川東北新元古代克拉通裂陷的厘定及其深層油氣意義

汪正江,汪澤成,余 謙,彭 軍,杜秋定1,

(1.自然資源部沉積盆地與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn),四川 成都 610081;2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中,四川 成都 610081;3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究,北京 100083;4.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué),四川 成都 610500)

四川盆地是中國(guó)中西部三大海相克拉通盆地之一(許效松等,2004),其現(xiàn)今的構(gòu)造格局,是印支運(yùn)動(dòng)以來,在周緣造山帶的持續(xù)逆沖加載作用下形成的構(gòu)造盆地,其東北邊緣為米倉(cāng)山-大巴山,西北邊緣為龍門山,東以齊岳山-金佛山與武陵坳陷分界,南與大婁山-大涼山漸變過渡(劉樹根等,2014)。從原型沉積盆地的角度看,現(xiàn)今的四川盆地僅為新元古代—古生代中上揚(yáng)子海相克拉通盆地的一部分(王劍,2000;Wang J and Li Z X,2001,2003;汪正江等,2015)。中上揚(yáng)子海相盆地經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化過程,大體上劃分為三個(gè)大的階段:新元古代—早古生代海相盆地、晚古生代—中三疊世海相盆地和中生代陸相盆地。其中新元古代—早古生代海相盆地,在新元古代Rodinia超大陸裂解背景下,其演化序列最為完整,先后發(fā)育裂谷盆地、被動(dòng)陸緣盆地和前陸盆地三種盆地充填序列(汪正江等,2016),形成了多層系復(fù)合復(fù)雜的含油氣系統(tǒng),為四川盆地深層油氣勘探奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ),然其復(fù)雜的構(gòu)造古地理格局與演替也給深層勘探方向預(yù)測(cè)和目標(biāo)優(yōu)選提出了巨大挑戰(zhàn)。

安岳磨溪特大型海相氣田的發(fā)現(xiàn)極大地激發(fā)了“綿陽-長(zhǎng)寧克拉通裂陷”形成的盆地動(dòng)力學(xué)與四川盆地震旦—寒武紀(jì)構(gòu)造古地理研究(劉樹根等,2013,2017;魏國(guó)齊等,2015a,2018;杜金虎等,2016)熱情。近期,一些專家學(xué)者基于深部地震、露頭剖面調(diào)查及部分鉆井資料等綜合分析,對(duì)川東北地區(qū)深層的構(gòu)造古地理開展了一些新的探索,提出了川東地區(qū)深層發(fā)育北西向展布的達(dá)州-開江古隆起(Z1-1)(楊躍明等,2016)或北東向的宣漢-開江隆起(AnZ-1)(谷志東等,2016)、北東向萬源-達(dá)州克拉通裂陷(Z2-1)(趙文智等,2017)或北東向萬源-宣漢-廣安古隆起(李智武等,2019)等明顯不一致的區(qū)域構(gòu)造古地理認(rèn)識(shí)。

為深化認(rèn)識(shí)川東北地區(qū)深層(新元古代中晚期,820～540Ma)盆地動(dòng)力學(xué)過程及其充填序列,本文擬結(jié)合最新勘探動(dòng)態(tài),采用原型盆地分析的方法,從沉積序列和關(guān)鍵事件(Key-event)分析入手,深入解剖川東北及鄰區(qū)在Rodinia超大陸裂解背景下的構(gòu)造-沉積響應(yīng),以期重建新元古代中期以來的構(gòu)造古地理格局與沉積相演化模式,為川東北深層油氣有利區(qū)帶預(yù)測(cè)與勘探部署提供依據(jù)。

1 川東北及鄰區(qū)新元古代的沉積序列

1.1 大巴山地區(qū)

1.1.1 大巴山西北段(西鄉(xiāng)-鎮(zhèn)巴小區(qū))

該段新元古代板溪期蓮沱組沉積為灰色、灰綠色中厚層長(zhǎng)石石英砂巖、凝灰質(zhì)砂巖夾砂質(zhì)泥巖。出露厚度不一,但均未見底,主要剖面有西鄉(xiāng)司上侯家灣、鎮(zhèn)巴小洋壩等。該組最大沉積特征是普遍含有凝灰質(zhì),其主要來源于揚(yáng)子陸塊新元古代中期(820～780Ma)大規(guī)?；鹕綆r漿作用的近源快速沉積,因此,其砂巖的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較低。

西北段的南華系發(fā)育較為齊全,從下往上依次為古城組、大塘坡組和南沱組。需要提出的是,該地區(qū)的大塘坡組與揚(yáng)子?xùn)|南緣湘黔桂地區(qū)的大塘坡組(汪正江等,2015,2016)巖性不同,但其沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)制相似。西鄉(xiāng)司上和鎮(zhèn)巴小洋壩剖面的大塘坡組主要為潮坪、濱岸潟湖相灰綠色凝灰質(zhì)砂巖、紫紅色泥頁(yè)巖夾長(zhǎng)石石英砂巖沉積,巖石成層性好、水平紋層等各沉積構(gòu)造發(fā)育。

