡扇沉積，以點(diǎn)狀零星分布；在以東的廣大臺(tái)地相區(qū)延續(xù)早三疊世晚期的蒸發(fā)特征，且部分地區(qū)呈暴露剝蝕(該區(qū)范圍太小，未編圖)。

4.5 SQ2-TST沉積特征分析

經(jīng)歷短暫的蒸發(fā)環(huán)境，中三疊統(tǒng)的SQ2層序時(shí)期出現(xiàn)大規(guī)模的海侵，海水仍由西部巴顏喀拉海盆向臺(tái)地內(nèi)注入，臺(tái)緣帶向臺(tái)內(nèi)退卻，在漢旺(碥1井)、青林1井一線發(fā)育藻屑灘相；北部西秦嶺海槽海水注入范圍擴(kuò)大，同時(shí)導(dǎo)致在河壩、毛壩地區(qū)廣泛發(fā)育潟湖，蒼溪元壩、達(dá)州等地區(qū)受古隆影響仍發(fā)育潮坪相，但已未見膏質(zhì)特征，以白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖為主(圖7)。

圖6 川北地區(qū)中三疊世SQ1-HST晚期構(gòu)造-層序巖相古地理圖Fig.6 Tectonic-sequence lithofacies-paleogeographic map in the late period of SQ1-HST of Middle Triassic series of North Sichuann

圖7 川北地區(qū)中三疊世SQ2-TST 早期構(gòu)造-層序巖相古地理圖Fig.7 Tectonic-sequence lithofacies-paleogeographic map in the early period of SQ2-TST of Middle Triassic series of North Sichuan

海侵晚期，此時(shí)印支構(gòu)造作用早幕已開始，川北中部逐漸向上抬升，開江隆起周邊區(qū)域缺少沉積，部分低凹地區(qū)如西部臺(tái)地邊緣仍有沉積，為灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r。至此，中三疊統(tǒng)開始被剝蝕，海相演化結(jié)束，上覆上三疊統(tǒng)陸相沉積(圖8)。

圖8 川北地區(qū)中三疊統(tǒng)SQ2-TST 晚期構(gòu)造-層序巖相古地理圖Fig.8 Tectonic-sequence lithofacies-paleogeographic map in the late period of SQ2-TST of Middle Triassic series of North Sichuan

5 結(jié) 論

a.中三疊統(tǒng)在川北、川南間具有可對(duì)比性，但兩者層序界面、體系域特征及巖性組合上具有一定的差異性。川北中二疊統(tǒng)頂部不整合特征更趨多樣化，且底部界面的鋁土質(zhì)黏土巖特征較川南而言更為模糊。下部Ⅲ級(jí)層序與上部Ⅲ級(jí)層序在川北東部地區(qū)巖性分界明顯，川北東部以粉砂巖、泥云巖向泥灰?guī)r、泥云巖轉(zhuǎn)變，川北中部、西部均出現(xiàn)膏質(zhì)消失，泥質(zhì)增加的特征。

b.川北中三疊統(tǒng)的米級(jí)旋回均處在0.2～0.05 Ma之間，單次旋回平均時(shí)限約0.0729 Ma。河壩1井發(fā)育的48個(gè)米級(jí)旋回，可見1.5個(gè)可容空間旋回，且可容空間升降旋回與中三疊統(tǒng)的Ⅲ級(jí)層序劃分之間具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

c.在川北地區(qū)中三疊統(tǒng)構(gòu)造-層序巖相古地理圖上，可見在臺(tái)地相區(qū)SQ1期以局限、蒸發(fā)環(huán)境為特征，廣泛發(fā)育以膏質(zhì)、白云質(zhì)為特征的潮坪、潟湖相帶,海平面進(jìn)一步下降，在廣元工農(nóng)鎮(zhèn)發(fā)現(xiàn)斜坡角礫為特征的低水位楔。

d.隨著西北部巴彥喀拉海的海水侵入，SQ2-TST期局限特征降低，臺(tái)緣相帶及靠臺(tái)地內(nèi)部廣泛發(fā)育藻屑灘、富藻席潮坪，臺(tái)內(nèi)膏質(zhì)特征消失，瀕秦嶺海槽處出現(xiàn)富泥質(zhì)灰質(zhì)潟湖，隨進(jìn)一步海侵而形成開闊潮下。

e.而SQ2-HST期，受印支運(yùn)動(dòng)早幕影響，全區(qū)抬升被剝蝕至SQ2-TST,上覆上三疊統(tǒng)海陸過渡相、陸相地層，至此全盆地海相演化結(jié)束。

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