西北段的古城冰期沉積厚度不大,主要為灰綠色塊狀?yuàn)A中薄層含礫砂質(zhì)凝灰?guī)r,且與下伏地層存在一定的沉積間斷,反映在南華大冰期早期(即Sturtian冰期),該地區(qū)可能長(zhǎng)期處于大陸冰川作用之下,以剝蝕作用為主、沉積作用較弱。進(jìn)入南沱冰期,由于該區(qū)域處于陸相-海相冰緣的過渡帶附近,且距離物源區(qū)較近,物源補(bǔ)給充沛,致使局部沉積厚度巨大?？傮w上,南沱組以塊狀含礫凝灰質(zhì)砂巖、含礫沉凝灰?guī)r夾凝灰質(zhì)砂巖為特征,在司上剖面可見4～5個(gè)灰綠色-紫紅色交互的韻律,顯示陸相冰緣沉積特征,而鎮(zhèn)巴及以南少見紫紅色且冰磧礫石相對(duì)較小,為灰綠色冰海相沉積。

西北段的震旦系發(fā)育齊全,主要剖面有西鄉(xiāng)司上、鎮(zhèn)巴小洋壩、九拱坪/白草道班和紫陽紫黃等。陡山沱組以一套扇三角洲砂礫巖(圖1)沉積開始,與底部南沱組的底沖刷現(xiàn)象普遍發(fā)育,顯示出冰川消融后的快速進(jìn)積作用。但陡山沱組一段總體上卻顯示為向上水體變深、粒度變細(xì)(砂礫巖—含礫砂巖—長(zhǎng)石石英砂巖—粉-細(xì)砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖)的退積序列,且上部的砂質(zhì)泥頁(yè)巖普遍出現(xiàn)紫紅色。陡山沱組二段以淺水陸棚相灰色-深灰色泥頁(yè)巖為主,夾少量粉-細(xì)砂巖、泥質(zhì)白云巖等。陡山沱組三段以相對(duì)清水的碳酸鹽緩坡泥質(zhì)白云巖、灰質(zhì)白云巖為主,區(qū)域沉積環(huán)境趨于穩(wěn)定,陸源碎屑補(bǔ)給相對(duì)不足。陡山沱組四段以深灰色泥頁(yè)巖為主,夾砂巖或灰?guī)r,頂部發(fā)育含磷砂巖。

圖1 鎮(zhèn)巴小洋壩剖面和五探1井陡山沱組一段的巖性特征對(duì)比Fig.1 Lithologic comparison of Zhenba Xiaoyangba section and the first member of Doushantuo Formation in Wutan1well

宏觀上,燈影組可劃分成3段(表1),燈影組一+二段下部中厚層微晶白云巖,中上部為中厚層紋層狀白云巖、藻團(tuán)塊白云巖夾微-細(xì)晶白云巖,厚約100～150m。燈影組三段較薄,一般為2～3m的深灰色-黑色泥巖,夾硅質(zhì)巖、硅質(zhì)灰?guī)r或砂巖等,顯示出燈影早期的碳酸鹽臺(tái)地建設(shè)的中斷與活化。燈影組四段從下往上依次發(fā)育泥質(zhì)白云巖、藻紋層白云巖、藻球粒、藻砂屑白云巖等,形成了一個(gè)相對(duì)完整的建灘沉積序列,厚度200～300m,顯示出燈影期碳酸鹽臺(tái)地在該區(qū)已得到了重建。

1.1.2 大巴山中段(萬源-城口小區(qū))

中段的萬源大竹至城口東安一線,主要特征是南華系和陡山沱組厚度較大,燈影組白云巖發(fā)育不好,但其陡山沱組和燈影組上段碳質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖相對(duì)發(fā)育,明顯反映出早期為快速充填與晚期為欠補(bǔ)償沉積序列(表1)。

表1 川東北地區(qū)新元古代典型剖面地層厚度對(duì)比表Table1 Comparison of stratigraphic thickness of typical Neoproterozoic sections in Northeast Sichuan

在城口明月和高燕地區(qū),出露南華系和震旦系地層,其南華系大塘坡組可見厚度大于200m,主要巖性為灰綠色塊狀-中厚層凝灰質(zhì)砂巖、砂質(zhì)凝灰?guī)r,夾少量紫紅色頁(yè)巖。南沱組塊狀冰磧礫巖,厚約400m,下部礫石含量較高、成分復(fù)雜(礫徑5～50mm,少有100～200mm,主要為酸性火山熔巖、硅質(zhì)巖、白云巖、灰?guī)r、凝灰?guī)r等),上部礫石趨少、趨小。相比于西北段,本段的冰磧礫石不僅礫徑較小,而且在成分上也顯示出火山巖礫石減少、沉積巖增加趨勢(shì)。

中段的震旦系沉積序列與川中地區(qū)有較大區(qū)別,主要是陡山沱組一段出現(xiàn)較大厚度(200～300m)的砂巖-泥頁(yè)巖韻律互層(可能屬于深水重力流沉積),可與小洋壩陡山沱組陡一段對(duì)比。陡二段為深灰色泥頁(yè)巖,夾泥質(zhì)白云巖;陡三段與西北段相似,為泥晶白云巖、云質(zhì)灰?guī)r,顯示出高位體系域相對(duì)穩(wěn)定的沉積環(huán)境;陡四段為一次大規(guī)模海侵沉積,發(fā)育黑色碳質(zhì)頁(yè)巖、深灰色硅質(zhì)巖,炭質(zhì)黑色巖系厚達(dá)150余米。頂部出現(xiàn)可能與最大海泛期上升洋流有關(guān)的膠磷礦和軟錳礦沉積(圖2)。

中段的燈影組沉積厚度較小,但也可以劃分為3段,其燈一—二段下部為中薄層泥質(zhì)白云巖,上部為薄層狀泥晶灰?guī)r,發(fā)育馬尾絲狀構(gòu)造,夾硅質(zhì)條帶,在明月剖面本段厚87m;燈三段為黑色碳質(zhì)頁(yè)巖,僅厚2m;燈四段為深灰色中薄層狀硅質(zhì)巖夾透鏡狀、似層狀云質(zhì)灰?guī)r,厚度僅有15m。因此,中段燈影期總體表現(xiàn)為欠補(bǔ)償?shù)酿囸I沉積序列(圖2),這一特征與西北段及川中髙石—磨溪地區(qū)燈影期欣欣向榮的碳酸鹽臺(tái)地沉積分異明顯(圖3)。

圖2 城口明月剖面新元古代沉積序列與關(guān)鍵事件Fig2 Neoproterozoic sedimentary sequences and key events in Chengkou Mingyue section

圖3 川中-川東北地區(qū)震旦-寒武紀(jì)轉(zhuǎn)換期的地層劃分對(duì)比與構(gòu)造古地理單元Fig.3 Comparison of stratigaphice division and tectonic palaeogeographic units in Sinian-Cambrian transition period in central and northeast Sichuan

1.1.3 大巴山東段(巫溪小區(qū))

東段主要是指巫溪地區(qū),在巫溪土城—烏龍—魚鱗一線,燈影組的沉積特征與城口明月、萬源大竹地區(qū)的燈影組完全不同,表現(xiàn)為明顯的碳酸鹽臺(tái)地相特征(圖4)。雖在燈三段表現(xiàn)出明顯的臺(tái)地活化,但至燈四段臺(tái)地很快得到了重建,西部的康家坪剖面燈影組白云巖總厚達(dá)710m。在盆內(nèi)的樓探1井鉆探結(jié)果同樣顯示出燈影組的臺(tái)地相沉積特征且分段明顯。麥地坪組主體為淺灰色泥質(zhì)巖沉積,僅頂部發(fā)育有含磷泥質(zhì)灰?guī)r。陡山沱組二段和四段雖也有較好的烴源巖發(fā)育,但相較于城口明月來說,明顯變薄,碳質(zhì)頁(yè)巖累計(jì)厚度小于20m。

圖4 巫溪烏龍剖面震旦系燈影組沉積特征Fig4 Sedimentary characteristics of Dengying Formation in Wulong Section,Wuxi county

東段的南華系在烏龍、魚鱗一帶可見,但未見底。其主要特征是大塘坡組和南沱組上部發(fā)育紫紅色砂質(zhì)頁(yè)巖,粉砂—細(xì)砂巖沉積,且南沱組冰磧礫巖厚度小,其礫石少、粒徑小,可能反映了巫溪地區(qū)處于沉積物源相對(duì)匱乏、沉積水體較淺的古地理高部位。

1.2 米倉(cāng)山地區(qū)

新元古代中晚期米倉(cāng)山—漢南地區(qū)具有西低東高的古地理格局。米倉(cāng)山西北緣的寧強(qiáng)胡家壩剖面板溪系、南華系和震旦系發(fā)育齊全,蓮沱組厚約510m,主要為一套河流-三角洲相砂礫巖-中—細(xì)砂巖—粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖沉積。南華系古城組厚度僅17m,為含礫雜砂巖;大塘坡組為灰色粉砂質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖,厚67m;南沱組為灰—灰綠色含礫雜砂巖夾薄層中細(xì)砂巖、頁(yè)巖,厚約330m。

胡家壩的震旦系陡山沱組以細(xì)碎屑巖為主,夾少量頁(yè)巖和砂巖,主要為三角洲前緣沉積,厚約470余米。燈影組下段為碳酸鹽臺(tái)地相厚層白云巖為特征,厚達(dá)720m;燈三段為砂質(zhì)頁(yè)巖夾薄層灰?guī)r、砂巖及紫紅色頁(yè)巖,厚約60m;燈四段為硅質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)白云巖等,厚約250m。

米倉(cāng)山東南緣的南江地區(qū)新元古代地層序列僅有震旦系,且陡山沱期海侵上超晚,僅發(fā)育30m左右的濱岸相砂礫巖后,快速轉(zhuǎn)換為燈影期的碳酸鹽臺(tái)地(表1)。其燈影組沉積與胡家壩相似,沉積厚度大、分段性好。

1.3 川中高磨地區(qū)

與川東北地區(qū)相比,川中隆起東部的高磨地區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)板溪系和南華系地層。其中高磨西北緣的蓬探1井和東南部的女基井均揭示為陡山沱組超覆在板溪期蘇雄組火山巖之上,其時(shí)代均為板溪早期,與威遠(yuǎn)隆起之威117井(谷志東等,2013,2015)鉆遇的A型花崗巖的時(shí)代(794±11Ma)一致。

高磨地區(qū)震旦系的基本特征是陡山沱組厚度薄,主要為混積潮坪碎屑巖夾泥質(zhì)白云巖或泥質(zhì)灰?guī)r組合,而燈影組則表現(xiàn)為碳酸鹽巖臺(tái)地相藻云巖沉積,厚度大、分段性好(圖3,表2),是高磨地區(qū)的重要儲(chǔ)集層和勘探目的層(魏國(guó)齊等,2015a,2015b,2018;杜金虎等,2014;鄒才能等,2014;劉樹根等,2016)。

1.4 五探1井震旦—寒武紀(jì)沉積序列

目前川東北地區(qū)鉆遇前寒武紀(jì)地層的僅有五探1井,區(qū)域?qū)Ρ入y度較大,特別是對(duì)于7800～8044m井段碎屑巖的時(shí)代歸屬,存在較大爭(zhēng)議。為此,中石油四川盆地研究中心分別選取7594m、7960m和8022m井段巖屑進(jìn)行碎屑鋯石年代學(xué)研究,測(cè)試結(jié)果表明,其碎屑鋯石主要來源于川中古隆起新元古代中期的火山碎屑(主峰值年齡均為790Ma左右),其最小峰值分別為654Ma、663Ma和635Ma(內(nèi)部交流),反映有部分來自南華系的再旋回沉積。同時(shí),根據(jù)五探1井8040～8044m井段的巖心看,主要為一套深水重力流沉積,發(fā)育液化砂巖脈、砂枕,及粉細(xì)砂巖與深灰色、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖的韻律層等(圖1),其沉積序列可與城口明月剖面陡山沱組一段對(duì)比。從剖面結(jié)構(gòu)上看,也與鎮(zhèn)巴小洋壩剖面陡山沱組一段有明顯的一致性。因此,五探1井7800～8044m井段碎屑巖系應(yīng)歸屬震旦系陡山沱組為宜(圖3、圖5)。

圖5 五探1井震旦紀(jì)關(guān)鍵事件與沉積序列演化Fig.5 Sinian key events and their depositional sequences in Wutan1well

實(shí)際上,我們將五探1井的地層序列對(duì)比于城口明月剖面(圖2),也大體上可以給出相似結(jié)論。但需要說明的是,關(guān)于城口地區(qū)的明月組(西南地區(qū)地層總結(jié)(震旦系),1981),實(shí)際上包含兩個(gè)巖性段,上段(4～5層)發(fā)育鮑馬序列、發(fā)育紋層構(gòu)造的砂巖-粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖多韻律互層段,應(yīng)歸屬陡山沱組一段,可與鎮(zhèn)巴小洋壩、西鄉(xiāng)司上等剖面陡山沱組底部扇三角洲相較高成熟度的砂礫巖沉積對(duì)應(yīng),均屬于陡山沱早期上揚(yáng)子大陸冰川快速消融過程中的陸源碎屑進(jìn)積序列;下段含礫雜砂巖段(2～3層),應(yīng)為南沱組冰磧礫巖無疑。而南沱組之下的灰綠色凝灰質(zhì)砂巖、紫紅色頁(yè)巖段(未見底),對(duì)比城口高觀寺剖面序列看,相當(dāng)于大塘坡組(表1)。

因此,根據(jù)五探1井與城口明月剖面等新元古代地層序列的相似性,我們認(rèn)為五探1井區(qū)與城口地區(qū)應(yīng)處于同一構(gòu)造古地理單元,指示著川東北地區(qū)新元古代中期以來持續(xù)發(fā)育一個(gè)北東向相對(duì)深水的沉積單元,該單元內(nèi)發(fā)育有相對(duì)完整的新元古代地層序列(圖3),或可對(duì)比于鄂西海槽,我們暫且將其命名為“川東北克拉通裂陷”,以區(qū)別于前人提出的震旦紀(jì)—早寒武世“萬源-達(dá)州克拉通裂陷”(趙文智等,2017)。

2 川東北克拉通裂陷開啟時(shí)間

從城口明月、高燕剖面和五探1井的陡山沱組底部均發(fā)育有200～300m的深水重力流沉積,也可推測(cè)其沉積期的可容納空間必然是很大的,這也直接導(dǎo)致了燈影組碳酸鹽臺(tái)地相不發(fā)育,在盆地邊緣的城口地區(qū),燈影組甚至出現(xiàn)明顯的深水陸棚-盆地相硅質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖及透鏡狀泥質(zhì)云巖(圖2、圖3、表2)。這一特殊的沉積序列與川中高磨地區(qū)是明顯不同的,與綿陽-長(zhǎng)寧克拉通裂陷內(nèi)的髙石17井和資陽1井序列也是不同的(表2)。因此,這種巨大的沉積相分異,也是盆地古地理格局的最直觀響應(yīng)。

那么,川東北克拉通裂陷究竟始于何時(shí)呢?從鎮(zhèn)巴小洋壩、紫陽紫黃、萬源大竹、城口明月、高觀寺等剖面地層序列的系統(tǒng)對(duì)比看,川東北克拉通裂陷的地層序列不僅包含有南華系,也有南華裂谷開啟后的快速充填序列(板溪期沉積),在鎮(zhèn)巴小洋壩對(duì)應(yīng)于南華系下覆的蓮沱組(未見底)、高觀寺剖面對(duì)應(yīng)于古城組冰磧礫巖之下的武當(dāng)山群(未見底,也有學(xué)者稱之為龍?zhí)逗咏M;Xiang et al.,2015),其巖性主要為灰色-灰綠色凝灰質(zhì)巖屑砂巖、凝灰質(zhì)砂質(zhì)泥頁(yè)巖等。這一序列與揚(yáng)子?xùn)|南緣的板溪群、下江群等充填序列(汪正江等,2015,2016)基本一致。同時(shí),再結(jié)合鄰近的鄂西神農(nóng)架西緣的新元古代沉積序列分析(表2),可以確定川東北克拉通裂陷的開啟應(yīng)與南華裂谷系的形成同步(ca.820Ma),其盆地動(dòng)力學(xué)機(jī)制也應(yīng)與Rodinia裂解直接相關(guān)。

表2 川東北、鄂西及綿陽-長(zhǎng)寧克拉通裂陷的沉積充填序列對(duì)比表Table2 Comparison of the filling sequences of intra-cratonic rifts in Northeast Sichuan,West Hubei and Mianyang-Changning areas

3 新元古代克拉通裂陷的構(gòu)造演化與關(guān)鍵事件

2000年以來,關(guān)于揚(yáng)子陸塊新元古代構(gòu)造演化研究一直為地學(xué)研究熱點(diǎn)。對(duì)于揚(yáng)子北緣來說,研究主要集中在漢南雜巖和黃陵雜巖(Ling et al.,2003;凌文黎等,2007;徐學(xué)義等,2009,2010,2011;Peng et al.,2012;Zhao and Zhou,2008;李佐臣等,2013;敖文昊等,2014),而對(duì)于北緣新元古代的沉積盆地演化及地層序列的研究相對(duì)較少(Xiang et al.,2015;管開萍等,2016),盆地充填序列與區(qū)域地層格架尚不清晰。

本次研究表明,揚(yáng)子北緣新元古代地層序列與揚(yáng)子?xùn)|南緣的湘黔桂地區(qū)(汪正江,2015,2016)基本一致。伴隨著Rodinia裂解,揚(yáng)子克拉通北緣也經(jīng)歷了三個(gè)各具特色的演化階段:(1)板溪期的裂谷充填階段(820～720Ma),在揚(yáng)子北緣雖大部出露有限,如鎮(zhèn)巴小洋壩、城口明月、巫溪烏龍等剖面。(2)南華紀(jì)冰期(720～635Ma),雖然目前在北緣尚未見到相當(dāng)于長(zhǎng)安冰期沉積,但與湘鄂西南華系地層序列是相似的。(3)震旦紀(jì)初始碳酸鹽臺(tái)地建設(shè)階段,依據(jù)最新的研究進(jìn)展(周傳明等,2019),陡山沱組沉積時(shí)限為84Ma(635～551Ma)、燈影組沉積時(shí)限僅10Ma(551～541Ma),這說明在經(jīng)歷裂谷快速充填和南華冰期冰川的雙重作用下,揚(yáng)子陸塊主體基本被夷平后,陡山沱組沉積速率很低,顯示出陸源碎屑補(bǔ)給不足,這一沉積環(huán)境為中上揚(yáng)子燈影期初始碳酸鹽臺(tái)地的形成準(zhǔn)備了有利條件。

前人研究表明,燈影組沉積時(shí)限雖僅有10Ma,但在多幕次桐灣運(yùn)動(dòng)的影響下(魏國(guó)齊等,2015a;鄒才能等,2014;汪澤成等,2014;李偉等,2015;梅慶華等,2016),燈影期碳酸鹽臺(tái)地仍經(jīng)歷了臺(tái)地的形成(燈1+2段)—活化(燈3段)—重建(燈4段)與隆升剝蝕的復(fù)雜過程(表2)。至于綿陽-長(zhǎng)寧裂陷及以西地區(qū)未識(shí)別出燈影組三段、四段(鄒才能等2014;汪澤成等,2014;杜金虎等,2016),是燈四段沉積期末隆升剝蝕的結(jié)果,還是因?yàn)閹r相變化未能識(shí)別,還有待進(jìn)一步研究。

在川東北克拉通裂陷內(nèi),多幕次桐灣運(yùn)動(dòng)的沉積響應(yīng)與綿陽-長(zhǎng)寧裂陷一樣清晰可見。城口明月剖面燈影早期為碳酸鹽緩坡泥質(zhì)云巖、泥質(zhì)灰?guī)r組合,桐灣Ⅰ幕后,燈三—燈四段發(fā)育深水陸棚相黑色碳質(zhì)頁(yè)巖和薄層硅質(zhì)巖(圖3),不僅表明其沉積水體快速加深,更有海底熱液活動(dòng)。而對(duì)于五探1井來說,其燈影早期沉積厚度與高磨地區(qū)相比是非常小的(圖5),表明五探1井區(qū)尚未進(jìn)入臺(tái)地建設(shè)階段,其沉積環(huán)境可對(duì)比與城口明月剖面;其燈四段發(fā)育厚約200m的白云巖,則說明其晚期進(jìn)入了臺(tái)地建設(shè),可與高磨地區(qū)碳酸鹽臺(tái)地重建相對(duì)應(yīng)。而同處于川東北裂陷內(nèi)的明月剖面和五探1井燈影早期的相似性與燈影三—四段的沉積差異性,說明五探1井的古地理位置應(yīng)處于川中臺(tái)地與川東北裂陷的過渡帶上(圖3)。

4 盆地演化的階段性與沉積相模式

從不同構(gòu)造單元的沉積序列對(duì)比來看,四川盆地演化具有明顯的區(qū)域差異性,但從關(guān)鍵事件及其對(duì)應(yīng)的盆地演化的階段性看,其古地理演替卻又有著明顯的一致性和相似性。因此,為進(jìn)一步明確不同構(gòu)造古地理單元沉積相分異的沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)制,下面就按演化階段厘定新元古代—寒武紀(jì)海相原型沉積盆地的構(gòu)造古地理格局。

4.1 新元古代裂谷盆地充填與初始臺(tái)地建設(shè)

根據(jù)鎮(zhèn)巴—城口—巫溪一帶剖面地層序列的初步調(diào)查和研究,我們認(rèn)為川東北地區(qū)可能主要受新元古代南秦嶺-武當(dāng)山裂谷系影響,但其新元古代板溪—南華紀(jì)沉積序列與揚(yáng)子?xùn)|南緣仍具有較好的可對(duì)比性。

川東北地區(qū)的板溪期沉積,由于出露序列不完整(僅出露蓮沱組上部),研究文獻(xiàn)少見。剖面資料顯示,蓮沱期主要為三角洲-淺海陸棚沉積序列。在城口一帶蓮沱組主要為淺海陸棚相凝灰質(zhì)巖、凝灰質(zhì)細(xì)砂巖夾灰綠色、雜色頁(yè)巖,向西、向東有變淺特征:西北部的小洋壩為三角洲前緣相巖屑砂巖-粉砂質(zhì)泥巖,發(fā)育平行層理、沙紋層理及大型包卷層理等;再往北至西鄉(xiāng)司上則發(fā)育濱岸-三角洲平原含礫砂巖-巖屑細(xì)砂巖等,發(fā)育平行層理等。城口往東,至巫溪魚鱗蓮沱組仍為陸棚相灰綠色凝灰質(zhì)板巖夾少量凝灰質(zhì)砂巖,但至神農(nóng)架高橋河一帶(圖6a),則遞變?yōu)楹恿?三角洲相砂礫巖-砂巖-泥頁(yè)巖組合,發(fā)育波痕、平行層理、斜層理、泄水構(gòu)造等多種淺水沉積構(gòu)造。

由此可見,在川東北地區(qū)新元古代板溪期沉積相變化明顯,呈現(xiàn)出東西兩頭為濱岸-三角洲環(huán)境,中部的城口—萬源地區(qū)為較深水的陸棚相沉積環(huán)境,且其凝灰質(zhì)和火山碎屑含量高,可能與武當(dāng)山群沉積-火山巖序列有親緣關(guān)系(Xiang et al.,2015)。

川東北及鄰區(qū)南華系出露較為完整的,從下往上依次有古城組、大塘坡組和南沱組(表2,表3),其古地理格局與板溪期主要表現(xiàn)為繼承性發(fā)展。這里需要明確的是,雖然目前在四川盆地內(nèi)部尚未鉆井直接揭示有板溪期和南華冰期沉積,但依據(jù)五探1井的陡山沱組的地層序列推測(cè),其深部應(yīng)有南華系發(fā)育(圖6a),而且這一推測(cè)與現(xiàn)有部分深部地震剖面地重新解釋結(jié)果一致。龍崗探區(qū)地震剖面顯示,燈影組之下的斷壘-斷陷構(gòu)造格局清楚,剖面東南段,沿?cái)鄩具吘壣L(zhǎng)斷層發(fā)育的水下扇/低位楔清晰可見(圖7)。

同時(shí),圖7地震剖面也清晰地呈現(xiàn)了川東北裂陷燈影組沉積早期(燈一+二段)沉積厚度向東南逐漸減薄趨勢(shì),表明臺(tái)緣斜坡帶就在龍崗一帶。而五探1井所在的川東北克拉通裂陷則持續(xù)繼承了南華紀(jì)—陡山沱期的古地理格局,由于水體尚較深(碳酸鹽緩坡),未能與高磨地區(qū)同步進(jìn)入碳酸鹽臺(tái)地建設(shè)階段(圖1、圖6c)。

圖6 四川盆地新元古代-寒武紀(jì)原型沉積盆地演化與沉積相模式Fig.6 Evolution of Neoproterozoic-Cambrian prototype sedimentary basins and its sedimentary model in Sichuan Basin

圖7 川東北新元古代克拉通裂陷在龍崗地區(qū)的構(gòu)造-沉積響應(yīng)(地震剖面)Fig.7 Tectonic-sedimentary response of Neoproterozoic craton rift in Longgang area,Northeast Sichuan(seismic profile)

因此,板溪期—震旦紀(jì)早期,四川盆地的古地理格局主要為川中臺(tái)地、川東北裂陷、渝東北臺(tái)地及鄂西裂陷(圖6a、b、c),其中川東北和鄂西裂陷的主活動(dòng)期為板溪期,南華紀(jì)和震旦紀(jì)中早期為繼承性發(fā)展和沉積充填,而此時(shí)綿陽-長(zhǎng)寧裂陷尚未進(jìn)入活躍期,其所在川西臺(tái)地主體為剝蝕與夷平過程,沉積作用不明顯。至燈影早期(燈一+二段),綿陽-長(zhǎng)寧裂陷所在區(qū)域可能已開始發(fā)育差異沉降,南段形成了川南潟湖,在北段的綿陽—資陽一帶與東側(cè)的高磨地區(qū)已存在明顯的沉積分異現(xiàn)象(圖6c),燈二段發(fā)育了受同沉積斷裂控制的臺(tái)緣丘灘體(趙路子等,2020)。

4.2 震旦紀(jì)—寒武紀(jì)之交初始臺(tái)地的活化與重建

進(jìn)入燈影晚期(燈三段沉積期),上揚(yáng)子地區(qū)燈影一段+二段沉積期剛剛發(fā)育起來的碳酸鹽初始臺(tái)地,在區(qū)域伸展構(gòu)造作用下發(fā)生了活化而中止,并發(fā)育了一套厚度不大、區(qū)域上相對(duì)穩(wěn)定的泥質(zhì)巖或泥質(zhì)碳酸鹽沉積(圖6d),而在沉降較大的區(qū)域更是發(fā)育了具有一定生烴潛力的黑色泥頁(yè)巖。此時(shí)綿陽-長(zhǎng)寧克拉通裂陷開始成型,南北兩段已連為一體。鄂西海槽(裂陷)也有進(jìn)一步活動(dòng),而川東北裂陷可能主要表現(xiàn)為海平面上升,南段達(dá)州一帶表現(xiàn)為碳酸鹽緩坡的進(jìn)積作用,北部城口地區(qū)則發(fā)育深水碳質(zhì)泥頁(yè)巖。

燈四段沉積期,隨著海平面的持續(xù)穩(wěn)定上升,上揚(yáng)子初始臺(tái)地快速得到恢復(fù)與重建,但區(qū)域沉積相分異也得到了進(jìn)一步強(qiáng)化,川中、川西臺(tái)地邊緣丘灘發(fā)育,綿陽-長(zhǎng)寧、川東北、鄂西等裂陷區(qū)持續(xù)發(fā)展,發(fā)育深水或較深水的泥質(zhì)巖或泥質(zhì)碳酸鹽沉積(圖6e)。但在川東北克拉通裂陷南端,因其臺(tái)緣坡度小、深度淺,臺(tái)地相區(qū)向北東向推進(jìn)較快,致使川東北裂陷有向東北快速收縮趨勢(shì)。

4.3 寒武紀(jì)早期的漸次海侵上超與統(tǒng)一臺(tái)地的形成

進(jìn)入寒武紀(jì),上揚(yáng)子地區(qū)經(jīng)歷三次海侵上超。第一次海侵上超就是麥地坪期,規(guī)模也是最小的,其沉積記錄主要在綿陽-長(zhǎng)寧、川東北、鄂西等克拉通裂陷內(nèi),及其他地勢(shì)較低的區(qū)域,且沉積厚度普遍較小(圖6f)。其沉積巖石組合主要為泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)云巖、碳質(zhì)頁(yè)巖等,其中硅質(zhì)云巖主要發(fā)育在綿陽-長(zhǎng)寧克拉通裂陷以西的川西碳酸鹽緩坡?？赡苁鞘艿缴仙罅鞯挠绊?麥地坪組的磷含量較高,是揚(yáng)子西緣主要磷礦產(chǎn)層,如什邡清平、馬邊大風(fēng)頂、雷波馬頸子等磷礦。

筇竹寺組沉積早期是寒武紀(jì)、也是早古生代最大規(guī)模的海泛事件,形成了上揚(yáng)子新元古代—早古生代沉積盆地最重要、最廣泛的一套烴源巖(圖6g)。實(shí)際上早寒武世的陸架重建和碳酸鹽臺(tái)地形成,經(jīng)歷了兩個(gè)階段,第一階段是由筇竹寺組的深水陸棚碳質(zhì)泥頁(yè)巖到碳酸鹽緩坡的石牌組灰?guī)r;第二階段是由滄浪鋪組淺水陸棚、混積陸棚,到龍王廟組碳酸鹽臺(tái)地形成。特別需要注意的是,滄浪鋪期揚(yáng)子西緣的快速隆升與大量剝蝕(圖6h),可能才是綿陽-長(zhǎng)寧克拉通裂陷被快速充填、消亡的關(guān)鍵所在。

自此以后,直至印支運(yùn)動(dòng),上揚(yáng)子克拉通西高東低的古地理格局就此形成。由此,我們認(rèn)為揚(yáng)子陸塊應(yīng)該受到了岡瓦納大陸泛非造山運(yùn)動(dòng)的影響,其最直接表現(xiàn)可能就是摩天嶺地塊與揚(yáng)子陸塊地匯聚、碰撞與拼合。因此,自滄浪鋪期開始,中上揚(yáng)子的大地構(gòu)造背景隨之也由區(qū)域伸展向擠壓坳陷轉(zhuǎn)換,清虛洞期/龍王廟期統(tǒng)一的碳酸鹽臺(tái)地就是在這一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)換期得以順利完成。

4.4 中晚寒武世克拉通坳陷的形成與演化

龍王廟期后,揚(yáng)子克拉通在來自西緣和西北緣持續(xù)構(gòu)造擠壓作用下,米倉(cāng)山地區(qū)和川西天全—綿竹一線進(jìn)一步隆升,同時(shí)克拉通內(nèi)擾曲-沉降進(jìn)一步加劇,在西自宜賓、經(jīng)恩施、東至荊州,形成了一個(gè)廣闊的潟湖相區(qū)(圖6i、j),普遍發(fā)育巨厚的潟湖相含膏巖系、泥質(zhì)碳酸鹽巖,代表性鉆井如東深1、座3井、樓探1、建深1井、洗1井、簰深1井等。該套含膏巖系的發(fā)育也構(gòu)成了元古代—寒武紀(jì)含油氣系統(tǒng)重要的區(qū)域蓋層。

與此同時(shí),隨著揚(yáng)子克拉通的持續(xù)擾曲、沉降,川東北和鄂西新元古代以來的克拉通裂陷,也融入到了中上揚(yáng)子統(tǒng)一的克拉通內(nèi)坳陷之中,成為了宜賓-永川-恩施-荊州潟湖的一部分了。

5 川東北深層油氣的勘探方向預(yù)測(cè)

5.1 川東北克拉通裂陷的烴源巖

油氣勘探目標(biāo)的選擇,含油氣系統(tǒng)諸要素的品質(zhì)及其匹配關(guān)系是首要考慮的問題。然而對(duì)四川盆地來說,似乎只要有優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層發(fā)育,即可獲得新突破。不論是普光、元壩,還是最近的川中安岳磨溪特大氣田的發(fā)現(xiàn),似乎都一再佐證這一認(rèn)識(shí),這可能與四川盆地多層系區(qū)域性烴源巖與多含油氣系統(tǒng)復(fù)合疊加的特殊地質(zhì)背景有關(guān)。

具體到川東北地區(qū)元古代—早古生代區(qū)域性烴源巖層在哪里?下寒武統(tǒng)烴源巖發(fā)育嗎?品質(zhì)如何?根據(jù)城口明月、高燕、和平等露頭剖面及五探1井資料分析,我們認(rèn)為川東北克拉通裂陷在沉積充填過程中,發(fā)育有多套黑色碳質(zhì)巖系:陡山沱組二段、四段,燈影組三段、四段及下寒武統(tǒng)的筇竹寺組/水井沱組等,特別是下寒武統(tǒng)麥地坪組和筇竹寺組烴源巖(表4)廣泛發(fā)育,有機(jī)質(zhì)含量高,為一巨型生烴灶(陳安清等,2020),因此,川東北地區(qū)深層含油氣系統(tǒng)的區(qū)域性烴源巖是發(fā)育的。

表4 五探1井寒武系烴源巖特征及其與鄰區(qū)對(duì)比Table4 Comparison of Cambrian hydrocarbon source rocks in Wutan1well and its neighborhood

5.2 川東北克拉通裂陷的臺(tái)緣相帶

在確定有優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的情況下,明確優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的區(qū)域展布就成為了實(shí)現(xiàn)油氣勘探新發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過較為系統(tǒng)的原型盆地分析與古地理編圖,我們認(rèn)為川東克拉通裂陷存在與綿陽-長(zhǎng)寧克拉通裂陷相似的燈影期臺(tái)地邊緣相藻丘或藻砂屑淺灘發(fā)育環(huán)境:一是川東北裂陷東西兩側(cè)的臺(tái)地邊緣相區(qū);二是近北東向展布的、半島式的渝東北臺(tái)地邊緣相區(qū)(圖8),這些臺(tái)緣藻丘、淺灘相儲(chǔ)集層系與裂陷內(nèi)深水饑餓環(huán)境下發(fā)育的黑色泥頁(yè)巖,形成良好的源-儲(chǔ)時(shí)空配置關(guān)系(魏國(guó)齊等,2015a;杜金虎等,2016),是下一步川東北(渝東北)地區(qū)深層油氣勘探的優(yōu)先方向。

根據(jù)本次研究,初步預(yù)測(cè)川東北克拉通裂陷的臺(tái)緣相帶展布是:燈影早期(燈一+二段)分布在西側(cè)的萬源—達(dá)州一線,東側(cè)的臺(tái)緣相帶可能分布在巫溪土城—開縣—梁平一線(圖8a)。燈影末期(四段)受上揚(yáng)子初始碳酸鹽臺(tái)地重建與進(jìn)一步拓展影響,川東北克拉通裂陷有向北東快速收縮之勢(shì),因此,臺(tái)緣相帶也有所遷移(圖8b)。

圖8 川東北及鄰區(qū)燈影組一+二段(a)和四段(b)沉積期古地理Fig.8 Paleogeography of the first,the second,and the fourth member periods of Dengying Formation in Northeast Sichuan and its adjacent areas

6 主要結(jié)論

(1)基于關(guān)鍵事件序列的系統(tǒng)厘定,重建了川東北及鄰區(qū)新元古代—寒武紀(jì)原型盆地的地層格架,認(rèn)為川東北地區(qū)發(fā)育有相對(duì)完整的新元古代沉積充填序列。

(2)根據(jù)最新的鉆井和深部地球物理資料解析,揭示川東北發(fā)育有一個(gè)新元古代的克拉通裂陷,不同于綿陽-長(zhǎng)寧克拉通裂陷,不僅其發(fā)育時(shí)間早、演化時(shí)限長(zhǎng),其沉積序列也有較大差異,其早期為補(bǔ)償性裂谷充填、中晚期則發(fā)育欠補(bǔ)償?shù)募?xì)碎屑巖和碳酸鹽巖沉積組合。

(3)川東北克拉通裂陷的形成演化大體上可劃分為三個(gè)階段:新元古代板溪期—震旦紀(jì)早期為伸展斷陷期,與南華裂谷系形成演化同步;震旦紀(jì)陡山沱晚期—寒武紀(jì)筇竹寺期為伸展沉降期;寒武紀(jì)滄浪鋪期至寒武紀(jì)末為擠壓擾曲與克拉通坳陷充填期。

(4)證實(shí)川東北地區(qū)深層發(fā)育有明顯的臺(tái)-盆構(gòu)造古地理格局,源-儲(chǔ)時(shí)空配置良好,或?qū)㈤_辟四川盆地深層(新元古界—下寒武統(tǒng))油氣勘探的新方向與新領(lǐng)域。

致謝:本文成文過程中得到了中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院姜華博士的大力支持,兩名審稿專家和期刊編委對(duì)稿件的建設(shè)性意見和建議提升了論文質(zhì)量,在此一并表示衷心感謝!